DE10031787A1 - Assistenzsystem zur Auswahl von Strecken - Google Patents
Assistenzsystem zur Auswahl von StreckenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Assistenzsystem zur Auswahl einer Strecke mit einer Rechnereinrichtung, einer Speichereinrichtung und einer Ein- und Ausgabeeinrichtung, wobei jede Strecke durch in der Speichereinrichtung abgespeicherte, fahrtbeeinflussende Streckenparameter beschrieben ist, und dessen Rechnereinrichtung nach einer Eingabe von Suchkriterien eine bestimmte Strecke auswählt und über die Ausgabeeinrichtung ausgibt. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß die Rechnereinrichtung aus den fahrtbeeinflussenden Streckenparametern makroskopische Streckenmerkmale für jede Strecke ermittelt, die durch die Eingabe von Suchkriterien für makroskopische Streckenmerkmale abfragbar sind.
Description
Die Erfindung betrifft ein Assistenzsystem zur Auswahl von
Strecken gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE 43 44 369 C2 beschreibt ein Assistenzsystem zur Auswahl
einer Strecke mit einer Rechnereinrichtung, einer Speicherein
richtung und einer Ein- und Ausgabeeinrichtung,, wobei jede
Strecke durch abgespeicherte fahrtbeeinflussende Streckenpara
meter beschrieben ist, und wobei nach der Eingabe von vorgege
benen Kriterien mittels einem Vergleich der fahrtbeeinflussen
den Streckenparameter eine bestimmte Strecke von der Rech
nereinrichtung ausgewählt und über eine Ausgabeeinrichtung aus
gegeben wird, wobei als Kriterien ein besonders niedriger Ener
gieverbrauch oder eine möglichst kurze Fahrzeit vorgegeben wer
den können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Assistenzsystem zur Auswahl
von Strecken anzugeben, welches eine differenziertere Suche
nach einer Strecke mit vorgegebenen Streckeneigenschaften er
möglicht, wodurch der Komfort für den Benutzer bei der
Streckenauswahl verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruch 1 gelöst.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbil
dungen der Erfindung.
Der Hauptgedanke der Erfindung besteht darin aus den fahrtbe
einflußenden Streckenparametern, die beispielsweise in Form von
verschiedenen Attributen in einer digitalen Karte abgespeichert
sind, makroskopische Streckenmerkmale zu berechnen und die
Strecken mittels diesen makroskopischen Streckenmerkmale zu
klassifizieren und dann durch Eingabe von gewünschten
makroskopischen Streckenmerkmalen eine bestimmte Strecke durch
einen Vergleich der makroskopischen Streckenmerkmale zu suchen
und auszuwählen.
Wesentliche fahrtbeeinflussende Streckenparameter sind bei
spielsweise topographische Parameter wie Kurvenradien und Nei
gungen, verkehrsregelnde Parameter wie Geschwindigkeitsbegren
zungen, Überholverbote und Vorfahrtsregeln, bauliche Parameter
wie Fahrspuranzahl, Straßentyp (Bundesautobahn, Land- und Orts
straßen) Fahrbahnbreite und Streckeneinsicht. Die fahrtbeein
flußenden Streckenparameter werden beispielsweise durch Stich
probenfahrzeuge in Form von FCD (floating car data) quasikonti
nuierlich erfaßt, aufbereitet und abgespeichert. Zudem können
andere Quellen, beispielsweise Straßenbauämter, Straßenpläne,
Karten usw., für die Erfassung der fahrtbeeinflußenden
Streckenparameter verwendet werden. Die kontinuierlich erfaßten
fahrtbeeinflussenden Streckenparameter ergeben eine
detaillierte Streckenbeschreibung, die für Simulationen,
Berechnungen oder sonstige Auswertungen sehr hilfreich sind.
Ein Vergleich zweier Strecken oder eine Klassifizierung ist
aufgrund der Datenmenge aber nur schwer möglich.
Deshalb werden erfindungsgemäß aus den fahrtbeeinflussenden,
erfaßten Streckenparametern makroskopische Streckenmerkmale
definiert und berechnet. Anhand der makroskopischen
Streckenmerkmale ist dann ein Vergleich zweier Strecken anhand
weniger Kennzahlen oder eine Charakterisierung einer Strecke
oder die Suche nach neuen Strecken mit ähnlichen makro
skopischen Streckenmerkmalen sehr einfach möglich.
Aus den oben aufgeführten kontinuierlich erfaßten fahrtbeein
flussenden Streckenparametern werden als makroskopische
Streckenmerkmale beispielsweise die horizontale Linienführung
(Kurvigkeit, Kurvenanteil, Klassifizierung der Linienführung),
die vertikale Linienführung (mittlere Neigung, Steigungs- und
Gefälleanteile, maximale Neigung), die abschnittsgültige
Prozentanteile für Geschwindigkeitsbegrenzungen,
Überholverbote, Straßentyp und Fahrspuranzahl, die Häufigkeiten
von ortsgültigen Merkmalen für Vorfahrtsregelungen (Ampeln,
Stoppschilder, etc.) und die dynamisierte Pilotgeschwindigkeit
(Mittelwert und Varianz sowie positive
Geschwindigkeitsdifferenzen) berechnet.
Durch die makroskopischen Streckenmerkmale können auch beson
dere Benutzerwünsche, die der Benutzer beispielsweise in Form
von Zahlenbereiche für die Kennzahlen der makroskopischen
Streckenmerkmale angibt, berücksichtigt werden. So ist es
beispielsweise möglich, daß ein Motorradfahrer den Wunsch hat,
eine Strecke mit einer bestimmten horizontalen Linienführung -
mit vielen Kurven - zu finden, oder ein Gespannfahrer (Fahrzeug
mit Wohnwagen) möchte eine bestimmte horizontale und vertikale
Linienführung (wenig Kurven und wenig Neigungsänderungen)
vorgeben. Zudem kann das erfindungsgemäße Verfahren für die
Auswahl von Teststrecken zur Fahrzeugerprobung verwendet
werden, in dem bestimmte makroskopische Streckenmerkmale für
eine Testfahrt vorgegeben werden.
Durch einen Vergleich der makroskopischen Streckenmerkmalen der
gesuchten Strecke, die in Form von Kennzahlen angegeben sind,
werden Strecken mit ähnlichen makroskopischen Streckenmerkmalen
gesucht, wobei dem Benutzer die Strecken, die den gewünschten
Kriterien am nächsten kommen, als empfohlene Strecke ausgegeben
werden, so können beispielsweise die ersten drei Strecken
ausgegeben werden. Dabei ist es unerheblich ob der Benutzer
eine bestimmte Strecke von A nach B zurücklegen will oder ob er
für Testzwecke oder zum Spaß irgendeine Strecke befahren will,
die den gewünschten makroskopischen Streckenmerkmalen am
nächsten kommt. Zudem ist es vorstellbar, daß der Benutzer eine
bestimmte Entfernung von einem Ausgangspunkt vorgeben kann,
innerhalb der die gesuchte Strecke liegen soll.
Bei einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist das Assi
stenzsystem zur Auswahl einer Strecke Teil eines Navigationssy
stems, wobei das Navigationssystem zur Auswahl einer Strecke
zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt aus mehreren
alternativ möglichen Strecken auf das Assistenzsystem zugreift,
um die optimale Strecke zwischen dem vorgegebenen Start und
Zielpunkt auszuwählen und für die weitere Zielführung zu
verwenden, wobei die Auswahl zusätzlich zu bekannten
vorgegebenen Kriterien, wie beispielsweise niedriger Verbrauch,
schnellstmögliche Verbindung oder kürzeste Entfernung zwischen
Start und Zielpunkt, auch von der Vorgabe von makroskopischen
Streckenmerkmalen abhängig ist. Als Eingabe- und
Ausgabeeinrichtungen für das Assistenzsystem können bei dieser
Ausführung die entsprechden Einrichtungen des
Navigationssystems verwendet werden. Zudem ist es möglich die
berechnete dynamisierte Pilotgeschwindigkeit zur Berechnung der
voraussichtlichen Fahrzeit für eine Strecke bzw. einen
Streckenabschnitt zu verwenden.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung wer
den die makroskopischen Streckenmerkmale für beliebig lange
Teilstrecken (Längenintervalle), beispielsweise für Längenin
tervalle von 1 km Länge, oder auch für eine Gesamtstrecke von A
nach B berechnet und abgespeichert.
Für Testfahrten bei der Fahrzeugerprobung können bestimmte ma
kroskopische Streckenmerkmalsintervalle vorgegeben werden, z. B.
um die Bauteilbelastung aufgrund der Streckenführung zu maxi
mieren, oder um eine belastungsäquvalente neue Strecke zu fin
den, dann wird innerhalb der erfaßten Strecken nach Teil
strecken gesucht, deren makroskopische Streckenmerkmalswerte
innerhalb der vorgegebener. Intervallgrenzen liegen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand
der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 Blockschaltbild eines Assistenzsystems zur Streckenaus
wahl
Fig. 2 Berechnung der Kurvigkeit einer Strecke
Fig. 3 Mittlere Neigung eines Streckenabschnitts
Fig. 4 Geschwindigkeits- und Streckendifferenzen bei beschleu
nigter Bewegung
Fig. 5 Dynamisiertes Pilotgeschwindigkeitsprofil mit Beschleu
nigungs- und Verzögerungskurven
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfaßt das Assistenzsystem zur
Auswahl von Strecken, eine Rechnereinrichtung 1, eine
Speichereinrichtung mit den erfaßten Streckenparametern 2,
beispielsweise eine CD-ROM mit entsprechenden
Leseeinrichtungen, eine Speichereinrichtung zum Abspeichern der
ermittelten makroskopischen Streckenmerkmale 3, eine
Eingabeeinrichtungen 4 und eine Ausgabeeinrichtungen 5, welche
auch in einer Einheit zusammengefaßt sein können.
Nachfolgend wird mit Hilfe der Fig. 2 bis 5 beschrieben wie die
makroskopischen Streckenmerkmale von der Rechnereinrichtung 1
ermittelt werden.
Durch statistische Auswertung und Klassifizierung der kontinu
ierlich erfaßten Streckenparameter besteht die Möglichkeit, ma
kroskopische Streckenmerkmale zu bestimmen. Anhand der makro
skopischen Streckenmerkmale können verschiedene Strecken besser
beschrieben und objektiv verglichen werden. Für zwei verschie
dene Strecken werden die makroskopischen Streckenmerkmale für
bestimmte Streckenabschnittslängen, sogenannte Längeninter
valle, berechnet. Die Berechnung läßt beliebig große Längenin
tervalle zu. Standardmäßig wird in der ein Längenintervall von
einem Kilometer zugrunde gelegt. Somit können einerseits Streckenprofile
der makroskopischen Streckenmerkmale dargestellt
werden, andererseits können zwei Teilstrecken, über die sich
die Längenintervalle komplett erstrecken, anhand der makrosko
pischen Streckenmerkmale objektiv verglichen werden. Erstrecken
sich Längenintervalle über die Gesamtstrecken zwischen A und B,
können diese verglichen und beschrieben werden.
Die makroskopischen Streckenmerkmale werden nach der horizonta
len und vertikalen Linienführung, den abschnittsgültigen und
ortsgültigen makroskopischen Streckenmerkmalen sowie der dyna
misierten Pilotgeschwindigkeit gegliedert.
In den folgenden Berechnungen wird mit si die Streckendifferenz
zwischen zwei Meßpunkten der kontinuierlich erfaßten Strecken
parameter bezeichnet. Zur Berechnung der makroskopischen Strec
kenmerkmale in einem Längenintervall werden so viele Meßpunkte
der kontinuierlich erfaßten Streckenparameter herangezogen, daß
deren Streckendifferenzen dem Längenintervall entsprechen. Die
Bestimmung von n ist mathematisch wie folgt definiert:
Die horizontale Linienführung beeinflußt die Geschwindigkeits
wahl, die Geschwindigkeitsschwankungen und somit die Wahl der
Gänge und den Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs. Der Verbrauch
wird zusätzlich erhöht, wenn die Lenkunterstützung (Servo) bei
kurvenreichen Strecken stark beansprucht wird. Der Mehrver
brauch kann je nach Art der Lenkunterstützung bis zu 8% betra
gen. Der Verlauf einer Trasse im Lageplan wird durch die makro
skopischen Streckenmerkmale Kurvigkeit, Kurvenanteil und Klas
sifizierung der Linienführung beschrieben.
Die Kurvigkeit ist die Summe der absoluten Winkeländerungen pro
Längeneinheit in gon/km (Es gilt: 400 gon (Neugrad) = 360°
(Winkelmaß) = 2π (Radialmaß)). Fig. 2 veranschaulicht die Be
rechnung der Kurvigkeit.
Die Kurvenradien für Links- und Rechtskurven werden durch posi
tive und negative Werte dargestellt. Tritt eine Kurventypände
rung in der Trassenführung ein, z. B. Wechsel von einer Links
in eine Rechtskurve, so wird der durch die Kurve bedingte Win
kel αi der gesamten Richtungsänderung anhand zweier Tangenten
berechnet:
Die entsprechende Winkeländerung βi in Neugrad [gon] ergibt
sich zu:
Zur Berechnung der Kurvigkeit im Längenintervall wird die Summe
der absoluten Winkeländerungen durch die Summe der Streckendif
ferenzen si dividiert und in gon/km normiert:
Der Kurvenanteil ist der prozentuale Längenanteil der Kurven am
Längenintervall. Dabei werden nur Kurven mit Radien kleiner als
500 m berücksichtigt, weil bei größeren Radien fahrdynamisch
i. d. R. kein Streckeneinfluß auf die Fahrgeschwindigkeit be
steht.
Die horizontale Linienführung wird nach den Kriterien weit und
stetig, eng, aber stetig oder unstetig und eng klassifiziert.
Die Klassifizierung der horizontalen Linienführung wird mit
Hilfe der Kurvigkeit und dem Anteil der Kurven wie aus Tabelle
1 ersichtlich festgelegt.
Der Kurvenanteil muß berücksichtigt werden, da bei gleicher
Kurvigkeit die gefahrenen Geschwindigkeiten mit sinkendem Kur
venanteil tendenziell fallen. Ein niedriger Kurvenanteil bedeu
tet, daß sich zwar mehr Geraden in einem Abschnitt befinden,
aber wegen der gleichen Kurvigkeit die Kurven im Mittel enger
sein müssen, so daß das Fahrverhalten insgesamt unstetig wird.
Ab 600 gon/km ist die Linienführung generell unstetig.
Weite und stetige Trassenführungen erlauben das Befahren des
Streckenabschnitts mit einer zulässigen Höchstgeschwindigkeit
außerhalb geschlossener Orte von 100 km/h ohne daß sich die Li
nienführung geschwindigkeitsdämpfend auswirkt.
Enge, aber stetige Linienführungen führen zu konstanter Fahr
weise ohne große Beschleunigungs- bzw. Verzögerungsphasen auf
einem Geschwindigkeitsniveau unterhalb der zulässigen Höchstge
schwindigkeit. Die Linienführung wirkt sich hierbei geschwin
digkeitsdämpfend aus.
Strecken mit unstetiger und enger Linienführung haben einen er
heblichen Einfluß auf die Geschwindigkeitswahl, wobei infolge
ungünstiger Radienrelationen große Geschwindigkeitsdifferenzen
auftreten können. Häufige Verzögerungs- und Beschleunigungsvor
gänge kennzeichnen den Verlauf.
Die Geschwindigkeiten auf Landstraßen werden auch durch die
vertikale Linienführung beeinflußt. Maximalgeschwindigkeiten
werden fahrzeugunabhängig bei 2% Gefälle erreicht, bei Steigun
gen ab 4% nehmen die Geschwindigkeiten stetig ab, dagegen
steigt die Gleichförmigkeit des Geschwindigkeitsverlaufs. Stei
gungen belasten den gesamten Triebstrang vom Kühler bis zu den
Radseitenwellen und beeinflussen den Verbrauch erheblich. Bei
Gefälle werden hauptsächlich die Bremsen belastet. Die verti
kale Linienführung wird durch die makroskopischen Streckenmerk
male mittlere Neigung, Steigungs- und Gefälleanteile sowie den
maximalen Neigungen beschrieben.
Die mittlere Neigung beschreibt die Tendenz einer Fahrt auf ei
nem Streckenabschnitt. Erstreckt sich das Längenintervall über
einen kompletten Rundkurs, ist die mittlere Neigung trivialer
weise annähernd null. Bei der Fortbewegung eines Fahrzeugs tre
ten die beiden Energieformen Bewegungsenergie (kinetische Ener
gie) und Lageenergie (potentielle Energie) in Erscheinung. Das
Befahren von Steigungen erfordert Hebearbeit, in Gefällab
schnitten kann diese Arbeit wieder zurückgewonnen werden. Die
Energiebilanz eines Fahrzeugs wird mit Hilfe der mittleren Nei
gung bestimmt, welche zwischen Anfangs- und Endpunkt eines Län
genintervalls ermittelt wird, siehe Fig. 3.
Die Punkte A und B bilden die Anfangs- bzw. Endhöhe des darge
stellten Längenintervalls. Zur Ermittlung der mittleren Neigung
zwischen den beiden Punkten wird folgende Formel verwendet:
Bei physikalischen und technischen Berechnungen ist für Winkel
bis 10°, dies entspricht etwa 17% Steigung oder Gefälle, die
Näherung: sin(α) ≈ tan(α) ≈ α zulässig. Deshalb können auch die ge
ringen Längenunterschiede zwischen g und Δx vernachlässigt
werden und somit auch die Längenunterschiede zwischen g und der
tatsächlich gefahrenen Strecke s. Es gilt näherungsweise:
Die Steigungs- und Gefälleabschnitte werden anhand fahrdynami
scher Erfahrungen und Berechnungen in je vier Klassen einge
teilt. Dabei sind die Einflüsse auf gefahrene Geschwindigkeiten
und Gangwahl die wesentlichen Kriterien, siehe Tabelle 2.
Das makroskopische Streckenmerkmal Steigungs- und Gefällean
teile beschreibt die prozentualen Längenanteile der Steigungs-
und Gefälleklassen am Längenintervall. Für alle Streckendiffe
renzen si im Längenintervall wird die mittlere Neigung ermit
telt und den oben genannten Klassen zugeordnet. Aus der Summe
der Streckendifferenzen jeder Klasse werden ihre prozentualen
Längenanteile am Längenintervall ermittelt.
Innerhalb eines Längenintervalls werden die maximale Steigung
und das maximale Gefälle bestimmt. Diese sind Maße für die her
vorgerufenen Spitzenbelastungen.
Die kontinuierlich erfaßten Streckenparameter Geschwindigkeits
begrenzung, Überholverbot, Straßentyp und Spurenanzahl gelten
für verschieden lange Streckenabschnitte. Die entsprechenden
makroskopischen Streckenmerkmale sind die prozentualen Län
genanteile dieser Abschnitte am gesamten Längenintervall.
Die Geschwindigkeitsbegrenzungen werden explizit durch Schilder
oder implizit vorgegeben. Implizite Geschwindigkeitsbegrenzun
gen sind beispielsweise die zulässige Höchstgeschwindigkeit für
alle Kraftfahrzeuge von 50 km/h innerhalb geschlossener Ort
schaften und außerhalb geschlossener Ortschaften für Kraftfahr
zeuge bis 3,5 t 100 km/h und für Kraftfahrzeuge mit höherem Ge
samtgewicht 60 km/h.
Für Abschnitte mit gleicher, explizit oder implizit vorgegebe
ner Höchstgeschwindigkeit wird der prozentuale Längenanteil am
Längenintervall bestimmt. Diese Berechnung wird für alle ge
setzlich üblichen Höchstgeschwindigkeitsvorgaben (30 km/h, 40 km/h,
50 km/h, 60 km/h, etc.) durchgeführt.
Sich häufig ändernde Geschwindigkeitsbegrenzungen beeinflussen
die Geschwindigkeitswahl, die Ganghäufigkeiten und den Ver
brauch, da normalerweise bei der Einfahrt in einen geschwindig
keitsbeschränkten Bereich ein Fahrzeug abgebremst und bei der
Ausfahrt wieder beschleunigt wird. Umgekehrt führt eine ausge
dehnte Geschwindigkeitsbegrenzung zu einem eher ruhigen ver
brauchsmindernden Fahrstil. Diese Effekte werden durch die weiter
unten definierte dynamisierte Pilotgeschwindigkeit genauer
erfaßt.
Der prozentuale Längenanteil der Überholverbote am Längeninter
vall wird als makroskopisches Streckenmerkmal bestimmt. Die
Überholverbote werden durch Schilder und mit durchgezogenen
Leitlinien gekennzeichnet.
Das Fahren in Überholverbotszonen bedingt ein gleichmäßigeres
Fahren als in überholverbotsfreien Abschnitten. In letzteren
ist, aufgrund von vermehrten Überholaktivitäten, mit höheren
Beschleunigungen und Geschwindigkeiten zu rechnen und somit mit
höheren Motordrehzahlen. Daraus resultieren Triebstranabela
stungen, veränderte Ganganteile und ein höherer Verbrauch.
Die einzelnen Straßentypen des bundesdeutschen Straßennetzes
werden nach Ortsstraßen, Landstraßen und Bundesautobahnen klas
sifiziert. Das makroskopische Streckenmerkmal besteht aus den
prozentualen Längenanteilen jedes Straßentyps (Land- bzw. Orts
straßen oder Autobahnen) am Längenintervall. Im Gegensatz zu
Außerortsfahrten bedingen Ortsdurchfahrten eine langsamere
Fahrweise, außerdem tritt eine größere Häufung von Vorfahrtsre
gelungen (z. B. Ampeln, Zebrastreifen etc.) und sonstigen Ver
kehrsflußstörungen auf. Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und
Gänge in Ortschaften können stärker schwanken, dies hat vor al
lem Auswirkungen auf die Triebstrangbelastung, Ganganteile,
Gangwechselhäufigkeiten und Verbrauch.
Das deutsche Außerortsstraßennetz besteht zu mehr als 90% aus
einspurigen Straßen. Die weiteren Anteile verteilen sich haupt
sächlich auf zweispurige Straßen, eher seltener treten drei-
und mehrspurige Straßen auf. Jede Fahrspuranzahl (1-, 2- oder
3- und mehrspurig) in eine Fahrtrichtung bildet eine Klasse.
Das makroskopische Streckenmerkmal ist der prozentuale Län
genanteil jeder Klasse am Längenintervall.
Mehrere Spuren in eine Fahrtrichtung lassen in der Regel ein
Erreichen der individuell angestrebten Wunschgeschwindigkeit
über längere Zeiträume zu. Überholvorgänge sind zwar häufiger,
normalerweise aber nicht durch so starke Beschleunigungsvor
gänge und Geschwindigkeitsänderungen gekennzeichnet wie bei
Überholvorgängen auf Gegenspuren. Mehrspurige Straßen verursa
chen deshalb einen gleichmäßigeren Geschwindigkeitsverlauf auf
höherem Niveau, große Anteile der hohen Gänge mit wenigen Gang
wechseln und geringere Triebstrangbelastungen wegen der modera
ten Beschleunigungsvorgänge. Dies führt bei gleichen Reisege
schwindigkeiten zu geringeren Verbräuchen als bei einspurigen
Straßen.
Bei der kontinuierlichen Erfassung der Streckenparameter werden
die ortsgültigen Parameter Vorfahrt-achten, Stop, Ampel,
Rechts-vor-links, Zebrastreifen und Bahnübergang ereignisge
steuert erfaßt. An diesen Stellen muß die Geschwindigkeit häu
fig erheblich reduziert werden. Als makroskopisches Strecken
merkmal wird für alle ortsgültigen Parameter die Häufigkeit pro
Kilometer definiert.
Die dynamisierte Pilotgeschwindigkeit beschreibt die gefahrene
Geschwindigkeit in Abhängigkeit von den gesetzlich vorgegebenen
Höchstgeschwindigkeiten, den Kurvengeschwindigkeiten und den im
Verkehr üblichen Beschleunigungen und Verzögerungen. Äußere
Verkehrseinflüsse, wie vorausfahrende Fahrzeuge, Ampeln etc.
werden nicht berücksichtigt.
Die Pilotgeschwindigkeit weist definitionsbedingt Geschwindig
keitssprünge auf, siehe Fig. 5, die nur durch unendliche Be
schleunigungen und Verzögerungen eines Fahrzeugs erreicht wer
den. Deshalb wird eine dynamisierte Pilotgeschwindigkeit be
rechnet, die im Verkehr übliche mittlere Beschleunigungen und
Verzögerungen berücksichtigt. Aus der dynamisierten Pilotge
schwindigkeit werden als makroskopische Streckenmerkmale eine
mittlere dynamisierte Pilotgeschwindigkeit, eine Varianz der
dynamisierten Pilotgeschwindigkeit und eine Geschwindigkeits
differenz der dynamisierten Pilotgeschwindigkeit berechnet.
Diese makroskopischen Streckenmerkmale beeinflussen die Trieb
strangbelastung, Ganganteile, Gangwechselhäufigkeiten und Brem
sen, bedingt durch starke Schwankungen der Geschwindigkeiten
mit Beschleunigungs- und Abbremsvorgängen. Im Folgenden werden
die Berechnungsvorschriften für die Pilotgeschwindigkeit und
die dynamisierte Pilotgeschwindigkeit beschrieben.
In der Richtlinie für die Anlage von Straßen, werden Mindestra
dien vorgegeben, die nicht unterschritten werden dürfen, damit
eine Straße mit einer geplanten Entwurfsgeschwindigkeit sicher
und komfortabel durchfahren werden kann. Bei trockener Fahrbahn
können die Entwurfsgeschwindigkeiten bis zu 20% überschritten
werden, da die Fahrer die vorgesehene Sicherheitsredundanz
teilweise kompensieren.
Bei Kurvenfahrten wirkt die geschwindigkeits- und kurvenradien
abhängige Querbeschleunigung auf Fahrer und Fahrzeug. Bei wei
ten, schneller gefahrenen Kurven mit großen Radien werden nicht
so große Querbeschleunigungen akzeptiert wie bei engen, langsa
mer gefahrenen Kurven. Hier fühlt sich der Fahrer aufgrund der
geringeren Geschwindigkeit sicherer und läßt größere Querbe
schleunigungen zu. Für einen Normalfahrer können akzeptierte
Querbeschleunigungen von 0,15 bis 0,4 g angenommen werden. Die
akzeptierte Querbeschleunigung hängt auch vom Fahrer ab, denn
erfahrene Formel-1-Fahrer fahren bis an die Grenze der Querbe
schleunigung von 0,95 bis 1,0 g, die der Normalfahrer als unan
genehm und risikoreich empfindet. Die radien- und querbeschleu
nigungsabhängige Kurvengeschwindigkeit wird für einen Normal-
und Formel-1-Fahrer für die i-te Streckendifferenz wie folgt
berechnet:
Zuerst wird die akzeptierte Querbeschleunigung eines Fahrers
über den "beanspruchten seitlichen Reibwert µi" bestimmt. Die
ser nimmt mit zunehmenden Radien immer mehr ab. Dadurch wird
der Effekt der abnehmenden Querbeschleunigung bei weiten,
schnell durchfahrenen Kurven modelliert.
Zur Berechnung des beanspruchten seitlichen Reibwertes µi für
Normalfahrer kann folgende Regressionsgleichung aufgestellt
werden, die den Entwurfsgeschwindigkeitsansatz und die Ergeb
nisse von gemessenen Kurvengeschwindigkeiten berücksichtigt:
Der beanspruchte seitliche Reibwert des Formel-1-Fahrers wird
mit konstant 0,9 festgelegt. Wenn µi feststeht kann die Kurven
geschwindigkeit vi auf trockener Straße wie folgt berechnet:
µi = seitlicher Reibwert,
Ri = Kurvenradius [m],
g = Erdbeschleunigung [m/s2]
Ri = Kurvenradius [m],
g = Erdbeschleunigung [m/s2]
Bei Strecken mit engen Kurvenradien ist die angestrebte Kurven
geschwindigkeit oft kleiner als die gesetzlich vorgegebene
Höchstgeschwindigkeit. Um die angestrebte Geschwindigkeit auf
einer Streckendifferenz zu ermitteln, wird das Minimum aus der
gesetzlichen Geschwindigkeitsbegrenzung und der oben beschrie
benen fahrerabhängigen Kurvengeschwindigkeit gebildet. Dieses
Minimum wird als Pilotgeschwindigkeit bezeichnet. Die Pilotge
schwindigkeit wird für den Normalfahrer und den Formel-1-Fahrer
bestimmt. Dabei wird für die Minimumbildung jeweils die ent
sprechende Kurvengeschwindigkeit herangezogen.
Da auf Autobahnen nur eine generelle Richtgeschwindigkeit von
130 km/h besteht, würden die Pilotgeschwindigkeiten nur aus den
autobahntypischen großen Kurvengeschwindigkeiten gebildet. Um
extrem hohe Pilotgeschwindigkeiten zu vermeiden, wird auf Auto
bahnen eine Höchstgeschwindigkeit von 180 km/h vorgegeben.
Zur Vermeidung der Geschwindigkeitssprünge werden Geschwindig
keitsdifferenzen Δvi zugrundegelegt, die bei im Verkehr übli
chen Beschleunigungen von 1 m/s2 und Verzögerungen von -2 m/s2
innerhalb einer Streckendifferenz si möglich sind. Zunächst
wird aus den Bewegungsgesetzen die Berechnung der Strecken- und
Geschwindigkeitsdifferenzen hergeleitet.
Fig. 4 beschreibt bei einer beschleunigten Bewegung die Weg-
und Geschwindigkeitsänderung in einem Zeitintervall. Die Fläche
unter dem Graphen entspricht der Streckendifferenz si beim Be
schleunigen von vi - 1 auf vi zwischen den Zeitpunkten ti - 1 und
ti. Es ergeben sich folgende Zusammenhänge:
Durch Substitution von Δti in Gleichung 2 ergibt sich Δvi zu:
Gleichung 3 gilt für positive und negative Beschleunigungen,
mit der Randbedingung: vi - 12 + 2aΔsi ≧ 0. Aus den Gleichungen 3
und 4 ergibt sich folgendes vi:
Für eine Rückwärtsrechnung gilt für vi - 1:
Die dynamisierte Pilotgeschwindigkeit vdi wird daraufhin wie
folgt berechnet:
Zunächst werden die Pilotgeschwindigkeiten vpi, aus dem Minimum
der gesetzlichen Geschwindigkeitsbegrenzung und der fahrerab
hängigen Kurvengewschindigkeit berechnet. Für alle negativen
Pilotgeschwindigkeitssprünge werden mit Gleichung 6 die Aus
gangsgeschwindigkeiten vi - m (m ≧ 1) bis etwa 400 m bei üblichen
Verzögerungen rückwärts berechnet, die zu diesem vpi führen. Es
ergeben sich die gestrichelt dargestellten Verzögerungskurven
in Fig. 5. Auf 400 m Streckenlänge können bei Verzögerungen von
-2 m/s2 Geschwindigkeitsabnahmen bis zu 144 km/h realisiert
werden. Größere Sprünge bei der Pilotgeschwindigkeit sind nor
malerweise nicht zu erwarten.
Bei positiven Pilotgeschwindigkeitssprüngen entspricht die Ge
schwindigkeitszunahme zunächst der berechneten Pilotgeschwin
digkeit vor dem Sprung. Für die folgenden Streckenpunkte si + k
(k < 1) wird die Geschwindigkeit gemäß Gleichung 5, mit 1 m/s2
solange erhöht, bis vdi + k die kleinste Verzögerungskurve (S1)
eines vorausliegenden negativen Pilotgeschwindigkeitssprungs
oder das Pilotgeschwindigkeitsprofil vpi + k (52) schneidet. An
jedem Streckenpunkt si ist die dynamisierte Pilotgeschwindig
keit vdi das Minimum aus allen existierenden Beschleunigungs-
und Verzögerungskurven sowie der berechneten Pilotgeschwindig
keit vpi.
Die mittlere dynamisierte Pilotgeschwindigkeit vd [km/h] ist
das streckengewichtete arithmetische Mittel der dynamisierten
Pilotgeschwindigkeiten im Längenintervall:
Die Varianz pro Kilometer [km/h2] der dynamisierten Pilotge
schwindigkeit beschreibt für ein Längenintervall die mittlere
quadratische Abweichung der Einzelwerte der dynamisierte Pilot
geschwindigkeiten von ihrem Mittel. Die Varianz ist ein Maß für
die Abbrems- und Beschleunigungsvorgänge innerhalb eines Län
genintervalls. Analog zu den in der Statistik üblicherweise de
finierten Varianz wird die Varianz der dynamisierten Pilotge
schwindigkeit pro Kilometer σ2 wie folgt berechnet:
Die Geschwindigkeitsdifferenz pro Kilometer [1/h] der dynami
sierten Pilotgeschwindigkeit beschreibt die positiven Geschwin
digkeitsänderungen der dynamisierten Pilotgeschwindigkeit im
Längenintervall und zeigt somit die durchschnittlichen Be
schleunigungsmöglichkeiten auf. Sie wird bestimmt als Division
der Summe der positiven Geschwindigkeitsänderungen der dynami
sierten Pilotgeschwindigkeit durch die Länge des Längeninter
valls.
Tabelle 4 zeigt eine Übersicht der makroskopischen Strecken
merkmale.
Die Tabelle 5 zeigt beispielhaft die Ergebnisse der Berechnung
von makroskopischen Streckenmerkmale für vier unterschiedliche
Strecken.
Claims (9)
1. Assistenzsystem zur Auswahl einer Strecke mit einer Rech
nereinrichtung (1), einer Speichereinrichtung (2), einer
Eingabeeinrichtung (4) und einer Ausgabeeinrichtung (5),
wobei jede Strecke durch in der Speichereinrichtung (2)
abgespeicherte, fahrtbeeinflussende Streckenparameter
beschrieben ist, und dessen Rechnereinrichtung (1) nach
einer Eingabe von Suchkriterien eine bestimmte Strecke
auswählt und über die Ausgabeeinrichtung (5) ausgibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rechnereinrichtung (1) aus den fahrtbeeinflussenden
Streckenparametern makroskopische Streckenmerkmale für jede
Strecke ermittelt und abspeichert, die durch die Eingabe
von Suchkriterien für makroskopische Streckenmerkmalen
abfragbar sind.
2. Assistenzsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rechnereinheit (1) für eine gesuchte Strecke die
eingegebenen makroskopischen Streckenmerkmale mit den für
jede Strecke definierten makroskopischen Streckenmerkmalen
vergleicht und die Strecke, deren makroskopische
Streckenmerkmale den eingegebenen Streckenmerkmalen am
nächsten kommt, auswählt und ausgibt.
3. Assistenzsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als makroskopische Streckenmerkmale eine horizontale
Linienführung und/oder eine vertikale Linienführung
und/oder eine dynamisierte Pilotgeschwindigkeit aus den
fahrbeeinflussenden Streckenparametern berechnet werden.
4. Assistenzsystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vertikale Linienführung als makroskopische
Streckenmerkmale eine Kurvigkeit und/oder einen
Kurvenanteil und/oder eine Klassifizierung der horizontalen
Linienführung umfaßt.
5. Assistenzsystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die horizontale Linienführung als makroskopische
Streckenmerkmale eine mittlere Neigung und/oder Steigungs-
und Gefälleabschnitte und/oder maximale Neigungen umfaßt.
6. Assistenzsystem nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß von der Rechnereinrichtung (1) die makroskopischen
Streckenmerkmale für vorgebbare Längenintervalle berechnet
werden.
7. Assistenzsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die makroskopischen Streckenmerkmale die Prozentanteile
von Geschwindigkeitsbegrenzungen und/oder von
Überholverboten und/oder Straßentypen und/oder Spurenanzahl
umfassen.
8. Assistenzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Assistenzsystem Teil eines Navigationssystems ist.
9. Assistenzsystem nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Assistenzsystem zur Auswahl von Teststrecken für
die Fahrzeugerprobung verwendet wird.
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