DE102020212167A1

DE102020212167A1 - Verfahren zum Ermitteln einer energiesparenden Fahrweise

Info

Publication number: DE102020212167A1
Application number: DE102020212167.2A
Authority: DE
Inventors: Philip Hannemann; Sebastian Probst
Original assignee: Siemens Mobility GmbH
Current assignee: Siemens Mobility GmbH
Priority date: 2020-09-28
Filing date: 2020-09-28
Publication date: 2022-03-31
Also published as: EP3974285A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs bei einer Fahrt zwischen einem Startpunkt (X1) und einem Zielpunkt (X8) unter Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Fahrtzeit.Erfindungsgemäß kann unter anderem vorgesehen sein, dass auf der Basis eines ergänzten Graphen (AG2) und eines Baums (B) und auf der Basis einer ermittelten energiesparenden Fahrweise das Fahrzeug gefahren wird, geprüft wird, ob die tatsächliche Fahrweise der ermittelten energiesparenden Fahrweise entspricht und im Falle von Abweichungen auf der Basis des ergänzten Graphen (AG2) geprüft wird, welche der dort definierten Fahrweisen noch angewandt werden kann, um den Zielpunkt (X8) unter Einhaltung der vorgegebenen maximalen Fahrtzeit zu erreichen, und von den anwendbaren Fahrweisen mittels des Baums (B) die energiesparendste Ersatzfahrweise bestimmt wird, und das Fahrzeug gemäß der energiesparendsten Ersatzfahrweise gefahren wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Ermitteln einer energiesparenden Fahrweise für eine Fahrt eines Fahrzeugs zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt unter Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Fahrtzeit.
Zur Optimierung der Fahrweise von Schienenfahrzeugen werden üblicherweise Fahrerassistenzsysteme genutzt. Ziel der Optimierung ist häufig eine Reduktion des Energieverbrauchs und/oder Verbesserung der Pünktlichkeit. Die besten Resultate werden bislang erzielt, indem bei Schienenfahrzeugen die Zugfahrt unter Einbeziehung von Strecken-, Fahrplan- und Fahrzeugdaten simuliert wird. Für die Optimierung ist es dabei vorteilhaft, viele derartige Simulationen mit verschiedenen Fahrweisen durchzuführen, um darunter energiesparende Fahrweisen zu finden, die das Ziel pünktlich erreichen. Damit ist jedoch in der Regel ein sehr hoher Rechenaufwand verbunden, denn gute Ergebnisse werden nur erzielt, wenn möglichst viele Parameter berücksichtigt werden.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass während der Fahrt das Fahrzeug mit Abweichungen von der vorausberechneten Fahrweise zurechtkommen muss. Abweichungen können betrieblicher Natur sein, teilweise auf Nichtbeachtung der Fahrempfehlungen durch den Fahrer beruhen und/oder durch falsche oder nichtberücksichtigte Parameter (z. B. Wind) hervorgerufen werden.
Vorbekannte Systeme in Schienenfahrzeugen reagieren auf Veränderungen in der Regel mit einer kompletten Neuberechnung der Fahrweisenoptimierung für die gesamte noch zu befahrende Strecke. Das Problem ist hier, dass die bisher bekannten Systeme mit der üblicherweise verwendeten Hardware für diese Neuberechnung sehr lange brauchen, manche sogar bis zu einigen Minuten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln einer energiesparenden Fahrweise anzugeben, das einfach und schnell durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Ausgangsfahrweise in Form von Geschwindigkeitswerten über dem jeweiligen Ort ermittelt wird gemäß einer vorgegebenen Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe, die Ausgangsfahrweise durch einen Ausgangsgraphen beschrieben wird, der durch Knoten, nachfolgend Ausgangsknoten genannt, und Kanten, nachfolgend Ausgangskanten genannt, im Sinne der mathematischen Graphentheorie beschrieben wird, wobei jede der Ausgangskanten jeweils zwei in der zeitlichen Abfolge aufeinanderfolgende Ausgangsknoten verbindet, auf der Basis des Ausgangsgraphen ein ergänzter Graph gebildet wird, indem zu den Ausgangskanten des Ausgangsgraphen weitere Kanten hinzugefügt werden, wobei jede der hinzugefügten Kanten jeweils zwei Knoten verbindet, die im Ausgangsgraphen unverbunden sind oder von denen zumindest einer dort nicht vorhanden ist, wobei der ergänzte Graph durch die hinzugefügten Kanten zu der Ausgangsfahrweise alternative Fahrweisen definiert, geprüft wird, welche der alternativen Fahrweisen die vorgegebene maximale Fahrtzeit einhalten und auf der Basis des ergänzten Graphen ein Baum erzeugt wird, der die möglichen Fahrweisen unter Einhaltung der maximalen Fahrtzeit beschreibt, und auf der Basis des Baums diejenige Fahrweise ausgewählt und als die zu ermittelnde energiesparende Fahrweise angesehen wird, die den geringsten Energieverbrauch für die Fahrt benötigt, wobei jeder der Knoten jeweils einen Ort des Fahrzeugs und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs an diesem Ort definiert und wobei jede der Kanten jeweils eine Fahrstrategie aus einer vorgegebenen endlichen Anzahl an zulässigen Fahrstrategien den Energieverbrauch für die Fahrt zwischen den durch die jeweilige Kante verbundenen Knoten und den Zeitverbrauch für die Fahrt zwischen den durch die jeweilige Kante verbundenen Knoten beschreibt.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass sich nach der erfindungsgemäß vorgesehenen Überführung der Ausgangsfahrweise in einen Ausgangsgraphen sehr einfach beispielsweise Heuristiken anwenden lassen, um den Ausgangsgraphen zu ergänzen und sinnvolle alternative Fahrweisen bzw. Ersatzfahrweisen zu ermitteln. Der so erstellte ergänzte Graph definiert anschließend eine Vielzahl an Fahrweisen und beschreibt diese in rechnermäßig einfach handhabbarer Form. Nach der Ermittlung des ergänzten Graphen kann beispielsweise allein auf diesen zurückgegriffen werden, sei es zur Bestimmung einer energiesparenden und fahrplangerechten Fahrweise vor Beginn der Fahrt, aber auch später während der Fahrt, indem Kanten, seien es Ausgangskanten, Hilfskanten oder sonstige Kanten des ergänzten Graphen, die zum Zeitpunkt der Erstellung des ergänzten Graphen berechnet wurden, hinsichtlich ihrer Kanteneigenschaften ausgelesen und berücksichtigt werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe die schnellstmögliche Fahrweise zwischen dem Startpunkt und dem Zielpunkt festlegt.
Vorzugsweise werden solche Kanten, nachfolgend Hilfskanten erster Art genannt, hinzugefügt, die jeweils zwei Ausgangsknoten verbinden, die im Ausgangsgraphen nicht unmittelbar miteinander verbunden sind.
Bei der Bildung des ergänzten Graphen werden vorzugsweise weitere Knoten, nachfolgend Hilfsknoten erster Art genannt, hinzugefügt, indem ausgewählte Ausgangsknoten jeweils mittels einer Hilfskante zweiter Art mit einem Zwischenpunkt auf einer der Hilfskanten erster Art oder mit einem Zwischenpunkt auf einer der Ausgangskanten, mit der sie vorher nicht verbunden waren, verbunden werden.
Die ausgewählten Ausgangsknoten, die mit einem Zwischenpunkt auf einer der Hilfskanten erster Art oder einem Zwischenpunkt auf einer der Ausgangskanten verbunden werden, sind vorzugsweise solche auf einer Bremskurve des Ausgangsgraphen.
Jeder der Zwischenpunkte bildet vorzugsweise jeweils einen der Hilfsknoten erster Art, und jede der Hilfskanten zweiter Art definiert vorzugsweise eine andere Fahrstrategie als die den Zwischenpunkt aufweisende Kante. Durch die zugefügten Hilfskanten zweiter Art definiert der ergänzte Graph vorzugsweise zu der Ausgangsfahrweise weitere alternative Fahrweisen.
Vorteilhaft ist es, wenn geprüft wird, welche der weiteren alternativen Fahrweisen die vorgegebene maximale Fahrtzeit einhalten und der Baum unter Einbezug derjenigen weiteren alternativen Fahrweisen gebildet wird, die die maximale Fahrtzeit einhalten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei der Bildung des ergänzten Graphen noch andere zusätzliche Hilfsknoten und noch andere zusätzliche Hilfskanten gemäß weiteren Ergänzungsvorgaben hinzugefügt werden, wodurch noch weitere alternative Fahrweisen definiert werden.
Im letztgenannten Falle ist es vorteilhaft, wenn geprüft wird, welche der noch weiteren alternativen Fahrweisen die vorgegebene maximale Fahrtzeit einhalten und der Baum unter Einbezug auch derjenigen noch weiteren alternativen Fahrweisen gebildet wird, die die maximale Fahrtzeit einhalten.
Alle Kanten, insbesondere Ausgangskanten, Hilfskanten erster und, falls vorhanden, zweiter Art beschreiben vorzugsweise jeweils eine Fahrstrategie aus der vorgegebenen endlichen Anzahl an zulässigen Fahrstrategien, den Energieverbrauch für die Fahrt zwischen den durch die jeweilige Kante verbundenen Knoten und den Zeitverbrauch für die Fahrt zwischen den durch die jeweilige Kante verbundenen Knoten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn alle Kanten egal welcher Kantenart eine identische Datenstruktur aufweisen.
Für die Kanten des Ausgangsgraphen und des ergänzten Graphen sind als zulässige Fahrstrategien vorzugsweise zumindest auch vorgesehen: „Beschleunigen mit zumindest einer vorgegebenen Beschleunigung“, „Geschwindigkeit halten“, „Rollen“ und „Bremsen“.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Hilfskanten erster Art als Fahrstrategie stets „Geschwindigkeit halten“ definieren.
Alternativ oder zusätzlich kann in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, dass die Hilfskanten zweiter Art als Fahrstrategie stets „Rollen“ definieren.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs bei einer Fahrt zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt unter Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Fahrtzeit.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auf der Basis eines ergänzten Graphen und eines Baums, die vorzugsweise nach einem Verfahren - wie oben beschrieben - gebildet worden sind, und auf der Basis einer vorzugsweise bei dem Verfahren ermittelten energiesparenden Fahrweise das Fahrzeug gefahren wird, geprüft wird, ob die tatsächliche Fahrweise der ermittelten energiesparenden Fahrweise entspricht und im Falle von Abweichungen auf der Basis des ergänzten Graphen geprüft wird, welche der dort definierten Fahrweisen noch angewandt werden kann, um den Zielpunkt unter Einhaltung der vorgegebenen maximalen Fahrtzeit zu erreichen, und von den anwendbaren Fahrweisen mittels des Baums die energiesparendste Ersatzfahrweise bestimmt wird, und das Fahrzeug gemäß der energiesparendsten Ersatzfahrweise gefahren wird.
Bezüglich der Vorteile und vorteilhafter Ausgestaltungen des Verfahrens zum Betreiben eines Fahrzeugs sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ermitteln einer energiesparenden Fahrweise und dessen vorteilhafter Ausgestaltungen verwiesen.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug. Erfindungemäß ist vorgesehen, dass das Fahrzeug mit einer Fahrweisenermittlungseinrichtung ausgestattet ist, die dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren wie oben beschrieben durchzuführen.
Bezüglich der Vorteile und vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Vorteilhaft ist es, wenn die Fahrweisenermittlungseinrichtung eine Recheneinrichtung und einen Speicher aufweist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in dem Speicher ein Programmmodul abgespeichert ist, das bei Ausführung durch die Recheneinrichtung die Recheneinrichtung dazu veranlasst, Abweichungen einer aktuellen Fahrweise des Fahrzeugs von einer aus einem ergänzten Graphen ermittelten optimalen Fahrweise zu erkennen und eine neue alternative Fahrweise auf der Basis des ergänzten Graphen und denkbarer Fahrstrategiewechsel zu ermitteln.
Alternativ oder zusätzlich kann in dem Speicher ein Programmmodul abgespeichert sein, das bei Ausführung durch die Recheneinrichtung die Recheneinrichtung dazu veranlasst, auf der Basis einer Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe und Geschwindigkeitsbegrenzungen auf einer zu befahrenden Strecke zwischen einem Startpunkt und einem Zielpunkt eine Ausgangsfahrweise, einen Ausgangsgraphen, einen ergänzten Graphen und einen Baum zu ermitteln.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft

1-5 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln eines ergänzten Graphen,
6 einen Baum, der auf der Basis des ergänzten Graphen gemäß 5 erstellt worden ist,
7-8 die Heranziehung des ergänzten Graphen gemäß 5 und des Baums gemäß 6 zur Bestimmung einer Ersatzfahrweise,
9 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug, und
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug.

In den Figuren werden für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung eine energiesparende Fahrweise, nachfolgend Ausgangsfahrweise AFW genannt, für eine Fahrt eines Fahrzeugs zwischen einem Startpunkt X1 und einem Zielpunkt X8 unter Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Fahrtzeit bzw. eines entsprechenden Fahrplans.
Die energiesparende Ausgangsfahrweise AFW ist in einem ersten Verfahrensschritt in Form von Geschwindigkeitswerten V über dem jeweiligen Ort X gemäß einer vorgegebenen Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe ermittelt worden und berücksichtigt eine Geschwindigkeitsbegrenzung Vmax, die nicht überschritten werden darf. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe die schnellstmögliche Fahrweise zwischen dem Startpunkt X1 und dem Zielpunkt X8 festlegt, wie in der 1 beispielhaft gezeigt ist.
In einem nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt, der in der 2 gezeigt ist, wird die Ausgangsfahrweise AFW im Rahmen einer Diskretisierung durch einen Ausgangsgraphen AG nachgebildet, der durch Knoten, nachfolgend Ausgangsknoten a bis h genannt, und Kanten, nachfolgend Ausgangskanten K1 bis K7 genannt, im Sinne der mathematischen Graphentheorie beschrieben wird. Die Anordnung der Ausgangsknoten erfolgt vorzugsweise jeweils in konstanten Geschwindigkeitsschritten V0.
Jede der Ausgangsknoten a bis h definiert jeweils einen Ort des Fahrzeugs und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs an diesem Ort; so gibt der Ausgangsknoten b beispielsweise an, dass gemäß der Ausgangsfahrweise AFW das Fahrzeug an dem Ort X2 die Geschwindigkeit 2V0 haben soll: $b = (X 2, 2V 0) .$
Jede der Ausgangskanten K1 bis K7 verbindet jeweils zwei in der zeitlichen Abfolge aufeinanderfolgende Ausgangsknoten. Jede der Ausgangskanten K1 bis K7 beschreibt dabei jeweils eine Fahrstrategie aus einer vorgegebenen endlichen Anzahl an zulässigen Fahrstrategien, den Energieverbrauch für die Fahrt zwischen den durch die jeweilige Kante verbundenen Knoten und den Zeitverbrauch für die Fahrt zwischen den durch die jeweilige Kante verbundenen Knoten.
Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass die endliche Anzahl an zulässigen Fahrstrategien vier beträgt und die Fahrstrategien „Beschleunigen“, „Rollen“, „Geschwindigkeit halten“ und „Bremsen“ umfasst. Selbstverständlich können noch weitere andere Fahrstrategien vorgesehen werden, wie beispielsweise „Stark Bremsen“, „Normal Bremsen“, „Schwach Bremsen“, „Stark Beschleunigen“, „Normal Beschleunigen“, „Schwach Beschleunigen“ usw.
Die Kante K2 lässt sich somit beispielsweise in folgender Form beschreiben:

K2 = (Fahrstrategie = „Beschleunigen“, Fahrtzeit für die Fahrt zwischen den Orten X2 und X3, Energieverbrauch für die Fahrt zwischen den Orten X2 und X3)

Die Berechnung der Fahrtzeit für die Fahrt zwischen den Orten X2 und X3 und die Berechnung des Energieverbrauchs für die Fahrt zwischen den Orten X2 und X3 kann auf der Basis der eingangs im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Simulationsverfahren erfolgen und berücksichtigt vorzugsweise eine Vielzahl an Parametern, wie beispielsweise Gefälle, Gewicht des Fahrzeugs, Motorisierung usw. Die Berechnung für die anderen Kanten des Graphen AG bzw. des weiter unten beschriebenen ergänzten Graphen AG2 erfolgt vorzugsweise in entsprechender Weise.
Auf der Basis des Ausgangsgraphen AG wird in einem dritten Verfahrensschritt ein ergänzter Graph AG2 (vgl. 3) gebildet, indem zusätzlich zu den Ausgangskanten K1 bis K7 des Ausgangsgraphen AG weitere Kanten K8 und K9, nachfolgend Hilfskanten erster Art genannt, hinzugefügt werden. Jede der Hilfskanten K8 und K9 erster Art verbindet jeweils zwei Ausgangsknoten, die im Ausgangsgraphen AG unverbunden sind. Bei dem Beispiel gemäß 3 verbindet die Hilfskante K8 die Knoten c und f und die Hilfskante K9 die Knoten b und g.
Die Hilfskanten erster Art werden vorzugsweise gebildet, indem für Ausgangsknoten, deren jeweils nachfolgender Ausgangsknoten im Ausgangsgraphenen AG durch die Fahrstrategie „Beschleunigen“ erreicht wird, eine Kante mit der Fahrstrategie „Geschwindigkeiten halten“ angefügt wird.
Durch die zugefügten Hilfskanten erster Art werden zu der Ausgangsfahrweise AFW gemäß 1 alternative Fahrweisen definiert, die zu einer längeren Fahrzeit als die schnellstmögliche Fahrweise, wie sie in der 1 gezeigt ist, führen.
Bei der Bildung des ergänzten Graphen AG2 werden in einem vierten Verfahrensschritt (vgl. 4) noch weitere Knoten, nachfolgend Hilfsknoten erster Art genannt, hinzugefügt, indem ausgewählte Ausgangsknoten jeweils mittels einer Hilfskante zweiter Art mit einem Zwischenpunkt auf einer der Hilfskanten erster Art verbunden werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird jeweils an solche Ausgangsknoten, die im Ausgangsgraphen AG durch die Fahrstrategie „Bremsen“ erreicht werden, eine Kante mit der Fahrstrategie „Rollen“ angefügt, und zwar rekursiv entgegen der Fahrtrichtung. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind dies die Ausgangsknoten f und g.
Durch das beschriebene Anfügen einer Kante mit der Fahrstrategie „Rollen“ entstehen in der 4 Hilfskanten K10 und K11 zweiter Art.
Die Hilfskante K10 schneidet die Hilfskante K8 erster Art; der Schnittpunkt bzw. der Zwischenpunkt auf der Hilfskante K8 bildet nun einen Hilfsknoten i erster Art.
Die Hilfskante K11 schneidet die Ausgangskante K4 des Ausgangsgraphen AG; der Schnittpunkt bzw. der Zwischenpunkt auf der Ausgangskante K4 bildet nun einen Hilfsknoten j erster Art.
Auch kann im Rahmen eines fünften Verfahrensschritts (vgl. 5) an den oder die Schnittpunkte auf Hilfskanten erster Art bzw. an die Hilfsknoten erster Art eine Kante mit der Fahrstrategie „Rollen“ angefügt werden, und zwar rekursiv entgegen der Fahrtrichtung. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist dies lediglich bei dem Ausgangsknoten i möglich, an den eine zusätzliche Hilfskante K12 angefügt wird.
Durch die zugefügten Hilfskanten K10, K11 und K12 definiert der ergänzte Graph AG2 zu der Ausgangsfahrweise AFW gemäß 1 weitere alternative Fahrweisen.
Anschließend wird in einem sechsten Verfahrensschritt geprüft, welche der alternativen Fahrweisen die vorgegebene maximale Fahrtzeit einhalten.
Zu diesem Zweck wird auf der Basis des ergänzten Graphen AG2 nachfolgend eine Baumstruktur bzw. ein Baum B (vgl. 6) erzeugt, der die möglichen Fahrweisen visualisiert. Es lässt sich in der 5 erkennen, dass die durch die Schnittpunkte bzw. Hilfsknoten i, j und k geschnittenen Kanten K4 und K8 hierfür noch hinsichtlich der Eigenschaften ihrer Subabschnitte K4a, K4b und K4c bzw. K8a und K8b (siehe 6) berechnet werden müssen.
Die 6 zeigt den resultierenden Baum B, wobei beispielhaft davon ausgegangen wird, dass die Fahrweise über die Knoten a, b, g und h zu langsam ist und für die weitere Betrachtung unberücksichtigt bleiben kann; alle anderen Fahrweisen sind fahrplangerecht bzw. halten die maximal erlaubte Fahrtzeit ein.
Anhand des Baums B gemäß 6 lässt sich anschließend in einfacher Weise derjenige Zweig bestimmen, der ausgehend von der Wurzel bzw. dem Ausgangsknoten a bis zum Zielknoten h, den man auch als Blattknoten bezeichnen kann, den kleinsten Energieverbrauch aufweist; hierzu müssen nur die durch jeweiligen Kanten definierten Energieverbräuche aufsummiert werden.
Auf der Basis des Baums B gemäß 6 und dem ergänzten Graphen AG gemäß 5 kann nun ein Fahrzeug, beispielsweise ein Schienenfahrzeug, so gesteuert werden, dass eine sehr energiesparende Fahrweise erreicht wird.
Falls das Fahrzeug von der ermittelten Fahrweise abweicht, wird die Geschwindigkeit Vist des Schienenfahrzeugs nicht mehr zu dem jeweiligen Ort Xist des Schienenfahrzeugs passen (siehe 7); der entsprechende Punkt (Vist, Xist) im V-X-Diagramm ist in 7 beispielhaft eingezeichnet und wird nachfolgend Ist-Knoten Z genannt.
Im Falle einer solchen Abweichung kann auf der Basis des ergänzten Graphen AG2 geprüft werden, welche der dort definierten Fahrweisen noch angewandt werden können, um den Zielpunkt X8 unter Einhaltung der vorgegebenen maximalen Fahrtzeit noch zu erreichen.
In einer besonders einfachen Weise lassen sich die noch anwendbaren Fahrweisen auffinden, indem ausgehend von dem Ist-Knoten Z alle Kanten, die durch Beschleunigen gekreuzt werden können, und/oder zumindest eine Kante, die durch Rollen gekreuzt werden kann, gesucht werden. Die entsprechenden Schnittpunkte bilden in der 7 neue Knoten, nachfolgend Korrekturknoten genannt, die mit den Bezugszeichen 1, m und n gekennzeichnet sind, sowie zusätzliche, bezüglich ihrer Eigenschaften neu zu berechende Kanten zwischen dem jeweiligen Ist-Knoten Z und den ermittelten Korrekturknoten l, m und n.
Die Position des Ist-Knotens Z und der Korrekturknoten l, m und n im Baum B ist beispielhaft in der 8 gezeigt. Die Zweige, die einen der Korrekturknoten aufweisen und über diesen mit dem Ist-Knoten Z verbunden sind, werden nachfolgend bezüglich ihres Energieverbrauchs im verbleibenden zu befahrenden Streckenabschnitt zwischen dem Ist-Knoten Z und dem Blattknoten h sowie bezüglich der jeweiligen Fahrtzeit verglichen, und es wird derjenige Zweig ausgesucht, der den kleinsten Energieverbrauch unter Einhaltung der verbleibenden zulässigen Fahrtzeit bzw. unter Einhaltung des Fahrplans aufweist.
Ein wesentlicher Vorteil des oben beispielhaft beschriebenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass im Falle einer Abweichung von einer gewünschten Fahrweise keine Neuberechnung der Fahrweise für die gesamte verbleibende Reststrecke erfolgen muss. Es reicht nämlich, die Neuberechnung lediglich vom Ist-Konten Z aus für Kanten bis zu den nächstliegenden Folgeknoten des vor Fahrtantritt errechneten ergänzten Graphen AG2, hier also bis zu den Knoten j und i, durchzuführen; ab dann kann auf die bereits vorliegenden Daten bzw. bereits berechneten Kanten des Baums B gemäß 6 zurückgegriffen werden, die bereits vor Fahrtbeginn berechnet worden sind.
Im Zusammenhang mit den 1 bis 8 wurde beispielhaft erläutert, wie auf der Basis einer Ausgangsfahrweise AFW und eines Ausgangsgraphen AG unter Heranziehung von Fahrstrategiewechseln, die während der Fahrt denkbar und unter Umständen vorteilhaft sein könnten, also auf der Basis von Heuristik, alternative Fahrweisen erarbeitet werden können und anschließend von den so erarbeiteten alternativen Fahrweisen die jeweils vorteilhafteste herausgesucht werden kann.
Zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise während der Fahrt eines Fahrzeugs, kann auf die vorher ermittelten alternativen Fahrweisen wieder zurückgegriffen werden, ohne eine komplette Neuberechnung der noch zurückzulegenden Fahrstrecke vornehmen zu müssen, wodurch - verglichen mit einer kompletten Neuberechnung - erheblich Rechenzeit eingespart werden kann.
Im Zusammenhang mit den 1 bis 8 wurden Fahrstrategiewechsel von „Beschleunigen“ in „Geschwindigkeit halten“, von „Geschwindigkeit halten“ in „Rollen“ und von „Rollen“ in „Bremsen“ erläutert; zusätzlich zu diesen oder alternativ zu diesen sind auch andere Strategiewechsel denkbar, insbesondere, wenn die endliche Anzahl an zulässigen Fahrstrategien mehr als vier beträgt und weitere andere Fahrstrategien vorgesehen werden, wie beispielsweise „Stark Bremsen“, „Normal Bremsen“, „Schwach Bremsen“, „Stark Beschleunigen“, „Normal Beschleunigen“, „Schwach Beschleunigen“ usw. An dem Grundprinzip, vorzugsweise auf der Basis von Heuristiken nur sinnvoll erscheinende Fahrstrategiewechsel zu erlauben bzw. zu berücksichtigen, ändert sich dadurch nichts.
Die 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug 10, das mit einer Fahrweisenermittlungseinrichtung 11 ausgestattet ist. Die Fahrweisenermittlungseinrichtung 11 umfasst eine Recheneinrichtung 100 und einen Speicher 110, in dem ein Programmmodul SPM1, ein ergänzter Graph AG2, der beispielsweise dem ergänzten Graphen AG2 gemäß 5 entsprechen kann, und ein Baum B, der dem Baum B gemäß 6 entsprechen kann, abgespeichert sind. Bei Ausführung des Programmmoduls SPM1 wird die Recheneinrichtung 100 Abweichungen der aktuellen Fahrweise des Schienenfahrzeugs 10 von einer aus dem ergänzten Graphen AG2 ermittelten optimalen Fahrweise erkennen und eine neue alternative Fahrweise auf der Basis denkbarer Fahrstrategiewechsel ermitteln, wie dies im Zusammenhang mit den 7 und 8 oben erläutert wurde.
Die jeweils von der Recheneinrichtung 100 ermittelte Ersatzfahrweise kann zu einem Fahrerassistenzsystem 12 des Schienenfahrzeugs oder - im Falle eines autonom fahrenden Schienenfahrzeugs 10 - zu einer Fahrzeugsteuereinrichtung 13 übermittelt werden. Alternativ kann die Fahrweisenermittlungseinrichtung 11 auch in dem Fahrerassistenzsystem 12 oder in der Fahrzeugsteuereinrichtung 13 als Zusatzkomponente integriert sein.
Die 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Schienenfahrzeug 10, bei dem die Fahrweisenermittlungseinrichtung 11 zusätzlich zu dem Programmmodul SPM1 gemäß 9, nachfolgend erstes Programmmodul genannt, ein zweites Programmmodul SPM2 aufweist.
Bei Ausführung durch die Recheneinrichtung 100 bildet das zweite Programmmodul SPM2 - auf der Basis einer Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe AFWVO und Geschwindigkeitsbegrenzungen Vmax auf einer zu befahrenden Strecke zwischen einem Startpunkt X1 und einem Zielpunkt X8 eine Ausgangsfahrweise AFW, die beispielsweise der Ausgangsfahrweise AFW gemäß 1 entsprechen kann,

- einen Ausgangsgraphen AG, der beispielsweise dem Ausgangsgraphen AG gemäß 2 entsprechen kann,
- einen ergänzten Graphen AG2, der beispielsweise dem ergänzten Graphen AG2 gemäß 5 entsprechen kann, und
- einen Baum B, der dem Baum B gemäß 6 entsprechen kann,

1

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Auf der Basis der Arbeitsergebnisse des zweiten Programmmoduls SPM2, also des ergänzten Graphen AG2 und des Baums B, kann das erste Programmmodul SPM1 arbeiten, wie dies im Zusammenhang mit der 9 erläutert wurde.
Die Fahrweisenermittlungseinrichtung 11 gemäß 10 kann eine separate Komponente sein oder in dem Fahrerassistenzsystem 12 oder in der Fahrzeugsteuereinrichtung 13 als Zusatzkomponente integriert sein.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: Schienenfahrzeug
11: Fahrweisenermittlungseinrichtung
12: Fahrerassistenzsystem
13: Fahrzeugsteuereinrichtung
100: Recheneinrichtung
110: Speicher
a bis h: Ausgangsknoten
AFW: Ausgangsfahrweise
AFWVO: Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe
AG: Ausgangsgraph
AG2: ergänzter Graph
B: Baum
i: Hilfsknoten erster Art
j: Hilfsknoten erster Art
k: Hilfsknoten
K1 bis K7: Ausgangskanten
K4a: Subabschnitt
K4b: Subabschnitt
K4c: Subabschnitt
K8a: Subabschnitt
K8b: Subabschnitt
K8: Hilfskante erster Art
K9: Hilfskante erster Art
K10: Hilfskante zweiter Art
K11: Hilfskante zweiter Art
K12: Hilfsante
l: Korrekturknoten
m: Korrekturknoten
n: Korrekturknoten
SPM1: Programmmodul
SPM2: Programmmodul
V: Geschwindigkeitswert
Vist: Geschwindigkeit
Vmax: Geschwindigkeitsbegrenzung
X: Ort
X1: Startpunkt
X8: Zielpunkt
Xist: Ort
Z: Ist-Knoten

Claims

Verfahren zum Ermitteln einer energiesparenden Fahrweise für eine Fahrt eines Fahrzeugs zwischen einem Startpunkt (X1) und einem Zielpunkt (X8) unter Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Fahrtzeit, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Ausgangsfahrweise (AFW) in Form von Geschwindigkeitswerten (V) über dem jeweiligen Ort (X) ermittelt wird gemäß einer vorgegebenen Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe (AFWVO), - die Ausgangsfahrweise (AFW) durch einen Ausgangsgraphen (AG) beschrieben wird, der durch Knoten, nachfolgend Ausgangsknoten (a-h) genannt, und Kanten, nachfolgend Ausgangskanten (K1-K7) genannt, im Sinne der mathematischen Graphentheorie beschrieben wird, wobei jede der Ausgangskanten (K1-K7) jeweils zwei in der zeitlichen Abfolge aufeinanderfolgende Ausgangsknoten (a-h) verbindet, - auf der Basis des Ausgangsgraphen (AG) ein ergänzter Graph (AG2) gebildet wird, indem zu den Ausgangskanten (K1-K7) des Ausgangsgraphen (AG) weitere Kanten hinzugefügt werden, wobei jede der hinzugefügten Kanten jeweils zwei Knoten verbindet, die im Ausgangsgraphen (AG) unverbunden sind oder von denen zumindest einer dort nicht vorhanden ist, wobei der ergänzte Graph (AG2) durch die hinzugefügten Kanten zu der Ausgangsfahrweise (AFW) alternative Fahrweisen definiert, - geprüft wird, welche der alternativen Fahrweisen die vorgegebene maximale Fahrtzeit einhalten und auf der Basis des ergänzten Graphen (AG2) ein Baum (B) erzeugt wird, der die möglichen Fahrweisen unter Einhaltung der maximalen Fahrtzeit beschreibt, und - auf der Basis des Baums (B) diejenige Fahrweise ausgewählt und als die zu ermittelnde energiesparende Fahrweise angesehen wird, die den geringsten Energieverbrauch für die Fahrt benötigt, - wobei jeder der Knoten jeweils einen Ort (X) des Fahrzeugs und die Geschwindigkeit (V) des Fahrzeugs an diesem Ort (X) definiert und - wobei jede der Kanten jeweils eine Fahrstrategie aus einer vorgegebenen endlichen Anzahl an zulässigen Fahrstrategien, den Energieverbrauch für die Fahrt zwischen den durch die jeweilige Kante verbundenen Knoten und den Zeitverbrauch für die Fahrt zwischen den durch die jeweilige Kante verbundenen Knoten beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe (AFWVO) die schnellstmögliche Fahrweise zwischen dem Startpunkt (X1) und dem Zielpunkt (X8) festlegt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kanten solche Kanten, nachfolgend Hilfskanten erster Art (K8, K9) genannt, hinzugefügt werden, die jeweils zwei Ausgangsknoten (c-f, b-g) verbinden, die im Ausgangsgraphen (AG) unverbunden sind.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Bildung des ergänzten Graphen (AG2) weitere Knoten, nachfolgend Hilfsknoten erster Art (i, j, k) genannt, hinzugefügt werden, indem ausgewählte Ausgangsknoten (f, g) jeweils mittels einer Hilfskante zweiter Art (K10) mit einem Zwischenpunkt (i) auf einer der Hilfskanten erster Art (K8) oder mit einem Zwischenpunkt (j) auf einer der Ausgangskanten (K4), mit der sie vorher nicht verbunden waren, verbunden werden, - wobei jeder der Zwischenpunkte (i, j) jeweils einen der Hilfsknoten erster Art bildet, - wobei jede der Hilfskanten zweiter Art (K10, K11) eine andere Fahrstrategie definiert als die den Zwischenpunkt (i) bildende Hilfskante erster Art (K10) oder die den Zwischenpunkt (j) bildende Ausgangskante (K4), - wobei der ergänzte Graph (AG2) durch die zugefügten Hilfskanten zweiter Art (K10, K11) zu der Ausgangsfahrweise (AFW) weitere alternative Fahrweisen definiert und - geprüft wird, welche der weiteren alternativen Fahrweisen die vorgegebene maximale Fahrtzeit einhalten und der Baum (B) unter Einbezug derjenigen weiteren alternativen Fahrweisen gebildet wird, die die maximale Fahrtzeit einhalten.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - bei der Bildung des ergänzten Graphen (AG2) noch andere zusätzliche Hilfsknoten (k) und noch andere zusätzliche Hilfskanten (K12) gemäß weiteren Ergänzungsvorgaben hinzugefügt werden, wodurch noch weitere alternative Fahrweisen definiert werden, und - geprüft wird, welche der noch weiteren alternativen Fahrweisen die vorgegebene maximale Fahrtzeit einhalten und der Baum (B) unter Einbezug auch derjenigen noch weiteren alternativen Fahrweisen gebildet wird, die die maximale Fahrtzeit einhalten.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kanten des Ausgangsgraphen (AG) und des ergänzten Graphen (AG2) als zulässige Fahrstrategien zumindest auch vorgesehen sind: Beschleunigen mit zumindest einer vorgegebenen Beschleunigung, Geschwindigkeit halten, Rollen, Bremsen.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskanten erster Art (K8, K9) als Fahrstrategie Geschwindigkeit halten definieren.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfskanten zweiter Art (K10, K11) als Fahrstrategie Rollen definieren.
Verfahren zum Betreiben eines Fahrzeugs bei einer Fahrt zwischen einem Startpunkt (X1) und einem Zielpunkt (X8) unter Einhaltung einer vorgegebenen maximalen Fahrtzeit, dadurch gekennzeichnet, dass - auf der Basis eines ergänzten Graphen (AG2) und eines Baums (B), die vorzugsweise nach einem Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche gebildet worden sind, und auf der Basis einer vorzugsweise bei dem Verfahren ermittelten energiesparenden Fahrweise das Fahrzeug gefahren wird, - geprüft wird, ob die tatsächliche Fahrweise der ermittelten energiesparenden Fahrweise entspricht und im Falle von Abweichungen auf der Basis des ergänzten Graphen (AG2) geprüft wird, welche der dort definierten Fahrweisen noch angewandt werden kann, um den Zielpunkt (X8) unter Einhaltung der vorgegebenen maximalen Fahrtzeit zu erreichen, und von den anwendbaren Fahrweisen mittels des Baums (B) die energiesparendste Ersatzfahrweise bestimmt wird, und - das Fahrzeug gemäß der energiesparendsten Ersatzfahrweise gefahren wird.
Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug mit einer Fahrweisenermittlungseinrichtung (11) ausgestattet ist, die dazu ausgestaltet ist, ein Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 8 und/oder ein Verfahren nach Anspruch 9 durchzuführen.
Fahrzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass - die Fahrweisenermittlungseinrichtung (11) eine Recheneinrichtung (100) und einen Speicher (110) aufweist, in dem ein Programmmodul (SPM1) abgespeichert ist, und - bei Ausführung des Programmmoduls (SPM1) durch die Recheneinrichtung (100) die Recheneinrichtung (100) Abweichungen einer aktuellen Fahrweise des Fahrzeugs von einer aus einem ergänzten Graphen (AG2) (AG2) ermittelten optimalen Fahrweise erkennt und eine neue alternative Fahrweise auf der Basis des ergänzten Graphen (AG2) und denkbarer Fahrstrategiewechsel ermittelt.
Fahrzeug nach einem der voranstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass - die Fahrweisenermittlungseinrichtung (11) eine Recheneinrichtung (100) und einen Speicher (110) aufweist, in dem ein Programmmodul (SPM2) abgespeichert ist und - bei Ausführung des Programmmoduls (SPM2) durch die Recheneinrichtung (100) die Recheneinrichtung (100) auf der Basis einer Ausgangsfahrweisenbestimmungsvorgabe (AFWVO) und Geschwindigkeitsbegrenzungen auf einer zu befahrenden Strecke zwischen einem Startpunkt (X1) und einem Zielpunkt (X8) eine Ausgangsfahrweise (AFW), einen Ausgangsgraphen (AG), einen ergänzten Graphen (AG2), und einen Baum (B) ermittelt.