Thema und Zielsetzung des Vorhabens

Gefördert vom BMBF
Gefördert vom BMBF

Die Ortsbestimmung von Gütern, Personen und Transportmitteln spielt eine wichtige Rolle für die Funktion, Optimierung und Sicherung von vielen wirtschaftlich relevanten Prozessen. Das hier vorgeschlagene Vorhaben EVIPOS greift die rapiden technologischen Entwicklungen von Ortungstechnologien auf, die von Massenmärkten, wie z.B. der Logistik, den Mobilitätsdienstleistungen und des Automobilbaus getrieben werden, und adressiert konkret die logistischen Anforderungen des Schienengüterverkehrs. EVIPOS wird einen Beitrag zur Beschleunigung der Etablierung des von Politik und Industrie vorangetriebenen Konzepts sogenannter „Innovativer Güterwagen“ leisten, indem ein multifunktionales sowie energieeffizientes Ortungs- und Kommunikationskonzept entwickelt wird, dessen fahrzeug- bzw. wagenseitigen Sende-Empfangs-Einheiten nicht nur als Gateway für viele künftige am Güterwagen platzierte Funksensoren, sondern vor allem zur Stützung der kooperativen Zug- und Wagenortung dienen können.

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Projekts VERSATO und seinen vielversprechenden Ergebnissen soll nunmehr eine weitere technologieintegrierende Stufe erreicht und in der Praxis bestätigt werden. Basierend auf den innovativen GNSS-Modulen aus dem genannten Projekt wird ein softwarezentriertes Systemkonzept entwickelt und mit Prototypen getestet, das

  • die für Sensornetzwerke derzeit bzw. künftig relevant erscheinenden Funkschnittstellen (Bluetooth LE, ZigBee und UWB) enthält, um sich mit zukünftigen Sensoren in und an Eisenbahngüterwagen zu verbinden und deren Daten innerhalb von Zügen, zwischen Zügen oder zu lokalen Infrastrukturen weiterzuleiten,
  • als drahtloser Datenverteiler zu Hintergrundsystemen über Mobilfunk fungiert,
  • auf Basis der Erfassung und Bewertung der Funkumgebung im Bahnumfeld feststellen kann, ob neben GNSS lokal weitere funkgestützte, kooperative Ortungsmöglichkeiten vorhanden und simultan nutzbar sind.

Der letztgenannte, ortungsbezogene Punkt wird die wesentlichen softwaretechnischen Innovationen enthalten, die den Kern der in EVIPOS gegenständlichen Arbeiten bilden.

Es existieren unterschiedliche Technologien zur Ortsbestimmung, die spezifische Vor- und Nachteile bezüglich Sicherheit und Zuverlässigkeit haben. Vor allem sind sie miteinander nicht oder nur bedingt kompatibel. Dies erschwert einerseits die bahnbetrieblich erforderliche Gebrauchstauglichkeit und Verbreitung. Andererseits ergeben sich aber Chancen zur Verbesserung sicherheitsrelevanter Qualitätsparameter, wie der Verfügbarkeit, der Genauigkeit und der Integrität der Positionsbestimmung, wenn technisch grundlegend verschiedene und voneinander unabhängige Ortungsverfahren miteinander nahtlos kombiniert werden. Die Nutzung dieser Chancen durch einen innovativen, softwarezentrierten Ansatz wird durch die Ergebnisse von EVIPOS ermöglicht.

In EVIPOS sollen softwareseitig die folgenden Sensorsysteme bzw. Ortungstechnologien zusammengeführt werden:

  • Ortung auf Basis von GNSS,
  • Ortung in Funksensornetzwerken (Wireless Sensor Networks, WSN), z.B. mittels Phasendifferenz- oder Laufzeitmessung auf dem Stack von IEEE 802.15.4 (z.B. ZigBee),
  • Ortung auf Basis von Signalstärken bzw. Signalstärke-Mustern in Drahtlosnetzwerken im Rahmen von IEEE 802.15.1 (z.B. in Bluetooth-LE-Netzwerken,) und
  • Ortung mit Breitbandverfahren durch algorithmische Auswertung der Impulsantwort (Ultra Wide-Band, UWB) zur räumlichen Umgebungserfassung.

Das in EVIPOS-Systemkonzept beinhaltet folgende Funktionen:

  • Identifikation lokaler Funknetze: Die Ortung in ZigBee- und UWB-Netzen setzt den Aufbau bidirektionaler Kommunikation voraus. Dafür ist es notwendig, dass jeder EVIPOS-Transceiver die zulässigen Kommunikationspartner kennt und über die jeweils geltenden Zugangsdaten verfügt. Um überhaupt in der Funkumgebung in Kontakt zu kommen, werden in EVIPOS Bluetooth-Beacons verwendet. Im Broadcasting-Verfahren übermittelt jeder EVIPOS-Transceiver seiner näheren Funkumgebung eigene IDs, die eigene Sendeleistung und die eigene Position, soweit bekannt. Alle anderen EVIPOS-Transceiver können diese Datenpakete empfangen, solange sie sich innerhalb der Reichweite befinden .Im nächsten Schritt nehmen alle EVIPOS-Transceiver mit ihrer Zentrale Kontakt auf, übermitteln die empfangenen IDs und erhalten nach einer zentralenseitigen Prüfung die zulässigen Kommunikationspartner für die ZigBee- und UWB-Ortung sowie die nötigen Zugangsdaten zur Vernetzung.
  • Distanzschätzungen: Nunmehr können lokal zwischen allen vernetzten EVIPOS-Transceivern paarweise Distanzen über die verfügbaren Kanäle ermittelt werden. Zusätzlich können die Empfangsleistungen der Bluetooth-Pakete ausgewertet und darauf basierend Distanzen geschätzt werden. Ergänzend stehen vom GNSS-Modul die empfangenen Satelliten mit den zugehörigen Pseudorange-Werten in jedem EVIPOS-Transceiver zu Verfügung.
  • SLAM-Positionierung: Wenn alle EVIPOS-Transceiver ihre Distanzschätzungen an die Zentrale übermitteln, dann können dort umfassende Distanzmatrizen für das lokale Netzwerk konstruiert werden. Diese Distanzmatrizen fließen gemeinsam mit vorhandenem Metawissen über die Eisenbahninfrastruktur (vor allem Koordinaten von Punkt-, Linien- und Flächenobjekten, z.B. digitale Gleispläne) in das SLAM-Verfahren ein.
  • Stützung mittels Inertialsensorik: Zusätzlich werden Inertialsensordaten (INS), d.h. Signaturen von Beschleunigungen und Drehraten von allen verbundenen Geräten, gesammelt und zur Stützung im SLAM-Algorithmus verwendet.
  • Einbeziehung von Geodaten: Darüber hinaus fließen, soweit in der Zentrale vorliegend, auch die geografisch und/oder topologisch bekannten Gleisverläufe sowie bahntypische Ortungspunkte (wie z.B. Signale, Haltetafeln, Grenzzeichen) in die SLAM-Positionierung mit ein.
  • Bereitstellung von Positionen: Das Ergebnis sind Koordinaten für alle beteiligten EVIPOS-Transceiver, die dann für betriebliche und logistische Anwendungen genutzt werden können.

Das EVIPOS-Konzept reagiert adaptiv hinsichtlich der örtlich wechselnd verfügbaren Daten, d.h. Distanzschätzungen. Es kann in einem lokalen EVIPOS-Netzwerk z.B. durchaus einzelne oder alle Transceiver geben, die kein GNSS-Signal empfangen. Dieser Fall ist bei starken Abschattungen, z.B. in Werkstatt- oder Abstellhallen oder unter Brücken, realistisch. In solchen Fällen würden auf Basis der jeweils vorhandenen Distanzschätzungen und in Kombination mit den Metadaten zur Infrastruktur trotzdem Positionen mit der erforderlichen Ortungsgüte ermittelt werden können. Der Ansatz liefert daher gute Voraussetzungen für eine tatsächliche, vollumfänglich nahtlose Ortung von Outdoor- zu Indoor-Umgebungen im Bahnumfeld. Eine signaltechnisch sichere Erfassung nach SIL-Kriterien ist nicht Gegenstand des Vorhabens.