Heft 78/2004

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie



Heft 78/2004

PLAN, Oliver

GIS-gestützte Verfolgung von Lokomotiven im Werkbahnverkehr

Dissertation
115 S.

Auflage:  450

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung


 

 

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Promotionsausschuss  
Vorsitzender:  
1. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. W. Reinhardt
2. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. W. Caspary
3. Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. H. Heister

Diese Dissertation wurde am 14. Mai 2003 bei der Universität der Bundeswehr München eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung:  4. September 2003
 



Inhaltsverzeichnis

1  Einführung 7
    1.1  Hintergrund 7
    1.2  Ziel und Inhalt der Arbeit 8
 
2  Grundlagen und Stand der Forschung 11
    2.1  Begriffsbestimmung 11
    2.2  Bestandteile eines Ortungssystems 11
    2.3  Genauigkeit 13
           2.3.1  Kenngrößen der DIN-1319 13
           2.3.2  Genauigkeitsmaße in der Ebene 15
    2.4  Sensorik 18
           2.4.1  Wegsensoren 19
           2.4.2  Drehratensensoren 23
           2.4.3  Beschleunigungssensoren 27
           2.4.4  GNSS-Empfänger 28
    2.5  Ortungsverfahren 35
           2.5.1  Koppelnavigation 35
           2.5.2  GNSS-Positionierung 36
           2.5.3  Sensorfusion und Kalman-Filter 37
           2.5.4  Map-Matching 39
    2.6  Besonderheiten der Ortung im Werkbahnverkehr 40
           2.6.1  Anforderungsanalyse und Rahmenbedingungen 40
           2.6.2  Eignung herkömmlicher Verfahren der Schienen-
                    fahrzeugortung bei Werkbahnen

43
           2.6.3  GIS-gestützte Ortung
 
44
3  GIS-gestützte Ortung 47
    3.1  Digitale Gleisdaten 48
           3.1.1  Anforderungen an das Modul Geodatenbank 48
           3.1.2  Modellierung eines Gleisnetzes 49
           3.1.3  Implementierung 56
           3.1.4  Daten 59
           3.1.5  Qualitätskriterien 60
           3.1.6  Datenbereinigung 62
    3.2  Prinzip der GIS-gestützten Ortung 64
           3.2.1  Definition der relativen Position 64
           3.2.2  Bezugssystem der Lokomotive 66
           3.2.3  Messdatenverarbeitung 67
           3.2.4  Positionsänderung und Initialisierung 69
           3.2.5  Initialisierung über GPS 70
           3.2.6  Simulation einer Weichenbefahrung 71
           3.2.7  Messdaten einer Weichenbefahrung 75
           3.2.8  Fahrtauswertung 77
    3.3  Korrekturverfahren 80
           3.3.1  Genauigkeitsbetrachtungen bei der Entscheidungs-
                     findung

81
           3.3.2  Einfluss des Wegfehlers auf die Abbiegeentscheidung 81
           3.3.3  Verfahren zur Korrektur des Wegfehlers 83
    3.4  Weitere Möglichkeiten der GIS-gestützten Ortung 86
           3.4.1  Telematik 86
           3.4.2  Modellierung dynamischer Objekte 87
 
4  Praktische Ergebnisse 91
    4.1  Aufbau eines Prototypsystems 91
           4.1.1  Architektur des Gesamtsystems 91
           4.1.2  Hardware des Ortungsmoduls 92
           4.1.3  Software des Ortungsmoduls 93
           4.1.4  Auswahl der Sensorik 94
           4.1.5  Datengrundlage 94
    4.2  Ergebnisse 95
           4.2.1  Installation 96
           4.2.2  Empfangssituation DGPS, GSM, 2m-Datenfunk 96
           4.2.3  Test des Ortungsalgorithmus 97
 
5  Zusammenfassung 103
 
Literaturverzeichnis 104
 
Anhang:  UML-Notation 112
 
Lebenslauf
 
115

 
Zusammenfassung

Die Kenntnis der Position von Lokomotiven und Waggons ist für die Logistik von zentraler Bedeutung. Eine reine GPS/DGPS Lösung ist aufgrund der schwierigen Empfangsverhältnisse für eine gleisgenaue Positionsbestimmung bei Werkbahnen nicht ausreichend. Durch die Integration zusätzlicher Sensoren sowie eines digitalen Gleisnetzes und unter Zuhilfenahme von Methoden der Geoinformatik ist es gelungen, ein System (Hard- und Software) zu entwickeln, das die Position von Lokomotiven gleisgenau und zuverlässig ermittelt. Die Praxistauglichkeit des Gesamtsystems wurde in zahlreichen Testfahrten nachgewiesen.

Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Kombination von Geoinformatik und Sensorik
Der vorgestellte Ansatz der GIS-basierten Ortung führt aktuelle Entwicklungen aus den Bereichen Geoinformatik, Navigation, Ingenieurgeodäsie und Kommunikationstechnologie in einem System zusammen. Durch die schwierigen Empfangsverhältnisse des GPS-Signals bei Industriebahnen wird der Schwerpunkt der Ortung auf das geometrisch/topologische Modell der Gleise gelegt. Dies bedeutet, dass alle Messungen direkt auf die Position der Lokomotive auf dem digitalen Gleisnetz bezogen werden. Dadurch lässt sich der langzeitige Fehlereinuss der Sensorik vermindern und es eröffnen sich neue Korrektionsmöglichkeiten der Sensorik mit Hilfe des hochgenauen Verkehrsnetzes. Ein wichtiger Teil ist hierbei das vorgestellte Verfahren zur Korrektion des Wegfehlers durch die Erkennung von Weichenüberfahrten.

Datenqualität
Voraussetzung zur GIS-basierten Ortung ist ein qualitativ hochwertiger Datenbestand der Gleisdaten. Die Erfahrung beim Aufbau konsistenter Datenbestände aus CAD-Daten zeigen deutlich die Notwendigkeit eines durchgängigen Qualitätsmanagements. Dies bedeutet, dass während Erfassung und Fortführung stets die Qualitätskriterien Konsistenz, Genauigkeit, Richtigkeit, Vollständigkeit im Hinblick auf die spätere Topologiebildung berücksichtigt werden müssen. Es wurden Verfahren erläutert, die den Aufbau topologischer Strukturen aus Geometriedaten ermöglichen.

Gezielter Einsatz von GPS
Auch bei der GIS-unterstützen Ortung wird auf GPS nicht gänzlich verzichtet, sondern gezielt während der Initialisierungsphase und zur Kontrolle der Position verwendet. Dabei wird eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit der GPS-Lösung angestrebt. Eine Sichtweise, die im Low-Cost-Bereich bislang selten eingenommen wird.
Die Integration des GPS-Empfängers in das Gesamtsystem erfolgt über die standardisierte NMEA-Schnittstelle. Dies bedeutet, die Berechnung der GPS-Lösung erfolgt komplett im Empfänger. Eine höhere Integrationsstufe, also die Positionsberechnung im Positionsrechner aus den proprietären Rohdaten des GPS-Empfängers, wurde absichtlich nicht verfolgt, sondern das Ortungsproblem hauptsächlich mit Mitteln der Geoinformatik gelöst.

Praktische Ergebnisse
Die Umsetzung des Konzepts der GIS-basierten Ortung wurde anhand zweier Prototypen realisiert. Daneben wurden auch die Kommunikation zwischen mehreren Lokomotiven und einer Leitstelle sowie ein Auskunftssystem entwickelt. Dabei wurde eine Client/Server-Architektur für die Beauskunftung der Positionsdaten der Lokomotive sowie eine Anbindung an ein Dispositionssystem bewerkstelligt.
In einer umfangreichen Testkampagne konnte die Praxistauglichkeit des Systems unter Beweis gestellt werden. Dabei wurde die Anforderung der gleisgenauen Ortung in Bereichen ohne GPS über mehrere Tage erfüllt. Mehrere Weiterentwicklungen während der Testphasen sind heute zur Erkennung und Beseitigung von Datenfehlern in den Geodaten sowie zur Korrektion verschiedener Sensorfehler im Einsatz.

Weiterentwicklung in der Zukunft
Neue Entwicklungen im Bereich der Mikrotechnik führen zu einem raschen Technologiefortschritt, nicht nur in der Computertechnik, sondern auch in der Sensortechnik. So sind möglicherweise in der Zukunft berührungslose Wegmesser, GPS-Empfänger, MEMS- und faseroptische Kreisel zu günstigeren Preisen und mit steigenden Genauigkeitseigenschaften zu erwarten. Es wurde gezeigt, dass der Einsatz von MEMS-Kreiseln in der Zukunft im Bereich des Möglichen liegt. Mit diesen Entwicklungen könnten Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Gesamtsystems in der Zukunft weiter gesteigert werden.
In der Geoinformatik ist derzeit ein eindeutiger Trend zum Aufbau positionsbezogener Dienste (location based services) zu erkennen. In dieser Hinsicht stellt das vorgestellte System bereits einen Schritt in diese Richtung dar. Es verbindet einerseits die Positionsermittlung mit der Telematik und stellt andererseits eine Infrastruktur zur Verfügung, über die die Positionsinformationen verschiedenen Anwendungen (Auskunfts-, Dispositionssystem) zur Verfügung gestellt werden können. Vielleicht kann hiermit das visionäre Ziel erreicht werden, die Position als essentielle Eigenschaft eines Objekts leichter begreifbar und zugänglich zu machen.
 


 
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