Drahtlose Sensorik im Güterbahnbetrieb - EurailTelematics.com
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<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Seite 1 Apr-08<br />
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong><br />
<strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
terbahnbetrieb<br />
Wolfgang Windolf<br />
<strong>EurailTelematics</strong> 2008, 02. April 2008<br />
Windolf<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility © Siemens / TS RA AG D 2008 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Rail Cargo Telematics, Historie und Bedarf<br />
Unterstützen der Disposition<br />
durch Telematik-Boxen<br />
zur Positionsermittlung<br />
und -übertragung<br />
Teilweise bereits mit Ermitteln<br />
von Beladung und Türöffnung<br />
mit kabelgebundener <strong>Sensorik</strong><br />
Wegen fehlender Energieversorgung<br />
auf Güterwagen ist energieautarker<br />
Betrieb erforderlich<br />
Seite 2 Apr-08<br />
Windolf<br />
Bedarf an Information<br />
über den aktuellen<br />
Fahrzeug zustand, wie<br />
Orientierung<br />
Laufleistung<br />
Entgleisung<br />
Kupplungszustand<br />
...<br />
Wunsch nach einfacher, robuster<br />
und freizügiger Montage<br />
Energieautarke <strong>Sensorik</strong> mit drahtloser Verbindung zur Telematik-Box<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Situation und Anforderungen<br />
<strong>Güterbahnbetrieb</strong> bedingt<br />
energieautarken Betrieb<br />
Seite 3 Apr-08<br />
Neben der Position ist der aktuelle<br />
Fahrzeugzustand von besonderem Interesse<br />
Ersatz von kabelgebundenen Sensoren durch energieautarke<br />
<strong>Sensorik</strong> mit drahtloser Anbindung an die Telematik-Box<br />
Windolf<br />
Opt<strong>im</strong>ale Messwerterfassung<br />
erfordert freizügig<br />
montierbare <strong>Sensorik</strong><br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Auswahl eines Frequenzbandes für europaweiten Einsatz<br />
Nutzen eines ISM-Bandes<br />
keine rechtlichen Hürden bei der Nutzung<br />
keine Lizenzkosten<br />
sofortiger Einsatz möglich<br />
gewählt<br />
Zur Datenübertragung nutzbare ISM-Bänder in Europa:<br />
Frequenzband Sendeleistung (EIRP) Zulässige Kanalbelegung<br />
169-MHz-Band 1)<br />
433 – 434,79 MHz 10 mW<br />
100 %<br />
868 – 868,6 MHz 25 mW<br />
1 % oder LBT<br />
2,400 – 2,4835 GHz2) 100 mW<br />
100 %<br />
5-GHz-Band<br />
1) Noch keine Komponenten verfügbar<br />
2) eingeschränkt in Spanien und Frankreich<br />
Seite 4 Apr-08<br />
Windolf<br />
10 mW<br />
1000 mW<br />
ISM<br />
LBT<br />
EIRP<br />
100 %<br />
100 %<br />
= Industrial Scientific Medical<br />
= Listen Before Talk<br />
= Equivalent Isotropic Radiated Power<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Erforderliche Netzwerkeigenschaften<br />
Max<strong>im</strong>ale Teilnehmeranzahl gesamt<br />
(benötigter Adressierungsraum)<br />
Eindeutige Identifizierung der Teilnehmer<br />
bei ca. 500.000 Fahrzeuge x 20 Sensoren/Fahrzeug<br />
10 Mio. Adressen (min. 24-bit-Adressfeld)<br />
Teilnehmer in einem geografischen Bereich<br />
(benötigte Kanalkapazität)<br />
Gleichzeitig aktive (sendende) Teilnehmer in 1 Bahnhof<br />
ca. 3.000 Fahrzeuge x 20 Sensoren/Fahrzeug<br />
60.000 aktive Teilnehmer<br />
16-bit oder 64-bit-Adressierungsmodus bis zu<br />
16 Kanäle @ 2,4 GHz (bzw. 1 Kanal @ 868 MHz)<br />
Seite 5 Apr-08<br />
Windolf<br />
IEEE 802.15.4<br />
Verwenden eines offenen,<br />
weit verbreiteten Standards<br />
Gewährleistet Interoperabilität der Systeme<br />
Verspricht Robustheit und günstige Kosten<br />
spezifiziert für 868 MHz und 2,4 GHz ISM-Band<br />
sehr weit verbreitet <strong>im</strong> 2,4-GHz ISM-Band<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Aspekte der Netzwerk-Adressierung/-Topologie<br />
Für Erprobung gewählt:<br />
2,4 GHz: Komponenten weit verbreitet; gestattet einfache Erprobung von HW-Alternativen<br />
64-bit-Adresse: ermöglicht eindeutige Sensor-Codierung<br />
Channel = const.: unterstützt Szenarien bezüglich Kanalbelegungstests<br />
Stern-Topologie (Star): aktuelle Version<br />
Telematik-Box ist Konzentrator<br />
für Erprobung eingesetzt<br />
zur Ermittlung der Funkbasisgrößen<br />
Vermaschtes Netz (Mesh): in Folgeversionen<br />
Sensormodul ist Sensorknoten und Router<br />
Funkabdeckung sehr großer Fahrzeuge<br />
Direkte Vernetzung mehrer Fahrzeuge<br />
Seite 6 Apr-08<br />
Windolf<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Anforderung: Energieautarker Betrieb<br />
Latenzzeit<br />
(funktional tolerierbare Zeit)<br />
Energiebedarf Funksensor:<br />
Energiebedarf Sensor (stand-by + active)<br />
-<br />
-<br />
Energiebedarf Sender (sleep + active)<br />
Sendedauer und -häufigkeit<br />
Seite 7 Apr-08<br />
Energiebedarf/Energievorrat<br />
(Sensormodul, Telematik-Box)<br />
Windolf<br />
Das<br />
Magische<br />
Dreieck<br />
Sensorzyklus bzw. Melderate<br />
(möglich bzw. erforderlich)<br />
Energiebedarf Router:<br />
-<br />
Energiebedarf Empfänger (sleep + active)<br />
Empfangsdauer und -häufigkeit<br />
Energiebedarf Sender (sleep + active)<br />
Sendedauer und -häufigkeit<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Erprobung <strong>im</strong> Bahnbetrieb<br />
Seit 09/2007 Erprobung an 3 Hbbillns 305/Hbbinns 306 Güterwagen<br />
mit insgesamt 4 Telematik-Boxen und insgesamt 9 Sensormodulen<br />
Seite 8 Apr-08<br />
Windolf<br />
Erfassen von Daten zum Bewerten der<br />
Übertragungsqualität der Funkübertragung<br />
unter realen Bedingungen <strong>im</strong> Bahnbetrieb<br />
Montage an Stellen mit erwartet guten aber<br />
insbesondere auch ungünstigen Funkbedingungen<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Montageorte am Fahrzeug 21 80 2462 270-4<br />
Im Fahrzeug Unter dem Fahrzeug Am Längsträger<br />
Seite 9 Apr-08<br />
Windolf<br />
Telematik-Box<br />
Sensormodul<br />
An der Stirnwand<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Auswertung: 21 80 2462 270-4<br />
Empfangsfeldstärke<br />
0<br />
20<br />
40<br />
60<br />
80<br />
100<br />
120<br />
Seite 10 Apr-08<br />
2180 2692 270-4a; Box 81893<br />
05.09.07 00:00 15.09.07 00:00 25.09.07 00:00 05.10.07 00:00 15.10.07 00:00 25.10.07 00:00 04.11.07 00:00 14.11.07 00:00<br />
Telegramme:<br />
512<br />
Telegrammverlust<br />
Tick RSSI_S0642 RSSI_S064B RSSI_S064C RSSI_S0657 RSSI_S0685<br />
Verlustquote:<br />
9%<br />
14%<br />
Windolf<br />
2%<br />
2%<br />
9%<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Ausschnitt: Gestörte Übertragung<br />
Empfangsfeldstärke<br />
06.10.07<br />
00:00<br />
0<br />
20<br />
40<br />
60<br />
80<br />
100<br />
120<br />
07.10.07<br />
00:00<br />
Telegrammverlust<br />
Seite 11 Apr-08<br />
08.10.07<br />
00:00<br />
2180 2692 270-4a; Box 81893<br />
09.10.07<br />
00:00<br />
Windolf<br />
10.10.07<br />
00:00<br />
11.10.07<br />
00:00<br />
12.10.07<br />
00:00<br />
13.10.07<br />
00:00<br />
Tick RSSI_S0642 RSSI_S064B RSSI_S064C RSSI_S0657 RSSI_S0685<br />
14.10.07<br />
00:00<br />
15.10.07<br />
00:00<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Datenanalyse<br />
Schwierigkeiten der Datenanalyse:<br />
örtliche Randbedingungen zum Zeitpunkt der Beobachtung<br />
sind nachträglich nicht ausreichend genau ermittelbar<br />
Prinzipielle Beobachtungen:<br />
häufigere Störungen in Industriebereichen<br />
selten Störungen auf freier Strecke<br />
Seite 12 Apr-08<br />
Interpretation der Ergebnisse auf Basis vermuteter Störeinflüsse<br />
Windolf<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Dateninterpretation: EMV und Umwelteinflüsse<br />
Parallelbetrieb mit anderen 2,4-GHz-Funkteilnehmern<br />
WLAN / Bluetooth<br />
Weitere 802.15.4 basierende Netze<br />
Analoge Funkübertragung (lokales Video oder Audio)<br />
Mobilfunk<br />
GSM-R/GSM/UMTS 876-935 MHz, 1710-1880 MHz, 1920-2170 MHz<br />
DECT (1880-1900 MHz)<br />
Stochastische EMV-Störungen<br />
Gewitter<br />
Polarlicht<br />
Umwelteinflüsse<br />
Regen/Schnee<br />
Metallische oder leitende Stäube<br />
Seite 13 Apr-08<br />
Windolf<br />
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Mobility / TS RA D 8
Empfangsfeldstärke<br />
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Ausschnitt: Ungestörte Übertragung auf freier Strecke<br />
Seite 14 Apr-08<br />
2180 2692 270-4a; Box 81893<br />
15.09.07 00:00<br />
0<br />
15.09.07 12:00 16.09.07 00:00 16.09.07 12:00 17.09.07 00:00 17.09.07 12:00 18.09.07 00:00<br />
20<br />
40<br />
60<br />
80<br />
100<br />
120<br />
Tick RSSI_S0642 RSSI_S064B RSSI_S064C RSSI_S0657 RSSI_S0685<br />
Windolf<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Gewährleistung von Übertragungsqualität und -sicherheit<br />
Robustheit der Übertragung<br />
Übertragungsqualität ist best<strong>im</strong>mt durch Trennbarkeit von Nutzsignal und<br />
Störsignal<br />
Link Budget<br />
Modulationsverfahren<br />
Umgang mit Störquellen (z. B.: andere Funkteilnehmer)<br />
Kanalbelegungsprüfung (CCA)<br />
Ende-zu-Ende-Überwachung<br />
Telegrammwiederholung<br />
CCA = Clear Channel Assessment<br />
Seite 15 Apr-08<br />
Windolf<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Gewährleistung von Übertragungsqualität und -sicherheit<br />
Übertragungssicherheit<br />
Sicherungsanhang (CRC, MD5, MAC)<br />
Sequenznummer (Verlusterkennung, Duplikatunterdrückung)<br />
Adressfilter (Gruppe / Einzeladresse)<br />
Bei Erprobung verwendet<br />
Reines IEEE 802.15.4 Protokoll Überprüfen der Basiseigenschaften<br />
Ende-zu-Ende Überwachung, keine Wiederholungen deckt<br />
Übertragungsstörungen auf<br />
CRC-16 des IEEE 802.15.4 Stacks Integritätsprüfung<br />
Meldung-Sequenznummer Erkennen von Verlusten<br />
CRC = Cyclic Redundancy Check<br />
MD5 = Message-Digest algorithm 5<br />
MAC = Message Authentication Code<br />
Seite 16 Apr-08<br />
Windolf<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Resümee<br />
Funkübertragung erlaubt Sensormontage und Datenerfassung<br />
an opt<strong>im</strong>aler Position<br />
Übertragung <strong>im</strong> 2,4-GHz-Band mit kostengünstigen Funkmodulen umsetzbar<br />
Verwendete Technologie ermöglicht energieautarken, langjährigen Betrieb<br />
Protokoll erfüllt Anforderungen hinsichtlich Teilnehmeranzahl,<br />
Datenrate und -volumen<br />
Störungen durch andere Funkteilnehmer können durch höhere<br />
Protokollschichten beherrscht werden<br />
Abhör- und Sabotagesicherheit gemäß DIN EN 50159-2 kann<br />
als orthogonales Thema betrachtet werden<br />
Seite 17 Apr-08<br />
Windolf<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility / TS RA D 8
<strong>Drahtlose</strong> <strong>Sensorik</strong> <strong>im</strong> <strong>Güterbahnbetrieb</strong><br />
Seite 18 Apr-08<br />
Haben Sie Fragen,<br />
eigene Erfahrungen,<br />
Anmerkungen?<br />
Windolf<br />
© Siemens AG 2008<br />
Mobility © Siemens / TS RA AG D 2008 8
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