Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

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Sensor system for development of perception systems for ATO

2023 , Tagiew, Rustam , Leinhos, Dirk , Haar, Henrik von der , Klotz, Christian , Sprute, Dennis , Ziehn, Jens , Schmelter, Andreas , Witte, Stefan , Klasek, Pavel

Developing AI systems for automatic train operation (ATO) requires developers to have a deep understanding of the human tasks they are trying to replace. This paper fills this gap and translates the regulatory requirements from the context of German railways for the AI developer community. As a result, tasks such as train’s path monitoring for collision prediction, signal detection, door operation, etc. are identified. Based on this analysis, a functionally justified sensor setup with detailed configuration requirements is presented. This setup was also evaluated by a survey within the railway industry. The evaluated sensors include RGB/IR cameras, LIDARs, radars and ultrasonic sensors. Calculations and estimates for the evaluated sensors are presented graphically and included in this paper. However, the ultimate sensor setup is still a subject of research. The results of this paper also address the lack of training and test datasets for railway AI systems. It is proposed to acquire research datasets that will allow the training of domain adaptation algorithms to transform other datasets, thus increasing the number of available datasets. The sensor setup is also recommended for such research datasets.

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Test- und Trainingsdaten für ATO-Perzeptionssysteme - Anforderungen an ein Messsystem

2022 , Klotz, Christian , Leinhos, Dirk , Ponholzer, Franz , Witte, Stefan , Sprute, Dennis

Wenn automatisiertes Fahren im Vollbahnbereich Aufgaben des Zugpersonals ersetzt, müssen Sensoren und algorithmische Perzeption notwendige Entscheidungen beim Zugfahren, Rangieren oder Fahrgastwechsel ermöglichen. Forschung, Entwicklung und Zulassung benötigen hierfür Test- und Trainingsdaten realer Betriebssituationen. Das in einem DZSF-Projekt erarbeitete Messsystem soll dies mit einem Querschnitt möglicher Perzeptionssysteme ermöglichen.

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Sensorik als technische Voraussetzung für ATO-Funktionen

2022-11 , Leinhos, Dirk , Flatt, Holger , Witte, Stefan

Der vorliegende Bericht zum Projekt "Sensorik als technische Voraussetzung für ATO-Funktionen"(kurz: ATO-Sensorik) ist die finale, mit dem Auftraggeber abgestimmte Fassung des Abschlussberichts. Die Projektaufgabe war die Spezifikation eines Messsystems, welches als allgemeingültige Plattform zur Datensammlung (Erfassung, Aufzeichnung und Bereitstellung) aus der betrieblichen Umgebung eines Schienenfahrzeugs Realdaten aufnehmen soll, um diese Test- und Trainingsdaten heutigen und zukünf-tigen Entwicklungsprojekten von Sensorsystemen zur Verfügung zu stellen. Der Bericht beschreibt die Ergebnisse aus vier Arbeitspaketen, welche durch die Aufgabenstellung für die Projektaufgabe vorgegeben sind. Ein wesentliches Ergebnis aus dem Arbeitspaket 1 "Techniküberblick und Realisierungen"ist die Zusammenstellung einer Übersicht heute verfügbarer Sensorsysteme für das automatische Fahrsystem (ATO-System mit Sensorsystem) aus einer analytischen Betrachtung heraus, die im Kapitel 4 beschrieben ist. Darin enthalten ist eine Bewertung der verfügbaren Lösungen hinsichtlich ihres Entwicklungsstands, ihrer Marktverfügbarkeit und ihrer Eignung für das Eisenbahnsystem. Ebenso findet sich dort eine bewertende Schlussfolgerung zur Realisierbarkeit von ATO-Lösungen durch heutige und absehbare Sensor-systeme. Die Schlussfolgerung zeigt auf, welche heute verfügbaren Sensor- und ATO-Lösungen für den automatischen Fahrbetrieb geeignet und welche technischen Anforderungen noch nicht erfüllt sind. Kapitel 3 enthält Ergebnisse aus dem Arbeitspaket 2, „ATO im Vollbahnbereich“, in dem wesentliche Merkmale des heutigen konventionellen Systems beschrieben werden. Ihre Zusammenstellung ist als Grundlage für die analytische Betrachtung verfügbarer Sensorsysteme in Kapitel 4 erforderlich. Die daraus abgeleiteten automatisierbaren Aufgaben eines automatischen Fahrsystems sowie die Wahrnehmungs- und Lokalisierungsfunktionen für ein Sensorsystem sind ebenfalls dort enthalten. Kapitel 5 stellt die Bewertungsgrundlagen und die Ergebnisse aus der Sektorbefragung zusammen, die in Arbeitspaket 3, „Sektoranalyse“, durchgeführt worden ist. Mit dem Auftraggeber des Projekts wurde ein möglichst breites Spektrum an zu befragenden Unternehmen aus dem Sektor abgestimmt. Als Befragungsgrundlage ist ein Fragenkatalog erstellt und eine vorläufige Spezifikation des Messsystems beschrieben worden. Beides wurde online gestellt und Vertreter der Unternehmen konnten ihre fachliche Meinung im Fragenkatalog über vorgegebene Antwortmöglichkeiten (Multiple Choice) sowie über zusätzliche Kommentierungsmöglichkeiten frei äußern. Neben den Bewertungsgrundlagen sind die sich aus den Antworten der Befragungsteilnehmer ergebenden Konsequenzen für die Spezifikation des Messsystems im Kapitel wiedergegeben. Kapitel 6 fasst die Ergebnisse aus dem Arbeitspaket 4, „Spezifikation“ zusammen. Es wird das Messsystem beschrieben, welches auch die aus den Ergebnissen der Sektorbefragung abgeleiteten konzeptionellen Anpassungen berücksichtigt. Ergänzt wird die Spezifikation des Messsystems durch eine Zuordnung von sinnvollen Sensorkombinationen zu den zuvor in Kapitel 3 herausgearbeiteten Standardaufgaben eines technischen Fahrsystems. Die betrachteten, als relevant eingestuften Sensoren werden detailliert spezifiziert und im Kontext mit den betrieblichen Anwendungsfällen für ein automatisches Fahrsystem bewertet. Das Kapitel schließt mit Empfehlungen für die spätere Integration der Sensoren in eine technische Realisierung des in diesem Bericht spezifizierten Messsystems.

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Onboard Sensor Systems for Automatic Train Operation

2022 , Tagiew, Rustam , Leinhos, Dirk , Haar, Henrik von der , Klotz, Christian , Sprute, Dennis , Ziehn, Jens , Schmelter, Andreas , Witte, Stefan , Klasek, Pavel

This paper introduces the specific requirements of the domain of train operation and its regulatory framework to the AI community. It assesses sensor sets for driverless and unattended train operation. It lists functionally justified ranges of technical specifications for sensors of different types, which will generate input for AI perception algorithms (i.e. for signal and obstacle detection). Since an optimal sensor set is the subject of research, this paper provides the specification of a generic data acquisition platform as a crucial step. Some particular results are recommendations for the minimal resolution and shutter type for image sensors, as well as beam steering methods and resolutions for LiDARs.

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