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
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- EP
- European Patent Office
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- train
- time
- speed
- acceleration
- traction
- Prior art date
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- Withdrawn
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B61—RAILWAYS
- B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
- B61L15/00—Indicators provided on the vehicle or train for signalling purposes
- B61L15/0058—On-board optimisation of vehicle or vehicle train operation
Definitions
- the invention relates to a method for 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.
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- Train Traffic Observation, Control, And Security (AREA)
Abstract
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
-
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.
- 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
Ein weiterer Stand der Technik wird in dem Artikel von
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 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.
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.
- 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
Meter. Somit lässt sich der Bremseinsatzpunkt einfach bestimmen, und umgekehrt kann wegen
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
Bezeichnet F die verbleibende Zugkraft nach Abzug der Lauf- und Streckenwiderstände, so kann nun prinzipiell mittels der grundlegenden Formel
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:
Die Konstanten a, b und c ergeben sich dabei gemäß den obigen Ausführungen wie folgt:
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
Liegt zusätzlich zu der oben besprochenen Bewegungsbedingung
- 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.
- 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.
Bei der im vorherigen Abschnitt besprochenen Bewegungsbedingung
Es wird nun der allgemeine Fall gelöst. Es wird zunächst v0(t) durch die Notation dv/dt ersetzt, so dass sich ergibt:
Durch das Integrieren beider Seiten ergibt sich
wobei C eine Konstante ist, die von der Einbruchsgeschwindigkeit v0 := v(0) abhängt und später genauer bestimmt wird.By integrating both sides arises
where C is a constant that depends on the break-in velocity v 0 : = v (0) and is determined more accurately later.
Wegen
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:
Löst man t(v) nach v auf, so ergibt sich die gesuchte Bewegungsgleichung
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):
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:
Dieser Fall ist nur theoretischer Natur, da wegen der üblicherweise "krummen" Werte für a, b und c stets b2 ≠ 4ac gilt. Wegen
Asymptotisch nähert sich der Zug damit der Grenzgeschwindigkeit
Schließlich wird wie oben eine Formel für s(t) ermittelt. Es ergibt sich:
In diesem Fall wird D := √(4ac - b2) /2 gesetzt und das vor der Fallunterscheidung genannte Integral wie folgt aufgelöst:
Also ergibt sich
Schließlich wird noch die Formel für die zurückgelegte Strecke s in Abhängigkeit von der Zeit t angegeben:
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.
- 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.
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
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:
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.
- 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.
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
- 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
- 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.
- 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
- 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.
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.
- 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.
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
Die Lösung der Differentialgleichung führt analog zu dem oben aufgezeigten Weg zu dem Integral
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:
Fall 2: Es existiert eine einfache Nullstelle x1 sowie eine doppelte Nullstelle x2. Dann gilt:
Fall 3: Es existieren drei verschiedene Nullstellen x1, x2 und x3. Dann gilt:
Fall 4: Es existiert nur eine einfache Nullstelle x1; das verbleibende Restpolynom v2 + pv + q lässt sich nicht (reell) faktorisieren. Dann gilt:
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:
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.
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.
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.
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.
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.
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