Optimizing the Protection System of Level Crossings with demand-driven Barriers

Einige Bahnübergangssicherungen haben das Ende ihrer Lebensdauer erreicht und umfangreiche Investitionen in neue Anlagen sind erforderlich. Die Senkung der Lebenszykluskosten kann durch Veränderungen in der Anlagenstruktur gelingen. Einen weiteren, mitunter größeren Anteil der Investitionen, stellen Begleitkosten, wie durch Straßenbau, dar. Mit dieser Arbeit wird erstmals ein optimiertes Ablösekonzept für Anrufschranken beschrieben, mit dem Straßenbaumaßnahmen gering ausfallen. Komponenten aus der Industrieautomatisierung werden aufgrund ihrer hohen Stückzahlen zukünftig auch für den Bahnübergangsbereich interessant. Vor diesem Hintergrund wird ein Lösungsansatz auf Basis eines aus der Robotik stammenden Stereo-Kamera-Systems zur Automatisierung der Anrufschrankenfunktionen verfolgt und eine verfahrenssichere Einbindung in den Bahnbetrieb aufgezeigt. Heute spielen bei der Wahl der geeigneten Sicherung die Lebenszykluskosten der Anlagen gegenüber funktionalen, betrieblichen und sicherungstechnischen Anforderungen eine untergeordnete Rolle. Insbesondere in den Prozessen der Planung und strategischer Entscheidungen zur Wahl einer geeigneten Optimierungsstrategie wird eine betrieblich-wirtschaftlich orientierte Methodik benötigt. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit ist die Entwicklung einer Methode, die als Hilfe dient, mit welcher der Prozess der Planung und der Prozess zur Wahl hinsichtlich geeigneter Investitionsstrategien im Bereich von BÜSA systematisierbar werden. Im Ergebnis liefert die Arbeit neben dem Konzept für ein neues Sicherungsverfahren eine Methode zur Auswahl und Bewertung von Sicherungskonzepten. Der Nutzen dieser Methode ist es, Verbesserungsansätze bereits in einer frühen Phase der Entwicklung bewerten zu können und dadurch die Kosten im weiteren Verlauf zu senken, wie am Beispiel der innovativen Bahnübergangssicherung für bedarfsgesteuerte Schranken aufgezeigt wird.Modernisation of Level Crossing Protection Systems is highly needed. Reduction of life cycle costs can be achieved through fundamental changes in the facility structure and by reducing the often very high costs of road construction. By introducing the automation concept for demand-driven Level Crossing Systems in this thesis, a replacement concept for the call barrier (German: Anrufschranke) is specified, which reduces the costs of road construction. Commercial-off-the-shelf components will lead to a decrease of LCC in the railway system because of their high quantity. Having this in mind, an approach on basis of a stereo-camera-system is followed to automate the essential functions of the “Anrufschranke”. By integrating a technology concept for obstacle detection which originally was used in robotics, the possibility of implementing the new safety concept according to the principle of the “Anrufschranke” is identified. Traditionally, the operational and safety demands have to be fulfilled. Still, LCC only play a minor role during the planning and choice of an appropriate protection system. During the processes of strategic determination and operative planning an operational-economic orientated method for optimising Level Crossing Protection Systems will particularly be needed. The method, which is introduced with this thesis, is decision guidance for planners of Level Crossings and Infrastructure Managers. It helps to systematise the process of planning a Level Crossing Protection System and to systematise the decision making of appropriate optimisation strategies. As a result, this thesis provides not only a concept of a new Level Crossing Protection System to replace the “Anrufschranke”, but also a method for choosing and evaluating new concepts. The benefit of this method is to screen ideas for improvement of Level Crossing Protection Systems already in the conception phase. This is shown by the example of the automation of demand-driven Level Crossing Systems

CMOS Bildsensoren mit Kurzzeitverschluß zur Tiefenerfassung nach dem Lichtlaufzeit-Meßprinzip

Thema der Arbeit ist die Untersuchung, der Entwurf und die Realisierung von Bildsensoren in Standard-CMOS-Technologie mit schnellen CMOS-Schaltungen, die zur Erfassung von 3D-Bildern geeignet sind. Als Grundlage für die Entwicklung dient ein optisches Puls-Laufzeit-Messverfahren ("Multiple Double Short Time Integration" - MDSI), das robust gegen Hintergrundlichteinflüsse und weitgehend unabhängig von der Refflektivität der erfaßten Oberflächen eine besonders kostengünstige Realisierung auch im Hinblick auf eine spätere Serienfertigung verspricht. Hierzu wird das entwickelte Messprinzip sowohl auf Systemebene wie auch im Hinblick auf prinzipbedingte und technologische Einflüsse diskutiert und analysiert. Eine Randbedingung ist der avisierte Einsatz für vielerlei Anwendungen im menschlichen Umfeld. Hierdurch ist die erlaubte Leistung der Pulslichtquelle sehr eingeschränkt. Weil die Laufzeit (~10ns) von Lichtpulsen auf geringen Distanzen von einigen Metern bei begrenzter Beleuchtungsstärke nach Maßgaben der Augensicherheit vermessen wird sind in den Bildsensoren entsprechend schnelle und gleichzeitig empfindliche Akquisitions-schaltungen notwendig. In dieser Arbeit wird aufgezeigt, wie basierend auf der o.g. Analyse mit schaltungstechnischen Mitteln den verschiedenen Störeinflüssen begegnet werden kann und eine effiziente Umsetzung des Messverfahrens in integrierte Bildsensoren möglich ist. Die Realisierbarkeit wird anhand von drei im Rahmen dieser Arbeit in einer 0,5µm Standard CMOS-Technik entwickelter Zeilen- bzw. Bildsensoren demonstriert, die abschließend diskutiert und mit den erreichten Leistungsdaten vorgestellt werden.The present thesis is a study, the concept and the realization of image sensors with standard CMOS technology in fast CMOS circuits, which are suitable for the capture of 3D (range) images. In this case an optical puls-travel-time-measurement, the so called "Multiple Double Short Time Integration" - MDSI was used as a base of the development. It enables surpression of the background illumination and correction of reflectivity variations in scene objects and represents a cost-efficient realization for the series production later on. Here the designed measuring method will be discussed and analyzed as inherent to its functional principle as well as technological influences. A constraint is the advised use for lots of varying fields in human environments, because of this the allowed capacity of the puls-light-source is very limited. The image sensors need fast and at the same time sensitive acquisitions circuits, because the travel time (~10ns) of light pulses will be measured with limited illumination and short distance by restrictions of the eyesafety. This thesis shows an efficient way of developing a measurement in integrated Imagesensors, regardless of other influences by the earlier mentioned analysis. The realization will be demonstrated by three Imagesensors, developed in a standard CMOS-technique and finally discussed and presented with the reached specifications