EP0719688B1 - Führungssystem für Schienenfahrzeuge - Google Patents

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EP0719688B1
EP0719688B1 EP96104661A EP96104661A EP0719688B1 EP 0719688 B1 EP0719688 B1 EP 0719688B1 EP 96104661 A EP96104661 A EP 96104661A EP 96104661 A EP96104661 A EP 96104661A EP 0719688 B1 EP0719688 B1 EP 0719688B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mfg
unit
determining
rail vehicle
errors
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP96104661A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0719688A3 (de
EP0719688A2 (de
Inventor
Helmut Prof. Dr.-Ing. Altmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alstom Schienenfahrzeuge AG
Original Assignee
Fiat Sig Schienenfahrzeuge AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fiat Sig Schienenfahrzeuge AG filed Critical Fiat Sig Schienenfahrzeuge AG
Priority to ES96104661T priority Critical patent/ES2136908T3/es
Priority to EP96104661A priority patent/EP0719688B1/de
Priority to AT96104661T priority patent/ATE182533T1/de
Priority to DE59602504T priority patent/DE59602504D1/de
Publication of EP0719688A2 publication Critical patent/EP0719688A2/de
Publication of EP0719688A3 publication Critical patent/EP0719688A3/de
Priority to PCT/CH1997/000094 priority patent/WO1997035756A1/de
Priority to AU18656/97A priority patent/AU1865697A/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0719688B1 publication Critical patent/EP0719688B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61F—RAIL VEHICLE SUSPENSIONS, e.g. UNDERFRAMES, BOGIES OR ARRANGEMENTS OF WHEEL AXLES; RAIL VEHICLES FOR USE ON TRACKS OF DIFFERENT WIDTH; PREVENTING DERAILING OF RAIL VEHICLES; WHEEL GUARDS, OBSTRUCTION REMOVERS OR THE LIKE FOR RAIL VEHICLES
    • B61F5/00—Constructional details of bogies; Connections between bogies and vehicle underframes; Arrangements or devices for adjusting or allowing self-adjustment of wheel axles or bogies when rounding curves
    • B61F5/02—Arrangements permitting limited transverse relative movements between vehicle underframe or bolster and bogie; Connections between underframes and bogies
    • B61F5/22—Guiding of the vehicle underframes with respect to the bogies

Definitions

  • the present invention relates to a guidance system according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of claim 9.
  • the lateral acceleration is of curve radius and Driving speed dependent, the angle by which the Load floor must be placed with respect to the chassis in order to to fulfill the conditions mentioned above, in addition by the Track increase.
  • the current one on the vehicle Lateral acceleration measured for which purpose suitable Measuring devices, such as accelerometers, gyroscopes, Pendulums, etc., are provided on the vehicle.
  • Measuring devices such as accelerometers, gyroscopes, Pendulums, etc.
  • the current measurements are in controlling or in regulatory sense on the actuator for the Intervention of the load-bearing floor bank.
  • pendulum the deflection of which is a direct measure for the bank angle to be set on Load bearing floor is because the mass of the load in the Acceleration considerations not received.
  • EP-B1-0 271 592 also known to help prevent Delays in adjusting the bank angle Load floor the position of the rail vehicle with the help a cross correlation between known ones Route information or reference data and measurement technology determined route information is calculated. Based the position data determined in this way become the reference data a leading address retrieved and with the measured speed of the rail vehicle instantaneous determination of the settings to be set Cross slope of the load floor offset.
  • the known system takes into account the Fault characteristics of the speed measuring device not or insufficiently, resulting in incorrect measured Speeds and therefore too wrong Position values after longer straight distances and thus also to incorrectly set transverse inclinations of the load floor leads. This increases the comfort of the passengers reduced.
  • the present invention is therefore based on the object based on specifying a management system through which the Position of the rail vehicle can be reliably determined can.
  • the invention has the following advantages: Estimation of errors in sensor signals and the current one Position error and by compensating the actual error using the estimated values the position of the rail vehicle is extremely precise certainly. In particular, changes in the Sensors or other measurement errors continuously compensated. Becomes the position determined on the basis of the teaching according to the invention for setting the angle of inclination of the load floor are also used due to position errors errors in the corresponding control signals avoided. This can increase the comfort of the passengers be significantly increased. In addition, the Actuators for setting the load suspension cross slope switch off on straight sections. Overall is thus the performance of the guidance system according to the invention in terms of passenger comfort, in terms of Energy consumption and in terms of protecting the Actuators have been significantly improved.
  • Fig. 1 is a rail vehicle with a Vehicle superstructure SF, in particular consisting of a Load receiving floor LB, and a vehicle substructure shown schematically in cross section, the Vehicle superstructure SF regarding the vehicle substructure in Transverse direction is pivotally mounted.
  • the angle of inclination ⁇ and thus the load-bearing floor LB is replaced by a Adjustment unit STE set such that the off Acceleration due to gravity and lateral acceleration Acceleration to the load in the vertical of the Load bearing floor LB falls.
  • Fig. 2 Functional block diagram is an inventive Guide system for adjusting the angle of inclination ⁇ or of the load bearing floor LB explained, the Guide system essentially from a measuring device ME, a correction unit KRE, one Setting angle calculation unit SPE, an actuating unit STE, a correlator unit KE and one Reference data storage unit RE exists.
  • System sizes SGM are measured in the measuring device ME sensors not shown measured and to the Correction unit KRE passed in the in to system values SGG are calculated in an explanatory manner be on the one hand to the setting angle calculation unit SPE for calculating the estimated system sizes SGG corresponding angle of inclination ⁇ and on the other hand to the Correlator unit KE for determining the measured in the or system sizes SGM calculated from them Errors and to determine an inaccuracy level R des Position measurement error or other observable System errors MFG are passed, whereby for determination this system error MFG and to determine their Degrees of inaccuracy R from the reference data storage unit RE route information SI are required.
  • This Route information SI is also used when calculating the Tilt angle ⁇ in the setting angle calculation unit SPE used.
  • the estimated system errors MFG and their Degrees of inaccuracy R are finally used for determination or to redetermine the estimated system sizes SGG supplied to the correction unit KRE.
  • this estimation filter is a Kalman filter that follows is described in more detail. Thereby the estimated System errors MFG only to the extent of their inaccuracy, namely according to the degree of inaccuracy R, for Correction of the measured and calculated from it System sizes SGM used.
  • Fig. 3 is again a block diagram Another embodiment of the invention Management system shown.
  • the 2 shows the measuring device ME Setting angle calculation unit SPE, the setting unit STE, the correlator unit KE, the reference data storage unit RE and the correction unit KRE provided.
  • a curve detector KD for the detection of Beginning of a sheet inlet and possibly also to Detection of the end of a sheet outlet provided.
  • the lateral acceleration a m and the speed v m of the rail vehicle are measured as system variables SGM (FIG. 2), the lateral acceleration a m not via the correction unit KRE as in the embodiment according to FIG. 2, but rather directly from the correlator unit KE and on the other hand the curve detector KD is supplied.
  • a single variable is provided as system error MFG (FIG. 2), namely a position difference ⁇ s m .
  • ideal values for the inclination angle ⁇ of the load-bearing floor LB are determined in the guide system according to the invention.
  • the position s ⁇ of the rail vehicle is first determined by integrating the measured, faulty speed v m , combined with an "on line” correction of the faulty speed and the faulty position.
  • the "on-line” correction of the faulty position is preferably carried out by means of an "on-line” correction of the measured speed v m in the correction unit KRE over the duration of a predetermined, short time cycle.
  • the determination of the position error ⁇ s m and the on-line correction based thereon is made possible by an additional, discontinuous position determination, which is obtained with the aid of route information SI about the routes traveled by the rail vehicle.
  • the route information SI is stored in the reference data storage unit RE and preferably consists of the track curvature and the track elevation angle as a function of an equidistant path grid.
  • the lateral acceleration a m measured by means of the measuring device ME is recorded over a predefined time interval and converted by interpolation into a spatial grid of the same grid dimension as that of the route information SI.
  • a reference interval assigned to the measuring interval is selected from the set of route information SI and the assigned vehicle lateral acceleration is calculated as a reference signal for this, taking into account the vehicle speed.
  • the instantaneous position error ⁇ s m and the degree of inaccuracy R are then determined in the correlator unit KE by comparing the measured lateral acceleration a m in the predefined measurement interval with corresponding reference signals of the selected reference interval with the aid of a special correlation algorithm which is yet to be explained. These are transferred to the correction unit KRE, which contains an estimation filter, with simultaneous activation of a renewal signal UD, whereupon the estimated position s ⁇ and the estimated speed v ⁇ of the rail vehicle are calculated taking into account the degree of inaccuracy R.
  • the correlator unit KE by comparing a measured acceleration profile, namely the transverse accelerations a m measured in the measuring interval, with a reference transverse acceleration profile, the position difference between the two is obtained by calculation from the route information SI contained in the reference data storage unit RE, by means of a correlation algorithm Profiles and thus the position difference ⁇ s m are determined, the speed v ⁇ estimated in the correction unit KRE and the estimated position s ⁇ being used to generate the reference profile from the plug information SI.
  • the procedure is as follows:
  • the result is transferred to the correction unit KRE together with the position difference ⁇ s m . This is indicated to the correction unit KRE by an active renewal signal UD.
  • FIG. 1 Another suitable system variable SGM (FIG. 1) could be used, for example the track or bogie roll rate.
  • the index i runs through the measurement data location interval i 1 , ..., i 2 , ie the index i identifies the measurement function, while the relative shift between the measurement values m (i) and the reference values r (i + k) is defined by the index k.
  • the correlation function A xx (k) is thus formed as the square of the amount of the difference ⁇ m (k), the correlation function created with this special correlation algorithm taking a minimum if the two patterns best match.
  • FIG. 4 shows a correlation function A xx (k), as can arise, for example, from the above calculation type.
  • the minimum at k min is clearly recognizable, at which the correlation function A xx (k) assumes the value A min and on the basis of which the position difference ⁇ s m is determined according to the above-mentioned formula.
  • a measure of the degree of inaccuracy R of the position difference ⁇ s m can be read out - in the twelfth method step - from the course of the function of the correlation function A xx (k).
  • the degree of inaccuracy R is smaller, the smaller the minimum value A min on the one hand and the larger the maximum values A 1max and A 2max occurring at the window edge on the other.
  • the formula is based on a base value R 0 . If the position difference ⁇ s m has a low degree of inaccuracy R, the value A min is relatively small, ideally even zero. The ratio of A min and A max also allows conclusions to be drawn about the quality of the correlation: for a good correlation this ratio goes towards zero, for a bad correlation this ratio converges towards one. Furthermore, factors K 1 and K 2 are provided, which are selected according to a desired weighting of the different proportions.
  • FIG. 5 shows a block diagram of the correction unit KRE contained in FIG. 3, a computing unit RET, two multipliers M1 and M2, three adders AD1 to AD3, a path correction unit WG, an integrator unit IE and a quadrature unit Q being provided.
  • the computing unit RET an estimated (filtered) value for the position error ⁇ s m and a linear and a square scale factor error ⁇ k 1 and ⁇ k q of the measuring device ME are calculated from the position difference ⁇ s m and the associated degree of inaccuracy R (FIGS.
  • the linear scale factor error ⁇ k 1 in the multiplier M1 with the measured speed v m and the quadratic scale factor error ⁇ k q with the speed v m squared in the quadrature unit Q is multiplied in multiplier M2.
  • the results of the multipliers M1 and M2 are added in the adder AD1 to form an estimated speed difference, which in turn is offset in the adder AD2 with the measured speed v m (error compensation).
  • the algorithm of an estimation filter is used in the computing unit RET, which in an advantageous embodiment the algorithm of a Kalman filter (A. Gelb, "Applied Optimal Estimation", THE MIT PRESS, Massachusetts Institute on Technology Cambridge, Massachusetts and London, England, 1994).
  • the position difference ⁇ s m determined in the correction unit KRE is used to make estimates of the true position error ⁇ s and the errors of the tachometer.
  • This embodiment of the estimation filter is therefore a state observer with variable dynamics, because the uncertainty in the knowledge of the current position and the uncertainty in the knowledge of the position determined with the correlator unit KE are weighed against one another in order to calculate time-variable filter gain factors therefrom. This has the following meaning:
  • the position difference ⁇ s m determined by the correlator unit KE becomes the next calculation process used almost in full for the position correction and is also used to a large extent in the estimation of the tachometer errors (linear and quadratic scale factor errors ⁇ k 1 and ⁇ k q ).
  • This process is controlled by calculating the covariance of a state vector used in the Kalman filter and by calculating the covariance of the position error determination (ie the correlation) already explained with reference to FIGS. 3 and 4, the state vector in the embodiment shown in FIGS. 3 and 5 following Shape has:
  • the selected model is therefore of the 3rd order, whereby at this model to take into account the tachometer zero point error was waived. However, it could Model by recording the zero point error of the Tachometer with a relatively little effort on one 4th order system can be expanded.
  • the Kalman filter is used to estimate the state variables x ⁇ .
  • the inaccuracy of the estimation of the errors, the so-called estimation error of the individual components, is expressed by the covariance matrix P, which represents the expected value of the estimation error: in which
  • the so-called measurement vector z of the Kalman filter has only one component in the present case.
  • the relationship between the measurement vector z and the state vector x thus exists for the specified model: in which
  • the matrix H is referred to as the measurement matrix, which in the the present case is constant.
  • the inaccuracy of Measurement is, as mentioned, by the covariance matrix R of the Measurement vector z shown. Since in the present case the Measurement vector z has only one component is Covariance matrix R a scalar quantity, i.e. the already mentioned degree of uncertainty R.
  • the matrix ⁇ k-1 represents the transition matrix, which is variable in time due to the variable speed v, and which shows the transition of the additional vector x from the discrete point in time (k-1) ⁇ ⁇ t at the discrete time k ⁇ ⁇ t describes.
  • the plus sign means "immediately after an update", ie immediately after processing the position difference ⁇ s m supplied by the correlator unit KE, and the minus sign "before the following update". This designation can also be understood to mean that, in the case of a series of intervals without an update, the extrapolation over a corresponding time period is simply meant.
  • update means a correction of the state made possible by an "external measurement” and the term extrapolation means the calculation of the change in state between two updates (or within a specified time interval) as a result of system error influences (non-compensated residual errors and System noise influences) is to be understood.
  • the computing unit RET or the realized in this Kalman filter one position difference .DELTA.s m is reported by the correlator unit KE, an update of the state vector and the covariance of the estimation error is made.
  • the Kalman filter therefore not only tracks the estimates, but also the inaccuracy of its own knowledge of the state vector.
  • the Kalman filter is operated with variable amplification factors. If the system has a low level of uncertainty in the knowledge of its state and the external measurement is relatively imprecise, the external measurement is only taken into account to a small extent. If, for example, the correlator unit KE reports an unsafe position difference ⁇ s m of 100 m, the Kalman filter would only take a few meters of this into account. The filter is very careful, so to speak, and trusts the external information very little. On the other hand, if the own uncertainty were very high and the correlation unit KE would report a fairly safe position difference ⁇ s m of 100 m, the Kalman filter would take over the 100 m almost completely, since it now trusts the external information much more than it knows itself. This behavior is represented mathematically in the following using a gain matrix K k , the calculation being carried out at time k:
  • the above-mentioned gain matrix K k only contains components in one column, because only one and no more different measurement variables are processed. This enables the update of the state vector x using the following formula:
  • the curve detector KD triggers the update cycle in the Correlator unit KE off.
  • the beginning of a sheet entry or the end determined a sheet outlet and by means of a Detection signal DF of the correlator unit KE displayed.
  • a possible embodiment of the curve detector KD is that the sensor signal with the measured lateral acceleration a m is first filtered with the aid of a filter with a low-pass characteristic. The output signal of the filter then runs through a non-linear characteristic with response sensitivity (dead zone) (Winfried Oppelt, "Small manual of technical control processes", Verlag Chemie, Darmstadt, 1972) with preset acceleration threshold values. Finally, in order to determine the direction of the arc, the sign for generating the curve detection signal DF is extracted with a signum function (Netz, "Formula of Mathematics", Carl Hanser Verlag Kunststoff Vienna, 1981).
  • curve detector KD Another embodiment for the curve detector KD would be given by using the measured track roll rate (i.e. the roll angular velocity) instead of the Lateral acceleration signal or by using both Signals as a logical link from the Detection signal of the lateral acceleration and one with the Determine track or bogie roll rate Detection signal.
  • the curve detector KD also others Signals such as the body or bogie yaw rate or the turning angle of the bogie alone or in Combination with the other signals can be used.
  • Embodiment is using the Kalman filter and a correlation the actual position of the Rail vehicle valued.
  • the Kalman filter can also be used in the Kalman filter other or even additional position measurements be included. For example, the position of the rail vehicle through GPS (Global Positioning System), by track magnets or other external Position measuring systems can be measured. Then that's it Kalman filter - with a slight modification of the illustrated embodiment - almost predestined, to record this additional information and weight it to process that the best possible estimate of the Position including all available information is achieved.
  • GPS Global Positioning System
  • the teaching according to the invention is not only suitable for one Guide system for adjusting the bank angle of the Load floor of a rail vehicle.
  • Guide system for adjusting the bank angle of the Load floor of a rail vehicle.
  • management system also a system understand where the position of the rail vehicle for purposes other than to adjust the load floor bank angle is determined. This includes in particular application in monitoring the Rail traffic or the speed of Rail vehicles.
  • the contained in the reference data storage unit RE Route information SI (Fig. 2 and 3) and possibly the in the setting angle calculation unit SPE for calculating the Information on which the angle of inclination ⁇ is based is given in further embodiments of the invention in the sense of a "Teach-in" determined that not necessarily Sizes themselves, but directly dependent on them, such as lateral acceleration and their direction during a teach-in ride of the rail vehicle with known Measuring devices such as gyroscopes, pendulums, inclination sensors etc., recorded and e.g. in the reference data storage unit RE and / or in the setting angle calculation unit SPE from Fig. 2 or 3 are filed.
  • the inventive Management system at least one second management system parallel to one hand Redundancy check of the delivered by both systems Tilt angle ⁇ for the control units STE (Fig. 2 and 3) to be able to make and, in case of deviations of the Control signals that exceed a specified level on Take appropriate precautions for the rail vehicle, e.g. to tie the bank guide to the second guide system, if the latter e.g. is more fail-safe. That namely a redundant guidance system e.g. known guide system measuring the bank control less efficient the current one Then does not bother, because this case only occurs as a makeshift operation.
  • the guide system 41 is shown schematically in block 41 until the angle of inclination ⁇ , here referred to as ⁇ SE, is output.
  • the guide system 41 according to the invention comprises a reference data storage unit RE of the type explained with reference to FIGS. 2 and 3.
  • a further guidance system is shown schematically with block 43 and is preferably based on the metrological detection of a variable related to the lateral acceleration a m , as shown schematically with the gyro in block 43.
  • This guidance system also, in its own way, provides an angle of inclination ⁇ Sm as a control signal. Both control signals ⁇ SE and ⁇ Sm or other signals that uniquely determine them are then compared with one another in a comparison unit 45 as to whether they do not differ from one another by more than a maximum dimension ⁇ max that can be specified on a specification unit 47.
  • the rail vehicle can be guided, for example, with the safer of the two guide systems 41, 43, even if the safer system is less precise in terms of control technology in the sense of the input comments is.
  • the comparison unit 45 switches the input of the actuation angle calculation unit SPE (Fig. 2 and 3) on the on the lateral acceleration measurement based, for example already known makeshift system 43 um. At the same time, as shown in FIG. 6 at 49, this situation e.g. displayed.
  • the lateral acceleration or this defining size measuring guide system 43 must inevitably sensors on the vehicle Transverse acceleration detection can be provided, which in a teach-in phase for the system 41 according to the invention can be used by, as previously described a route is traveled with the vehicle and the metrological characteristics recorded in a Storage device can be loaded.
  • each vehicle 1 to 5 has a setting angle calculation unit 11 for the load floor cross slope position, as has been described.
  • the master system 41 M supplies the actuating signals ⁇ for all carriages 1 to 5 equipped with bank control of the type described.
  • the overall master system on the carriage 1 monitors itself, for example by the current manipulated variable for the load floor on one of the carriages, output by the system 41 according to the invention M , is compared with that of the system 43 M. If these control signals deviate from one another in such a way that this is no longer plausible, the control of the load floor transverse inclinations of all carriages 1 to 5 is transferred to the slave system 41 S according to the invention, as is shown schematically in FIG. 7 by the switchover unit 60.
  • Plausibility is also monitored on the overall slave system in the rearmost carriage 5, for example by comparing the control signals of the system 41 S according to the invention and the system 43 S based on measurement. If a no longer plausible deviation of these control signals is detected, it is in turn concluded that the system 41 S according to the invention is faulty, whereupon the system 43 M based on measurement temporarily takes over the bank control. If this system is also defective, which can be detected, for example, by comparing the chassis twist and bank setting signal, or if one or more of the bank actuators 11 is defective, the system is switched to emergency operation and the train is operated at regulating speed.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Führungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Es ist bekannt, an Schienenfahrzeugen, insbesondere für den Personentransport, die Querneigung des Lastaufnahmebodens, d.h. derjenigen Fläche, worauf Last, wie insbesondere Personen, getragen wird, nach Massgabe der in Radiusfahrten erfolgenden Querbeschleunigungen so zu neigen, dass die aus Erdbeschleunigung und Querbeschleunigung resultierende Beschleunigung auf die Last nach Möglichkeit in die Senkrechte des Lastaufnahmebodens gelegt wird.
Die Querbeschleunigung ist von Kurvenradius und Fahrgeschwindigkeit abhängig, der Winkel, um den der Lastboden bezüglich des Fahrgestells zu stellen ist, um oben erwähnte Bedingungen zu erfüllen, zusätzlich von der Geleisüberhöhung.
Es sind verschiedene Ansätze bekannt, das erwähnte Problem zu lösen. Es kann verwiesen werden auf DE-U-93 13 792.3, WO-91/00815, EP-A-0 184 960, DE-A-22 05 858, DE-A-39 35 740, CH-A-534 391 und EP-B1-0 271 592.
Dabei wird am Fahrzeug grundsätzlich die momentane Querbeschleunigung messtechnisch erfasst, wozu geeignete Messeinrichtungen, wie Beschleunigungsmesser, Kreisel, Pendel, etc., am Fahrzeug vorgesehen sind. Nach Massgabe der momentanen Messungen wird in steuerndem oder in regelndem Sinne auf das Stellglied für die Lastaufnahmeboden-Querneigung eingegriffen. Dabei ist die einfachste Möglichkeit einer Lageregelung durch den Einsatz eines Pendels gegeben, dessen Auslenkung direkt ein Mass für den zu stellenden Querneigungswinkel am Lastaufnahmeboden ist, weil ja die Masse der Last in die Beschleunigungsbetrachtungen nicht eingeht.
Alle in den Druckschriften DE-U-93 13 792.3, WO-91/00815, EP-A-0 184 960, DE-A-22 05 858 und CH-A-534 391 offenbarten Ansätze haben einen wesentlichen Nachteil, nämlich denjenigen, dass es im Moment, in welchem Querbeschleunigungen messtechnisch erfasst werden, zumindest für das Fahrzeug, in dem sich die Messeinrichtung befindet, bereits zu spät ist, die Querneigung des Lastaufnahmebodens zu stellen. Die gestellte Querneigung hinkt immer den tatsächlich momentanen Erfordernissen nach. Dies führt zu relativ komplizierten signaltechnischen Lösungsansätzen, welche darauf abzielen, die Einleitung einer Kurvenfahrt möglichst frühzeitig zu erfassen, wozu sich z.B. die Fahrgestellausdrehung als gemessene Grösse eignet.
Aus der Europäischen Patentschrift EP-B1-0 271 592 ist darüber hinaus bekannt, dass zur Vermeidung von Verzögerungen bei der Einstellung der Querneigung des Lastbodens die Position des Schienenfahrzeuges mit Hilfe einer Kreuzkorrelation zwischen bekannten Streckeninformationen bzw. Referenzdaten und messtechnisch ermittelten Streckeninformationen berechnet wird. Anhand der derart bestimmten Position werden die Referenzdaten mit einer vorauseilenden Adressierung abgerufen und mit der gemessenen Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges zur verzögerungsfreien Ermittlung der einzustellenden Querneigung des Lastbodens verrechnet. Allerdings berücksichtigt das bekannte System die Fehlercharakteristiken der Geschwindigkeitsmessvorrichtung nicht oder nur unzureichend, was zu falschen gemessenen Geschwindigkeiten und demzufolge auch zu falschen Positionswerten nach längeren geraden Strecken und damit auch zu falsch eingestellten Querneigungen des Lastbodens führt. Dadurch wird der Komfort der Passagiere erheblich vermindert. Darüber hinaus besteht das Risiko, dass oftmals keine eindeutige Aussage über die Position des Schienenfahrzeuges gemacht werden kann, da keine Übereinstimmung der gemessenen und der bekannten Streckendaten festgestellt werden kann. In diesem Fall bleibt einzig noch dass Ausschalten des Systems übrig, sollen für die Passagiere unakzeptable oder sogar gefährliche Querneigungen vermieden werden.
Der Vollständigkeit halber sei auch auf die weiteren druckschriftlichen Veröffentlichungen EP-A-0 605 848 und EP-A-0 644 098 verwiesen. Allerdings zielen die in den genannten europäischen Patentanmeldungen offenbarten Lehren auf Verkehrssteuervorrichtungen für Schienenfahrzeuge ab und betreffen, im Falle der zweitgenannten Anmeldung, erst in zweiter Linie, und dies darüber hinaus ohne konkrete Ausführungsangaben, auch Vorrichtungen zur Querneigungseinstellung des Lastaufnahmebodens.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Führungssystem anzugeben, durch das die Position des Schienenfahrzeuges zuverlässig bestimmt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Massnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren sind in weiteren Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung weist folgende Vorteile auf: Durch die Schätzung von Fehlern in Sensorsignalen und des momentanen Positionsfehlers und durch eine Kompensation der tatsächlichen Fehler mit Hilfe der geschätzten Werte wird die Position des Schienenfahrzeuges äusserst genau bestimmt. Dabei werden insbesondere auch Veränderungen der Sensoren oder andere Messfehler laufend kompensiert. Wird die anhand der erfindungsgemässen Lehre bestimmte Position zur Einstellung des Neigungswinkels des Lastbodens verwendet, werden auch aufgrund von Positionsfehlern entstandene Fehler in den entsprechenden Stellsignalen vermieden. Dadurch kann der Komfort der Passagiere erheblich gesteigert werden. Darüber hinaus lassen sich die Stellglieder zur Einstellung der Lastaufnahme-Querneigung auf geraden Streckenabschnitten abschalten. Insgesamt ist somit die Leistung des erfindungsgemässen Führungssystems hinsichtlich des Passagierkomforts, hinsichtlich des Energieverbrauchs und hinsichtlich der Schonung der Stellglieder erheblich verbessert worden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen
Fig. 1
ein Schienenfahrzeug, ausgerüstet mit einer Stelleinheit für die Lastbodenquerneigungseinstellung,
Fig. 2
ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Führungssystems zur Erzeugung von Steuersignalen für die Stellheit,
Fig. 3
ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform des in Fig. 2 dargestellten Führungssystems,
Fig. 4
einen Verlauf einer korrelationsähnlichen Funktion Axx,
Fig. 5
ein Blockschaltbild einer im Führungssystem enthaltenen Korrektureinheit,
Fig. 6
anhand eines vereinfachten Funktionsblock/Signalflussdiagrammes eine Weiterentwicklung des erfindungsgemässen Führungssystems mit Zusatz eines Redundanzsystems und
Fig. 7
schematisch eine Implementierung von zwei erfindungsgemässen Führungssystemen als Master und Slave, als bevorzugte Realisationsform redundanter Systeme.
In Fig. 1 ist ein Schienenfahrzeug mit einem Fahrzeugoberbau SF, insbesondere bestehend aus einem Lastaufnahmeboden LB, und einem Fahrzeugunterbau schematisch im Querschnitt dargestellt, wobei der Fahrzeugoberbau SF bezüglich des Fahrzeugunterbaus in Querrichtung schwenkbar gelagert ist. Der Neigungswinkel α und somit der Lastaufnahmeboden LB wird dabei durch eine Stelleinheit STE derart eingestellt, dass die aus Erdbeschleunigung und Querbeschleunigung resultierende Beschleunigung auf die Last in die Senkrechte des Lastaufnahmebodens LB fällt.
Anhand eines in Fig. 2 dargestellten Funktionsblockdiagramms wird ein erfindungsgemässes Führungssystem zur Einstellung des Neigungswinkels α bzw. des Lastaufnahmebodens LB erläutert, wobei das Führungssystem im wesentlichen aus einer Messeinrichtung ME, einer Korrektureinheit KRE, einer Stellwinkelberechnungseinheit SPE, einer Stelleinheit STE, einer Korrelatoreinheit KE und einer Referenzdatenspeichereinheit RE besteht.
In der Messeinrichtung ME werden Systemgrössen SGM mittels nicht dargestellten Sensoren gemessen und an die Korrektureinheit KRE übergeben, in der in noch zu erläuternder Weise geschätzte Systemgrössen SGG berechnet werden, die einerseits an die Stellwinkelberechnungseinheit SPE zur Berechnung des den geschätzten Systemgrössen SGG entsprechenden Neigungswinkels α und anderseits an die Korrelatoreinheit KE zur Bestimmung der in den gemessenen oder hieraus berechneten Systemgrössen SGM enthaltenen Fehlern und zur Bestimmung eines Ungenauigkeitsgrades R des Positionsmessfehlers oder von sonstigen beobachtbaren Systemfehlern MFG übergeben werden, wobei zur Bestimmung dieser Systemfehler MFG und zur Bestimmung ihrer Ungenauigkeitsgrade R aus der Referenzdatenspeichereinheit RE Streckeninformationen SI benötigt werden. Diese Streckeninformationen SI werden auch bei der Berechnung des Neigewinkels α in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE verwendet.
Die geschätzten Systemfehler MFG und deren Ungenauigkeitsgrade R werden schliesslich zur Bestimmung bzw. zur erneuten Bestimmung der geschätzten Systemgrössen SGG der Korrektureinheit KRE zugeführt. Sie werden dort mit einem Schätzfilter (Beobachter mit konstanten oder variablen Verstärkungsfaktoren, letzterer beispielsweise als Kalmanfilter) so verarbeitet, dass dabei die Fehler von mindestens einer Systemgrösse SGG geschätzt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist dieses Schätzfilter ein Kalmanfilter, das im folgenden näher beschrieben wird. Dabei werden die geschätzten Systemfehler MFG lediglich im Mass ihrer Ungenauigkeit, nämlich entsprechend dem Ungenauigkeitsgrad R, zur Korrektur der gemessenen und daraus berechneten Systemgrössen SGM verwendet. Dies bedeutet, dass die geschätzten Systemfehler MFG bei grossem Ungenauigkeitsgrad R bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen SGG nicht oder nur in geringem Masse berücksichtigt werden, weshalb diesfalls die geschätzten Systemgrössen SGG wertmässig den gemessenen oder daraus berechneten Systemgrössen SGM entsprechen und somit die Einstellungen des Neigungswinkels α hauptsächlich oder ganz auf den Systemgrössen SGM beruhen. Das in Fig. 2 dargestellte Blockschaltbild des Führungssystems könnte man sich in diesem Extremfall auf die Messvorrichtung ME, die Korrektureinheit KRE, die Stellwinkelberechnungseinheit SPE und die Stelleinheit STE reduziert denken.
Im umgekehrten Fall, d.h. bei kleinem Ungenauigkeitsgrad R, werden die geschätzten Systemfehler MFG weitgehend oder ganz bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen SGG berücksichtigt. Damit können je nach Zuverlässigkeit der Messeinrichtung ME die gemessenen oder hieraus berechneten Systemgrössen SGM erheblich von den geschätzten Systemgrössen SGG abweichen.
Schliesslich wird in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE mit Hilfe der mit dem Schätzfilter bestimmten Systemgrössen SGG und der aus der Referenzdatenspeichereinheit RE ausgelesenen Streckeninformationen SI der Neigungswinkel α berechnet und hiermit die Stelleinheit STE angesteuert.
In Fig. 3 wird wiederum anhand eines Blockschaltbildes eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Führungssystems dargestellt. Dabei sind entsprechend dem Blockschaltbild in Fig. 2 die Messeinrichtung ME, die Stellwinkelberechnungseinheit SPE, die Stelleinheit STE, die Korrelatoreinheit KE, die Referenzdatenspeichereinheit RE und die Korrektureinheit KRE vorgesehen. Darüber hinaus ist zusätzlich ein Kurvendetektor KD zur Detektion des Beginns eines Bogeneinlaufs und allenfalls auch zur Detektion des Endes eines Bogenauslaufs vorgesehen.
In der Messvorrichtung ME werden als Systemgrössen SGM (Fig. 2) die Querbeschleunigung am und die Geschwindigkeit vm des Schienenfahrzeuges gemessen, wobei die Querbeschleunigung am nicht wie in der Ausführungsform gemäss Fig. 2 über die Korrektureinheit KRE, sondern einerseits direkt der Korrelatoreinheit KE und anderseits dem Kurvendetektor KD zugeführt wird. In der Ausführungsform gemäss Fig. 3 ist als Systemfehler MFG (Fig. 2) eine einzige Grösse vorgesehen, nämlich eine Positionsdifferenz Δsm.
Im folgenden wird die Funktionsweise des Führungssystems erläutert:
Wie erwähnt werden im erfindungsgemässen Führungssystem möglichst optimale Sollwerte für den Neigungswinkel α des Lastaufnahmebodens LB (Fig. 1) bestimmt. Dazu wird zunächst die Position s ∧ des Schienenfahrzeuges durch Integration der gemessenen, fehlerbehafteten Geschwindigkeit vm, verbunden mit einer "on line"-Korrektur der fehlerbehafteten Geschwindigkeit und der fehlerbehafteten Position, bestimmt. Die "on line"-Korrektur der fehlerbehafteten Position wird dabei vorzugsweise mittels einer über die Dauer eines vorgegebenen, kurzen Zeittaktes ausgeführten "on line"-Korrektur der gemessenen Geschwindigkeit vm in der Korrektureinheit KRE vorgenommen. Dies hat den Vorteil, dass der Positionsfehler Δsm nicht ständig zur Kompensation bereitstehen und verarbeitet werden muss, sondern während eines Zeittaktes durch Integration in die Position s ∧ einfliesst und danach gelöscht werden kann. Die Ermittlung des Positionsfehlers Δsm und die hierauf basierende "on line"-Korrektur wird durch eine zusätzliche, diskontinuierliche Positionsbestimmung ermöglicht, die mit Hilfe von Streckeninformationen SI über die vom Schienenfahrzeug befahrenen Strecken gewonnen wird. Die Streckeninformationen SI sind in der Referenzdatenspeichereinheit RE abgelegt und bestehen vorzugsweise aus der Gleiskrümmung und dem Gleisüberhöhungswinkel in Funktion eines äquidistanten Wegrasters. Die mittels der Messvorrichtung ME gemessene Querbeschleunigung am wird über ein vordefiniertes Zeitintervall erfasst und durch Interpolation in ein Ortsraster gleichen Rastermasses wie das der Streckeninformationen SI umgerechnet. Aus der Menge der Streckeninformationen SI wird ein dem Messintervall zugeordnetes Referenzintervall ausgewählt und hierfür unter Berücksichtigung der Fahrzeuggeschwindigkeit die zugeordnete Fahrzeugquerbeschleunigung als Referenzsignal errechnet. Durch Vergleich der gemessenen Querbeschleunigung am im vordefinierten Messintervall mit entsprechenden Referenzsignalen des ausgewählten Referenzintervalls mit Hilfe eines speziellen, noch zu erläuternden Korrelationsalgorithmus wird dann der momentane Positionsfehler Δsm und der Ungenauigkeitsgrad R (Kovarianz der Positionsfehlerbestimmung) in der Korrelatoreinheit KE ermittelt. Diese werden an die Korrektureinheit KRE, die ein Schätzfilter enthält, bei gleichzeitiger Aktivierung eines Erneuerungssignals UD übergeben, worauf die geschätzte Position s ∧ und die geschätzte Geschwindigkeit v ∧ des Schienenfahrzeuges unter Berücksichtigung des Ungenauigkeitsgrades R berechnet werden.
Schliesslich wird mit vorgegebener Taktrate anhand der geschätzten Geschwindigkeit v ∧ und der geschätzten Position s ∧ in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE der Neigungswinkel α fortlaufend berechnet und an die Stelleinheit STE zur Einstellung des Lastaufnahmebodens LB (Fig. 1) weitergegeben.
Im folgenden werden die Korrelatoreinheit KE und die darin ablaufenden Verfahrensschritte ausführlich beschrieben:
Mit Hilfe der Korrelatoreinheit KE wird, wie erwähnt, durch Vergleich eines gemessenen Beschleunigungsprofils, nämlich die im Messintervall gemessenen Querbeschleunigungen am, mit einem Referenzquerbeschleunigungsprofil, erhalten durch Berechnung aus der in der Referenzdatenspeichereinheit RE enthaltenen Streckeninformationen SI, durch einen Korrelationsalgorithmus die Positionsdifferenz zwischen den beiden Profilen und damit die Positionsdifferenz Δsm bestimmt, wobei zur Generierung des Referenzprofils aus den Steckeninformationen SI die in der Korrektureinheit KRE geschätzte Geschwindigkeit v ∧ und die geschätzte Position s ∧ verwendet werden. Dabei wird wie folgt vorgegangen:
Die Freigabe an die Korrelatoreinheit KE zur Berechnung einer Korrelation erfolgt grundsätzlich dadurch, dass die Korrektureinheit KRE ein Quittungssignal UQ zurücksetzt. Hierdurch wird verhindert, dass bereits ein neues Korrelationsergebnis angeboten werden kann, bevor die Korrektureinheit KRE das vorherige verarbeitet hat. Allerdings wird die Berechnung einer Korrelation erst dann gestartet, wenn zusätzlich eine Änderung des Detektionssignals DF des Kurvendetektors KD registriert wurde und ausserdem die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeuges einen vordefinierten Schwellwert überschritten hat. Sind die vorstehend genannten Bedingungen erfüllt, so werden insbesondere die folgenden Verfahrensschritte durchlaufen:
1. Schritt:
Auslesen der für die Korrelation benötigten Messwerte beispielsweise aus dazu vorgesehenen Zwischenspeichern;
2. Schritt:
Festlegen eines Bezugsortes, der beispielsweise ungefähr in die Mitte des Korrelationsintervalls gelegt werden kann. Die nachfolgenden Verfahrensschritte werden relativ zu diesem Bezugsort abgewickelt.
3. Schritt:
Ermittlung der Intervallänge, die von den gespeicherten Ortsdaten überstrichen wird, wobei eine obere Grenze festgelegt ist;
4. Schritt:
Berechnung der Anzahl von Rasterplätzen eines vorgegebenen Ortsrastermasses, die das Messintervall überstreicht;
5. Schritt:
Festlegung eines Ortsrasterfeldes, das zum Messintervall gehört;
6. Schritt:
Interpolation der gemessenen Querbeschleunigung am und der gemessenen Geschwindigkeit vm auf das Ortsraster;
7. Schritt:
Festlegen des Referenzdatenintervalls;
8. Schritt:
Ausdehnung des gerasterten Geschwindigkeitsintervalls (enthaltend die gemessene Geschwindigkeit vm) auf die Länge des Referenzdatenintervalls;
9. Schritt:
Berechnung der Referenzquerbeschleunigung aus dem im vorigen Schritt bestimmten Geschwindigkeitsprofil und den dem gewählten Ortsrasterintervall zugeordneten Streckeninformationen (Gleiskrümmung, Gleisneigungswinkels, ...);
10. Schritt:
Plausibilitätsprüfung: Das Messintervall und das Referenzintervall werden gedrittelt. Für jeweils das vordere und das hintere Drittel sowie das gesamte Intervall werden Signalmittelwerte gebildet. Unterschreiten jeweils alle drei Mittelwerte eine Toleranzgrenze, dann handelt es sich um einen geraden Streckenabschnitt, worauf die Korrelationsberechnung abgebrochen wird. Die Korrelationsberechnung wird ebenfalls abgebrochen, wenn die mittlere Geschwindigkeit im Messintervall einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet oder wenn ein entsprechender Hinweis in der Streckeninformationen SI gefunden wurde;
11. Schritt:
Berechnung der Korrelationsfunktion mit anschliessender Bestimmung ihres Minimums und der hieraus resultierenden Positionsdifferenz Δsm;
12. Schritt:
Bestimmung des Ungenauigkeitsgrades R der Messung, d.h. der Positionsdifferenz Δsm, wobei in einer Ausführungsform unter dem Ungenauigkeitsgrad R die Kovarianz des Positionsfehlers, bestimmt aus der gemessenen Querbeschleunigung am und den aus der Referenzdatenspeichereinheit RE abgeleiteten Streckeninformationen SI, verstanden wird.
Für weitere Angaben zur Bestimmung der Korrelation und zur Bestimmung der Kovarianz in herkömmlicher Art und Weise sei auf Athanasios Papoulis, "Probability, Random Variables and Stochastic Processes" (McGraw-Hill series in electrical engineering, Communications and information theory, Seiten 150 ff) oder auf A. Gelb, "Applied Optimal Estimation" (THE M.I.T. PRESS, Massachusetts Institute auf Technology Cambridge, Massachusetts and London, England, 1994) verwiesen.
Nach Abschluss der Berechnung des Ungenauigkeitsgrades R (bspw. der Kovarianz) wird das Ergebnis zusammen mit der Positionsdifferenz Δsm an die Korrektureinheit KRE übergeben. Dies wird der Korrektureinheit KRE durch ein aktives Erneuerungssignal UD angezeigt.
Statt der Querbeschleunigung am könnte auch eine andere hierfür geeignete Systemgrösse SGM (Fig. 1) verwendet werden, beispielsweise die Gleis- oder die Drehgestellrollrate.
Anstelle eines im elften Verfahrensschritt angegebenen herkömmlichen Korrelationsalgorithmus ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein spezieller Korrelationsalgorithmus denkbar, bei dem eine Differenz Δm zwischen den gemessenen Signalwerten m(i) und den Referenzwerten r(i+k) verwendet wird. Damit ergibt sich eine Korrelationsfunktion Axx(k) zu Axx (k) = i=i 1 i 2 (Δm 2) = i=i 1 i 2 ((m(i)-r(i+k))2
Der Index i durchläuft dabei das Messdatenortsintervall i1, ..., i2, d.h. der Index i kennzeichnet die Messfunktion, während die relative Verschiebung zwischen den Messwerten m(i) und den Referenzwerten r(i+k) durch den Index k definiert ist. Im Unterschied zum herkömmlichen Korrelationsalgorithmus wird also die Korrelationsfunktion Axx(k) als Betragsquadrat der Differenz Δm(k) gebildet, wobei die mit diesem speziellen Korrelationsalgorithmus erstellte Korrelationsfunktion ein Minimum einnimmt, wenn die beiden Muster am besten übereinstimmen. Der zugehörige Wert k wird von der Korrelatoreinheit KE ermittelt und daraus die Positionsdifferenz Δsm Δsm = kmin · ΔL berechnet, wobei ΔL die Rasterweite des Ortsrasters ist.
In Fig. 4 ist eine Korrelationsfunktion Axx(k) dargestellt, wie sie sich aus obenstehender Berechnungsart beispielsweise ergeben kann. Deutlich erkennbar ist das Minimum bei kmin, bei dem die Korrelationsfunktion Axx(k) den Wert Amin einnimmt und aufgrund dessen die Positionsdifferenz Δsm nach der obengenannten Formel bestimmt wird. Ein Mass für den Ungenauigkeitsgrad R der Positionsdifferenz Δsm lässt sich - im zwölften Verfahrensschritt - aus dem Funktionsverlauf der Korrelationsfunktion Axx(k) herauslesen. So ist der Ungenauigkeitsgrad R umso kleiner, je kleiner einerseits der Minimalwert Amin und je grösser die am Fensterrand auftretenden Maximalwerte A1max und A2max anderseits sind. Eine mögliche Berechnungsart des Ungenauigkeitsgrades R kann aufgrund nachstehender Formel vorgenommen werden: R = R 0 + K 1 · (Amin )2 + K 2 · Amin Amax 2
Die Formel geht von einem Basiswert R0 aus. Weist die Positionsdifferenz Δsm einen geringen Ungenauigkeitsgrad R auf, so ist der Wert Amin relativ klein, im Idealfall sogar gleich null. Auch das Verhältnis von Amin und Amax lässt Rückschlüsse auf die Qualität der Korrelation zu: Für eine gute Korrelation geht dieses Verhältnis gegen null, während für eine schlechte Korrelation dieses Verhältnis gegen eins konvergiert. Ferner sind Faktoren K1 und K2 vorgesehen, die entsprechend einer gewünschten Gewichtung der verschiedenen Anteile gewählt werden.
In Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der in Fig. 3 enthaltenen Korrektureinheit KRE dargestellt, wobei eine Recheneinheit RET, zwei Multiplizierer M1 und M2, drei Addierer AD1 bis AD3, eine Wegkorrektureinheit WG, eine Integratoreinheit IE und eine Quadratureinheit Q vorgesehen sind. In der Recheneinheit RET werden aus der Positionsdifferenz Δsm und dem hierzu gehörenden Ungenauigkeitsgrad R ein geschätzter (gefilterter) Wert für den Positionsfehler Δsm sowie ein linearer und ein quadratischer Skalenfaktorfehler Δk1 und Δkq der Messvorrichtung ME (Fig. 2 bzw. 3) zur Messung der Geschwindigkeit vm, nachfolgend als Tachometer bezeichnet, in noch zu erläuternder Weise bestimmt, wobei der lineare Skalenfaktorfehler Δk1 im Multiplizierer M1 mit der gemessenen Geschwindigkeit vm und der quadratische Skalenfaktorfehler Δkq mit der in der Quadratureinheit Q quadrierten Geschwindigkeit vm im Multiplizierer M2 multipliziert wird. Die Ergebnisse der Multiplizierer M1 und M2 werden im Addierer AD1 zur Bildung einer geschätzten Geschwindigkeitsdifferenz addiert, die ihrerseits im Addierer AD2 mit der gemessenen Geschwindigkeit vm verrechnet wird (Fehlerkompensation). Während die aktuellen Werte für den linearen und quadratischen Skalenfaktorfehler Δk1 und Δkq gehalten werden bis neue Schätzwerte vorliegen, d.h. während die Kompensation über die Addierer AD1 und AD2 fortlaufend erfolgt, ist der dritte Addierer AD3 und die Wegkorrektureinheit WG zur Kompensation eines geschätzten Positionsfehlers Δs jeweils nur über einen Integrationstakt aktiv, da der Positionsfehler Δs innerhalb eines Integrationstaktes verarbeitet wird. Danach wird der Schätzwert des Positionsfehlers Δs auf null gesetzt. Die geschätzte Geschwindigkeit v ∧ bestimmt sich somit nach folgender Formel, wobei der Anteil aus der diskontinuierlichen Positionsfehlerkompensation hier nicht dargestellt ist: v = vm + vm · Δkl + v 2 m · Δkq
Da in der Recheneinheit RET die Vorzeichen der geschätzten Skalenfaktorfehler Δk1 und Δkq bereits umgekehrt werden, werden die geschätzten Fehlerwerte zur Kompensation addiert statt subtrahiert.
Zur Bestimmung der geschätzten Geschwindigkeit v ∧ können auch weitere Fehlergrössen mitberücksichtig werden. Denkbar ist beispielsweise das Miteinbeziehen von weiteren Skalenfaktorfehlern höherer Ordnung oder auch die Berücksichtigung eines Nullpunktfehlers v0 des Tachometers.
Schliesslich wird mit Hilfe der Integratoreinheit IE durch Integration der geschätzten Geschwindigkeit v ∧ die geschätzte Position s ∧ berechnet, aufgrund derer der Neigungswinkel α in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE (Fig. 2 bzw. 3) berechnet wird.
Wie erwähnt, wird in der Recheneinheit RET der Algorithmus eines Schätzfilters verwendet, der in einer vorteilhaften Ausführungsform der Algorithmus eines Kalmanfilters (A. Gelb, "Applied Optimal Estimation", THE M.I.T. PRESS, Massachusetts Institute auf Technology Cambridge, Massachusetts and London, England, 1994) ist. Dabei werden mit der in der Korrektureinheit KRE bestimmten Positionsdifferenz Δsm Schätzungen des wahren Positionsfehlers Δs und der Fehler des Tachometers vorgenommen. Es handelt sich also bei dieser Ausführungsform des Schätzfilters um einen Zustandsbeobachter mit variabler Dynamik, weil die Unschärfe in der Kenntnis der augenblicklichen Position und die Unschärfe in der Kenntnis der mit der Korrelatoreinheit KE ermittelten Position gegeneinander abgewogen werden, um hieraus zeitvariable Filterverstärkungsfaktoren zu berechnen. Dies hat die folgende Bedeutung:
Angenommen, das Führungssystem kennt die durch Integration der Geschwindigkeit berechnete Position zunächst nur mit einer grossen Unschärfe, während die mit der Korrelatoreinheit KE bestimmte Position sehr genau ist (kleiner Ungenauigkeitsgrad R), dann wird beim nächsten Berechnungsvorgang die von der Korrelatoreinheit KE bestimmte Positionsdifferenz Δsm in fast voller Höhe für die Positionskorrektur verwendet und geht auch in hohem Mass in die Schätzung der Tachometerfehler (linearer und quadratischer Skalenfaktorfehler Δk1 und Δkq) ein.
Im umgekehrten Fall, wenn das Führungssystem die momentane Position mit grosser Genauigkeit kennt, die Korrelatoreinheit KE allerdings nur eine ungenaue Position (grosser Ungenauigkeitsgrad R) zur Verfügung stellen kann, dann vertraut das Kalmanfilter auf das eigene Wissen und verwertet die von der Korrelatoreinheit KE erhaltene Information nur in sehr geringem Masse.
Dieser Vorgang wird über die Berechnung der Kovarianz eines im Kalmanfilter verwendeten Zustandsvektors und über die Berechnung der bereits anhand Fig. 3 und 4 erläuterten Kovarianz der Positionsfehlerbestimmung (d.h. der Korrelation) gesteuert, wobei der Zustandsvektor in der in Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsform folgende Form hat:
Figure 00180001
Das gewählte Modell ist somit von 3-ter Ordnung, wobei bei diesem Modell auf die Berücksichtigung des Tachometer-Nullpunktfehlers verzichtet wurde. Allerdings könnte das Modell durch die Aufnahme des Nullpunktfehlers des Tachometers mit einem relativ geringen Aufwand auf ein System 4-ter Ordnung erweitert werden.
Das Kalmanfilter wird dazu verwendet, die Zustandsgrössen x ∧ zu schätzen. Die Ungenauigkeit der Schätzung der Fehler, der sogenannte Schätzfehler der einzelnen Komponenten, wird durch die Kovarianzmatrix P ausgedrückt, die den Erwartungswert des Schätzfehlers darstellt:
Figure 00180002
wobei
Figure 00190001
Da in der Korrelatoreinheit KE (Fig. 2 und 3) nur eine Grösse, nämlich die Positionsdifferenz Δsm, bestimmt wird, besitzt der sogenannte Messvektor z des Kalmanfilters im vorliegenden Fall nur eine Komponente. Zwischen dem Messvektor z und dem Zustandsvektor x besteht somit für das angegebene Modell die Beziehung:
Figure 00190002
wobei
Figure 00190003
Dabei wird die Matrix H als Messmatrix bezeichnet, die im vorliegenden Fall konstant ist. Die Ungenauigkeit der Messung wird, wie erwähnt, durch die Kovarianzmatrix R des Messvektors z dargestellt. Da im vorliegenden Fall der Messvektor z nur eine Komponente aufweist, ist die Kovarianzmatrix R eine skalare Grösse, d.h. der bereits erwähnte Unsicherheitsgrad R.
Anhand der angegebenen Definitionen sind im folgenden die Kalmanfiltergleichungen in diskreter Form angegeben:
Figure 00190004
wobei
Figure 00200001
Hierbei stellt die Matrix Φ k-1 die durch die veränderliche Geschwindigkeit v zeitvariable Transitionsmatrix dar, die den Uebergang des Zusatzvektors x vom diskreten Zeitpunkt (k-1)·Δt zum diskreten Zeitpunkt k · Δt beschreibt. Das Pluszeichen bedeutet dabei "unmittelbar nach einem Update", d.h. unmittelbar nach dem Verarbeiten der von der Korrelatoreinheit KE gelieferten Positionsdifferenz Δsm, und das Minuszeichen "vor dem folgenden Update". Diese Bezeichnungsweise kann auch dahingehend verstanden werden, dass bei einer Aneinanderreihung von Intervallen ohne Update einfach die Extrapolation über einen entsprechenden Zeitabschnitt gemeint ist. Unter dem Begriff Update (Aufdatung) ist dabei eine durch eine "äussere Messung" ermöglichte Korrektur des Zustandes zu verstehen und unter dem Begriff Extrapolation die Berechnung der Änderung des Zustandes zwischen zwei Updates (oder innerhalb eines festgelegten Zeitintervalls) infolge von Systemfehlereinflüssen (nichtkompensierte Restfehler und Systemrauscheinflüsse) zu verstehen ist.
Wenn von der Korrelatoreinheit KE der Recheneinheit RET bzw. dem in dieser realisierten Kalmanfilter eine Positionsdifferenz Δsm gemeldet wird, wird ein Update des Zustandsvektors und der Kovarianz des Schätzfehlers vorgenommen. Das Kalmanfilter verfolgt somit nicht nur die Schätzgrössen, sondern auch die Ungenauigkeit seiner eigenen Kenntnis des Zustandsvektors.
Bekanntlich wird das Kalmanfilter mit veränderlichen Verstärkungsfaktoren betrieben. Besitzt das System eine geringe Unsicherheit in der Kenntnis seines Zustandes und ist die externe Messung relativ ungenau, dann wird die externe Messung in nur geringem Masse berücksichtigt. Meldet z.B. die Korrelatoreinheit KE eine unsichere Positionsdifferenz Δsm von 100 m, dann würde das Kalmanfilter davon nur wenige Meter berücksichtigen. Das Filter ist sozusagen sehr vorsichtig und traut der externen Information nur wenig. Wäre anderseits die eigene Unsicherheit sehr hoch und die Korrelationseinheit KE würde eine ziemlich sichere Positionsdifferenz Δsm von 100 m melden, dann würde das Kalmanfilter die 100 m fast vollständig übernehmen, da es jetzt der externen Information sehr viel mehr traut als seiner eigenen Kenntnis. Dieses Verhalten wird mittels einer Verstärkungsmatrix Kk im folgenden mathematisch dargestellt, wobei die Berechnung zum Zeitpunkt k erfolgt:
Figure 00210001
Die vorstehend genannte Verstärkungsmatrix Kk enthält lediglich Komponenten in einer Spalte, weil nur eine und nicht mehrer unterschiedliche Messgrössen verarbeitet werden. Damit kann der Update des Zustandsvektors x nach folgender Formel vorgenommen werden:
Figure 00210002
Schliesslich wird die Kovarianz P (Ungenauigkeitsgrad in der Kenntnis des Zustandsvektors) durch die mit Hilfe der Korrelatoreinheit KE bestimmte Positionsdifferenz Δsm verbessert. Dieser Vorgang wird durch die Beziehung
Figure 00220001
dargestellt. Damit sind alle wesentlichen Grundgleichungen für das Kalmanfilter angegeben. Für weiterführende Angaben sei wiederum auf das Standardwerk von A. Gelb mit dem Titel "Applied Optimal Estimation" (THE M.I.T. PRESS, Massachusetts Institute auf Technology Cambridge, Massachusetts and London, England, 1994) und auf die Veröffentlichung von Harold W. Sorenson mit dem Titel "Kalman Filtering: Theory and Application" (IEEE Press, 1985) verwiesen.
Um den Updatealgorithmus in einer eindeutigen Weise zu durchlaufen und um ausserdem das Einschwingverhalten des Kalmanfilters beim Einschalten des Führungssystems möglichst optimal zu gestalten, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:
Erstens, dass das von der Korrelatoreinheit KE gesetzte Erneuerungssignal UD (Fig. 3) zurückgesetzt und erneut wieder gesetzt worden ist. Damit wird vermieden, dass der vorhergehende aktive Zustand des Erneuerungssignals UD fälschlicherweise als erneute Aufforderung an die Recheneinheit RET zur Berechnung von Schätzwerten interpretiert wird. Anderseits wird das Erneuerungssignal UD erst dann von der Korrelatoreinheit KE zurückgesetzt, wenn von der Korrektureinheit KRE ein Quittungssignal UQ an die Korrelatoreinheit KE geht, wodurch dieser mitgeteilt wird, dass die Neuberechnung (Update) in der Korrektureinheit KRE abgeschlossen ist.
Zweitens muss das von der Korrektureinheit KRE ausgehende Quittungssignal QU zurückgesetzt und das von der Korrelatoreinheit KE ausgehende Erneuerungssignal UD gesetzt worden sein.
Drittens muss eine vorgegebene Anzahl von Neuberechnungen der Positionsdifferenz Δsm seit der Inbetriebsetzung des Führungssystems durchlaufen worden sein. In dieser Startphase werden der lineare und der quadratische Skalenfaktorfehler Δk1 und Δkq nicht berechnet, womit keine Korrekturen der gemessenen Geschwindigkeit vm im zweiten Addierer AD2 vorgenommen wird. Allerdings wird die von der Korrelatoreinheit KE bestimmte Positionsdifferenz Δsm in der Startphase trotzdem zur Korrektur berücksichtigt, und zwar durch den erwähnten dritten Addierer AD3, über den die Positionsdifferenz Δsm zur Berechnung der geschätzten Position s ∧ herangezogen wird.
Mit der Ausführung jeder Neuberechnung (Update) wird das Quittungssignal UQ für die Korrelatoreinheit KE durch die Korrektureinheit KRE neu gesetzt.
Der Kurvendetektor KD löst den Updatezyklus in der Korrelatoreinheit KE aus. Dazu wird im Kurvendetektor KD, wie erwähnt, der Beginn eines Bogeneinlaufs bzw. das Ende eines Bogenauslaufs bestimmt und mittels eines Detektionssignals DF der Korrelatoreinheit KE angezeigt.
Eine mögliche Ausführungsform des Kurvendetektors KD besteht darin, dass das Sensorsignal mit der gemessenen Querbeschleunigung am zunächst mit Hilfe eines Filters mit Tiefpasscharakteristik gefiltert wird. Das Ausgangssignal des Filters durchläuft anschliessend eine nichtlineare Kennlinie mit Ansprechempfindlichkeit (dead zone) (Winfried Oppelt, "Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge", Verlag Chemie, Darmstadt, 1972) mit voreingestellten Beschleunigungs-Schwellwerten. Schliesslich wird zur Bestimmung der Bogenrichtung mit einer Signumfunktion (Netz, "Formel der Mathematik", Carl Hanser Verlag München Wien, 1981) das Vorzeichen zur Generierung des Kurvendetektionssignales DF extrahiert.
Eine weitere Ausführungsform für den Kurvendetektor KD wäre gegeben durch die Verwendung der gemessenen Gleisrollrate (d.h. der Rollwinkelgeschwindigkeit) an Stelle des Querbeschleuniungssignals oder durch die Verwendung beider Signale als eine logische Verknüpfung aus dem Detektionssignal der Querbeschleunigung und einem mit der Gleis- oder Drehgestellrollrate bestimmten Detektionssignal. Darüber hinaus könnten in weiteren Ausführungsformen des Kurvendetektors KD auch andere Signale, wie die Wagenkasten- oder Drehgestellgierrate oder der Ausdrehwinkel des Drehgestells allein oder in Kombination mit den anderen Signalen, verwendet werden.
Beim anhand von Fig. 3 und 5 erläuterten Ausführungsbeispiel wird mit Hilfe des Kalmanfilters und einer Korrelation die tatsächliche Position des Schienenfahrzeuges geschätzt. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können beim Kalmanfilter auch andere oder gar zusätzliche Positionsmessungen miteinbezogen werden. So kann beispielsweise die Position des Schienenfahrzeuges durch GPS-(Global Positioning System), durch Streckenmagnete oder andere externe Positionsmesssysteme gemessen werden. Dann ist das Kalmanfilter - mit einer geringfügigen Modifikation der dargestellten Ausführungsform - geradezu prädestiniert, diese zusätzliche Information aufzunehmen und gewichtet so zu verarbeiten, dass die bestmögliche Schätzung der Position unter Einbeziehung aller verfügbaren Informationen erreicht wird.
Die erfindungsgemässe Lehre eignet sich nicht nur für ein Führungssystem zur Einstellung der Querneigung des Lastbodens eines Schienenfahrzeuges. Denkbar sind grundsätzlich alle Anwendungen, bei denen die Position des Schienenfahrzeuges von Bedeutung ist. Aus diesem Grund ist unter dem Begriff Führungssystem auch ein System zu verstehen, bei dem die Position des Schienenfahrzeuges für andere Zwecke als zur Einstellung der Lastboden-Querneigungswinkels bestimmt wird. Dies beinhaltet insbesondere Anwendung in der Überwachung des Schienenverkehrs oder der Geschwindigkeit von Schienenfahrzeugen.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf weitere Ausgestaltungen der verschiedenen bereits erläuterten Ausführungsvarianten, wie sie sich durch Kombination mit den in EP-A-0 647 553 offenbarten Lehren ergeben.
Die in der Referenzdatenspeichereinheit RE enthaltenen Streckeninformationen SI (Fig. 2 und 3) und allenfalls die in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE zur Berechnung des Neigungswinkels α zugrundegelegten Informationen werden in weiteren Ausführungsvarianten der Erfindung im Sinne eines "teach-in" dadurch ermittelt, dass nicht unbedingt diese Grössen selbst, aber davon direkt abhängige, wie Querbeschleunigung und deren Richtung, während einer teach-in-Fahrt des Schienenfahrzeuges mit bekannten Messeinrichtungen, wie Kreisel, Pendel, Neigungssensoren etc., erfasst und z.B. in der Referenzdatenspeichereinheit RE und/oder in der Stellwinkelberechnungseinheit SPE von Fig. 2 oder 3 abgelegt werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, wie auch immer das erfindungsgemässe Führungssystem realisiert wird, dem erfindungsgemässen Führungssystem mindestens ein zweites Führungssystem parallelzuschalten, um einerseits eine Redundanzüberprüfung der von beiden Systemen gelieferten Neigungswinkel α für die Stelleinheiten STE (Fig. 2 und 3) vornehmen zu können und um, bei Abweichungen der Stellsignale, die ein vorgegebenes Mass überschreiten, am Schienenfahrzeug adäquate Vorkehrungen einzuleiten, so z.B. die Querneigungsführung dem zweiten Führungssystem zu überbinden, falls letzteres z.B. störungssicherer ist. Dass nämlich ein als redundantes Führungssystem vorgesehenes, z.B. an sich bekanntes messendes Führungssystem die Querneigungssteuerung weniger effizient den momentanen Erfordernissen entsprechend vornimmt, stört dann nicht, weil dieser Fall nur als Behelfsbetriebsfall eintritt.
In Fig. 6 ist anhand eines Funktionsblockdiagrammes eine Redundanzführung erwähnter Art schematisch dargestellt.
In Fig. 6 ist schematisch im Block 41 das wie auch immer erfindungsgemäss realisierte Führungssystem bis zur Ausgabe des Neigungswinkels α, hier als αSE bezeichnet, dargestellt. Als charakteristischer Block umfasst das erfindungsgemässe Führungssystem 41 eine Referenzdatenspeichereinheit RE der anhand von Fig. 2 und 3 erläuterten Art.
Ein weiteres, gegebenenfalls vom erfindungsgemässen abweichendes Führungssystem ist schematisch mit Block 43 dargestellt und beruht vorzugsweise auf der messtechnischen Erfassung einer mit der Querbeschleunigung am zusammenhängenden Grösse, wie schematisch mit dem Kreisel im Block 43 dargestellt. Auch dieses Führungssystem liefert, in der diesem System eigenen Art, einen Neigungswinkel αSm als Stellsignal. Beide Stellsignale αSE und αSm oder diese eindeutig bestimmende andere Signale werden an einer Vergleichseinheit 45 daraufhin miteinander verglichen, ob sie nicht mehr als ein an einer Vorgabeeinheit 47 vorgebbares Maximalmass Δmax voneinander abweichen. Es kann nun dann, wenn die beiden redundanten Stellsignale αSE und αSm mehr als das vorgegebene Mass voneinander abweichen, das Schienenfahrzeug z.B. mit dem sichereren der beiden Führungssysteme 41, 43 geführt werden, auch wenn das sicherere System im Sinne der Eingangsbemerkungen steuerungstechnisch weniger präzise ist.
Wenn das Führungssystem 43 messtechnisch die Querbeschleunigungsverhältnisse am Schienenfahrzeug erfasst, wird in diesem Falle ein solches System 43, auch wenn steuerungstechnisch weit weniger präzise, als "Behelfssystem" zur Querneigungssteuerung bzw. - führung am Schienenfahrzeug eingesetzt. Die Vergleichseinheit 45 schaltet den Eingang der Stellwinkelberechnungseinheit SPE (Fig. 2 und 3) auf das auf dem Querbeschleunigungsmessen basierende, beispielsweise bereits bekannte Behelfssystem 43 um. Gleichzeitig wird, wie in Fig. 6 bei 49 dargestellt, diese Situation z.B. angezeigt.
Durch Vorsehen des im genannten Sinne als Behelfssystem wirkenden, die Querbeschleunigung bzw. die diese definierende Grössen messenden Führungssystem 43 müssen zwangsläufig am Fahrzeug Sensoren zur Querbeschleunigungserfassung vorgesehen sein, welche in einer teach-in-Phase für das erfindungsgemässe System 41 eingesetzt werden können, indem, wie vorgängig beschrieben wurde, mit dem Fahrzeug eine Strecke abgefahren wird und die messtechnisch erfassten Geleisecharakteristika in eine Speichereinrichtung geladen werden.
In Fig. 7 ist eine Zugkomposition, beispielsweise mit Triebwagen 1 und 5, dargestellt, konstelliert für Fahrt in Richtung v. Soweit benötigt, weist jedes Fahrzeug 1 bis 5 eine Stellwinkelberechnungseinheit 11 auf zur Lastboden-Querneigungsstellung, wie dies beschrieben wurde. Am bezüglich der Fahrrichtung gemäss v vordersten Wagen, dem Triebwagen 1, ist ein erfindungsgemässes Führungssystem 41M vorgesehen sowie ein z.B. auf Querbeschleunigungsmessung beruhendes System 43M, wie bereits anhand von Fig. 6 beschrieben wurde.
Für Fahrtrichtungsumkehr ist am Triebwagen 5, völlig symmetrisch, ein erfindungsgemässes Führungssystem 41S und ein auf Querbeschleunigungsmessung beruhendes System 43S, wie dies bereits anhand von Fig. 6 erläutert wurde, vorgesehen. In der eingezeichneten Fahrtrichtung wirken die Systeme am Triebwagen 1 als Mastersystem (M), diejenigen am Wagen 5 als Slavesystem (S).
An einer solchen bevorzugten Konstellation wird die Querneigungsführung wie folgt den vorgesehenen Systemen zugeordnet:
Das erfindungsgemässe Mastersystem 41M liefert die Stellsignale α für alle mit Querneigungssteuerung der beschriebenen Art ausgerüsteten Wagen 1 bis 5. Das Mastergesamtsystem am Wagen 1 überwacht sich selbst, beispielsweise, indem die momentane Stellgrösse für den Lastboden an einem der Wagen, ausgegeben vom erfindungsgemässen System 41M, mit demjenigen des Systems 43M verglichen wird. Weichen diese Stellsignale so voneinander ab, dass dies nicht mehr plausibel ist, so wird die Steuerung der Lastboden-Querneigungen aller Wagen 1 bis 5 dem erfindungsgemässen Slavesystem 41S übertragen, wie dies schematisch in Fig. 7 durch die Umschalteinheit 60 dargestellt ist.
Auch am Slavegesamtsystem im hintersten Wagen 5 wird, beispielsweise durch Vergleich der Stellsignale des erfindungsgemässen Systems 41S und des auf Messung beruhenden Systems 43S, auf Plausibilität überwacht. Falls eine nicht mehr plausible Abweichung dieser Stellsignale erfasst wird, wird wiederum geschlossen, dass das erfindungsgemässe System 41S fehlerhaft ist, worauf das auf Messung beruhende System 43M behelfsmässig die Querneigungssteuerungen übernimmt. Ist auch dieses System fehlerbehaftet, was beispielsweise durch Vergleich von Fahrgestellausdrehung und Querneigungs-Stellsignal detektiert werden kann, oder falls eines oder mehrere der Querneigungs-Stellglieder 11 defekt ist, so wird auf Notbetrieb geschaltet und der Zug mit Regelgeschwindigkeit betrieben.
Bei Umkehr der Fahrrichtung übernehmen selbstverständlich die Systeme im Wagen 5 die Masterfunktion, die Systeme im Wagen 1 die Slavefunktion.

Claims (21)

  1. Führungssystem, umfassend
    eine Messeinrichtung (ME) zum Messen von mindestens einer Systemgrösse (SGM) eines Schienenfahrzeuges,
    eine Referenzdatenspeichereinheit (RE), in der Streckeninformationen (SI) über die vom Schienenfahrzeug befahrenen Strecken - insbesondere Weglänge, Gleiskrümmung und Gleisneigungswinkel - enthalten sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen sind
    Mittel (KE) zum Bestimmen von beim Messen und/oder Berechnen der Systemgrössen (SGM) entstandenen Systemfehlern (MFG) sowie zur Bestimmung mindestens eines Ungenauigkeitsgrades (R) der Systemfehler (MFG),
    eine Korrektureinheit (KRE) zur zumindest teilweisen Eliminierung der Systemfehler (MFG) in der Weise, dass die Systemfehler (MFG) entsprechend ihren Ungenauigkeitsgraden (R) zur Korrektur der gemessenen und/oder berechneten Systemgrössen (SGM) zur Bildung mindestens einer geschätzten Systemgrösse (SGG) verwendet werden,
    wobei mindestens ein Ausgang der Messeinrichtung (ME) direkt und/oder über die Korrektureinheit (KRE) auf mindestens einen Eingang der Mittel (KE) zum Bestimmen der Systemfehler (MFG) wirkt, deren Ausgänge mit Eingängen der Korrektureinheit (KRE) verbunden sind, und wobei die Referenzdatenspeichereinheit (RE) mit den Mitteln (KE) zum Bestimmen der Systemfehler (MFG) und der Ungenauigkeitsgrade (R) verbunden ist.
  2. Führungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kurvendetektor (KD) zur Bestimmung von Bogeneinlauf und/oder Bogenauslauf vorgesehen ist, dass der Kurvendetektor (KD) mit mindestens einer Systemgrösse (SGM) beaufschlagt ist und dass der Kurvendetektor (KD) mit den Mitteln (KE) zum Bestimmen der Systemfehler (MFG) und der Ungenauigkeitsgrade (R) wirkverbunden ist.
  3. Führungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektureinheit (KRE) aus mindestens einer Integratoreinheit (IE) zur Bestimmung der Position (s ∧) und aus einer Recheneinheit (RET) zur Bestimmung eines gefilterten Positionsfehlers (Δs) und zur Bestimmung von mindestens einem Skalenfaktorfehler (Δk1, Δkq) der Messeinrichtung (ME) besteht.
  4. Führungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels der Messeinrichtung (ME) gemessene Geschwindigkeit (vm) des Schienenfahrzeuges der Korrektureinheit (KRE) und eine mittels der Messeinrichtung (ME) gemessene Querbeschleunigung (am) dem Kurvendetektor (KD) und den Mitteln (KE) zum Bestimmen der Systemfehler (MFG) beaufschlagt sind, in denen eine Positionsdifferenz (Δsm) bestimmt wird.
  5. Führungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellwinkelberechnungseinheit (SPE) und eine stelleinheit (STE) vorgesehen sind, dass der Stellwinkelberechnungseinheit (SPE) geschätzte Systemgrössen (SGG), insbesondere eine geschätzte Position (s ∧) und/oder eine geschätzte Geschwindigkeit (v ∧) des Schienenfahrzeuges, beaufschlagt sind und dass die Stellwinkelberechnungseinheit (SPE) mit der Stelleinheit (STE) wirkverbunden ist.
  6. Führungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Stelleinheit (STE, 11) eine Vergleichseinrichtung (45) vorgeschaltet ist, eingangsseitig mit dem Ausgang der Stellwinkelberechnungseinheit (41) und demjenigen einer messtechnischen Querbeschleunigungs-Erfassungseinrichtung (43), vorzugsweise mit eigener Stellwinkelberechnung, verbunden ist und dass der Ausgang der Vergleichseinrichtung (45) entweder den Ausgang der Stellwinkelberechnungseinheit (41) oder den Ausgang, vorzugsweise den Stellwinkelausgang, der messtechnischen Querbeschleunigungs-Erfassungseinrichtung (43) auf die Stelleinheit (STE, 11) wirksam schaltet.
  7. Schienenfahrzeug-Komposition, umfassend mindestens zwei Schienenfahrzeuge (1-5) und ein Führungssystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stelleinheit (STE11) des Führungssystems auf einem Schienenfahrzeug und weitere Komponenten (ME, KRE, KE, RE, SPE) des Führungssystems auf mindestens einem anderen Schienenfahrzeug vorgesehen sind.
  8. Schienenfahrzeug-Komposition, umfassend mindestens zwei Schienenfahrzeuge, wobei zwei dieser Schienenfahrzeuge (1-5) mit je einem Führungssystem nach Anspruch 5 oder 6 ausgestattet sind, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Fahrtrichtung das eine Schienenfahrzeug als Masterfahrzeug (1), das andere als Slavefahrzeug (5) wirkt, wobei mindestens bei Ausfall des Führungssystems am Masterfahrzeug auf Abhängigkeit vom Führungssystem am Slavefahrzeug umgeschaltet wird.
  9. Verfahren zur Bestimmung der Position (s ∧) und/oder zur Steuerung der Querneigung des Lastbodens (LB) eines Schienenfahrzeuges, wobei das Verfahren darin besteht,
    dass Systemgrössen (SGM) des Schienenfahrzeuges mittels einer Messeinrichtung (ME) gemessen werden,
    dass mindestens ein beim Messen und/oder beim Berechnen der Systemgrössen (SGM) entstandener Systemfehler (MFG) sowie mindestens ein Ungenauigkeitsgrad (R) der Systemfehler (MFG) bestimmt werden,
    dass aufgrund der Werte für die Systemfehler (MFG) und aufgrund der Werte für die Ungenauigkeitsgrade (R) mindestens ein Parameter (Δk1, Δkq) eines Schätzfilters bestimmt wird, aufgrund dessen die geschätzten Systemgrössen (SGG) berechnet werden,
    wobei das Schätzfilter als Beobachter mit konstanter Dynamik oder als Beobachter mit zeitvariabler Dynamik, letzterer vorzugsweise als Kalmanfilter, realisiert ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter (Δk1, Δkq) aufgrund der ermittelten Systemfehler (MFG) und den entsprechenden Ungenauigkeitsgraden (R) derart eingestellt werden,
    dass bei kleinen Ungenauigkeitsgraden (R) die ermittelten Systemfehler (MFG) in grossem Masse bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen (SGG) berücksichtigt werden und
    dass bei grossen Ungenauigkeitsgraden (R) die ermittelten Systemfehler (MFG) bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen (SGG) weitgehend unberücksichtigt bleiben.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als die gemessenen und/oder die berechneten Systemgrössen (SGM) eine Geschwindigkeit (Vm) und eine Querbeschleunigung (am) verwendet werden und dass eine Positionsdifferenz (Δsm) als Systemfehler (MFG) bestimmt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Positonsdifferenz (Δsm) derart bestimmt wird,
    dass ein Referenzintervall aus bekannten Streckeninformationen (SI) berechnet wird,
    dass aus der gemessenen Querbeschleunigung (am) in einem Zeitfenster ein Messintervall bestimmt wird,
    dass ein Korrelationswert oder ein korrelationsähnlicher Wert (Axx) zwischen dem Referenzintervall und dem Messintervall berechnet wird,
    wobei der letztgenannte Verfahrensschritt mit gegeneinander verschobenen Referenz- und Messintervallen zur Bildung einer Korrelationsfunktion oder einer korrelationsähnlichen Funktion (Axx(k)) wiederholt wird, anhand dessen die Positionsdifferenz (Δsm) berechnet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Ungenauigkeitsgrad (R) als Kovarianz der Positionsdifferenz (Δsm) berechnet wird oder
    dass der Ungenauigkeitsgrad (R) nach folgender Formel berechnet wird: R = R0 + K1 · (Amin)2 + K2 · Amin Amax 2 wobei R0 ein Basiswert, K1, K2 Gewichtungsfaktoren, Amin, Amax minimaler bzw. maximaler Wert einer Korrelationsfunktion Axx (k) berechnet zwischen Messwerten und Referenzwerten.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Parameter (Δk1, Δkq) ein linearer und/oder ein quadratischer Skalenfaktorfehler (Δk1, Δkq) berücksichtigt werden, wobei diese Skalenfaktorfehler (Δk1, Δkq) nach der Formel v = vm - vm · Δk1 - v2 m · Δkq zur Bestimmung der geschätzten Geschwindigkeit (v ∧) verwendet werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Beginn des Messintervalles von einem Detektionssignal (DF) eines Kurvendetektors (KD) abhängig ist, der einen Bogeneinlauf und/oder Bogenauslauf erkennt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels GPS-ein Akronym für Global Positioning System- und/oder mittels Streckenmagneten und/oder von anderen externen Positionsmesssystemen erhaltene Positionsinformationen bei der Bestimmung der geschätzten Systemgrössen (SGG) miteinbezogen werden.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Querneigung des Lastbodens (LB) des Schienenfahrzeuges aufgrund der geschätzten Systemgrössen (SGG), insbesondere aufgrund der geschätzten Geschwindigkeit (v ∧) und der geschätzten Position (s ∧), eingestellt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass man querneigungsrelevante Daten des Geleises durch Abfahren misst, abspeichert und nachmals für die Querneigungsbestimmung und -verstellung einsetzt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass man an einem Schienenfahrzeugzug das Verfahren unabhängig zweimal durchführt, die Querneigungssteuerung nach dem einen Verfahren realisiert, das Querneigungs-Stellsignal dabei auf Plausibilität überprüft und bei Nicht-Plausibilität die Querneigungssteuerung dem zweiten Verfahren übergibt.
  20. Schienenfahrzeug mit einem Führungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
  21. Schienenfahrzeug mit zwei unabhängig voneinander als Master und Slave betriebenen Führungssystemen nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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