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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines energieeffizienten Bahnbetriebes innerhalb eines Streckennetzabschnittes eines Schienenstreckennetzes. Die Erfindung betrifft ebenso ein Computerprogramm hierzu.
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Mit der weiter voranschreitenden Verknappung der fossilen Brennstoffe rückt nicht nur das Interesse an regenerativen Energiequellen weiter in den Vordergrund der Betrachtung, sondern auch die effizientere Ausnutzung der elektrischen Energie bei den Verbrauchern selbst, um so letztendlich Energie einsparen zu können. Gerade im industriellen Bereich stehen neben den ökologischen Aspekten bei der Einsparung von elektrischer Energie insbesondere die ökonomischen Aspekte stark im Vordergrund.
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Im modernen Bahnbetrieb befinden sich heutzutage kaum noch Triebfahrzeuge, die lokal mit fossilen Brennstoffen angetrieben werden. Stattdessen werden elektrische Triebfahrzeuge verwendet, die ihre Antriebsenergie aus bereitgestellter elektrischer Energie erzeugen. Aufgrund des hohen Gewichtes der Züge stellt der Energieverbrauch eines Zuges auf einer Fahrstrecke einen signifikanten Kostenpunkt dar, der in der Gesamtbilanz schon deutlich ins Gewicht fällt. Durch den Einsatz von modernen Hochgeschwindigkeitszügen, die ein Vielfaches der Geschwindigkeiten von Regional- oder Güterzügen erreichen können, wird dieses Problem noch verstärkt, da Hochgeschwindigkeitszüge in der Regel eine deutlich höhere Stromaufnahme aufweisen.
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Energieeinsparungen, und seien sie nur gering und auf eine bestimmte Fahrstrecke beschränkt, fallen dabei aufgrund des ohnehin hohen Verbrauchs und der starken Frequentierung der Fahrstrecke mehr als deutlich ins Gewicht. Es gibt daher insbesondere im Bahnbereich die Bestrebung, den Bahnbetrieb auch hinsichtlich des Energieverbrauches zu optimieren.
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So ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 035 263 A1 eine Einrichtung zur elektrischen Energieversorgung eines schienengebundenen Fahrzeugs bekannt, die eine Energierückgewinnungsvorrichtung zur Rückgewinnung eines Teils der kinetischen Energie des Schienenfahrzeugs in elektrische Energie aufweist. Die so rückgewonnene elektrische Energie wird dann in das Energieversorgungsnetz des Schienenfahrzeuges eingespeist, wobei das Energieversorgungsnetz einen Energiespeicher aufweist, der zur Abgabe von elektrischer Energie oder zum Speichern von elektrischer, rückgespeister Energie in Abhängigkeit eines elektrischen Energiebedarfs eingerichtet ist. Somit lässt sich zum einen aus der kinetischen Energie des Schienenfahrzeugs elektrische Energie rückgewinnen und zum anderen diese bei Bedarf wieder in das Energieversorgungsnetz einspeisen.
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Zwar werden mit einer derartigen Einrichtung die Energiekosten insgesamt gesenkt, da ein Teil der kinetischen Energie in elektrische Energie rückgewandelt wird. Jedoch bleibt das eigentliche Einsparungspotential beim Energieverbrauch der Schienenfahrzeuge trotz alledem ungenutzt.
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Aufgabe
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren anzugeben, mit dem der Energieverbrauch von Schienenfahrzeugen gesenkt und somit der Bahnbetrieb energieeffizienter betrieben werden kann.
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Lösung
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Die Aufgabe wird gelöst mit dem eingangs genannten Verfahren zum Betreiben eines energieeffizienten Bahnbetriebes innerhalb eines Streckennetzabschnittes eines Schienenstreckennetzes, wobei in dem Streckennetzabschnitt eine Mehrzahl von Zügen auf vorbestimmten Fahrstrecken fahren, mit den Schritten:
- – Ermitteln von Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten von zumindest einem Teil der Züge innerhalb des Streckennetzabschnittes,
- – Berechnen von Fahrprofilen für zumindest einen Teil der Züge des Streckennetzabschnittes in Abhängigkeit von den ermittelten Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten der jeweiligen Züge unter Berücksichtigung eines energetischen Gesamtoptimums bezüglich des Energieverbrauches der Züge des Streckennetzabschnittes, und
- – Führen der Züge des Streckennetzabschnittes in Abhängigkeit von den für die jeweiligen Züge berechneten Fahrprofilen durch eine auf den Zügen angeordnete Führungseinheit.
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Es wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zumindest von einem Teil der in einem Streckennetzabschnitt befindlichen Züge jeweils für jeden dieser Züge Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten ermittelt werden. Diese Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten können beispielsweise mit Hilfe einer auf den Zügen angeordneten Ermittlungseinheit für jeden Zug gewannen werden, können aber auch zentral aus einer Datenbank abgegriffen werden. Anhand dieser Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten der Züge werden dann Soll-Fahrprofile für die Züge bzw. für zumindest einen Teil der Züge berechnet, und zwar unter Berücksichtigung eines energetischen Gesamtoptimums bezüglich des Energieverbrauchs der Züge. Denn es wurde erkannt, dass bei Kenntnis der Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten der einzelnen Züge jeder Zug durch Soll-Fahrprofile so geführt werden kann, dass sich in der Gesamtheit aller Züge des Streckennetzabschnittes ein energetisches Gesamtoptimum hinsichtlich des Energieverbrauchs einstellen lässt.
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In Abhängigkeit der berechneten Soll-Fahrprofile werden anschließend dann die jeweiligen Züge des Streckennetzabschnittes, d. h. entweder nur ein Teil der Züge oder alle Züge, entsprechend geführt, so dass sich der Energieverbrauch in der Summe aller Züge reduzieren und ggf. sogar minimieren lasst.
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Für die Berechnung der Fahrprofile können dabei geeignete Optimierungsverfahren angewendet werden, die unter Berücksichtigung der jeweiligen Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten die Fahrprofile der jeweiligen Züge so anpassen, dass sich der Energieverbrauch in der Gesamtheit minimieren bzw. optimieren lässt. Dies kann selbstverständllch auch unter der Randbedingung durchgeführt werden, dass die Züge entsprechende Fahrpläne einhalten müssen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform werden die Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten auf den jeweiligen Zügen mit Hilfe einer auf den Zügen angeordneten Ermittlungseinheit ermittelt und anschließend an eine Betriebszentrale übermittelt, so dass in der Betriebszentrale für zumindest einen Teil der Züge des Streckennetzabschnittes jeweils ein Satz von Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten des jeweiligen Zuges vorliegen. Durch das Sammeln der entsprechenden Daten in einer Betriebszentrale lassen sich dann die Fahrprofile für die einzelnen Züge für einen Teil oder alle Züge des Streckennetzabschnittes berechnen, wobei anschließend nach Berechnung der Soll-Fahrprofile diese an die jeweiligen Züge mit Hilfe einer Kommunikationseinheit übermittelt und einer auf den Zügen angeordneten Führungseinheit zugeführt werden. Die jeweiligen Züge werden dann in Abhängigkeit der Soll-Fahrprofile durch die Führungseinheit auf ihre Fahrstrecke hinsichtlich eines energetischen Gesamtoptimums geführt.
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Die Berechnung der Soll-Fahrprofile kann dabei insbesondere einen zukünftigen Bewegungsverlauf bzw. Geschwindigkeitsverlauf enthalten, der angibt, auf welchen Teil der Fahrstrecke der Zug wie schnell fahren darf, damit sich der Energieverbrauch in der Gesamtheit minimiert. Ferner kann das Fahrprofil auch Beschleunigungs- oder Abbremsphasen enthalten, in denen fest vorgegeben ist, an welchen Stellen der Zug wie schnell beschleunigen darf und an welchen Stellen wie stark abgebremst werden soll.
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Die Führungseinheit, die auf den Zügen angeordnet ist, kann dabei beispielsweise ein mit den elektronischen Steuerungseinheiten des Zuges verbundene Einheit sein, die einen direkten oder indirekten Eingriff in der Steuerung ermöglicht. So können die Daten beispielsweise in das EBuLa-System des Zuges zur Führung eingespeist werden, so dass sich auf der Fahrstrecke ein hinsichtlich des energetischen Gesamtoptimums optimierter Bewegungsverlauf des Zuges ergibt.
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In einer alternativen Ausführungsform können die auf den Zügen mittels der auf den Zügen angeordneten Ermittlungseinheit ermittelten Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten mit Hilfe einer Kommunikationseinheit auch an andere, in der Nähe befindlichen Züge übertragen werden. Die Kommunikation erfolgt dann nicht direkt mit einer Betriebszentrale, sondern die Züge kommunizieren ihre Daten entsprechend untereinander, wobei sich dann für jeden Zug ein entsprechendes Soll-Fahrprofil dezentral aus den eigenen Daten und den Daten der anderen Zügen ermitteln lässt. Durch das Rückkommunizieren der auf den einzelnen Zügen berechneten Soll-Fahrprofile an die anderen Züge lässt sich darüber hinaus erreichen, dass in einem weiteren Schritt nunmehr auch die bereits berechneten Soll-Fahrprofile der einzelnen Züge in einem zweiten Schritt ebenfalls in die Berechnung mit einfließen, so dass das gesamte System optimiert werden kann. Der Vorteil hierbei ist, dass die Daten nicht an eine Betriebszentrale übermittelt werden müssen und die hierfür notwendige Infrastruktur nicht vorgehalten werden muss. Die Züge innerhalb eines Streckennetzabschnittes optimieren somit ihre Fahrprofile hinsichtlich eines energetischen Gesamtoptimums eigenständig, autonom und rekursiv.
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Vorteilhafterweise werden entsprechende Ist-Fahrprofile der Züge als Fahrdaten in Abhängigkeit von Bewegungsdaten, wie beispielsweise Orts- und Geschwindigkeitsdaten der Züge, ermittelt. Aus diesen Ist-Fahrprofilen lässt sich eine Prognose für die Zukunft unter gewissen Randbedingungen ableiten, aus der hervorgeht, wie sich das Fahrverhalten der einzelnen Züge in einem bestimmten zukünftigen Zeithorizont entwickeln wird. Dies so ermittelten Ist-Fahrprofile und entsprechend daraus ableitbare Prognosen für die Zukunft können dann bei der Berechnung der Soll-Fahrprofile hinsichtlich des energetischen Gesamtoptimums verwendet werden.
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Vorteilhafterweise werden als Zugdaten der Zugtyp, eine Zuggattung, die Zuglänge und/oder das Zuggewicht des betreffenden Zuges ermittelt. So lassen sich beispielsweise aus dem Zugtyp und der Zuggattung (Regionalverkehr, Güterverkehr, Fernverkehr) sowie auch der Zuglänge und des Zuggewichtes die Optimierung verbessern, beispielsweise dahingehend, dass ein Fahrprofil für einen Güterzug aufgrund seines hohen Gewichtes anders optimiert wird als das eines Regionalzuges mit zwei Schienenfahrzeugen.
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Als Streckendaten lassen sich vorteilhafterweise die Fahrstrecke, auf der der Zug fahren soll, die hieraus ergebene Streckengeometrie der Fahrstrecke, die Gleistopologie der Fahrstrecke, ein Fahrplan und/oder Wetterinformationen ermitteln. Aus der Streckengeometrie lassen sich beispielsweise Rückschlüsse darüber ziehen, ob es sinnvoll ist, dass ein Zug in den nächsten Bahnhof ausrollt, da ein Gefälle vorliegt, oder ob es sinnvoll ist, den Zug weiter zu beschleunigen, da eine Steigung erwartet wird. Bei der Gleistopologie ergeben sich Rückschlüsse über die Gleistopologie derart, dass festgestellt werden kann, in welchen Bereichen Überschneidungen mit anderen Fahrstraßen vorliegen und wo ggf. Optimierungsbedarf besteht.
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Des Weiteren ist besonders vorteilhaft, wenn mindestens eine Fahrplanverspätung mindestens eines Zuges des Streckennetzabschnittes ermittelt wird und diese Fahrplanverspätung bei der Berechnung der Soll-Fahrprofile zugrunde gelegt wird. So ist es beispielsweise sinnvoll, wenn ein Zug, der in den Bahnhof einfahren soll, aufgrund einer Zugverspätung eines bereits im Bahnhof befindlichen Zuges nicht weiter beschleunigt und ausrollt, da durch die Zugverspätung des vorherigen Zuges der Bahnhof noch besetzt ist. An dieser Stelle würde ein Ausrollen zu einer Energieeinsparung führen, die sich dann in dem energetischen Gesamtoptimum als Einsparung niederschlägt.
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Die Berechnung der Fahrprofile erfolgt somit derart, dass der Energieverbrauch der Züge in der Summe über ihre Fahrstrecken innerhalb des Streckennetzabschnittes verringert oder sogar minimiert wird. Dabei kann es unter Umständen sogar vorkommen, dass ein Zug ein Fahrprofil erhält, das ihm zu einem höheren Energieverbrauch führt, beispielsweise durch eine höhere Endgeschwindigkeit, wobei die anderen Züge dann in einem energieoptimaleren Bereich fahren, wodurch sich in der Summe ein geringerer Energieverbrauch ergibt.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 – schematischer Verfahrensablauf zur energetischen Gesamtoptimierung;
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2 – beispielhafte Anwendung zur energetischen Gesamtoptimierung.
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1 zeigt schematisch die drei Züge 1, 2 und 3. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff Zug eine Einheit von einem oder mehreren Schienenfahrzeugen verstanden. Ein Zug kann dabei zumindest ein Triebfahrzeug aufweisen.
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Die Züge 1, 2 und 3 ermitteln kontinuierlich mit Hilfe einer auf den Zügen angeordneten Ermittlungseinheit 4 entsprechende Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten 1a, 2a und 3a für die jeweiligen Züge 1, 2 und 3. Die Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten 1a, 2a und 3a können beispielsweise sein: Ort, Geschwindigkeit, Fahrprofile der Vergangenheit, Bewegungsverläufe, Beschleunigungs- und Verzögerungsverläufe, Zugtyp, Zuggattung, Zuglänge, Zuggewicht, Streckengeometrie der Fahrstrecke, Gleistopologie der Fahrstrecke, Fahrplan, Witterungsverhältnisse, Informationen über die Fahrstrecke an sich, wie beispielsweise Höchstgeschwindigkeiten oder Langsamfahrstellen oder Ähnliches.
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Diese Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten 1a, 2a und 3a werden dann mittels einer an den Zügen 1, 2 und 3 angeordneten Kommunikationseinheiten 5 an eine Betriebszentrale 6 weitergeleitet. In der Betriebszentrale 6 befindet sich eine Auswerteeinheit 7, welche die Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten 1a, 2a und 3a der jeweiligen Züge 1, 2 und 3 empfängt und die entsprechenden Optimierungsberechnungen durchführt. Mit Hilfe der Auswerteeinheit 7 werden somit Fahrprofile 1b, 2b und 3b für die Züge 1, 2 und 3 berechnet, und zwar derart, dass der Energieverbrauch aller Züge 1, 2 und 3 in der Summe verringert bzw. minimiert wird. Dabei wird insbesondere darauf abgestellt, dass nicht nur der Energieverbrauch jedes einzelnen Zuges 1, 2 und 3 verringert wird, sondern dass in der Gesamtheit eine Verringerung bzw. Minimierung stattfindet, was im Übrigen auch dazu führen kann, dass einer der Züge zunächst einen höheren Energieverbrauch hat.
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Die von der Auswerteeinheit 7 in der Betriebszentrale 6 berechneten Fahrprofile 1b, 2b und 3b der jeweiligen Züge 1, 2 und 3 werden dann an die entsprechenden Züge 1, 2 und 3 entsprechend übertragen und mit Hilfe der dort vorhandenen Kommunikationseinheit 5 empfangen. Die Soll-Fahrprofile 1b, 2b und 3b werden dann einer Führungseinheit 8, die auf den Schienenfahrzeugen 1, 2 und 3 angeordnet ist, zugeführt, damit die Züge 1, 2 und 3 entsprechend den Fahrprofilen 1b, 2b und 3b geführt werden.
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Durch kontinuierliches Übertragen der Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten 1a, 2a und 3a der jeweiligen Züge 1, 2 und 3 können kontinuierlich durch die Auswerteeinheit 7 in der Betriebszentrale 6 die Fahrprofile 1b, 2b und 3b berechnet werden, so dass auch kontinuierlich ein Update durchgeführt wird und das energetische Gesamtoptimum angenähert bzw. erreicht werden kann.
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2 zeigt beispielhaft die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Auf einer Fahrstrecke 21 bewegen sich zwei Hochgeschwindigkeitszüge 1 und 2 im Fernverkehr in Richtung der gezeigten Pfeile. Aufgrund der vorliegenden Totalvernetzung im Eisenbahnbereich kommt es nicht selten vor, dass derartige Fahrstrecken 21 durch andere Fahrstrecken 22 gekreuzt werden, wobei sich die Fahrstrecke 22 zumindest in einem Bereich 23 den Fahrweg mit der Fahrstrecke 21 teilt.
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Im Beispiel der 2 fährt nun ein langsamer Regionalzug 3 auf der Fahrstrecke 22 in Richtung des gestrichelten Pfeils. Die Züge 1, 2 und 3 müssen sich somit im Bereich 23 den Gleisweg teilen, so dass hier eine entsprechende Koordination unumgänglich ist.
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Ohne Sicht auf den Energieverbrauch, sondern lediglich auf den Fahrplan der Züge 1, 2 und 3, würde ein entsprechende Disponent den Verlauf derart planen, dass nach Verfassen des Bereiches 23 durch den Zug 1 die Einfahrt in den Bereich 23 durch den Zug 2 gesperrt wird, so dass der Zug 3 in den Bereich 23 einfahren kann. Nachdem der Zug 3 den Bereich 23 in Richtung Fahrstrecke 22 verlassen hat, kann die Fahrstrecke 21 für den Zug 2 im Bereich 23 freigegeben werden.
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Dies bedingt jedoch, dass der Zug 2 womöglich vor dem Bereich 23 zum Stehen kommt, damit der Regionalzug 3, der erheblich langsamer fährt als die Züge 1 und 2, den Bereich 23 ordnungsgemäß verlassen kann. Durch das Abbremsen und Wiederneuanfahren des Zuges 2 entsteht dabei ein erheblicher Energieverbrauch.
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Da nun die Züge 1, 2 und 3 hierbei entsprechende Fahr-, Zug- und/oder Streckendaten an die Betriebszentrale senden, kann die aus der vorigen Figur bekannte Auswerteeinheit 7 entsprechende Fahrprofile berechnen, die ein Abbremsen und Neuanfahren des Zuges 2 verhindern, woraufhin sich der energetische Gesamtverbrauch der Züge 1, 2 und 3 reduzieren lässt. So ist es beispielsweise denkbar, dass die Geschwindigkeit des Zuges 1 vor Eintritt des Bereiches 23 erhöht wird, so dass dieser den Bereich 23 schnell freifährt. Gleichzeitig wird die Geschwindigkeit des Zuges 2 verringert, so dass hier der Energieverbrauch sinkt. Das nunmehr größer gewordene Zeitfenster zwischen den Zügen 1 und 2 reicht dann aus, damit der Zug 3 auf seiner Fahrstrecke 22 den Bereich 23 der Fahrstrecke 21 durchfahren kann, ohne dass der Zug 2 vor dem Bereich 23 zum Stillstand kommt.
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Neben dem Effekt des flüssigeren Bahnbetriebes wird durch diese Optimierung auch der Gesamtenergieverbrauch aller Züge 1, 2 und 3 in der Summe gesenkt, und zwar auch trotz der erhöhten Geschwindigkeit des Zuges 1. Denn es wurde verhindert, dass der Zug 2 abbremst und vollständig neu anfährt, was einen erheblich höheren Energieverbrauch mit sich führt, so dass sich in der Gesamtheit ein geringerer Energieverbrauch einstellt.
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Wird dieses nunmehr vorliegende Beispiel auf eine Vielzahl von Zügen innerhalb eines Streckennetzabschnittes übertragen, so ergeben sich hierbei erhebliche Einsparungsoptionen, die in der Gesamtheit zu einem geringeren Energieverbrauch und somit zu einem effizienteren Bahnbetrieb führen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009035263 A1 [0005]
