DE102019204371A1

DE102019204371A1 - Verfahren zur automatischen Zugkontrolle mit Schlupferfassung

Info

Publication number: DE102019204371A1
Application number: DE102019204371.2A
Authority: DE
Inventors: Steffen Giere
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Zugkontrolle von Zügen mit einer Schlupferfassungseinrichtung 11, 21. Die Züge 10, 20 können erfindungsgemäß mit einer Recheneinheit 12, 22 ein Maß für die übertragbare Reibkraft zwischen Rad und Schiene 05 ermitteln und per Funk 06 an eine Zentrale 01 senden. Der Abgleich mit Daten 04 ermöglicht die Erstellung eines Streckenatlasses mit einer aktuellen Streckenbeschaffenheit, die an alle Züge 10, 20 gesendet werden kann. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine Beurteilung der jeweils vor den Zügen liegenden Streckenabschnitte möglich, sodass ein Zugüberwachungsgerät durch Anpassung von Geschwindigkeiten und Bremskurven frühzeitig auf wetterbedingte Einschränkungen des Zugverkehrs reagieren kann. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Zug 10, 20, eine Zentrale 01, Computerprogrammprodukte und Bereitstellungsvorrichtungen für letztere, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Zugkontrolle, bei dem

• Züge auf einer Strecke mit einer Zentrale Daten austauschen,
• die Züge jeweils mit einer Schlupferfassungseinrichtung einen Messwert für den Radschlupf mindestens eines angetriebenen Rades des Zuges ermitteln.

Außerdem betrifft die Erfindung einen Zug sowie eine Zentrale zur Zugleitung, welche für die Ausführung des genannten Verfahrens geeignet sind. Zuletzt betrifft die Erfindung Computerprogramme sowie Datenträger für Computerprogramme, die das Verfahren ausführen können.
Züge haben aufgrund ihres Gewichts und ihrer hohen Fahrzeuggeschwindigkeit einen sehr langen Bremsweg. Triebfahrzeugführer müssen in Abhängigkeit der von ihnen erkannten Signale, den Fahrzeug- und Streckenhöchstgeschwindigkeiten und des Bremsvermögens des Zuges die Fahrzeuggeschwindigkeit regeln. Zugüberwachungssysteme messen und berechnen aus den genannten Parametern aktuelle Bremskurven des Zuges. Wird die Fahrzeuggeschwindigkeit größer als die aktuelle Bremskurve, bremsen Zugüberwachungssysteme einen Zug rechtzeitig auf die erlaubte Höchstgeschwindigkeit oder bis zum Stillstand vor dem nächsten Haltepunkt ab.
Bei der Zugüberwachung können auch Wettereinflüsse das Bremsen der Züge beeinflussen. Einsetzender Regen und/oder auf die Schienen verwehtes Laub können zum Beispiel einen Schmierfilm auf den Gleisen bilden. Dieser Schmierfilm verringert den Reibwert zwischen den Schienen und den Stahlrädern der Zuge. Dadurch vergrößert sich der Bremsweg der Züge, insbesondere auf Gleisstecken mit Gefälle. Für das Zugüberwachungssystem sind diese lokalen Gegebenheiten an der Strecke eine unbekannte Größe, die daher nicht automatisch berücksichtigt werden kann. Bei einigen Zugüberwachungssystemen können die Triebfahrzeugführer je nach aktuellem Wetter die Bremseigenschaften ihres Fahrzeugs manuell wählen.
Bisher muss ein Triebfahrzeugführer überdies manuell aktuelle kritische Wettersituationen, wie einsetzenden Regen oder auf die Schiene verwehtes nasses Laub, an die Leitzentrale melden. Der Fahrdienstleiter der Leitzentrale gibt je nach Wetterlage manuell den Triebfahrzeugführern aller betroffenen Züge die Aufforderung, langsamer zu fahren oder für die Zugüberwachung ein anderes Bremsvermögen ihres Zuges einzustellen, damit ihr Zugüberwachungsgerät mit anderen Bremskurven fährt. Hierdurch können die aktuelle Wetterlage bzw. die Stimmenverhältnisse als variable Größe Berücksichtigung finden. Dieser manuelle Eingriff ist jedoch mit gewissen Ungenauigkeiten behaftet, da diese letztendlich von der individuellen Einschätzung der beteiligten Zugführer abhängig ist.
Die Leitzentrale kann auf Wettermeldungen auch durch Einleitung weiterer Maßnahmen reagieren. Reinigungsfahrzeuge können zum Beispiel zwischen den anderen Zügen fahren und dabei Laub auf den Schienen mit Wasserdruck und Absaugen oder mit Laserstrahlen entfernen.
Sofern es in der nachfolgenden Beschreibung nicht anders angegeben ist, beziehen sich die Begriffe „erstellen“, „berechnen“, „rechnen“, „feststellen“, „generieren“, „konfigurieren“, „modifizieren“ und dergleichen, vorzugsweise auf Handlungen und/oder Prozesse und/oder Verarbeitungsschritte, die Daten verändern und/oder erzeugen und/oder die Daten in andere Daten überführen, wobei die Daten insbesondere als physikalische Größen dargestellt werden oder vorliegen können, beispielsweise als elektrische Impulse. Insbesondere ist der Ausdruck „Computer“ breit auszulegen, um alle elektronischen Geräte mit Datenverarbeitungseigenschaften abzudecken. Computer können somit beispielsweise Personal Computer, Server, Handheld-Computer-Systeme, Pocket-PC-Geräte, Mobilfunkgeräte und andere Kommunikationsgeräte, die rechnergestützt Daten verarbeiten können, Prozessoren und andere elektronische Geräte zur Datenverarbeitung sein, die vorzugsweise auch zu einem Netzwerk zusammengeschlossen sein können.
Unter „rechnergestützt“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Implementierung des Verfahrens verstanden werden, bei dem ein Computer oder mehrere Computer mindestens einen Verfahrensschritt des Verfahrens ausführt oder ausführen.
Unter einem „Prozessor“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise eine Maschine oder eine elektronische Schaltung verstanden werden. Bei einem Prozessor kann es sich insbesondere um einen Hauptprozessor (engl. Central Processing Unit, CPU), einen Mikroprozessor oder einen Mikrokontroller, beispielsweise eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder einen digitalen Signalprozessor, möglicherweise in Kombination mit einer Speichereinheit zum Speichern von Programmbefehlen, etc. handeln. Bei einem Prozessor kann es sich beispielsweise auch um einen IC (integrierter Schaltkreis, engl. Integrated Circuit), insbesondere einen FPGA (engl. Field Programmable Gate Array) oder einen ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung, engl. Application-Specific Integrated Circuit), oder einen DSP (Digitaler Signalprozessor, engl. Digital Signal Processor) handeln. Auch kann unter einem Prozessor ein virtualisierter Prozessor oder eine Soft-CPU verstanden werden. Es kann sich beispielsweise auch um einen programmierbaren Prozessor handeln, der mit einer Konfiguration zur Ausführung des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens ausgerüstet ist.
Unter einer „Speichereinheit“ kann im Zusammenhang mit der Erfindung beispielsweise ein computerlesbarer Speicher in Form eines Arbeitsspeichers (engl. Random-Access Memory, RAM) oder einer Festplatte verstanden werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur automatischen Zugkontrolle mit einer Zentrale und Zügen, wobei die Züge mit einer Schlupferfassungseinrichtung ausgeführt sind, anzugeben, welches mit vergleichsweise geringem Aufwand den Zügen möglichst zuverlässige Vorhersagen der Streckenverhältnisse zur Verfügung stellt. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, einen Zug bzw. eine Zentrale sowie Computerprogramme bzw. Bereitstellungsvorrichtungen für letztere anzugeben, mit der das Verfahren durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs angegebenen Anspruchsgegenstand (Verfahren) erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass

• in den Zügen rechnergestützt jeweils ein Wert für ein aus dem Messwert abgeleitetes Maß für die zwischen Rad und Strecke übertragbare Reibkraft und eine jeweilige Ortsinformation über die Messtelle des Messwertes auf der Strecke an einen Computer in einer Zentrale übertragen wird,
• der Computer den jeweiligen Wert und die jeweilige Messstelle an Züge überträgt, die sich der Messstelle auf der Strecke nähren.

Als Strecke im Sinne der Erfindung ist ein Schienenweg für Züge zu verstehen. Dieser kann eingleisig oder mehrgleisig ausgeführt sein. Es ist ein Verkehr in eine Richtung oder auch in beide Richtungen denkbar. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der Wert des Maßes für die zwischen Rad und Strecke übertragbare Reibkraft (im Folgenden kurz Maß genannt) nicht nur für das Gleis verwendet werden kann, auf dem der fahrende Zug das Maß ermittelt hat, sondern auch für Nachbargleise, da davon auszugehen ist, dass Einflüsse aufgrund des Wettergeschehens, die vorrangig durch das erfindungsgemäße Verfahren erfasst werden sollen, ebenfalls für die Nachbargleise gelten.
Der Messwert quantifiziert den Schlupf an mindestens einem angetriebenen Rad. Aus dem Messwert lässt sich daher ein Wert ableiten, der als Maß für die zwischen Rad und Strecke übertragbare Reibkraft verwendet werden kann. Dies bedeutet, dass der Wert in einem Zusammenhang mit der übertragbaren Reibkraft stehen muss, wobei die übertragbare Reibkraft darüber entscheidet, wie die Traktion einer den Zug antreibenden Lokomotive ist.
Im einfachsten Falle lässt bereits der Schlupf einen Rückschluss auf die übertragbare Reibkraft zu. Schlupf und übertragbare Reibkraft stehen in einem umgekehrt proportionalen Verhältnis zueinander. Der Wert für das Maß ergibt sich insofern aus dem Kehrwert des Messwerts.
Der Wert für das Maß kann verwendet werden, um bei problematischen Streckenverhältnissen die Höchstgeschwindigkeit oder die Bremskurven des Zuges zu verringern, damit ein geforderter Bremsweg eingehalten werden kann. Umgekehrt können die Höchstgeschwindigkeiten und Bremskurven wieder erhöht werden, wenn sich die Streckenverhältnisse wieder verbessern.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat somit den Vorteil, dass Messwerte, die ein fahrender Zug aufgrund der ohnehin im Zug verwendeten Sensorik ermitteln kann, auch für andere Züge genutzt werden können. Hierzu werden die relevanten Streckendaten in der Zentrale gesammelt und Zügen zur Verfügung gestellt, die sich Streckenabschnitten nähren, für die relevante Daten vorliegen. Damit kann eine Anpassung von Höchstgeschwindigkeiten und Bremskurven bereits erfolgen, bevor ein Zug diesbezüglich kritische Streckenabschnitte befährt und nicht erst, wenn diese die kritischen Streckenabschnitte erreicht hat. Hierbei wird eine Sensor-Infrastruktur genutzt, die in den fahrenden Zügen für fotometrische Messungen ohnehin zur Verfügung steht. Auch die Zentrale zur automatischen Zuführung steht im Schienennetz bereits zur Verfügung. Daher lässt sich das Verfahren vorteilhaft mit einem geringen wirtschaftlichen Aufwand durchführen. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich vorzugsweise durch Ergänzung geeigneter Computerprogramme in den Zügen sowie der Zentrale implementieren.
Die Durchführung des Verfahrens wird vereinfacht, wenn eine Datenbank zur Speicherung von Messdaten bzw. Werten für das Maß zur Verfügung steht. Diese kann durch einen Server in der Zentrale zur Verfügung gestellt werden. Alternativ ist es auch möglich, eine Cloud basierte Lösung anzubieten. Dabei können die Daten beispielsweise dezentral in der Cloud gespeichert werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass

• der jeweilige Messwert an eine Traktionsüberwachungseinheit im Zug übergeben wird,
• die Traktionsüberwachungseinheit den Wert für das Maß berechnet.

Die Traktionsüberwachungseinheit enthält ein Prozessor, der das Maß berechnen kann. Als Eingangsgröße dient der Messwert, der in der Schlupferfassungseinrichtung aufgenommen wird. Die Traktionsüberwachungseinheit kann eine gesonderte Einheit darstellen oder in die Infrastruktur der Zugsteuerung integriert sein. Die Zugsteuerung selbst weist ebenfalls mindestens einen Prozessor auf, welcher auch die Aufgaben der Traktionsüberwachungseinheit übernehmen kann. Die Traktionsüberwachungseinheit stellt vorteilhaft die hardwaretechnische Umgebung zur Verfügung, damit das Verfahren im Zug durch ein geeignetes Computerprogramm durchgeführt werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Traktionsüberwachungseinheit neben dem Messwert die Traktionsantriebskraft und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit bei der Berechnung des Wertes des Maßes berücksichtigt. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Maß ein Reibungskoeffizient ist.
Durch Berücksichtigung zusätzlicher Größen wird vorteilhaft die Interpretation des Messwertes erleichtert. Die Traktionsantriebskraft spielt eine Rolle, weil ein Schlupf desto schneller auftritt, je größer die zu übertragende Kraft der Antriebsmaschine ist. Die Fahrzeuggeschwindigkeit spielt eine Rolle, da ein Schlupf tendenziell beim Anfahren sowie bei großen Geschwindigkeiten erhöht ist. Um von dem gemessenen Schlupf möglichst gut auf den zugrunde liegenden Reibungskoeffizienten schließen zu können, sind diese Größen daher von Bedeutung.
Ein Zusammenhang zwischen Schlupf Δv, Fahrzeuggeschwindigkeit v_z und Reibungskoeffizienten kann beispielsweise durch folgende Näherungsformel ausgedrückt werden: $f_{x} = \frac{7,5}{\frac{ν}{k m / h} + 44} + 0,161$
f_x wird auch als Kraftschlussbeiwert bezeichnet. Dieser ist in erster Linie von der Differenz zwischen Rad und Schiene Δv, also dem Schlupf abhängig. Bei zunehmendem Schlupf ergibt sich für den Kraftschlussbeiwert f_x ein Maximum, welches bei weiter zunehmendem Schlupf wieder verlassen wird. Daher gibt es ein Optimum für den Schlupf, bei dem die übertragbaren Kräfte von Rad Schiene am größten ist. Der Kraftschluss bei Wert kann daher vorteilhaft als Maß für die zwischen Rad und Strecke übertragbare Reibkraft verwendet werden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Computer in der Zentrale die jeweiligen Ortsinformationen mit einem Streckenplan abgleicht.
Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, dass das ermittelte Werte des Maßes örtlich in Zusammenhang mit anderen ermittelten Werten des Maßes gebracht werden können. Geht beispielsweise ein Gewitter nieder, so ist dessen Einfluss auf das Streckennetz örtlich beschränkt. Durch Vergleich der Werte im Gebiet dieses Gewitters könnte dessen Ausdehnung und damit dessen Auswirkung auf das Schienennetz erschlossen werden. Wird ein solches Ereignis erkannt (vorzugsweise durch Abgleich mit extern verfügbaren Wetterdaten), können vorteilhaft die durch das identifizierte Gebiet führenden Strecken auch ohne Vorliegen aktueller Werte mit den bereits gemessenen Werten ergänzt werden. Auf diesem Weg entsteht eine Reibwertkarte, welche nicht notwendigerweise in einer grafischen Aufbereitung vorliegen muss, sondern auch aus Einträgen in einer Datenbank bestehen kann. Eine grafische Aufbereitung der Daten ermöglicht es aber, dass beispielsweise in der Zentrale ein Interface für eine menschliche Beurteilung oder Einflussnahme zur Verfügung gestellt wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der jeweils übertragene Wert des Maßes in Abhängigkeit von der Ortsinformationen jeweils für einen definierten Streckenabschnitt im Streckenplan abgespeichert wird.
Diese Ausgestaltung der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die an einer Messstelle ermittelten Daten sich auf ein gewisses Gebiet ausdehnen lassen. Dies liegt daran, dass ein Wettergeschehen wie Niederschläge oder Laubverwehungen auf den Schienen sich immer auf eine gewisse Länge des Streckenabschnittes auswirken. Vorteilhaft können die Streckenabschnitte jeweils durch eine Messung abgedeckt werden, was den Aufwand bei der Durchführung des Verfahrens (Rechenleistung, Speicherplatz) verringert.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der jeweils berücksichtigte Wert für das Maß nicht mehr berücksichtigt wird,

• wenn für die betreffende Ortsinformationen ein aktuellerer Wert übertragen wird, oder
• wenn aus dem übertragenen Wert und dem übertragen aktuelleren Wert oder den übertragenen aktuelleren Werten innerhalb eines Betrachtungszeitraumes ein Mittelwert errechnet wird.

Wenn aktuelle Werte für das Maß dem Computer zur Verfügung gestellt werden, gibt es somit vorteilhaft zwei Möglichkeiten, darauf zu reagieren. Die eine Möglichkeit besteht darin, den aktuelleren Wert im fortlaufenden Verfahren weiter zu verwenden. Hierdurch wird die Reibwertkarte vorteilhaft immer aktuell gehalten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, aus mehreren übertragenen Werten einen Mittelwert zu bilden. Hierdurch wird vorteilhaft die Zuverlässigkeit der Messungen erhöht. Schwankungen, die aufgrund von Messfehlern entstehen, können dadurch geringgehalten werden. Weiterhin ist es auch möglich, auf diesem Wege stark schwankende Wettereinflüsse besser zu beurteilen.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der jeweils übertragene Wert für das Maß nicht mehr berücksichtigt wird, sobald eine vorgegebene Zeitspanne seit der Übertragung vergangen ist.
Die Idee, die Werte für das Maß nach einer vorgegebenen Zeitspanne zu löschen hat den Hintergrund, dass mit den Werten Rückschlüsse auf das Wettergeschehen zugelassen werden sollen. Da sich das Wetter erfahrungsgemäß schnell ändern kann, würde eine zu lange Verwendung der Werte für das Maß eine Sicherheit suggerieren, die nicht gegeben ist. Plötzlich auftretende Schauer können beispielsweise binnen kurzer Dauer die übertragbaren Reibungskoeffizienten auf der Strecke bedeutend verändern. In diesem Falle verlieren bereits berücksichtigte Messwerte ihre Aktualität.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der jeweilige Zug den aktuell ermittelten Wert des Maßes für eine Traktionskontrolle auf der vor dem Zug liegenden Strecke verwendet, wenn für die vor dem Zug liegende Strecke von dem Computer der Zentrale kein Wert für das Maß übertragen wird.
Die Verwendung der im Zug ermittelten Werte für das Maß zur Traktionskontrolle hat den Vorteil, dass auch in Zeiten, in denen die Verkehrsdichte im Schienennetz geringer ist, eine Beeinflussung der Höchstgeschwindigkeiten und Bremskurven möglich ist, ohne dass dem Computer der Zentrale auswertbare Informationen vorliegen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn morgens die Verkehrsdichte im Schienennetz erst wieder zunehmen muss, während in der Nacht aus den vorstehend genannten Gründen die Werte des Maßes wegen Zeitablaufes gelöscht wurden.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem jeweiligen Zug zusätzlich die Außentemperatur und/oder die Luftfeuchtigkeit außerhalb des Zuges und/oder Bilder von der Strecke erfasst und die erfassten Werte an den Computer in der Zentrale übertragen werden.
Die Erfassung zusätzlicher Daten ermöglicht es vorteilhaft, dass der Computer in der Zentrale die übertragenen Werte des Maßes mit Daten korrelieren kann, die eindeutig auf das Wettergeschehen schließen lassen. Dies bedeutet, dass bessere Voraussagen getroffen werden können, warum und in welcher Höhe sich die Werte des Maßes verändert haben, gerade verändern oder verändern werden. Das Verfahren kann damit zuverlässiger ausgeführt werden. Durch Abgleich mit externen Wetterdaten können zusätzliche Aussagen gewonnen werden, die in gleicher Weise ausgewertet werden können.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Werte für das Maß mit den zugehörigen Ortsinformationen von dem Computer in einem Datensatz zusammengeführt werden und

• eine zeitliche Entwicklung der Werte hinsichtlich auftretender Muster untersucht wird und/oder
• die Werte mit externen Wetterdaten abgeglichen werden.

Wird die zeitliche Entwicklung der Werte ausgewertet, so lässt es sich beispielsweise feststellen, wenn eine Drift der Werte bei vergleichbaren Wetterbedingungen eintritt. Dies kann beispielsweise bei einem fortschreitenden Schienenverschleiß der Fall sein. Hierzu ist eine zusätzliche Auswertung der Ortsinformationen erforderlich, damit eine den Schienenverschleiß betreffende Drift bestimmten Streckenabschnitten zugeordnet werden kann. Auch die Räder der Züge verschleißen, weswegen die odometrische Berechnung des Schlupfes gewissen Änderungen unterworfen ist. Eine Auswertung in der Zentrale kann also auch zugspezifisch erfolgen, um Rückschlüsse auf den Verschleiß der Räder zu ermöglichen.
Eine weitere Möglichkeit der Auswertung über einen längeren Zeitraum bezieht sich auf die Erkennung neuer Ereignisse und Wetterphänomene. Das Computerprogramm kann somit selbstlernend ausgeführt sein, sodass die Implementierung einer künstlichen Intelligenz in das Computerprogramm eine Verbesserung der Aussagezuverlässigkeit bei der Interpretation der Werte bewirkt.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch den Computer die Notwendigkeit einer Reinigung eines Streckenabschnitts der Strecke ausgegeben wird, wenn sich die Werte für das Maß innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums nicht verbessern.
Diese erfindungsgemäße Maßnahme zielt vorteilhaft auf die Überwachung der Verschmutzung von Strecken. Hierbei ist insbesondere der Laubfall im Herbst nennen. Nasses Laub auf den Schienen bewirkt eine Art Schmierfilm, die zu einer spürbaren Verschlechterung des Reibungskoeffizienten führt. Um dem zu begegnen, können sogenannte Reinigungsverfahren mit geeigneten Reinigungsfahrzeugen auf der Strecke erfolgen, die durch das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft angefordert können. Hierbei ist es möglich, nur wirklich verschmutzte Schienen zu reinigen und nicht etwa auf Verdacht.
Die genannte Aufgabe wird alternativ mit dem eingangs angegebenen Anspruchsgegenstand (Zug) erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, dass der Zug eine Traktionsüberwachungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zugseitig durchzuführen.
Die genannte Aufgabe wird alternativ mit dem eingangs angegebenen Anspruchsgegenstand (Zentrale) erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, dass der Computer ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 seitens der Zentrale auszuführen.
Mit dem Zug bzw. mit der Zentrale, die das vorstehend erläuterte Verfahren nutzen, lassen sich daher die vorstehend bereits erläuterten Vorteile erreichen.
Des Weiteren wird ein Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Durchführung des genannten erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder dessen Ausführungsbeispielen beansprucht, wobei mittels des Computerprogrammprodukts jeweils das erfindungsgemäße Verfahren und/oder dessen Ausführungsbeispiele durchführbar sind.
Darüber hinaus wird eine Bereitstellungsvorrichtung zum Speichern und/oder Bereitstellen des Computerprogrammprodukts beansprucht.
Die Bereitstellungsvorrichtung ist beispielsweise ein Datenträger, der das Computerprogrammprodukt speichert und/oder bereitstellt. Alternativ und/oder zusätzlich ist die Bereitstellungsvorrichtung beispielsweise ein Netzwerkdienst, ein Computersystem, ein Serversystem, insbesondere ein verteiltes Computersystem, ein cloudbasiertes Rechnersystem und/oder virtuelles Rechnersystem, welches das Computerprogrammprodukt vorzugsweise in Form eines Datenstroms speichert und/oder bereitstellt.
Diese Bereitstellung erfolgt beispielsweise als Download in Form eines Programmdatenblocks und/oder Befehlsdatenblocks, vorzugsweise als Datei, insbesondere als Downloaddatei, oder als Datenstrom, insbesondere als Downloaddatenstrom, des vollständigen Computerprogrammprodukts. Diese Bereitstellung kann beispielsweise aber auch als partieller Download erfolgen, der aus mehreren Teilen besteht und insbesondere über ein Peer-to-Peer Netzwerk heruntergeladen oder als Datenstrom bereitgestellt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt wird beispielsweise unter Verwendung der Bereitstellungsvorrichtung in Form des Datenträgers in ein System eingelesen und führt die Programmbefehle aus, sodass das erfindungsgemäße Verfahren auf einem Computer zur Ausführung gebracht wird oder das Erstellungsgerät derart konfiguriert, dass dieses das erfindungsgemäße Werkstück erzeugt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
Es zeigen:

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäßen Züge und ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Zentrale, wobei diese ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführen,
2 qualitativ den Zusammenhang zwischen Schlupf Δv und Kraftschlussbeiwert f_x in einem Koordinatensystem,
3 ein schematisches Ablaufdiagramm für das erfindungsgemäße Verfahren,
4 und 5 ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Berechnungsverfahren des Schlupfes anhand der schematischen Darstellung rollender Räder.

In 1 ist die Maßnahme zu erkennen, auf jeden Zug 10, 20 eine erfindungsgemäße Traktionsüberwachungseinheit 12, 22 zu installieren, die z.B. sekündlich die aktuellen Schlupfwerte über eine Schlupferfassungseinrichtung 11, 21 von den angetriebenen Radachsen abfragt, während die Achsen angetrieben werden oder stillstehen. Die Traktionsüberwachungseinheit 12, 22 berechnet aus dem aktuellen Schlupfwert, der Traktion, der Traktionsantriebskraft und der Fahrzeuggeschwindigkeit den Reibwert zwischen Rad und Schiene und meldet diesen an ein Zugüberwachungsgerät 14, 24, damit dieses bei schlechteren oder besseren Reibwerten zwischen Rad und Schiene automatisch ein dazu passendes Bremsvermögen des Zuges auswählen kann.
Wenn die Traktionsüberwachungseinheit 12, 22 kleinere Reibwerte oder durchdrehende Räder auf der Schiene erkennt, ist es aufgrund der sehr langen Bremswege von Zügen aber meist schon zu spät, um ein anderes Bremsvermögen auf dem angeschlossenen Zugüberwachungsgerät 14, 24 auszuwählen und den Zug im Bedarfsfall früher zu stoppen. Deshalb sendet gemäß 1 in Verbindung mit 2 jede Traktionsüberwachungseinheit 12, 22 die berechneten aktuellen Reibwerte und Schlupfwerte mit der vom Zugüberwachungsgerät 14 abgefragten aktuellen Position (z.B. in Meter seit der zuletzt überfahrenden Signalnummer oder unter Auswertung eines GPS-Signals), Fahrzeuggeschwindigkeit VZ und Fahrtrichtung R seines Zuges über eine Funkverbindung mit Funkantennen 13, 23, 03 an einen Computer 02 einer Zentrale 01.
In einer Zentrale 01 erfasst ein Computer 02 die aktuell als Funksignale 06 empfangenen Werte für das Maß für alle Gleisstrecken mit der Uhrzeit ihrer Messung als Zeitinformation in einer Gleisreibwertkarte in der Datenbank 04 als Speichereinheit. Die Gleisreibwertkarte muss nicht als Karte im engeren Sinne (Graphik) vorliegen. Diese kann auch ein Datensatz aus Gleisreibwerten oder Kraftschlussbeiwerten als Werte für das Maß sein, die mit dem Streckennetz als Streckenplan SP repräsentierenden Daten unter Berücksichtigung der empfangenen Ortsinformationen korreliert wird. Auch ein Fahrplan FP kann Berücksichtigung finden, was die Identifizierung und Lokalisierung der Züge 10, 20 erleichtert.
Da auf jedem Gleis Züge 10, 20 im Abstand von z. B. fünf Minuten fahren und über Parallelgleise mehrere Züge in die gleiche oder entgegengesetzte Richtung fahren, wird die Gleisreibwertkarte in der Datenbank 04 ständig aktuell gehalten. Dabei können die Reibwerte für die Abschnitte parallel verlaufender Gleise einer Strecke 05 zusammengefasst werden, da diese gleichen Wetterverhältnissen wie Regen oder verwehtes Laub unterworfen sind. In der Gleisreibwertkarte können die Reibwerte, die nur einige Meter entfernt und einige Minuten auseinander liegen, als eine Messstellen M1, M2 zusammengefasst werden. Beim Zusammenfassen der Reibwerte sollen neuere Messwerte, die aktuell schlechtere, d. h. kleinere Reibwerteanzeigen, oder die Reibwerte von höheren Fahrzeuggeschwindigkeiten bevorzugt werden. Über den zeitlichen Verlauf mehrerer aufgezeichneter Reibwerte an der gleichen Messstelle M1, M2 kann bei kleiner werdenden Reibwerten einsetzender Regen oder Laub auf der Schiene erkannt werden und bei größer werdenden Reibwerten ihr Aufhören. In der Gleisreibwertkarte werden veraltete Reibwerte gelöscht, wenn sie z.B. älter als eine Stunde sind.
Wenn die Zentrale 01 von einer Traktionsüberwachungseinheit 22 die Reibwerte eines aktuellen Zuges 20 mit seiner Position, Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrtrichtung R empfängt, kann die Zentrale 01 über den Streckenplan, der in einer Datenbank 04 gespeichert ist, ermitteln, in welche Gleisabschnitte der Zug demnächst fährt, und die dafür bereits von der Traktionsüberwachungseinheit 12 anderer Züge 10 aufgezeichneten aktuellen Reibwerte mit ihrer Position an die Traktionsüberwachungseinheit 22 des aktuellen Zuges 20 zurücksenden. Alternativ kann die Traktionsüberwachungseinheiten 22 für ihre zukünftige Zugposition die gespeicherten aktuellen Reibwerte von der Zentrale 01 abfragen.
Die Traktionsüberwachungseinheit 22 empfängt von der Zentrale 01 über eine Funkverbindung 06 mit Funkantennen 03, 23 die Reibwerte mit Positionen vor dem Zug. Die Anzahl der übertragenen, aktuell vorhandenen Reibwerte legt die Genauigkeit der Reibwerte vor dem Zug 20 fest, die in die Berechnung des gesamten Reibwerts eingehen. Sind keine Reibwerte in der Zentrale 01 vorhanden, werden nur die aktuellen Reibwerte der eigenen Schlupferfassungseinrichtung 21 verwendet. Wenn aktuelle Reibwerte von der Zentrale empfangen werden, wird der Mittelwert aus ihnen an das angeschlossene Zugüberwachungsgerät 24 gesendet. Dadurch erhält ein Zugüberwachungsgerät 24 nicht nur aktuellen Reibwerte zwischen Rad und Schiene, sondern auch die von anderen Zügen gemeldeten Reibwerte, die auf der Fahrtroute vor dem Zug liegen. Die hier vorgestellten Algorithmen zur Messung, Gewichtung und Gültigkeitszeit der zusammengefassten Reibwerte können ihre Parameter aus den Erfahrungen über durchgeführte Feldtests noch ändern. Alternativ kann die Zentrale 01 mit Computer 02 und Datenbank 04 auch eine Daten-Cloud nutzen.
Als Erweiterung können an jedem Zug Temperatursensoren die aktuelle Außentemperatur TMP und Feuchtigkeitssensoren die aktuelle Luftfeuchtigkeit HMD messen und Kameras durch Aufnehmen von Bildern PIC (vgl. 3) Laub auf den Schienen erkennen. Die so ermittelten Gleiswetterdaten können zusätzlich von jeder Traktionsüberwachungseinheit über die Zentrale ausgetauscht und in einer Gleiswetterkarte gespeichert werden.
Die Traktionsüberwachungseinheiten können dann auch diese untereinander ausgetauschten Gleiswetterdaten nutzen, um aktuelle Reibwerte zu berechnen oder den Triebwagenführern das vorausliegende Gleiswetter mitzuteilen.
Außerdem kann die Zentrale über die Gleisreibwertkarte oder Gleiswetterkarte dem Fahrdienstleiter der Leitzentrale mitteilen, welche Gleisabschnitte mit einem Reinigungsfahrzeug gereinigt werden müssen.
In 2 ist der Kraftschlussbeiwert f_x in Abhängigkeit vom Schlupf Δv dargestellt. Es wird gemäß 2 zwischen drei Fällen entschieden. f_x1 stellt den Kraftschlussbeiwert bei trockener Strecke dar. f_x2 stellt den Kraftschlussbeiwert bei nasser Strecke dar. Schließlich stellt f_x3 den Kraftschlussbeiwert bei Bildung eines Schmierfilms, beispielsweise Öl oder nassem Laub, dar. Es wird deutlich, dass sich aufgrund des höchsten Maximalkraftschlussbeiwerts f_xmax1 bei trockener Strecke die größten Kräfte übertragen lassen. Bei nasser Strecke sinkt das Maximum für den Kraftschlussbeiwert auf f_xmax2 und bei Vorliegen eines Schmierfilms noch weiter auf f_xmax3. Gleichzeitig steigt der erforderliche Schlupf, der zur Erreichung des Maximums zugelassen werden muss. Dies wird im Betrieb des Zuges durch die Schlupferfassungseinrichtung 11, 21 sichergestellt. Diesbezüglich zeigt sich, dass der vorliegende Schlupf einen direkten Rückschluss auf die maximal erreichbaren Kraftschlussbeiwerte hat, weswegen dieser als Maß für die übertragbare Reibkraft zwischen Rad und Schiene herangezogen werden kann.
In 3 ist der Ablauf des Verfahrens schematisch dargestellt. Anhand einer Trennlinie 15 wird deutlich, dass das Verfahren eine Durchführung an unterschiedlichen Orten, nämlich in den Zügen 10 und in der Zentrale 01 erforderlich macht. Die Trennlinie 15 kennzeichnet somit auch Schnittstellen zwischen den einzelnen Verfahrensschritten. Die Schnittstelle gemäß 3 ist eine Funkschnittstelle, die über die Antennen 03, 13 betrieben wird.
Überfährt der Zug 10 auf der Strecke 05 die Messstelle M1 in Richtung R, werden Messwerte MW erfasst. Diese werden in einem Berechnungsschritt CALC in Werte für das Maß transformiert und für die Messstelle M1 an die Zentrale 01 übertragen. In dem dort verfügbaren Computer wird ein Interpretationsschritt INT durchgeführt, wobei die Werte für das Maß mit dem Zugfahrplan, dem Streckenplan und allgemein verfügbaren Wetterdaten abgeglichen werden können. Mit der Datenbank erfolgt ein Datenabgleichschritt DAT, wobei nicht mehr aktuelle Werte gelöscht werden können und über eine Langzeiterfassung auch eine Drift der Werte festgestellt werden kann. Weiterhin können Korrekturen für Parameter des rechnergestützten Interpretationsverfahrens vorgenommen werden, wenn sich herausstellt, dass bei der Beurteilung der Werte für das Maß systematische Fehler vorliegen.
In einem Kartenerstellungsschritt wird aus dem beim Interpretationsschritt durchgeführten Abgleich mit dem Streckenplan eine Gleisreibwertkarte erstellt werden. Diese enthält auch andere verfügbare Informationen, beispielsweise diejenige der Messstelle M2, die durch einen in Richtung R auf der Strecke 05 vorausfahrenden Zug (nicht dargestellt) bereits ermittelt wurde. Da der Zug 10 die Messstelle M2 bald erreichen wird, sendet der Computer aus der Zentrale 01 die verfügbaren Daten an den Zug 10. Diese kann für die einzusetzenden Bremskurven sowie zu vertretenden Höchstgeschwindigkeiten (in Abhängigkeit von der Wetterlage) eine Modifizierung Schritte durchführen. In dessen Folge werden Höchstgeschwindigkeit und Bremskurve geändert.
Verändern sich schlechte Gleisreibwerte an einer Messstelle M1, M2 über einen längeren Zeitraum nicht, kann eine Anforderung DMD für einen Reinigungsschritt CLN erfolgen, der durch ein Reinigungsfahrzeug auf dem entsprechenden Streckenabschnitt durchgeführt wird.
Der Messwert kann der Schlupf zwischen Rädern und Schiene sein, wie dies durch einen Vergleich der 4 und 5 zum Ausdruck kommt.
Der Schlupf 5 berechnet sich aus dem Verhältnis der Winkelgeschwindigkeit ω eines angetrieben, gebremsten Rades zu der Winkelgeschwindigkeit ω₀ eines mitlaufenden, nicht angetrieben, ungebremsten Rades:
$S = \frac{ω - ω_{0}}{ω_{0}}$
dabei ist für den Sonderfall ω₀ = 0 anzusetzen: S = 0
Die Winkelgeschwindigkeiten ω und ω₀ können z.B. mit einem Wegimpulsgeber auf den Radachsen aus der Drehzahl n ermittelt werden: $ω = 2 π n$
Mit dem zugehörigen bekannten Raddurchmesser d kann der Radumfang U und die Radumfangsgeschwindigkeit v berechnet werden: $U = d π umgestellt : d = \frac{U}{π}$
$ν = ω \frac{d}{2} = n U umgestellt : ω = \frac{2 ν}{d}$
Damit kann der Schlupf S (auch Δv genannt) aus dem Verhältnis der Radumfangsgeschwindigkeit v eines angetrieben, gebremsten Rades zu der Radumfangsgeschwindigkeit vo eines mitlaufenden, nicht angetrieben, ungebremsten Rades berechnet werden:
$S = \frac{v - v_{0}}{v_{0}}$
dabei ist für den Sonderfall ν₀ = 0 anzusetzen: S = 0 Bei einer vollständigen Radumdrehung ohne Schlupf (4) wird eine Strecke vom Umfang U des Rades abgefahren und dabei legt die Radachse die gleiche Strecke U zurück. Damit ist bei einem rollenden Rad ohne Schlupf die Radumfangsgeschwindigkeit v₀ mit der Fahrzeuggeschwindigkeit v_z. Gibt es keinen Wegimpulsgeber an einem mitlaufenden, nicht angetrieben, ungebremsten Rad, kann die aktuelle Fahrzeuggeschwindigkeit v_z auch mit einem Radar, GPS oder anderen Geschwindigkeitsmessern ermittelt werden.
Bei einem angetriebenen Rad (5) gleitet dieses je nach Kraftschlussbeiwert (Reibungskoeffizient) zur Schiene weniger oder mehr (Durchdrehen) und hat durch die höhere Winkelgeschwindigkeit ω bzw. höhere Radumfangsgeschwindigkeit v einen geringen oder stärkeren Antriebsschlupf S > 0 zur aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit v_z.
Bei einem gebremsten Rad gleitet dieses gemäß 5 je nach Kraftschlussbeiwert (Reibungskoeffizient) zur Schiene weniger oder mehr oder blockiert und hat durch die niedrigere Winkelgeschwindigkeit ω bzw. niedrigere Radumfangsgeschwindigkeit v einen geringen oder stärkeren Bremsschlupf S < 0 zur aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit v_z.
Da ein Zug aufgrund seines hohen Gewichts keine sprunghaften Beschleunigungen oder Verzögerungen macht, kann zusätzlich durch Vergleich der zuletzt ermittelten Radumfangsgeschwindigkeiten v_(t-n) bei seiner sprunghaften Veränderung ein einsetzender Schlupf S erkannt werden.
Bezugszeichenliste

01: Zentrale
02: Computer
03, 13, 23: Funkantenne
04: Datenbank
05: Strecke
11, 21: Schlupferfassungseinrichtung
12, 22: Traktionsüberwachungseinheit
14, 24: Zugüberwachungsgerät
15: Trennlinie
R: Richtung
M1, M2: Messstelle
MW: Messwert
CALC: Berechnungsschritt
INT: Interpretationsschritt
DAT: Datenabgleichschritt
MAP: Kartenerstellungsschritt
MOD: Anpassungsschritt
DMD: Anforderung
CLN: Reinigungsschritt

Claims

Verfahren zur automatischen Zugkontrolle, bei dem • Züge auf einer Strecke (05) mit einer Zentrale (01) Daten austauschen, • die Züge jeweils mit einer Schlupferfassungseinrichtung (11, 21) einen Messwert (MW) für den Radschlupf mindestens eines angetriebenen Rades des Zuges ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass • in den Zügen rechnergestützt jeweils ein Wert für ein aus dem Messwert (MW) abgeleitetes Maß für die zwischen Rad und Strecke (05) übertragbare Reibkraft und eine jeweilige Ortsinformation über die Messtelle des Messwertes (MW) auf der Strecke (05) an einen Computer (02) in einer Zentrale (01) übertragen wird, • der Computer (02) den jeweiligen Wert für das Maß und die jeweilige Messstelle (M1, M2) an Züge überträgt, die sich der Messstelle (M1, M2) auf der Strecke (05) nähern.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass • der jeweilige Messwert (MW) an eine Traktionsüberwachungseinheit (12, 22) im Zug übergeben wird, • die Traktionsüberwachungseinheit (12, 22) den Wert für das Maß berechnet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsüberwachungseinheit (12, 22) neben dem Messwert (MW) die Traktionsantriebskraft und/oder die Fahrzeuggeschwindigkeit bei der Berechnung des Wertes des Maßes berücksichtigt.
Verfahren einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß ein Reibungskoeffizient oder ein Wert für den Schlupf ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Computer (02) in der Zentrale (01) die jeweiligen Ortsinformationen mit einem Streckenplan abgleicht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils bereits berücksichtigte Wert des Maßes in Abhängigkeit von der Ortsinformationen jeweils für einen definierten Streckenabschnitt im Streckenplan abgespeichert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils übertragene Wert für das Maß nicht mehr berücksichtigt wird, • wenn für die betreffende Ortsinformationen ein aktuellerer Wert übertragen wird, oder • wenn aus dem übertragenen Wert und dem übertragen aktuelleren Wert oder den übertragenen aktuelleren Werten innerhalb eines Betrachtungszeitraumes ein Mittelwert errechnet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils übertragene Wert für das Maß nicht mehr berücksichtigt wird, sobald eine vorgegebene Zeitspanne seit der letzten Übertragung vergangen ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Zug den aktuell ermittelten Wert für das Maß für eine Traktionskontrolle auf der vor dem Zug liegenden Strecke (05) verwendet, wenn für die vor dem Zug liegende Strecke (05) von dem Computer (02) der Zentrale (01) kein Wert für das Maß übertragen wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in dem jeweiligen Zug zusätzlich die Außentemperatur und/oder die Luftfeuchtigkeit außerhalb des Zuges und/oder Bilder von der Strecke (05) erfasst und die erfassten Werte an den Computer (02) in der Zentrale (01) übertragen werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für das Maß mit den zugehörigen Ortsinformationen von dem Computer (02) in einem Datensatz zusammengeführt werden und • eine zeitliche Entwicklung der Werte hinsichtlich auftretender Muster untersucht wird und/oder • die Werte mit externen Wetterdaten abgeglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das durch den Computer (02) die Notwendigkeit einer Reinigung eines Streckenabschnitts der Strecke (05) ausgegeben wird, wenn sich die Werte für das Maß innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums nicht verbessern.
Zug mit einer Schlupferfassungseinrichtung (11, 21) für den Radschlupf mindestens eines angetriebenen Rades, dadurch gekennzeichnet, dass der Zug eine Traktionsüberwachungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche zugseitig durchzuführen.
Zentrale (01) zur automatischen zu Kontrolle mit einem Computer (02) dadurch gekennzeichnet, dass der Computer (02) ausgebildet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 seitens der Zentrale (01) auszuführen.
Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Zug gemäß Anspruch 13.
Computerprogrammprodukt mit Programmbefehlen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Computer (02) einer Zentrale (01) gemäß Anspruch 14.
Bereitstellungsvorrichtung für das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Bereitstellungsvorrichtung das Computerprogrammprodukt speichert und/oder bereitstellt.