DE102007049248B4 - Verfahren zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs (10), das über einen Stromabnehmer (12) elektrischen Strom aus einer Stromleitung (16) zum Versorgen des Schienenfahrzeugs mit Strom entnimmt und über eine Schiene (14) ableitet, mit den Schritten: (a) Erfassen einer elektrischen Größe, die den elektrischen Strom charakterisiert, der aus der Stromleitung (16) durch das Schienenfahrzeug (10) in die Schiene (14) fließt, und (b) aus der elektrischen Größe (U) Ermitteln der Position des Schienenfahrzeugs (10), dadurch gekennzeichnet, dass (c) die elektrische Größe eine Momentanspannung (U) ist und (d) aus der Momentanspannung (U) ein Momentanwiderstands (RSL) der Stromleitung (16) errechnet wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs, das über einen Stromabnehmer Strom aus einer Stromleitung zum Versorgen des Schienenfahrzeugs mit Strom entnimmt und über eine Schiene ableitet mit den Schritten (a) Erfassen einer elektrischen Größe, die den elektrischen Strom charakterisiert, der aus der Stromleitung durch das Schienenfahrzeug in die Schiene fließt, (b) aus der elektrischen Größe Ermitteln des Position des Schienenfahrzeugs.
• Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug mit einem Stromabnehmer zum Abnehmen von Strom aus einer Stromleitung, einer elektrischen Steuerung und einer Spannungsmessvorrichtung zum Messen einer Momentanspannung, die über das Schienenfahrzeug abfällt. Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Schienenverkehrssystem mit einer Stromleitung zum Versorgen eines Schienenfahrzeugs mit Strom, wobei die Stromleitung mehrere Stromeinspeisestellen umfasst, die jeweilige Einspeiseabschnitte der Stromleitung begrenzen.
• Ein gattungsgemäßes Verfahren ist beispielsweise aus der JP 01-164673 bekannt.
• Schienenverkehrssysteme sind gekennzeichnet durch lange Bremswege der Schienenfahrzeuge, die durch den Stahl-Stahl-Kontakt zwischen den Rädern der Schienenfahrzeuge und der Schiene hervorgerufen wird. Diese langen Bremswege erfordern die Kenntnis der aktuellen Position der auf den Schienen des Schienenverkehrssystems befindlichen Schienenfahrzeuge. Hierbei ist eine Genauigkeit erforderlich ist, die zum einen eine gleisgenaue Aussage in Gleisquerrichtung und zum anderen eine Genauigkeit entlang einer Gleislängsachse von 10 m bis 50 m zulässt. Die Bestimmung der Position des Schienenfahrzeugs wird derzeit mit streckenseitig verbauter Sensortechnik realisiert, die nachteiligerweise jedoch wartungsintensiv und damit kostenträchtig sind.
• Beispielsweise wird die Positionsbestimmung von Schienenfahrzeugen mittels so genannter Gleiskontakte oder Achszähler durchgeführt. Diese bestehen aus induktiv beeinflussbaren Spulenschaltungen, die auf metallische Objekte, wie beispielsweise die Räder der Schienenfahrzeuge, reagieren. Die aus der Induktion entstehenden Ströme bzw. Frequenzverzerrungen werden mittels einer Auswerteeinheit erfasst und führen zu einem Zählimpuls. Ein Schienenfahrzeug kann so bei Befahren einer solchen Spulenschaltung hinsichtlich seiner relativen Position zu der Spulenschaltung geortet werden. In Kombination mit in Stellwerken des Schienenverkehrssystems vorhandenen Zugnummer-Meldeanlagen ist es in den Stellwerken möglich, die einzelnen Positionen von Schienenfahrzeugen zu bestimmen.
• Aus der CZ 2026 U1 ist eine Anordnung bekannt, bei der zwei kurze, in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs beabstandete Oberleitungsabschnitte parallel zur eigentlichen für die Stromversorgung des Schienenfahrzeugs verwendeten Oberleitungen verlegt sind. Beim Befahren dieser Oberleitungsabschnitte entstehen zwei Impulse, die das Erreichen der Position der zusätzlichen Oberleitungsabschnitte durch ein Schienenfahrzeug signalisieren.
• Nachteilig an den Lösungen gemäß dem Stand der Technik ist der hohe Aufwand in Bezug auf die Verkabelung. Hieraus resultiert ein hoher Wartungsaufwand. Bei einem Neubau von Strecken entsteht zudem ein hoher Investitionsaufwand. Nachteilig ist zudem die Festlegung auf starre, meist relativ große Entfernungen zwischen zwei Ortungspunkten. Das führt dazu, dass eine dynamische Anpassung an die jeweiligen Betriebsbedingungen des Schienenverkehrssystems nicht oder nur unter hohem Aufwand erfolgen kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Nachteile im Stand der Technik zu überwinden. Die Erfindung lest das Problem durch ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs, bei dem die elektrische Größe eine Momentanspannung ist und aus der Momentanspannung ein Momentwiderstand der Stromleitung errechnet wird.
• Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein gattungsgemäßes Schienenfahrzeug, bei dem die elektrische Steuerung eingerichtet ist zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Gemäß einem dritten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein gattungsgemäßes Schienenverkehrssystem, das eine Vorrichtung zum Erfassen der Momentanspannung und/oder des Momentanstroms in allen Einspeiseabschnitten und eine Stromleitungssteuerung aufweist, die eingerichtet ist zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sie leicht implementierbar ist. So müssen streckenseitig keine weiteren Sensoren vorgesehen werden. Das vermindert den Wartungsaufwand. Da in der Regel alle Schienenverkehrssysteme über Einspeisepunkte verfügen, können bestehende Schienenverkehrssysteme zudem leicht nachgerüstet werden. Dazu muss lediglich eine in der Regel bestehende Stromleitungssteuerung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens nachgerüstet werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Erfindung kostengünstig im Betrieb ist. Die notwendigen Messgeräte können nämlich zentralisiert bei einer zentralen Stromversorgung der Stromleitung vorgesehen sein.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Position eines Schienenfahrzeugs anhand von an der Stromleitung gemessenen Größen ermittelbar ist. Hierbei macht man sich beispielsweise den Effekt zu Nutze, dass der scheinbare Widerstand der Stromleitung, beispielsweise einer Oberleitung, mit dem Abstand des Schienenfahrzeugs und damit des Stromabnehmers zu einer Stromeinspeisestelle zunimmt.
• Die Momentanspannung fällt beispielsweise über das Schienenfahrzeug ab und kann mit einfachen Mitteln direkt im Schienenfahrzeug gemessen werden. Es ist jedoch auch möglich, die Momentanspannung an einer zentralen Stromversorgung für die Stromleitung zu messen. Aus der Momentanspannung und bekannten elektrischen Parametern der Stromleitung wird dann ein Momentanwiderstand der Stromleitung und daraus die Position des Schienenfahrzeugs errechnet.
• Besonders genaue Positionsdaten werden erhalten, wenn ein zeitlicher Verlauf des Momentanwiderstands und eine Anzahl an Zyklen erfasst werden, während denen der Momentanwiderstand zuerst ansteigt und danach abfällt, wobei die Position des Schienenfahrzeugs aus der Anzahl an Zyklen ermittelt wird. Die Zyklen werden dabei so festgelegt, dass stochastische Schwankungen des momentanen Widerstands unbeachtlich bleiben. So wird beispielsweise anhand eines Tachometers, eines Odometers oder eines Satellitennavigationssystems des Schienenfahrzeugs die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs abgeschätzt. Aus der so ermittelten Schätzung für die Geschwindigkeit wird anhand einer digitalen Karte die Position des Schienenfahrzeugs im Schienennetz geschätzt. Aus der digitalen Karte werden die seit Beginn einer Fahrt oder seit einer vorgegebenen Wegmarke passierte Stromeinspeisestellen ermittelt. Unter Verwendung dieser Daten wird dann der zeitliche Verlauf der Momentanspannung modelliert, wie sie unter der Annahme korrekter Tachometer- bzw. Odometerdaten zu erwarten wäre, wobei die Position des Schienenfahrzeugs ein freier Parameter ist. Ausgehend von dieser Annahme wird die Position des Schienenfahrzeugs anhand des ermittelten Momentanwiderstands dann so korrigiert bzw. angepasst, dass eine gewichtete Abweichung der Summe der Differenzenquadrate zwischen der Position, die aus den Tachometer- bzw. Odometerdaten ermittelt wird einerseits und der aus der Momentanspannung ermittelten Position andererseits möglichst gering wird.
• Besonders bevorzugt wird die Anzahl an Zyklen dadurch erfasst, dass der zeitliche Verlauf mit einer Parameter aufweisenden Funktion, insbesondere einer zyklischen Dreiecksfunktion, angepasst wird. Unter einer zyklischen Dreiecksfunktion ist dabei eine Funktion zu verstehen, die dreiecksförmig zwischen lokalen Maxima und Minima schwankt. Die lokalen Maxima entsprechen einer Netzspannung, wobei der Abstand zwischen den Maxima jedoch nicht konstant sein muss. Zwischen den lokalen Maxima und Minima werden Dreiecksfunktionen linear. So werden etwaig unterschiedliche Abstände zwischen Einspeisestellen modelliert. Auch bei stark verrauschten Momentanwiderstandsverläufen, kann so die Position noch mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Bevorzugt wird die Position des Schienenfahrzeugs also aus der Momentanspannung, einem bekannten spezifischen elektrischen Widerstand der Stromleitung und einer bekannten Netzspannung ermittelt.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren in dem Schienenfahrzeug selbst durchgeführt. Es kann dabei vorgesehen sein, dass dieses Verfahren mit weiteren Verfahren zur Positionsbestimmung kombiniert wird, beispielsweise mit einer GPS-Ortung oder einem Odometer.
• Alternativ oder additiv werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Momentanspannung und/oder der Momentanstrom in einer Vielzahl von Einspeiseabschnitten der Stromleitung gemessen, wobei die Position des Schienenfahrzeugs ermittelt wird durch Identifizieren desjenigen Einspeiseabschnitts, in dem die Momentanspannung und/oder in dem der Momentanstrom am stärksten von einer vorgegebenen Netzspannung bzw. einem vorgegebenen Nullstrom abweicht. Wenn ein Schienenfahrzeug sich in einem Streckenabschnitt befindet, der einem vorgegebenen Einspeiseabschnitt zugeordnet ist, so entnimmt es in der Regel elektrische Energien aus der Stromleitung. Hieraus resultiert ein elektrischer Strom, der messbar ist. Gleichzeitig sinkt wegen des Innenwiderstands der Oberleitung und der sonstigen Versorgungseinrichtungen die Netzspannung leicht ab, was ebenfalls gemessen werden kann. Das Abweichen der Momentanspannung von der Netzspannung ist damit ein Zeichen dafür, dass ein Schienenfahrzeug im entsprechenden Einspeiseabschnitt vorhanden ist.
• Befindet sich das Schienenfahrzeug umgekehrt im Schubbetrieb, bei dem kinetische Energie des Schienenfahrzeugs in elektrische Energie umgewandelt wird, so erhöht sich die Netzspannung und es fließt ein elektrischer Strom in Gegenrichtung. Auch dieser führt zu einer Abweichung der Momentanspannung von der Netzspannung bzw. des Momentanstroms von einem vorgegebenen Nullstrom. Der Nullstrom ist in der Regel in guter Näherung null, kann jedoch auf Grund von Kriech- und/oder Verlustströmen von null verschieden sein.
• Im Weiteren wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt,
• 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Schienenverkehrssystem mit einem erfindungsgemäßen Schienenfahrzeug,
• 2 eine Abhängigkeit des Momentanstroms in einem ersten Einspeiseabschnitt von der Position des Schienenfahrzeugs gemäß 1,
• 3 eine Abhängigkeit des Momentanstroms in einem zweiten Einspeiseabschnitt von der Position des Schienenfahrzeugs gemäß 1 und
• 4 eine Abhängigkeit des Momentanstroms in einem dritten Einspeiseabschnitt von der Position des Schienenfahrzeugs gemäß 1.
• 5 zeigt eine Abhängigkeit des von dem Schienenfahrzeug gemessenen Momentanwiderstands der Stromleitung in Abhängigkeit von der Position des Schienenfahrzeugs gemäß 1.
• 1 zeigt ein Schienenfahrzeug 10 in Form einer Lokomotive, das einen Stromabnehmer 12 aufweist. Das Schienenfahrzeug 10 fährt auf einer Schiene 14 und nimmt mit dem Stromabnehmer 12 elektrischen Strom aus einer Stromleitung 16 eines Oberbaus 18 ab. Das Schienenfahrzeug befindet sich bezüglich einer Schienenlängsachse L auf einer von einem nicht eingezeichneten Nullpunkt aus gemessenen Koordinate x.
• Der Oberbau 18 umfasst Stromeinspeisestellen 20.1, 20.2, 20.3, ..., die zugehörige Einspeiseabschnitte 22.1, 22.2, 22.3 und 22.4 mit Strom versorgen. Zwischen den Einspeiseabschnitten sind Trennstellen 24.1, 24.2 angeordnet. So verläuft der Einspeiseabschnitt 22.1 bis zur Trennstelle 24.1 und wird von der Stromeinspeisestelle 20.1 mit Strom versorgt. Der Einspeiseabschnitt 22.2 verläuft von der Trennstelle 24.1 bis zur Trennstelle 24.2 und wird von der Stromeinspeisestelle 20.2 mit Strom versorgt.
• Der Oberbau 18 umfasst zudem Hänger 26, die die Stromleitung 16 an einem Tragseil 28 halten. Das Tragseil 28 ist an Befestigungspunkten 30.1, 30.2, 30.3, ... an nicht eingezeichneten Oberleitungsmasten aufgehängt.
• Die Stromeinspeisestellen 20.1, 20.2, 20.3 werden von einer zentralen Stromversorgung 32 über Zuleitungen 34.1, 34.2, 34.3 mit Strom versorgt. Diese Zuleitungen 34 besitzen jeweils bekannte elektrische Zuleitungs-Widerstände R_Z. Die Stromleitung 16 weist einen spezifischen elektrischen Widerstand σ_SL auf, der in Ohm pro Meter Stromleitung angegeben wird. Das Schienenfahrzeug 10 besitzt ein Schienenfahrzeug-Innenwiderstand R_S und in der Kontaktstelle zwischen Stromabnehmer 12 und Stromleitung 16 existiert ein Übergangswiderstand R_Ü. Der Gesamtwiderstand des elektrischen Systems addiert sich aus einem bekannten Innenwiderstand der zentralen Stromversorgung, dem elektrischen Widerstand R_Z der Zuleitung, dem Übergangswiderstand R_Ü zwischen Stromabnehmer und Stromleitung, dem Innenwiderstand R_S des Schienenfahrzeugs und dem aus dem spezifischen Widerstand σ_SL der Stromleitung und dem Abstand zur jeweiligen Stromeinspeisestelle berechenbaren Widerstand der Stromleitung 16 sowie einem spezifischem elektrischen Widerstand σ_Sch der Schiene 14 und einer Entfernung zu einem Erdungspunkt 36. Damit hängt der Gesamtwiderstand R_ges des elektrischen Systems bei ansonsten konstanten Größen nur von der Position x des Stromabnehmers 12 ab.
• In dem Schienenfahrzeug 10 wird über ein Amperemeter ein elektrischer Strom I gemessen, der durch das Schienenfahrzeug 10 fließt. Mittels eines Voltmeters wird zudem die Momentanspannung U(t) gemessen, die in Abhängigkeit von der Zeit t über das Schienenfahrzeug 10 abfällt. Unter Kenntnis der oben genannten Widerstände und spezifischen Widerstände wird dann in einer nicht eingezeichneten elektrischen Steuerung die Position x des Schienenfahrzeugs 10 berechnet.
• 5 zeigt die Abhängigkeit des Gesamtwiderstands von der Ortskoordinate x.
• Wenn sich das Schienenfahrzeug 10 entlang der in 1 gezeigten Schienenlängsachse L bewegt, fließt zunächst elektrischer Strom I aus der Zentralstromversorgung 32 über die Zuleitung 34.1, durch die Stromeinspeisestelle 20.1 und durch das Schienenfahrzeug 10 zum Erdungspunkt. Ein in der Zuleitung 34.1 vorhandenes, nicht eingezeichnetes Amperemeter zeigt dann den in 2 dargestellten Verlauf des Stroms, wenn sich das Schienenfahrzeug 10 entlang der Raumkoordinate x bewegt. Sobald das Schienenfahrzeug 10 nämlich die Trennstelle 24.1 passiert hat, fließt kein Strom mehr durch die Zuleitung 34.1. Stattdessen fließt ein Strom durch die Zuleitung 34.2 und die Stromeinspeisestelle 20.2. Es ergibt sich der in 3. gezeigte Verlauf für den Strom.
• Verlässt das Schienenfahrzeug auch den Einspeiseabschnitt 22.2, so fließt der Strom durch die Zuleitung 34.3 und die Stromeinspeisestelle 20.3, so dass die in 4 gezeigte Kurve für den Strom in der Zuleitung 34.3 erhalten wird. In der zentralen Stromversorgung 32 kann also durch einfaches Messen des Stroms festgestellt werden, in welchem Einspeiseabschnitt sich das Schienenfahrzeug gerade befindet. Befindet sich das Schienenfahrzeug 10 im Schubbetrieb, fließt ein elektrischer Strom in Gegenrichtung, nämlich zur zentralen Stromversorgung 32 hin.
• Bezugszeichenliste

10

Schienenfahrzeug

12

Stromabnehmer

14

Schiene

16

Stromleitung

18

Oberbau

20.1, .2, .3

Stromeinspeisestelle

22

Einspeiseabschnitt

24

Trennstelle

26

Hänger

28

Tragseil

30.1

Befestigungspunkt

32

zentrale Stromversorgung

34

Zuleitung

36

Erdungspunkt

I

elektrischer Strom

L

Schienenlängsachse

R_ges

Gesamtwiderstand

R_S

Innenwiderstand des Schienenfahrzeugs

R_Ü

Übergangswiderstand der Stromabnehmer-Stromleitung

R_Z

Widerstand der Zuleitung

σ_SL

spezifischer elektrischer Widerstand der Stromleitung

σ_Sch

spezifischer Widerstand der Schiene

t

Zeit

U_Netz

Netzspannung

U(t)

Momentanspannung

x

Koordinate entlang der Schienenlängsachse

Claims (9)

1. Verfahren zur Positionsbestimmung eines Schienenfahrzeugs (10), das über einen Stromabnehmer (12) elektrischen Strom aus einer Stromleitung (16) zum Versorgen des Schienenfahrzeugs mit Strom entnimmt und über eine Schiene (14) ableitet, mit den Schritten: (a) Erfassen einer elektrischen Größe, die den elektrischen Strom charakterisiert, der aus der Stromleitung (16) durch das Schienenfahrzeug (10) in die Schiene (14) fließt, und (b) aus der elektrischen Größe (U) Ermitteln der Position des Schienenfahrzeugs (10), dadurch gekennzeichnet, dass (c) die elektrische Größe eine Momentanspannung (U) ist und (d) aus der Momentanspannung (U) ein Momentanwiderstands (R_SL) der Stromleitung (16) errechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ein zeitlicher Verlauf des Momentanwiderstand (R_SL(t)) erfasst wird, – eine Anzahl an Zyklen erfasst wird, während denen der Momentanwiderstand (R_SL(t)) zuerst ansteigt und anschließend abfällt, und – die Position des Schienenfahrzeugs (10) aus der Anzahl an Zyklen ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Zyklen dadurch erfasst wird, dass der zeitliche Verlauf mit einer Parameter aufweisenden Funktion, insbesondere einer zyklischen Dreiecksfunktion, angepasst wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl an Zyklen aus einer Anzahl an Stromeinspeisestellen ab einem Startpunkt des Schienenfahrzeugs (10) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Schienenfahrzeugs (10) aus der Momentanspannung (U), einem bekannten spezifischen elektrischen Widerstand (σ_SL) der Stromleitung (16) und einer bekannten Netzspannung (U_Netz) ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in dem Schienenfahrzeug (10) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Schritte: – Messen der Momentanspannung (U(t)) und/oder des Momentanstroms (I(t)) in einer Vielzahl von Einspeiseabschnitten (22) der Stromleitung (16) und – Ermitteln der Position des Schienenfahrzeugs (10) durch Identifizieren des Einspeiseabschnitts (22), in dem die Momentanspannung (U(t)) und/oder der Momentanstrom (I(t)) am stärksten von einer vorgegebenen Netzspannung (U_Netz) bzw. einem vorgegebenen Nullstrom abweicht.
8. Schienenfahrzeug (10) mit (a) einem Stromabnehmer (12) zum Abnehmen von Strom aus einer Stromleitung (16), (b) einer elektrischen Steuerung und (c) Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer elektrischen Größe, die den elektrischen Strom charakterisiert, der aus der Stromleitung (16) durch das Schienenfahrzeug (10) in eine Schiene (14) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Steuerung eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
9. Schienenverkehrssystem mit einer Stromleitung (16) zum Versorgen eines Schienenfahrzeugs (10) mit Strom, wobei die Stromleitung (16) (a) mehrere Stromeinspeisestellen (20.1, 20.2, 20.3, ...) umfasst, (b) die jeweilige Einspeiseabschnitte (22) der Stromleitung (16) begrenzen, gekennzeichnet durch – eine Vorrichtung zum Erfassen der Momentanspannung (U(t)) und/oder des Momentanstroms (I(t)) in allen Einspeiseabschnitten (22) und – eine Stromleitungssteuerung, die eingerichtet ist zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7.

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