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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer
Eigenschaft wenigstens eines Lageparameters, insbesondere einer
Lageparameterstörung, eines Fahrweges für ein
Fahrzeug, bei dem an einem auf einem Streckenabschnitt des Fahrwegs
fahrenden Fahrzeug Erfassungswerte wenigstens einer durch den Lageparameter
beeinflussten Erfassungsgröße erfasst werden und
aus den Erfassungswerten der wenigstens eine Lageparameter für
den Streckenabschnitt ermittelt wird. Die vorliegende Erfindung
betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs sowie
ein Fahrzeug zur Durchführung der erfindungsgemäßen
Verfahren.
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Bei
Fahrzeugen, insbesondere bei Schienenfahrzeugen, hängt
die dynamische Belastung der Fahrzeugkomponenten (speziell natürlich
der Fahrwerkskomponenten) im Betrieb stark von dem Zustand der befahrenen
Fahrstrecke ab. Dieser Zustand der Fahrstrecke wird unter anderem
durch so genannte Lageparameter repräsentiert, die im Falle eines
Schienenfahrzeugs in der Regel unter dem Begriff der Gleislage subsumiert
werden. Die Gleislage bezeichnet dabei der Regel die Lage eines
Eisenbahngleises in horizontaler und/oder vertikaler Richtung sowie
gegebenenfalls die gegenseitige Höhenlage beider Schienen
des Gleises.
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Je
geringer die Abweichung eines Gleises von seiner Soll-Gleislage
ist, je geringer also die Gleislagefehler sind, desto höher
ist die Qualität des Gleises und desto geringer sind die
aus solchen Gleislagefehlern resultierenden dynamischen Belastungen
des Fahrzeugs. Mit der fortschreitenden wirtschaftlichen Trennung
zwischen den Betreibern der Infrastruktur (Schienennetz etc.) und
den Betreibern der darauf eingesetzten Fahrzeuge gewinnt der Zustand
der Gleise immer größere wirtschaftliche Bedeutung.
Insbesondere wird sich der seitens der Infrastrukturbetreiber erzielbare
Trassenpreis (also die Gebühr für die Nutzung
der Infrastruktur) stärker an der Qualität der
Trasse orientieren, sodass verlässliche Informationen über
den Zustand des Gleises immer mehr an Bedeutung gewinnen.
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Bisher
wird die Gleislage eines bestimmten Streckenabschnitts aufwändig
mit so genannten Messfahrzeugen ermittelt, welche über
eine entsprechende aufwändige Sensorik unmittelbar die
Eigenschaften der Lageparameter des Gleises erfassen, speichern
und gegebenenfalls in Form geeigneter Datensätze zur Verfügung
stellen. Problematisch hierbei ist, dass die Messfahrzeuge zum einen
(in der Anschaffung und im Einsatz) vergleichsweise teuer sind und
zum anderen (wegen der geringen realisierbaren Fahrgeschwindigkeiten
während der Messfahrt) nur zu bestimmten Zeiten mit einer
geringen Auslastung der Fahrstrecke (beispielsweise nachts, an Wochenenden
etc.) eingesetzt werden können, um den regulären
Verkehr auf dieser Strecke nicht zu beeinträchtigen. Gerade
bei stark befahrenen Streckenabschnitten, auf denen eine schnelle
Verschlechterung des Gleiszustands zu erwarten ist, führt
dies zu unzureichend langen Intervallen zwischen den Messfahrten.
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Aus
dem Artikel Charles, G. A., Goodall, R. M. Dixon, R.: "Wheel-Rail
Profile Estimation", (Proceedings of IET International
Conference an Railway Condition Monitoring, The IET International
Conference an Railway Condition Monitoring 2006, Birmingham, November
2006, pp 32–37, ISBN 0 86341 732 9) ist es bekannt, über
entsprechende Sensoren am Fahrzeug und entsprechende Berechnungsalgorithmen
(insbesondere einen aus der Regelungstechnik bekannten so genannten
Beobachteralgorithmus in Form eines so genannten Kalman-Filters)
Rückschlüsse auf den tatsächlichen Zustand
der aktuellen Rad-Schiene-Paarung, insbesondere die effektive Konizität
der Rad-Schiene-Paarung, zu ziehen. Hierbei werden allerdings nur
Erkenntnisse über den aktuellen Zustand der Rad-Schiene-Paarung
gewonnen, die maßgeblich auch von dem Zustand des verwendeten
Rades beeinflusst sind. Eine isolierte Betrachtung der Schiene,
welche Aufschlüsse über den aktuellen Zustand
des Gleises geben könnte, erfolgt jedoch nicht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren
sowie ein Fahrzeug eingangs genannten Art zur Verfügung
zu stellen, welches die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest
in geringerem Maße aufweist und insbesondere auf einfache
und kostengünstige Weise eine Erfassung und Nutzung der
Eigenschaften der Lageparameter eines Streckenabschnitts ermöglicht.
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Die
vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von
einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass
man eine einfache und kostengünstige Erfassung und Nutzung
der Eigenschaften der Lageparameter eines Streckenabschnitts ermöglicht,
wenn man hierzu einen aus dem Bereich der Regelungstechnik hinlänglich
bekannten Beobachteralgorithmus verwendet, der in Abhängigkeit
von einem aktuellen Erfassungswert einen zugehörigen aktuellen
Schätzwert wenigstens einer Zustandsgröße
des Fahrzeugs ausgibt, welche durch den Lageparameter beeinflusst
ist, und dann in Abhängigkeit von den Modelldaten eines
zuvor ermittelten Fahrzeugmodells des Fahrzeugs den aktuellen Wert
des Lageparameters ermittelt. Bei dem Fahrzeugmodell kann es sich
um ein beliebiges geeignetes mathematisches Modell handeln, welches
den Zusammenhang zwischen dem Lageparameter und der wenigstens einen
Zustandsgröße repräsentiert. Derartige
Modelle sind aus dem Bereich der Fahrdynamik hinlänglich
bekannt.
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Mit
dem vorliegenden Verfahren ist es unter anderem möglich,
anhand der Erfassungswerte gegebenenfalls ohnehin am Fahrzeug vorhandener
Erfassungseinrichtungen (beispielsweise der Messwerte am Fahrzeug
vorhandener Sensoren) ausreichend zuverlässige Rückschlüsse
auf den bzw. die gewünschten Lageparameter, mithin also
den aktuellen Zustand des befahrenen Streckenabschnitts zu ziehen.
Durch eine geeignete Modellierung des Fahrzeugs (also eine geeignete
Wahl des Fahrzeugmodells) und eine geeignete Gestaltung des Beobachteralgorithmus
ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, aus Erfassungsgrößen,
die aus sich heraus keine unmittelbaren Rückschlüsse
auf den Lageparameter zulassen, dennoch schnell und mit ausreichender
Genauigkeit derartige Rückschlüsse zu ziehen.
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Insbesondere
ist es möglich, die Ermittlung der Eigenschaften des Lageparameters
in Echtzeit während der Fahrt des Fahrzeugs auf dem Streckenabschnitt
durchzuführen. Ein weiterer Aspekt im Zusammenhang mit
einer solchen Echtzeitermittlung des Zustands des aktuellen befahrenen
Gleises liegt in der Möglichkeit einer von diesem Zustand
abhängigen Steuerung des Fahrzeugs. Insbesondere bei Schienenfahrzeugen
können nachlaufende Fahrwerke unter Verwendung der (beispielsweise
an einem vorlaufenden Fahrwerk gewonnenen) Informationen über
den Lageparameter, also den Zustand des Fahrwegs, aktiv beeinflusst
werden, beispielsweise um einen besonders ruhigen Fahrzeuglauf und/oder
ein gewünschtes, gegebenenfalls optimiertes Verschleißverhalten
der Fahrzeugkomponenten, insbesondere der Fahrwerkskomponenten zu
erzielen.
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Bei
den Eigenschaften des betreffenden Lageparameters kann es sich sowohl
um den aktuellen (gegebenenfalls absoluten) Wert des Lageparameters
handeln. Ebenso kann es sich zusätzlich oder alternativ
auch um eine Abweichung des Lageparameters von einem vorgegebenen
Soll-Wert, mithin also um eine Lageparameterstörung bzw.
einen Lageparameterfehler handeln.
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Verfahren zum
Bestimmen einer Eigenschaft wenigstens eines Lageparameters, insbesondere
einer Lageparameterstörung, eines Fahrweges für
ein Fahrzeug, bei dem an einem auf einem Streckenabschnitt des Fahrwegs
fahrenden Fahrzeug Erfassungswerte wenigstens einer durch den Lageparameter
beeinflussten Erfassungsgröße erfasst werden und
aus den Erfassungswerten der wenigstens eine Lageparameter für
den Streckenabschnitt ermittelt wird. Der wenigstens eine Lageparameter
wird für den Streckenabschnitt unter Verwendung eines Beobachteralgorithmus
ermittelt, wobei der Beobachteralgorithmus dazu ausgebildet ist,
in Abhängigkeit von einem aktuellen Erfassungswert einen
zugehörigen aktuellen Schätzwert wenigstens einer
Zustandsgröße des Fahrzeugs auszugeben, welche
durch den Lageparameter beeinflusst ist. In Abhängigkeit
von den Modelldaten eines zuvor ermittelten Fahrzeugmodells des
Fahrzeugs wird der aktuelle Wert des Lageparameters ermittelt, wobei
das Fahrzeugmodell den Zusammenhang zwischen dem Lageparameter und
der wenigstens einen Zustandsgröße repräsentiert.
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Wie
bereits erwähnt, kann für das Fahrzeugmodell ein
beliebiges geeignetes mathematisches Modell verwendet werden, welches
die unterschiedlichen Körper des Fahrzeugs und deren Kopplung
repräsentiert. Bevorzugt wurde das Fahrzeugmodell unter
Verwendung eines, insbesondere nicht linearen, dynamischen Mehrkörpermodells
ermittelt. Derartige Mehrkörpermodelle sind hinlänglich
aus dem Bereich der Fahrdynamik bekannt und werden häufig zur
Vorausbestimmung der Fahrsicherheit und Laufgüte von Fahrzeugen
verwendet.
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Bei
diesen (gelegentlich auch als dynamische Mehrkörpersysteme
bezeichneten) Modellen handelt es sich in der Regel um nicht lineare
Modelle. Um die durchzuführenden Berechnungen (insbesondere
im Hinblick auf eine Echtzeitermittlung des Lageparameters) zu vereinfachen,
wird das Modell durch ein (hinlänglich bekanntes) geeignetes
Vorgehen linearisiert, sodass ein lineares Zustandsraummodell als
Fahrzeugmodell gewonnen wird. Die Eingänge des Fahrzeugmodells
bilden dann die zu ermittelnden Eigenschaften des bzw. der gewünschten Lageparameter
(bei einem Schienenfahrzeug beispielsweise die Gleislage bzw. die
Gleislagestörung), während die Ausgänge
die betreffende Erfassungsgröße bzw. Erfassungsgrößen
repräsentieren. Als Zustände des modellierten
Systems werden dann beispielsweise die Position oder die Geschwindigkeit bestimmter
interessierender Fahrzeugkomponenten (bei einem Schienenfahrzeug
beispielsweise der Räder oder Radsätze, des Fahrwerksrahmens
und anderer Fahrzeugkomponenten wie dem Wagenkasten etc.) bezeichnet.
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Das
vorliegende erfindungsgemäße Verfahren lässt
sich grundsätzlich mit einer beliebig aufwändigen
bzw. komplexen Modellierung des Fahrzeugs durchführen.
Insbesondere können für die Bewegung einer Fahrzeugkomponente
jeweils ein oder mehrere Freiheitsgrade bis hin zu allen sechs möglichen
Freiheitsgraden (Translation in und Rotation um alle drei Raumrichtungen)
berücksichtigt werden. Um den Berechnungsaufwand jedoch
zu reduzieren, ist vorzugsweise vorgesehen, dass für das
Fahrzeugmodell nur diejenigen Freiheitsgrade der Komponenten des
Mehrkörpersystems berücksichtigt werden, welche
einen primären Einfluss auf die Erfassungsgröße haben
und/oder welche primär durch den Lageparameter beeinflusst
werden.
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Es
hat sich gezeigt, dass hinreichend präzise Ergebnisse erzielt
werden können, wenn Bewegungen in Freiheitsgraden vernachlässigt
werden, die lediglich einen geringen Einfluss auf die interessierende
Erfassungsgröße bzw. den interessierenden Lageparameter
haben. Handelt es sich beispielsweise bei der interessierenden Erfassungsgröße
um die axiale Längenänderung einer Feder, so können
Bewegungen in Freiheitsgraden unberücksichtigt bleiben,
welche lediglich eine Auslenkung der Feder quer zu ihrer Federachse
bewirken. Diese Bewegungen können zwar ebenfalls eine gewisse
axiale Längenänderung mit sich bringen, deren
Beitrag jedoch in der Regel vernachlässigbar ist.
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Der
Beobachteralgorithmus kann grundsätzlich auch beliebige
geeignete Weise generiert worden sein. Vorzugsweise wurde der Beobachteralgorithmus
unter Verwendung des Fahrzeugmodells ermittelt, da hiermit auf besonders
einfachem Wege ausreichend präzise Ergebnisse erzielt werden
können. Je nach Art und Gestaltung des Beobachteralgorithmus
sowie je nach Art der ermittelnden Eigenschaft des Lageparameters
kann lediglich das Fahrzeugmodell in die Ermittlung des Beobachteralgorithmus
einbezogen worden sein.
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Bei
vorteilhaften Varianten der Erfindung erfolgt bereits bei der Ermittlung
des Beobachteralgorithmus eine Berücksichtigung der Eigenschaften
des zu ermittelnden Lageparameters sowie des Beobachteralgorithmus.
Sind beispielsweise Lageparameterstörungen zu ermitteln,
deren Art nicht mit der Art der typischerweise über den
Beobachteralgorithmus erfassten Störung übereinstimmt,
so wird vorzugsweise über das bei der Ermittlung des Beobachteralgorithmus
verwendete Fahrzeugmodell eine Anpassung vorgenommen. Bei bevorzugten
Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
daher vorgesehen, dass eine Lageparameterstörung ermittelt
wird, wobei das Fahrzeugmodell durch Linearisierung des Mehrkörpersystems
ermittelt wurde und zur Berücksichtigung des realen Rauschverhaltens
der Lageparameterstörung bei der Ermittlung des Beobachteralgorithmus
an wenigstens einem Eingang des Fahrzeugmodells ein geeigneter Formfilter
verwendet wurde. Derartige Formfilter sind in der Fahrzeugtechnik
hinlänglich bekannt (siehe beispielsweise Laun, R.:
Aktive Schwingungsdämpfung durch Adhäsionsregelung
auf Basis eines Zustandsreglers; Fachhochschule Offenburg, DE, 1996).
Für ein Schienenfahrzeug können die entsprechenden
Parameter solcher Formfilter beispielsweise der Publikation "ORE Frage
B 176 – Drehgestelle mit radial einstellbaren Radsätzen" (Eisenbahntechnische
Publikationen – ETF, Paris, FR) zu entnehmen sind.
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Für
den Beobachteralgorithmus können beliebige geeignete mathematische
Algorithmen verwendet werden. Beispielsweise kann es sich um einen
so genannten Luenberg-Beobachter handeln, wie er aus der Publikation: Geering,
Hans Peter, Regelungstechnik (5., überarb. u. erw. Aufl.;
Springer Verlag, Berlin, 2001, ISBN 3-540-41264-6) bekannt ist.
Besonders gut eignet sich im vorliegenden Fall als Beobachteralgorithmus
ein Kalman-Filter, da diese bevorzugt dann eingesetzt werden, wenn
die Eingangsgrößen des Systems und/oder die Messgrößen durch
stochastische Größen („Rauschen”)
verfälscht sind. Die erfindungsgemäße
Lösung macht sich diesen Vorteil dadurch zunutze, dass
die Gleislagestörung als das die Eingangsgrößen
verfälschende Rauschen aufgefasst wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann erst nach dem
Durchfahren des Streckenabschnitts unter Verwendung der dabei aufgenommenen
Werte der betreffenden Erfassungsgröße angewandt
werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass es während
der Fahrt des Fahrzeugs auf dem Streckenabschnitt, insbesondere
in Echtzeit, durchgeführt wird.
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Die
Erfassung der Erfassungsgrößen) kann grundsätzlich
an beliebige geeignete Stelle im bzw. am Fahrzeug erfolgen. Vorzugsweise
wird die Erfassungsgröße jedoch an einem Fahrwerk
des Fahrzeugs ermittelt, insbesondere gemessen, da hiermit besonders
gute Ergebnisse bei der Ermittlung der Eigenschaften des Lageparameters
möglich sind.
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Grundsätzlich
können beliebige Erfassungsgrößen erfasst
werden, welche über eine in dem verwendeten Fahrzeugmodell
manifestierte Kopplung einen Rückschluss auf die Eigenschaften
des Lageparameters zu lassen. Vorzugsweise wird als Erfassungsgröße
ein Federweg wenigstens einer an einem Rad des Fahrwerks abgestützten
Federeinheit ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass entsprechende Sensoren
häufig ohnehin in derartigen Fahrwerken (meist für
andere Zwecke) vorgesehen sind und in der Regel auf einfache Weise
zuverlässige Messwerte liefern, welche sich problemlos
weiterverarbeiten lassen.
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Wie
bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße
Verfahren grundsätzlich für beliebige Fahrzeuge
zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft lässt es sich
im Zusammenhang mit Schienenfahrzeugen einsetzen, sodass vorzugsweise
vorgesehen ist, dass das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug ist und eine
Eigenschaft der Gleislage als Lageparameter, insbesondere eine Gleislagestörung,
ermittelt wird.
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Auch
hier kann grundsätzlich eine beliebige geeignete Modellierung
des Schienenfahrzeugs gewählt werden. Vorzugsweise wurde
das Fahrzeugmodell auf der Basis einer Anordnung mit zwei Radsätzen,
einem auf den Radsätzen abgestützten Fahrwerksrahmen
und einem auf dem Fahrwerksrahmen abgestützten Wagenkasten
ermittelt, da sich hiermit besonders gute Ergebnisse erzielen lassen.
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Es
hat sich gezeigt, für die Komponenten des Modells grundsätzlich
beliebig viele Freiheitsgrade berücksichtigt werden können.
Wie bereits erwähnt, werden für die Ermittlung
der Gleislage vorzugsweise jedoch nur diejenigen Freiheitsgrade
berücksichtigt, welche durch die Gleislage primär
beeinflusst werden. Bevorzugt werden daher für das Fahrzeugmodell
als Freiheitsgrade der beiden Radsätze eine Translation
in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs und eine Rotation um die
Längsachse des Fahrzeugs berücksichtigt und als
Freiheitsgrade des Fahrwerksrahmens und des Wagenkastens eine Translation
in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs, eine Rotation um die Längsachse
des Fahrzeugs und eine Rotation um die Querachse des Fahrzeugs berücksichtigt.
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Bei
bevorzugten Varianten mit noch weiter reduzierten Berechnungsaufwand
erfolgt eine Berücksichtigung der geometrischen Zusammenhänge der
Komponenten des Fahrzeugs. So kann beispielsweise der Tatsache Rechnung
getragen werden, dass die auf einen nachlaufenden Radsatz einwirkenden
Gleislagestörungen nur durch eine der Fahrgeschwindigkeit
entsprechende zeitliche Verschiebung von denen am ersten Radsatz
verschieden sind. Das kann dadurch geschehen, dass im linearisierten
Modell entsprechende Verzögerungsglieder an den Eingängen
des zweiten Radsatzes eingefügt werden. Bei vorteilhaften
Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
demgemäß vorgesehen, dass bei dem Fahrzeugmodell
die von der Fahrgeschwindigkeit abhängige zeitliche Verzögerung
der Auswirkung eines Lageparameters zwischen dem vorlaufenden Radsatz
und dem nachlaufenden Radsatz, insbesondere über ein fahrgeschwindigkeitsabhängiges
Verzögerungsglied, berücksichtigt wird.
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Einen
wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung des Verfahrens hat unter
anderem die Modellierung des Rad-Schiene-Kontakts. Bei bestimmten
Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
für das Fahrzeugmodell der Rad-Schiene-Kontakt über eine
Feder-Dämpfer-Anordnung berücksichtigt, wobei
insbesondere eine hohe Steifigkeit der Feder-Dämpfer-Anordnung
in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs angenommen wird. In diesem
Fall wird bevorzugt als Beobachteralgorithmus ein adaptiver so genannter
erweiterter Kalman-Filter verwendet, da hiermit eine besonders einfache
Ermittlung des Lageparameters möglich ist. Insbesondere
ist es möglich, in guter Näherung als Lageparameter
die durch den Kalman-Filter gelieferte entsprechende Verschiebung
des betreffenden Radsatzes zu verwenden, da sich diese Schätzung
als ausreichend präzise erwiesen hat. Demgemäß ist
bei bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen
Verfahrens der Beobachteralgorithmus derart ausgebildet, dass ein aktueller
Schätzwert wenigstens einer Zustandsgröße
des Fahrzeugs als aktueller Wert des Lageparameters verwendet wird.
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Bei
anderen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird für das Fahrzeugmodell der Rad-Schiene-Kontakt als
unendlich steif angenommen. In diesem Fall ist eine unmittelbare
Verwendung der durch den Beobachteralgorithmus gelieferten Schätzwerte
für die gewünschte Eigenschaft des Lageparameters
nicht ohne weiteres möglich und es wird vorzugsweise unter
Verwendung eines aktuellen Schätzwerts anhand der Modelldaten
des Fahrzeugmodells der zugehörige aktuelle Wert des Lageparameters
ermittelt.
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Die
erfassten Werte des wenigstens einen Lageparameters können
grundsätzlich nur aktuell im Fahrzeug verwendet werden.
Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass der wenigstens eine Lageparameter
für den durchfahrenen Streckenabschnitt protokolliert wird,
um ihn einer späteren Verwendung zugänglich zu
machen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern
eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, bei dem mit
einem erfindungsgemäßen Verfahren an einem vorlaufenden
Fahrwerk des Fahrzeugs wenigstens eine Eigenschaft eines Lageparameters
eines aktuell durchfahrenen Streckenabschnitts ermittelt wird und
ein nachlaufendes Fahrwerk des Fahrzeugs unter Verwendung der ermittelten
Eigenschaft des Lageparameters gesteuert wird. Hiermit können
die oben bereits beschriebenen Vorteile bei der Steuerung eines Fahrzeugs
realisiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft schließlich ein Fahrzeug,
insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einer Verarbeitungseinheit,
die zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ausgebildet ist, und einer Erfassungseinheit, die zur
Erfassung der Erfassungswerte ausgebildet ist. Mit diesem Fahrzeug
lassen sich die oben im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen
Verfahren beschriebenen Vorteile und Varianten in demselben Maße
realisieren, sodass die lediglich auf die obigen Ausführungen verwiesen
werden soll.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
bzw. der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele,
welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Fahrzeugs;
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2 ein
Ablaufdiagramm einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens, welche mit dem Fahrzeug aus 1 ausgeführt
werden kann;
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3 ein
Schema, welches den Signalfluss bei der Durchführung des
Verfahrens aus 2 verdeutlicht.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Fahrzeugs in Form eines Schienenfahrzeugs 101 beschrieben.
Zum einfacheren Verständnis der nachfolgenden Erläuterungen
ist in den 1 und 2 ein Koordinatensystem
angegeben, in dem die x-Koordinate die Längsrichtung des
Schienenfahrzeugs 101, die y-Koordinate die Querrichtung
des Schienenfahrzeugs 101 und die z-Koordinate die Höhenrichtung
des Schienenfahrzeugs 101 bezeichnen.
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Die 1 zeigt
eine schematische Seitenansicht eines Teils des Fahrzeugs 101,
welches eine Fahrzeuglängsachse 101.1 aufweist.
Das Fahrzeug 101 umfasst einen Wagenkasten 102,
der im Bereich einer beiden Enden jeweils auf einem Fahrwerk in Form
eines Drehgestells 103 bzw. 104 abgestützt
ist. Die Drehgestelle 103 und 104 sind ihrerseits
auf einem Gleis 105 abgestützt.
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Das
in Fahrtrichtung vorlaufenden Drehgestell 103 umfasst zwei
Radsätze 106 und 107, auf deren beiden
Radlagern über jeweils eine Primärfederung 108 ein
Drehgestellrahmen 109 abgestützt ist. Der Wagenkasten 102 ist
wiederum über eine Sekundärfederung 110 auf
dem Drehgestellrahmen 109 abgestützt.
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Jeder
der vier Primärfederungen 108 ist als Erfassungseinrichtung
ein Sensor 111 zugeordnet, der die Längenänderung
der Primärfederung 108 in Axialrichtung (hier:
z-Richtung) der Primärfederung 108 misst.
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Die
Messsignale der vier Sensoren 111 werden einer zentralen
Verarbeitungseinheit 112 zugeführt, und in dieser
in der nachfolgend beschriebenen Weise gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet, um die
Gleislagestörungen des Gleises 105 zu ermitteln.
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Hierbei
wird zunächst in einem Schritt 113.1 während
der Fahrt des Fahrzeugs 101 auf einem vorgegebenen, zu
untersuchenden Streckenabschnitt des Gleises 105 der Ablauf
des Verfahrens gestartet. In einem Schritt 113.2 werden
dann die aktuellen Messwerte der vier Sensoren 111 erfasst
und an die Verarbeitungseinheit 112 weitergeleitet. In
einem Schritt 113.3 werden dann in der Verarbeitungseinheit 112 als
Gleislagestörungen die Abweichungen des Gleises 105 an
dem jeweiligen Radaufstandspunkt der Räder der Radsätze 106 und 107 von
einer Soll-Gleislage in der z-Richtung ermittelt und in einem Speicher
der Verarbeitungseinheit 112 zur Protokollierung (und gegebenenfalls
späteren Weiterverarbeitung) gespeichert. In einem Schritt 113.4 wird dann überprüft,
ob eine weitere Ermittlung der Gleislagestörungen durchgeführt
werden soll. Ist dies der Fall, wird zu dem Schritt 113.2 zurück
gesprungen. Andernfalls wird der Verfahrensablauf in einem Schritt 113.5 beendet.
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Die 3 zeigt
den Signalfluss bei der Abarbeitung des Verfahrens aus 2.
Wie der 3 zu entnehmen ist, wird das
auf dem Gleis 105 fahrende Fahrzeug 101 mit der
realen Gleislage als Eingangsgröße beaufschlagt,
wobei sich die reale Gleislage aus der Soll-Gleislage und den überlagerten
Gleislagestörungen zusammensetzt. Als Ausgangsgröße liefern
die Sensoren 111 am Fahrzeug 101 jeweils ein Messsignal,
welches mit dem Rauschen der Sensoren überlagert ihnen
die Verarbeitungseinheit 112 eingespeist wird.
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Zur
Ermittlung der Gleislagestörungen verwendet die Verarbeitungseinheit 112 einen
zuvor ermittelten und in den Speicher der Verarbeitungseinheit 112 abgelegten
Beobachtungsalgorithmus in Form eines erweiterten Kalman-Filters,
wie er aus dem Bereich der Regelungstechnik hinlänglich
bekannt ist.
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Der
Kalman-Filter wurde dabei zuvor anhand eines Fahrzeugmodells in
Form eines mathematischen Modells des Fahrzeugs 101 ermittelt.
Das Fahrzeugmodell wurde dabei unter Verwendung eines nicht linearen,
dynamischen Mehrkörpermodells ermittelt, wie sie hinlänglich
aus dem Bereich der Fahrdynamik bekannt sind und häufig
zur Vorausbestimmung der Fahrsicherheit und Laufgüte von
Fahrzeugen verwendet.
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Das
Mehrkörpermodell wurde zur Vereinfachung der durch die
Verarbeitungseinheit 112 durchzuführenden Berechnungen
(insbesondere im Hinblick auf eine Echtzeitermittlung der Gleislagestörungen)
durch ein (ebenfalls hinlänglich bekanntes) geeignetes
Vorgehen linearisiert, sodass ein lineares Zustandsraummodell als
Fahrzeugmodell gewonnen wurde.
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Im
vorliegenden Beispiel wurde das Fahrzeugmodell auf der Basis einer
Mehrkörperanordnung mit den beiden Radsätzen 106, 107,
dem auf den Radsätzen 106, 107 abgestützten
Drehgestellrahmen 109 und dem auf dem Drehgestellrahmen 109 abgestützten
Wagenkasten 102 ermittelt (der in dem Modell vereinfachend
als Punktmasse modelliert wird).
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Wie
bereits erwähnt wurde, eignet sich für das erfindungsgemäße
Verfahren grundsätzlich eine beliebig aufwändige
bzw. komplexe Modellierung des Fahrzeugs 101. Um den Berechnungsaufwand
für die Verarbeitungseinheit 112 jedoch zu reduzieren, werden
im vorliegenden Beispiel für das Fahrzeugmodell nur diejenigen
Freiheitsgrade der obigen Komponenten 106, 107, 109 und 102 des
Mehrkörpersystems berücksichtigt, welche einen
primären Einfluss auf den Federweg (also die Erfassungsgröße)
haben und/oder welche primär durch die Gleislagestörungen
(also die zu ermittelnde Eigenschaft des Lageparameters) beeinflusst
werden.
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Im
vorliegenden Beispiel werden daher für das Fahrzeugmodell
als Freiheitsgrade der beiden Radsätze 106, 107 eine
Translation in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs 101 (z-Richtung)
und eine Rotation um die Längsachse des Fahrzeugs (x-Richtung)
berücksichtigt und als Freiheitsgrade des Fahrwerksrahmens 109 und
des Wagenkastens 102 eine Translation in Richtung der Hochachse
des Fahrzeugs (z-Richtung), eine Rotation um die Längsachse
des Fahrzeugs (x-Richtung) und eine Rotation um die Querachse des
Fahrzeugs (y-Richtung) berücksichtigt.
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Einen
wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung des Verfahrens hat unter
anderem die Modellierung des Rad-Schiene-Kontakts. Im vorliegenden Beispiel
wird für das Fahrzeugmodell der Rad-Schiene-Kontakt weiterhin über
eine Feder-Dämpfer-Anordnung berücksichtigt, wobei
eine hohe Steifigkeit der Feder-Dämpfer-Anordnung in Richtung
der Hochachse des Fahrzeugs (z-Achse) angenommen wird.
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Bei
der Ermittlung des Kalman-Filters aus diesem Fahrzeugmodell erfolgt
weiterhin eine Berücksichtigung der Eigenschaften des Kalman-Filters.
So ist der Kalman-Filter in der Regel für die Verarbeitung
von Signalen geeignet, die einen so genannten weißen Rauschen
unterliegen. In der Regel entsprechende Gleislagestörungen
des Gleises 105 gegebenenfalls nicht hinreichend genau
einem solchen weißen Rauschen, sodass im vorliegenden Beispiel
zur Berücksichtigung des zu erwartenden realen Rauschverhaltens
der Gleislagestörungen bei der Ermittlung des Beobachteralgorithmus
an wenigstens einem Eingang des Fahrzeugmodells ein geeigneter Formfilter
verwendet wird, wie dies vorstehend bereits beschrieben wurde. Es
versteht sich jedoch, was eine Verwendung solcher Formfilter bei
anderen Varianten der Erfindung gegebenenfalls auch entfallen kann.
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Der
auf diese Weise modellierte Kalman-Filter liefert als Ausgang einen
Zustandsvektor, der neben einer erneuten Abschätzung der
Federwege als diskrete Zustände des Fahrzeugmodells eine
hinreichend genaue Abschätzung der Position und der Geschwindigkeit
der modellierten Komponenten des Fahrzeugs 101 in den berücksichtigten
Freiheitsgraden wiedergibt. Im vorliegenden Fall sind dies also
20 diskrete Zustände, nämlich für die
beiden Radsätze 106, 107 der Betrag und
die Geschwindigkeit der Translation in Richtung der Hochachse des
Fahrzeugs 101 (z-Richtung) und der Betrag und die Geschwindigkeit
der Rotation um die Längsachse des Fahrzeugs (x-Richtung)
sowie für die den Fahrwerksrahmen 109 und den
Wagenkasten 102 jeweils der Betrag und die Geschwindigkeit
der Translation in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs (z-Richtung),
der Betrag und die Geschwindigkeit der Rotation um die Längsachse
des Fahrzeugs (x-Richtung) und der Betrag und die Geschwindigkeit
der Rotation um die Querachse des Fahrzeugs (y-Richtung).
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Im
vorliegenden Beispiel wird der Berechnungsaufwand für die
Verarbeitungseinheit 112 noch weiter reduziert, indem bei
nachfolgenden Wiederholungen der Schritte 113.2 und 113.3 eine
Berücksichtigung der geometrischen Zusammenhänge
der Komponenten des Fahrzeugs 101 erfolgt, indem berücksichtigt
wird, dass die auf den nachlaufenden Radsatz 107 einwirkenden
Gleislagestörungen nur durch eine der Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeugs 101 entsprechende zeitliche Verschiebung
von denen am vorlaufenden Radsatz 106 verschieden sind. Diese
Berücksichtigung erfolgt im vorliegenden Beispiel dadurch,
dass im linearisierten Modell entsprechende fahrgeschwindigkeitsabhängige
Verzögerungsglieder an den Eingängen des modellierten zweiten
Radsatzes 107 eingefügt werden.
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Wegen
der oben beschriebenen Modellierung des Rad-Schiene-Kontakts als
Feder-Dämpfer-Anordnung mit einer endlichen Steifigkeit
wird im vorliegenden Fall ein adaptiver so genannter erweiterter
Kalman-Filter verwendet, da hiermit eine besonders einfache Ermittlung
der Gleislagestörungen möglich ist. So ist es
im vorliegenden Beispiel in guter Näherung möglich,
als Wert für die reale Gleislage die durch den Kalman-Filter
gelieferten Werte für die entsprechende Verschiebung des
betreffenden Radsatzes zu verwenden, da sich diese Schätzung
als ausreichend präzise erwiesen hat. Um die Gleislagestörungen
zu ermitteln, kann dann eine (zuvor für den Streckenabschnitt
ermittelte) Soll-Gleislage am Ort der aktuellen Messung verwendet
werden, wie in 3 durch die gestrichelte Kontur 114 angedeutet ist,
sodass gegebenenfalls bereits der ausgegebene Zustandsvektor die
Gleislagestörungen repräsentiert.
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Die
Verarbeitungseinheit 112 führt die Ermittlung
der Gleislagestörungen während der Fahrt des Fahrzeugs 101 auf
dem Gleis in Echtzeit durch und nutzt die so gewonnenen Informationen über
die Gleislagestörungen zur Ansteuerung des nachlaufenden
Fahrwerks 104, indem sie entsprechende Steuerbefehle an
die entsprechenden Betätigungseinrichtungen 104.1 des
Fahrwerks 104 übermittelt. Es versteht sich jedoch,
dass bei anderen Varianten der Erfindung auch nur eine entsprechende
Protokollierung der Gleislagestörungen erfolgen kann.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Im
Folgenden wird ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben,
welches mit dem Fahrzeug 101 durchgeführt werden
kann. Das Verfahren entspricht in seinem Ablauf und seiner Funktionsweise
grundsätzlich dem Verfahren aus 2, sodass
hier hauptsächlich auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Der
wesentliche Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel
besteht darin, dass für das Fahrzeugmodell der Rad-Schiene-Kontakt
als unendlich steif angenommen wird. In diesem Fall ist eine unmittelbare
Verwendung der durch den Kalman-Filter gelieferten Schätzwerte
des Zustandsvektors nicht unmittelbar für die Gleislagestörungen
verwendet werden können. Vielmehr wird in diesem Beispiel
vorzugsweise unter Verwendung eines aktuellen Schätzwerts
anhand der Modelldaten des Fahrzeugmodells (welches ja gerade den
Zusammenhang zwischen den durch den Zustandsvektor repräsentierten
Zuständen des Fahrzeugs und den Gleislagestörungen
wiedergibt) der zugehörige aktuelle Wert der Gleislagestörungen
ermittelt.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand
von Beispielen für ein Schienenfahrzeug beschrieben. Es
versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch im Zusammenhang mit
beliebigen anderen Fahrzeugen zur Anwendung kommen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Artikel Charles,
G. A., Goodall, R. M. Dixon, R.: ”Wheel-Rail Profile Estimation”,
(Proceedings of IET International Conference an Railway Condition
Monitoring, The IET International Conference an Railway Condition
Monitoring 2006, Birmingham, November 2006, pp 32–37, ISBN
0 86341 732 9) [0005]
- - Laun, R.: Aktive Schwingungsdämpfung durch Adhäsionsregelung
auf Basis eines Zustandsreglers; Fachhochschule Offenburg, DE, 1996 [0018]
- - ”ORE Frage B 176 – Drehgestelle mit radial
einstellbaren Radsätzen” (Eisenbahntechnische
Publikationen – ETF, Paris, FR) [0018]
- - Geering, Hans Peter, Regelungstechnik (5., überarb.
u. erw. Aufl.; Springer Verlag, Berlin, 2001, ISBN 3-540-41264-6) [0019]