DE102019211934B4

DE102019211934B4 - Verfahren zur Bestimmung einer Zuggeschwindigkeit eines Zugs mit mindestens einem Wagen

Info

Publication number: DE102019211934B4
Application number: DE102019211934.4A
Authority: DE
Inventors: Ulf Friesen; Frank Günther; Sebastian Rehberger
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2019-08-08
Filing date: 2019-08-08
Publication date: 2021-05-27
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: DE102019211934A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung einer Zuggeschwindigkeit (vZug) eines Zugs aufweisend zumindest einen Wagen mit den Schritten:- Bestimmen einer Geschwindigkeit, insbesondere einer Radgeschwindigkeit (v, ωAchse, vOdo), als eine Eingangsgröße für ein Beobachtermodell (2);- Bestimmen einer Beschleunigung (a) als eine Eingangsgröße für das Beobachtermodell (2);- Eingeben der Eingangsgrößen in das Beobachtermodell (2);- Erfassen von, insbesondere in einzelne Wagen des Zugs, von außen eingeleiteten Kräften (Fx);- Eingeben der in die einzelnen Wagen des Zugs von außen eingeleiteten Kräfte als Eingangsgröße in das Beobachtermodell (2) und- Ermitteln von Zustandsgrößen durch das Beobachtermodell (2), wobeieine Ausgangsgröße die Zuggeschwindigkeit (vZug) ist, wobeiein Fahrwiderstand, aufweisend einen Luftwiderstand, als eine der von außen eingeleiteten Kräfte (Fx) ermittelt wird, wobeieine Geschwindigkeit eines Gegenwinds ermittelt wird, um den Luftwiderstand des Zugs zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Zuggeschwindigkeit eines Zugs mit mindestens einem Wagen, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, ein Fahrzeug sowie ein Computerprogrammprodukt.
Eine genaue Kenntnis einer Position, einer Geschwindigkeit und einer Verzögerung oder Beschleunigung von Schienenfahrzeugen ist Grundlage für eine Vielzahl von Verbesserungsmöglichkeiten von betrieblichen Abläufen im Schienenfahrzeugverkehr.
Jedoch sind gemessene Größen zur Bestimmung der Position, der Geschwindigkeit und der Verzögerung oder Beschleunigung, die mit vertretbarem Aufwand direkt gemessen werden, in vielen Fällen mit großen Messfehlern behaftet.
Bei einer Positionsermittlung mittels Satelliten, nämlich mittels eines globalen Satellitennavigationssystems (GNSS), wie etwa GPS, Galileo oder GLONASS, ist der wahren Position ein mittelwertfreies Messrauschen überlagert, deren Standardabweichung aus der Anzahl von empfangenen Satelliten abzuschätzen ist. Bei einer schlechten Empfangslage kann sich die Genauigkeit jedoch drastisch verringern, oder der Empfang kann, beispielsweise in einem Tunnel, vollständig ausfallen.
Eine Positionsermittlung mittels Zugbeeinflussungssystemen ist im Allgemeinen nur punktuell oder abschnittsweise möglich, und ist somit nicht für eine kontinuierliche Auswertung geeignet.
Ein Geschwindigkeitssignal aus dem sogenannten Gleitschutz, das entweder von einem Referenzradsatz zur Verfügung gestellt wird oder über mehrere oder alle Radsätze ermittelt wird, weist das Problem auf, dass eine systematische Messungenauigkeit, aufgrund eines nicht genau bekannten Raddurchmessers, die sich über die Zeit langsam verändert, verursacht werden kann. Weitere Messungenauigkeiten können durch einen über eine Kraftübertragung beim Bremsen oder Beschleunigen erzeugten Schlupf des Radsatzes entstehen. Durch einen nicht angetriebenen und ungebremsten Radsatz, dem Referenzradsatz, können zwar Messabweichungen durch den Schlupf minimiert werden, jedoch ist dies mit einem zusätzlichen Aufwand an Bauteilen und bei der Montage verbunden bzw. ist ein ungebremster Radsatz nicht erwünscht.
Eine Erfassung einer Längsbeschleunigung ist zwar über eine aus Impulsgebern abgeleitete Geschwindigkeitserfassung kostengünstig möglich, jedoch muss die erfasste Längsbeschleunigung um einen Erdbeschleunigungsanteil kompensiert werden. Werden zur Erfassung der Längsbeschleunigung Beschleunigungssensoren verwendet, muss dieser Fehler nicht kompensiert werden, jedoch können diese eine Drift aufweisen, welche aus Integration ermittelte Geschwindigkeiten und Wege erfahrungsgemäß stark verfälschen oder sogar unbrauchbar machen.
Eine Brems- oder Beschleunigungskraft lässt sich näherungsweise aus Zustandsgrößen eines Antriebs oder einer Bremse ermitteln. Jedoch ergeben sich, beispielsweise aus Unkenntnis eines genauen Reibwerts zwischen Bremsscheibe und Bremsbelag und eines genauen Kraftangriffspunkts oder auch der nichtidealen Kraftübertragung, Ungenauigkeiten bei der Ermittlung dieser Kräfte.
Aus der DE 10 2014 226 612 A1 ist ein Verfahren zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines Schienenfahrzeugs bekannt.
Aus der DE 10 2017 213 970 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen von Veränderungen im längsdynamischen Verhalten eines Schienenfahrzeugs bekannt.
Aus der DE 10 2005 001 403 A1 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen der tatsächlichen Fahrgeschwindigkeit eines Schienenfahrzeuges bekannt.
Schließlich ist aus der DE 37 39 271 A1 eine Einrichtung zur Weg- und Geschwindigkeitsmessung bei spurgebundenen Fahrzeugen bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Geschwindigkeit eines Zugs mit mindestens einem Wagen aus ungenauen oder unvollständigen Messdaten genau zu bestimmen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Als Wagen wird in diesem Dokument ein Bestandteil eines Zugs bezeichnet, der insbesondere mit anderen Wagen gekoppelt werden kann oder der gegenüber dem restlichen Zug Freiheitsgrade aufweist. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Waggon oder um einen Teil eines Triebzuges, der gelenkig mit einem anderen Teil gekoppelt ist, handeln. Demgegenüber kann jedoch auch ein separates Schienenfahrzeug, wie eine Lok, als Wagen bezeichnet werden.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Zuggeschwindigkeit eines Zugs aufweisend zumindest einen Wagen vorgesehen, mit den Schritten:

- Bestimmen einer Geschwindigkeit, insbesondere einer Radgeschwindigkeit, als eine Eingangsgröße für ein Beobachtermodell;
- Bestimmen einer Beschleunigung als eine Eingangsgröße für das Beobachtermodell;
- Eingeben der Eingangsgrößen in das Beobachtermodell;
- Erfassen von, insbesondere in einzelne Wagen des Zugs, von außen eingeleiteten Kräften;
- Eingeben der in die einzelnen Wagen des Zugs von außen eingeleiteten Kräfte als Eingangsgröße in das Beobachtermodell und
- Ermitteln von Zustandsgrößen durch das Beobachtermodell, wobei
- eine Ausgangsgröße die Zuggeschwindigkeit ist, wobei
- ein Fahrwiderstand, aufweisend einen Luftwiderstand, als eine der von außen eingeleiteten Kräfte ermittelt wird, wobei
- eine Geschwindigkeit eines Gegenwinds ermittelt wird, um den Luftwiderstand des Zugs zu bestimmen.

Vorzugsweise weist das Verfahren einen weiteren Schritt auf in dem ein Erfassen einer Position des Zugs als eine Eingangsgröße für ein Beobachtermodell durchgeführt wird.
Eine Radgeschwindigkeit ist dabei vorzugsweise als Radumfangsgeschwindigkeit zu verstehen, die insbesondere durch den Zusammenhang von Raddrehzahl und Radradius bestimmt werden kann. Die Bestimmung beinhaltet dabei vorzugsweise die Erfassung einer entsprechenden Raddrehzahl.
Das Beobachtermodell ist vorzugsweise als regelungstechnisches Beobachtermodell, insbesondere als Luenberger-Beobachter oder als Kalman-Filter ausgebildet, wobei auch andere Modellformen denkbar sind.
Vorzugsweise ist die bestimmte Beschleunigung eine Zugbeschleunigung oder eine Wagenbeschleunigung. Dabei werden weiter bevorzugt Beschleunigungen von mehreren Wagen bestimmt. Die Beschleunigung eines einzelnen Wagens kann dabei auch stellvertretend für die Zugbeschleunigung bestimmt werden, sofern diese an einem Referenzpunkt des Zuges erfasst werden kann, oder auf diesen umgerechnet werden kann. Der Referenzpunkt wird weiter unten erläutert.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung enthält ein Verfahren zur Bestimmung einer Geschwindigkeit eines Zugs aus Schienenfahrzeugen die Schritte: Erfassen einer Position des Zugs mittels eines geschwindigkeits- und beschleunigungsunabhängigen Verfahrens als Messgröße als eine Eingangsgröße für ein regelungstechnisches Beobachtermodell, Bestimmen einer Radgeschwindigkeit mittels eines Impulsgebers als Messgröße als eine Eingangsgröße für das regelungstechnische Beobachtermodell, Bestimmen einer Beschleunigung des Zugs als Messgröße als eine Eingangsgröße für das regelungstechnische Beobachtermodell, Eingeben der Eingangsgrößen in das regelungstechnische Beobachtermodell, Durchführen einer Zustandsbeobachtung der Eingangsgrößen durch das regelungstechnische Beobachtermodell und Ermitteln von Zustandsgrößen, wobei eine der Zustandsgrößen die Geschwindigkeit des Zugs ist.
Vorzugsweise wird die Position des Zuges mittels einer geschwindigkeits- und beschleunigungsunabhängigen Methode, insbesondere mittels einer Positionserfassung eines satellitengestützten Navigationssystems, bestimmt.
Vorzugsweise wird die Radgeschwindigkeit mittels einer geschwindigkeits- und/oder beschleunigungsabhängigen Methode, insbesondere mittels eines Impulsgebers bzw. Drehzahlsensors, als Messgröße bestimmt.
Durch die Überlagerung von geschwindigkeits- und beschleunigungsunabhängigen Messgrößen und geschwindigkeits- und/oder beschleunigungsabhängigen Messgrößen wird eine genaue und stabile Bestimmung der Geschwindigkeit des Zugs ermöglicht.
Die Beschleunigung wird vorzugsweise mittels eines Beschleunigungssensors als Messgröße bestimmt.
Sollte die bestimmte Beschleunigung nicht die Längsbeschleunigung des Zuges sein, so wird vorzugsweise eine Umrechnung der bestimmten Beschleunigung durchgeführt und die Längsbeschleunigung im weiteren Verfahren verwendet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist das regelungstechnische Beobachtermodell ein Kalman-Filter, wie oben erwähnt. Der Kalman-Filter ist ein regelungstechnisches Beobachtermodell, das eine spezielle mathematische Struktur aufweist, die den Einsatz in Echtzeitsystemen ermöglicht. Neben den Zustandsgrößen schätzt der Kalman-Filter auch seinen eigenen Fehler beim Bestimmen der Zustandsgrößen ab.
Wenn das geschwindigkeits- und beschleunigungsunabhängige Verfahren vorteilhafterweise eine Positionserfassung mittels eines satellitengestützten Navigationssystems ist, kann die geschwindigkeits- und beschleunigungsunabhängige Messgröße mit einfachen, bekannten Mitteln weltweit erfasst werden.
Wenn die Beschleunigung des Zugs vorteilhafterweise mittels eines Beschleunigungssensors bestimmt wird, kann die Beschleunigung einfach mit kostengünstigen Mitteln bestimmt werden.
Vorzugsweise wird die Beschleunigung zusammen mit einer Messdrift über Beschleunigungssensoren als eine Eingangsgröße für das Beobachtermodell erfasst, wobei weiter vorzugsweise durch das Beobachtermodell Beschleunigung und Messdrift als separate Zustandsgrößen ermittelt werden. So ist es möglich, die Messdrift im Beobachtermodell zu ermitteln und dadurch die tatsächliche Beschleunigung zu bestimmen bzw. die mittels Beschleunigungssensoren gemessene Beschleunigung zu korrigieren.
In diesem Fall, in dem vorteilhafterweise die Beschleunigung des Zugs und eine Messdrift über Beschleunigungssensoren als eine Eingangsgröße für das Beobachtermodell gemeinsam bestimmt werden und durch das Beobachtermodell als separate Zustandsgrößen ermittelt werden, können sowohl die Beschleunigung als auch die Drift separat bestimmt werden und für weitere Bestimmungen genutzt werden. Die Beschleunigung kann für eine Bestimmung der Geschwindigkeit des Zugs über eine verstrichene Zeit integriert werden und die Drift enthält einen Neigungseinfluss auf die Bestimmung der Geschwindigkeit des Zugs.
Vorzugsweise werden Messgrößen an einem Antrieb, insbesondere Antriebsmomente oder Ströme, zum Bestimmen von Beschleunigungskräften für die Bestimmung der Beschleunigung ermittelt. Bei einer vorteilhaften Verwendung von Messgrößen an einem Antrieb zum Bestimmen von Beschleunigungskräften für die Bestimmung der Beschleunigung des Zugs, können bereits vorhandene oder einfach bereitzustellende Messgrößen ohne großen Aufwand genutzt werden.
Weiter bevorzugt werden Messgrößen an einer Bremse, insbesondere Bremsdrücke, Zuspannkräfte oder Ströme, zum Bestimmen von Verzögerungskräften für die Bestimmung der Beschleunigung ermittelt. Wenn vorteilhafterweise Messgrößen an einer Bremse zum Bestimmen von Verzögerungskräften für die Bestimmung der Beschleunigung des Zugs verwendet werden, können bereits vorhandene oder einfach bereitzustellende Messgrößen ohne großen Aufwand genutzt werden.
Vorzugsweise weist das Verfahren ferner folgende Schritte auf:

- Erfassen von, insbesondere in einzelne Wagen des Zugs, von außen eingeleiteten Kräften; und
- Eingeben der in die einzelnen Wagen des Zugs von außen eingeleiteten Kräfte als Eingangsgrößen in das Beobachtermodell.

Hierdurch kann eine Erhöhung einer Genauigkeit bzw. eine Verbesserung eines Zeitverhaltens bei der Bestimmung der Zustandsgrößen erreicht werden.
Vorzugsweise wird ein Fahrwiderstand, insbesondere aufweisend einen Luftwiderstand und/oder einen Rollwiderstand, vorzugsweise aus der Zuggeschwindigkeit, und/oder ein Steigungswiderstand als eine der von außen eingeleiteten Kräfte ermittelt. Dadurch kann die Erhöhung der Genauigkeit bzw. die Verbesserung des Zeitverhaltens bei der Bestimmung der Zustandsgrößen im Hinblick dieser Eingangsgröße erreicht werden.
Bevorzugt wird ferner eine Geschwindigkeit eines Gegenwinds ermittelt, um den Luftwiderstand des Zugs zu bestimmen. Dadurch kann die Eingangsgröße des Luftwiderstands rasch und genau angepasst werden.
Die von außen eingeleiteten Kräfte werden als Eingangsgrößen des Beobachtermodells bevorzugt bei der Bestimmung der Zuggeschwindigkeit verarbeitet, um die Genauigkeit der Bestimmung der Zuggeschwindigkeit zu verbessern.
Vorzugsweise wird ferner ein Schritt durchgeführt, in dem ein Plausibilisieren einer Konsistenz der von außen eingeleiteten Kräfte als Eingangsgröße mit den Zustandsgrößen des Beobachtermodells oder den Eingangsgrößen durchgeführt wird. So können fehlerhafte oder nicht plausible Eingangsgrößen eliminiert werden.
Das Beobachtermodell weist vorzugsweise ein physikalisches Modell des Zuges auf, wobei insbesondere Elastizitäten der Kupplungen zwischen einzelnen Wagen und/oder Freiheitsgrade zwischen einzelnen Wagen modelliert berücksichtigt werden. So kann insbesondere eine Auswirkung von Kräften, die auf einen Wagen wirken, auf einen anderen Wagen oder auch den gesamten Zug berücksichtigt werden. Ferner kann durch eine Neigungsbestimmung eines Wagens und der Kenntnis einer Streckensteigung die Neigung eines anderen Wagens bestimmt werden.
In dem Zug ist vorzugsweise eine Berechnungsstelle bestimmt und die Eingangsgrößen des Beobachtermodells und/oder die ermittelte Zuggeschwindigkeit werden auf diese Berechnungsstelle umgerechnet. Die Berechnungsstelle repräsentiert somit den gesamten Zug und ist somit Referenzpunkt, um bspw. die Zugposition, die Zuggeschwindigkeit und/oder die Zugbeschleunigung zu bestimmen. Da ein Zug üblicherweise eine erhebliche Längsausdehnung aufweist und Messgrößen, wie Beschleunigung, Position oder Geschwindigkeit, an einem Ende unterschiedlich zu Messgrößen an dem anderen Ende ausfallen können, kann durch eine Umrechnung jede Messung auf die Berechnungsstelle umgerechnet werden.
Wenn die Beschleunigung mittels eines Beschleunigungssensors bestimmt wird, kann eine Geschwindigkeit, insbesondere als Eingangsgröße für das Beobachtermodell, durch Integrieren der Messergebnisse des Beschleunigungssensors über die Zeit bestimmt werden, wobei mittelwertfreie Fehler ohne Filterung und somit ohne Phasenverschiebung beseitigt werden können. Eine grundsätzliche vorhandene Drift der Beschleunigungssensoren kann über die Sensorfusion mit anderen geschwindigkeitsrelevanten Sensoren, beispielsweise einem Impulsgeber für eine Raddrehzahl kompensiert werden. Die Drift kann auch als Zustandsgröße (siehe unten) in dem Beobachtermodell verwendet werden.
Problematisch bei der Verwendung der Radgeschwindigkeit können Zustände sein, in denen das entsprechende Rad schleudert oder blockiert, also in denen die Raddrehzahl nicht mehr mit der tatsächlichen Zuggeschwindigkeit korreliert. Liegt ein solcher Zustand vor, kann durch die Verwendung einer solchen Radgeschwindigkeit, die aus der Raddrehzahl bestimmt wurde, ein Fehler in die Bestimmung der Zuggeschwindigkeit eingebracht werden. Daher müssen derartige Zustände erkannt werden und das Beobachtermodell muss entsprechend reagieren können.
Vorzugsweise weist das Verfahren einen Schritt auf, in dem eine Driftgröße, die die Messdrift repräsentiert, ermittelt wird. Diese Driftgröße wird vorzugsweise durch das Beobachtermodell, besonders bevorzugt als Zustandsgröße des Beobachtermodells, ermittelt. Die Driftgröße ist vorzugsweise als Betrag

- einer Differenz einer tatsächlichen Beschleunigung oder Längsbeschleunigung des Zuges von der gemessenen Beschleunigung oder Längsbeschleunigung des Zuges, und/oder
- einer Differenz einer Beschleunigung oder Längsbeschleunigung, die aus der Drehzahl, vorzugsweise aus der Raddrehzahl, bestimmt wird, von der gemessenen Beschleunigung oder Längsbeschleunigung, und/oder
- einer Differenz der Beschleunigung oder Längsbeschleunigung, die aus der Drehzahl, vorzugsweise aus der Raddrehzahl, bestimmt wird von der tatsächlichen Beschleunigung oder Längsbeschleunigung, definiert.

Vorzugsweise wird eine Driftdynamik durch Ermittlung einer zeitlichen Änderungsrate der Driftgröße ermittelt, wobei bevorzugt der Betrag der Driftdynamik gegen vorbestimmte Maximalwerte verglichen wird und weiter vorzugsweise bei Überschreiten der vorbestimmten Maximalwerte durch den Betrag der Driftdynamik auf einen fehlerhaften Bereitstellungsvorgang der Drehzahl, insbesondere der Raddrehzahl, geschlossen wird, und die vorbestimmten Maximalwerte vorzugsweise Steigungs- und Neigungsänderungen über einem Streckenverlauf, Einbau- und Kalibrierfehler der verwendeten Beschleunigungssensoren und übliche Beschleunigungs- und Verzögerungsdynamiken des Zuges beinhalten.
Aus physikalischen Überlegungen für den Zug mit mehreren Wagen oder für einen separaten Wagen kann abgeschätzt werden, welche Größenordnung die Dynamik dieser Driftgröße maximal annehmen kann. Diese physikalischen Überlegungen schließen vor allem die Steigungs-/Neigungsänderung über dem Streckenverlauf sowie den Einbaufehler und Kalibrierfehler der verwendeten Beschleunigungssensoren und des Weiteren vom Zug abhängige übliche Beschleunigungs- und Verzögerungsdynamiken mit ein.
Diese Information kann genutzt werden, um das Beobachtermodell geeignet zu parametrieren, so dass ohne Kenntnis diskreter Betriebszustände die optimale Berücksichtigung der gemessenen Größen, insbesondere der Radgeschwindigkeit, hinsichtlich der Ermittlung der tatsächlichen Zuggeschwindigkeit erfolgen kann.
Dadurch ergibt sich eine kontinuierliche Nachführung der Driftgröße und eine darauf ermöglichte kontinuierliche Plausibilisierung der Korrelation der Drehzahl bzw. der Raddrehzahl zu der aus der Raddrehzahl ermittelten Radgeschwindigkeit.
Vorzugsweise erfolgt eine Gewichtung zumindest einer der Eingangsgrößen kontinuierlich auf Basis eines Bewertungskriteriums, um den Einfluss dieser Eingangsgröße in dem Beobachtermodell anzupassen. Die Gewichtung kann in einer speziellen Ausführungsform auch komplett auf Null heruntergefahren werden, so dass kein Einfluss der entsprechenden Eingangsgröße im Beobachtermodell wirksam ist. Vorzugsweise wird jedoch der Einfluss mittels der Gewichtung lediglich verringert. Bevorzugt wird dabei die gemessene Drehzahl, Raddrehzahl oder die daraus ermittelte Radgeschwindigkeit gewichtet.
Vorzugsweise wird ein Kalman-Filter als das Beobachtermodell verwendet. Dabei wird weiter bevorzugt eine Varianz eines Messrauschens zumindest einer der Eingangsgrößen des Beobachtermodells angepasst. Auf diese Weise kann die Varianz des Messrauschens, also das Vertrauensmaß, welches anzeigt, wie gut ein Messwert der Realität entspricht, beeinflusst werden, so dass auch hier ein Einfluss der entsprechenden Eingangsgröße reduziert werden kann. Die Veränderung der Varianz kann in einer speziellen Ausführungsform so verändert werden, dass kein Einfluss der entsprechenden Eingangsgröße im Beobachtermodell wirksam ist. Vorzugsweise wird jedoch der Einfluss hierdurch lediglich verringert. Bevorzugt ist davon die gemessene Drehzahl, Raddrehzahl oder die daraus ermittelte Radgeschwindigkeit betroffen.
Vorzugsweise erfolgt die Anpassung des Wertes der Varianz des Messrauschens zumindest einer der Eingangsgrößen oder die Gewichtung zumindest einer der Eingangsgrößen in Abhängigkeit einer Kenngröße, die sich aus Antriebs- und/oder Bremsvorgängen des Zuges oder einzelner Wagen ergibt. Liegt beispielsweise eine starke Antriebskraft an dem Rad an, woraus sich ein relativ hoher Radschlupf ergibt, so wird die Gewichtung der Radgeschwindigkeit, also der Geschwindigkeit, die aus der Raddrehzahl berechnet wurde, reduziert bzw. die Varianz des Messrauschen der Radgeschwindigkeit auf einen Wert verändert, der einem niedrigen Vertrauensmaß entspricht. Auf diese Weise kann der Einfluss der Radgeschwindigkeit als einer Eingangsgröße in diesem Fall reduziert werden.
Vorzugsweise ist eine der Eingangsgrößen des Beobachtermodells die Raddrehzahl und/oder es wird eine Eingangsgröße aus der Raddrehzahl bestimmt. Vorzugsweise wird aus der Raddrehzahl eine Radgeschwindigkeit bestimmt und die Radgeschwindigkeit ist besonders bevorzugt ebenfalls eine der Eingangsgrößen des Beobachtermodells.
Neben den oben beschriebenen Ungenauigkeiten die sich durch Abweichungen zwischen Raddrehzahl und tatsächlicher Zuggeschwindigkeit ergeben können, können auch Ungenauigkeiten in der gemessenen Beschleunigung ein Problem bei der Geschwindigkeitsermittlung darstellen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Zug eine Steigung oder ein Gefälle, also eine Strecke mit einem Steigungswert ungleich Null befährt. Daher müssen derartige Situationen erkannt werden und das Beobachtermodell muss entsprechend reagieren können.
Vorzugsweise wird ein Steigungswert bestimmt, der bevorzugt eine der Eingangsgrößen des Beobachtermodells darstellt, wobei der Steigungswert vorzugsweise gemessen und/oder abgeschätzt und/oder aus einer Datenbasis bestimmt wird, wobei besonders bevorzugt der Steigungswert zur Korrektur der gemessenen Längsbeschleunigung verwendet wird. Der Steigungswert beschreibt die Steigung der Strecke auf der sich der Zug bewegt. Der Steigungswert kann beispielsweise als Winkel oder in Prozent angegeben werden. So kann ein Beschleunigungsanteil in der gemessenen Längsbeschleunigung ausgemacht werden, der aufgrund der ermittelten Steigung zu erwarten ist. Dieser Beschleunigungsanteil kann dann zur Korrektur der gemessenen Längsbeschleunigung verwendet werden.
Zur Bewertung der Radgeschwindigkeit, insbesondere zur Einschätzung, in welchem Maße die Radgeschwindigkeit weiter verwendet werden kann, weist das Verfahren vorzugsweise einen weiteren Schritt auf:

- Bestimmen einer Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit, wobei die Qualität vorzugsweise als Kennwert unter Berücksichtigung mindestens einer der folgenden Größen gebildet wird:
- - einem Bremsdruck und/oder einer Zuspannkraft einer Bremse, die zur Bremsung des Rades ausgebildet ist;
- - einem Strom und/oder einer Spannung einer Vorrichtung, die dazu ausgebildet ist, dem Rad ein Moment aufzuprägen;
- - einem auf das Rad aufgebrachten Antriebs- oder Bremsmoment;
- - einer Gewichtskraft des Wagens, welche durch eine Lasterfassung ermittelt wird;
- - einem Radschlupf des Rades;
- - einer Referenzgeschwindigkeit und/oder einer Zug oder Wagengeschwindigkeit;
- - einem Reibwert zwischen dem Rad und einer Oberfläche auf der das Rad rollt;
- - der erfassten Beschleunigung;
- - einem auf das Rad aufgebrachten Antriebs- oder Bremsmoment;
- - einer globalen Fahrzeuggeschwindigkeit, die insbesondere aus einem Satellitennavigationssystem bestimmt wird;
- - einer Information, ob ein Gleitschutzeingriff vorliegt;
- - einer Information, ob ein Bremseingriff vorliegt;
- - einer Information, ob das entsprechende Rad angetrieben wird.

Eine geringe Qualität der Radgeschwindigkeit ist vorzugsweise dann gegeben, wenn die erfasste Drehzahl bzw. die daraus bestimmte Radgeschwindigkeit nicht mit der tatsächlichen Zuggeschwindigkeit oder auch mit einer tatsächlichen Wagengeschwindigkeit korreliert und/oder von einem Referenzwert, wie eben einer Referenzgeschwindigkeit, abweicht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Rad schleudert oder blockiert, also wenn das Rad ein aufgeprägtes Antriebs- oder Bremsmoment nicht vollständig auf eine Oberfläche, auf der das Rad rollt, übertragen kann.
Vorzugsweise wird die Qualität der Radgeschwindigkeit als Kennwert bestimmt. Dessen Bestimmung ist vorzugsweise so gestaltet, dass der Kennwert sich zu einem Wert verändert, der einer schlechteren Qualität entspricht, wenn ein Bremseingriff stattfindet. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Veränderung des Kennwertes hin zu einem Wert, der einer schlechteren Qualität entspricht, wenn ein Gleitschutzeingriff erfolgt. Alternativ oder zusätzlich erfolgt eine Veränderung des Kennwertes hin zu einem Wert, der einer schlechteren Qualität entspricht, wenn eine Abweichung der erfassten Radgeschwindigkeit von der Referenzgeschwindigkeit einen vorbestimmten Wert über- bzw. unterschreitet.
Der Kennwert der Qualität wird vorzugsweise so bestimmt, dass er, ausgehend von einer bestimmten Zug- oder Wagengeschwindigkeit, bei einem Zustand in dem der Wagen frei rollt, also weder angetrieben noch gebremst wird, einen Wert annimmt, der einer höheren Qualität entspricht, verglichen mit Zuständen bei denen der Wagen angetrieben oder gebremst wird.
In einer besonderen Ausführungsform wird eine Referenzgeschwindigkeit entsprechend dem Verfahren, das in der EP 0 499 947 A1 offenbart ist (Referenzgeschwindigkeit des Gleitschutzes), gebildet.
Vorzugweise wird die Referenzgeschwindigkeit derart gebildet, dass aus sämtlichen Antriebs- oder Bremsgrößen bzw. Antriebs- oder Bremskräften, die auf den Zug, den Wagen oder das Rad wirken, dessen Drehzahl erfasst wird, eine theoretische Geschwindigkeit des Wagens, eben die Referenzgeschwindigkeit, gebildet wird, wobei angenommen wird, dass eine optimale Übertragung der Antriebs- oder Bremskräfte auf die Schiene erfolgt. Dies bedeutet, dass die Referenzgeschwindigkeit damit einer theoretisch möglichen Geschwindigkeit des Zuges oder eines Wagens entspricht, falls das entsprechende Rad nicht schlupfen oder schleudern sollte. Dabei wird in der Ermittlung der Referenzgeschwindigkeit der Einfluss der Trägheit des Zuges oder Wagens mit berücksichtigt. Vorzugsweise wird dabei die Trägheit aus der Masse des Zuges oder Wagens berücksichtigt. Besonders bevorzugt wird zudem eine rotatorische Trägheit von rotierenden Elementen des Zuges oder Wagens, wie z.B. den Rädern, mit berücksichtigt.
So kann vorteilhafterweise die Qualität der ermittelten Radgeschwindigkeit rein aus einem Vergleich der Referenzgeschwindigkeit mit der tatsächlichen Radgeschwindigkeit bestimmt werden. Wird der Zug angetrieben, so drohen die Räder zu schleudern. Sie würden sich also schneller drehen, als es die Trägheit zulassen würde. Die Radgeschwindigkeit wäre in diesem Fall höher als die entsprechende Referenzgeschwindigkeit. Wird der Zug gebremst, so drohen die Räder zu blockieren. Sie würden sich also langsamer drehen, als es die Trägheit zulassen würde, da der Zug durch seine Trägheit die Räder weiter „anschiebt“. Die Radgeschwindigkeit wäre in diesem Fall niedriger als die entsprechende Referenzgeschwindigkeit. In beiden Fällen kann durch Bildung einer Differenz der Beträge von Rad- und Referenzgeschwindigkeit eine Qualität der Radgeschwindigkeit bestimmt werden. Ist die Differenz klein oder sogar gleich Null, so liegt die Radgeschwindigkeit nahe bei der tatsächlichen Geschwindigkeit des Zuges oder des Wagens oder sie entspricht dieser vollständig. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine prozentuale Abweichung oder eine andere Möglichkeit, die Rad- mit der Referenzgeschwindigkeit zu vergleichen, vorgesehen sein.
Die Referenzgeschwindigkeit kann auch vorzugsweise aus mindestens zwei der ermittelten Radgeschwindigkeiten gebildet werden. Die Referenzgeschwindigkeit ist vorzugsweise dazu geeignet, durch Vergleich mit einzelnen Radgeschwindigkeiten nicht plausible Radgeschwindigkeiten, bzw. eine geringe Qualität einer Radgeschwindigkeit zu identifizieren.
Ferner ist auch vorstellbar, mehrere Referenzgeschwindigkeiten, die auf unterschiedliche Weise ermittelt werden, zu verwenden.
Vorzugsweise wird die Varianz des Messrauschens zumindest einer der Eingangsgrößen und/oder die Gewichtung zumindest einer der Eingangsgrößen durch Überschreiten oder Unterschreiten eines Grenzwertes durch die Qualität, insbesondere durch den Kennwert, beeinflusst. Somit kann durch entsprechende Berechnung der Qualität der Radgeschwindigkeit der Einfluss der Radgeschwindigkeit auf die Bestimmung der Zuggeschwindigkeit bzw. auf das Beobachtermodell verändert werden.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Zuggeschwindigkeit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um ein Steuergerät.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, vorgesehen, das insbesondere mindestens einen Wagen aufweist, wobei das Fahrzeug zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist, und/oder wobei das Fahrzeug eine oben beschriebene Vorrichtung aufweist.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Computerprogrammprodukt vorgesehen mit Codemitteln, die auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind und die eine Datenverarbeitungsvorrichtung, vorzugsweise eine oben beschriebene Vorrichtung, dazu veranlassen, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen, wenn die Codemittel auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden.
Die Erfindung wird nun mittels Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Figurenliste

1 eine Prinzipskizze eines Aufbaus zum prinzipiellen Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine Prinzipskizze eines Aufbaus zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
3 eine schematische Darstellung eines Beobachtermodells für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Sensordatenfusion für eine Geschwindigkeit eines Zugs; und
4 zeigt ein Schaubild einer Berechnung einer Qualität der Radgeschwindigkeit.

1 zeigt eine Prinzipskizze eines Aufbaus zum prinzipiellen Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Sensoren 1 erfassen jeweilige Messsignale bzw. Messgrößen, beispielsweise eine Längsbeschleunigung von einem Beschleunigungssensor oder Impulse von einem Impulsgeber zum Bestimmen einer Raddrehzahl. Die Messsignale, die gegebenenfalls fehlerbehaftet sind, werden als Eingangsgrößen in ein Beobachtermodell 2 eingegeben.
Mit Hilfe des Beobachtermodells 2, das als Simulationsmodell eines Systems, wie eines Zugs, fungiert und in das, als Ausgangsgrößen des Systems, die Messsignale der Sensoren 1 als Eingangsgrößen des Beobachtermodells 2 eingegeben werden können, können Zustandsgrößen bestimmt werden. Die Zustandsgrößen können beispielsweise genauere oder korrigierte Messsignale der Sensoren 1 sein. Weiterhin können auch verborgene, zusätzliche Zustandsgrößen bestimmt werden, die nicht oder nur mit großem Aufwand direkt zu messen sind. Die Zustandsgrößen werden mittels Gleichungen, insbesondere Differentialgleichungen, bestimmt, die ein Verhalten der Zustandsgrößen in Bezug auf jeweilige Eingangsgrößen, aber auch gegebenenfalls ein Verhalten der Zustandsgrößen zueinander definieren. Dadurch können durch eine Berücksichtigung von mehreren jeweils relevanten Messsignalen auch bei einzelnen ungenauen oder fehlerhaften Messsignalen durch eine Sensorfusion genaue Zustandsgrößen ermittelt werden und als genaue Ausgangssignale aus dem Beobachtermodell 2 ausgegeben werden. Die Zustandsbeobachtung der Eingangsgrößen erfolgt kontinuierlich. Alternativ kann die Zustandsbeobachtung der Eingangsgrößen auch intermittierend sein oder in verschiedenen Modi durchgeführt werden. Diese genauen Ausgangssignale werden dann für optimierte Algorithmen im Bahnbetrieb, beispielsweise einem Gleitschutz oder einer Neigungserkennung, bereitgestellt und dort verarbeitet.
Das Beobachtermodell 2 kann optional ein Kalman-Filter sein, der eigene Fehler beim Bestimmen der Zustandsgrößen abschätzen kann.
2 zeigt eine Prinzipskizze eines Aufbaus zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mittels einer Satellitennavigation wird eine Position p+V_p eines Zugs, bspw. am Referenzpunkt des Zugs, als Messgröße mittels eines geschwindigkeits- und beschleunigungsunabhängigen Verfahrens als eine Eingangsgröße für das Beobachtermodell 2 erfasst. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Position p durch Kenntnis eines Streckenverlaufs auf eine einzige Koordinate reduziert werden kann. Beim Messen der Position p des Zugs gibt es ein hohes Messrauschen V_p .
Mittels einer Geschwindigkeitserfassung durch Odometrie (bspw. wie für den Gleitschutz oder das Signalsystem verwendet) wird eine Geschwindigkeit v+V_v , bspw. eines Wagens, als Messgröße mittels eines geschwindigkeitsabhängigen Verfahrens, beispielsweise über eine Winkelgeschwindigkeit eines Rads ω_Achse (3), als eine Eingangsgröße für das Beobachtermodell 2 erfasst. Beim Messen der Geschwindigkeit v gibt es ein mittleres Messrauschen V_v .
Mittels eines Sensors, nämlich eines Beschleunigungssensors, wird eine Beschleunigung a, also eine Erhöhung der Geschwindigkeit, oder eine Reduzierung der Geschwindigkeit des Zugs, die mit einer nahezu konstanten Messdrift d überlagert sind, erfasst. Dabei wird die Beschleunigung a nicht separat, sondern nur in Verbindung mit der Drift d als Größe a+d gemessen. Beim Messen dieser Größe gibt es ein geringes Messrauschen V_a . Ein Neigungseinfluss des Zugs kann entweder in der Messdrift d enthalten sein oder durch Kenntnis des Streckenverlaufs aus einem gemessenen Signal herausgerechnet werden. Der Streckenverlauf kann durch On- oder Offboard gespeichertes Kartenmaterial bekannt sein.
Durch das Beobachtermodell 2 werden die Zustandsgrößen Position p̃, Geschwindigkeit ṽ, Beschleunigung ã und Drift d̃ ermittelt und können ausgegeben werden. Die Geschwindigkeit ṽ kann insbesondere als die Zuggeschwindigkeit verwendet werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Beobachtermodells 2 für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Sensordatenfusion für eine Zuggeschwindigkeit v_Zug .
In dem Beobachtermodell 2 werden folgende Größen ermittelt:

- Position des Zugs: p
- Geschwindigkeit des Zugs: p = v
- Beschleunigung des Zugs: v = a

Die Beschleunigung a des Zugs weist dabei ein hohes Prozessrauschen w_a auf: $\dot{a} = w_{a}$
Die Beschleunigung enthält zudem eine Drift d. Diese weist ein im Vergleich zu w_a niedriges Prozessrauschen w_d auf. Für die gemessene Drift d gilt: $\dot{d} = w_{d}$
Mit diesen Zustandsgleichungen ist eine Sensorfusion über das Beobachtermodell vollständig definiert. Die Messungen der Position p, der Geschwindigkeit v und der Beschleunigung a, die die Drift d enthält, werden zur Erhöhung einer Genauigkeit miteinander fusioniert. Obwohl unterschiedliche Größen gemessen werden, gleichen sich Messfehler bei der Fusion teilweise über Mittelung aus. Beispielsweise werden die gemessenen Geschwindigkeit und Beschleunigungen zu einer Glättung des Positionssignals verwendet.
Obwohl die Beschleunigung a und die Drift d nur überlagert gemessen werden können, werden sie durch das Beobachtermodell 2 als separate Zustandsgrößen ermittelt und können somit separat behandelt werden. Eine Separierung der Beschleunigung a und der Drift d erfolgt beispielsweise über einen Abgleich eines zweimal integrierten Beschleunigungssignals a mit einem Positionssignal p.
In der gezeigten Ausführungsform werden in das Beobachtermodell 2 Winkelgeschwindigkeiten ω_Achse,i bis ω_Achse,n als Messgrößen für die Geschwindigkeit, insbesondere für die Radgeschwindigkeit, als Eingangsgrößen in das Beobachtermodell 2 eingegeben und Beschleunigungen a_Wagen,i bis a_Wagen,n als Beschleunigung jeweils eines Wagens des Zuges eingegeben.
Zur Ermittlung von Verzögerungskräften, die auf den Zug wirken, werden Messgrößen von Bremsdrücken p_{c Achse,i} bis p_{c Achse,n} an den Achsen des Zugs als Eingangsgrößen eingegeben.
Darüber hinaus werden sowohl von außen eingeleitete Kräfte als auch Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskräfte als F_x in das Beobachtermodell 2 eingegeben. Hierunter können beispielsweise Luft- und/oder Rollwiderstand, Antriebskräfte oder auch Kräfte einer Bremse, wie bspw. einer Magnetschienenbremse, fallen.
Dazu werden zusätzlich oder alternativ für die Beschleunigungsmessung geeignete Messgrößen an einem Antrieb oder einer Bremse definiert, die es ermöglichen, durch das Beobachtermodell 2 die Beschleunigungs- oder Verzögerungskräfte zu ermitteln. Hierbei sind idealerweise alle bekannten Kräfte einzubeziehen. Insbesondere sind während einer Traktionsphase messbare eingeleitete Antriebskräfte einzubeziehen und während einer Bremsphase sind entsprechende Bremskräfte, wie beispielsweise C-Druck, Mg-Bremse, einzubeziehen. In dem Beobachtermodell 2 können ferner physikalische Zusammenhänge von Fahrwiderständen mit höherer Genauigkeit berücksichtigt werden sowie deren Restfehler während einer Rollphase kompensiert werden. Darüber hinaus können ein Luftwiderstand des Zugs und/oder eine Geschwindigkeit eines Gegenwinds als von außen eingeleitete Kräfte ermittelt werden.
Mit Hilfe des Beobachtermodells 2 können die von außen eingeleiteten Kräfte und die Beschleunigung- bzw. Verzögerungskräfte mit den aus den eingegebenen Messgrößen bestimmten Zuständen konsistent plausibilisiert werden.
Schließlich wird eine mittels eines Satellitennavigationssystems gemessene Geschwindigkeit v_GNSS zur Sensordatenfusion in das Beobachtermodell 2 eingegeben, um eine Genauigkeit der bestimmten Geschwindigkeit des Zugs v_Zug zu verbessern. Alternativ wird die mittels des Satellitennavigationssystems gemessene Geschwindigkeit v_GNSS nicht berücksichtigt.
Aus den eingegebenen Messgrößen und den eingeleiteten Kräften wird die Zustandsgröße der Geschwindigkeit des Zugs v_Zug bestimmt und als Ausgangsgröße ausgegeben.
Neben den in dieser konkreten Ausführungsform gezeigten Eingangsgrößen der Winkelgeschwindigkeiten ω_Achse,i bis ω_Achse,n, der Beschleunigungen a_Wagen,i bis aWagen,n und der Bremsdrücken p_{c Achse,i} bis p_{c Achse,n} können auch andere Größen ergänzend oder alternativ verwendet werden. Beispielsweise kann zur Messung der Geschwindigkeit aus Odometrie auch eine beliebige Drehzahl eines Elements des Zuges erfasst werden, solange die Drehzahl direkt proportional zur der Radumfangsgeschwindigkeit ist. Zur Ermittlung von Kräften, die auf den Zug wirken, können neben oder alternativ zu den Bremsdrücken p_{c Achse,i} bis p_{c Achse,n} auch Antriebsmomente bzw. Bremsmomente oder auch Ströme eines Antriebsmotors erfasst werden.
Durch die Verarbeitung einer Vielzahl von Messgrößen des Zuges ist auch eine Diagnose bzw. Überwachung einzelner Messgrößen möglich, so dass eine Plausibilisierung einzelner Messgrößen durchgeführt werden kann, wobei nicht plausible Messgrößen bei der Ermittlung der Zuggeschwindigkeit v_Zug vernachlässigt werden können. Beispielsweise können einzelne Winkelgeschwindigkeiten ω_Achse,i bis ω_Achse,n untereinander verglichen werden oder auch mit der Geschwindigkeit v_GNSS aus dem Satellitennavigationssystem verglichen werden.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
4 zeigt ein Schaubild einer Berechnung einer Qualität der Radgeschwindigkeit.
Es ist ein Berechnungsblock B gezeigt, der dazu ausgebildet ist, auf Basis von Eingangswerten Q1, Q2, Q3, Q4 die links in den Berechnungsblock B führen, eine Qualität Q der Radgeschwindigkeit v_Odo zu bestimmen. Der Berechnungsblock B gibt auf seiner rechten Seite schließlich die Qualität Q der Radgeschwindigkeit v_Odo aus.
Der Eingangswert Q1 entstammt einem Berechnungsblock, der eine Grundwertberechnung darstellt. Aufgrund von einem oder mehreren Parametern P1, die sich aus dem Betrieb des Zuges oder eines Wagens ergeben, wird hier ein Grundwert für die Qualität Q berechnet, der dann als Eingangswert Q1 an den Berechnungsblock B übermittelt wird. Beispielsweise kann ein Parameter P1 schlicht eine Information sein, ob ein Bremseingriff vorliegt, ob das entsprechende Rad angetrieben wird, oder ob es momentenfrei ist.
Ein weiterer Eingangswert Q2 entstammt einem Berechnungsblock, der speziell Parameter P2 aus dem Gleitschutz des Zuges oder eines Wagens verarbeitet. Wird beispielsweise die Gleitschutzfunktion an dem entsprechenden Rad oder auch an einem anderen Rad ausgelöst, so wird der Eingangswert Q2 entsprechend verändert, so dass anschließend der Berechnungsblock B einen Kennwert, der einer schlechteren Qualität Q entspricht, ausgibt.
Ein weiterer Eingangswert Q3 entstammt einem Berechnungsblock, der als Eingangsgrößen die Radgeschwindigkeit v_Odo sowie eine Referenzgeschwindigkeit v_Ref verarbeitet. Beispielsweise kann aus dem Vergleich der Radgeschwindigkeit v_Odo mit der Referenzgeschwindigkeit v_Ref ein Mindestschlupf ermittelt werden, der sich im Vergleich zu dem Wagen bei Null Schlupf und bei idealer Kraftübertragung zwischen Rad und Schiene einstellen würde. Ein solcher Mindestschlupf kann dann beispielsweise als Eingangswert Q3 in den Berechnungsblock B gegeben werden. Der Eingangswert Q3 kann jedoch auch ein abstrakter Wert sein.
Ein weiterer Eingangswert Q4 entstammt einem Berechnungsblock, der Momente und/oder Kräfte am Rad auswertet und daraus den Eingangswert Q4 bestimmt. Als Eingangsgrößen werden in diesem Beispiel die Größen M und P herangezogen. M repräsentiert dabei eine Größe, die einem Antriebsmoment das auf das Rad wirkt, entspricht, oder eine Größe, aus der das Antriebsmoment des Rades bestimmt werden kann. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Strom eines Elektromotors handeln. Die Größe P repräsentiert eine Größe, die einem Bremsmoment das auf das Rad wirkt, entspricht, oder eine Größe, aus der das Bremsmoment des Rades bestimmt werden kann. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Strom einer Wirbelstrombremse, um einen Bremsdruck o.ä. handeln. Aus einer solchen Größe M, P kann auch eine Kraft zwischen Schiene und Rad, die einer Antriebs- oder Bremskraft entspricht, bestimmt werden. Sind die Größen M, P relativ hoch, so kann ein Eingangswert Q4 bestimmt werden, der im Berechnungsblock B die Berechnung einer niedrigeren Qualität Q veranlasst, verglichen mit einem Zustand mit niedrigeren Größen M, P.
In einer speziellen Ausführungsform ist der Berechnungsblock B als Additionsoperator ausgebildet, der die Eingangswerte Q1, Q2, Q3, Q4 addiert und dadurch als Summe die Qualität Q bildet.
Die Verarbeitung der Eingangswerte Q1, Q2, Q3, Q4 kann ferner auch gewichtet erfolgen.
Darüber hinaus sind Ausführungsformen zur Qualitätsberechnung denkbar, die lediglich einen Teil der hier gezeigten Eingangswerte Q1, Q2, Q3, Q4 verarbeitet.
Bezugszeichenliste

1: Sensor/Sensoren
2: Beobachtermodell
p: Position
Vp: Messrauschen der Positionsmessung
v: Geschwindigkeit
vWagen: Wagengeschwindigkeit
Vv: Messrauschen der Geschwindigkeitsmessung
a: Beschleunigung
aZug: Zugbeschleunigung
d: Drift
Va: Messrauschen der Messung von Beschleunigung plus Drift
vZug: Zuggeschwindigkeit
p̃: Zustandsgröße Position
ṽ: Zustandsgröße Geschwindigkeit
ä: Zustandsgröße Beschleunigung
d̃: Zustandsgröße Drift
Pc Achse: Bremsdruck Achse
ωAchse: Radgeschwindigkeit/Winkelgeschwindigkeit Achse
aWagen: Wagenbeschleunigung
Fx: eingeleitete Kräfte
vGNSS: Geschwindigkeit aus Satellitennavigation
wa: Prozessrauschen Beschleunigung
wd: Prozessrauschen Drift
B: Berechnungsblock
M: Antriebsmoment repräsentierende Größe
P: Bremsmoment repräsentierende Größe
P1: Parameter
P2: Parameter
P3: Parameter
P4: Parameter
Q: Qualität
Q1: Eingangswert
Q2: Eingangswert
Q3: Eingangswert
Q4: Eingangswert
vOdo: Radgeschwindigkeit
vRef: Referenzgeschwindigkeit

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Zuggeschwindigkeit (v_Zug) eines Zugs aufweisend zumindest einen Wagen mit den Schritten: - Bestimmen einer Geschwindigkeit, insbesondere einer Radgeschwindigkeit (v, ω_Achse, v_Odo), als eine Eingangsgröße für ein Beobachtermodell (2); - Bestimmen einer Beschleunigung (a) als eine Eingangsgröße für das Beobachtermodell (2); - Eingeben der Eingangsgrößen in das Beobachtermodell (2); - Erfassen von, insbesondere in einzelne Wagen des Zugs, von außen eingeleiteten Kräften (F_x); - Eingeben der in die einzelnen Wagen des Zugs von außen eingeleiteten Kräfte als Eingangsgröße in das Beobachtermodell (2) und - Ermitteln von Zustandsgrößen durch das Beobachtermodell (2), wobei eine Ausgangsgröße die Zuggeschwindigkeit (v_Zug) ist, wobei ein Fahrwiderstand, aufweisend einen Luftwiderstand, als eine der von außen eingeleiteten Kräfte (F_x) ermittelt wird, wobei eine Geschwindigkeit eines Gegenwinds ermittelt wird, um den Luftwiderstand des Zugs zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, aufweisend einen weiteren Schritt: - Erfassen einer Position (p) des Zugs als eine Eingangsgröße für ein Beobachtermodell (2);
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die bestimmte Beschleunigung (a) eine Zugbeschleunigung (a_Zug) oder eine Wagenbeschleunigung (a_Wagen) ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei die Position (p) des Zugs mittels einer geschwindigkeits- und beschleunigungsunabhängigen Methode, vorzugsweise mittels einer Positionserfassung eines satellitengestützten Navigationssystems, bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche wobei die Radgeschwindigkeit (v, ω_Achse, v_Odo) mittels eines Impulsgebers bzw. Drehzahlsensors als Messgröße bestimmt wird, und/oder wobei das Beobachtermodell (2) ein Luenberger-Beobachter oder ein Kalman-Filter ist.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beschleunigung (a) mittels eines Beschleunigungssensors als Messgröße bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Beschleunigung (a) und eine Messdrift (d) gemeinsam über Beschleunigungssensoren als eine Eingangsgröße für das Beobachtermodell (2) erfasst werden und durch das Beobachtermodell (2) als separate Zustandsgrößen ermittelt werden.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Messgrößen an einem Antrieb, insbesondere Antriebsmomente oder Ströme, zum Bestimmen von Beschleunigungskräften für die Bestimmung der Beschleunigung (a) ermittelt werden, und/oder wobei Messgrößen an einer Bremse, insbesondere Bremsdrücke, Zuspannkräfte oder Ströme, zum Bestimmen von Verzögerungskräften für die Bestimmung der Beschleunigung (a) ermittelt werden.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei - der Fahrwiderstand, der als eine der von außen eingeleiteten Kräfte (F_x) vorzugsweise aus der Zuggeschwindigkeit (v_Zug) ermittelt wird, einen Rollwiderstand aufweist, und/oder wobei ein Steigungswiderstand als eine der von außen eingeleiteten Kräfte (F_x) ermittelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit dem Schritt: - Plausibilisieren einer Konsistenz der von außen eingeleiteten Kräfte als Eingangsgröße mit den Zustandsgrößen des Beobachtermodells (2) oder den Eingangsgrößen.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Beobachtermodell (2) ein physikalisches Modell des Zuges aufweist, wobei insbesondere Elastizitäten der Kupplungen zwischen einzelnen Wagen und/oder Freiheitsgrade zwischen einzelnen Wagen berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Berechnungsstelle des Zuges bestimmt ist und die Eingangsgrößen des Beobachtermodells (2) und/oder die ermittelte Zuggeschwindigkeit (v_Zug) auf diese Berechnungsstelle umgerechnet werden.
Vorrichtung zur Bestimmung einer Zuggeschwindigkeit (v_Zug), die dazu ausgebildet ist, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen.
Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, insbesondere aufweisend mindestens einen Wagen, wobei das Fahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgebildet ist, und/oder wobei das Fahrzeug eine Vorrichtung nach Anspruch 13 aufweist.
Computerprogrammprodukt mit Codemitteln, die auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sind und die eine Datenverarbeitungsvorrichtung, vorzugsweise eine Vorrichtung nach Anspruch 13, dazu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen, wenn die Codemittel auf der Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden.