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Einrichtung zum energieoptimalen Fahren von Schienen-
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fahrzeugen in Nahverkehrssystemen Die Erfindung bezieht sich auf eine
Einrichtung zum energieoptimalen Fahren von Schienenfahrzeugen in Nahverkehrs systemen,
bei denen die Fahrzeuge unter Einhaltung des Fahrplanes jede folgende Haltestelle
möglichst pünktlich erreichen sollen, diese zu unterschiedlichen Zeitpunkten wieder
verlassen, wobei jedes Fahrzeug mit Fahrzeuggerät, Sende- und Empfangseinrichtungen,
Meßeinrichtungen zur Orts- und Geschwindigkeitsbestimmung ausgerüstet ist und mit
einer ortsfesten Operationszentrale und einem ortsfesten Stationsrechner Datentelegramme
austauschen kann.
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Derartige Einrichtungen sind beispielsweise aus der DE-PS 15 30 456
bekannt. Stadtbahnen sollen dadurch wirtschaftlich fahren, daß diese beim Verlassen
einer Haltestelle zunächst so lange mit höchster Beschleunigung fahren, bis sie
einen vorausberechneten Wert einer nicht zu überschreitenden Spitzengeschwindigkeit
(Abschaltgeschwindigkeit) erreicht haben. Danach fährt die Bahn ohne weitere Beschleunigung
in einem Auslauf weiter, der kurz vor dem Erreichen der nächsten Haltestelle durch
einen Bremsvorgang abgebrochen wird. Bei der Ermittlung der zulässigen Spitzengeschwindigkeit
wird jeweils die kürzeste Fahrzeit zwischen zwei Haltepunkten berücksichtigt. Als
Reserve kann wegen der Unsicherheit bei der Erstellung des Fahrplans bzw. zur Berücksichtigung
unterschiedlicher Anhängelasten ein Fahrzeitzuschlag gerechnet werden. Diese Fahrzeitreserve,
die bei automatischem Zugbetrieb klein ist, wird bei nor-
malem
Betrieb, also ohne Verspätung für einen möglichst langen Auslauf benutzt. Dadurch
wird die Spitzengeschwindigkeit nicht so hoch, und viel Energie kann gespart werden,
da der Energieverbrauch annähernd mit dem Quadrat der Spitzengeschwindigkeit zunimmt.
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Bei den bekannten Einrichtungen wird ferner in Abhängigkeit vom Zeitraum
zwischen dem fahrplanmäßigen Ankunftszeitpunkt eines Zuges an der betroffenen Haltestelle
und dem Abfahrzeitpunkt der Wert der Spitzengeschwindigkeit (Abschaltgeschwindigkeit)
ermittelt. Wenn die Augenblicksgeschwindigkeit die Abschaltgeschwindigkeit erreicht
hat, wird der Strom abgeschaltet, und das Fahrzeug rollt ungeregelt aus, bis die
Bremsphase erreicht ist. Es handelt sich hierbei um eine Steuerung. Der Einsatz
einer derartigen Steuerung setzt voraus, daß der Triebfahrzeugführer bei ungünstigen
Verhältnissen (z.B.
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Gegenwind) eingreifen muß, damit das Fahrzeug nicht vor dem Zielbahnhof
zum Stehen kommt. Für einen vollautomatischen, fahrerlosen Zugbetrieb ist diese
Möglichkeit zur Realisierung des energieoptimalen Fahrens wenig geeignet, weil folgende
Nebenbedingungen, die zum Verstoß gegen die Sicherheitsanforderungen führen können2
nicht berücksichtigt werden können.
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Es sind: a) die konstanten Nebenbedingungen 1- Die wegabhängigen Streckenneigungen
(Gefälle, Steigung) 2- Die wegabhängigen Geschwindigkeitsbeschränkungen (Langsamfahrstellen)
b) die veränderlichen Nebenbedingungen 1- Der geschwindigkeitsabhängige Bewegungswiderstand
(z.B. Gegenwind) 2- Die festen oder beweglichen Gefahrenpunkte.
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Für ein automatisches Nahverkehrssystem ist es daher notwendig, die
Realisierung des bekannten Prinzips des energieoptimalen Fahrens noch zu steigern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs
genannten Art so zu verbessern, daß die Fahrzeuge in Nahverkehrssystemen energieoptimal
fahren unter Berücksichtigung der erwähnten Nebenbedingungen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Fahrzeuggerät
einerseits kontinuierlich den Ort von festen bzw. beweglichen Gefahrenpunkten von
der Operationszentrale und andererseits punktförmig an jeder Haltestelle das Geschwindigkeitsprofil
(v-Profil) und einen Zustandquader mit energieoptimalen Steuergrößen für den Streckenabschnitt
bis zur nächsten Haltestelle vom Stationsrechner empfängt, daß das Fahrzeuggerät
unter besonderer Berücksichtigung der Einhaltung des Geschwindigkeitsprofils, der
sicheren Abstandshaltung zu den Gefahrenpunkten, der wechselnden Streckenwiderstände
und Fahrwiderstände die Regelungsaufgaben zum energieoptimalen Fahren löst und zusätzlich
sicherheitstechnische Aufgaben erfüllt.
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Mit Hilfe dieser Einrichtung ist es erstmals in vorteilhafter Weise
möglich Nahverkehrsbahnen fahrplangerecht, energieoptimal, sicher vollautomatisch
fahren zu lassen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden nachfolgend erläutert.
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Es zeigen: Figur 1 eine Ubersichtsdarstellung in Blockform für Einrichtungen
an der Strecke und auf einem Fahrzeug, Figur 2 eine Gliederungsübersicht eines dezentralisierten
Na hverkehrsautomatisierungssystems, Figur 3 einen Zustandsquader für ein Optimierungsverfahren
nach Bellman, Figur 4 eine Beispielsrechnung nach dem Optimierungsprinzip in Anlehnung
an den Zustandsquader nach Figur 3, Figur 5 das Blockschaltbild eines zentralen
Rechners zur Ermittlung energieoptimaler Steuergrößen, Figur 6 Einzelheiten einer
Fahrzeugsteuerung und Figur 7 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Fahrzeugsicherung.
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Das Blockschaltbild nach Figur 1 veranschaulicht eine grobe Struktur
des Fahrzeuggerätes FT in Verbindung mit streckenseitigen Einrichtungen. Diese übertragen
an den Haltestellen punktförmige Informationen u (v,s,t) sowie das v-Profil und
kontinuierlich den Ort 5H von beliebigen Gefahrenpunkten. Die Aufgaben werden in
Fahrzeugsteuerung FG1 und Fahrzeugsicherung FG2 aufgetrennt.
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Auf diese Art wird auch eine klare Unterteilung jeweils bezüglich
der Software und der Hardware möglich. Der Vorteil ist, daß der besondere Aufwand
zum Erkennen von Fehlern, die zu Gefährdungen im Bahnbetrieb führen können, nur
für die Sicherungsaufgaben eingesetzt zu werden braucht.
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Die Fahrzeugsicherung FG2 überwacht die Fahrzeugsteuerung FG1 und
veranlaßt über einen sicheren Schalter S1 entweder die Durchschaltung der Sicherungsbefehle
USI oder der Steuerbefehle UST über einen D/A-Wandler WR1
an den
Eingang der Stellglieder SMR. Die Sicherungsbefehle USI gelangen dann zu den Stellgliedern
SMR, wenn die Sicherheitsanforderungen nicht mehr erfüllt sind oder aufgrund einer
Störung im Nahverkehrssystem sowie einer langen Verspätung kein energieoptimales
Fahren möglich ist. Die sicherheitsrelevanten Einrichtungen sind als doppelt gerahmte
Blöcke dargestellt.
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Bei den geringen Haltestellenabständen im Stadtbereich werden die
energieoptimalen Steuergrößen u (v,s,t) zwischen zwei Haltestellen bei Ankunft des
Fahrzeugs an jeder Haltestelle auf das Fahrzeuggerät übertragen. Hierzu sind sichere
Empfangs- und Meßeinrichtungen vorgesehen. Vor der Abfahrt liegen also die Steuergrößen
als Funktion von der Geschwindigkeit, dem Ort und der Fahrzeit im Fahrzeuggerät
vor. Die Steuergrößen haben keine Sicherheitsverantwortung. Sobald das Signal Fahrt
FS1 entweder von der Zentrale oder einer Einrichtung an Bord des Fahrzeugs ausgelöst
wird, wird mit Hilfe der energieoptimalen Steuergrößen und der gespeicherten energieoptimalen
Regelalgorithmen das Fahrzeug energieoptimal bis zur nächsten Haltestelle vom Mikrorechner
MR geregelt. Die energieoptimale Fahrzeugregelung berücksichtigt die wegabhängigen
Geschwindigkeitsbeschränkungen (Langsamfahrstellen), die Streckenneigungen (Gefälle,
Steigung) und kompensiert die Einflüsse der geschwindigkeitsabhängigen Bewegungswiderstände
(z.B. Gegenwind) und die Meßfehler (Geschwindigkeit, Ort). Hierbei handelt es sich
also um eine energieoptimale Regelung.
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Später wird eine Einrichtung beschrieben, mit deren Hilfe die energieoptimalen
Steuergrößen in der Zentrale gewonnen werden. Falls eine eingetretene Verspätung
so groß ist, daß das Fahrzeug nicht mehr energieoptimal fahren kann, wird ein Kommando
FS2 an die Fahrzeugsicherung FG2 gesendet, damit das Fahrzeug nach dem Ge-
schwindigkeitsprofil
(wegabhängigen Geschwindigkeitsbeschränkungen) geführt wird.
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Die Fahrzeugsicherung FG2 überwacht, daß jedes Fahrzeug einen ausreichend
großen Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug oder zu einem festen Gefahrenpunkt
einhält und außerdem die Augenblicksgeschwindigkeit vist nicht die Streckenhöchstgeschwindigkeit
überschreitet. Die Umschaltstrategie UE überwacht kontinuierlich diese beiden Sicherheitsanforderungen
und sobald irgendeine davon nicht mehr erfüllt ist, schaltet sie den Einfluß der
Fahrzeugsteuerung FG1 auf das Fahrzeug mit Hilfe des Schalters S7 aus, und eine
der Sicherheitsfunktionen, Abstandshaltung AG oder Fahren nach dem Geschwindigkeitsprofil
GL, übernimmt die weitere Regelung des Fahrzeuges.
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Die beiden Sicherheitsfunktionen der Abstandshaltung AG und des Fahrens
nach dem Geschwindigkeitsprofil GL überwachen sich gegenseitig.
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Angenommen das Fahrzeug fährt nach dem Geschwindigkeitsprofil GL und
plötzlich taucht ein unvorhergesehenes Hindernis auf, z.B. ein vorausfahrendes Fahrzeug-bleibt
infolge Entgleisens schlagartig stehen. In diesem Augenblick muß die Umschaltstrategie
UE das Fahren nach dem Geschwindigkeitsprofil GL ausschalten und die Abstandshaltung
AG einschalten. Diese beeinflußt das Fahrzeug in der Art, daß genau an dem Ort,
an dem das Hindernis steht, das Fahrzeug seine Geschwindigkeit auf Null reduziert
hat.
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Bevor der Aufbau des Fahrzeuggerätes FT nach Figur 1 weiter erläutert
wird, wird das Modell des dezentralisierten Nahverkehrsautomatisierungssystems nach
Figur 2, in welchem das Fahrzeuggerät FT (Figur 1) betrieben wird, näher beschrieben.
Das Modell ist modular aufgebaut und in Dispositionszentrale DZ, Operationszentrale
OZ, Stationsrechner STR1 bis STR3 und Fahrzeuggerät FT geglie-
dert.
Der Station werden die energieoptimalen Steuergrößen u (v,s,t) und die wegabhängigen
Geschwindigkeitsbeschränkungen (v-Profil) zum Erreichen der nächsten Station auf
das Fahrzeuggerät FT übertragen. Wenn das Fahrzeug die Station verlassen hat, wird
der Ort des vorausliegenden Gefahrenpunktes kontinuierlich auf das Fahrzeuggerät
FT übertragen. Damit kann das Fahrzeug sicher und pünktlich bis zur nächsten Haltestelle
energieoptimal geführt werden. Bei der Fahrt werden alle Geschwindigkeitsbeschränkungen,
die Streckenneigungen und die Gefahrenpunkte berücksichtigt, und die Einflüsse aller
Störungen, z.B. Gegenwind, werden kompensiert. Jedes Fahrzeug meldet dem Stationsrechner
STR1, STR2 bzw. STR3 seine Abfahrzeit tAb, die über den jeweiligen Stationsrechner
zur Operationszentrale OZ gelangt. An der Strekke wird der Ort des Fahrzeuges kontinuierlich
gemessen und ebenfalls zur Operationszentrale OZ übertragen. Mit diesen Informationen
wird die zeitliche Vorausrechnung angestellt, um Konflikte bereits vor ihrem Eintreten
zu neutralisieren und Stauungen zu vermeiden. Die stationären Komponenten des Systems
können Daten über die vorhandenen Verbindungen austauschen.
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Zunächst soll die Optimierungsaufgabe formuliert werden: Gesucht wird
eine zulässige Steuerung u (v,s,t) aus einem Steuerbereich derart, daß das Fahrzeug
aus dem Quellen- zum Zielbahnhof so pünktlich überführt wird, daß bei der Einhaltung
der Steuergrößen-, Orts- und Geschwindigkeitsbeschränkungen die verbrauchte Energie
ihren kleinsten Wert annimmt. Der Steuerbereich liegt dabei in den Grenzen, die
durch die maximale spezifische Zugkraft bzw. Bremskraft bestimmt werden. Der für
die Geschwindigkeit und den Ort zugelassene Bereich wird durch die wegabhängigen
Geschwindigkeitsbeschränkungen und dadurch bestimmt, daß das Fahrzeug nicht zurück
oder über das Ziel hinausfahren darf.
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Zur Lösung der gestellten Optimierungsaufgabe wird das "Optimierungsverfahren
von Bellman gewählt. Dieses Optimierungsverfahren wurde von Belman als dynamische
Programmierung" bezeichnet. Hierbei wird das gegebene Problem in eine Klasse ähnlicher
Aufgaben eingebettet, die alle gemeinsam zur Lösung gelangen, wie es in Figur3 der
Darstellung nach angedeutet ist. Die Kanten eines Zustandsquaders ZQ entsprechen
der längsten Fahrzeit tf , de r S der Streckenhöchstgeschwindigkeit VM und dem Haltestellenabstand
HAD zwischen dem Quellen- und dem Zielbahnhof. Die Fahrzeit bei planmäßiger Abfahrt
ist mit tp und bei verspäteter Abfahrt mit tv bezeichnet. Bereiche frühzeitiger
bzw. verspäteter Abfahrzeitpunkte tragen das Bezugszeichen X bzw. Y. Die optimale
Trajektorie, die vom Fahrzeug bei dem energieoptimalen Fahren beschrieben wird,
liegt in diesem Zustandsquader ZQ. Die theoretisch unendlich vielen möglichen Zeit-,
Orts- und Geschwindigkeitswerte werden diskretisiert, um ihre Anzahl endlich zu
halten. Auf diese Art entsteht ein feinmaschiges Gitterwerk imzustandsquaderZQ.
Die Berechnung aller Werte braucht sich dann nur noch auf die Gitterpunkte zu beschränken.
Das Vorgehen besteht darin, alle möglichen Verbindungstrajektorin abzusuchen, die
die verbrauchte Energie zu einem Minimum machen. Das Zeitintervall T entspricht
der Abtastzeit bei der Meßwerterfassung. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß der
gesamte Bereich innerhalb des Zustandsquaders ZQ abgesucht wird, wodurch alle diffizilen
mathematischen Untersuchungen über hinreichende Bedingungen, Eindeutigkeit und Existenz
entfallen. Einschränkungen für die Geschwindigkeit und den Ort wirken sich nur positiv
aus, in dem der abzusuchende Bereich und damit der Aufwand verkleinert wird.
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Da die Lösung der hier gestellten Optimierungsaufgabe eine Variation
des Abfahrzeitpunktes zuläBt, aber immer
eine pünktiche Ankunft
anstrebt, wird bei der Anwendung von Belman's Methode die Strategie der Rückwärtsrekursion
gewählt. Für jeden der Gitterpunkte (v, s) des Zustandsquaders ZQ auf der Stufe
k = N-1 wird diejenige Trajektorie gesucht, die zum Zielbahnhof führt. Die Steuergröße
und die verbrauchte Energie jeder Trajektorie werden berechnet und an dem entsprechenden
Gitterpunkt abgespeichert. Man setzt k = N-2 ein und sucht für alle Gitterpunkte
auf dieser Stufe die Steuergröße der energieoptimalen Trajektorie, die über die
Stufe k = N-1 zum Zielbahnhof führt: Dabei wendet man das Optimierungsprinzip von
Belman an. So rückwärts schreitend erreicht man schließlich die Stufe k = 0 und
damit insbesondere auch den Quellenbahnhof. Die energieoptimale Steuergröße wird
immer an dem entsprechenden Gitterpunkt abgespeichert.
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Figur 4 veranschaulicht ein Beispiel des Zustandsquaders ZQ für einen
Fahrzeugtyp und für einen bestimmten Strekkenabschnitt. Vor der Ankunft des Fahrzeugs
an der Haltestelle muß der Zustandsquader schon im Speicher des Stationsrechners
vorhanden sein. Nach der Ankunft des Fahrzeuges an der Haltestelle wird der Zustandsquader
ZQ auf das Fahrzeuggerät übertragen. Dieser Zustandsquader, der die energieoptimalen
Steuergrößen beinhaltet, wird von der Fahrzeugsteuerung FG1 in Figur 1 weiter verarbeitet.
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Es ist eine Beispielsrechnung gezeigt mit vier Stufen, wobei der Haltestellenabstand
1000 m und die Fahrzeit 100 sec beträgt. Die energieoptimalen Steuergrößen werden
rechts unterhalb der jeweiligen Gitterpunkte vermerkt. Während eines Zeitintervalls
(Differenz zwischen zwei benachbarten Stufen) besteht die Steuergröße aus zwei diskreten
Werten U1 für O < t T/2 und u2 für T/2 C t<T
Wenn aufgrund
der Orts-, -Geschwindigkeits- und Steuergrößenbeschränkungen überhaupt keine Trajektorie
existiert, auf der das Fahrzeug vom betrachteten Gitterpunkt nach dem Zielbahnhof
fahren kann, wid sinngemäß der Steuergröße der Wert 0 zuerteilt, d.h., das Fahren
über diesen Gitterpunkt ist verboten.
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In der Dispositionszentrale DZ in Figur 2 ist ein zentraler Rechner
ZR (Figur 1) vorhanden, der den Zustandsquader ZQ (Figur 1,3) mit den energieoptimalen
Steuergrößen gemäß der beschriebenen Arbeitsweise erstellt.
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Figur 5 veranschaulicht diese Einrichtung ZR mit dem Zustandsquader
ZQ. Als Eingabedaten EG für den Rechner ZR dienen die Fahrzeugdaten, die längste
Fahrzeit tf, der Haltestellenabstand und die Streckendaten. Die Streckendaten bestehen
aus zwei der vier zu berücksichtigenden Nebenbedingungen: Es sind die wegabhängigen
Streckenneigungen (Gefälle, Steigung) und die wegabhängigen Geschwindigkeitsbeschränkungen.
Für jeden Fahrzeugtyp und für jeden Streckenabschnitt (Abstand zwischen zwei Haltestellen)
wird ein derartiger Zustandsquader erstellt.
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Figur 6 zeigt den Aufbau der Fahrzeugsteuerung FG1 (Figur 1). Die
Einrichtung besteht aus dem Zustandsquader ZQ (energieoptimale Steuergrößen), einem
energieoptimalen Regler EOR und einem mathematischen Fahrzeugmodell MFM. Sobald
das Signal Fahrt FS1 entweder von der Zentrale oder einer Einrichtung an Bord des
Fahrzeugs ausgelöst wird, wird dieser Zeitpunkt als Abfahrzeitpunkt bezeichnet und
an die Stufenzahl k angepaßt, vgl. dazu Figur 4. Da das Fahrzeug am Quellenbahnhof
steht, haben die Istgeschwindigkeit vi5t und der Istort 5ist den Wert Null. Aus
diesen drei Daten (v,s,k) resultiert aus dem Zustandsquader ZQ die energieoptimale
Steuergröße u. Entsprechend der.entnommenen Steuergröße wird der
Fahrbefehl
UST an den Schalter S1 (Figur 1) weitergeleitet. Gleichzeitig wird dieser Fahrbefehl
in das mathematische Fahrzeugmodell MFM eingegeben. Das mathematische Fahrzeugmodell
fährt auch parallel zum realen Fahrzeug und dient zur Interpolation der energieoptimalen
Steuergröße, wenn das Fahrzeug durch die Einflüsse von Störungen die optimale Trajektorie
verlassen hat oder die Istgeschwindigkeit und der Istort nicht mit einem Gitterpunkt
im Zustandsquader ZQ zusammenfallen.
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Im einen Fall wird die energieoptimale Steuergröße u aus dem Zustandsquader
entnommen. Hat diese Steuergröße einen endlichen Wert, wird demgemäß der Fahrbefehl
UST an den Eingang des Schalters S1 gegeben. Ist aber dieser Wert unendlich, dann
hat während des letzten Zeitintervalls eine Störung auf das Fahrzeug eingewirkt,
wodurch das Fahrzeug den verbotenen Zustand erreicht hat. Bei der Erstellung des
Zustandsquaders ZQ wurde ja das Fahren über die Gitterpunkte mit dem Wert oo verboten.
Der energieoptimale Regler EOR prüft nicht, ob dieses Fahrverbot durch die Orts-
bzw. Geschwindigkeitsbeschränkungen verursacht wurde, sondern bestimmt näherungsweise
eine energieoptimale Steuergröße. Zu diesem Zweck ist ein Regelalgorithmus entwickelt
worden. Dieser Regelalgorithmus ist in EOR, Figur 6, realisiert und benötigt den
Istort und die Istgeschwindigkeit des Fahrzeugmodells. Diese beiden Werte werden
vom mathematischen Fahrzeugmodell MFM geliefert. Nach dieser Bestimmung wird dementsprechend
der Fahrbefehl UST an den Schalter S1 geliefert.
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Im anderen Fall ist angenommen, daß die Istgeschwindigkeit und der
Istort des Fahrzeugs von den Koordinaten eines Gitterpunktes im Zustandsquader ZQ
abweichen.
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Dann wird zur näherungsweisen Bestimmung der Steuergröße wieder eine
Interpolation erforderlich. Der be-
nötigte Regelalgorithmus ist
auch im Regler EOR realisiert worden, und das mathematische Fahrzeugmodell MFM wird
auch einbezogen. Anschließend wird die Stellgröße an den Schalter S1 weitergegeben.
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Mit dem Istort und der Istgeschwindigkeit des Fahrzeugmodells MFM
wird aus dem Zustandsquader ZQ die energieoptimale Steuergröße u abgelesen und in
das mathematische Fahrzeugmodell MFM eingesetzt. Dieses trifft immer einen Gitterpunkt,
weil der Zustandsquader ZQ mit diesem Fahrzeugmodell MFM erstellt wurde und das
Modell keine Störung während des Fahrens erfahren kann. Nach jedem Zeitintervall
werden die obigen Schritte durchlaufen bis das Fahrzeug den Zielbahnhof erreicht
hat.
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Die Eigenschaft dieses Fahrzeuggerätes und der Einrichtung zur Erstellung
des Zustandsquaders ZQ, daß die energieoptimalen Steuergrößen durch die Funktionen
u (v,s,t) nach jeder Abtastzeit in Abhängigkeit vom gerade vorliegenden Fahrzeugzustand
(Istgeschwindigkeit und Istort) bestimmt werden, ist regelungstechnisch günstig,
da es die Möglichkeit bietet, auf das Fahrzeug einwirkende Störungen, z.B. Gegenwind,
zu kompensieren.
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Hier gelten als Störungen alle Einflüsse, die das Fahrzeug bei dem
energieoptimalen Fahren behindern, dadurch wird es schneller oder langsamer als
es eigentlich fahren sollte. Unabhängig davon, ob das Fahrzeug durch Einflüsse von
Störungen einen Gitterpunkt trifft oder nicht, wird immer eine energieoptimale Steuergröße
aus dem Zustandsquader ZQ entnommen oder mit der Interpolation bestimmt. Das Fahrzeug
folgt annähernd immer einerderenergieoptimalen Trajektorien, die pünktlich zum Zielbahnhof
führen.
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Bei der Erstellung des Zustandsquaders ZQ wurde bei dem angewandten
Optimierungsverfahren von Belman die Rück-
wärtsrekursion gewählt.
Der Vorteil ist, daß neben der gesuchten energieoptimalen Trajektorle von einem
vorgegebenen Quellenbahnhof nach dem Zielbahnhof die Rückwärtsrekursion zusätzlich
energieoptimale Trajektorien von anderen Punkten im zugelassenen Bereich zum Zielbahnhof
liefert. Dies ist eine Folge der Einbettung der gestellten Optimierungsaufgabe in
verschiedene Klassen ähnlicher Aufgaben. Falls diese Störungen das Fahrverhalten
des Fahrzeugs in der Art beeinflussen, daß beispielsweise die Istgeschwindigkeit
gleich der Geschwindigkeitsbeschränkung ist, schaltet sich die Fahrzeugsicherung
ein und übernimmt die weitere Regelung des Fahrzeuges.
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Die Eigenschaft, daß die energieoptimalen Steuergrößen als Funktion
des Istortes und der Istgeschwindigkeit ergeben haben, hat auch andere Vorteile,
die man an Hand von Figur 4 sehen kann: Die Zeitachse t ist die Menge aller Abfahrzeitpunkte
aus dem Quellenbahnhof. Zur Erstellung des Zustandsquaders wählt man die längste
Fahrzeit, und bei der Abfahrt vom Quellenbahnhof entnimmt man entsprechend dem Abfahrzeitpunkt
auf der Zeitachse die zugehörige Steuergröße und somit wird das Fahrzeug nach der
erläuterten Strategie bis zum Zielbahnhof geführt. Bei dem Beispiel nach Figur 4
kann das Fahrzeug auf der Stufe k = O bzw. 1 noch energieoptimal bis zum Zielbahnhof
fahren, aber nicht mehr auf der Stufe k = 2 bzw. 3.
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Soll das Fahrzeug aus irgendeinem Grund erst auf der Stufe k = 2 bzw.
3 abfahren, so sendet der energieoptimale Regler das Signal FS2 (Figuren 1, 6) an
die Fahrzeugsicherung FG2, die das Fahrzeug bis zum Zielbahnhof führt.
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Die Zeit- und Ortsachse bilden zusammen eine Ebene, die die Menge
aller Gitterpunkte mit der Geschwindigkeit Null darstellt. Wenn ein Fahrzeug aus
irgendeinem Grund auf dieser Ebene zum Stillstand gekommen ist, kann es noch energieoptimal
bis zum Zielbahnhof geführt werden.
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Voraussetzung ist, daß eine endliche Steuergröße an den entsprechenden
Haltepunkten im Zustandsquader ZQ vorgemerkt ist und das Fahrzeuggerät sowie die
Antriebsorgane nicht fehlerhaft geworden sind. Gemäß Figur 4 ist auf sämtlichen
Stufen mindestens eine energieoptimale Abfahrt von der Zeit-Ort-Ebene möglich.
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Das Blockschaltbild gemäß Figur 7 veranschaulicht die Struktur der
Einrichtung zur Fahrzeugsicherung FG2, Figur 1. Sie ist modular aufgebaut und gliedert
sich in Umschaltstrategie UE, Abstandshaltung AG, Bremswegrechner BR, Schalter S2,
Geschwindigkeitsregler VR und Grenzgeschwindigkeitsrechner VGR.
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Grundsätzlich müssen im Bahnbetrieb folgende Sicherheitsanforderungen
erfüllt werden: a) Sicherheitsanforderung gegen Auffahren sH - sist # a Istabstand
> Bremswegabstand a, dabei ist sH der Hindernisort, also der Ort des festen oder
beweglichen Gefahrenpunktes.
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b) Sicherheitsanforderung gegen Uberschreiten einer Streckenhöchstgeschwindigkeit
v ist c vG Istgeschwindigkeit C Streckenhöchstgeschwindigkeit
Die
Fahrzeugsicherung FGZ überwacht die Fahrzeugsteuerung FG1 nach jeder Abtastzeit
in folgender Weise: Der Grenzgeschwindigkeitsrechner VGR ermittelt zum Fahren nach
dem Geschwindigkeitsprofil (v-Profil)(Figuren 1,7) aus diesem die Grenzgeschwindigkeit,
die nicht überschritten werden darf. Die Umschaltstrategie UE vergleicht die Grenzgeschwindigkeit
vG mit der Istgeschwindigkeit vi,t, die von den Meßgliedern geliefert wird.
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Solange vist < vG ist, gelangen die Fahrbefehle UST der Fahrzeugsteuerung
FG1 zu den Stellgliedern. Ist aber die Bedingung nicht mehr erfüllt, werden die
Fahrbefehle UST vom Schalter S1 in Figur 1 nicht mehr durchgelassen, d.h.
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das Signal FS3 betätigt S1, und die Fahrbefehle USI der Fahrzeugsicherung
FG2 gelangen dann zu den Stellgliedern.
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Der Geschwindigkeitsregler VR bildet aus vist und VG die Fahrbefehle
USI. Die Istgeschwindigkeit wird von dem Geschwindigkeitsregler VR in engen Toleranzgrenzen
unabhängig von der Streckenneigung und dem Betrag des Fahrzeugs auf die ermittelte
Grenzgeschwindigkeit geregelt.
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Zur Abstandshaltung ermittelt der Bremswegrechner den Bremswegabstand
a aus der Istgeschwindigkeit. Die Umschaltstrategie UE bildet den Istabstand (sH-sist)
zwischen einem vorausfahrenden Fahrzeug und dem folgenden Fahrzeug. Solange der
Istabstand größer als der Bremswegabstand a ist, gelangen die Fahrbefehle UST der
Fahrzeugsteuerung FG1 zu den Stellgliedern. Ist aber die Sicherheitsanforderung
gegen Auffahren nicht mehr erfüllt, werden die Fahrbefehle UST nicht mehr durchgelassen,
und die Fahrbefehle (Sicherungsbefehle) USI der Fahrzeugsicherung FG2 gelangen zu
denStellgliedern. Zu dem Zeitpunkt wird der Abstandsregler AG eingeschaltet. Dieser
bildet aus dem Istabstand sH und dem Bremswegabstand a einen Sollwert vSR für den
Geschwindigkeitsregler VR.
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Beim Abstandsregler AG wird das Konzept der zweischleifigen Kaskadenregelung
angewendet. Den inneren Regelkreis bildet dabei die Geschwindigkeitsregelung und
den äußeren Regelkreis die Abstandsregelung. Der Sollwert für den Geschwindigkeitsregler
ist vG bei dem Fahren nach dem Geschwindigkeitsprofil und vSR bei der Abstandshaltung.
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Das Signal FS4 leitet bzw. sperrt åeweils einen von diesen Werten
mit Hilfe des Schalters S2 für den Eingang des Geschwindigkeitsreglers VR. Der Abstandsregler
AG beeinflußt das Fahrzeug in der Art, daß beim stehenden Hindernis das Fahrzeug
bis zum Erreichen des Hindernisses zum Stillstand gebracht werden muß.
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Die beiden sicherheitstechnischen Einrichtungen des Fahrens nach dem
Geschwindigkeitsprofil und der Abstandshaltung überwachen sich gegenseitig. Angenommen
das Fahrzeug fährt mit dem Abstandsregler AG überschreitet dann die Istgeschwindigkeit
die Grenzgeschwindigkeit, so schaltet die Umschaltstrategie UE den Abstandsregler
AG über den Schalter S2 aus und der Geschwindigkeitsregler VR erhält die Grenzgeschwindigkeit
vG als Sollwert, vorausgesetzt, daß in diesem Augenblick der Sicherheitsabstand
noch gewährleistet ist.
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Umgekehrt, wenn nach dem Geschwindigkeitsprofil gefahren wird, überwacht
die Umschaltstrategie UE den Abstand zwischen dem Fahrzeug und dem vorausfahrenden
Fahrzeug.
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Die Fahrzeugsicherung FG2 ist mit der Fahrzeugsteuerung FG1 über das
Signal FS2 (Figur 1, 7) gekoppelt. Die Fahrzeugsteuerung FG1 sendet das Signal FS2
an die Fahrzeugsicherung FG2 ab, wenn die Verspätung so groß ist, daß kein energieoptimales
Fahren möglich ist. Das Fahrzeug wird dann mit dem Geschwindigkeitsregler VR geführt,
der als Sollwert die Grenzgeschwindigkeit vG erhält.
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