DE3635667A1 - Verfahren zur steuerung von fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung von Fahrzeugen, wie Wasser-, Schienen- und Straßenfahrzeugen, insbesondere im Langstreckenverkehr, bei dem jeweils aktuelle Betriebs- und Umgebungsdaten gemessen und in einem Rechner verarbeitet werden.

Es ist bereits bekannt, Fahrzeuge, wie beispieslweise Schiffe, mit Bordrechnern auszurüsten und diesen Meßdaten­ erfassungseinrichtungen zuzuordnen, mit denen charakteri­ stische Betriebsdaten wie Geschwindigkeit, Treibstoffver­ brauch, Maschinentemperatur, aber auch Umgebungsparameter wie die aktuellen Wetterbedingungen, aufgenommen und dem Rechner zugeführt werden. Der Rechner erarbeitet anhand dieser Daten Informationen, die der Besatzung des Fahr­ zeuges Aufschluß über die aktuellen Betriebsbedingungen vermitteln sollen. Diese Informationen können vom Fahrzeug­ führer bei der Einleitung von Steuerungsmaßnahmen berück­ sichtigt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Steuerung von Fahrzeugen gemäß dem Oberbegriff bereitzustellen, das zu einer Optimierung der betrieblichen Ökonomie bezogen auf die Gesamtreise des Fahrzeuges führt.

Zur Lösung der ersten Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 vorgesehen.

Dieses Verfahren besitzt den Vorteil, daß durch die gleichzeitige Verwendung aktueller Betriebsdaten und ge­ speicherter Informationen sowohl bezüglich des Fahrzeug­ zustandes und der jeweils aktuellen und zeitlich vorauf­ liegenden Einsatzbedingungen, wie insbesondere der Charak­ teristika der vorgesehenen Fahrtroute bzw. möglicher alter­ nativer Routen, die Gesamtfahrt Ökonomisch optimiert wird und dieses vom jeweiligen Fahrzeugort, für den verbleiben­ den Teil der Gesamtfahrstrecke erfolgen kann. Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die vom Rechner bereit­ gestellten Informationen, die die zur Optimierung erforder­ lichen momentanen Steuergrößen, wie Geschwindigkeit und Fahrtrichtung bzw. Kurs, in Form von Steuerbefehlen gene­ riert und als Stellsignale an die betreffenden Systeme, wie Antriebseinheit bzw. Lenkeinheit des Fahrzeuges übermittelt werden, ist sichergestellt, daß tatsächlich zu jeder Zeit der im Hinblick auf die betriebliche Ökonomie optimale Betriebszustand realisiert wird.

Indem in weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die zurückzulegende Gesamtfahrstrecke in Teil­ bereiche unterschiedlicher Streckencharakteristik unterteilt werden, für die jeweils einzeln die einzuhaltenden Betriebs­ parameter vom Rechner festgelegt werden, ist eine besonders einfache Anpassung des Verfahrens nach der Erfindung an wechselnde Einsatzbedingungen gewährleistet.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, daß bei Antritt der Fahrt anhand eines festgelegten Fahrprogramms die aktuellen Betriebs-Kenndaten des Fahrzeuges ermittelt werden. Dadurch wird der Tatsache Rechnung getragen, daß sich einzelne Kenngrößen des Fahrzeuges, wie z.B. der Wirkungsgrad der Antriebseinheit, der Strömungs- bzw. Rollwiderstand des Fahrzeuges, sein Gewicht usw. im Laufe seines Betriebes gegenüber den ursprünglichen Nenndaten verändern. Zur Optimierung der Betriebsökonomie aber ist die Kenntnis des tatsächlichen Fahrzeugzustandes von im jeweiligen betrieb­ lichen Einsatz entscheidendem Nutzen.

In dem weiterhin die jeweils vom Rechner generierten Daten, aber auch von außen neu hinzukommende aktuelle Daten mit vorausberechneten Daten verglichen und abgespeichert werden, ist bei dem Verfahren nach der Erfindung ein adaptives Lernen während der Durchführung einer speziellen Transportaufgabe möglich.

Die zur Lösung der weiteren Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehene Steuervorrichtung gewährleistet, daß die zur Optimierung der betrieblichen Ökonomie erforderlichen Steuerungsmaßnahmen selbsttätig durchgeführt werden. Dabei ist es selbstverständlich möglich, bei Änderung irgend­ welcher Vorgaben bzw. äußerer Bedingungen aktiv in das System einzugreifen. Insbesondere ist die Vorrichtung nach der Erfindung dabei für einen Einsatz auf seegehenden Schiffen, es ist aber ohne weiteres möglich, die Steuer­ vorrichtung für einen Einsatz in Eisenbahnzügen oder in Straßenfahrzeugen zu verwenden, letzteres ist jedenfalls im LKW-Güter- sowie im PKW-Individual-Fernverkehr vorteilhaft.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungs­ gemäßen Steuervorrichtung schematisch dargestellt.

Bei der in der Figur in Form eines Blockdiagramms darge­ stellten Anordnung handelt es sich um eine Steuervorrichtung für ein Seeschiff, genauer für die Antriebseinheit 1 sowie für die Lenkeinheit, d.h. die Ruderanlage 2 des Schiffes. Die Steuervorrichtung besteht aus einem Prozeßrechner 3, an den ein Massenspeicher 4, eine Eingabeeinheit (Tastatur) 5 sowie eine Ausgabeeinheit 6 in Form eines Bildschirmmonitors angeschlossen sind. Weiterhin ist der Rechner 3 mit einer Einheit 7 zur Aufnahme und Übermittlung von Daten an den Rechner verbunden. Schließlich ist eine vom Rechner 3 beaufschlagbare Stelleinheit 8 in Form eines mehrkanaligen Digital/Analog-Wandlers vorgesehen. Dieser D/A-Wandler 8 ist ausgangsseitig sowohl mit der Antriebseinheit 1 als auch mit der Lenkeinheit 2 des Schiffes verbunden. Die beiden letztgenannten Einheiten 1 und 2 sind dabei jeweils mit Servoeinrichtungen 9 bzw. 10 versehen, die mit Stell­ signalen in Form von Spannungen der Größenordnung 0 bis 10 Volt beaufschlagbar sind und die ihrerseits die Verstellung der eigentlichen Kontrollelemente vornehmen, durch die eine Drehzahländerung der Maschine, eine Verstellsteigungsänderung des Propellers oder eine Ruderverstellung herbeigeführt wird.

Weiterhin sind sowohl die Antriebseinheit 1 als auch die Lenkeinheit 2 mit Meßaufnehmern 11 bzw. 12 versehen, die Informationen über die aktuellen Betriebsdaten dieser beiden Einheiten, wie momentane Drehzahl, Kraftstoffdurch­ flußmenge und Temperatur im Fall der Antriebseinheit 1 bzw. die Ruderposition im Fall der Lenkeinheit 2 in Form analoger Signale an die Datenaufnahmeeinheit 7 übermitteln. Letztere leitet diese Signale in digitalisierter Form an den Prozeßrechner 3 weiter. Wie ferner aus der Figur hervorgeht, sind eine Reihe weiterer Meßaufnehmer bzw. Umformer vorgesehen, die mit verschiedenen Komponenten des Schiffes in Verbindung stehen und die an hierfür vorgesehene Eingangskanäle der Datenaufnahmeeinheit 7 ange­ schlossen sind. Im Fall des hier dargestellten Ausführungs­ beispiels der Erfindung sind aus Gründen der Übersichtlich­ keit nur drei dieser Meßaufnehmer dargestellt. Von diesen ist der Meßaufnehmer 13 dem Kraftstoffvorratsbehälter 17 zugeordnet, um Informationen über Menge, Temperatur und Beschaffenheit der darin befindlichen Treibstoffvorräte bereitzustellen.

Stellvertretend für eine weitere Reihe von Meßaufnehmern ist ferner der Meßaufnehmer 14 dargestellt, über den Informationen bereitgestellt werden, die den aktuellen Schiffsbetrieb betreffen, wie Geschwindigkeit, Tiefgang und Strömungsverhältnisse. Der weitere Meßaufnehmer 15 ver­ mittelt Informationen über die Schiffsposition sowie den momentanen Kurs, während schließlich der Meßaufnehmer 16 die aktuellen Wetterbedingungen über die Datenaufnahme­ einheit an den Rechner 3 weitergibt. Schließlich ist der Rechner 3 über einen weiteren Umformer 18 unmittelbar an eine hier nicht dargestellte Funkstation angeschlossen.

Zur vorstehend beschriebenen Anordnung ist anzumerken, daß in der Darstellung zur Verdeutlichung der Zusammenhänge zwischen den einzelnen vorstehend beschriebenen Komponenten sämtliche Verbindungsleitungen separat dargestellt sind. In der Praxis ist es vorteilhaft, beispielsweise die Kompo­ nenten 3 bis 8 jeweils mit einer parallelen Schnittstelle, z.B. IEEE 488, auszurüsten und über einen gemeinsamen Datenbus zusammenzufassen. Ferner können die Datenaufnahme- und Übertragungseinheit 7 und die Stelleinheit 8, wie in der Zeichnung angedeutet, zu einem gemeinsamen Interface zusammengefaßt sein, in das beispielsweise auch der vor­ stehend erwähnte Umformer 18 integriert sein kann. Weiter­ hin ist anzumerken, daß die in der Zeichnung schematisch dargestellte Antriebseinheit 1 aus einer Antriebsmaschine oder mehreren Antriebsmaschinen sowie einem bzw. mehreren von der Maschinenanlage angetriebenen Propellern besteht. Diese können, sofern es sich dabei um Verstellpropeller handelt, ihrerseits sowohl über Meßaufnehmer mit der Datenaufnahmeeinheit 7 als auch mit der Stelleinheit 8 verbunden sein, wobei letztere das Verstellen der Propeller durchführt und kontrolliert.

Die vorstehend beschriebene Anordnung betrifft zwar eine Steuervorrichtung für ein Schiff, sie kann aber in gleicher Weise auch in einem Straßenfahrzeug oder in einem Schienen­ fahrzeug Verwendung finden. In diesen Fällen würde sich eine Vereinfachung dadurch ergeben, daß im allgemeinen die Lenkeinheit bei Schienenfahrzeugen ganz entfällt oder aber von der Rechnersteuerung ausgenommen ist. Ferner ist es denkbar, in diesem Fall die Anzahl der Meßaufnehmer zu verringern. In allen erwähnten Fällen ist es ferner möglich, den Rechner 3 sowie die Speichereinheit 4 nicht im Fahrzeug selbst, sondern an einem festen Standort aufzu­ stellen und sowohl die Informationen als auch die Steuer­ befehle per Funk zu übermitteln. Darüber hinaus ist es auch möglich, im Fahrzeug selbst einen Rechner 3 von vergleichs­ weise geringer Kapazität zu installieren, der als Satel­ litenrechner dient und der über Funk mit einem ortsfest installierten größeren Rechner in Verbindung steht.

Anhand der in der Figur dargestellten Steuervorrichtung soll nachfolgend die Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens näher erläutert werden:

Bereits vor Fahrtbeginn werden auf den für die Speicherein­ heit 4 geeigneten Datenträgern langfristige Informationen zusammgengestellt, die mit der betreffenden Einsatzaufgabe des Fahrzeuges zusammenhängen. Dies sind zum einen geo­ graphische Daten, wie die Wegkoordinaten der geplanten Fahrtroute sowie möglicher alternativer Routen, weiterhin Informationen statistischer Art über die jahreszeitlichen Wetter- und Strömungsverhältnisse und schließlich, sofern es sich um ein Fahrzeug im Liniendienst handelt, die Fahrplandaten für beispielsweise ein Jahr im voraus. Bei Antritt der Fahrt werden diese Daten weiter ergänzt durch Informationen über die Ladung, die Beschaffenheit des Treibstoffs sowie lokale und kurzfristige Wetterprognosen; ferner durch gegebenenfalls kurzfristig erforderlich ge­ wordene Änderungen des Einsatzauftrages. All diese Informa­ tionen werden entweder über die Eingabeeinheit 5 in den Rechner 3 gegeben und in der Speichereinheit 4 abge­ speichert, oder aber sie werden, wie beispielsweise die Wetterprognosen, über Funk an den Rechner 3 übermittelt und den bereits vorhandenen Daten hinzugefügt.

Unmittelbar nach Antritt der Fahrt wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, zunächst selbsttätig eine Ermittlung der aktuellen Betriebs-Kennlinien des Fahrzeuges durchgeführt, d.h. der tatsächliche Zustand der Antriebs­ maschine (Wirkungsgrad, Kennlinien), der Rumpfaußenhaut (Bewuchs) und der Propeller wird im Fahrversuch überprüft. Hierzu werden vom Rechner verschiedene Geschwindigkeits­ stufen vorgegeben, die über eine gewisse Zeitdauer, bei­ spielsweise eine Stunde, eingehalten werden. Das Ergebnis dieses Stufenfahrens liefert dabei nicht nur die aktuellen Propulsions- und Verbrauchscharakteristiken des Schiffes, die den nachfolgenden Berechnungen zur Optimierung der betrieblichen Ökonomie über die Gesamtreise zugrunde gelegt werden, vielmehr werden zugleich anhand festgestellter Veränderungen gegenüber früherer Kenndaten erforderlich werdende Instandhaltungsmaßnahmen ermittelt und zusammen mit den hierfür vorgeschlagenen Durchführungsterminen auf der Ausgabeeinheit 6 angezeigt.

Zur Generierung derjenigen Steuerbefehle die zur Opti­ mierung der betrieblichen Ökonomie des Schiffes, was im Fall des Liniendienstes einer Minimierung des Reisebrenn­ stoffverbrauchs gleichkommt, erforderlich sind, wird die geplante Gesamtfahrtstrecke in Teilabschnitte unterteilt, die sich hinsichtlich der Streckencharakteristik vonein­ ander unterscheiden. Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren werden für jeden dieser Teilabschnitte die für das Durchfahren dieses Bereiches im Hinblick auf den angestrebten Verfahrenszweck, optimale Einsatzdaten für die anliegende Transportaufgabe berechnet.

Jede Berechnung pro Fahrzeugort längs der Route erfolgt dabei nach der Maßgabe, daß die über alle vorausliegenden Teilabschnitte zu verrichtende physikalische Arbeit bis zum Ziel minimiert wird. Dies bedeutet schließlich, daß die vom Rechner generierten Steuerbefehle bewirken, daß das Schiff in denjenigen Teilabschnitten schnell fährt, in denen aufgrund der äußeren Bedingungen (Wetter, Strömung) ver­ gleichsweise wenig Antriebsleistung erforderlich ist und dort langsamer fährt, wo ein vergleichsweise hoher spezi­ fischer Energieaufwand erforderlich ist.

Grundlage für diese Berechnung bilden dabei die in der Speichereinheit 4 gesammelten Daten, aus denen zusammen mit den von den Meßaufnehmern an die Datenaufnahmeeinheit 7 übermittelten Betriebsdaten die erforderlichen Steuerbefehle abgeleitet werden. Diese werden dann in der Stelleinheit 8 in Stellsignale für die entsprechenden Servoeinheiten umgewandelt, die der Antriebseinheit 1 sowie der Lenk­ einheit 2 zugeordnet sind. Konkret führt dies zu einer Verstellung des Ruders bzw. der Propeller und zu einer Erhöhung bzw. Erniedrigung der Maschinendrehzahl. Die Solldaten für diese Steuergrößen werden auf der Ausgabe­ einheit 6 zur Anzeige gebracht.

Über die zugehörigen Meßaufnehmer an der Antriebs- bzw. der Lenkeinheit können dabei zugleich die tatsächlich einge­ stellten Daten vom Rechner ermittelt und im Sinn einer Folgeregelung gegebenenfalls zu einer nochmaligen Korrektur der Stellsignale verwendet werden. Dadurch, daß solche etwaig auftretenden Differenzen zwischen Soll- und Ist-Werten ausgewertet werden, ergeben sich zugleich Hin­ weise für künftige Steuerungsmaßnahmen, die den bereits gespeicherten Informationen hinzugefügt werden.

Das gleiche gilt auch für diejenigen Fälle, in denen anhand gespeicherter, beispielsweise statistischer Daten von Wind- und Strömungsverhältnissen vom Rechner Extrapolationen für bevorstehende Teilabschnitte der Fahrtstrecke vorgenommen wurden. Durch Vergleich dieser extrapolierten Daten mit den tatsächlich auf diesen Teilabschnitten ermittelten Daten ergeben sich weitere Hinweise für künftige Extrapolationen im Sinne adaptiven Lernens, die dazu beitragen, den Nutzen des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu heben. In gleicher Weise tragen auch die im Betrieb ständig aufge­ nommenen und gespeicherten Daten zur weiteren Vervollkomm­ nung des Verfahrens bei.

Selbstverständlich ist es bei Anwendung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens bei einer Anderung der aktuellen Situa­ tion jederzeit möglich, daß von außen her in den Ablauf eingegriffen wird. Dies kann dabei entweder durch Eingaben über die Tastatur des Rechners erfolgen oder aber indem die gesamte Steuervorrichtung vorübergehend durch Handsteuerung (in anderen Worten: durch die konventionelle Betriebs­ führung) ersetzt wird. Nach Beendigung dieser Phase kann der weitere Reiseablauf dann wieder entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ablaufen, wobei zunächst wieder sämtliche aktuellen Betriebsparameter eingangs neu bestimmt werden können.

• Bezugszeichenliste:  1 Antriebseinheit
   2 Lenkeinheit
   3 Prozeßrechner
   4 Massenspeicher
   5 Eingabeeinheit (Tastatur)
   6 Ausgabeeinheit (Bildschirm)
   7 Datenaufnahme- und Übermittlungseinheit
   8 D/A-Wandler (Stelleinheit)
   9, 10 Servoeinheiten
  11, 12 (Sensoren) Meßaufnehmer
  13-16 Meßaufnehmer
  17 Kraftstoffvorratsbehälter
  18 Umformer

Claims (9)

1. Verfahren zur Steuerung von Fahrzeugen, wie Wasser-, Schienen- und Straßenfahrzeugen, insbesondere im Lang­ streckenverkehr, bei dem jeweils aktuelle Betriebs- und Umgebungsdaten gemessen und in einem Rechner verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Speicher­ einheit (4) zusätzlich Informationen bereitgehalten werden, die in Zusammenhang mit der Fahrtroute, den Umgebungsbedingungen, dem Einsatzzustand des Fahrzeuges sowie seinen Einsatzbedingungen stehen, daß diese Daten zusammen mit den aktuellen Daten dem Rechner (3) zugeführt werden und daß vom Rechner (3) anhand dieser Informationen Steuerbefehle generiert werden, die in Form von Stellsignalen an die Antriebs- (1) und/oder Lenkeinheit (2) des Fahrzeuges übermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfahrstrecke in Teilabschnitte unterschiedlicher Streckencharakteristik unterteilt wird und daß vom Rechner (3) für jeden dieser Teilabschnitte die beim Durchfahren einzuhaltenden Betriebsparameter vorab er­ mittelt und als Stellsignale an die jeweils anzusteuernde Einheit (1, 2) übermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Antritt der Fahrt anhand eines festgelegten Fahrprogrammes die aktuellen Betriebs-Kenndaten des Fahrzeuges ermittelt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vom Rechner (3) aufgrund eines Vergleichs der aktuellen Kenndaten des Fahrzeuges mit früher ermittelten Kenndaten durchzuführende Instandsetzungsarbeiten sowie der hierfür notwendige Zeitpunkt ermittelt werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bestehend aus einem Prozeßrechner sowie einer Einheit zur Aufnahme und Übertragung von Daten an den Rechner, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Speichereinheit (4) sowie eine Stell­ einheit (8) vorgesehen sind, wobei letztere eingangs­ seitig vom Rechner (3) beaufschlagbar ist und ausgangs­ seitig mit der Antriebseinheit (1) bzw. der Lenkeinheit (2) des Fahrzeuges verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheit (8) mit der Datenaufnahme- und Über­ tragungseinheit (7) zu einem System zusammengefaßt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rechner (3) im Fahrzeug installiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Rechner (3) außerhalb des Fahrzeuges ortsfest installiert und über Funk mit der Datenauf­ nahme- und Übertragungseinheit (7) sowie der Stell­ einheit (8) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein an Bord des Fahrzeuges befindlicher Rechner (3) über Funk mit einem weiteren, ortsfest installierten Rechner verbunden ist.