EP0568167B1

EP0568167B1 - Verfahren zum Bestimmen des Rollwiderstandes von Eisenbahnfahrzeugen

Info

Publication number: EP0568167B1
Application number: EP93250107A
Authority: EP
Inventors: Achim Dr. Ing. Gottschalk; Wilfried Dipl.-Ing. Jobst; Dietrich Dipl.-Ing. Ennulat
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1992-04-29
Filing date: 1993-04-14
Publication date: 1995-02-15
Anticipated expiration: 2013-04-14
Also published as: DE4214541A1; GR3015743T3; EP0568167A1; ES2069445T3; DE4227789B4; DE4227789A1; ATE118416T1; DE4227787A1; DE4227787C2; DK0568167T3; DE59300081D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiges Verfahren ist z. B. aus der DE-PS 12 36 256 bekannt.
Um zu erreichen, daß über den Ablaufberg einer Rangieranlage ablaufende Einzelfahrzeuge oder Gruppen von Fahrzeugen, im folgenden einheitlich als Abteilungen bezeichnet, bestimmte Streckenpunkte mit einer bestimmten Geschwindigkeit erreichen, werden die Abteilungen in auf ihrem Laufweg liegenden Bremsen auf vorgegebene Auslaufgeschwindigkeiten abgebremst. Die Bestimmung dieser Auslaufgeschwindigkeiten ist außerordentlich problematisch, weil hierzu die Kenntnis einer Vielzahl anlagenspezifischer und abteilungsspezifischer Daten erforderlich ist. Diese Daten sind nur zum Teil von Anfang an bekannt oder hinlänglich genau bestimmbar. Zu den abteilungsspezifischen Daten, die bislang nur recht ungenau bestimmbar sind, gehört der Rollwiderstand; dieser beinhaltet im wesentlichen die Reibkräfte zwischen den Rädern und den Fahrschienen. Der Rollwiderstand, der von Abteilung zu Abteilung verschieden ist, ist außerordentlich stark witterungsabhängig und gilt daher stets nur für eine bestimmte Abteilung und die während des Ermittlungsvorganges herrschenden Witterungsverhältnisse.
Es gibt eine Vielzahl von Ansätzen zum Bestimmen des Rollwiderstandes ablaufender Abteilungen. Üblicherweise geschieht dies durch Messung des Laufverhaltens jeder Abteilung vor einer Bremse mit Hilfe einer Dreipunktmeßstrecke in einem Gleisstück konstanter Neigung (Signal + Draht 83 (1991) 12, Seite 196).
Es ist auch bereits bekannt den Laufwiderstand einer Abteilung durch Bestimmen ihres Laufverhaltens in einem Gleisstück zu bestimmen, dessen Neigung variiert (DE-PS 11 92 858). Dies geschieht durch Zuordnung funktionell festgelegter Neigungswerte zu unterschiedlich langen Abteilungen. Hierbei wird vereinfachend unterstellt, daß die auf eine Abteilung jeweils wirkende Neigung nur abhängig ist von der Länge der Abteilung; tatsächlich ist sie abhängig von der Laufposition der einzelnen Achsen und der dort jeweils vorhandenen Gleisneigung.
Üblicherweise wird der Rollwiderstand einer eine Meßstrecke im freien Lauf durchlaufenden Abteilung dadurch bestimmt, daß aus dem Abstand von Gleisschaltmitteln und den Zeitpunkten ihrer Betätigung auf Einlauf- und Auslaufgeschwindigkeiten der Abteilungen in bzw. aus einer Meßstrecke geschlossen wird. Diese Geschwindigkeitwerte werden quadriert und dann voneinander subtrahiert. Der sich ergebende Wert wird durch den doppelten Abstand der Meßbasen für die Geschwindigkeitsbestimmung, multipliziert mit dem Wert einer reduzierten Erdbeschleunigung, dividiert und dann von der Neigung der Meßstrecke subtrahiert (DE-PS 12 36 256). Die unter Ansatz der vorgenannten Zusammenhänge ermittelten Werte für den Rollwiderstand einer Abteilung sind aus verschiedenen Gründen recht ungenau. So ist die Meßbasis wegen der geforderten konstanten Gleisneigung meist recht kurz. Dies hat zur Folge, daß sich die Werte von Einlauf- und Auslaufgeschwindigkeit in die bzw. aus der Meßstrecke nicht allzusehr unterscheiden, so daß sich allfällige Meßfehler prozentual stark auswirken. Meßfehler entstehen durch den Spießgang der Fahrzeugachsen, also eine Taumelbewegung der Radsätze, die abhängig von der jeweiligen Schrägstellung der Achse am Meßpunkt zu einem zu frühen oder zu späten Ansprechen des Gleisschaltmittels gegenüber einem Fahrzeug mit absolut senkrecht zur Gleislängsachse verlaufenden Achsen führt. Die Periode der durch Spießgang verursachten Taumelbewegung liegt bei bekannten Meßanordnungen etwa in der Größenordnung der Meßstrecke für die Rollwiderstandsbestimmung, d. h. die durch Taumelbewegung der Fahrzeuge bedingten Meßschwankungen sind besonders ausgeprägt. Die durch sie bedingten Fehler bei der Bestimmung des Rollwiderstandes können in der Größenordnung des Rollwiderstandes einer Abteilung, ämlich bis zu 2 ‰ liegen.
Die mit den bekannten Einrichtungen ermittelbaren Rollwiderstände beinhalten in aller Regel nicht nur den eigentlichen Rollwiderstand eines Fahrzeugs, der im wesentlichen geschwindigkeitsunabhängig ist, sondern darüber hinaus weitere Widerstände, die weitgehend geschwindigkeitsabhängig sind, im wesentlichen gleisabhängige Widerstände durch horizontale und vertikale Abweichungen der belasteten Schienen innerhalb der Meßstrecke von der Ideallinie. Ferner berücksichtigen die Meßeinrichtungen regelmäßig nicht oder nur sehr ungenügend den Einfluß des Windes auf die ablaufenden Abteilungen und zwar weder beim Bestimmen des Rollwiderstandes noch bei der späteren Laufweg/Laufzeitsteuerung der Abteilungen zum Erreichen vorgegebener Laufziele.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 anzugeben, das es gestattet, den Rollwiderstand ablaufender Abteilungen sehr genau zu bestimmen, ohne daß es hierzu einer Meßstrecke mit konstanter Neigung und in genauem Abstand zueinander angeordneter Gleisschaltmittel bedarf. Das erfindungsgemäße Verfahren soll auch dann noch anwendbar sein, wenn eines der Gleisschaltmittel für die Bestimmung von Befahrungsereignissen ausfällt. Es soll ohne zwingenden Einsatz von Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen zum Bestimmen der Fahrzeuggeschwindigkeiten in der Meßstrecke auskommen und zu seiner Anwendung auch nicht der detaillierten Kenntnis von fahrzeugspezifischen Parametern wie der Achsabstände bedürfen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die vorstehend genannten, durch Spießgang der Radachsen und ungenügend festgelegte Schienen bedingten Meßfehler bei der Bestimmung von Rollwiderständen werden durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitgehend vermieden, daß sich der Einfluß partieller Gleisabsenkungen und Gleisverschiebungen über die Länge der Meßstrecke, die regelmäßig größer sein wird als bisher, in etwa ausgleicht und daß in der Meßstrecke für jede Achse eine Vielzahl von Ereignismeldungen ausgelöst werden, bei denen sich die durch Spießgang bedingten Meßzeitverfälschungen in etwa aufheben. Als Gleisschaltmittel können ausschließlich bereits in der Anlage befindliche, prinzipiell beliebig verteilt angeordnete Gleisschaltmittel verwendet werden; ihre Position kann durch nachträgliches Vermessen festgestellt werden.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei:

Fig.1 schematisch ein Gleis im Bereich eines Ablaufberggipfels dargestellt mit einer aus zwei gekuppelten Fahrzeugen bestehenden Abteilung zeigt;
Fig.2 die Differentialgleichungen mit den zugehörigen Anfangswerten für den Beginn der Ablaufverfolgung angibt, die für die Laufwegverfolgung einer Abteilung in der Meßstrecke und den Einfluß der variablen auf die Laufzeiten zu vorgegebenen Laufpositionen gelten; und
Fig.3 eine Matrix zeigt, auf deren Werte das mathematische Verfahren der Orthogonalisierung angewendet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von der Überlegung, daß die in ein an sich beliebiges Simulationsmodell zur Beschreibung des Laufweg/Laufzeitverhaltens frei laufender Abteilungen einbezogenen Werte für die Modellparameter nur dann richtig gewählt worden sind, wenn sich das aus dem Simulationsmodell berechnete Laufweg/Laufzeitverhalten der Abteilungen deckt mit dem tatsächlichen Laufweg/Laufzeitverhalten dieser Abteilungen. Der Vergleich des simulierten mit dem tatsächlichen Fahrverhalten einer Abteilung nach Laufzeit oder Geschwindigkeit wird regelmäßig gewisse Abweichungen zeigen, d. h. die im Simulationsmodell für die Variablen verwendeten Werte entsprechen nicht den tatsächlichen Werten dieser Größen. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, die Werte der im Simulationsmodell verwendeten Variablen durch ein mathematisches Verfahren schrittweise zu optimieren bis schließlich das simulierte Fahrverhalten mit dem tatsächlichen Fahrverhalten übereinstimmt. Für diesen Vorgang vergeht eine endliche Zeitspanne nach dem Erfassen des tatsächlichen Laufverhaltens der Fahrzeuge; diese Zeitspanne steht im Rangierbetrieb um so mehr zur Verfügung, je früher man das Laufverhalten der Abteilungen im freien Lauf z. B. schon kurz hinter dem Ablaufbergipfel detektiert. Die zu bestimmenden Modellparameter werden für die Steuerung der im Laufweg weiter vorausliegenden Bremsen benötigt und die Laufzeit bis dorthin ist um ein Vielfaches größer als die Zeit für die nach der Erfindung vorgesehene Anpassung des im Simulationsmodell ermittelten Laufverhaltens einer Abteilung an ihr tatsächliches Laufverhalten. Die Laufzeitanpassung erfolgt damit im On-line-Betrieb.
Die Beschreibung des Laufverhaltens einer Abteilung im freien Lauf geschieht regelmäßig über eine Energiebilanz, in der die kinetische und die potentielle Energie der Abteilung an unterschiedlichen Laufpositionen beschrieben wird; die zahlenmäßige Differenz zwischen diesen Energien entspricht dem Einfluß aller auf die Abteilung beim Durchlaufen der Meßstrecke wirkenden Widerstände. Diese Widerstände umfassen neben dem zu bestimmenden Rollwiderstand, der im wesentlichen geschwindigkeitsunabhängig ist, einen geschwindigkeitsabhängigen Laufwiderstand, der abhängig ist von der jeweiligen Laufwegposition und im wesentlichen die Hemmnisse beschreibt, die durch Windeinflüsse, Gleisbögen, Radlenker, Schienenverwindungen und -durchbiegungen und andere vergleichbare Einflüsse von der Schiene auf das Fahrzeug wirken. Die Achsgewichte der Abteilungen werden über gleisseitige Meßwertgeber beim Vorüberlaufen der einzelnen Radsätze an den Meßwertgebern erfaßt.
Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet für die Laufweg/Laufzeitbeschreibung der Abteilungen im freien Lauf Gleisschaltmittel, im nachfolgenden als Kontakte bezeichnet, die vorzugsweise in Fahrrichtung überwiegend hinter dem Ablaufberggipfel angeordnet sind. Ihr Abstand voneinander muß bekannt sein, es ist jedoch nicht erforderlich, daß die Kontakte einen vorgegebenen Abstand zueinander aufweisen. Die durch die Kontakte definierte Meßstrecke braucht auch nicht ein bestimmtes konstantes Gefälle aufzuweisen. Vielmehr ist das Gefälle prinzipiell beliebig wählbar, nur muß es hinreichend genau vermessen sein, um für die einzelnen Laufpositionen der Abteilung die sich dort einstellenden Hangabtriebskräfte bestimmen zu können. Das Verfahren ist auch auf Meßstrecken anwendbar, die Teilstrecken mit Steigungen enthalten. Das erfindungsgemäße Verfahren kommt zur Bestimmung der Vorrückgeschwindigkeit der Abteilung in der Meßstrecke ohne Geschwindigkeitsmeßeinrichtungen aus; vielmehr wird die Einlaufgeschwindigkeit der Abteilung in die Meßstrecke zunächst vorzugsweise geschätzt; die Geschwindigkeitsänderungen der Abteilung beim Vorrücken in der Meßstrecke ergeben sich durch rechnerische Laufwegverfolgung der Achsen unter Berücksichtigung des Gleisgefälles an der jeweiligen Laufposition der Achsen. Die für die Laufwegverfolgung zugrunde zu legenden Achsabstände selbst können, müssen jedoch nicht vorab bekannt sein; sie lassen sich aus den Überrollzeiten der Kontakte und dem Abstand der Kontakte mindestens annähernd schätzen. Die Schätzwerte für Rollwiderstand, Fahrzeuggeschwindigkeit und Achsabstände, die für die Simulation des Fahrzeuglaufs benötigt werden, werden im Laufe der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens schrittweise genauer berechnet und optimiert.
Um das sich aus dem Simulationsmodell errechnete Laufverhalten einer Abteilung an das tatsächliche Laufverhalten der Abteilung anzupassen, ist das tatsächliche Laufverhalten der Abteilung zunächst festzustellen. Dies geschieht dadurch, daß die Überrollzeitpunkte der einzelnen Achsen über die einzelnen Kontakte detektiert werden. Dabei werden für jeden Kontakt der jeweilige Überrollzeitpunkt und die zugehörige Achse festgehalten. Zur Erläuterung wird auf Figur 1 verwiesen. Dort ist schematisch ein Gleis im Bereich eines Ablaufberggipfels dargestellt mit einer aus zwei gekuppelten Fahrzeugen bestehenden Abteilung. Jedes Fahrzeug weist zwei Achsen A mit einer die Position des Fahrzeugs kennzeichnenden ersten Ziffer und mit einer hinter einem Punkt folgenden, die Position der jeweiligen Achse im Fahrzeug kennzeichnenden folgenden Ziffer auf. Hinter dem Ablaufberggipfel folgen vorzugsweise aus Redundanzgründen mindestens vier Schienenkontakte K1 bis K4 beliebiger Bauart und im Prinzip beliebiger Anordnung. Zu den einzelnen Kontakten sind die zugehörigen Befahrungsereignisse durch die Kennzeichnung des Kontaktes, der Achse und der Überrollzeit markiert. Das Überrollen des ersten Kontaktes K1 durch die erste Achse A1.1 kennzeichnet den Zeitpunkt to für den Beginn der Ablaufverfolgung.
Aus dem Simulationsmodell werden nun zum Vergleich des errechneten mit dem tatsächlichen Laufverhalten der Abteilung die Überrollzeitpunkte der Kontakte durch die einzelnen Achsen bestimmt, die sich aus den bei der Simulation berücksichtigten Werten der Modellparameter ergeben. Einer dieser Modellparameter ist die Anfangsgeschwindigkeit der Abteilung zu Beginn der Ablaufverfolgung. Diese Anfangsgeschwindigkeit wird geschätzt. Dies kann z. B. geschehen durch die zeitliche Bewertung der Befahrung aufeinanderfolgender Schienenkontakte und Berücksichtigung ihres Abstandes. Der dabei zu ermittelnde Wert einer mittleren Geschwindigkeit zwischen diesen beiden Kontakten könnte z. B. als erster Schätzwert für die Anfangsgeschwindigkeit der Abteilung verwendet werden.
Um die Überrollzeitpunkte der einzelnen Kontakte durch die einzelnen Achsen berechnen zu können, ist es erforderlich, den Laufweg der einzelnen Achsen über die Meßstrecke zu verfolgen. Dies kann in der Weise geschehen, daß der Achsabstand der Abteilungen beim Passieren der einzelnen Kontakte zunächst mehr oder weniger grob bestimmt wird, so daß bei jedem Kontaktbefahrungsereignis auch eine Aussage über die ungefähre Position der übrigen Achsen der Abteilung gemacht werden kann. Für die Laufpositionen der einzelnen Achsen in der Meßstrecke gelten die dort jeweils gegebenen Gleisgefälle. Aus diesen Gleisgefällen ergeben sich die Hangabtriebskräfte auf die Abteilung und damit die Geschwindigkeitsänderungen der Abteilung beim Durchlaufen der Meßstrecke. Wie bereits in der Beschreibungseinleitung ausgeführt, werden die aus dem Simulationsmodell errechneten Überrollzeitpunkte mehr oder weniger stark von den ermittelten Überrollzeitpunkten abweichen. Dies liegt an den für die Simulation verwendeten Schätzwerten, nämlich der Anfangsgeschwindigkeit der Abteilung zu Beginn der Ablaufverfolgung, dem für die Simulation herangezogenen Schätzwert für den Rollwiderstand und die für die Laufwegverfolgung benutzten Werte der Achsabstände. Diese Werte sind nun zur Anpassung des errechneten Laufverhaltens an das tatsächliche Laufverhalten zu modifizieren. Dazu wird das Simulationsmodell in der Umgebung der aktuellen Schätzwerte für die Modellparameter linearisiert und mit diesem lokalen Ersatzmodell unter Verwendung des mathematischen Verfahrens der Orthogonalisierung ein linearer Ausgleich zur Ermittlung von Parameterkorrekturen durchgeführt (Schwarz, H. R.; Rutishauser, H.; Stiefe, E.: "Numerik symmetrischer Matrizen", B. G. Teubner, Stuttgart 1968, Seiten 93 bis 102). Bei diesem Verfahren werden die in die Simulation eingeflossenen zunächst möglicherweise sehr ungenauen Parameter schrittweise optimiert. Hierzu ist es erforderlich, den Einfluß der Änderungen dieser Parameter auf das Laufverhalten, d. h. auf die Laufzeiten der Abteilungen zu den einzelnen Kontakten festzustellen.
Für die Laufwegverfolgung einer Abteilung in der Meßstrecke und den Einfluß der Variablen auf die Laufzeiten zu vorgegebenen Laufpositionen gelten die in Figur 2 angegebenen Differentialgleichungen mit den zugehörigen Anfangswerten für den Beginn der Ablaufverfolgung. Durch numerische Lösung der letzten beiden Gleichungen lassen sich für jedes rechnerisch bestimmbare Befahrungsereignis der Einfluß einer Änderung des angenommenen Rollwiderstandes und der angenommenen Anfangsgeschwindigkeit auf die errechnete Laufzeit feststellen. Der Einfluß der Änderung der angenommenen Achsabstände folgt aus dem Kehrwert der berechneten Geschwindigkeit der Abteilung (zweite Differentialgleichung). Diese Werte werden in die Matrix nach Figur 3 zeilenweise zu den jeweiligen aus dem Modell gelieferten und den tatsächlichen Laufzeiten eingetragen. Die in Figur 3 hinter den Bestimmungsausdrücken eingesetzten Indizes kennzeichnet dabei, daß es sich bei dem betreffenden numerischen Wert um einen errechneten Wert handelt und für welches Befahrungsereignis dieser Wert gilt. Neben diesen, den Einfluß geänderter Variablen auf die Laufzeiten angebenden Werten enthält die Matrix weitere Werte, welche die Abhängigkeit der jeweils angenommenen Achsabstände auf die Laufzeiten beinhalten. Eine laufende Nummer hinter den Achsabständen 1 bezeichnet dabei, um welchen Achsabstand es sich dabei handelt, wobei 11 der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Radsatz und 1q der Abstand zwischen dem vorletzten und letzten Radsatz der Abteilung darstellt.
Durch Eintragen der durch partielle Differentiation gewonnenen numerischen Werte für den Einfluß, den Änderungen der für das Simulationsmodell herangezogenen Parameter auf die Laufzeit einer Achse zu einem Kontakt haben, kommt man schließlich zu der in Figur 3 angegebenen Matrix, die um so größer ist, je größer die Anzahl der Kontakte ist, deren Befahrungsereignisse ausgewertet werden und je größer die Anzahl der Achsen einer Abteilung ist. Im allgemeinen reichen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens drei Kontakte aus. Die Genauigkeit des Verfahrens ist wesentlich von der Länge der Meßstrecke abhängig, weniger von der Zahl der Kontakte; Redundanz liegt bereits bei drei Kontakten vor. Ab einer bestimmten Anzahl von Achsen ist das Verfahren nicht mehr anwendbar, weil dann zu unterstellen ist, daß die Abteilung nicht mehr in den freien Lauf übergeht, sondern entweder noch geschoben oder bereits gebremst wird, so daß das Simulationsmodell keine Gültigkeit mehr hat. In diesem Fall muß für die weitere Fahrzeugsteuerung von Rollwiderstandsersatzwerten ausgegangen werden, die auf Erfahrungswerten beruhen.
Auf die Werte der in Figur 3 dargestellten Matrix wird das mathematische Verfahren der Orthogonalisierung angewendet. Durch dieses Verfahren ergeben sich für alle in die Matrix einbezogenen Parameter Korrekturwerte Δw_R, Δv0, Δ11 bis Δ1q. Diese Werte geben an, in welcher Weise die bislang im Simulationsmodell verwendeten Werte der Parameter zu korrigieren sind, um eine bessere Anpassung an das tatsächlichen Laufverhalten, d. h. eine Minimierung der Abweichung zwischen tatsächlichen und errechneten Überrollzeitpunkten zu erreichen. Die jeweils durch die Orthogonalisierung gefundenen Korrekturwerte werden als additive Größen in das Simulationsmodell eingeführt und verändern dort die bislang verwendeten Werte dieser Größen. Anschießend findet ein erneuter Simulationslauf statt, mit dem wiederum die Überrollzeitpunkte der Kontakte durch die einzelnen Achsen errechnet werden. Diese Überrollzeitpunkte unterscheiden sich von den im ersten Simulationslauf gefundenen Werten; sie liegen dichter an den tatsächlichen Überrollzeitpunkten als im ersten Simulationsschritt angenommen. Auch hier werden die Einflüsse, die Änderungen der jetzt geänderten Variablen auf die Laufzeiten haben, wiederum numerisch erfaßt und in eine Matrix nach Figur 3 gebracht. Durch erneute Orthogonalisierung werden wiederum Korrekturwerte für die Parameter bestimmt und ein dritter Iterationszyklus gestartet, in dem wiederum die Überrollzeitpunkte der Kontakte durch die einzelnen Achsen ermittelt werden. Auf diese Weise werden die errechneten Laufzeiten immer weiter an die tatsächlichen Laufzeiten angeglichen. Sehr schnell ist es nicht mehr sinnvoll, weitere Iterationsschritte vorzunehmen, weil das Simulationsmodell mit den dann gefundenen Werten weitestgehend dem tatsächlichen Laufverhalten der Abteilung entspricht, d. h. die dann rechnerisch bestimmte Laufzeiten entsprechen weitestgehend den tatsächlichen Laufzeiten der Abteilung. Das Abbruchkriterium für den Iterationszyklus zur Laufzeitoptimierung ist vorzugsweise dann erreicht, wenn der Wert der Abweichungsquadrate t² oder eine Prognose für den Wert der Abweichungsquadrate nach Ausführung der Parameterkorrektur zwischen den rechnerisch bestimmten und den tatsächlichen Laufzeiten zu einer relativen Änderung der Abweichungsquadrate führt, die unterhalb eines vorgegebenen Wertes von z. B. 1 ‰ liegt.
Versuche haben gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren bereits nach etwa drei Iterationsschritten soweit konvergiert, daß das Abbruchkriterium gegeben ist. Der Wert für die relative Änderung der Abweichungsquadrate von gemessenen und errechneten Laufzeiten ist ein anlagenspezifischer Wert, d. h. er ist von Ablaufanlage zu Ablaufanlage verschieden. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, den Absolutwert des Abweichungsquadrates bei Abbruch eines Iterationszyklusses zu erfassen und mit den zuvor bei der Behandlung anderer Abteilungen festgestellten Abbruchwerten zu vergleichen. Auf diese Weise können einerseits Angaben gemacht werden über Fahrzeuge, deren errechnetes Laufverhalten sich nicht in gleicher Weise wie das der übrigen Abteilungen an das tatsächliche Laufverhalten anpaßt; solche Abteilungen könnten z. B. teilgefüllte Kesselwagen mit schwappendem Inhalt sein. Durch Langzeitbeobachtungen könnten aber auch meßstreckenbedingte Einflüsse, wie z. B. Änderungen der Schienenbettung oder ungenauer schaltende Gleisschaltmittel erkannt werden.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahren macht es möglich, den Rollwiderstand von Abteilungen hochgenau zu bestimmen, ohne daß es dazu einer Meßstrecke mit konstantem Gefälle oder in bestimmtem vorgegebenen Abstand voneinander angeordneter Gleisschaltmittel bedarf. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es sogar, bei Ausfall eines oder auch mehrerer der Kontakte den Rollwiderstand weiterhin hochgenau zu bestimmen, indem anstelle der Meßwerte dieses Kontaktes die Meßwerte eines anderen Kontaktes verwendet werden. Fällt bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 beispielsweise der Kontakt K1 aus, so übernimmt der Kontakt K2 dessen Funktion, wobei die erste Achse jedes Ablaufes beim Passieren dieses Kontaktes K2 den Beginn der Ablaufverfolgung kennzeichnet. Aus Redundanzgründen ist es deshalb von Vorteil, von vornherein auch den Abstand eines fünften oder gegebenenfalls auch sechsten Kontaktes zu den übrigen Kontakten zu kennen und für die Bestimmung der Hangabtriebskräfte die Gleisneigungen in einem entsprechend erweiterten Gleisbereich vorzuhalten. Zur Bestimmung dieser Hangabtriebskräfte müssen die Gleisneigungen auch in einem Bereich außerhalb der eigentlichen Meßstrecke bekannt sein, die durch die Länge der jeweiligen Abteilung definiert ist.
Die Bestimmung des Rollwiderstandes ist, wie eingangs erläutert wurde, erforderlich, um eine einigermaßen exakte Laufzielbremsung durchführen zu können. Gerade bei der Laufzielbremsung mit ihrer in der Nähe des Zielpunktes geringen Laufgeschwindigkeit einer Abteilung ist es von großem Vorteil, den Windeinfluß auf die betreffende Abteilung sowohl bei der Bestimmung des Rollwiderstandes als auch für die spätere Laufzielbremsung zu berücksichtigen. Für die Berücksichtigung des Windeinflusses bei der Bestimmung des Rollwiderstandes einer Abteilung wird die Windrichtung und die Windstärke im Bereich der Meßstrecke detektiert und hieraus sowie aus abteilungsbezogenen Daten wie der Frontfläche der Abteilung der Einfluß des Windes auf die Geschwindigkeit der Abteilung bestimmt und für die Simulation von der angenommenen Fahrzeuggeschwindigkeit subtrahiert bzw. addiert. Man erhält so einen Wert für den Rollwiderstand, der unabhängig ist von Windeinflüssen. Für die Laufzielbremsung ist es aber erforderlich, den Einfluß, den der Wind auf dem Laufweg zum Zielpunkt auf eine Abteilung ausübt, zu berücksichtigen. In der Nähe des Zielgleises können jedoch ganz andere Windverhältnisse herrschen als in der Meßstrecke. Es ist deshalb notwendig, auf dem gesamten Laufweg den Wind nach Stärke und Richtung zu messen, um ihn bei der Bremsensteuerung berücksichtigen zu können. Vorteilhaft geschieht dies dadurch, daß die gefundenen Werte für Windrichtung und Windstärke in einen Polynomansatz eingebracht werden, mit dem für jeden Ort des Laufweges der dort geltende Windeinfluß berechnet werden kann. Für den Bereich der Richtungsgleise ist es dabei von Vorteil, die jeweils ermittelten Windwerte gegenüber den von freistehenden Meßwertgebern ermittelten Werten zu vermindern, um so den Einfluß der Windabschattung durch bereits in den Zielgleisen stehende Abteilungen zu berücksichtigen.
Bei dem vorstehend näher geschilderten Verfahren zur Bestimmung des Rollwiderstandes ablaufender Abteilungen wird für die Simulation des Laufzeit/Laufwegverhaltens ablaufender Abteilungen zunächst von Schätzwerten für den Rollwiderstand, die Anfangsgeschwindigkeit und die Achsabstände der Abteilungen ausgegangen. Selbst bei nicht all zu gut geschätzten Anfangswerten konvergiert das erfindungsgemäße Verfahren nach in der Regel drei Iterationsschritten ausreichend schnell. Selbstverständlich ist es möglich, bei diesen Schätzwerten auf Werte zurückzugreifen, die durch einen Meßvorgang bestimmt wurden. Hierzu könnte z. B. eine Geschwindigkeitsmessung im Bereich der Meßstrecke durch ein Radargerät gehören, das dort ohnehin vorhanden ist oder aber es könnte eine gleisgebundene Geschwindigkeitsmeßvorrichtung vorhanden sein, welche die Geschwindigkeit einer Abteilung in einer Meßstrecke aus der Verstimmung eines Gleiskreises durch die erste Achse einer Abteilung bestimmt. Bezüglich der Achsabstände könnten recht gute Schätzwerte aus entsprechenden vorgemeldeten Daten entnommen werden, sofern diese Daten vorhanden sind oder diese Daten könnten von einem Radargerät zur Laugwegverfolgung geliefert werden. Von Vorteil ist es auch, bei bestimmten normierten Achsabständen, wie sie z. B. bei Drehgestellen vorhanden sind, anstelle der geschätzten Werte auf die dann exakt vorliegenden Abstandswerte zuzugreifen.
Ein ganz wesentlicher Vorteil des erfindungsgemaßen Verfahrens besteht darin, daß für die Bestimmung des Rollwiderstandes ablaufender Abteilungen ausschließlich auf Zeitwerte, also Primärwerte, und nicht daraus abgeleitete Sekundärwerte, wie Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen zurückgegriffen werden muß. Alle solche sekundären Werte wären mit Meßfehlern behaftet, die weitaus größer wären als die vorzugsweise ausschließlich durch das Raster der zeitlichen Abtastung der Sensormeldungen gegebenen Zeitmeßfehler. Auch dies ist ein Grund dafür, daß das erfindungsgemäße Verfahren sehr schnell und stabil konvergiert.

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Rollwiderstandes von eine Strecke im freien Lauf passierenden Eisenbahnfahrzeugen unter Verwendung eines Simulationsmodells für die Laufweg/Laufzeitbeschreibung der einzelnen Abteilungen während des Ablaufs und Bewertung der durch Gleisschaltmittel feststellbaren Befahrungsereignisse,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Ereignismeldungen von mindestens drei im Laufweg der Abteilungen liegenden Gleisschaltmitteln (K1 bis K3) für jedes dieser Gleisschaltmittel (K1,..,K3) nach Laufzeit (t1,...,t15) und Nummer des Radsatzes (A1.1,..,A2.2) der Abteilung, die dieses Ereignis auslöst, gespeichert werden,

- daß diese Laufzeiten (t1,...,t15) mit den im Simulationsmodell zum Passieren der einzelnen Gleisschaltmittel durch die einzelnen Achsen berechneten Laufzeiten (t1*,...,t15*) verglichen und gespeichert werden oder daß die jeweiligen Laufzeitabweichungen (t1 - t1*,...,t15-t15*) gespeichert werden,

- daß für jeden dieser berechneten Laufzeitwerte durch partielle Differentiationen der Zeit nach den in die Simulation einfließenden Parameter die Einflüsse einer Änderung des jeweils angenommenen Rollwiderstandes ${((δt/δw}_{R}))$
, der angenommenen Geschwindigkeit zu Beginn der Laufwegverfolgung $((δt/δVo))$
und der zur Bestimmung der Laufwegpositionen der einzelnen Achsen angenommenen Achsabstände $((δt/δℓ1)...(δt/δℓq))$
der Abteilungen auf den jeweiligen Laufzeitwert numerisch bestimmt und diese Werte zeilenweise zu einer Matrix zusammengestellt werden,

- daß auf diese Matrix das Orthogonalisierungsverfahren angewendet und die sich als Ergebnis einstellenden Änderungswerte für Rollwiderstand (Δw_R), Anfangsgeschwindigkeit (ΔVo) und Achsabstände (Δℓ1...ℓq) zu den bei der Simulation jeweils berücksichtigen Werten addiert werden,

- daß anschließend mit diesen neuen Werten ein erneuter Simulationsvorgang mit erneuter Matrixbildung und Orthogonalisierung stattfindet,

- daß diese Verfahrensschritte mit stetig verbesserten Schätzwerten für die Parameter solange wiederholt werden, bis durch weitere Verbesserungen keine nennenswerten Ergebnisverbesserungen im Sinne einer Angleichung der im Simulationsmodell bestimmten Laufzeiten an die tatsächlich gemessenen Laufzeiten eintreten und

- daß mindestens der so bestimmmte Wert des Rollwiderstandes (w_R) für die weitere Laufweg/Laufzeitbeschreibung des betreffenden Ablaufes herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die ereignisorientiert ermittelten Abweichungen zwischen den tatsächlich gemessenen Zeitwerten und den aus dem Simulationsmodell jeweils errechneten Zeiten quadriert und dann addiert werden,

- daß hieraus der Wert der Abweichungsquadrate und eine Prognose für den Wert der Abweichungsquadrate nach Ausführung der Parameterkorrektur abgeleitet wird

- und daß der Iterationszyklus für die Parameterkorrektur abgebrochen wird, wenn die dadurch erreichbare relative Änderung der Abweichungsquadrate einen vorgegebenen Wert unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwert der Abweichungsquadrate beim Abbruch eines Iterationszyklus erfaßt und mit den zuvor bei der Behandlung anderer Abteilungen festgestellten Abbruchwerten zum Erkennen von sporadischen sprunghaften Ergebnisverschlechterungen und/oder längerfristigen tendenziellen Ergebnisverschlechterungen verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die in den ersten Iterationsschritt des Verfahrens eingeführten Werte für die Variablen Rollwiderstand, Anfangsgeschwindigkeit und Achsabstände Meßwerte und/oder Schätzwerte sind.
Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Schätzwerte für die Anfangsgeschwindigkeit und/oder die Achsabstände durch Rückschluß aus den tatsächlichen Überrollzeitpunkten der Gleisschaltmittel gewonnen werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß für die Laufweg/Laufzeitsimulation von Abteilungen mit normierten Achsabständen die durch die Normung vorgegebenen tatsächlichen Achsabstände für die Laufweg/Laufzeitbeschreibung berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschreibung der Variablen im Simulationsmodell durch die folgenden Differentialgleichungen erfolgt,

${dV/ds = f (V, s, w}_{R})$

$dt/ds = ℓ/V$

${d (δV/δw}_{R} {)/ds = (δf/δV) x (δV/δw}_{R} {) + (δf/δw}_{R})$

$d (δV/δVo)/ds = - (δf/δV) x (δV/δVo)$

${d (δt/δw}_{R} {)/ds = - (δV/δw}_{R})/V²$

$d (δt/δVo)/ds = - (δV/δVo)/V²$

mit den Anfangswerten

$s = So$

$V = Vo$

$t = 0$

${δV/δw}_{R} = 0$

$δV/δVo = 1$

${δt/δw}_{R} = 0$

$δt/δVo = 0,$

worin
s die augenblickliche Laufwegposition des Spitzenradsatzes der Abteilung,

s0 die Laufwegposition des Spitzenradsatzes zu Beginn der Ablaufverfolgung,

V die augenblickliche Geschwindigkeit der Abteilung,

Vo die Anfangsgeschwindigkeit der Abteilung zu Beginn der Ablaufverfolgung,

ℓ der Achsabstand,

t die Laufzeit der Abteilung seit Beginn der Ablaufverfolgung und

w _R der Rollwiderstand sind.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß im Simulationsmodell die auf die die Meßstrecke passierenden Abteilungen einwirkenden orts- und geschwindigkeitsabhängigen Laufwiderstände außerhalb des Rollwiderstandes numerisch berücksichtigt werden und daß für die weitere Laufzeit/Laufwegsteuerung der Abteilungen außerhalb der Meßstrecke die dort jeweils geltenden orts- und geschwindigkeitsabhängigen Laufwiderstände zusätzlich zu den ermittelten Rollwiderständen berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß im Simulationsmodell der Windeinfluß auf die Geschwindigkeit der die Meßstrecke passierenden Abteilungen berücksichtigt wird und daß für die weitere Laufweg/Laufzeitsteuerung der Abteilungen außerhalb der Meßstrecke die dort sich einstellenden Windverhältnisse berücksichtigt werden.
Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Berücksichtigung der Windeinflüsse bei der Bestimmung der Parameter und der Laufweg/Laufzeitsteuerung der Abteilungen dergestalt vorgenommen wird, daß Windrichtung und Windstärke an vorgegebenen Laufpositionen gemessen und die dort auf eine Abteilung in Laufrichtung wirkenden windabhängigen Kräfte bestimmt werden und daß die so gefundenen Werte in einen Polynomansatz eingebracht werden, der für jeden Ort des Laufweges den dort geltenden Windeinfluß beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Richtungsgleise die für dort ermittelten Windeinflußwerte nach Maßgabe der Windabschattung durch die bereits in die Richtungsgleise gelaufenen Abteilungen vermindert werden.