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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalkulation einer Geschwindigkeitsempfehlung durch ein in einem Schienenfahrzeug, insbesondere in einem Triebzug oder einer Lokomotive eingebautes Fahrerassistenzsystem.
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Fahrerassistenzsysteme, die im Schienenverkehr eingesetzt werden, dienen unter anderem dazu, ein Schienenfahrzeug, insbesondere einen Triebzug oder eine Lokomotive mit gegebenenfalls an diese angehängten Personen – oder Güterwagen, auf eine möglichst energieeffiziente Weise über eine Fahrtstrecke zu bewegen. Die Schienenfahrzeuge fahren dabei auf abgeschlossenen Bahnstrecken anhand eines vordefinierten Fahrplanes unter Berücksichtigung weiterer bahnspezifischer Rahmenbedingungen wie beispielsweise Sicherungsvorrichtungen, mit denen ein Kollidieren von Schienenfahrzeugen wirksam verhindert wird und anhand von vorgegebenen Geschwindigkeitsbegrenzungen für Streckenabschnitte.
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Der Fahrplan und die weiteren bahnspezifischen Rahmenbedingungen legen generell den Betriebsmodus des Schienenfahrzeuges fest. Jedoch hat der Fahrer (Lokführer bzw. Triebfahrzeugführer) eine gewisse Freiheit, die Fahrgeschwindigkeit auf bestimmten Streckenabschnitten geeignet zu wählen. Die vom Fahrer gewählten Geschwindigkeiten auf den jeweiligen Streckenabschnitten beeinflussen dabei nachhaltig den Energieverbrauch sowie die Energiekosten des Schienenfahrzeugs.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kalkulation einer Geschwindigkeitsempfehlung durch ein in einem Schienenfahrzeug eingebautes Fahrerassistenzsystem bereitzustellen, welches in einfacher Weise in das Schienenfahrzeug zu integrieren ist und mit dem dem Fahrer des Schienenfahrzeugs eine Möglichkeit geboten wird, dass Schienenfahrzeug energieeffizient, sicher und pünktlich zum nächsten Haltepunkt der Fahrtstrecke zu leiten.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Kalkulation einer Geschwindigkeitsempfehlung durch ein in einem Schienenfahrzeug eingebautes Fahrerassistenzsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Fahrerassistenzsystem mit einer Steuereinheit und einem Datenspeicher ausgerüstet, in dem der Fahrplan und Streckeninformationen der zu befahrenen Strecke gespeichert werden sowie physikalische Eigenschaften des Schienenfahrzeugs und gegebenenfalls an dieses Schienenfahrzeug angehängte Wagen. Zur Steuerung der Geschwindigkeitsempfehlungsanzeige wird zunächst die Position des Schienenfahrzeugs und der aktuellen Uhrzeit durch einen am oder im Schienenfahrzeug installierten Empfänger eines globalen Navigationssatellitensystems erfasst. Aus diesen Daten wird die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs bestimmt. Die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs wird in einem weiteren Schritt mit einer vorausgerichteten Sollgeschwindigkeit für den aktuell befahrenen Streckenabschnitt verglichen und anschließend eine Geschwindigkeitsempfehlung für mindestens den nächstfolgenden Streckenabschnitt unter Berücksichtigung der im Datenspeicher gespeicherten Daten berechnet und auf der Geschwindigkeitsempfehlungsanzeige angezeigt. Die Sollgeschwindigkeit für die einzelnen Streckenabschnitte wird dabei dynamisch berechnet.
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Mit dem beschriebenen Verfahren ist eine minimale Anbindung des Fahrerassistenzsystems an die Elektronik des Schienenfahrzeugs möglich. Notwendig sind lediglich die Anbindung des Fahrerassistenzsystems an die Stromversorgung sowie die Antenne zur satellitengestützten Positionsbestimmung. Eine zusätzliche Schnittstelle zur Anbindung an die Zugsteuerung des Schienenfahrzeugs ist nicht notwendig. Die übrigen notwendigen Daten zur Berechnung einer Geschwindigkeitsempfehlung sind in dieser Variante im Datenspeicher der Steuereinheit des Fahrerassistenzsystems abgespeichert bzw. werden aus dem dynamischen Fahrverhalten abgeleitet. Zu diesen Daten gehören insbesondere die physikalischen Eigenschaften des Schienenfahrzeugs und der gegebenenfalls angehängten Wagen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei einer Abweichung der Istgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs von dem Geschwindigkeitssollwert bei Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes eine Neuberechnung des Geschwindigkeitsprofils für die verbleibende Fahrtstrecke basierend auf der aktuellen Position des Schienenfahrzeugs und der aktuellen Uhrzeit vorgenommen. Mit Hilfe einer solchen dynamischen Kalkulation eines Geschwindigkeitsprofils lässt sich das Zurücklegen einer vorbestimmten Fahrstrecke mit dem Schienenfahrzeug noch energieeffizienter gestalten.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante wird eine von der Sollgeschwindigkeitsempfehlung abweichende Geschwindigkeitsempfehlung so berechnet, dass die Istgeschwindigkeit des Schienenfahrzeugs bei Befolgen dieser aktuellen Geschwindigkeitsempfehlung bei der darauffolgenden Geschwindigkeitsempfehlungsänderung mit der vor Fahrtbeginn berechneten oder der dynamisch neu berechneten Geschwindigkeitsempfehlung entspricht. Dies ermöglicht die Ausgabe einer Geschwindigkeitsempfehlung, die den Fahrer bei der Einstellung der Geschwindigkeit derart leitet, dass die Geschwindigkeit für die nächsten Änderungen der Geschwindigkeitsfahrempfehlung wieder der kalkulierten Geschwindigkeit entspricht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante zeigt die Geschwindigkeitsempfehlungsanzeige einen Warnhinweis an, wenn die Istgeschwindigkeit um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert von der aktuell berechneten Sollgeschwindigkeit abweicht. Dies ist insbesondere in Gefahrensituationen wichtig, wenn vom Lokführer eine erhöhte Aufmerksamkeit gefordert ist, um die kritische Situation bestmöglich zu meistern. Die Geschwindigkeitsempfehlung kann dabei auch dergestalt sein, das ein Hinweis erfolgt, dass keine Geschwindigkeitsempfehlung gegeben werden kann, um sicher zu stellen, dass sich der Lokführer in einer kritischen Situation ausschließlich auf die sichere Beherrschung des Fahrzeugs konzentriert.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit darin eingebautem Fahrerassistenzsystem mit minimaler Schnittstelle zwischen Fahrerassistenzsystem und Schienenfahrzeug,
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2 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit darin eingebautem Fahrerassistenzsystem mit zusätzlicher Datenschnittstelle,
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3 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit eingebautem Fahrerassistenzsystem mit zusätzlicher drahtloser Kommunikationsschnittstelle,
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4 ein schematisches Ablaufdiagramm mit Darstellung einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Geschwindigkeitsempfehlungsanzeige, und
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5 ein weiteres schematisches Ablaufdiagramm mit Darstellung einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahren zur Steuerung einer Geschwindigkeitsempfehlungsanzeige.
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In den 1 bis 3 sind unterschiedliche Varianten eines in einem Schienenfahrzeug 1 installierten Fahrerassistenzsystems 3 gezeigt. Das Fahrerassistenzsystem 3 weist dabei im Wesentlichen einen Bildschirm auf, der vorzugsweise Bestandteil des Führerstands eines Triebzugs oder einer Lokomotive ist. Der Bildschirm ist an einer Steuereinheit 2 angeschlossen, die einen Datenspeicher aufweist. Der Datenspeicher beinhaltet zum einen die Fahrplan- und Streckeninformationen der zu befahrenen Strecke und zum anderen die physikalischen Eigenschaften des Schienenfahrzeugs 1 und gegebenenfalls an dieses angehängte Wagen, wobei zu den physikalischen Eigenschaften u. a. die Masse des Schienenfahrzeugs bzw. der angehängten Wagen und die Charakteristiken von Antrieb und Bremse gehören.
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Die Steuereinheit 2 ist dabei lediglich an eine Stromversorgung des Schienenfahrzeugs angebunden sowie an eine Antenne zur satellitengestützten Positionsbestimmung über ein globales Navigationssatellitensystem 5. Ein Anschluss der Steuereinheit 2 an die Steuerung des Schienenfahrzeugs selbst, insbesondere an die Leittechnik des Schienenfahrzeugs, ist nicht vorgesehen.
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In 2 ist eine der in 1 gezeigten Systemarchitektur ähnliche Systemarchitektur gezeigt, wobei die Steuereinheit 2 hier über eine zusätzliche Datenschnittstelle 6 verfügt, welche beispielsweise zur Anbindung einer Speicherkarte, eines Speichersticks oder eines sonstigen Speichermediums oder auch einer Tastatur dient, über die die Steuereinheit 2 mit Daten versorgt werden kann. Über diese Datenschnittstelle 6 können in einfacher Weise Daten wie die Fahrzeugcharakteristika, Fahrpläne oder Streckeninformationen in einfacher Weise aktualisiert werden, wodurch die von der Steuereinheit 2 durchzuführenden Berechnungen optimiert werden können. Ein weiterer Zweck dieser Datenschnittstelle besteht darin, Daten aus dem Fahrerassistenzsystem auf ein mobiles Speichermedium laden zu können und anschließend einer externen Auswertung zugänglich machen zu können. Auf diese Weise können beispielsweise Protokolle von Fahrten, z. B. Energieverbrauch und Pünktlichkeit, ausgewertet werden.
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Die in der 3 gezeigte Systemarchitektur verfügt alternativ zur Datenschnittstelle 6 der 2 über eine drahtlose Kommunikationsschnittstelle 7, über die Daten mit einer zentralen Leitstelle ausgetauscht werden können. Hier kann die Kommunikation einen von der Leitstelle zum Fahrerassistenzsystem hin stattfinden, beispielsweise um Fahrpläne zu aktualisieren oder auch von dem Fahrerassistenzsystem hin zur Leitstelle erfolgen, um beispielsweise den Energieverbrauch des Zuges an die Leitstelle zu übermitteln.
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Da das Fahrerassistenzsystem keine Schnittstelle zur Leittechnik des Schienenfahrzeugs hat, können die Informationen über verwendete Traktions- bzw. Bremskraft sowie weitere Informationen wie beispielsweise über die aktuelle Masse des Zuges nicht direkt ermittelt werden. Allerdings kann durch die Anbindung an das globale Navigationssatellitensystem auf die Geschwindigkeit und die aktuell wirkenden Kräfte geschlossen werden. Wichtig ist, dass im Datenspeicher genaue Daten des Streckenprofils inklusive Kurvengeraden und Höhengradienten sowie die physikalischen Eigenschaften des aus einem oder mehreren Schienenfahrzeugen bestehenden Zuges abgespeichert sind. So kann, basierend auf der aktuellen Zeit, welche ebenfalls über das globale Navigationssatellitensystem 5 abfragbar ist sowie der Position auf der Fahrtstrecke, dem aktuellen Fahrplan, dem Geschwindigkeitsbeschränkungen auf der Fahrtstrecke, der genauen Kenntnis des Streckenprofils und der physikalischen Eigenschaften des Zuges eine energieeffiziente Fahrt in Form eines Sollgeschwindigkeitsprofils von der aktuellen Position bis zum nächsten Halt des Zuges ermittelt werden.
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Ist der Zug hinreichend verspätet oder sind im Fahrplan keine Zeitreserven, sprich Möglichkeiten, mit reduzierter Geschwindigkeit an bestimmten Streckenabschnitten den Fahrplan einzuhalten, vorhanden, so lässt sich keine Energie einsparen und der Zug fährt mit jeweils maximal möglicher Geschwindigkeit unter Einhaltung der Geschwindigkeitsbegrenzungen bis zum Ziel der Fahrtstrecke.
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Um eine solche energieeffiziente Fahrt vorauszuberechnen, muss die aktuelle Position, die aktuelle Zeit, die Zugzusammenstellung, Geschwindigkeitsbegrenzungen sowie sonstige Nebenbedingungen a priori definiert sein. Mit dem Fahrerassistenzsystem kann im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten statischen Rechnungen eines Sollgeschwindigkeitsprofils ein solches Geschwindigkeitsprofil dynamisch an aktuelle Bedingungen angepasst und somit die Energieeffizienz einer Fahrt weiter verbessert werden. Das Fahrerassistenzsystem ist dazu mit einem leistungsfähigen Prozessor ausgestattet, der in der Berechnung einer energieeffizienten Fahrt basierend auf der aktuellen Situation erlaubt.
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Bei dem Verfahren wird, wie im Ablaufdiagramm in 4 gezeigt, in einem ersten Schritt 101 die Position des Schienenfahrzeugs 1 und in Schritt 102 die aktuelle Uhrzeit durch ein am oder im Schienenfahrzeug installierten Empfänger 4 eines globalen Navigationssatellitensystems 5 erfasst. Daraufhin wird in einem weiteren Schritt 103 die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs 1 aus den vom Navigationssatellitensystem 5 empfangenen Daten bestimmt und anschließend in Schritt 104 die aktuelle Geschwindigkeit mit einer vorab berechneten Sollgeschwindigkeit für den aktuell befahrenen Streckenabschnitt verglichen.
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Bevorzugt werden zur Berechnung des Sollgeschwindigkeitsprofils in einem ersten Schritt der Fahrplan, das Zugmodell und das Streckenprofil der zu befahrenden Strecke aus dem Datenspeicher der Steuereinheit 2 erfasst. Die Eingabe der Daten in den Datenspeicher kann dabei bei Verwendung einer in 2 oder 3 gezeigten Systemarchitektur über das an die Datenschnittstelle 6 angeschlossene Speichermedium oder über die drahtlose Verbindung mit der Leitstelle erfolgen. In einem weiteren Schritt wird die aktuelle Position des Schienenfahrzeugs 1 durch Satellitennavigation erfasst. Aus diesen Daten erfolgt sodann die initiale Berechnung der Fahrempfehlung und die darauf basierende Ausgabe des Sollgeschwindigkeitsprofils.
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Basierend auf aktuellen Werten während der Fahrt wird dieses Sollgeschwindigkeitsprofil unter Berücksichtigung der aktuellen Position und Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs und der im Datenspeicher gespeicherten Daten laufend aktualisiert und dem Fahrer (Lokführer, Triebfahrzeugsführer) auf einer Geschwindigkeitsempfehlungsanzeige angezeigt.
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Bei der Berechnung der aktuellen Geschwindigkeitsempfehlung wird vorzugsweise ein Minimum für den Energieverbrauch mittels geeigneter Optimierungsalgorithmen berechnet. Ändern sich während der Fahrt die Anfangs abgespeicherten Rahmenbedingungen, beispielsweise durch eine Verspätung des Zuges, so kann durch die dynamische Kalkulation wieder ein energieeffizientes Geschwindigkeitsprofil, ein neues Sollgeschwindigkeitsprofil ermittelt werden, welches solange aktuell ist, solange keine Abweichung vom idealen Fahrtverlauf auftritt.
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Da die dynamische Kalkulation eines komplett neuen Geschwindigkeitsprofils sehr rechenintensiv ist, wird vorzugsweise bei kleineren Abweichungen des Fahrtablaufes von der energieeffizientesten Fahrt in einem Schritt 106 eine adaptive Anpassung der Geschwindigkeitsempfehlung vorgenommen, welche dazu führt, den Fahrer möglichst komfortabel wieder auf die richtige Geschwindigkeit zu bringen. Dabei ist die zur Behebung geringer Abweichungen von der Idealgeschwindigkeit entscheidende Zielgeschwindigkeit diejenige an der Position auf der Strecke, bei der sich im kalkulierten Geschwindigkeitsprofil die Fahrempfehlung ändert. Die Fahrgeschwindigkeitsempfehlung wird also so ausgegeben, dass die Geschwindigkeit bei der nächsten Änderung der Fahrgeschwindigkeitsempfehlung wieder der vorab kalkulierten Geschwindigkeit entspricht.
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Sollte eine Rückführung in das vorab berechnete Geschwindigkeitsprofil aufgrund einer größeren Verspätung beispielsweise nicht mehr möglich sein, so ist eine dynamische Neuberechnung des Fahrgeschwindigkeitsprofils in Schritt 105 notwendig. Wichtig ist hierbei, die jeweils adaptive Anpassung der Fahrgeschwindigkeitsempfehlung so zu gestalten, dass der Triebfahrzeugführer bzw. Lokführer nicht widersprüchliche oder sich schnell ändernde Fahrempfehlungen vom Fahrassistenzsystem hält. Dies bedeutet, dass einmal gegebene Fahrgeschwindigkeitsempfehlungen für den Lokführer Bestand haben, auch wenn der Lokführer leicht von dem kalkulierten Geschwindigkeitsprofil abweicht. Die Hinführung auf die empfohlene Geschwindigkeit erfolgt dabei dergestalt, dass der Lokführer kurzfristig nicht durch Geschwindigkeitsempfehlungen irritiert bzw. gestört wird und durch Beachtung der Fahrgeschwindigkeitsempfehlung mittelfristig wieder die richtige Zielgeschwindigkeit findet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante zeigt die Geschwindigkeitsempfehlungsanzeige einen Warnhinweis an, wenn die Istgeschwindigkeit um mehr als einen vorgegebenen Schwellwert von der aktuell berichteten Sollgeschwindigkeit abweicht. Solche Situationen erfordern häufig eine schnelle Reaktion sowohl des Fahrerassistenzsystems als auch des Fahrers bzw. Lokführers selber. Alternativ oder zusätzlich zur Warnmeldung kann es vorgesehen sein, die Geschwindigkeitsempfehlung abzuschalten oder einen Hinweis auszugeben, dass eine Geschwindigkeitsempfehlung nicht gegeben werden kann, um dem Lokführer ausschließlich auf die Beherrschung der Betriebssituation konzentrieren zu lassen..
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Zusätzlich ist in einer Ausführungsvariante vorgesehen, während der Fahrt die wesentlichen Fahrdaten zu protokollieren und diese Daten dann in dem an die Datenschnittstelle 6 angeschlossenen Speichermedium abzuspeichern oder die Daten direkt über die drahtlose Kommunikationsschnittstelle 7 an eine Leitstelle zur weiteren Auswertung zu übertragen.
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In dem in 5 gezeigten Ablaufdiagramm wird noch einmal die bedingte Neuberechnung des Sollgeschwindigkeitsprofils während der Fahrt des Schienenfahrzeugs 1 verdeutlicht. Nach einem Schritt 201, bei dem die Fahrplandaten, die Daten des Zugmodells und des Streckenprofils aus dem Datenspeicher geladen werden, folgt in Schritt 202 die Erfassung der aktuellen Position und Zeit durch Satellitennavigation. Nach der anschließenden Berechnung der aktuellen Position und Geschwindigkeit wird in Schritt 203 geprüft, ob eine ggfs ermittelte Abweichung von Sollposition zu Istposition bzw. Sollgeschwindigkeit zu Istgeschwindigkeit einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Falls nicht, wird mit Schritt 202 fortgefahren. Falls ja, erfolgt in Schritt 204 eine Neuberechnung der Fahrempfehlung, wie sie im Detail weiter oben beschrieben ist. Anschließend erfolgt in Schritt 205 die Ausgabe des neuen Sollgeschwindigkeitsprofils im Display des Fahrerassistenzsystems 3 und darauf wird mit Schritt 202 fortgefahren, um den Verlauf der Weiterfahrt zu überprüfen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schienenfahrzeug
- 2
- Steuereinheit
- 3
- Fahrerassistenzsystem
- 4
- Empfänger
- 5
- Navigationssatellitensystem
- 6
- Datenschnittstelle
- 7
- Kommunikationsschnittstelle
