EP3353035A1 - Verfahren zum betreiben eines schienenfahrzeugs entlang einer bahnstrecke - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines schienenfahrzeugs entlang einer bahnstrecke

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Publication number
EP3353035A1
EP3353035A1 EP16798104.2A EP16798104A EP3353035A1 EP 3353035 A1 EP3353035 A1 EP 3353035A1 EP 16798104 A EP16798104 A EP 16798104A EP 3353035 A1 EP3353035 A1 EP 3353035A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy
rail vehicle
vehicle
braking
mode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16798104.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Horn
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens AG
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3353035A1 publication Critical patent/EP3353035A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
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    • B60T13/10—Transmitting braking action from initiating means to ultimate brake actuator with power assistance or drive; Brake systems incorporating such transmitting means, e.g. air-pressure brake systems with fluid assistance, drive, or release
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    • B60T13/665—Electrical control in fluid-pressure brake systems the systems being specially adapted for transferring two or more command signals, e.g. railway systems
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
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    • B60T8/00—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force
    • B60T8/17—Using electrical or electronic regulation means to control braking
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    • B60T8/1705—Braking or traction control means specially adapted for particular types of vehicles for rail vehicles
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    • B61L27/00—Central railway traffic control systems; Trackside control; Communication systems specially adapted therefor
    • B61L27/10—Operations, e.g. scheduling or time tables
    • B61L27/16—Trackside optimisation of vehicle or train operation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60T—VEHICLE BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF; BRAKE CONTROL SYSTEMS OR PARTS THEREOF, IN GENERAL; ARRANGEMENT OF BRAKING ELEMENTS ON VEHICLES IN GENERAL; PORTABLE DEVICES FOR PREVENTING UNWANTED MOVEMENT OF VEHICLES; VEHICLE MODIFICATIONS TO FACILITATE COOLING OF BRAKES
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    • B60T8/32—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration
    • B60T8/321—Arrangements for adjusting wheel-braking force to meet varying vehicular or ground-surface conditions, e.g. limiting or varying distribution of braking force responsive to a speed condition, e.g. acceleration or deceleration deceleration
    • B60T8/3235—Systems specially adapted for rail vehicles

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a rail vehicle along a railway line.
  • Rail vehicles typically have a train protection unit which, when an imminent danger situation is detected, in particular by recognizing a so-called “danger point" on the traveled route, introduces safety measures
  • train control units When introducing restrictive measures for driving, conventional train control units are based on the most critical one mentioned above The measures taken are therefore in most cases not adapted to the actual driving situation, in particular they are too restrictive in relation to the actual driving situation.
  • the invention has for its object to provide a method for operating a rail vehicle along a railway line through which these disadvantages can be avoided.
  • a travel of the rail vehicle along the railway line has a travel section which ends before or at a danger point of the railway line
  • the rail vehicle is braked - in a protection mode - at the beginning of the driving section, starting from a first speed during a braking phase during the Bremsphase a kinetic energy of the kinetic energy of the rail vehicle is absorbed by an energy absorption unit of the rail vehicle
  • the braking phase follows an energy reduction phase, in which at least a portion of the energy absorbed by the power receiving unit is released and the driving section is determined such that one for a vehicle energy representative energetic state parameter, which takes into account at least the energy present in the energy absorption unit, meets a condition at the danger point.
  • the determination of the driving behavior takes into account an energetic state of the rail vehicle.
  • the driving behavior can be adapted at least to the actual state of the energy absorption unit.
  • the design of the rail vehicle, in particular the energy absorption unit no longer needs to be adapted as conventionally to the most critical conceivable danger case, since the driving behavior can be adapted to avoid the occurrence of an impermissible driving situation.
  • the introduction of restrictive measures can be better adapted to this energetic state.
  • the determination of the travel section comprises in particular at least the determination of the parameters which serve for defining the driving behavior of the rail vehicle in the travel section, in particular for defining the at least one braking phase and the at least one energy reduction phase.
  • the determination can at least determine the start and end points of the braking phase on the track, a target speed to be reached at the end of the braking phase and the for include the energy reduction phase envisaged for the energy reduction phase.
  • the rail vehicle which reaches a target speed at the end of the braking phase, is preferably operated at a constant speed during the energy-reduction phase following the braking phase.
  • the driving section has at least the braking phase and the subsequent energy reduction phase. After this can be in
  • Driving section take a second braking phase, which in turn followed by a second energy reduction phase. A renewed acceleration during the driving section is expediently prevented.
  • a parameter that is "representative" for a parameter or, in other words, a parameter "for" a parameter can be the parameter itself or a variable from which the value of the parameter can be uniquely derived
  • an electrical variable may be representative of a temperature, and the danger point may correspond to the beginning of a gradient section.
  • the state parameter take into account the instantaneous mass of the rail vehicle.
  • the state characteristic is representative of the vehicle energy resulting from the kinetic energy and the potential energy of the rail vehicle and the energy present in the energy absorption unit, whereby can be achieved by an advantageous adaptation of the driving behavior to the actual driving conditions.
  • the “potential energy” of the rail vehicle depends on a height difference corresponding to the difference between the height of the current track position of the rail vehicle and the height of the point on the track to which the rail vehicle after braking with the maximum available braking power
  • this energy corresponds to the potential energy which, if positively contributed, must be overcome by the rail vehicle during braking or, in the case of a negative contribution, supports the braking process "should be understood in particular the geographical altitude relative to the sea level.
  • the condition requires that the vehicle energy at the danger point corresponds to or falls below a predetermined maximum permitted vehicle energy.
  • the decisive for the design of the rail vehicle, in particular the design of the energy absorption unit energy level can be set lower than known solutions, since the occurrence of energetically inadmissible driving situations can be avoided by an adaptive driving.
  • the maximum allowable energy suitably corresponds to the maximum energy which can be absorbed by the energy absorption unit by design.
  • the energy absorbing unit comprises, in a preferred embodiment, at least one set of elements intended to receive energy in the form of heat.
  • a maximum energy that can be absorbed by this set corresponds to a maximum amount of energy that can be absorbed by the latter, based on a situation in which the elements have the ambient temperature, without this leading to a serious functional impairment, in particular to a ner destruction of the elements leads. The maximum amount of energy therefore depends on the thermal capacity of the elements.
  • the energy reduction phase for this set corresponds to a cooling phase, in which the absorbed energy is delivered to another system, eg the ambient air.
  • the energy absorbing unit may in this case comprise a set of braking device components of the rail vehicle which absorb at least part of the kinetic amount, in particular the kinetic amount, in the form of heat.
  • heating elements of the energy absorbing unit in this case are e.g. Brake discs and wheel discs of the rail vehicle correspond.
  • the maximum amount of energy that can be absorbed by these elements corresponds to the amount that can be absorbed before serious changes occur in the frictional engagement and therefore in the braking force produced. This maximum amount of energy is defined by the brake disk design and a given type of lining.
  • heating elements of the energy absorbing unit in this case e.g. Braking resistances correspond.
  • the maximum amount of energy that can be absorbed by these elements is also design-related in this case.
  • alternative or additional embodiment may be components of a retarder, wherein a heating element of the energy absorption unit is formed in this case of a retarder, in particular a retarder.
  • alternative or additional embodiment may be components of an eddy current brake, wherein a heating element of the energy absorption unit in this case corresponds to a component in which eddy currents are induced.
  • this system may be a cooling unit or the ambient air.
  • the energy delivered can also be stored and / or used for the operation of a consumer.
  • the current value of the energetic state parameter be detected, the energetic state parameter at the danger point be extrapolated from the current value and the protection mode be initiated if the extrapolated state parameter does not satisfy the condition.
  • the journey can be continued without change, in particular without braking intervention.
  • the extrapolation is carried out in particular under the assumption of maintaining the current driving style, in particular the current speed.
  • a parameter for the energetic state may be a temperature parameter. It is also possible, in particular for extrapolation, to take into account data on the braking capacity of the rail vehicle. This data may e.g. Braking capacity data entered before departure in the so-called "train data input"
  • the extrapolation is advantageously carried out on the basis of data of the railway line, which have at least one height profile of the railway line, wherein the danger point corresponds to the beginning of a slope section.
  • a parameter for the energy difference between the maximum permissible vehicle energy and the extrapolated vehicle energy at the danger point is expediently determined on the basis of the extrapolated state parameter.
  • the determination of the driving section in the protection mode comprises the calculation of a target speed to be reached at the end of the braking phase.
  • the target speed depends on the energy difference.
  • the target speed is calculated in such a way that it effects a kinetic energy and a potential energy at the danger point whose sum is at least smaller than the maximum permissible vehicle energy by the amount of the energy difference.
  • a first mode of the protection mode is proposed, in which at least the kinetic amount is reduced during the energy reduction phase as an energy reduction amount. If the target speed is calculated to produce kinetic energy and potential energy at the danger point whose sum is less than the maximum allowable vehicle energy by the amount of the energy difference, that speed will set an upper limit for that during the first mode Braking phase to be set ness. As a result, a minimum speed restriction can be achieved in comparison with further adaptation scenarios.
  • the target speed is calculated such that less energy than the kinetic amount is dissipated during the energy reduction phase as an energy reduction amount.
  • a shorter energy reduction distance than in the first mode can be achieved if a target speed is set below the above upper limit.
  • a target speed can cause a kinetic energy and a potential energy at the danger point whose sum is smaller than the maximum permissible vehicle energy by more than the energy difference, so that a complete reduction of the kinetic amount during the energy reduction phase is not necessary.
  • the determination of the travel section in the protection mode comprises in particular the calculation of the energy reduction phase route required for the energy reduction phase as a function of an energy reduction amount on the basis of a cooling power characteristic of the energy absorption unit.
  • the determination of the driving section in the protection mode expediently comprises the calculation of the braking-phase path required for producing the target speed as a function of the braking capacity data of the rail vehicle.
  • the driver is prompted in a request mode to initiate the braking phase at the beginning of the driving section.
  • an adaptation of the driving behavior advantageously takes place on the basis of a service braking initiated by the driver, which is carried out with moderate braking deceleration. This is gentle on material and is - with respect to the passenger comfort - at a provided for the transport of passengers rail vehicle advantage.
  • the braking phase in a
  • Forced intervention mode automatically initiated by a train control unit. It can be braked with the maximum available braking power.
  • the forced intervention mode can be applied in particular when a deficient response to the prompting mode prompting is detected.
  • a poor response may be a non-response or the initiation of braking with insufficient braking power.
  • High safety can also be achieved if, in an emergency mode, the rail vehicle is braked to a standstill, whereby the emergency mode is initiated when the presence of an error in the energy reduction phase is detected.
  • a fault can be detected in particular by the observation of the energy absorption unit.
  • an error can be detected by the temperature profile of the elements.
  • FIG. 1 shows a rail vehicle with a train protection unit in a schematic side view
  • FIG. 2 the train control unit and information taken into account by it;
  • Figure 3 a driving section of the rail vehicle of FIG.
  • Figure 4 a driving section of the rail vehicle of FIG.
  • FIG. 1 shows a rail vehicle 10 in a schematic side view. It is designed, for example, as an association of carriages 12, which are provided for the transport of passengers, wherein at least one carriage 12.1 is designed as a railcar.
  • the railcar 12.1 has drive axles 14, which are driven by at least one drive motor (not shown).
  • the rail vehicle 10 also has a braking device 22.
  • This comprises at least one electrically and / or mechanically operable brake unit 24 designed as a friction brake unit (shown schematically) and an electric brake unit 26 which is formed by the drive unit 18.
  • the brake unit 26 can feed back an electrical energy generated in a braking process into the external power supply 20 and / or convert it into braking resistors 27 into heat.
  • the embodiment of the brake unit 24 with a friction brake unit is exemplary.
  • the brake unit 24 can have at least one retarder brake and / or at least one eddy current brake, in which a kinetic energy of the rail vehicle 10 is likewise converted into heat.
  • the structure of a drive unit 18 and a brake device 22 in a rail vehicle is well known and will not be explained here.
  • the considered embodiment of the rail vehicle 10 with the association of carriages 12 - ie an embodiment as a so-called multiple unit train - is exemplary.
  • the rail vehicle 10 may be formed as a single traction vehicle, such as a locomotive, which is intended for use with unpowered passenger coaches or freight cars.
  • the reference of electrical energy from an external power supply 20 is also exemplary.
  • the rail vehicle 10 may be equipped with its own energy source, such as in particular an internal combustion engine, which drives the drive axles 14 or by which electrical energy is generated for the power supply unit 16.
  • the rail vehicle 10 further includes a train control unit 28.
  • This comprises a unit 30, which is intended to interact with trackside equipment 31, and a controller 32.
  • the unit 30 comprises, in particular, a train antenna.
  • the interaction of the trackside equipment 31 and the train control unit 28 may trigger engagement of the train control unit 28 in the control of the rail vehicle 10 in the presence of certain operating situations.
  • the train control unit 28 may e.g. when a maximum permitted speed is exceeded or when the main signal is shown to be inadvertently passing the stop, emergency braking of the rail vehicle 10 is triggered.
  • Known systems of train protection are e.g. the PZB (Selective Train Control), LZB (Line Train Influence), ATP (Automatic Train Protection), TBL (Transmission Balancing)
  • the function of the train protection unit 28 is based on train information, which depends on the configuration of the rail vehicle 10 and on the current operating states of its facilities. In particular, information about its braking capacity must be transmitted to the train control unit 28 before a service recording of the rail vehicle 10 (so-called "train data input") .This information is evaluated by the train control unit 28, in particular to take account of a braking distance.
  • FIG. 2 shows an overview of the information that is taken into account by the train protection unit 28 for carrying out the methods described in more detail below.
  • data BSD of the railroad track to be traveled is also added.
  • at least one information M about the loading of the rail vehicle 10 and at least one information E Q is considered via a heat contained in the braking device 22. This information E Q can be obtained in particular from the evaluation of a temperature characteristic for a temperature of the braking device 22.
  • the controller 32 of the train control unit 28 is equipped with at least one arithmetic unit (not shown) and at least one memory unit 33, in which corresponding executable programs are stored.
  • the information BVD and BSD are expediently stored in a database, not shown, of the rail vehicle 10 to which the train control unit 28 has access.
  • the information POS, V, M and E Q are usually detected via corresponding sensor units, not shown.
  • this energy absorption unit 34 may also comprise components of a retarder brake or an eddy current brake and / or the braking resistors 32 of the electrical brake unit 26.
  • the information E Q forms a state parameter of the energy absorption unit 34 which is responsible for the energetic state of the power receiving unit 34 is characteristic. This information E Q corresponds in particular to the sum of the in the Elements of the energy absorption unit 34 contained amounts of energy.
  • FIG. 3 shows a first diagram, on the basis of which a method performed by the train protection unit 28 for operating the rail vehicle 10 along a railway track 36 is explained.
  • the railway line 36 has a danger point 38, which corresponds to the beginning of a slope section 40 of this railway line 36.
  • the approaching of the danger point 38 is determined on the basis of the data BSD as route information.
  • these data BSD include at least one height profile, which is shown in the diagram.
  • the rail vehicle 10 is also characterized by a maximum permitted energy E max .
  • the maximum permitted energy corresponds to the maximum amount of energy that can be absorbed by the brake device 22 as a result of the design. This is determined in advance and decisive for the design of the braking device 22.
  • the maximum permitted energy E max - and therefore the design of the braking device 22, can be chosen such that in all conceivable driving situations, the vehicle energy E tra is less than E max .
  • the "least favorable" energy state of the rail vehicle 10 is decisive, assuming that the rail vehicle 10 is at the maximum speed, a critical mass and in a section with a critical mass
  • Track inclination is located.
  • this requires high design requirements for the braking device 22 and possibly an oversizing of these, in particular with regard to permissible temperatures and energy absorption capacities of the brake components.
  • the maximum permitted energy E max may be smaller than be set, whereby a structurally simpler interpretation of the braking device 22 can be achieved.
  • an energy state characteristic variable representative of the vehicle energy Etrain is determined continuously or at regular time intervals. As a criterion for the operation of the rail vehicle 10 then applies that the current vehicle energy E tr ain may not exceed the maximum permitted energy E max . This situation could occur, in particular, when the rail vehicle 10 is overloaded - that is, has a mass above a predetermined maximum mass, travels along a downslope with an incline over a predetermined maximum path incline, and / or energy absorbing unit 34 energy harvesting components are already in a preheated state.
  • the energy state characteristic value is representative of the vehicle energy E tr a resulting from the kinematic energy E k i n , the potential energy E pot and the energy E Q contained in the energy absorption unit 34.
  • the above-mentioned information M, V, BSD, POS, BVD and E Q are used.
  • the energetic state parameter of the vehicle energy corresponds to E tr ain itself.
  • a variable can be selected for the state parameter from which the vehicle energy E tr ain can be derived unambiguously.
  • the instantaneous potential energy E pot of the rail vehicle 10 is defined by the mass M of the rail vehicle 10 and a height difference. This corresponds to the
  • the vehicle energy E tr ainGF is extrapolated at danger point 38.
  • the extrapolation is based on the assumption of a maintenance of the current driving style up to the danger point 38. Due to the slope section 40, the vehicle energy E tr ainGF at the danger point 38 is greater by the amount of a potential energy.
  • This potential energy depends on the mass M of the rail vehicle 10 and the height difference between the danger point 38 and the point on the track at which the rail vehicle 10 would come to a halt when performing braking starting at the danger point 38 with the maximum available power.
  • the height difference can correspond to the total height difference of the slope section 40.
  • the train control unit 28 initiates a protection mode with the measures described below. If the extrapolated vehicle energy E tr ainGF has a permissible level, the driving mode up to the danger point 38 can be maintained.
  • the protection mode to be initiated aims at bringing the rail vehicle 10 into an energetic state at the latest at the danger point 38, in which case the condition
  • a driving section 42 is determined by the train control unit 28, which ends at the latest at the danger point 38.
  • the driving section 42 is determined in such a way that the vehicle energy E tra i n at the danger point 38 corresponds to the maximum permitted energy E max or falls below it.
  • the travel section 42 is determined by determining its beginning and a driving style of the rail vehicle 10, which brings the rail vehicle 10 in the desired energetic state.
  • the driving mode in the specific driving section 42 includes a braking phase 44, in which the rail vehicle 10 is braked from a first speed V 0 until a target speed V z is reached.
  • the determination of the driving section 42 comprises in particular the determination of the target speed V z .
  • the target velocity V z is calculated so that the kinetic energy E k i n of the rail vehicle 10 during the braking phase 44 is reduced by a kinetic amount ⁇ E k i n and Target speed V z cause a kinetic energy E kinGF and a potential energy E pot GF at the danger point 38, the sum of the energy difference .DELTA. ⁇ is smaller than the maximum permitted energy E max .
  • the potential energy E pot GF at the danger point 38 depends on the target speed V z .
  • the braking distance required during braking at the danger point 38 until the rail vehicle 10 stops is smaller than at a higher target speed V z .
  • Rapid braking can be initiated, which would lead to a standstill at the danger point 38 at the current target speed V z is indicated by the reference BWA, which forms the beginning of a braking distance BW to the danger point 38. From this point BWA increases the potential potential energy E pot continuously up to the value E pot GF at danger point 38.
  • the braking phase 44 must follow a power reduction phase 46, in which at least the current drawn by the power receiving unit 34 kinetic amount AEE k in of the content is released to the environment.
  • This energy reduction phase 46 corresponds in particular to a cooling phase of brake components of the braking device 22, which are elements of the energy absorption unit 34.
  • the energy dissipated by the energy intake unit 34 is called the energy reduction amount ⁇ E Q. This corresponds to the kinetic amount ⁇ E kin in this first mode.
  • the target velocity V z is calculated such that less energy is dissipated as the energy reduction amount ⁇ E Q during the energy reduction phase 46 than the kinetic amount ⁇ E k i n .
  • the target speed V z is calculated such that the sum of the kinetic energy E kinGF and the potential energy E pot GF at the danger point 38 is smaller than the maximum permissible vehicle energy E max by more than the energy difference ⁇ .
  • the excess of energy by which the vehicle energy is reduced may still be contained in the energy intake unit 34 at the danger point 38.
  • the energy reduction distance EAS can therefore be shorter than the first mode.
  • the determination of the travel section 42 in the mentioned modes furthermore comprises the determination of the braking distance BS for the braking phase 44 and the energy reduction phase distance EAS for the energy reduction phase 46.
  • the EAS Energyabbau- route is calculated depending on the energy reduction amount AEE Q means of a cooling performance characteristic of the power receiving unit 34th
  • This cooling line characteristic can provide information about the cooling behavior of the energy absorption unit 34 or individual elements of this are taken.
  • a time to reach a certain temperature reduction can be determined from the cooling performance curve.
  • the energy reduction distance EAS can be calculated on this basis and with knowledge of the instantaneous speed V, normally the target speed V z .
  • the braking distance 44 is calculated on the basis of the above-mentioned information BVD about the braking capacity of the rail vehicle 10 and the current speed V.
  • the braking distance BS is determined on the basis of brake deceleration values BVD which are used in normal service braking.
  • the braking distance BS is determined on the basis of braking deceleration values which are used in rapid braking.
  • the train protection unit 28 has a remote emergency mode, in which the rail vehicle 10 is braked to a stop.
  • This emergency mode is initiated when it is detected by the train control unit 28 that the brake phase 44 in the forced intervention mode is faulty - for example, with too little delay - or not executed. It is also initiated when, after the braking phase 44, the presence of an error in the energy reduction phase 46 is detected. This can eg be recognized by the fact that a temperature profile of components of the energy absorption unit 34 from one to deviates from the basis of a cooling performance curve determined temperature profile.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs (10) entlang einer Bahnstrecke (36). Es wird vorgeschlagen, dass - eine Fahrt des Schienenfahrzeugs (10) entlang der Bahnstrecke (36) einen Fahrabschnitt (42) aufweist, welcher vor oder an einem Gefahrenpunkt (38) der Bahnstrecke (36) endet, - das Schienenfahrzeug (10) - in einem Schutzmodus - am Anfang des Fahrabschnitts (42) ausgehend von einer ersten Geschwindigkeit (V0) während einer Bremsphase (44) gebremst wird, - während der Bremsphase (44) ein kinetischer Betrag (ΔEkin) der kinetischen Energie (Ekin) des Schienenfahrzeugs (10) von einer Energieaufnahmeeinheit (34) des Schienenfahrzeugs (10) aufgenommen wird, - der Bremsphase (44) eine Energieabbauphase (46) folgt, in welcher zumindest ein Teil der aufgenommenen Energie von der Energieaufnahmeeinheit (34) abgegeben wird und - der Fahrabschnitt (42) derart bestimmt wird, dass eine für eine Fahrzeugenergie (Etrain) repräsentative energetische Zustandskenngröße, welche zumindest die in der Energieaufnahmeeinheit (34) vorhandene Energie (EQ) berücksichtigt, am Gefahrenpunkt (38) eine Bedingung erfüllt.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs entlang einer Bahnstrecke
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs entlang einer Bahnstrecke.
Bei der Auslegung eines Schienenfahrzeugs spielen sicher- heitsbezogene Aspekte eine zentrale Rolle. Heutige Schienenfahrzeuge werden herkömmlicherweise derart ausgelegt, dass sie möglichst viele Gefahrensituationen sicherheitstechnisch beherrschen können. Für die Auslegung, insbesondere bezüglich der für die Sicherheit entscheidenden Bremseinrichtung, wird herkömmlicherweise die kritischste denkbare Fahrtsituation angenommen, bei welcher eine Vielzahl ungünstiger Umstände gleichzeitig auftreten. Beispielsweise muss das Schienenfahrzeug eine Fahrtsituation mit maximaler Geschwindigkeit bei einer kritischen Beladung und einer kritischen Streckenneigung beherrschen können. Eine dafür geeignete Auslegung führt jedoch zu einer Überdimensionierung und einem hohen konstruk- tiven und kostentechnischen Aufwand.
Schienenfahrzeuge verfügen typischerweise über eine Zugsicherungseinheit, die beim Erkennen einer bevorstehenden Gefahrensituation, indem insbesondere ein sogenannter „Gefahren- punkt" auf der befahrenen Strecke erkannt wird, Sicherheitsmaßnahmen einleitet. Bei der Einleitung restriktiver Maßnahmen für den Fahrbetrieb gehen konventionelle Zugsicherungseinheiten von dem oben genannten kritischsten denkbaren Gefahrenfall aus. Die getroffenen Maßnahmen sind daher in den meisten Anwendungsfällen an die tatsächliche Fahrtsituation nicht angepasst, insbesondere sind diese gegenüber der wirklichen Fahrtsituation zu restriktiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs entlang einer Bahnstrecke bereitzustellen, durch welches diese Nachteile vermieden werden können . Hierzu wird vorgeschlagen, dass eine Fahrt des Schienenfahrzeugs entlang der Bahnstrecke einen Fahrabschnitt aufweist, welcher vor oder an einem Gefahrenpunkt der Bahnstrecke endet, das Schienenfahrzeug - in einem Schutzmodus - am Anfang des Fahrabschnitts ausgehend von einer ersten Geschwindigkeit während einer Bremsphase gebremst wird, während der Bremsphase ein kinetischer Betrag der kinetischen Energie des Schienenfahrzeugs von einer Energieaufnahmeeinheit des Schienenfahrzeugs aufgenommen wird, der Bremsphase eine Energieabbau- phase folgt, in welcher zumindest ein Teil der aufgenommenen Energie von der Energieaufnahmeeinheit abgegeben wird und der Fahrabschnitt derart bestimmt wird, dass eine für eine Fahrzeugenergie repräsentative energetische Zustandskenngröße, welche zumindest die in der Energieaufnahmeeinheit vorhandene Energie berücksichtigt, am Gefahrenpunkt eine Bedingung erfüllt. Es kann hierdurch ein präventives und adaptives Fahrverhalten des Schienenfahrzeugs erreicht werden, wobei die Bestimmung des Fahrverhaltens einen energetischen Zustand des Schienenfahrzeugs berücksichtigt. Insbesondere kann das Fahr- verhalten zumindest an den tatsächlichen Zustand der Energieaufnahmeeinheit angepasst werden. Die Auslegung des Schienenfahrzeugs, insbesondere der Energieaufnahmeeinheit, muss nicht mehr wie herkömmlich an den kritischsten denkbaren Gefahrenfall angepasst sein, da das Fahrverhalten dahingehend angepasst werden kann, dass das Auftreten einer unzulässigen Fahrtsituation vermieden wird. Außerdem kann mit der Berücksichtigung des energetischen Zustands die Einleitung restriktiver Maßnahmen besser an diesen energetischen Zustand angepasst werden.
Die Bestimmung des Fahrabschnitts umfasst insbesondere zumindest die Ermittlung der Parameter, die zum Definieren des Fahrverhaltens des Schienenfahrzeugs im Fahrabschnitt, insbesondere zum Definieren der zumindest einen Bremsphase und der zumindest einen Energieabbauphase dienen. Beispielweise kann die Bestimmung zumindest die Ermittlung des Anfangs- und Endpunkts der Bremsphase auf der Strecke, einer am Ende der Bremsphase zu erreichenden Zielgeschwindigkeit und der für die Energieabbauphase vorgesehenen Energieabbaustrecke umfassen .
Das Schienenfahrzeug, welches am Ende der Bremsphase eine Zielgeschwindigkeit erreicht, wird während der der Bremsphase folgenden Energieabbauphase vorzugsweise mit konstanter Geschwindigkeit betrieben.
Der Fahrabschnitt weist zumindest die Bremsphase und die da- rauf folgende Energieabbauphase auf. Nach dieser kann im
Fahrabschnitt eine zweite Bremsphase erfolgen, an die sich wiederum eine zweite Energieabbauphase anschließt. Eine erneute Beschleunigung während des Fahrabschnitts wird zweckmäßigerweise unterbunden.
Eine Kenngröße, die „für" einen Parameter „repräsentativ" ist oder anders formuliert eine Kenngröße „für" einen Parameter kann der Parameter selbst oder eine Größe sein, aus welcher der Wert des Parameters eindeutig hergeleitet werden kann. Die Kenngröße und der zugeordnete Parameter können unterschiedlichen physikalischen Größen sein. Beispielsweise kann eine elektrische Größe für eine Temperatur repräsentativ sein . Der Gefahrenpunkt kann dem Beginn eines Gefällabschnitts entsprechen .
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Zustandskenngröße die momentane Masse des Schienenfahrzeugs berücksichtigt. Hierdurch kann eine weiter verbesserte Anpassung des Fahrverhaltens an tatsächliche Umstände, wie z.B. eine Überlast oder niedrige Last des Schienenfahrzeugs, erreicht werden. Zweckmäßigerweise ist die Zustandskenngröße für die sich aus der kinetischen Energie und der potentiellen Energie des Schienenfahrzeugs und der in der Energieaufnahmeeinheit vorhandenen Energie ergebende Fahrzeugenergie repräsentativ, wo- durch eine vorteilhafte Anpassung des Fahrverhaltens an die tatsächlichen Fahrumstände erreicht werden kann.
Die „potentielle Energie" des Schienenfahrzeugs hängt von ei- nem Höhenunterschied ab, welcher dem Unterschied zwischen der Höhe der aktuellen Streckenposition des Schienenfahrzeugs und der Höhe des Punktes auf der Strecke entspricht, zu welchem das Schienenfahrzeug nach einer Bremsung mit der maximal zur Verfügung stehenden Bremsleistung (sogenannte Schnellbrem- sung) zum Stehen kommen würde. Anders formuliert entspricht diese Energie der potentiellen Energie, die - bei einem positiven Beitrag - vom Schienenfahrzeug bei der Bremsung überwunden werden muss oder - bei einem negativen Beitrag - den Bremsvorgang unterstützt. Unter der „Höhe" soll insbesondere die geographische Höhe relativ zum Meeresspiegel verstanden werden .
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung fordert die die Bedingung, dass die Fahrzeugenergie am Gefahrenpunkt ei- ner vorgegebenen maximal zugelassenen Fahrzeugenergie entspricht oder diese unterschreitet. Das für die Auslegung des Schienenfahrzeugs, insbesondere die Auslegung der Energieaufnahmeeinheit maßgebende Energieniveau kann gegenüber bekannten Lösungen niedriger festgesetzt werden, da das Auftreten energetisch unzulässiger Fahrtsituationen durch ein adaptives Fahrverhalten vermieden werden kann. Die maximal zugelassene Energie entspricht zweckmäßigerweise der maximalen Energie, die von der Energieaufnahmeeinheit konstruktionsbedingt aufgenommen werden kann.
Die Energieaufnahmeeinheit weist in einer bevorzugten Ausführung zumindest einen Satz von Elementen auf, die zur Aufnahme von Energie in der Form von Wärme vorgesehen sind. Eine maximale, von diesem Satz aufnehmbare Energie entspricht einer maximalen Energiemenge, die ausgehend von einer Situation, in welcher die Elemente die Umgebungstemperatur aufweisen, von diesen aufgenommen werden kann, ohne dass dies zu einer gravierenden funktionellen Beeinträchtigung, insbesondere zu ei- ner Zerstörung der Elemente führt . Die maximale Energiemenge hängt daher von der thermischen Belastbarkeit der Elemente ab. Die Energieabbauphase für diesen Satz entspricht einer Abkühlphase, in welcher die aufgenommene Energie an ein wei- teres System, z.B. die Umgebungsluft, abgegeben wird.
Die Energieaufnahmeeinheit kann hierbei einen Satz von Bremseinrichtungskomponenten des Schienenfahrzeugs umfassen, die zumindest einen Teil des kinetischen Betrags, insbesondere den kinetischen Betrag, in der Form von Wärme aufnehmen.
Dabei kann es sich um Komponenten einer Reibungsbremse handeln, wobei sich erwärmende Elemente der Energieaufnahmeeinheit in diesem Fall z.B. Bremsscheiben und Radscheiben des Schienenfahrzeugs entsprechen. Die maximale, durch diese Elemente aufnehmbare Energiemenge entspricht der Menge, die aufgenommen werden kann, bevor gravierende Änderungen des Reibschlusses und daher der bewirkten Bremskraft eintreten. Diese maximale Energiemenge ist durch die Bremsscheibenkonstruktion und einen gegebenen Belagtyp definiert.
Alternativ oder zusätzlich kann es sich um Komponenten einer elektrischen Bremse handeln, wobei sich erwärmende Elemente der Energieaufnahmeeinheit in diesem Fall z.B. Bremswider- ständen entsprechen. Die maximale Energiemenge, die von diesen Elementen aufgenommen werden kann, ist in diesem Fall ebenfalls konstruktionsbedingt.
In einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführung kann es sich um Komponenten einer Retarderbremse handeln, wobei ein sich erwärmendes Element der Energieaufnahmeeinheit in diesem Fall von einem Retarderelement , insbesondere einer Retarderflüssigkeit gebildet ist. In einer weiteren, alternativen oder zusätzlichen Ausführung kann es sich um Komponenten einer Wirbelstrombremse handeln, wobei ein sich erwärmendes Element der Energieaufnahmeeinheit in diesem Fall einer Komponente entspricht, in welcher Wirbelströme induziert werden.
Unter einer „Abgabe" einer von der Energieaufnahmeeinheit aufgenommenen Energie soll ein Energietransfer aus der Energieaufnahmeeinheit zu einem System derart, dass diese Energie weder zur kinetischen Energie noch zur potentiellen Energie des Schienenfahrzeugs beiträgt. Bei einer Abkühlung kann dieses System eine Kühlungseinheit oder die Umgebungsluft sein. Die abgegebene Energie kann außerdem gespeichert und/oder für den Betrieb eines Verbrauchers benutzt werden.
In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass der aktuelle Wert der energetischen Zustandskenngroße erfasst wird, die energetische Zustandskenngroße am Gefahrenpunkt ausgehend vom aktuellen Wert extrapoliert wird und der Schutzmodus eingeleitet wird, wenn die extrapolierte Zustandskenngroße die Bedingung nicht erfüllt. Bei Erfüllung der Bedingung kann die Fahrt ohne Änderung, insbesondere ohne Bremseingriff fortge- setzt werden. Die Extrapolation erfolgt insbesondere unter der Annahme einer Beibehaltung der aktuellen Fahrweise, insbesondere der aktuellen Geschwindigkeit.
Zur Erfassung des aktuellen Werts der energetischen Zustands- kenngröße werden zweckmäßigerweise zumindest Kenngrößen für die Ist-Position, die Ist-Geschwindigkeit, die Masse und den energetischen Zustand der Energieaufnahmeeinheit erfasst. Bei Elementen der Energieaufnahmeeinheit, die zur Energieaufnahme durch Erwärmung vorgesehen sind, kann eine Kenngröße für den energetischen Zustand eine Temperaturkenngröße sein. Es können - insbesondere für die Extrapolation - des Weiteren Daten über das Bremsvermögen des Schienenfahrzeugs berücksichtigt werden. Diese Daten können z.B. Bremsvermögensdaten entsprechen, die vor Abfahrt bei der sogenannten „Zugdateneingabe" eingegeben werden. Dabei kann eine Eingabe in Form einer
Bremshundertstel erfolgen. Außerdem erfolgt die Extrapolation vorteilhafterweise auf der Basis von Daten der Bahnstrecke, die zumindest ein Höhenprofil der Bahnstrecke aufweisen, wobei der Gefahrenpunkt dem Beginn eines Gefälleabschnitts entspricht.
Fordert wie oben beschrieben die Bedingung, dass die Fahrzeugenergie am Gefahrenpunkt einer vorgegebenen maximal zugelassenen Fahrzeugenergie entspricht oder diese unterschreitet, wird zweckmäßigerweise auf der Basis der extrapolierten Zustandskenngröße eine Kenngröße für die Energiedifferenz zwischen der maximal zulässigen Fahrzeugenergie und der extrapolierten Fahrzeugenergie am Gefahrenpunkt ermittelt.
Zweckmäßigerweise umfasst die Bestimmung des Fahrabschnitts im Schutzmodus die Berechnung einer am Ende der Bremsphase zu erreichenden Zielgeschwindigkeit .
Wird wie oben beschrieben eine Kenngröße für die Energiedifferenz zwischen der maximal zulässigen Fahrzeugenergie und der extrapolierten Fahrzeugenergie am Gefahrenpunkt ermittelt, hängt die Zielgeschwindigkeit von der Energiedifferenz ab .
In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass die Zielge- schwindigkeit derart berechnet wird, dass sie eine kinetische Energie und eine potentielle Energie am Gefahrenpunkt bewirkt, deren Summe zumindest um den Betrag der Energiedifferenz kleiner als die maximal zulässige Fahrzeugenergie ist. Es wird ein erster Modus des Schutzmodus vorgeschlagen, in dem während der Energieabbauphase als Energieabbaubetrag zumindest der kinetische Betrag abgebaut wird. Falls die Zielgeschwindigkeit so berechnet wird, dass sie eine kinetische Energie und eine potentielle Energie am Gefahrenpunkt be- wirkt, deren Summe um den Betrag der Energiedifferenz kleiner als die maximal zulässige Fahrzeugenergie ist, stellt diese Geschwindigkeit für diesen ersten Modus eine Obergrenze für die während der Bremsphase einzustellende Zielgeschwindig- keit. Hierdurch kann gegenüber weiteren Anpassungsszenarien eine minimale Geschwindigkeitseinschränkung erreicht werden.
Gemäß einem zweiten Modus des Schutzmodus wird die Zielge- schwindigkeit derart berechnet, dass während der Energieabbauphase als Energieabbaubetrag weniger Energie als der kinetische Betrag abgebaut wird. Dabei kann eine kürzere Energieabbaustrecke als im ersten Modus erreicht werden, wenn eine Zielgeschwindigkeit unterhalb der oben genannten Obergrenze eingestellt wird. Hierdurch kann eine solche Zielgeschwindigkeit eine kinetische Energie und eine potentielle Energie am Gefahrenpunkt bewirken, deren Summe um mehr als die Energiedifferenz kleiner als die maximal zulässige Fahrzeugenergie ist, sodass ein vollständiger Abbau des kinetischen Betrags während der Energieabbauphase nicht notwendig ist.
Die Bestimmung des Fahrabschnitts im Schutzmodus umfasst insbesondere die Berechnung der für die Energieabbauphase erforderlichen Energieabbauphasenstrecke abhängig von einem Ener- gieabbaubetrag anhand einer Kühlleistungskennlinie der Energieaufnahmeeinheit .
Die Bestimmung des Fahrabschnitts im Schutzmodus umfasst zweckmäßigerweise die Berechnung der zur Herstellung der Zielgeschwindigkeit erforderlichen Bremsphasenstrecke abhängig von Bremsvermögensdaten des Schienenfahrzeugs .
Des weiteren wird vorgeschlagen, dass der Triebfahrzeugführer in einem Aufforderungsmodus aufgefordert wird, zum Beginn des Fahrabschnitts die Bremsphase einzuleiten. Hierbei erfolgt eine Anpassung des Fahrverhaltens vorteilhafterweise anhand einer vom Triebfahrzeugführer initiierten Betriebsbremsung, die mit mäßiger Bremsverzögerung durchgeführt wird. Dies ist Material schonend und ist - bei einem für den Transport von Passagieren vorgesehenen Schienenfahrzeug - bezüglich des Passagierkomforts von Vorteil. Alternativ oder zusätzlich kann die Bremsphase in einem
Zwangseingriffsmodus automatisch von einer Zugsicherungseinheit eingeleitet werden. Dabei kann mit der maximal verfügbaren Bremsleistung gebremst werden. Der Zwangseingriffsmodus kann insbesondere angewendet werden, wenn eine mangelhafte Reaktion auf das Auffordern im Aufforderungsmodus erkannt wird. Eine mangelhafte Reaktion kann dabei eine NichtReaktion oder die Einleitung einer Bremsung mit unzureichender Bremsleistung sein.
Eine hohe Sicherheit kann ferner erreicht werden, wenn in einem Notmodus das Schienenfahrzeug bis zum Stillstand gebremst wird, wobei der Notmodus eingeleitet wird, wenn das Vorliegen eines Fehlers in der Energieabbauphase erkannt wird. Ein der- artiger Fehler kann insbesondere durch die Beobachtung der Energieaufnahmeeinheit erkannt werden. Weist sie einen Satz von Elementen auf, die zur Aufnahme von Energie in der Form von Wärme vorgesehen sind, kann insbesondere ein Fehler anhand des Temperaturverlaufs der Elemente erkannt werden.
Hierzu kann insbesondere eine Kühlleistungskennlinie der Elemente benutzt werden.
Es werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 : ein Schienenfahrzeug mit einer Zugsicherungseinheit in einer schematischen Seitenansicht,
Figur 2 : die Zugsicherungseinheit und von dieser berücksichtigte Informationen,
Figur 3 : einen Fahrabschnitt des Schienenfahrzeugs aus Figur
1 gemäß einem ersten Betriebsmodus der Zugsicherungseinheit und
Figur 4 : einen Fahrabschnitt des Schienenfahrzeugs aus Figur
1 gemäß einem zweiten Betriebsmodus der Zugsicherungseinheit . Figur 1 zeigt ein Schienenfahrzeug 10 in einer schematischen Seitenansicht. Es ist beispielsweise als Verband von Wagen 12 ausgebildet, die zum Transport von Passagieren vorgesehen sind, wobei zumindest ein Wagen 12.1 als Triebwagen ausgebil- det ist. Der Triebwagen 12.1 weist Triebachsen 14 auf, die durch zumindest einen Antriebsmotor (nicht gezeigt)
antreibbar sind. Der Antriebsmotor und eine zur Versorgung dieses mit elektrischer Leistung vorgesehene Leistungsversor- gungseinheit 16 bilden eine Antriebseinheit 18. Diese bezieht eine elektrische Energie von einer externen Spannungsversorgung 20. Das Schienenfahrzeug 10 weist ferner eine Bremseinrichtung 22 auf. Diese umfasst zumindest eine elektrisch und/oder mechanisch betätigbare, als Reibungsbremseinheit ausgebildete Bremseinheit 24 (schematisch dargestellt) und eine elektrische Bremseinheit 26, welche von der Antriebseinheit 18 gebildet ist. Die Bremseinheit 26 kann eine in einem Bremsvorgang erzeugte elektrische Energie in die externe Spannungsversorgung 20 zurückspeisen und/oder in Bremswiderständen 27 in Wärme umwandeln. Die Ausführung der Bremsein- heit 24 mit einer Reibungsbremseinheit ist beispielhaft. Alternativ oder zusätzlich zu dieser kann die Bremseinheit 24 zumindest eine Retarderbremse und/oder zumindest einer Wirbelstrombremse aufweisen, bei welchen eine kinetische Energie des Schienenfahrzeugs 10 ebenfalls in Wärme umwandelt wird.
Der Aufbau einer Antriebseinheit 18 und einer Bremseinrichtung 22 bei einem Schienenfahrzeug ist ausreichend bekannt und wird hier nicht näher erläutert. Die betrachtete Ausführung des Schienenfahrzeugs 10 mit dem Verband von Wagen 12 - d.h. eine Ausführung als sogenannter Triebzug - ist beispielhaft. In einer alternativen Ausführung kann das Schienenfahrzeug 10 als ein einzelnes Triebfahrzeug, wie z.B. als Lokomotive ausgebildet sein, welches für den Einsatz mit antriebslosen Reisezugwagen oder Güterwagen vorgesehen ist. Der Bezug von elektrischer Energie aus einer externen Spannungsversorgung 20 ist ebenfalls beispielhaft. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Schienenfahrzeug 10 mit einer eigenen Energiequelle, wie insbesondere einem Verbrennungsmotor, ausgestattet sein, welcher die Triebachsen 14 antreibt oder durch welchen elektrische Energie für die Leistungsversorgungseinheit 16 erzeugt wird.
Das Schienenfahrzeug 10 umfasst des Weiteren eine Zugsicherungseinheit 28. Diese weist eine Einheit 30, welche zu einer Interaktion mit streckenseitigen Anlagen 31 vorgesehen ist, und eine Steuerung 32 auf. Die Einheit 30 umfasst insbeson- dere eine Zugantenne. Das Zusammenwirken der streckenseitigen Anlagen 31 und der Zugsicherungseinheit 28 kann beim Vorliegen bestimmter Betriebssituationen ein Eingreifen der Zugsicherungseinheit 28 in die Steuerung des Schienenfahrzeugs 10 auslösen. So kann die Zugsicherungseinheit 28 z.B. beim Überschreiten einer maximalen zugelassenen Geschwindigkeit oder bei unzulässiger Vorbeifahrt am Halt zeigenden Hauptsignal eine Zwangsbremsung des Schienenfahrzeugs 10 auslösen. Bekannte Systeme einer Zugsicherung sind z.B. die PZB (Punktuelle Zugbeeinflussung) , LZB (Linien-Zug-Beeinflussung) , ATP (Automatic Train Protection) , TBL (Transmission Balise-
Locomotive) , ATB (Automatische treinbeinvloeding) und das ETCS (European Train Control System) .
Der Funktion der Zugsicherungseinheit 28 liegen Zuginformati - onen zugrunde, welche von der Konfiguration des Schienenfahrzeugs 10 und von den aktuellen Betriebszuständen seiner Einrichtungen abhängen. Insbesondere müssen vor einer Dienstaufnahme des Schienenfahrzeugs 10 Informationen über dessen Bremsvermögen an die Zugsicherungseinheit 28 übermittelt wer- den (sogenannte „Zugdateneingabe") . Diese Informationen werden von der Zugsicherungseinheit 28 insbesondere zur Berücksichtigung eines Bremsweges ausgewertet.
Figur 2 zeigt einen Überblick über die Informationen, die zur Ausführung der unten näher beschriebenen Verfahren durch die Zugsicherungseinheit 28 berücksichtigt werden. Neben den bereits erwähnten Informationen BVD über das Bremsvermögen werden zusätzlich Daten BSD der zu befahrenden Bahnstrecke, zu- mindest eine Information POS über die Ist-Position des Schienenfahrzeugs 10 und wenigstens eine Information V über die momentane Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs 10 berücksichtigt. Außerdem werden zumindest eine Information M über die Beladung des Schienenfahrzeugs 10 und wenigstens eine Information EQ über eine in der Bremseinrichtung 22 enthaltene Wärme berücksichtigt. Diese Information EQ kann insbesondere aus der Auswertung einer Temperaturkenngröße für eine Temperatur der Bremseinrichtung 22 gewonnen werden.
Zur Ausführung der unten beschriebenen Betriebsmodi ist die Steuerung 32 der Zugsicherungseinheit 28 mit zumindest einer Recheneinheit (nicht dargestellt) und zumindest einer Speichereinheit 33 ausgestattet, in welchen entsprechende aus- führbare Programme gespeichert sind.
Die Informationen BVD und BSD sind zweckmäßigerweise in einer nicht näher dargestellten Datenbank des Schienenfahrzeugs 10 gespeichert, auf welche die Zugsicherungseinheit 28 Zugriff hat. Die Informationen POS, V, M und EQ werden üblicherweise über entsprechende, nicht näher dargestellte Sensoreinheiten erfasst .
Die Komponenten der Bremseinrichtung 22, die in einem Brems- Vorgang zumindest einen Teil der kinetischen Energie des
Schienenfahrzeugs 10 aufnehmen, bilden eine Energieaufnähme- einheit 34. Insbesondere bilden Komponenten 35 (Figur 1) der als Reibungsbremseinheit ausgebildeten Bremseinheit 24, insbesondere Bremsscheiben, Elemente der Energieaufnahmeeinheit 34, die zur Energieaufnahme durch Erwärmung vorgesehen sind. Diese Energieaufnahmeeinheit 34 umfasst ggf. außerdem bei den oben erwähnten alternativen Ausführungen der Bremseinheit 24 Komponenten einer Retarderbremse bzw. einer Wirbelstrombremse und/oder die Bremswiderstände 32 der elektrischen Bremsein- heit 26. Die Information EQ bildet eine Zustandskenngröße der Energieaufnahmeeinheit 34, welche für den energischen Zustand der Energieaufnahmeeinheit 34 charakteristisch ist. Diese Information EQ entspricht insbesondere der Summe der in den Elementen der Energieaufnahmeeinheit 34 enthaltenen Energiemengen .
Figur 3 zeigt ein erstes Diagramm, anhand welches ein von der Zugsicherungseinheit 28 ausgeführtes Verfahren zum Betreiben des Schienenfahrzeugs 10 entlang einer Bahnstrecke 36 erläutert wird.
Die Bahnstrecke 36 weist einen Gefahrenpunkt 38 auf, welcher dem Beginn eines Gefälleabschnitts 40 dieser Bahnstrecke 36 entspricht. Das Annähern des Gefahrenpunkts 38 wird auf der Basis der Daten BSD als Streckeninformationen ermittelt. Diese Daten BSD umfassen hierzu zumindest ein Höhenprofil, welches im Diagramm dargestellt ist.
Das Schienenfahrzeug 10 ist außerdem durch eine maximal zugelassene Energie Emax charakterisiert . Insbesondere entspricht die maximal zugelassene Energie der von der Bremseinrichtung 22 auslegungsbedingt maximal aufnehmbaren Energie. Diese ist im Voraus festgelegt und für die Auslegung der Bremseinrichtung 22 maßgebend.
Die maximal zugelassene Energie Emax - und daher die Auslegung der Bremseinrichtung 22, kann derart gewählt werden, dass bei allen denkbaren Fahrtsituationen die Fahrzeugenergie Etrain kleiner als Emax ist. Zur Bestimmung der Energie Emax ist dabei der „ungünstigste" Energiezustand des Schienenfahrzeugs 10 maßgebend. Dabei wird angenommen, dass sich das Schienenfahrzeug 10 mit der maximalen Geschwindigkeit, einer kritischen Masse und in einem Streckenabschnitt mit einer kritischen
Streckenneigung befindet. Dies bedingt jedoch hohe konstruktive Anforderungen an der Bremseinrichtung 22 und ggf. eine Überdimensionierung dieser, insbesondere bezüglich zulässiger Temperaturen und Energieaufnahmekapazitäten der Bremskompo- nenten.
In einer alternativen, in diesem Text beschriebenen Ausführung kann die maximal zugelassene Energie Emax kleiner festge- setzt werden, wodurch eine konstruktiv einfachere Auslegung der Bremseinrichtung 22 erreicht werden kann.
Bei der Fahrt entlang der Bahnstrecke 36 wird kontinuierlich oder in regelmäßigen Zeitabständen eine für die Fahrzeugenergie Etrain repräsentati e energetische Zustandskenngröße ermittelt. Als Kriterium für den Betrieb des Schienenfahrzeugs 10 gilt dann, dass die aktuelle Fahrzeugenergie Etrain die maximal zugelassene Energie Emax nicht überschreiten darf. Diese Situation könnte insbesondere eintreten, wenn das Schienenfahrzeug 10 überlastet ist - d.h. eine Masse über eine vorgegebene maximale Masse aufweist, entlang einer Gefällstrecke mit einer Neigung über eine vorgegebene maximale Streckenneigung fährt und/oder wenn Elemente der Energieaufnahmeeinheit 34, die zur Energieaufnahme durch Erwärmung vorgesehen sind, sich bereits in einem vorgewärmten Zustand befinden.
Die energetische Zustandskenngröße ist für die sich aus der kinematischen Energie Ekin, der potentiellen Energie Epot und der in der Energieaufnahmeeinheit 34 enthaltenen Energie EQ ergebenden Fahrzeugenergie Etrain repräsentativ. Zu deren Ermittlung der werden daher die oben erwähnten Informationen M, V, BSD, POS, BVD und EQ herangezogen. Im betrachteten Ausführungsbeispiel entspricht die energetische Zustandskenngröße der Fahrzeugenergie Etrain selbst. In einer weiteren Ausführung kann für die Zustandskenngröße eine Größe gewählt werden, aus welcher die Fahrzeugenergie Etrain eindeutig hergeleitet werden kann. Die momentane potentielle Energie Epot des Schienenfahrzeugs 10 wird durch die Masse M des Schienenfahrzeugs 10 und einen Höhenunterscheid definiert. Dabei entspricht dieser dem
Höhenunterscheid zwischen der aktuellen Ist-Position POS des Schienenfahrzeugs 10 und der Position auf der Strecke, zu welcher das Schienenfahrzeug 10 zum Stehen kommen würde, wenn eine Schnellbremsung mit der maximalen verfügbaren Bremsleistung bei der Ist-Position POS eingeleitet werden würde. Ausgehend von der aktuellen Fahrzeugenergie Etrain wird die Fahrzeugenergie EtrainGF am Gefahrenpunkt 38 extrapoliert. Der Extrapolation liegen die Annahme einer Aufrechterhaltung der aktuellen Fahrweise bis zum Gefahrenpunkt 38 zugrunde. Auf- grund des Gefälleabschnitts 40 ist die Fahrzeugenergie EtrainGF am Gefahrenpunkt 38 um den Betrag einer potentiellen Energie größer. Diese potentielle Energie hängt von der Masse M des Schienenfahrzeugs 10 und dem Höhenunterschied zwischen dem Gefahrenpunkt 38 und dem Punkt auf der Strecke, an welchem das Schienenfahrzeug 10 bei der Durchführung einer Bremsung beginnend am Gefahrenpunkt 38 mit der maximal verfügbaren Leistung zum Stehen kommen würde. In einem Extremfall kann der Höhenunterschied dem gesamten Höhenunterschied des Gefällabschnitts 40 entsprechen.
Falls die Fahrzeugenergie EtrainGF am Gefahrenpunkt 38 die maximal zugelassene Energie Emax überschreitet, wird von der Zugsicherungseinheit 28 ein Schutzmodus mit den unten beschriebenen Maßnahmen eingeleitet. Weist die extrapolierte Fahr- zeugenergie EtrainGF ein zulässiges Niveau auf, kann die Fahrweise bis zum Gefahrenpunkt 38 aufrechterhalten werden.
Der einzuleitende Schutzmodus zielt darauf ab, das Schienenfahrzeug 10 spätestens am Gefahrenpunkt 38 in einen energeti- sehen Zustand zu bringen, bei welchem die Bedingung
Etrain < Emax erfüllt ist.
Hierzu wird von der Zugsicherungseinheit 28 ein Fahrabschnitt 42 bestimmt, welcher spätestens am Gefahrenpunkt 38 endet. Der Fahrabschnitt 42 wird derart bestimmt, dass die Fahrzeugenergie Etrain am Gefahrenpunkt 38 der maximal zugelassenen Energie Emax entspricht oder diese unterschreitet. Der Fahrabschnitt 42 wird durch Ermittlung von dessen Anfang und von einer Fahrweise des Schienenfahrzeugs 10 bestimmt, welche das Schienenfahrzeug 10 in den gewünschten energischen Zustand bringt . Die Fahrweise im bestimmten Fahrabschnitt 42 umfasst eine Bremsphase 44, in welcher das Schienenfahrzeug 10 ausgehend von einer ersten Geschwindigkeit V0 bis zum Erreichen einer Zielgeschwindigkeit Vz gebremst wird. Die Bestimmung des Fahrabschnitts 42 umfasst insbesondere die Ermittlung der Zielgeschwindigkeit Vz.
Es wird angenommen, dass die Differenz zwischen der extrapolierten Fahrzeugenergie EtrainGF und der maximal zugelassenen Energie Emax einer Energiedifferenz ΔΕ entspricht.
In einem ersten, im Diagramm der Figur 3 gezeigten Modus des Schutzmodus wird die Zielgeschwindigkeit Vz derart berechnet, dass die kinetische Energie Ekin des Schienenfahrzeugs 10 wäh- rend der Bremsphase 44 um einen kinetischen Betrag ÄEkin reduziert wird und die Zielgeschwindigkeit Vz eine kinetische Energie EkinGF und eine potentielle Energie EpotGF am Gefahrenpunkt 38 bewirken, deren Summe um die Energiedifferenz ΔΕ kleiner als die maximal zugelassene Energie Emax ist.
Dabei soll bemerkt werden, dass die potentielle Energie EpotGF am Gefahrenpunkt 38 von der Zielgeschwindigkeit Vz abhängt. Bei einer kleinen Zielgeschwindigkeit Vz ist der bei einer Bremsung am Gefahrenpunkt 38 bis zum Stillstand des Schienen- fahrzeugs 10 notwendige Bremsweg kleiner als bei einer höheren Zielgeschwindigkeit Vz. Bei der kleinen Zielgeschwindigkeit Vz endet der Bremsweg daher zu einem höheren Punkt im Gefällabschnitt 40, der einen kleineren Höhenunterschied zum Gefahrenpunkt 28 hat als ein durch eine höhere Geschwindig- keit bedingter, tieferer Bremswegendepunkt.
Der letzte Punkt im Fahrabschnitt 42, aus welchem eine
Schnellbremsung eingeleitet werden kann, die bei der aktuellen Zielgeschwindigkeit Vz zu einem Stillstand am Gefahren- punkt 38 führen würde, ist durch das Bezugszeichen BWA, welcher den Anfang eines Bremswegs BW bis zum Gefahrenpunkt 38 bildet, gekennzeichnet. Ab diesem Punkt BWA steigt die poten- tielle Energie Epot kontinuierlich bis zum Wert EpotGF am Gefahrenpunkt 38.
Damit die Fahrzeugenergie Etrain am Gefahrenpunkt 38 maximal die zugelassene Energie Emax beträgt, muss der Bremsphase 44 eine Energieabbauphase 46 folgen, in welcher zumindest der von der Energieaufnahmeeinheit 34 aufgenommene kinetische Betrag ÄEkin von dieser an die Umgebung abgegeben wird. Diese Energieabbauphase 46 entspricht insbesondere einer Abkühlpha- se von Bremskomponenten der Bremseinrichtung 22, die Elemente der Energieaufnahmeeinheit 34 sind. Die von der Energieaufnahmeeinheit 34 abgebaute Energie ist Energieabbaubetrag ÄEQ genannt. Dieser entspricht in diesem ersten Modus dem kinetischen Betrag ÄEkin.
In einem zweiten, im Diagramm der Figur 4 gezeigten Modus des Schutzmodus wird die Zielgeschwindigkeit Vz derart berechnet, dass während der Energieabbauphase 46 als Energieabbaubetrag ÄEQ weniger Energie als der kinetische Betrag ÄEkin abgebaut wird. Hierzu wird die Zielgeschwindigkeit Vz derart berechnet, dass die Summe der kinetischen Energie EkinGF und der potentiellen Energie EpotGF am Gefahrenpunkt 38 um mehr als die Energiedifferenz ΔΕ kleiner als die maximal zulässige Fahrzeugenergie Emax ist. Der Überschuss an Energie, um welche die Fahrzeugenergie reduziert wird, kann am Gefahrenpunkt 38 noch in der Energieaufnahmeeinheit 34 enthalten sein. Die Energieabbaustrecke EAS kann sich daher gegenüber dem ersten Modus verkürzen . Die Bestimmung des Fahrabschnitts 42 in den genannten Modi umfasst des Weiteren die Bestimmung der Bremsstrecke BS für die Bremsphase 44 und der Energieabbauphasenstrecke EAS für die Energieabbauphase 46. Dabei wird jeweils zumindest der Anfangspunkt der jeweiligen Phase bestimmt. Die Energieabbau- strecke EAS wird abhängig vom Energieabbaubetrag ÄEQ anhand einer Kühlleistungskennlinie der Energieaufnahmeeinheit 34 berechnet. Dieser Kühlleitungskennlinie kann eine Information über das Abkühlverhalten der Energieaufnahmeeinheit 34 oder einzelner Elemente dieser entnommen werden. In einem besonderen Beispiel kann aus der Kühlleistungskennlinie eine Zeit zum Erreichen einer bestimmten Temperaturreduktion ermittelt werden. Die Energieabbaustrecke EAS kann auf dieser Basis und mit Kenntnis der momentanen Geschwindigkeit V, im Normalfall die Zielgeschwindigkeit Vz, berechnet werden. Die Bremsstrecke 44 wird auf der Basis der oben erwähnten Informationen BVD über das Bremsvermögen des Schienenfahrzeugs 10 und der momentanen Geschwindigkeit V berechnet.
Zur Einleitung der Bremsphase 44 zu Beginn des Fahrabschnitts 42 wird der Triebfahrzeugführer von der Zugsicherungseinheit 28 - z.B. über eine Anzeigeeinheit - aufgefordert, das Schienenfahrzeug 10 auf die bestimmte Zielgeschwindigkeit Vz zu bremsen. Die Bremsstrecke BS wird auf der Basis von Bremsverzögerungswerten BVD ermittelt, die bei einer normalen Betriebsbremsung Anwendung finden.
Wird von der Zugsicherungseinheit 28 erkannt, dass keine Re- aktion oder eine unzureichende Reaktion des Triebfahrzeugführers - z.B. die Einleitung einer Bremsung mit unzureichender Bremsverzögerung - vorliegt, wird in einem Zwangseingriffsmodus eine Bremsung zur Herstellung der Zielgeschwindigkeit Vz automatisch von der Zugsicherungseinheit 28 eingeleitet. Die Bremsstrecke BS wird auf der Basis von Bremsverzögerungswerten ermitteln, die bei einer Schnellbremsung Anwendung finden .
Die Zugsicherungseinheit 28 weist fernen einen Notmodus auf, bei welchem das Schienenfahrzeug 10 bis zum Stillstand gebremst wird. Dieser Notmodus wird eingeleitet, wenn von der Zugsicherungseinheit 28 erkannt wird, dass die Bremsphase 44 im Zwangseingriffsmodus fehlerhaft - z.B. mit einer zu geringen Verzögerung - oder nicht ausgeführt wird. Er wird eben- falls eingeleitet, wenn nach der Bremsphase 44 das Vorliegen eines Fehlers in der Energieabbauphase 46 erkannt wird. Dies kann z.B. dadurch erkannt werden, dass ein Temperaturverlauf von Komponenten der Energieaufnahmeeinheit 34 von einem auf der Basis einer Kühlleistungskennlinie ermittelten Temperaturverlauf abweicht .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Schienenfahrzeugs (10) entlang einer Bahnstrecke (36), bei welchem:
- eine Fahrt des Schienenfahrzeugs (10) entlang der Bahnstrecke (36) einen Fahrabschnitt (42) aufweist, welcher vor oder an einem Gefahrenpunkt (38) der Bahnstrecke (36) endet,
- das Schienenfahrzeug (10) - in einem Schutzmodus - am Anfang des Fahrabschnitts (42) ausgehend von einer ersten Ge- schwindigkeit (V0) während einer Bremsphase (44) gebremst wird,
- während der Bremsphase (44) ein kinetischer Betrag (ÄEkin ) der kinetischen Energie ( Ekin ) des Schienenfahrzeugs (10) von einer Energieaufnahmeeinheit (34) des Schienenfahrzeugs (10) aufgenommen wird,
- der Bremsphase (44) eine Energieabbauphase (46) folgt, in welcher zumindest ein Teil der aufgenommenen Energie von der Energieaufnahmeeinheit (34) abgegeben wird und
- der Fahrabschnitt (42) derart bestimmt wird, dass eine für eine Fahrzeugenergie (Etrain ) repräsentative energetische Zustandskenngroße, welche zumindest die in der Energieaufnähme- einheit (34) vorhandene Energie (EQ) berücksichtigt, am Gefahrenpunkt (38) eine Bedingung erfüllt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die energetische Zustandskenngroße die momentane Masse (M) des Schienenfahrzeugs (10) berücksichtigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die energetische Zustandskenngroße für die sich aus der kinetischen Energie (Ekin) und der potentiellen Energie (Epot) des Schienenfahrzeugs (10) und der in der Energieaufnahmeeinheit (34) vorhandenen Energie (EQ) ergebende Fahrzeugenergie
( Etrain ) repräsentativ ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bedingung fordert, dass die Fahrzeugenergie (Etrain ) am Gefahrenpunkt (38) einer vorgegebenen maximal zugelassenen Fahrzeugenergie (Emax) entspricht oder diese unterschreitet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Energieaufnahmeeinheit (34) Bremseinrichtungskomponenten des Schienenfahrzeugs (10) umfasst, die zumindest einen Teil des kinetischen Betrags (ÄEkin ) in der Form von Wärme aufnehmen, wobei die Energieabbauphase (46) einer Abkühlphase der Bremseinrichtungskomponenten entspricht .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der aktuelle Wert der energetischen Zustandskenngroße erfasst wird, die energetische Zustandskenngroße am Gefahrenpunkt (38) ausgehend vom aktuellen Wert extrapoliert wird und der Schutzmodus eingeleitet wird, wenn die extrapolierte Zustandskenngroße die Bedingung nicht erfüllt.
7. Verfahren nach Anspruch 6 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Extrapolation auf der Basis von Daten (BSD) der Bahnstrecke (36) erfolgt, die zumindest ein Höhenprofil der Bahnstrecke (36) aufweisen, wobei der Gefahrenpunkt (38) dem Beginn eines Gefälleabschnitts (40) entspricht.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestimmung des Fahrabschnitts (42) im Schutzmodus die Berechnung einer am Ende der Bremsphase (44) zu erreichenden Zielgeschwindigkeit (Vz) umfasst.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 4, 6 und 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Basis der extrapolierten Zustandskenngroße eine Kenngröße für die Energiedifferenz (ΔΕ) zwischen der maximal zu- lässigen Fahrzeugenergie (Emax) und der extrapolierten Fahrzeugenergie (EtrainGF) am Gefahrenpunkt (38) ermittelt wird, wobei die Zielgeschwindigkeit (Vz) von der Energiedifferenz (ΔΕ) abhängt.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zielgeschwindigkeit (Vz) derart berechnet wird, dass sie eine kinetische Energie (EkinGF) und eine potentielle Energie (EpotGF) am Gefahrenpunkt (38) bewirkt, deren Summe zumindest um den Betrag der Energiedifferenz (ΔΕ) kleiner als die maximal zulässige Fahrzeugenergie (Emax) ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ersten Modus des Schutzmodus während der Energieabbauphase (46) als Energieabbaubetrag (ÄEQ) zumindest der kinetische Betrag (ÄEkin) abgebaut wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem zweiten Modus des Schutzmodus die Zielgeschwindigkeit (Vz) derart berechnet wird, dass während der Energieabbauphase (46) als Energieabbaubetrag (ÄEQ) weniger Energie als der kinetische Betrag (ÄEkin) abgebaut wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Bestimmung des Fahrabschnitts (42) im Schutzmodus die Berechnung der für die Energieabbauphase (46) erforderlichen Energieabbauphasenstrecke (EAS) abhängig von einem Energieabbaubetrag (ÄEQ) anhand einer Kühlleistungskennlinie der Energieaufnahmeeinheit (34) umfasst.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der Triebfahrzeugführer in einem Aufforderungsmodus aufgefordert wird, zum Beginn des Fahrabschnitts (42) die Bremsphase (44) einzuleiten.
15. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Bremsphase (44) in einem Zwangseingriffsmodus automatisch von einer Zugsicherungseinheit (28) eingeleitet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 und 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine mangelhafte Reaktion auf das Auffordern im Aufforde- rungsmodus erkannt wird und der Zwangseingriffsmodus angewendet wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Notmodus das Schienenfahrzeug (10) bis zum Stillstand gebremst wird, wobei der Notmodus eingeleitet wird, wenn das Vorliegen eines Fehlers in der Energieabbauphase (46) erkannt wird.
18. Zugsicherungseinheit mit einer Steuerung (32), die dazu vorgesehen ist, ein Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
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