Určování polohy kolejových vozidel pomocí satelitů pro průmyslové dráhy Michael Schmidt / Joachim Winter Určování polohy kolejových vozidel pomocí fúze komplementárních senzorů a ověřování přesnosti platformy lokace Optivia Průmyslová železnice orientovaná na zákazníky a na trh musí pokrýt stále komplexnější dopravní procesy svých vnitropodnikových a mimopodnikových zákazníků. To se daří pouze technickými inovacemi a novými koncepcemi provozu. Plynulý a přesný chod nákladní dopravy (bez prodlení) je zaručen především tehdy, když dispozice dílčích systémů, lokace vozidel, řízení tratí, radiový přenos dat a vizualizace jsou vzájemně propojeny a začleněny do integrovaného systému. Klíčovou technologií ke zvládnutí těchto nových výzev je přesná lokace průmyslových lokomotiv a speciálních vozidel, jako je pánev na surové železo. Tento článek popisuje nejprve principy určování polohy pomocí satelitů a senzorů potřebných k určování polohy. Ve druhé části jsou krátce uvedeny výsledky terénních zkoušek. Struktura systému určování polohy Platforma lokace Optivia od firmy Daimler Chrysler Rail Systems (Signal) GmbH umožňuje nákladově výhodné určování aktuálních poloh kolejových vozidel. Přístroje vozidel jsou konstruovány se zřetelem na drsné podmínky okolního prostředí průmyslových lokomotiv a zvláštních vozidel a velmi odolné proti velkým kolísáním teploty, otřesům a prachu. Senzory, používané k určování polohy vozidel, jsou voleny se zřetelem na přesnost požadovanou pro tuto funkci, aby se dosáhlo optimálního řešení, pokud jde o aplikaci a náklady. Databáze integrovaná v systému umožňuje přepočet polohy vozidla do souřadnic specifických pro železnici, jako jsou traťové kilometry a čísla tratí, ukládání a správa dat týkajících se vozidel a tratí. K určování polohy lze použít následující senzory: - přijímač GPS - odometr (počítač kilometrů) - inerční senzory - jiné. Globální systém určování polohy (GPS) Globální systém určování polohy GPS, který je na celém světě volně k dispozici, má nejméně 24 satelitů, které se pohybují na oběžných dráhách ve výšce 19000 až 20000 km kolem Země. Celosvětově zajišťují možnost pohotově určovat polohu v každém čase. Od začátku května tohoto roku se satelitní signál už nedá zfalšovat. Dosažitelná přesnost polohy při použití signálů GPS se tedy od dřívějších 100 m zlepšila na přibližně 15 m v 95 % případů.
Taková přesnost není ovšem vždy podle aplikace dostačující. Použitím tzv. diferenciální technologie GPS (DGPS) lze zlepšit přesnost až na méně než jeden metr. Tento princip předpokládá stabilní referenční přijímač na přesně známé pozici. S pomocí dat o oběžné dráze satelitů GPS lze přesně vypočítat vzdálenosti mezi referenčními přijímači a satelity. Z rozdílů mezi změřenou a vypočítanou vzdáleností lze určit podíly chyb satelitních signálů a přenášet k přijímači v pohybu. Přednosti určování stanoviště pomocí GPS spočívají především v dlouhodobé stabilitě vypočítané absolutní pozice. Použitím měřicí metody nevzniká ani vybočení ani úbytek přesnosti v průběhu životnosti přijímače GPS. Není proto nutné pravidelné kalibrování. Senzor je tedy ideálně vhodný k inicializování určování pozice jakož i ke kalibrování měřicích senzorů. Nevýhodou je ale citlivost přijímače na odstíny signálů. Proto není možné z vnitřku budov nebo od budov situovaných ve velkých hloubkách tímto senzorem určovat polohu. Odometr (počítač kilometrů) Odometry jsou u kolejových vozidel nejvíce používanými senzory k měření kilometrů, ujetých na trati, a jízdní rychlosti. Jsou zabudovány téměř do všech kolejových vozidel a lze je v zásadě používat podle typu a druhu použití platformy lokace. V zásadě lze rozlišit dva typy odometrů: - kolové vysílače impulsů a - tachogenerátory. Kolové vysílače impulsů jsou pokud možno instalovány na volnoběžné ose vozidla a dávají na každé otočení osy vymezený počet signálů. Z obvodu kola a z počtu impulsů lze vypočítat, jakou vzdálenost vozidlo urazilo. Naproti tomu tachogenerátory mají v poměru k rychlosti k dispozici pouze jeden napěťový signál. Uražená cesta musí být u tohoto senzoru zjišťována pomocí integrace. V zásadě se oba typy kolových senzorů hodí pro určování pozice. Dosažitelná přesnost je však u kolových vysílačů impulsů znatelně lepší. Přednosti odometrů spočívají především v dobré lokální přesnosti, v jejich stálé dostupnosti jakož i v jejich nejjemnějším rozčlenění uražené cesty. Rozhodující nevýhodou však je, že měření mohou být zfalšována vybočením senzoru. To se stává při takových efektech, jako je skluz mezi poháněnou měřicí osou a kolejnicí a opotřebení kol. Proto tyto senzory mohou být přibrány pouze po inicializování platnou pozicí k absolutnímu určování pozice a musí být kalibrovány v pravidelných časových odstupech. Inerční senzory Do skupiny inerčních senzorů se počítají senzory na počet otáček i měřič akcelerace. Použití těchto senzorů je nutné pouze u vysokých požadavků na přesnost a dostupnost určování polohy. Podobně jako odometr se vyznačuje dobrou lokální přesností. Ovšem i tyto senzory jsou náchylné k vybočení a musí být pravidelně kalibrovány.
Jiné senzory Do této skupiny patří všechny senzory, které jsou buď málo rozšířeny, nebo, jestliže už nejsou na kolejovém vozidle k dispozici, jsou velmi nákladné a drahé. Jako náhrada za odometr se na několika lokomotivách novější konstrukční řady používá k měření rychlosti a vzdálenosti Dopplerův radar. Předností tohoto senzoru je především jeho princip měření nezávislý na trakci vozidel. Zahrnutí tohoto senzoru do určování polohy vozidla se však téměř neliší od tradičních odometrů. Zařízení dotazovač-odpovídač, která lze instalovat na přesně známé pozice na trase nebo vedle trasy, jsou srovnatelná s přijímačem GPS k určování absolutní pozice kolejového vozidla. Do této skupiny se počítají i takzvané majákové systémy. U mnoha aplikací je jejich nasazení v důsledku vysokých nákladů neekonomické. Fúze senzorů Fúze senzorů tvoří vlastní jádro určování pozice. Přitom jsou zakalkulována měřená data dostupných senzorů společně s informacemi o průběhu cesty (jízdy) z databáze a z toho se určí aktuální stanoviště kolejového vozidla. Využijí se přednosti senzorů, aby se kompenzovaly slabé stránky jiných senzorů. Nejlépe je to patrné na příkladu GPS a odometru. Dlouhodobé stability a absolutní přesnosti je využito k inicializování a kalibrování odometru. Ve vlaku jedoucím opačným směrem slouží odometr k aktualizaci pozice a k odstínění signálů GPS a zaručuje tak určování pozice dokonce i uvnitř továrních hal. Spolehlivé identifikace pojížděné koleje lze dosáhnout přidáním inerčních senzorů, které zaručují vysokou dostupnost a přesnost i za nejobtížnějších podmínek. Možnost rozšíření a přizpůsobitelnost Modulární stavba softwaru usnadňuje rozšíření a uzpůsobení specifická pro zákazníky a použití. Databáze může vedle vlastní topologie a geometrie trati přijímat dodatečné informace týkající se trati a vozidel a propojovat je s aktuální pozicí. Systém Optivia od společnosti Daimler-Chrysler Rail Systém (Signal) GmbH poskytuje rozhraní pro připojení VHF a/nebo pro přenos dat na bázi GSM. To dovoluje dodatečně příjem a posílání dat, která nesouvisejí přímo s určováním stanoviště. Jako příklad lze uvést přenos dat o diagnóze vozidla a příkazů k řazení vozů. Takové dodatečné funkce lze jednoduše integrovat pomocí volných rozhraní nebo připojením sběrnice. Verifikace dosažitelné přesnosti určení polohy K verifikaci přesnosti určení polohy dosažitelné pomocí systému Optivia byly ve spolupráci s Eisenbahn und Häfen GmbH, Duisburg provedeny zkušební jízdy. Eisenbahn und Häfen je společnost průmyslové železnice, která přebírá nákladní dopravu za Thyssen Krupp Stahl AG uvnitř jednotlivých oceláren a mezi nimi. Jako zkušební prostor byly zvoleny oblasti oceláren Bruckhausen a Schwelgern, kde převládají obtížné podmínky k přijímání signálů satelitů.
Cílem řady zkoušek je prokázat, že lze spolehlivě podle zvolených kolejích určovat polohu i v oblastech se silným omezením příjmu signálů satelitů GPS. K pokusům byl použit modul vozidla Optivia se senzory GPS, odometrem a inerčním senzorem. Centrála Optivia, která také obsahuje lokální referenční stanici GPS k vytváření opravných dat, byla v tomto případě přes datový okruh GSM spojena s přístrojem vozidla a použita k zobrazení a zaznamenání vypočítané polohy vozidla. Zkouškami lze dokázat, že identifikace pojížděné kolejnice pomocí podpůrných senzorů je tak rovněž zajištěna i v případě, že přijímač GPS na základě omezeného příjmu signálů nemůže dodat žádné informace o poloze. Přesnost polohy podle kolejnice, po které jede vozidlo, byla v 95 % případů lepší než 1,5 m. Obr. 1 ukazuje jeden z mnoha úseků zkušebního prostoru, kde převládají špatné podmínky pro příjem GPS. Polohu výhybky a pojížděné koleje lze zjistit z plánu kolejí na obr. 3. Pro zkoušku byla zvolena jen část koleje zaznamenané na digitální mapě tratí (viz obr. 2, průběžné koleje). U uvedeného úseku jela lokomotiva v této části výjimečně po pojížděné koleji č. 7, která na mapě kolejí není k dispozici. Obr. 1 - snímek části zkušebního Obr. 2 - digitální mapa tra- Obr. 3 - část papírového plánu kolejí prostoru ťových kolejí a měřená data modulu vozidla Modul vozidla Optivia musí navigovat v tomto úseku závodu sám s podpůrnými senzory odometrem a inerčním senzorem. Kvalita měřených hodnot vozidlového přístroje Optivia (obr. 2, křížky) je také v tomto prostředí tak vysoká, že lze identifikovat kolej chybějící na mapě traťových kolejí. Kvalita dat proto dovoluje i za obtížných podmínek pro příjem nejenom jednoznačnou identifikaci pojížděné koleje, ale také přezkoušení mapy tratí jako v předešlém příkladě. Chybějící úseky tratí lze doplnit pomocí naměřených dat získaných z vozidlového přístroje a uložených v traťové databázi. Výhled do budoucna Představený systém Optivia je svým typem použití přizpůsobitelné přesnosti použitelný nejenom u průmyslových železnic. Tento systém může být velmi zajímavý i pro
provozovatele národní a evropské železniční dopravy, protože vozidla, která si sama určují polohu, umožňují mnoho nových použití. Ta sahají od systémů informací pro cestující ve vozidlech a na nástupištích přes dispozici lokomotiv a hnacích vozidel až k automatizovanému výběru a zúčtování poplatků za používání tratí. Velký význam se zřetelem na budoucí vývoj určování polohy pomocí satelitů má plán Evropského společenství vyvinout vlastní navigační satelitní systém pod jménem Galileo. Galileo by měl být připraven k provozu v roce 2008 a měl by vykazovat výrazně vyšší přesnost než současný systém GPS. Ve vývoji systému Galileo je zvláštní pozornost zaměřena také na možnost využití informací o poloze pro různá bezpečnostní zajištění. Z tohoto systému by mohly vycházet rozhodující impulsy pro nové bezpečnostní systémy a systémy návěstění. To je zajímavé zvláště pro přeshraniční vnitroevropskou kolejovou dopravu. Překlad: Lidmila Zrzavecká Pramen: Eisenbahningenieur, č. 7, 2000, s. 33-35