EP1719687A2 - Precise determination of travel time of rail vehicles - Google Patents

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EP1719687A2
EP1719687A2 EP05025843A EP05025843A EP1719687A2 EP 1719687 A2 EP1719687 A2 EP 1719687A2 EP 05025843 A EP05025843 A EP 05025843A EP 05025843 A EP05025843 A EP 05025843A EP 1719687 A2 EP1719687 A2 EP 1719687A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
train
time
speed
acceleration
traction
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP05025843A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP1719687A3 (en
Inventor
Heiko Dr. Körner
Elias Dr. Dahlhaus
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DB Systems GmbH
Original Assignee
DB Systems GmbH
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Publication date
Application filed by DB Systems GmbH filed Critical DB Systems GmbH
Publication of EP1719687A2 publication Critical patent/EP1719687A2/en
Publication of EP1719687A3 publication Critical patent/EP1719687A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61LGUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L15/00Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
    • B61L15/0058On-board optimisation of vehicle or vehicle train operation

Definitions

  • the invention relates to a method for the exact determination of travel times of rail vehicles.
  • the determination of travel time is the basis of the timetable of rail transport. In this case, an accuracy is required in which a manual calculation because of the required work is practically no longer possible. Therefore, a number of graphic methods were developed with which a driving line could be constructed and subsequently graphically integrated for driving time determination. To support the graphical driving time determination various devices were used, so-called graphic integrators. The best known is the so-called Conzen-Ott device, a mechanical analogue computer that was used until the advent of EDP.
  • the results of the travel time calculations are compiled in timetables.
  • the start-up and brake additional times are shown separately for each possible traffic stop.
  • These surcharge times are the differences from the travel time of a train passing through and the travel time of a stopping train (without holding time).
  • the timetable processor can use this information to compile a route with any desired stopping sequence.
  • a variant of the first method is the Runge-Kutta method, which additionally considers the mid-point of each interval and averages various suggestions for continuing the function.
  • ⁇ -s or ⁇ -v methods are defined accordingly, i. the path or velocity axis are divided into intervals of constant length.
  • Claims 2 to 6 include advantageous embodiments of the inventive solution of claim 1.
  • the particular advantage of the new driving time calculation is that it is no longer necessary to subdivide the time, path or speed axis into intervals of fixed length and to spend a calculation step for each interval due to the analytical evaluation of the differential equations.
  • the Newton method is used. The latter always converges in a few steps, independent of the axis length. Both circumstances make it possible to significantly shorten the running time of the travel time calculation, whereby the computing speed is increased approximately by a factor of 70. Furthermore, the rounding errors occurring in the iterative methods are eliminated.
  • the highest possible average speed is achieved overall. It should be noted, however, that the train e.g. with too high gradients despite maximum acceleration can also slow down. However, this is still called the acceleration phase, i. it is determined:
  • s meters may be driven at most ⁇ (2s - vzg + w 2 ) m / s before reaching eg a slow driving location where only wm / s are allowed, so that the train can brake in time. Earlier, this aspect has already been touched on.
  • the acceleration of a turn is more complicated and depends on its current speed.
  • the constants f 1 , f 2 and f 3 are also again dependent on the actual train.
  • Another important factor is the track resistance, which has an inhibiting (gradient) or favoring (downward gradient) effect on the traction.
  • the acceleration acc is calculated (because of the mass in tons the factor 1000 is necessary).
  • the tensile force F is needed not only for the acceleration of the train mass but also for the rotation of the moving internal components (gears, etc.). This loss is taken into account by a so-called mass penalty, which is given as a percentage as a percentage value p for each type of train.
  • a 12960 ⁇ K 2 - 12 . 96 ⁇ f 3 ⁇ G m ⁇ 1000 + 10 ⁇ ⁇ .
  • b 3600 ⁇ K 1 - 3 . 6 ⁇ f 2 ⁇ m ⁇ G m ⁇ 1000 + 10 ⁇ ⁇ .
  • c 1000 ⁇ K 0 - f 1 ⁇ m ⁇ G - I ⁇ m ⁇ G m ⁇ 1000 + 10 ⁇ ⁇ ,
  • the energy used is calculated from the product "force (in Newtons) times distance (in meters)". During a steady drive this force corresponds exactly to the sum of all running resistances of the traction vehicles and the Cart material and the track resistance. This multiplied by the path length gives the desired result.
  • the influencing factors on the braking process whereby a distinction must be made between LZB driving and conventional driving, are used to calculate the factors influencing acceleration and the vehicle surcharges before the actual travel time calculation is carried out.
  • the constant proportions of the parameters a, b and c of the later differential equations can already be processed in advance.
  • one millisecond computing time per preprocessing and actual travel time calculation can be estimated on a 500 MHz Intel Pentium 111 computer as a guideline value per 100 km distance.
  • the zeros of the cubic polynomial in the denominator are first determined and, based on these solutions, the resulting parent functions are determined.
  • the calculation of travel times is usually, as mentioned above, based on a strict driving style, i.
  • the trains accelerate as early as possible, drive if possible at top speed and slow down as late as possible. Since the travel times are provided with rule surcharges, you can - if no delays are catch up - use these time buffers for energy-saving driving (ESF), i. E. you let the train roll out in a targeted manner, thus saving the traction energy, and is nevertheless punctually at the finish.
  • ESF energy-saving driving
  • Construction surcharges are time buffers that are added to the journey time in the event of anticipated obstruction due to construction site work (for example, single track operation) in addition to the standard surcharges.
  • the amount of construction surcharges is based only on the expected loss of time of long-distance trains.
  • the driving time calculation determines the effects of slow driving points etc. on individual trains and thus evaluates a given construction surcharge.
  • the next step is to automatically determine construction surcharges that are dependent on the train and, if necessary, taken into account directly when publishing timetables.
  • Rolling trains "skilfully" is not only useful for energy-saving driving styles, but can also shorten the driving time in certain cases. If a train runs in particular on a (still) stop-pointing main signal, it must decelerate to a standstill and then accelerate again from standstill. However, it is faster and also far more energy-efficient to fill in the time until the signal is switched up by energy-saving driving, in order then to pass the signal at a (high) residual speed. The re-acceleration phase is correspondingly shorter.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)

Abstract

Method involves solving of acceleration phase by differential equation v'(t) = av2>(t)+bv(t)+c, with speed v(t) and parameters a,b,c depending on the time t, by formulae. These formulae are to be used with constant speed or constant braking deceleration in order to determine travel time for train travel. During positive acceleration v'(t) greater than 0, it examines, whether the sufficient distance is there to attain maximum permissible speed. During negative acceleration v'(t) less than 0, it is examined, that whether the train eventually comes to a standstill and the point of time of the standstill and thereby mileage distance is determined. During the steady travel v'(t)= 0, a break-down speed of vo is maintained. Basically a specific limitation is allowed for a exit speed by a timely application of a braking device.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur exakten Ermittlung von Fahrzeiten von Schienenfahrzeugen.The invention relates to a method for the exact determination of travel times of rail vehicles.

Die Ermittlung der Fahrzeit ist Grundlage des Fahrplans des Schienenverkehrs. Hierbei ist eine Genauigkeit erforderlich, bei der eine manuelle Berechnung wegen des erforderlichen Arbeitsaufwandes praktisch nicht mehr möglich ist. Daher wurden eine Reihe von grafischen Verfahren entwickelt, mit denen eine Fahrschaulinie konstruiert und anschließend zur Fahrzeitermittlung auch grafisch integriert werden konnte. Zur Unterstützung der grafischen Fahrzeitermittlung wurden verschiedene Geräte benutzt, sog. grafische Integratoren. Das bekannteste ist das sogenannte Conzen-Ott-Gerät, ein mechanischer Analogrechner, das bis zum Aufkommen der EDV benutzt wurde.The determination of travel time is the basis of the timetable of rail transport. In this case, an accuracy is required in which a manual calculation because of the required work is practically no longer possible. Therefore, a number of graphic methods were developed with which a driving line could be constructed and subsequently graphically integrated for driving time determination. To support the graphical driving time determination various devices were used, so-called graphic integrators. The best known is the so-called Conzen-Ott device, a mechanical analogue computer that was used until the advent of EDP.

Aufgrund steigenden Verkehrsaufkommens und zur Optimierung von Verfahrensabläufen werden heute Fahrzeitrechnungen nur noch mit Hilfe von EDV-Verfahren durchgeführt.Due to increasing traffic volume and to the optimization of procedures, travel time calculations are only carried out today with the help of EDP procedures.

Die Ergebnisse der Fahrzeitenrechnungen werden in Fahrzeitentafeln zusammengestellt. Dabei werden für jeden möglichen Verkehrshalt die Anfahr- und Bremszuschlagzeiten extra ausgewiesen. Diese Zuschlagzeiten sind die Differenzen aus der Fahrzeit eines durchfahrenden Zuges und der Fahrzeit eines haltenden Zuges (ohne Haltezeit). Dadurch kann sich der Fahrplanbearbeiter aus diesen Angaben einen Fahrtverlauf mit einer beliebigen Haltfolge zusammenstellen.The results of the travel time calculations are compiled in timetables. In this case, the start-up and brake additional times are shown separately for each possible traffic stop. These surcharge times are the differences from the travel time of a train passing through and the travel time of a stopping train (without holding time). As a result, the timetable processor can use this information to compile a route with any desired stopping sequence.

Verfahren des Standes der Technik zur Berechnung von Fahrzeiten von Schienenfahrzeugen mit Hilfe von EDV-Verfahren sind sogenannte Δ-t-, Δ-s- oder Δ-v-Verfahren, die in folgenden Artikeln beschrieben werden:

  • Eberhard Jentsch: "Fahrzeitermittlung mit neuen Elementen der Zugfahrtsimulation", ZEVrail 127 (2003) Nr. 2 (Februar), Seite 66-71 ,
  • Günter Habich, Friedrich Eickmann: "DYNAMIS - ein Simulationsmodell zur Bearbeitung fahrdynamischer Fragestellungen", Eisenbahntechnische Rundschau 1990, Heft 1/2, Seite 83-87 .
Prior art methods for calculating travel times of rail vehicles by means of EDP methods are so-called Δ-t, Δ-s or Δ-v methods, which are described in the following articles:
  • Eberhard Jentsch: "Driving time determination with new elements of the train simulation", ZEVrail 127 (2003) No. 2 (February), page 66-71 .
  • Günter Habich, Friedrich Eickmann: "DYNAMIS - a simulation model for handling driving dynamics issues", Eisenbahntechnische Rundschau 1990, Issue 1/2, page 83-87 ,

Bei einem Δ-t-Verfahren wird die Zeitachse in Intervalle der festen Länge Δt aufgeteilt. Innerhalb eines solchen Intervalls wird von einer konstanten Beschleunigung ausgegangen. Dabei werden die beiden folgenden Varianten unterschieden:

  • Die sich ergebenden Differentialgleichungen werden in Differenzengleichungen umgewandelt.
  • Innerhalb eines Δ-t-Intervalls wird der Verlauf der Fahrt durch eine Näherungsfunktion bestimmt, die sich aus der konstanten Beschleunigung ergibt.
In a Δ-t method, the time axis is divided into intervals of the fixed length Δt. Within such an interval, a constant acceleration is assumed. The following two variants are distinguished:
  • The resulting differential equations are converted into difference equations.
  • Within a Δ-t interval, the course of the journey is determined by an approximation function, which results from the constant acceleration.

Eine Variante des ersten Verfahrens ist das Runge-Kutta-Verfahren, in dem zusätzlich der Mittelpunkt eines jeden Intervalls betrachtet wird und verschiedene Vorschläge zur Fortsetzung der Funktion gemittelt werden.A variant of the first method is the Runge-Kutta method, which additionally considers the mid-point of each interval and averages various suggestions for continuing the function.

Δ-s- oder Δ-v-Verfahren sind entsprechend definiert, d.h. die Wege- bzw. Geschwindigkeitsachse werden in Intervalle konstanter Länge aufgeteilt.Δ-s or Δ-v methods are defined accordingly, i. the path or velocity axis are divided into intervals of constant length.

Aus Dietrich Wende: "Fahrdynamik des Schienenverkehrs", Teubner-Verlag, Seite 51-53 , ist weiterhin als Stand der Technik bekannt, dass der Abrollvorgang analytisch ausgeführt werden kann, es werden jedoch ausschließlich die obigen Schrittverfahren behandelt. Die eigentliche algorithmische Konsequenz, durch analytisches Vorgehen die Rechenzeit erheblich zu reduzieren, ist nicht gezogen worden.Out Dietrich Wende: "Driving Dynamics of Rail Traffic", Teubner-Verlag, page 51-53 , Further, as the prior art is known that the rolling process can be carried out analytically, but only the above stepping methods are treated. The actual algorithmic consequence of considerably reducing the computation time by analytical procedure has not been drawn.

Ein weiterer Stand der Technik wird in dem Artikel von Rüdiger Franke, Peter Terwiesch, Markus Meyer: "An algorithm for the optimal control of the driving of trains", Proceedings of the 39th IEEE-conference on Decision and Control, Sydney, December 2000 angegeben. Hierbei wird die Zugkraft bei der Lösung der Differentialgleichung jedoch als konstant vorausgesetzt. Weiterhin sind lineare Terme in der Widerstandsfunktion nicht vorgesehen. Beides stellt eine Vereinfachung und nicht unerhebliche Verfälschung der in der Realität tatsächlich gegebenen Umstände dar.Another prior art is in the article of Rüdiger Franke, Peter Terwiesch, Markus Meyer: "An algorithm for the optimal control of the driving of trains", Proceedings of the 39th IEEE Conference on Decision and Control, Sydney, December 2000 specified. However, the tensile force in the solution of the differential equation is assumed to be constant. Furthermore, linear terms are not provided in the resistance function. Both represent a simplification and not inconsiderable distortion of the actual circumstances in reality.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Fahrzeiten von Zügen exakt, d.h. ohne Vereinfachungen von Parametern und Verfahrensabläufen, und schneller, d.h. ohne großen Zeitaufwand, ermittelt werden.It is therefore an object of the invention to provide a method, with the travel times of trains exactly, i. without simplifications of parameters and procedures, and faster, i. without much time.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved in connection with the preamble of claim 1 according to the invention by the features specified in claim 1.

Ansprüche 2 bis 6 beinhalten vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung aus Anspruch 1.Claims 2 to 6 include advantageous embodiments of the inventive solution of claim 1.

Besonderer Vorteil der neuen Fahrzeitrechnung ist, dass es durch die analytische Auswertung der Differentialgleichungen nicht mehr notwendig ist, die Zeit-, Wege- oder Geschwindigkeitsachse in Intervalle fester Länge zu unterteilen und für jedes Intervall einen Rechenschritt aufzuwenden. Wo es nicht möglich ist, einen Parameter analytisch zu bestimmen, wird das Newton-Verfahren angewendet. Letzteres konvergiert unabhängig von der Achsenlänge stets in wenigen Schritten. Beide Umstände ermöglichen es, die Laufzeit der Fahrzeitrechnung erheblich zu verkürzen, wobei die Rechengeschwindigkeit wird etwa um den Faktor 70 erhöht wird. Weiterhin werden die bei den iterativen Verfahren auftretenden Rundungsfehler eliminiert.The particular advantage of the new driving time calculation is that it is no longer necessary to subdivide the time, path or speed axis into intervals of fixed length and to spend a calculation step for each interval due to the analytical evaluation of the differential equations. Where it is not possible to analytically determine a parameter, the Newton method is used. The latter always converges in a few steps, independent of the axis length. Both circumstances make it possible to significantly shorten the running time of the travel time calculation, whereby the computing speed is increased approximately by a factor of 70. Furthermore, the rounding errors occurring in the iterative methods are eliminated.

Die Erfindung beschreibt einen grundsätzlich neuen Weg bei der Ermittlung und Berechnung der Fahrzeiten für Züge. Ein Teil dieser Berechnung ― nämlich die Beschleunigungsphase ― basiert auf der Lösung einer Differentialgleichung, die in allen bisherigen Verfahren numerisch approximiert wird. Erfindungsgemäß wird gezeigt, dass diese Differentialgleichung aber auch exakt dargestellt, d.h. mittels einer geschlossenen Formel ausgedrückt werden kann. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit der ermittelten Fahrzeiten; vor allem aber kann die Berechnung wesentlich schneller erfolgen, da anstatt iterativer Approximationen (Runge-Kutta u.ä.) nur noch relativ einfache Formeln ausgewertet werden müssen. Für eine vollständige Fahrzeitrechnung reicht die Verarbeitung der rein physikalischen Bewegungsgleichungen jedoch nicht aus. Vielmehr sind zahlreiche Vorschriften und Rahmenbedingungen zu beachten. Auszugsweise seien an dieser Stelle genannt:

  • Die Bremsphase eines Zuges wird maßgeblich von der verwendeten Leit- und Sicherungstechnik (Linienzugbeeinflussung (LZB) oder konventionelle Fahrweise) bestimmt und hängt zusätzlich von der zulässigen Höchstgeschwindigkeit, der Zugart und weiteren Parametern ab.
  • Für die Höchstgeschwindigkeit eines Zuges gelten unterschiedliche Grenzen bei den Loks, dem Wagenmaterial sowie der Strecke, wobei die maximal zulässige Streckengeschwindigkeit sich ständig (z.B. bei Tunneln) ändern kann und deshalb abschnittsweise festgelegt wird. Ferner muss ein Zug bei einer nachfolgenden niedrigeren Höchstgeschwindigkeit noch rechtzeitig bremsen können. Eine Geschwindigkeitserhöhung wird dagegen im Allgemeinen erst dann wirksam, wenn der Zug vollständig den vorherigen Bereich verlassen hat. Weiter können z.B. auch die sogenannten maßgebenden Neigungen Einfluss auf die Höchstgeschwindigkeit haben.
  • Die Formeln für die Beschleunigung eines Zuges benötigen genaue Angaben über die Masse des Zuges, die Beschleunigungskräfte der Loks, Trägheitswiderstände, usw. Für diverse Parameter wird dabei detailliert zwischen Güter- und Personenzügen, zwischen Triebwagen und lokbespannten Zügen usw. unterschieden. Ferner sind Angaben über die aktuellen Neigung (also Steigung oder Gefälle) der Strecke erforderlich (auch diese ändern sich ständig).
  • Zum Abbauen von Verspätungen werden auf die eigentlichen Fahrzeiten Zuschläge erhoben. Auch für diese gelten je nach Zugart, Streckenhöchstgeschwindigkeit usw. unterschiedliche Werte.
The invention describes a fundamentally new way of determining and calculating the travel times for trains. Part of this calculation - namely the acceleration phase - is based on the solution of a differential equation, which is numerically approximated in all previous methods. According to the invention, it is shown that this differential equation can also be represented exactly, ie expressed by means of a closed formula. This increases the accuracy of the determined travel times; above all, however, the calculation can be done much faster, because instead of iterative approximations (Runge-Kutta, etc.) only relatively simple formulas have to be evaluated. For a complete travel time calculation, however, the processing of purely physical equations of motion is not sufficient. Rather, numerous regulations and framework conditions must be observed. Extracts may be mentioned at this point:
  • The braking phase of a train is largely determined by the control and safety technology used (train control (LZB) or conventional driving style) and also depends on the maximum speed, the type of train and other parameters.
  • For the maximum speed of a train different limits apply to the locomotives, the car material and the track, the maximum permissible line speed can change constantly (eg in tunnels) and is therefore set in sections. Furthermore, a train must be able to brake in time at a subsequent lower maximum speed. In contrast, a speed increase generally only takes effect when the train has completely left the previous area. Furthermore, for example, the so-called decisive inclinations can influence the maximum speed.
  • The formulas for the acceleration of a train require precise information about the mass of the train, the acceleration forces of the locomotive, inertia, etc. For various parameters, a distinction is made in detail between freight and passenger trains, between railcar and locomotive-drawn trains etc. In addition, information about the current slope (ie slope or gradient) of the route is required (these also change constantly).
  • To reduce delays surcharges will be charged on the actual travel times. Also for these, different values apply depending on the type of train, maximum route speed, etc.

1 Physikalische Grundlagen einer Zugfahrt1 Physical basics of a train journey

Zunächst werden kurz die Bewegungsgleichungen erläutert, die bei der Fahrt eines Zuges eine wesentliche Rolle spielen. Einige Einflüsse wie z.B. Bogenwiderstände werden hier nicht betrachtet; auch werden für bestimmte Kenngrößen wie z.B. die Bremsverzögerung nur pauschale Werte angenommen. Alle für die Fahrzeitrechnung benötigten Parameter und Formeln für die unterschiedlichen Züge werden jedoch später noch konkretisiert.First, the equations of motion that play an essential role in the movement of a train are briefly explained. Some influences such as bow resistances are not considered here; Also, only general values are assumed for certain characteristics such as the braking deceleration. However, all the parameters and formulas required for the travel time calculation for the different trains will be specified later.

Für die Fahrzeitrechnung wird zunächst vereinfachend angenommen, dass der Zug nur aus einem "Massepunkt" besteht, der die gesamte Zugmasse in sich vereinigt; der Zug hat demnach die Länge Null. Grundsätzlich befindet er sich während einer Fahrt stets in einer von drei Phasen: entweder er beschleunigt, behält seine momentane Geschwindigkeit bei (Beharrungsfahrt), oder er bremst. Es wird von einer straffen Fahrweise ausgegangen, d.h. der Zug

  • beschleunigt so früh wie möglich,
  • fährt so lange es geht mit der maximal zulässigen Höchstgeschwindigkeit,
  • und bremst so spät wie möglich.
For the driving time calculation, it is first simplified assuming that the train consists only of a "mass point", which combines the entire train mass in itself; the train has therefore the length zero. Basically, he is always in one of three phases during a trip: either he accelerates, maintains his current speed (steady drive), or he brakes. It is assumed that a tight driving style, ie the train
  • accelerate as early as possible,
  • drives as long as possible with the maximum permissible speed,
  • and brake as late as possible.

Hierdurch wird insgesamt eine möglichst hohe Durchschnittsgeschwindigkeit erzielt. Es ist jedoch zu beachten, dass der Zug z.B. bei zu großen Steigungen trotz maximaler Beschleunigung auch langsamer werden kann. Dies wird jedoch dennoch als Beschleunigungsphase bezeichnet, d.h. es wird festgelegt:As a result, the highest possible average speed is achieved overall. It should be noted, however, that the train e.g. with too high gradients despite maximum acceleration can also slow down. However, this is still called the acceleration phase, i. it is determined:

Beschleunigungsphase := Der Zug fährt unter Einsatz seiner maximalen Zugkraft.Acceleration phase: = The train travels using its maximum traction.

Die einzelnen Phasen werden nun etwas genauer untersucht. Die Beharrungsfahrt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zugkräfte gerade genau die Reibungs- und Streckenwiderstände kompensieren, d.h. der Zug verkehrt mit konstanter Geschwindigkeit und legt dann in t Sekunden bei einer Geschwindigkeit von v Metern pro Sekunde eine Strecke von s = v · t Metern zurück. Sind je zwei Größen gegeben, so kann daraus die dritte berechnet werden.The individual phases will now be examined more closely. The inertia ride is characterized in that the tractive forces just exactly compensate for the frictional and path resistances, i. the train runs at a constant speed and then covers a distance of s = v · t meters in t seconds at a speed of v meters per second. If two quantities are given, the third can be calculated from this.

Auch beim Bremsen von einer Geschwindigkeit v auf eine Zielgeschwindigkeit w (w ≤ v) sind die Zusammenhänge einfach. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass der Zugführer das maximale Bremsvermögen des Zuges nicht ausnutzt, sondern stattdessen aus Komfortgründen eine konstante Bremsverzögerung vzg anstrebt, die z.B. bei Nahverkehrszügen mit dem Wert vzg = 0.7 m/s2 veranschlagt wird. Somit werden t = (v - w)/vzg Sekunden für den Bremsvorgang benötigt, und die dabei zurückgelegte Strecke s beträgt 0 t v v z g r d r = v r 1 2 v z g r 2 | 0 t = v 2 v w v z g v w 2 2 v z g = 2 v 2 2 v w v 2 + 2 v w w 2 2 v z g = v 2 w 2 2 v z g

Figure imgb0001
Even when braking from a speed v to a target speed w (w ≦ v), the relationships are simple. It is assumed here that the driver does not take advantage of the maximum braking capacity of the train, but instead seeks for comfort reasons a constant braking deceleration vzg, which is estimated for example in local trains with the value vzg = 0.7 m / s 2 . Thus, t = (v-w) / vzg seconds are required for the braking operation, and the distance s traveled is s 0 t v - v z G r d r = v r - 1 2 v z G r 2 | 0 t = v 2 - v w v z G - v - w 2 2 v z G = 2 v 2 - 2 v w - v 2 + 2 v w - w 2 2 v z G = v 2 - w 2 2 v z G
Figure imgb0001

Meter. Somit lässt sich der Bremseinsatzpunkt einfach bestimmen, und umgekehrt kann wegen s = v 2 w 2 2 v z g v = 2 s v z g + w 2

Figure imgb0002
festgelegt werden, dass s Meter vor dem Erreichen z.B. einer Langsamfahrstelle, wo nur w m/s erlaubt sind, höchstens √(2s - vzg + w2) m/s gefahren werden dürfen, damit der Zug noch rechtzeitig bremsen kann. Weiter oben wurde dieser Aspekt bereits angerissen.Meter. Thus, the brake application point can be easily determined, and vice versa, because of s = v 2 - w 2 2 v z G v = 2 s v z G + w 2
Figure imgb0002
It is stipulated that, for example, s meters may be driven at most √ (2s - vzg + w 2 ) m / s before reaching eg a slow driving location where only wm / s are allowed, so that the train can brake in time. Earlier, this aspect has already been touched on.

Die Beschleunigung eines Zuges ist komplizierter und hängt von seiner aktuellen Geschwindigkeit ab. Zunächst einmal wird die Zugkraft der Lokomotive bzw. des Triebwagens (gemessen in Kilonewton oder kurz kN) stückweise durch Zugkraftparabeln der Form F = k0 + k1 · V + k2 · V2 beschrieben, wobei V die Geschwindigkeit in km/h angibt und die Koeffzienten k0, k1 und k2 aus einer Tabelle entnommen werden, die vom Loktyp und dem aktuellen Geschwindigkeitsbereich abhängt.The acceleration of a turn is more complicated and depends on its current speed. First of all, the tractive force of the locomotive or the railcar (measured in kilonewtons or in short kN) is described in pieces by train parabolas of the form F = k 0 + k 1 .V + k 2 .V 2 , where V indicates the speed in km / h and the coefficients k 0 , k 1 and k 2 are taken from a table that depends on the type of loco and the current speed range.

Der Zugkraft wirken Laufwiderstände des Zuges (z.B. durch Reibungsverluste, Luftwiderstände usw.) entgegen. Diese werden ganz ähnlich wie die Zugkräfte durch eine Gleichung der Form f 1 m g + f 2 m g V + f 3 g V 2

Figure imgb0003
beschrieben (das Ergebnis ist in der Einheit Newton), wobei g = 9,81 m/s2 die Erdbeschleunigung und m die Masse des Zuges in Tonnen bezeichnen. Die Konstanten f1, f2 sowie f3 sind ebenfalls wieder vom konkreten Zug abhängig. Wichtig ist auch der Streckenwiderstand, der sich hemmend (Steigung) bzw. begünstigend (Gefälle) auf die Zugkraft auswirkt.The tensile force counteracts running resistance of the train (eg due to friction losses, air resistance, etc.). These become quite similar to the tensile forces of an equation of form f 1 m G + f 2 m G V + f 3 G V 2
Figure imgb0003
described (the result is in the unit Newton), where g = 9.81 m / s 2 denote the acceleration of gravity and m the mass of the train in tons. The constants f 1 , f 2 and f 3 are also again dependent on the actual train. Another important factor is the track resistance, which has an inhibiting (gradient) or favoring (downward gradient) effect on the traction.

Bezeichnet F die verbleibende Zugkraft nach Abzug der Lauf- und Streckenwiderstände, so kann nun prinzipiell mittels der grundlegenden Formel F = 1000 m a c c a c c = F 1000 m

Figure imgb0004
die Beschleunigung acc berechnet werden (wegen der Angabe der Masse in Tonnen ist der Faktor 1000 notwendig). Die Zugkraft F wird allerdings nicht nur für die Beschleunigung der Zugmasse, sondern auch für die Rotation der bewegten inneren Bauteile (Getriebe usw.) benötigt. Dieser Verlust wird durch einen sogenannten Massezuschlag berücksichtigt, der pauschal als prozentualer Wert p für jeden Zugtyp vorgegeben ist.If F denotes the remaining tractive force after deduction of the running and distance resistances, then now in principle by means of the basic formula F = 1000 m a c c a c c = F 1000 m
Figure imgb0004
the acceleration acc is calculated (because of the mass in tons the factor 1000 is necessary). However, the tensile force F is needed not only for the acceleration of the train mass but also for the rotation of the moving internal components (gears, etc.). This loss is taken into account by a so-called mass penalty, which is given as a percentage as a percentage value p for each type of train.

Die obigen Formeln werden nun zusammengefasst, wobei der Faktor 1 m/s = 3,6 km/h berücksichtigt werden muss, was bei den quadratisch von der Geschwindigkeit abhängigen Termen einen Umrechnungsfaktor von 3,62 = 12,96 ausmacht. Ferner stellt die Beschleunigung gerade die mathematische Ableitung der Geschwindigkeit dar. Es ergibt sich damit die folgende Bewegungsgleichung für die Beschleunigung eines Zuges, der zum Zeitpunkt t mit der Geschwindigkeit v(t) m/s unterwegs ist: v t = a v 2 t + b v t + c .

Figure imgb0005
The above formulas are now combined, where the factor 1 m / s = 3.6 km / h must take into account what constitutes a conversion factor of 3.6 2 = 12.96 at the square dependent on the speed terms. Furthermore, the acceleration represents precisely the mathematical derivative of the velocity. This yields the following equation of motion for the acceleration of a train traveling at the time t at the speed v (t) m / s: v ' t = a v 2 t + b v t + c ,
Figure imgb0005

Die Konstanten a, b und c ergeben sich dabei gemäß den obigen Ausführungen wie folgt: a = 12960 k 2 12 , 96 f 3 g m 1000 + 10 ρ , b = 3600 k 1 3 , 6 f 2 m g m 1000 + 10 ρ , c = 1000 k 0 f 1 m g I m g m 1000 + 10 ρ .

Figure imgb0006
The constants a, b and c result in the following statements as follows: a = 12960 K 2 - 12 . 96 f 3 G m 1000 + 10 ρ . b = 3600 K 1 - 3 . 6 f 2 m G m 1000 + 10 ρ . c = 1000 K 0 - f 1 m G - I m G m 1000 + 10 ρ ,
Figure imgb0006

Die Parameter a, b und c ergeben sich aus den Infrastrukturdaten und den Zugdaten. Dabei ändern sich jedoch nur die Werte der Parameter a, b und c, an der Bewegungsgleichung v t = a v 2 t + b v t + c .

Figure imgb0007
selbst ändert sich nichts. Wenn es nun gelingt, eine geschlossene Formel für v(t) zu finden, so kann man die Beschleunigung des Zuges stückweise (d.h. für die einzelnen Phasen, bei denen die Werte a, b und c gleich bleiben) direkt ausrechnen. Diese Problematik wird im folgenden behandelt.The parameters a, b and c result from the infrastructure data and the train data. However, only the values of the parameters a, b and c change in the equation of motion v ' t = a v 2 t + b v t + c ,
Figure imgb0007
nothing changes. If one succeeds in finding a closed formula for v (t), then the acceleration of the train can be calculated piecewise (ie for the individual phases in which the values a, b and c remain the same). This problem will be dealt with below.

2 Lösung der Differentialgleichung2 Solution of the differential equation 2.1 Vorüberleaunqen zu den benötigten Formeln2.1 Transfers to the required formulas

Liegt zusätzlich zu der oben besprochenen Bewegungsbedingung v t = a v 2 t + b v t + c .

Figure imgb0008
zum Zeitpunkt t = 0 eine bestimmte Einbruchsgeschwindigkeit v0 vor (also v(0) = v0) so ist die Formel für v(t) eindeutig bestimmt. Im folgenden wird diese Formel hergeleitet, so dass für jeden beliebigen Zeitpunkt die Geschwindigkeit des Zuges und daraus die zugehörige Beschleunigung ausgerechnet werden kann. Die Bewegung des Zuges ist damit korrekt erfasst, bis sich mindestens eine der Konstanten a, b oder c ändert. Dies geschieht in den folgenden Fällen:

  • Der Zug erreicht eine bestimmte Geschwindigkeit, bei deren Überschreitung sich die Zugkraftparabeln ändern. Demzufolge wird eine Formel für t(v) gesucht, die bei vorgegebener Geschwindigkeit v angibt, wann diese erreicht wird. Man beachte nochmals, dass der Zug trotz maximaler Zugkraft auch langsamer werden kann (z.B. wenn er sich auf einem zu steilen Streckenabschnitt befindet). Deshalb muss auch überprüft werden, ob der aktuell gültige Geschwindigkeitsbereich nach unten hin durchbrochen wird.
  • Die Streckenneigung ändert sich ab einer bestimmten Position. Um diesen Fall bearbeiten zu können, muss bekannt sein, wann der Zug den aktuellen Streckenabschnitt durchfahren hat und in den nächsten mit den veränderten Bedingungen eintritt. Deshalb wird zusätzlich eine Formel t(s) benötigt, die für eine gegebene Streckenlänge s die benötigte Durchfahrtszeit ermittelt. Desweiteren ist auch die Umkehrfunktion s(t) (d.h. welche Streckenlänge legt der Zug in einer bestimmten Zeit zurück) von Interesse.
  • Der Zug erreicht die zulässige Höchstgeschwindigkeit vmax. Mit den bisherigen Formeln kann man diesen Fall leicht behandeln. Man bestimmt zunächst mittels t(vmax) den Zeitpunkt, bei dem die Höchstgeschwindigkeit erreicht wird (es kommt dabei nicht darauf an, ob diese durch den Zug oder durch die Strecke bedingt ist), und berechnet anschließend mittels der Formel s(t) die bis dahin zurückgelegte Strecke. Anschließend wird mit konstanter Geschwindigkeit weitergefahren.
  • Der Zug muss rechtzeitig bremsen, um eine niedrigere Höchstgeschwindigkeit im herannahenden nächsten Streckenabschnitt einzuhalten. Sollte der Zug in Beharrungsfahrt unterwegs sein, so ist auch dieser Fall kein Problem, weil mittels der oben im Abschnitt "Physikalische Grundlagen einer Zugfahrt" hergeleiteten Formel der benötigte Bremsweg und daraus alle resultierenden Größen berechnet werden können. Schwieriger wird es, wenn der Zug bei laufender Beschleunigung direkt in den Bremsvorgang übergehen muss. Wie später gezeigt wird, erfordert die Ermittlung der Position dieses Übergangs ein Nullstellenverfahren, übrigens ebenso wie die Formel für t(s). Diese Verfahren konvergieren allerdings sehr schnell, insbesondere werden nur zwei bis drei Iterationen benötigt.
Is in addition to the motion condition discussed above v ' t = a v 2 t + b v t + c ,
Figure imgb0008
at the time t = 0 a certain break-in speed v 0 before (that is, v (0) = v 0 ), the formula for v (t) is uniquely determined. In the following this formula is derived, so that for each arbitrary time the speed of the train and from it the appropriate acceleration can be calculated. The movement of the train is thus correctly detected until at least one of the constants a, b or c changes. This happens in the following cases:
  • The train reaches a certain speed, beyond which the traction parameters change. As a result, a formula is searched for t (v), which at a given velocity v indicates when it is reached. Note again that the train can also slow down despite maximum traction (eg if it is on a steep section). Therefore, it must also be checked whether the currently valid speed range is broken down.
  • The track inclination changes from a certain position. In order to be able to process this case, it must be known when the train has traveled through the current section of the route and enters the next with the changed conditions. Therefore, a formula t (s) is additionally required, which determines the transit time required for a given route length s. Furthermore, the inverse function s (t) (ie, which route length does the train return in a certain time) is also of interest.
  • The train reaches the maximum permissible speed vmax. With the previous formulas one can handle this case easily. First, t (vmax) is used to determine the point in time at which the maximum speed is reached (it does not matter whether it is due to the train or the track) and then calculates, by means of the formula s (t) there covered distance. Then it is continued at a constant speed.
  • The train must brake in time to maintain a lower maximum speed in the approaching next leg. If the train is in steady drive, then this case is not a problem, because by means of the above in the section "Physical basics of a train journey" derived formula the required braking distance and from this all resulting sizes can be calculated. It becomes more difficult when the train has to go directly into braking during acceleration. As will be shown later, the determination of the position of this transition requires a zeroing procedure, by the way as well as the formula for t (s). However, these methods converge very fast, in particular only two to three iterations are needed.

Man bestimmt nun, welcher der Fälle zuerst eintritt, berechnet mittels der nachfolgend bereitgestellten Formeln alle entsprechenden Größen und verarbeitet dann den nächsten Abschnitt, bis schließlich die gesamte gewünschte Strecke durchlaufen ist. Für jeden Abschnitt müssen so nur einige wenige Formeln ausgewertet werden, was dieses Verfahren sehr effzient macht.It now determines which of the cases occurs first, calculates all corresponding quantities by means of the formulas provided below, and then processes the next section until finally the entire desired route has been completed. For each section, only a few formulas need to be evaluated, which makes this method very efficient.

2.2 Ansatz zur Lösung der Differentialgleichung2.2 Approach to solving the differential equation

Bei der im vorherigen Abschnitt besprochenen Bewegungsbedingung v t = a v 2 t + b v t + c

Figure imgb0009
handelt es sich um eine sog. separable gewöhnliche Differentialgleichung. Sie ist zusammen mit der Anfangswertbedingung v(0) = v0 eindeutig lösbar.At the motion condition discussed in the previous section v ' t = a v 2 t + b v t + c
Figure imgb0009
it is a so-called separable ordinary differential equation. It is uniquely solvable together with the initial value condition v (0) = v 0 .

Es wird nun der allgemeine Fall gelöst. Es wird zunächst v0(t) durch die Notation dv/dt ersetzt, so dass sich ergibt: d v / d t = a v 2 + b v + c

Figure imgb0010
bzw. d v / a v 2 + b v + c = d t .
Figure imgb0011
The general case will now be solved. First of all, v 0 (t) is replaced by the notation dv / dt, resulting in: d v / d t = a v 2 + b v + c
Figure imgb0010
respectively. d v / a v 2 + b v + c = d t ,
Figure imgb0011

Durch das Integrieren beider Seiten ergibt sich d v a v 2 + b v + c = d t

Figure imgb0012
bzw. d v a v 2 + b v + c = t + C
Figure imgb0013

wobei C eine Konstante ist, die von der Einbruchsgeschwindigkeit v0 := v(0) abhängt und später genauer bestimmt wird.By integrating both sides arises d v a v 2 + b v + c = d t
Figure imgb0012
respectively. d v a v 2 + b v + c = t + C
Figure imgb0013

where C is a constant that depends on the break-in velocity v 0 : = v (0) and is determined more accurately later.

Wegen a v 2 + b v + c = a v 2 + b a v + c a = a v + b 2 a 2 b 2 4 a c 4 a 2

Figure imgb0014
hängt die weitere Vorgehensweise davon ab, ob die Diskriminate b2 - 4ac größer, gleich, oder kleiner als Null ist.Because of a v 2 + b v + c = a v 2 + b a v + c a = a v + b 2 a 2 - b 2 - 4 a c 4 a 2
Figure imgb0014
The further procedure depends on whether the discriminates b 2 - 4ac is greater than, equal to, or less than zero.

2.3 Fall 1: b2.3 Case 1: b 22 > 4ac> 4ac

In diesem Fall wird D := √(b2 - 4ac) gesetzt.In this case, set D: = √ (b 2 - 4ac).

Wird nun zunächst 2av + b + D < 0 oder 2av + b - D > 0 angenommen, dann ergibt sich: t v = 1 D ln 1 2 D 2 a v + b + D / k , wobei k = 1 2 D 2 a v 0 + b + D

Figure imgb0015
If we first assume 2av + b + D <0 or 2av + b - D> 0 then we get: t v = 1 D ln 1 - 2 D 2 a v + b + D / K . in which K = 1 - 2 D 2 a v 0 + b + D
Figure imgb0015

Löst man t(v) nach v auf, so ergibt sich die gesuchte Bewegungsgleichung v t = 1 2 a 2 D 1 k e D t b D

Figure imgb0016
Solving t (v) for v gives the sought equation of motion v t = 1 2 a 2 D 1 - K e D t - b - D
Figure imgb0016

Wird vom anderen Fall 2av+b-D < 0 < 2av+b+D ausgegangen, so ergibt sich mit analogen Überlegungen die folgenden Formeln (wieder mit k > 0): k = 2 D 2 a v 0 + b + D 1 , t v = 1 D ln 2 D 2 a v + b + D - 1 / k , v t = 1 2 a 2 D 1 + k e D t b D

Figure imgb0017
If the other case 2av + bD <0 <2av + b + D is assumed, the following formulas result with analogous considerations (again with k> 0): K = 2 D 2 a v 0 + b + D - 1 . t v = 1 D ln 2 D 2 a v + b + D - 1 / K . v t = 1 2 a 2 D 1 + K e D t - b - D
Figure imgb0017

Da sich bei diesen Formeln für negative k die Formeln aus dem ersten Falle ergeben, kann man sich auf den zweiten Formelsatz beschränken und gleichzeitig die Einschränkung für k aufheben. Nun wird noch eine Formel entwickelt, die die verstrichene Zeit t in ein Verhältnis zur zwischenzeitlich zurückgelegten Strecke s setzt. Es gilt: s t = 1 a ln 1 + k 1 + k e D t + D b 2 t

Figure imgb0018
Since these formulas for negative k result in the formulas from the first case, one can restrict oneself to the second formula and at the same time remove the restriction for k. Now a formula is developed, which sets the elapsed time t in relation to the meanwhile traveled distance s. The following applies: s t = 1 a ln 1 + K 1 + K e D t + D - b 2 t
Figure imgb0018

2.4 Fall 2: b2.4 Case 2: b 22 = 4ac= 4ac

Dieser Fall ist nur theoretischer Natur, da wegen der üblicherweise "krummen" Werte für a, b und c stets b2 ≠ 4ac gilt. Wegen 1 a d v v + b / 2 a 2 = t + C 1 a 1 v + b / 2 a = t + C

Figure imgb0019
ist er aber auch einfach zu lösen und wird der Vollständigkeit halber hier ebenfalls behandelt. Wird k := -C gesetzt ergibt sich durch Auflösen von t v = k 1 a v + b / 2
Figure imgb0020
nach v die Formel v t = 1 a 1 k t b 2
Figure imgb0021
This case is only of a theoretical nature, since b 2 ≠ 4ac always applies because of the usually "crooked" values for a, b, and c. Because of 1 a d v v + b / 2 a 2 = t + C - 1 a 1 v + b / 2 a = t + C
Figure imgb0019
But it is also easy to solve and will be covered here for the sake of completeness. If k: = -C is set by dissolving t v = K - 1 a v + b / 2
Figure imgb0020
after v the formula v t = 1 a 1 K - t - b 2
Figure imgb0021

Asymptotisch nähert sich der Zug damit der Grenzgeschwindigkeit b / 2 a

Figure imgb0022
Asymptotically, the train approaches the speed limit - b / 2 a
Figure imgb0022

Schließlich wird wie oben eine Formel für s(t) ermittelt. Es ergibt sich: s t : = 0 t v r d r = 1 a 0 t 1 k r b 2 d r = 1 a ln k ln k t b 2 t = 1 a ln k k t b 2 t .

Figure imgb0023
Finally, as above, a formula for s (t) is determined. It follows: s t : = 0 t v r d r = 1 a 0 t 1 K - r - b 2 d r = 1 a ln K - ln K - t - b 2 t = 1 a ln K K - t - b 2 t ,
Figure imgb0023

2.5 Fall 3: b2.5 Case 3: b 22 < 4ac<4ac

In diesem Fall wird D := √(4ac - b2) /2 gesetzt und das vor der Fallunterscheidung genannte Integral wie folgt aufgelöst: 1 a d v v + b / 2 a 2 + D / a 2 = a D 2 d v a v / D + b / 2 D 2 + 1 = 1 D arctan a v D + b 2 D

Figure imgb0024
In this case D: = √ (4ac - b 2 ) / 2 is set and the integral named before the case distinction is resolved as follows: 1 a d v v + b / 2 a 2 + D / a 2 = a D 2 d v a v / D + b / 2 D 2 + 1 = 1 D arctan a v D + b 2 D
Figure imgb0024

Also ergibt sich t v = 1 D arctan a v D + b 2 D + C

Figure imgb0025
mit einer noch zu bestimmenden Konstante C, die wieder durch k := -C ersetzt wird. Das Auflösen nach v ergibtSo it turns out t v = 1 D arctan a v D + b 2 D + C
Figure imgb0025
with a constant C to be determined, which is again replaced by k: = -C. The resolution to v yields

Schließlich wird noch die Formel für die zurückgelegte Strecke s in Abhängigkeit von der Zeit t angegeben: s ( t ) = 1 a ( ln cos ( Dk ) cos ( D ( t + k ) ) - b 2 t )

Figure imgb0026
Finally, the formula for the distance covered s is given as a function of the time t: s ( t ) = 1 a ( ln cos ( dk ) cos ( D ( t + K ) ) - b 2 t )
Figure imgb0026

3 Behandlunq der nicht direkt auflösbaren Formeln3 Treatment of not directly dissolvable formulas

Bei den Gleichungen des letzten Abschnitts wurden in allen drei Fällen zwei noch zu lösende Probleme ausgeklammert:

  • Es wird eine Formel t(s) benötigt, die für eine gegebene Streckenlänge s die dafür benötigte Zeit t bei gegebener Anfangsgeschwindigkeit v0 = v(0) und angenommener laufender Beschleunigung bestimmt.
  • Wir müssen evtl. den Zeitpunkt t ermittelt, ab dem der Zug bei vorheriger Beschleunigung anfangen muss zu bremsen, so dass er die vorgeschriebene Höchstgeschwindigkeit auf dem nachfolgenden Streckenabschnitt einhält.
In the equations of the last section, two issues still to be solved were excluded in all three cases:
  • A formula t (s) is needed which, for a given distance s, determines the time t required for a given initial velocity v 0 = v (0) and assumed running acceleration.
  • We may need to determine the time t, from which the train must start to brake at previous acceleration, so that it complies with the prescribed maximum speed on the subsequent section.

Beide Fälle lassen sich auf das Problem zurückführen, für eine explizit beschriebene differenzierbare Funktion eine Nullstelle zu bestimmen. Dies ist in genügend guter Annäherung mit dem Newton-Verfahren möglich.Both cases can be attributed to the problem of determining a zero for an explicitly described differentiable function. This is possible in sufficiently good approximation with the Newton method.

4 Berechnung von Traktionsenergien4 Calculation of traction energies

Zusätzlich zu den Formeln zur Bestimmung von Fahrzeiten sind jedoch auch die für die einzelnen Fahrten aufgewendeten Traktionsenergien von einem hohen Interesse, sowohl aus umweltpolitischen als auch monetären Gründen. Es wird nun gezeigt, dass sich auch für den Energieverbrauch geschlossene Formeln herleiten lassen.However, in addition to the formulas for determining travel times, the traction energies used for the individual journeys are of high interest, both for environmental and monetary reasons. It will now be shown that closed formulas can also be derived for energy consumption.

Prinzipiell berechnet sich die aufgewendete Energie aus dem Produkt "Kraft (in Newton) mal Weg (in Metern)". Während einer Beharrungsfahrt entspricht diese Kraft gerade der Summe aller Laufwiderstände der Triebfahrzeuge und des Wagenmaterial sowie dem Streckenwiderstand. Dies multipliziert mit der Weglänge ergibt das gewünschte Ergebnis.In principle, the energy used is calculated from the product "force (in Newtons) times distance (in meters)". During a steady drive this force corresponds exactly to the sum of all running resistances of the traction vehicles and the Cart material and the track resistance. This multiplied by the path length gives the desired result.

Aufwändiger ist es, die Traktionsenergie für eine Beschleunigungsphase zu bestimmen, da in diesem Fall die max. Zugkraft eingesetzt wird und diese sich ständig ändert. Es muss also das Integral E = F s d s

Figure imgb0027
gelöst werden. Da keine Formel für F(s) zur Verfügung steht, wird deshalb ersatzweise über die Geschwindigkeit v integriert, da zu jeder Streckenlänge s die dann aktuelle Geschwindigkeit v ermittelt werden kann und umgekehrt: E = F v d s = F v d s d t d t d v d v
Figure imgb0028
More complex is to determine the traction energy for an acceleration phase, since in this case the max. Traction is used and this is constantly changing. So it has to be the integral e = F s d s
Figure imgb0027
be solved. Since no formula is available for F (s), it is therefore integrated as a substitute via the velocity v, since the current velocity v can then be determined for each route length s, and vice versa: e = F v d s = F v d s d t d t d v d v
Figure imgb0028

Für den Energieverbrauch zwischen dem Beginn der Beschleunigungsphase (mit Einbruchsgeschwindigkeit v0 und Eintrittszeit t(v0) = 0) und seinem Ende (mit Austrittsgeschwindigkeit v und Austrittszeit t(v)) erhält man: E v E v 0 = q 2 2 a v + v 0 + q 1 a q 2 b a 2 v v 0 + A 2 a ln a v 2 + b v + c a v 0 2 + b v 0 + c + B A b 2 a t v

Figure imgb0029
For the energy consumption between the beginning of the acceleration phase (with break-in velocity v 0 and entry time t (v 0 ) = 0) and its end (with exit velocity v and exit time t (v)) one obtains: e v - e v 0 = q 2 2 a v + v 0 + q 1 a - q 2 b a 2 v - v 0 + A 2 a ln a v 2 + b v + c a v 0 2 + b v 0 + c + B - A b 2 a t v
Figure imgb0029

Hierbei sind q0, q1 q2 Koeffzienten der Zugkraftparabel, wobei die Geschwindigkeit v in Kilometern pro Stunde und die Zugkraft in Kilonewton angegeben werden.Here are q 0 , q 1 q 2 coefficients of the Zugparparabel, the speed v in kilometers per hour and the tensile force in kilonewtons are given.

5 Erste Zusammenfassung5 First summary

  • v(t) gibt die erreichte Geschwindigkeit (in m/s) nach t Sekunden Fahrzeit an. v(t) kann durch eine geschlossene Formel angegeben werden, vorausgesetzt, dass v(t) sich im Gültigkeitsbereich einer bestimmten Zugkraftparabel befindet.v (t) indicates the achieved speed (in m / s) after t seconds driving time. v (t) can be given by a closed formula, provided that v (t) is within the scope of a given traction parabola.
  • t(v) berechnet die Zeit, die der Zug zum Erreichen der Geschwindigkeit v benötigt. t(v) kann innerhalb eines Gültigkeitsbereichs einer Zugkraftparabel durch eine geschlossene Formel angegeben werden.t (v) calculates the time the train takes to reach the speed v. t (v) can be specified within a scope of a traction parabola by a closed formula.
  • s(t) gibt die zurückgelegte Strecke in Metern nach t Sekunden Fahrzeit an. s(t) kann durch eine geschlossene Formel angegeben werden, vorausgesetzt, dass v(t) sich im Gültigkeitsbereich einer bestimmten Zugkraftparabel befindet.s (t) indicates the distance traveled in meters after t seconds of driving time. s (t) can be given by a closed formula, provided that v (t) is within the scope of a given traction parabola.
  • t(s) ermittelt umgekehrt die benötigte Zeit zum Durchfahren eines Streckenabschnitts von s Metern Länge. Zur Bestimmung von t(s) kommt ein iteratives Nullstellenverfahren zum Einsatz.Conversely, t (s) determines the time required to pass through a section of s meters in length. For the determination of t (s) an iterative zeroing method is used.
  • Schließlich wird noch ein Verfahren bereitgestellt, welches bei gegebener Streckenlänge s den Zeitpunkt t bestimmt, ab dem ein Bremsvorgang eingeleitet werden muss, so dass die auf dem nächsten Streckenabschnitt geltende Höchstgeschwindigkeit r eingehalten wird. Folgt der Bremsvorgang unmittelbar auf den Beschleunigungsvorgang, so kommt ein iteratives Nullstellenverfahren zum Einsatz. Folgt der Bremsvorgang einem Fahren mit konstanter Geschwindigkeit, so der Zeitpunkt t durch eine geschlossene Formel angegeben werden.Finally, a method is provided which, for a given route length s, determines the point in time t from which braking must be initiated, so that the maximum speed r valid on the next route section is maintained. If the braking process directly follows the acceleration process, an iterative zeroing procedure is used. If the braking operation follows constant speed driving, the time t is given by a closed formula.
  • Der Energieverbrauch einer Beschleunigungsphase kann durch eine geschlossene Formel angegeben werden.The energy consumption of an acceleration phase can be specified by a closed formula.
6 Berechnung von Fahrzeiten6 Calculation of travel times

Zunächst wird die zu durchfahrende Folge von Streckenabschnitten einer Vorverarbeitung unterworfen, wobei zahlreiche Nebenbedingungen berücksichtigt werden. Dies betrifft vor allen Dingen die Gültigkeit der Höchstgeschwindigkeiten, die aus folgenden Parametern abgeleitet werden:

  • Angabe, ob der Zug konventionell oder unter LZB fährt
  • Höchstgeschwindigkeiten des Zuges bei konventioneller und LZB-Fahrt
  • Höchstgeschwindigkeit, Länge, Bremsweg und maßgebende Neigung der einzelnen Streckenabschnitte
  • Höchstgeschwindigkeit jeder beteiligten Lok
  • Allgemeine Höchstgeschwindigkeit des Zuges
  • Angabe darüber, ob ein Tunnel durchfahren wird
  • Bremshundertstel und Bremsstellung (P, R+Mg, R+Mg, R/P, WB oder G) des Zuges
  • Passende Bremstafeln, die aus der Bremsstellung, dem Bremsweg, der maßgebenden Neigung und den Bremshundertsteln die zugehörige Höchstgeschwindigkeit ermitteln
  • LZB-Bremskurven
  • Länge des Zuges
First of all, the sequence of sections to be traveled through is subjected to preprocessing, whereby numerous secondary conditions are taken into account. This applies above all to the validity of the maximum speeds, which are derived from the following parameters:
  • Indication of whether the train travels conventionally or under LZB
  • Top speeds of the train at conventional and LZB journey
  • Top speed, length, braking distance and decisive inclination of the individual sections
  • Maximum speed of each participating locomotive
  • General maximum speed of the train
  • Indication of whether a tunnel is passed through
  • Brake hundredth and brake position (P, R + Mg, R + Mg, R / P, WB or G) of the turn
  • Matching brake plates, which determine the associated maximum speed from the braking position, the braking distance, the decisive inclination and the braking hundredths
  • LZB braking curves
  • Length of the train

Weiterhin werden die Einflussgrößen auf den Bremsvorgang, wobei zwischen LZB-Fahrt und konventioneller Fahrt zu unterscheiden ist, die Einflussgrößen auf die Beschleunigung und die Fahrzeitzuschläge berechnet, bevor die eigentliche Fahrzeitenrechnung ausgeführt wird. Außerdem können die konstanten Anteile an den Parametern a, b und c der späteren Differentialgleichungen (Gewicht des Zuges usw.) bereits vorab verarbeitet werden.Furthermore, the influencing factors on the braking process, whereby a distinction must be made between LZB driving and conventional driving, are used to calculate the factors influencing acceleration and the vehicle surcharges before the actual travel time calculation is carried out. In addition, the constant proportions of the parameters a, b and c of the later differential equations (weight of the train, etc.) can already be processed in advance.

In einem Parameter v wird stets die aktuelle Geschwindigkeit gespeichert und dieser Wert mit der vorgegebenen Einbruchsgeschwindigkeit v0 initialisiert. Unter der Annahme, dass ein Streckenabschnitt der Länge P gegeben ist, und dass r die gültige Höchstgeschwindigkeit auf dem nächsten Abschnitt bezeichnet, wird die Austrittsgeschwindigkeit (diese ist später in v gespeichert) sowie die benötigte Fahrzeit t wie folgt berechnet:

Schritt 1:
Initialisierung. Die Fahrzeit setzt sich aus der benötigten Durchfahrtszeit für verschiedene Teilstücke des Streckenabschnitts zusammen, die in t aufsummiert werden. Deshalb wird anfangs t := 0 gesetzt.
Schritt 2:
Berechnung der Parameter a, b und c der Differentialgleichung sowie der aktuellen Beschleunigung acc := av2 + bv + c. Falls v genau auf der Grenze zwischen zwei Zugkraftbereichen liegt, werden für beide Bereiche die jeweiligen Parameter sowie die zugehörigen Beschleunigungen berechnet und eine Wahl zwischen beiden Möglichkeiten getroffen. Ist im höheren Geschwindigkeitsbereich die Beschleunigung noch positiv, wird dieser ausgewählt. Ist nur die andere Beschleunigung im unteren Bereich positiv, so wird der Zug nicht langsamer, aber auch nicht schneller, setzt also seine Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit fort, was acc := 0 bedeutet. Falls schließlich beide Beschleunigungen negativ sind, so kann der Zug seine aktuelle Geschwindigkeit nicht halten, und es werden die berechneten Werte bzgl. des niedrigeren Geschwindigkeitsbereichs benutzt.
Schritt 3:
Sicherheitsüberprüfungen. Falls der Zug mit der maximal zulässigen Zug- oder Streckengeschwindigkeit unterwegs ist, wird acc = 0 gesetzt. Falls v = 0 und acc# 0 gilt, wird die Berechnung beendet (der Zug steht).
Schritt 4:
Test auf Beharrungsfahrt. Falls acc = 0 gilt, wird t := t + P/v gesetzt, sofern die zulässige Höchstgeschwindigkeit r des nächsten Streckenabschnitts nicht kleiner als v ist. Ansonsten muss der Bremsvorgang berücksichtigt werden, was durch die Zuweisung t : = t + v r a c c + v v 2 r 2 2 v a c c
Figure imgb0030
berücksichtigt wird. Anschließend ist die Berechnung beendet.
Schritt 5:
Fallunterscheidung. Es wird geprüft, ob b2 größer, gleich, oder kleiner als 4ac ist und bei den nachfolgenden Schritten die entsprechenden Formeln für v(t), t(v), usw. verwendet.
Schritt 6:
Überwachung der Geschwindigkeit. Bezeichnet vmax die maximale Geschwindigkeit (eingeschränkt u.a. durch den aktuellen Zugkraftbereich), für die die Konstanten a, b und c noch gültig sind, und gilt acc > 0, wird getestet, ob die Gültigkeit der Formeln durch das Erreichen der maximalen Geschwindigkeit begrenzt wird. Zu diesem Zweck wird geprüft, ob die asymptotische Geschwindigkeit des Zuges vmax übersteigt. (Dies ist im dritten Fall b2 < 4ac nicht erforderlich, da der Zug dann immer unendlich schnell wird und folglich jede Geschwindigkeitsgrenze überbietet.) Falls dies zutrifft, so erreicht der Zug die maximale Geschwindigkeit nach t(vmax) Sekunden. Zu diesem Zeitpunkt hat er bereits s := s(t(vmax)) Meter Strecke zurückgelegt. Falls vmax größer als r ist, so muss der Zug später noch bremsen, und deshalb wird s um den Bremsweg (v2max - r2)/(2acc) erhöht. Falls nun s ≤ P gilt, so steht fest, dass der Zug innerhalb des gegenwärtigen Abschnitts auf vmax Meter pro Sekunde beschleunigt. Deshalb wird v := vmax, t := t+t(vmax) sowie P := P-s(t(vmax)) gesetzt und erneut bei Schritt 2 begonnen. Ansonsten wird auf die gleiche Art und Weise für die minimale Geschwindigkeit vmin geprüft, ob einerseits acc < 0 gilt und ferner der Zug von seiner asymptotischen Geschwindigkeit her die Grenze vmin unterbietet (im dritten Fall kann man diesen Test wieder überspringen). Gegebenenfalls werden die obigen Tests mit vmin an Stelle von vmax durchgeführt.
Schritt 7:
Einsatz der Nullstellenverfahren. Wird dieser Schritt erreicht, wird der Zug ohne Wechsel der Zugkraftparabel den Abschnitt durchfahren, wobei am Ende ggfs. noch auf die nächste Höchstgeschwindigkeit r abgebremst werden muss.
In a parameter v, the current speed is always stored and this value is initialized with the predetermined break-in speed v 0 . Assuming that a link of length P is given and that r denotes the valid maximum speed on the next section, the exit speed (which is stored later in v) and the required travel time t are calculated as follows:
Step 1:
Initialization. The travel time consists of the required transit time for different parts of the route section, which are summed up in t. Therefore, t: = 0 is initially set.
Step 2:
Calculation of the parameters a, b and c of the differential equation and the current acceleration acc: = av 2 + bv + c. If v is exactly on the boundary between two tractive force ranges, the respective parameters as well as the associated accelerations are calculated for both ranges and a choice is made between both possibilities. If the acceleration is still positive in the higher speed range, this is selected. If only the other acceleration in the lower range is positive, then the train does not slow down, but not faster, so it continues its motion at a constant speed, which means acc: = 0. Finally, if both accelerations are negative, the train can do its Do not hold the current speed and use the calculated values for the lower speed range.
Step 3:
Security checks. If the train is traveling at the maximum permitted train or line speed, acc = 0 is set. If v = 0 and acc # 0, the calculation ends (the train stops).
Step 4:
Test for steady ride. If acc = 0, then t: = t + P / v is set if the maximum permissible speed r of the next leg is not less than v. Otherwise, the braking process must be taken into account, due to the assignment t : = t + v - r a c c + v - v 2 - r 2 2 v a c c
Figure imgb0030
is taken into account. Then the calculation is finished.
Step 5:
Case distinction. It is checked whether b 2 is greater than, equal to, or smaller than 4ac and uses the corresponding formulas for v (t), t (v), etc. in subsequent steps.
Step 6:
Monitoring the speed. If vmax denotes the maximum speed (limited inter alia by the current traction range) for which the constants a, b and c are still valid, and acc> 0, it is tested whether the validity of the formulas is limited by the maximum speed being reached. For this purpose it is checked whether the asymptotic speed of the train exceeds vmax. (This is not necessary in the third case, b 2 <4ac, since the train then always becomes infinitely fast and thus outstrips any speed limit.) If this is the case, the train will reach the maximum speed after t (vmax) seconds. At this time he has already traveled s: = s (t (vmax)) meter distance. If vmax is greater than r, the train must brake later, and therefore s is increased by the braking distance (v 2 max - r 2 ) / (2acc). If now s ≤ P holds, it is clear that the train within the current section accelerates to vmax meters per second. Therefore, set v: = vmax, t: = t + t (vmax) and P: = Ps (t (vmax)) and start again at step 2. Otherwise it is checked in the same way for the minimum speed vmin whether on the one hand acc <0 and on the other hand the train undercuts the limit vmin from its asymptotic speed (in the third case one can skip this test again). Optionally, the above tests are performed with vmin instead of vmax.
Step 7:
Use of the zeroing method. If this step is reached, the train will pass through the section without changing the traction parabola, whereby at the end it may be necessary to decelerate to the next maximum speed r.

7 Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik7 advantages of the invention over the prior art

Ein Vergleich der Fahrzeitrechnung für die Betriebszentralen, kurz FZR-BZ, Version 1.4, des Standes der Technik und dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigt:

  • Von der Genauigkeit her weichen die Fahrzeiten und Zuggeschwindigkeiten, wenn überhaupt, meist nur minimal (etwa um ein Promille) voneinander ab. Die größte beobachtete Zeitabweichung betrug etwa sechs Promille.
  • Grund für die Abweichungen sind die Beschleunigungsphasen, bei denen die bisherige Fahrzeitrechnung auf eine Approximation zurückgreift. Die größten Ungenauigkeiten ergeben sich beim Anfahren aus dem Stillstand heraus, hier treten Abweichungen von 20-30 % auf. Diese treten in dieser Größenordnung aber nur während der ersten Sekunden auf (bis die Züge also etwas Fahrt aufgenommen hatten), so dass die resultierenden Abweichungen von z.B. einer halben Sekunde für die Gesamtfahrzeit unwesentlich sind.
  • Zumindest theoretisch scheint es aber denkbar, eine Zugfahrt zu konstruieren, bei der sich die Approximationsfehler erheblich auswirken. Man denke z.B. an einen Stop-and-Go-Verkehr, bei dem die Züge häufig wiederanfahren müssen, oder an einen "passend gewählten" Steigungsabschnitt, bei dem es der Zug bei exakter Rechnung gerade noch schafft, über den Berg zu kommen, bei einem eigentlich nur geringem Approximationsfehler aber vorher stehen bleibt.
  • Der signifikante Unterschied zwischen beiden Fahrzeitrechnungen ist die Ausführungsgeschwindigkeit. Die geschlossenen Formeln und eine effziente Algorithmik für die Vorverarbeitung ergeben in der Praxis ein um etwa 70-mal schnelleres Verfahren. Dies bedeutet, dass sich alle wenige 100 Meter die Neigung bzw. Höchstgeschwindigkeit ändert oder ein Messpunkt auftaucht. Falls die Abschnitte mit konstanten Bedingungen kürzer werden, schrumpft auch der Geschwindigkeitsvorteil zusammen, da selbst mit den geschlossenen Formeln bei jeder Änderung der Rahmenbedingungen ein weiterer Rechenschritt notwendig wird. Umgekehrt kann man sich auch den Extremfall vorstellen, dass z.B. ein Zug auf einer langen Strecke mit konstanter Steigung beschleunigt, ohne die erlaubte Höchstgeschwindigkeit zu erreichen. In diesem Fall endet die Beschleunigungsphase nicht, und die resultierende Fahrzeit kann mit nur einem Schritt ermittelt werden (unabhängig davon, wie lang die Strecke ist!). Die herkömmliche Approximation kann die Besonderheit dieser Situation dagegen nicht ausnutzen. Der Geschwindigkeitsvorteil kann also theoretisch in beide Richtungen hin variieren.
A comparison of the driving time calculation for the operating centers, short FZR-BZ, version 1.4, the prior art and the inventive method shows:
  • In terms of accuracy, travel times and train speeds differ, if at all, only minimally (by about one thousandth of one) from one another. The largest observed time deviation was about six per thousand.
  • Reason for the deviations are the acceleration phases, in which the previous travel time calculation uses an approximation. The greatest inaccuracies arise when starting from a standstill, here occur deviations of 20-30%. However, these occur on this scale only during the first few seconds (until the trains had taken some drive), so that the resulting deviations of eg half a second for the total driving time are insignificant.
  • At least theoretically, however, it seems conceivable to construct a train run in which the approximation errors have a significant effect. Consider, for example, a stop-and-go traffic, in which the trains have to restart frequently, or to a "suitably chosen" slope section, in which the train with exact calculation just manages to get over the mountain, at one actually only a small approximation error but stops earlier.
  • The significant difference between both travel time calculations is the execution speed. The closed formulas and efficient algorithms for preprocessing result in a process that is about 70 times faster. This means that every few 100 meters the inclination or maximum speed changes or a measuring point appears. If the sections with constant conditions become shorter, the speed advantage also shrinks, since even with the closed formulas, a further computation step becomes necessary whenever the boundary conditions change. Conversely, one can also imagine the extreme case that, for example, a train accelerates on a long distance with a constant gradient without reaching the maximum speed allowed. In this case, the acceleration phase does not end, and the resulting travel time can be determined with just one step (regardless of how long the route is!). By contrast, the conventional approximation can not exploit the peculiarity of this situation. The speed advantage can theoretically vary in both directions.

Beispielsweise kann auf einen 500 MHz Intel Pentium 111 Rechner als Richtwert pro 100 km Strecke eine Millisekunde Rechenzeit je für Vorverarbeitung und eigentliche Fahrzeitrechnung veranschlagt werden.For example, one millisecond computing time per preprocessing and actual travel time calculation can be estimated on a 500 MHz Intel Pentium 111 computer as a guideline value per 100 km distance.

9 Hyperbolische Beschleunigung9 Hyperbolic acceleration

Wie oben dargestellt ergibt sich die Differentialgleichung v'(t) = av2(t)+bv(t)+c aus der Tatsache, dass alle auf den Zug einwirkenden Kräfte quadratisch von der momentanen Geschwindigkeit v abhängen. Dies gilt insbesondere für die Zugkraft, die sich eigentlich jedoch hyperbolisch verhält, d.h. proportional zum Kehrwert der Geschwindigkeit (abgesehen von niedrigen Geschwindigkeiten, wo die Haftreibungswerte zwischen Rad und Schiene die maximale Zugkraft begrenzen). Deshalb wird einen hyperbolischer Anteil bei der Zugkraft und damit insgesamt bei der Differentialgleichung angesetzt, d.h. es wird eine Lösung der Gleichung v t = a v 2 t + b v t + c + d / v

Figure imgb0031
gesucht. Selbst in diesem Fall lassen sich geschlossene Formeln ermitteln.As shown above, the differential equation yields v '(t) = 2 av (t) + bv (t) + c from the fact that all forces acting on the train depend quadratically on the instantaneous velocity v. This is particularly true for the tractive force, which is actually hyperbolic, ie proportional to the reciprocal of the speed (apart from low speeds, where the static friction values between wheel and rail limit the maximum traction). Therefore, a hyperbolic component in the tensile force and thus in the differential equation is used, ie it becomes a solution of the equation v ' t = a v 2 t + b v t + c + d / v
Figure imgb0031
searched. Even in this case, closed formulas can be determined.

Die Lösung der Differentialgleichung führt analog zu dem oben aufgezeigten Weg zu dem Integral t v = d v a v 2 + b v + c + d / v = v d v a v 3 + b v 2 + c v + d

Figure imgb0032
The solution of the differential equation leads analogously to the above-indicated path to the integral t v = d v a v 2 + b v + c + d / v = v d v a v 3 + b v 2 + c v + d
Figure imgb0032

Erfindungsgemäß werden zunächst die Nullstellen des im Nenner stehenden kubischen Polynoms ermittelt und basierend auf diesen Lösungen die sich ergebenden Stammfunktionen ermittelt.According to the invention, the zeros of the cubic polynomial in the denominator are first determined and, based on these solutions, the resulting parent functions are determined.

Fall 1: Es existiert eine dreifache Nullstelle x1. Dann gilt: v d v v x 1 3 = x 1 2 v 2 v x 1 2

Figure imgb0033
Case 1: There exists a triple zero x 1 . Then: v d v v - x 1 3 = x 1 - 2 v 2 v - x 1 2
Figure imgb0033

Fall 2: Es existiert eine einfache Nullstelle x1 sowie eine doppelte Nullstelle x2. Dann gilt: v d v v x 1 v x 2 2 = x 1 x 1 x 2 2 ln v x 1 v x 2 + x 2 x 1 x 2 v x 2

Figure imgb0034
Case 2: There exists a simple zero x 1 and a double zero x 2 . Then: v d v v - x 1 v - x 2 2 = x 1 x 1 - x 2 2 ln v - x 1 v - x 2 + x 2 x 1 - x 2 v - x 2
Figure imgb0034

Fall 3: Es existieren drei verschiedene Nullstellen x1, x2 und x3. Dann gilt: v d v v x 1 v x 2 v x 3 = x 1 ln v x 1 x 1 x 2 x 1 x 3 + x 2 ln v x 2 x 2 x 1 x 2 x 3 + x 3 ln v x 3 x 3 x 1 x 3 x 2

Figure imgb0035
Case 3: There are three different zeros x 1 , x 2 and x 3 . Then: v d v v - x 1 v - x 2 v - x 3 = x 1 ln v - x 1 x 1 - x 2 x 1 - x 3 + x 2 ln v - x 2 x 2 - x 1 x 2 - x 3 + x 3 ln v - x 3 x 3 - x 1 x 3 - x 2
Figure imgb0035

Fall 4: Es existiert nur eine einfache Nullstelle x1; das verbleibende Restpolynom v2 + pv + q lässt sich nicht (reell) faktorisieren. Dann gilt: v d v v x 1 v 2 + p v + q = 1 x 1 2 + p x 1 + q x 1 ln v x 1 v 2 + p v + q + 2 q + x 1 p 4 q p 2 arctan 2 v + p 4 q p 2

Figure imgb0036
Case 4: There is only one simple zero x 1 ; the remaining polynomial v 2 + pv + q can not be factored. Then: v d v v - x 1 v 2 + p v + q = 1 x 1 2 + p x 1 + q x 1 ln v - x 1 v 2 + p v + q + 2 q + x 1 p 4 q - p 2 arctan 2 v + p 4 q - p 2
Figure imgb0036

Diese Terme lassen sich jedoch nicht umkehren (bis auf den ersten Fall), d.h. es kann i.A. keine geschlossene Formel für v(t) gefunden und auch keine Formel für s(t) gebildet werden. Es kann jedoch eine geschlossene Formel für s(v) hergeleitet werden, da gilt: s = v d t = v d t d v d v = v t v d v = v 2 d v a v 3 + b v 2 + c v + d

Figure imgb0037
However, these terms can not be reversed (except for the first case), ie in general no closed formula for v (t) can be found and also no formula for s (t) can be formed. However, a closed formula for s (v) can be derived, since: s = v d t = v d t d v d v = v t ' v d v = v 2 d v a v 3 + b v 2 + c v + d
Figure imgb0037

Für das verbleibende Integral können entsprechend den obigen Ausführungen in Abhängigkeit der Nullstellen des Nennerpolynoms verschiedene Lösungen angeben werden.For the remaining integral, different solutions can be given according to the above explanations depending on the zeros of the denominator polynomial.

8 Anwendungsbeispiele8 application examples 8.1 Energiesparende Fahrweise8.1 Energy-saving driving style

Der Berechnung von Fahrzeiten wird üblicherweise, wie oben erwähnt, eine straffe Fahrweise zugrunde gelegt, d.h. die Züge beschleunigen so früh wie möglich, fahren wenn möglich mit Höchstgeschwindigkeit und bremsen erst möglichst spät wieder ab. Da die Fahrzeiten mit Regelzuschlägen versehen werden, kann man ― sofern keine Verspätungen aufzuholen sind ― diese Zeitpuffer zur energiesparenden Fahrweise (ESF) nutzen, d.h. man lässt den Zug gezielt ausrollen, spart so die Traktionsenergie ein, und ist dennoch pünktlich am Ziel.The calculation of travel times is usually, as mentioned above, based on a strict driving style, i. The trains accelerate as early as possible, drive if possible at top speed and slow down as late as possible. Since the travel times are provided with rule surcharges, you can - if no delays are catch up - use these time buffers for energy-saving driving (ESF), i. E. you let the train roll out in a targeted manner, thus saving the traction energy, and is nevertheless punctually at the finish.

Sinnvoll scheint das Ausrollen also vor allem dann, wenn der Zug später die Geschwindigkeit ohnehin reduziert oder sogar an einem Signal oder Bahnhof halten muss. Das von der DB Systems entwickelte ESF-System für ICE-Züge nutzt neben diesen Situationen auch Gefällstrecken als Ausrollabschnitte. Problematisch dabei ist jedoch, dass alle zugehörigen Fahrplan- und Streckendaten schon vor der Zugfahrt in den Bordcomputer eingespielt werden müssen. Dies ist unter anderem durch die bisher zu langsame Fahrzeitrechnung bedingt.It seems to make sense to roll out, especially if the train later has to reduce the speed anyway or even stop at a signal or train station. In addition to these situations, DB Systems' ESF system for ICE trains also uses downhill sections as coasting sections. The problem with this is, however, that all associated timetable and route data must be recorded before the train ride in the on-board computer. This is partly due to the previously too slow travel time calculation.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen, sehr viel schnelleren Fahrzeitrechnung ist es möglich, dieses Problem zu überwinden. Zudem ist von vorneherein nicht klar, warum z.B. nicht auch auf Steigungsstrecken ausgerollt werden darf, solange nur die Kontrollrechnung ergibt, dass der Schwung ausreichen wird. Hier erscheint uns eine noch bessere Energieeinsparung, auch auf Nicht-ICE-Zügen, möglich zu sein. Gemessen an den enormen Energiemengen und -kosten, die für den Bahnverkehr jedes Jahr aufgewendet werden, schlummert hier noch ein beträchtliches Potenzial.With the aid of the much faster travel time calculation according to the invention, it is possible to overcome this problem. In addition, it is not clear from the outset why, for example, it should not be possible to roll out on inclines as long as only the control calculation shows that the momentum will be sufficient. Here we find an even better energy saving, even on non-ICE trains, to be possible. Considering the enormous amounts of energy and costs spent on rail travel each year, there is still considerable potential here.

8.2 Energieoptimierte Fahrpläne8.2 Energy-optimized timetables

Mit den Ideen aus dem letzten Abschnitt liegt es nahe, Fahrpläne auch an der Energieeffzienz der Zugfahrten zu messen und dahingehend zu optimieren. Heutzutage liegt den Berechnungen normalerweise stets eine straffe Fahrweise zugrunde. Wie oben gesehen macht es aber keinen Sinn, z.B. mit 160 km/h auf eine Langsamfahrstelle aufzufahren. Einem nur geringfügigen Zeitverlust steht hier eine erhebliche Energieeinsparung gegenüber, so dass sich ein entsprechender Fahrplan auch monetär auszahlt, vom geringeren Verschleiß an den Bremsen usw. einmal ganz abgesehen.With the ideas from the last section, it makes sense to also measure timetables on the energy efficiency of train journeys and to optimize them accordingly. Nowadays the calculations are usually based on a tight driving style. As seen above, however, it makes no sense, e.g. with 160 km / h on a slow driving open. Only a slight loss of time is offset here by a significant energy savings, so that a corresponding timetable also pays off in monetary terms, apart from the lower wear on the brakes, etc. quite apart.

8.3 Berechnung von Bauzuschläaen8.3 Calculation of construction surcharges

Bauzuschläge stellen zeitliche Puffer dar, die bei erwarteten Behinderungen durch Baustellenarbeiten (z.B. eingleisiger Betrieb) zusätzlich zu den Regelzuschlägen auf die Fahrzeit aufgeschlagen werden. Die Höhe der Bauzuschläge orientiert sich jedoch nur an dem erwarteten Zeitverlust von Fernverkehrszügen.Construction surcharges are time buffers that are added to the journey time in the event of anticipated obstruction due to construction site work (for example, single track operation) in addition to the standard surcharges. The amount of construction surcharges, however, is based only on the expected loss of time of long-distance trains.

In einem ersten Schritt werden durch die Fahrzeitrechnung die Auswirkungen von Langsamfahrstellen usw. auf einzelne Züge ermittelt und somit einen vorgegebenen Bauzuschlag bewertet. Als nächster Schritt werden automatisch Bauzuschläge ermittelt, die in Abhängigkeit des Zuges stehen und gegebenenfalls direkt bei der Veröffentlichung von Fahrplänen berücksichtigt werden.In a first step, the driving time calculation determines the effects of slow driving points etc. on individual trains and thus evaluates a given construction surcharge. The next step is to automatically determine construction surcharges that are dependent on the train and, if necessary, taken into account directly when publishing timetables.

8.4 Echtzeit-Disposition8.4 Real-time Disposition

Züge "geschickt" ausrollen zu lassen ist nicht nur für energiesparende Fahrweisen sinnvoll, sondern kann in bestimmten Fällen auch die Fahrzeit verkürzen. Läuft ein Zug insbesondere auf ein (noch) Halt zeigendes Hauptsignal auf, so muss er bis zum Stillstand abbremsen und danach aus dem Stand heraus wieder beschleunigen. Schneller und auch energietechnisch wesentlich günstiger ist es jedoch, die Zeit bis zum Hochschalten des Signals durch energiesparende Fahrweise auszufüllen, um dann das Signal mit einer (hohen) Restgeschwindigkeit zu passieren. Die Wiederbeschleunigungsphase fällt entsprechend kürzer aus.Rolling trains "skilfully" is not only useful for energy-saving driving styles, but can also shorten the driving time in certain cases. If a train runs in particular on a (still) stop-pointing main signal, it must decelerate to a standstill and then accelerate again from standstill. However, it is faster and also far more energy-efficient to fill in the time until the signal is switched up by energy-saving driving, in order then to pass the signal at a (high) residual speed. The re-acceleration phase is correspondingly shorter.

Zur Berechnung des passenden Zeitpunkts, ab dem das Ausrollen zu erfolgen hat, werden Daten aus der Leit- und Sicherungstechnik erhoben, die für die aktuelle Kenntnis der Signalstellungen unerlässlich sind. Mit einem entsprechender Lesezugriff, bieten sich entsprechende Möglichkeiten an, die Trassenlagen nicht nur vor, sondern sogar während des Betriebs zu optimieren, gleichzeitig Fahrzeiten zu verkürzen und dabei noch Energie und somit Geld zu sparen.To calculate the appropriate time from which the roll-out has to take place, data from the control and safety technology are collected, which are essential for the current knowledge of the signal positions. With a corresponding read access, there are corresponding possibilities to optimize the train paths not only before, but even during operation, at the same time to shorten travel times while still saving energy and thus money.

Claims (6)

Verfahren zur Ermittlung einer benötigten Fahrzeit eines Zuges beim Zurücklegen einer Strecke mit vorgegebener Neigung und zulässiger Höchstgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass eine einer Beschleunigungsphase zugrundeliegende Differentialgleichung v'(t) = a v2(t) + b v(t) + c mit einer von einer Zeit t abhängigen Geschwindigkeit v(t) und Parametern a, b, c durch geschlossene Formeln gelöst wird und diese geschlossenen Formeln neben den allgemein bekannten Rechenvorschriften für Zugfahrten mit konstanter Geschwindigkeit bzw. konstanter Bremsverzögerung benutzt werden, um wie folgt die Fahrzeit zu ermitteln: - bei positiver Beschleunigung v'(t) > 0 wird geprüft, ob ausreichend Strecke zur Erreichung der Höchstgeschwindigkeit zur Verfügung steht und wenn genügend Strecke zur Verfügung steht, wird die Zeit und der Weg, die für die Beschleunigungsphase erforderlich sind, durch geschlossene Formeln ausgedrückt und mit konstanter Höchstgeschwindigkeit weitergefahren sowie werden andernfalls die geschlossenen Formeln für die Zeit und den Weg, um auf eine bestimmte Geschwindigkeit zu kommen, dafür genutzt, um durch ein numerisches Verfahren, insbesondere dem Newton-Verfahren, die Austrittsgeschwindigkeit und -zeit aus dem Streckenabschnitt zu bestimmen, - bei negativer Beschleunigung v'(t) < 0 wird geprüft, ob der Zug evtl. vorher zum Stehen kommt, gegebenenfalls wird der Zeitpunkt des Stillstands und die dabei zurückgelegte Strecke ermittelt, ansonsten wird die Austrittsgeschwindigkeit sowie die benötigte Fahrzeit durch die geschlossenen Formeln ermittelt, - bei Beharrungsfahrt v'(t) = 0 wird eine Einbruchsgeschwindigkeit v0 beibehalten, - grundsätzlich wird eine evtl. vorgegebene Begrenzung einer Austrittsgeschwindigkeiten durch einen rechtzeitig eingeleiteten Bremsvorgang berücksichtigt. A method for determining a required travel time of a train when covering a distance with a given slope and maximum permissible speed, characterized in that one of an acceleration phase underlying differential equation v '(t) = av 2 (t) + bv (t) + c with one of a Time t dependent speed v (t) and parameters a, b, c is solved by closed formulas and these closed formulas are used in addition to the well-known computational rules for trains with constant speed or constant deceleration to determine the travel time as follows: in the case of positive acceleration v '(t)> 0, it is checked whether there is enough distance available to reach the maximum speed and if there is enough distance, the time and the path required for the acceleration phase are expressed by closed formulas and continue at constant top speed, and otherwise the closed formulas for the time and the way to get to a certain speed will be used to, by a numerical method, in particular the Newton's method, the exit speed and time from the section determine, - If the acceleration is negative v '(t) <0, it is checked whether the train may come to a stop beforehand; if necessary, the time of the standstill and the distance traveled are determined, otherwise the exit speed and the required travel time are determined by the closed formulas . if steady-state travel v '(t) = 0, a break-in velocity v 0 is maintained, - In principle, a possibly predetermined limitation of a discharge speeds is taken into account by a timely initiated braking process. Verfahren zur Ermittlung einer benötigten Fahrzeit eines Zuges nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung einer benötigten Beschleunigungsenergie eines Zuges ein einem Energieverbrauch des Zuges zugrundeliegende Produkt aus aufgewendeter Kraft von Antriebsaggregaten und zurückgelegtem Weg als Integral F v d s / d t d t / d v d v = F v v / a v 2 + b v + c d v = q 2 v 2 + q 1 v + q 0 v / a v 2 + b v + c d v = q 2 v / 2 a + q 1 a q 2 b / a 2 v + A ln a v 2 + b v + c + B A b / 2 a t v + C
Figure imgb0038
formuliert und gelöst wird, wobei a, b und c die Koeffizienten der Gesamtbeschleunigung, d.h. die Traktionsbeschleunigung minus Widerstandsbeschleunigung sind, q0, q1 und q2 die Koeffizienten der Traktionskraft sowie A und B die Koeffizienten des Restpolynoms sind, das sich aus der Polynomdivision für (q2v2 + q1v + q0) v /(av2 + b v + c) ergibt, und t(v) die Zeit ist, um von Null auf v zu beschleunigen.
A method for determining a required travel time of a train according to claim 1, characterized in that for determining a required acceleration energy of a train an energy consumption of the train underlying product of the applied power of drive units and the path traveled as integral F v d s / d t d t / d v d v = F v v / a v 2 + b v + c d v = q 2 v 2 + q 1 v + q 0 v / a v 2 + b v + c d v = q 2 v / 2 a + q 1 a - q 2 b / a 2 v + A ln a v 2 + b v + c + B - A b / 2 a t v + C
Figure imgb0038
formulated and solved, where a, b and c are the coefficients of the total acceleration, ie the traction acceleration minus drag acceleration, q 0 , q 1 and q 2 are the coefficients of traction force and A and B are the coefficients of the residual polynomial resulting from the polynomial division for (q 2 v 2 + q 1 v + q 0 ) v / (av 2 + bv + c), and t (v) is the time to accelerate from zero to v.
Verfahren zur Ermittlung einer benötigten Fahrzeit eines Zuges nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Strecken mit wechselnden Höchstgeschwindigkeiten und/oder wechselnden Neigungen in einer Vorverarbeitung in Abschnitte mit konstanter Höchstgeschwindigkeiten und/oder konstanter Neigungen unterteilt und jeweilige Fahrzeiten bzw. Traktionsenergien zu einem Gesamtergebnis kumuliert werden, d.h. es werden für die einzelnen Abschnitte nacheinander bei vorgegebenen Eintrittsgeschwindigkeiten die Austrittsgeschwindigkeiten, die Fahrzeiten und die Traktionsenergien berechnet und die Fahrzeiten und die Traktionsenergien addiert und eisenbahnbetriebliche Regelwerke und Besonderheiten berücksichtigt.Method for determining a required travel time of a train according to one or more of claims 1 and 2, characterized in that routes with changing maximum speeds and / or varying inclinations divided into sections with constant maximum speeds and / or constant inclinations in a preprocessing and respective travel times or Traction energies are cumulative to an overall result, ie, the exit speeds, the travel times and the traction energies are calculated for the individual sections successively at predetermined entry speeds and added the travel times and the traction energies and considered railway operating rules and peculiarities. Verfahren zur Ermittlung einer benötigten Fahrzeit eines Zuges nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle auf die Beschleunigung einwirkenden Zug- und Widerstandskräfte durch eine Vorverarbeitung auf eine Differentialgleichung der Form v'(t) = a v2(t) + b v(t) + c abgebildet werden, die Zugkraft eines Triebfahrzeuges durch ein stückweise quadratisches Polynom in Abhängigkeit der Geschwindigkeit v vorgegeben wird, die Gesamtwiderstandskraft durch ein quadratisches Polynom vorgegeben wird und sich die Beschleunigung aus der Differenz der Zugkraft und der Gesamtwiderstandskraft dividiert durch die Masse des Zuges ermittelt wird und die Gesamtwiderstandskraft sich aus dem quadratisch von der Geschwindigkeit abhängigen Luftwiderstand, dem Rollreibungswiderstand, der durch eine lineare Funktion gegeben ist, und dem Neigungswiderstand, der konstant ist, ermittelt wird.Method for determining a required travel time of a train according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that all the tensile and resistive forces acting on the acceleration by preprocessing to a differential equation of the form v '(t) = av 2 (t) + bv (t) + c, the tractive force of a traction vehicle is given by a piecewise quadratic polynomial as a function of the velocity v, the total resistance force is given by a quadratic polynomial and the acceleration is divided by the difference between the traction force and the total resistance force Mass of the train is determined and the total resistance is determined from the quadratic velocity dependent air resistance, the rolling friction resistance given by a linear function and the pitch resistance which is constant. Verfahren zur Ermittlung einer benötigten Fahrzeit eines Zuges nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, in Abhängigkeit von dem Geschwindigkeitsbereich gültige, Differentialgleichungen für die Beschleunigungsphase durch einen entsprechenden Katalog von geschlossenen Formeln berücksichtigt werden, wobei während der Ermittlung der Beschleunigung der jeweils gültige Formelsatz zur Anwendung kommt: - für den Fall, dass b2 > 4ac, wird D = √(b2- 4ac) und k = 1 - 2D/(2av0 +b + D) gesetzt, so dass t(v)= (1/D) In | ((1 - 2D/(2av+b+D))/k)| , v(t) = (2D/(1 + keDt) - b -D)/2a und s(t) = (In | (1+k) /(1 + keDt)| + (D-b)t/2)/a, - für den Fall, dass b2 < 4ac wird D = √(4ac - b2) gesetzt, so dass t(v) = arctan(av/D + b/2D) + C mit einer Konstante, v(t)= (D tan(D(t+k) - b/2)/a und s(t) = (In |cos(Dk)/cos(D(t+k)| bt/2)/a, und v(t) die Zeit zum Zeitpunkt t und s(t) der zum Zeitpunkt t zurückgelegte Weg ist. Method for determining a required traveling time of a train according to one of Claims 1 to 4, characterized in that a plurality of differential equations for the acceleration phase which are valid depending on the speed range are taken into account by a corresponding catalog of closed formulas, wherein during the determination of the acceleration valid formula set is used: - in the case that b 2 > 4ac, D = √ (b 2 - 4ac) and k = 1 - 2D / (2av 0 + b + D), so that t (v) = (1 / D) In | ((1 - 2D / (2av + b + D)) / k) | , v (t) = (2D / (1 + ke Dt ) -b -D) / 2a and s (t) = (In | (1 + k) / (1 + ke Dt ) | + (Db) t / 2) / a, in the case that b 2 <4ac D = √ (4ac - b 2 ) is set, so that t (v) = arctan (av / D + b / 2D) + C with a constant, v (t) = (D (t (t + k) - b / 2) / a and s (t) = (In | cos (Dk) / cos (D (t + k) | bt / 2) / a, and v ( t) the time at time t and s (t) is the distance traveled at time t. Verfahren zur Ermittlung einer benötigten Fahrzeit eines Zuges nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch vollständige oder teilweise Nichtberücksichtigung der Zugkräfte von einem oder mehreren der an dem Zug beteiligten Triebfahrzeuge eine Fahrzeit zugrundegelegt wird, die nicht eine technisch kürzeste erreichbare Fahrzeit darstellt und wenn mehrere Triebfahrzeuge in einem Zug vorhanden sind, vorgegeben wird, welches Triebfahrzeug aktiv ist und nur die Zugkräfte der aktiven Triebfahrzeuge addiert werden.A method for determining a required travel time of a train according to one of claims 1 to 5, characterized in that the total or partial disregard of the tensile forces of one or more of the trains involved in the train a driving time is based, which is not a technically shortest achievable travel time represents and when multiple traction vehicles are present in a train, it is specified which traction vehicle is active and only the tensile forces of the active traction vehicles are added.
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