EP1200297A1 - Verfahren zur energie- und zeitoptimierung der fahrweise bei einem fahrzeug/zug - Google Patents

Verfahren zur energie- und zeitoptimierung der fahrweise bei einem fahrzeug/zug

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EP1200297A1
EP1200297A1 EP00958296A EP00958296A EP1200297A1 EP 1200297 A1 EP1200297 A1 EP 1200297A1 EP 00958296 A EP00958296 A EP 00958296A EP 00958296 A EP00958296 A EP 00958296A EP 1200297 A1 EP1200297 A1 EP 1200297A1
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optimization
energy
vehicle
train
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Peter Terwiesch
Markus Meyer
Karl-Hermann Ketteler
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    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
    • B61L15/0058—On-board optimisation of vehicle or vehicle train operation

Definitions

  • the invention relates to a method for energy optimization of the driving style in a vehicle / train with a total route divided into several sections according to the preamble of claim 1.
  • time reserves for unforeseen events and adverse operating conditions are planned. Since the operating conditions are typically more favorable during real journeys than assumed in the planning, the resulting time reserves are available for other purposes.
  • a particularly sensible use of the time reserves consists in saving energy by means of a suitable driving style of the vehicle / train.
  • the uncertainty in the operational sequence due to the time reserves provided in the timetable, is highest at the start stop (start station) and decreases continuously with increasing approach to the destination stop (destination station).
  • the decrease in uncertainty is traditionally taken into account in route timetables in the form of transit times for selected route points.
  • the time reserve is distributed evenly over the entire route.
  • DE 30 26 652 AI and EP 0 467 377 B1 deal with a system structure in which methods for minimizing energy can be implemented, taking into account a total distance between two stopping points (stopping stations). For long distances, this can lead to real-time specifications for the solution being disadvantageously not met by the method.
  • the invention has for its object to provide an improved method for energy optimization of the driving style in a vehicle / train with the total route divided into several sections.
  • the advantages that can be achieved with the invention are, in particular, that the robustness of the operational sequence is increased by the inclusion of flexible management of time reserves with the aid of an optimization algorithm.
  • the driving style implemented is optimal in terms of energy.
  • robustness it is meant that even with long total distances and unforeseen events, a timely arrival of the vehicle / train at the destination stop is guaranteed with high probability.
  • the invention is explained below with reference to the embodiment shown in the single drawing.
  • the figure shows the path / time diagram of a vehicle, the entire route being divided into several individual sections and i representing the running index for the individual sections.
  • the appropriate number of sections for a preliminary calculation is designated with n.
  • the latest transit times are marked with triangles.
  • a time window is also given as an example. The time window determines at which earliest and latest transit time a particular section of the vehicle is to be passed.
  • time reserves are flexibly included in the energy optimization.
  • Time reserves are provided in order to be able to react to unforeseen events and thus increase the robustness of the traffic flow.
  • a time allowance of 5%, for example, is typically granted.
  • This time surcharge is distributed evenly over the entire route, for example, so that transit times can be determined at any route point.
  • the inclusion of the time reserves takes place in such a flexible manner that the time reserve not used in a route section is added proportionately to the subsequent route sections and in such a way that the time reserves due to the individual route sections are evaluated differently.
  • the consumption of time reserve in a section of the route is taken into account in the optimization as a "penalty term".
  • a monotonically falling function of time comes into consideration as the "penalty term”.
  • the consumption of time reserve is less "punished” the further it takes place in the future, i.e. closer to the destination stop.
  • the transit times in the optimization problem are recorded as boundary conditions in such a way that on the one hand the required robustness is guaranteed, but on the other hand the solution that is optimal for energy saving is impaired as little as possible.
  • the required robustness it is sufficient if the latest transit times are required. These latest transit times are entered as triangles in the figure, as already mentioned.
  • a higher-level operations control center can therefore provide the vehicle with short-term specifications for transit times in the form of time windows.
  • Such a time window is entered as an example in the figure, as already mentioned.
  • Resulting time windows are included in the optimization as an earliest and a latest transit time.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Energieoptimierung bei einem Fahrzeug/Zug bei der Benutzung von Zeitreserven vorgeschlagen, welche bei einem Fahrplan eingeplant sind, wobei eine zwischen einem Start-Haltepunkt und einem Ziel-Haltepunkt zu durchfahrende Gesamtstrecke in mehrere Abschnitte unterteilt und jedem Abschnitt eine gewisse Zeitreserve zuerkannt wird. Zur Erzielung einer energiesparenden Fahrweise unter Zuhilfenahme eines Optimierungsalgorithmus erfolgt eine übergeordnete Verwaltung der einzelnen Zeitreserven derart, daß die einzelnen Zeitreserven flexibel in die Optimierung einbezogen werden.

Description

Verfahren zur Energie- und Zeitoptimierung der Fahrweise bei einem
Fahrzeug/Zug
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Energieoptimierung der Fahrweise bei einem Fahrzeug/Zug mit in mehrere Abschnitte unterteilter Gesamtstrecke gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei der Erstellung von Fahrplänen für den Schienenverkehr werden Zeitreserven für unvorhergesehene Ereignisse und widrige Betriebsbedingungen eingeplant. Da während realer Fahrten die Betriebsbedingungen typischerweise günstiger sind als in der Planung angenommen, werden die dabei entstehenden Zeitreserven für andere Zwecke verfügbar. Eine besonders sinnvolle Benutzung der Zeitreserven besteht in der Einsparung von Energie mittels geeigneter Fahrweise des Fahrzeuges/Zuges.
Aus der DE 3026 652 AI, der DD 255 132 AI und der EP 0467 377 Bl sind in diesem Zusammenhang Verfahren bekannt, wie man ein Fahrzeug energieoptimal zwischen zwei Haltepunkten bewegt. Bei langen Strecken wird eine Unterteilung in mehrere Abschnitte vorgeschlagen, wobei in jedem Abschnitt eine optimale Teillösung ermittelt wird und die Gesamtlösung sich aus der Zusammensetzung der Teillösungen ergibt. Die vorgeschlagenen Verfahren zur Energieoptimierung betrachten jeweils die Gesamtstrecke zwischen zwei Haltepunkten. Es erfolgt jedoch keine Verwaltung von Zeitreserven.
Die Unsicherheit im Betriebsablauf, wegen der Zeitreserven im Fahφlan vorgesehen werden, ist im Start-Haltepunkt (Startbahnhof) am höchsten und nimmt mit zunehmender Annäherung an den Ziel-Haltepunkt (Zielbahnhof) ständig ab. Die Berücksichtigung der Abnahme der Unsicherheit erfolgt traditionell in Streckenfahrplänen in Form von Durchfahrtzeiten für ausgewählte Streckenpunkte. Dabei wird die Zeitreserve gleichmäßig auf die Gesamtstrecke verteilt. Die DE 30 26 652 AI und die EP 0 467 377 Bl beschäftigen sich mit einer Systemstruktur, in der Verfahren zur Energieminimierung realisiert werden können, wobei eine Gesamtstrecke zwischen zwei Haltepunkten (Haltebahnhöfen) berücksichtigt wird. Dies kann bei langen Strecken dazu führen, daß Echtzeitvorgaben für die Lösung durch das Verfahren in nachteiliger Weise nicht eingehalten werden.
Die bisher bekannten Verfahren zur Energieoptimierung berücksichtigen nur unzureichend die Forderung nach Robustheit des Betriebsablaufs, die mit Zeitreserven im Fahrplan erhöht werden soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Energieoptimierung der Fahrweise bei einem Fahrzeug/Zug mit in mehrere Abschnitte unterteilter Gesamtstrecke anzugeben.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff durch die im den Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Einbeziehung einer flexiblen Verwaltung von Zeitreserven unter Zuhilfenahme eines Optimierungsalgorithmus die Robustheit des Betriebsablaufs erhöht wird. Gleichzeitig ist die realisierte Fahrweise energieoptimal. Mit „Robustheit" ist gemeint, daß auch bei langen Gesamtstrecken und unvorhergesehenen Ereignissen ein rechtzeitiges Eintreffen des Fahrzeuges/Zuges am Ziel-Haltepunkt mit hoher Wahrscheinlichkeit gewährleistet ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand des in der einzigen Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Figur zeigt das Weg/Zeit-Diagramm eines Fahrzeuges, wobei die gesamte Fahrstrecke in mehrere einzelne Abschnitte eingeteilt ist und i den Laufindex für die einzelnen Abschnitte darstellt. Mit n ist die zweckmäßige Anzahl der Abschnitte für eine Vorausberechnung bezeichnet. Die jeweils spätesten Durchfahrtzeiten sind mit Dreiecken gekennzeichnet. Ferner ist beispielhaft ein Zeitfenster angegeben. Durch das Zeitfenster wird bestimmt, zu welcher frühesten und spätesten Durchfahrtzeit ein bestimmter Abschnitt vom Fahrzeug zu passieren ist.
Erfindungsgemäß erfolgt eine flexible Einbeziehung von Zeitreserven in die Energieoptimierung. Zeitreserven werden vorgesehen, um auf unvorhergesehene Ereignisse reagieren zu können und um damit die Robustheit des Verkehrsablaufs zu erhöhen. Typischerweise wird ein Zeitzuschlag von beispielsweise 5 % gewährt. Dieser Zeitzuschlag wird beispielsweise gleichmäßig auf die Gesamtstrecke verteilt, womit Durchfahrtzeiten an beliebigen Streckenpunkten ermittelt werden können. Erfindungsgemäß erfolgt die Einbeziehung der Zeitreserven derart flexibel, daß die in einem Streckenabschnitt nicht verbrauchte Zeitreserve anteilmäßig den nachfolgenden Streckenabschnitten zugeschlagen wird und derart, daß die den einzelnen Streckenabschnitten zustehenden Zeitreserven unterschiedlich bewertet werden.
Erfindungsgemäß werden zwei mögliche Vorgehensweisen zur flexiblen Einbeziehung von Zeitreserven in die Optimierung vorgesehen:
Gemäß einer ersten möglichen Vorgehensweise wird der Verbrauch von Zeitreserve in einem Streckenabschnitt als „Strafterm" in der Optimierung berücksichtigt. Als „Strafterm" kommt insbesondere eine monoton fallende Funktion der Zeit in Betracht. Auf diese Weise wird der Verbrauch von Zeitreserve um so weniger „bestraft", je weiter er in der Zukunft, d. h. näher am Ziel-Haltepunkt erfolgt.
Gemäß einer zweiten möglichen Vorgehensweise werden die Durchfahrtzeiten im Optimierungsproblem als Randbedingungen in der Art aufgenommen, daß einerseits die geforderte Robustheit gewährleistet ist, daß aber andererseits die zur Energieeinsparung optimale Lösung möglichst wenig beeinträchtigt wird. Um der geforderten Robustheit zu genügen, ist es ausreichend, wenn späteste Durchfahrtzeiten gefordert werden. Diese spätesten Durchfahrtzeiten sind in der Figur als Dreiecke eingetragen, wie bereits erwähnt.
Weitere Zeitbeschränkungen können sich beispielsweise aus der gleichzeitigen Benutzung einer Strecke bzw. eines Streckenabschnitts durch mehrere Fahrzeuge ergeben. Eine übergeordnete Betriebsleitzentrale kann deshalb kurzfristige Vorgaben für Durchfahrtzeiten in Form von Zeitfenstem an das Fahrzeug stellen. Ein derartiges Zeitfenster ist in der Figur beispielhaft eingetragen, wie bereits erwähnt.
Erfϊndungsgemäß wird vorgesehen, kurzfristige Vorgaben mit langfristig bekannten Planungen zu kombinieren und als Randbedingungen in die Energieoptimierung mittels eines Optimierungsalgorithmus aufzunehmen. Sich hieraus ergebende Zeitfenster werden in die Optimierung als eine früheste und eine späteste Durchfahrtzeit einbezogen.
Für das vorgeschlagene Verfahren geeignete Optimierungsalgorithmen sind beispielsweise aus Papageorgiou: Optimierung, Kapitel 10, 19 und insbes. 20, Oldenbourg Verlag, 1996, bekannt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Energieoptimierung bei einem Fahrzeug/Zug bei der Benutzung von Zeitreserven, welche bei einem Fahrplan eingeplant sind, wobei eine zwischen einem Start-Haltepunkt und einem Ziel-Haltepunkt zu durchfahrende Gesamtstrecke in mehrere Abschnitte unterteilt und jedem Abschnitt eine gewisse Zeitreserve zuerkannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer energiesparenden Fahrweise unter Zuhilfenahme eines Optimierungsalgorithmus eine übergeordnete Verwaltung der einzelnen Zeitreserven erfolgt und die einzelnen Zeitreserven flexibel in die Optimierung einbezogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrauch von Zeitreserve in den einzelnen Abschnitten als „Strafterm" in der Optimierung berücksichtigt wird, so daß der Verbrauch von Zeitreserve um so mehr „bestraft" wird, je näher er am Start-Haltepunkt erfolgt und um so weniger „bestraft" wird, je näher er am Ziel-Haltepunkt erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils späteste Durchfahrtzeiten hinsichtlich der einzelnen Abschnitte als Randbedingungen in die Optimierung aufgenommen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Durchfahrtzeiten in Form von Zeitfenstern unter Vorgabe einer frühesten und spätesten Durchfahrtzeit vorgegeben werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich während der Fahrt ergebende kurzfristige Vorgaben mit langfristig bekannten Planungen kombiniert und als Randbedingungen in die Optimierung aufgenommen werden.
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