用于动态优化车辆、尤其是轨道车辆的制动距离的方法和装置与流程

1.本发明涉及一种用于动态优化车辆、尤其是轨道车辆的制动距离的方法、一种用于实施该方法的装置以及一种自动执行该方法的计算机程序产品。


背景技术：

2.所有类型车辆的重要安全方面之一是它们的制动特性。在此在轨道车辆中，轨道和车轮之间的附着力尤为重要。该附着力可能会基于外部环境、如气候条件快速且剧烈地变化，由此显著加大了制动距离的预测和可再现性的难度。
3.在此常常使用所谓的减速调节，其将施加在车轮上的总制动力设定为预定的目标值。该总制动力例如能够补偿摩擦制动器的摩擦系数的公差。但如果基于外部影响、例如通过轨道和车轮之间减小的力锁合而无法在整个制动持续时间上维持预定的目标值，则制动距离相应延长。
4.如果在车辆制动到停车点时检测到车轮和轨道之间的低附着力并据此采取防滑措施、如打磨轨道，则也是这种情况。虽然通过由此实现的在车轮与轨道之间的力锁合的改进可实现随后再次达到目标减速度，但在力锁合减小的时间段(参见图1)内的制动导致较低的减速度和因此导致总计更长的制动距离。
5.因此，制动通常具有离差(streuungen)，其原因只能部分地通过传统的减速调节进行补偿。
6.其负面后果例如是车辆没有停在希望的最终位置处，这尤其是在需要精确目标制动的交通网络中(例如在具有站台屏蔽门的车站中)可导致延误和乘客舒适度下降。
7.在这些情况下使用ato(列车自动运行)系统，其旨在尽可能精准地使列车停止。但这些系统的缺点是其需要预先对基础设施采取特殊的、例如用于识别位置的措施。


技术实现要素：

8.因此，本发明的任务是提供一种方法，借助该方法可实现制动距离的高度可再现性。这适用于在制动期间发生的短期和长期出现的不良影响的情况，这些不良影响例如通过外部因素、如暂时的制动力损失或在调节干扰时的短暂偏差引起。在此应在任何路段上实现制动距离的可再现性，而不必预先对基础设施采取措施。
9.所述任务通过根据主权利要求的方法、根据并列权利要求的装置和计算机程序产品来解决。在从属权利要求中描述了本发明的有利实施方式。
10.用于优化轨道车辆的制动距离的方法在此具有一系列步骤。如果在时间点t0开始以确定的目标减速度a
soll
进行制动，则首先由系统检测该制动以优化制动距离。然后，在时间点t0和随后的时间点t之间求取车辆的实际速度v
ist
和实际作用于车辆的加速度a
ist
。目标减速度a
soll
在此未被确定为常数值，而是通常相应于非常数的曲线。
11.接着计算标称制动距离sn和预期实际制动距离sa。标称制动距离sn在此是将车辆
从在时间点t0的制动触发点在作用于车辆的目标减速度a
soll
下制动到希望的最终速度所需的制动距离。在此标称制动距离sn可以分两部分进行检测。第一部分是直至当前时间点t已经驶过的标称制动距离s
n1
，而另一部分则是尚待行驶的标称制动距离s
n2
。总标称制动距离sn由预定的目标减速度a
soll
和在制动开始的时间点t0实际检测的车辆速度v0计算出。预定的目标减速度a
soll
的曲线在此例如可由取决于时间、车辆速度和/或车辆所在地点的函数给出。但在此其也可以是常数函数。
12.预期实际制动距离也可以分为两个区段。一方面是从制动开始的时间点t0到计算时间点t的实际先前制动距离s
a1
，另一方面是从计算时间点t到达到希望的最终速度的时间点的剩余的预期实际剩余制动距离s
a2
。由在时间点t0和计算时间点t之间的制动间隔内求取的速度曲线v
ist
求取实际先前制动距离s
a1
。
13.出于各种原因在制动期间在实际制动距离与标称制动距离之间可能存在偏差。对于此的原因尤其可归结为例如在盘式制动器中制动蹄和盘之间的非最佳摩擦系数，或车轮和轨道之间的附着力降低。
14.在下一步骤中，与待确定的修改的目标减速度a
soll,mod
相关地将尚待行驶的实际制动距离s
a2
用公式表示为计算公式。修改的目标减速度a
soll,mod
在此可用公式表示为参数相关函数。其可取决于目标减速度a
soll
、时间、列车的速度和地点。这些参数在此确定目标减速度曲线的形状，即不同制动区域中的制动强度。
15.作为下一步骤，最小化在时间点t的理论标称制动距离sn与实际预期的实际制动距离sa之间的差异，其目标是确定修改的目标减速度。为此，将针对尚待行驶的实际制动距离s
a2
与修改的目标减速度相关地用公式表示的公式插入到总预期实际制动距离sa(sa＝s
a1
+s
a2
)的公式中。在此一种最小化可能性在于使理论标称制动距离sn与实际预期的实际制动距离sa相等，以因此消除两个变量之间的差异。标称制动距离sn和预期实际制动距离sa(参见上文)在此均由已经行驶的路段和尚待行驶的路段组成，预期实际制动距离的尚待行驶的制动距离s
a2
是等式的唯一可变部分并且可通过选择未来的修改的目标减速度来影响。因此，可与目标减速度a
soll
相关地为时间点t之后的时间段确定修改的目标减速度a
soll,mod
，其在进一步的制动过程中补偿已经驶过的实际制动距离s
a1
和已经驶过的标称制动距离s
n1
之间的可能偏差，从而可维持总标称制动距离sn。
16.在上述通过参数相关函数用公式表示修改的目标减速度a
soll,mod
的情况下，在最小化时确定函数的参数，使得实际制动距离sa与标称制动距离sn之间的偏差尽可能小。
17.最后的方法步骤包括重复从包括求取实际作用于车辆的减速度a
ist
和车辆的实际速度曲线v
ist
的方法步骤开始的过程。重复的间隔和因此制动间隔的间隔在此由时间间隔δt确定，其又被定义为时间点t0、t、t+δt等之间的间隔。当前计算步骤的时间点t+δt成为下一次计算的时间点t等。
18.然后，将由此求取的修改的目标减速度a
soll,mod
传输到一个装置，该装置计算对于实现修改的目标减速度所需的制动压力并且随后调整制动。
19.在本发明的一种有利实施方式中，附加地求取车辆的位置，例如通过卫星辅助定位系统进行求取。
20.这使得能够确定制动触发的位置和直至制动应结束并且车辆已具有希望速度时的车辆目标终点位置。通过这两个位置信息和制动开始时列车的速度v0可计算两个所述位
置之间的目标减速度a
soll
。
21.在另一种有利实施方式中，所述目标减速度a
soll
可由车辆驾驶员或更高级别的系统、如“列车自动运行”系统确定。在该实施方式中，然后可通过车辆的目标终点位置、确定的目标减速度和车辆在制动触发第一点处的速度v0来计算必须触发制动的位置。
22.优选地，修改的目标减速度a
soll,mod
与目标减速度a
soll
的偏差仅可在一定的预定义界限内选择，以防止乘客的舒适度下降或甚至出现不必要的危险。限制在此既可绝对于也可相对于目标值来确定或者取决于其它状态变量。
23.此外，优选地，相应制动间隔的各个目标减速度a
soll
选择为，使得在确定的时间窗口内补偿制动与制动目标曲线的偏差。因此可确保修改的目标减速度a
soll,mod
曲线仅在确定的界限内不同于目标减速度a
soll
。这还具有以下优点，即可以在给定时间点对制动过程后期可能出现的偏差更好地做出反应，因为以此方式降低了不同制动间隔的各个偏差累加的风险。
24.在另一种有利的实施方式中，为了在时间点t计算标称制动距离sn，优选代替目标减速度a
soll
使用参考减速度a
ref
，该参考减速度通过参考模型、如物理模型确定。该实施方式的优点在于，使用参考模型考虑到了由列车和制动系统组成的系统的动态特性并且因此通过在计算标称制动距离sn时考虑实际的物理限制而明显提高了标称制动距离sn的计算精度。
25.此外，优选提供一种实施方式，在其中在方法步骤(e)中附加地在时间点t计算修改的目标减速度a
soll,mod
和目标减速度a
soll
之间的差异并且将其也纳入减速调节中，以便进一步改善该减速调节。
26.在本发明的一种有利实施方式中，在方法步骤(b)中使用至少一个减速度传感器和/或车辆的速度信号来求取实际作用于车辆的加速度a
ist
。使用这种传感器或信号能够相对简单地且可靠地检测加速度a
ist
。
27.在本发明的另一种实施方式中，借助制动开始时的车辆速度v0(该速度通过检测的实际减速度a
ist
更新直至时间点t)在计算时间点求取车辆速度v
ist
以用于确定实际制动距离sa。因此速度v
ist
由制动开始时的车辆速度v0和检测的减速度a
ist
计算出。
28.在本发明的另一种有利实施方式中，借助车辆上适合的速度传感器测量实际速度v
ist
曲线以用于确定实际制动距离sa。测量的速度曲线在下面以v
ist,gem
表示。
29.此外，在本发明的一种有利实施方式中，第一方法步骤、即检测制动之后的方法步骤与第一方法步骤时间偏移地进行。
30.在本发明的另一种有利实施方式中，所求取的速度曲线v
ist
用于用公式表示剩余制动距离s
a2
。
31.在本发明的另一种有利实施方式中，用于确定标称制动距离sn的设定的目标减速度a
soll
是时间和/或速度和/或地点的函数或是常数。
32.在本发明的另一种有利实施方式中，为了计算剩余的实际制动距离s
a2
，将标称制动距离sn和预期实际制动距离sa之间的偏差设置为零。该过程构成最小化标称制动距离sn和实际制动距离sa之间的偏差的可能性。
33.执行该方法所需的装置包括下述组成部分：用于记录用于方法步骤(b)的车辆的速度和加速度数据的传感器系统；用于存储由传感器系统检测的数据或其它数据的存储单
元；用于处理存储的数据的计算单元；用于接收方法所需数据和命令的通信单元；用于确保由车辆驾驶员操作装置的且能够输出信息的操作界面。
34.此外，一种计算机程序产品配置用于自动执行根据权利要求1至15中任一项所述的方法。
附图说明
35.下面参照附图详细解释本发明。附图如下：
36.图1示出用于解释根据现有技术的减速调节的减速度-时间图表；
37.图2示出用于解释本发明的减速调节的减速度-时间图表；
38.图3示出用于解释本发明的减速调节的速度-时间图表。
39.图4示出根据本发明的减速调节“停车距离控制”的一种实施方式的流程图；
40.图5示出用于解释参考减速度a
ref
的减速度-时间图表；
41.图6示出用于在车辆制动系统中实现根据本发明的方法的实施例；
42.图7示出针对三种不同场景的三种不同模拟减速度随时间的比较。
43.图8示出用于在车辆制动系统中实现的另一种实施例；
44.图9示出用于在车辆制动系统中实现的另一种实施例。
具体实施方式
45.图1示出减速度a随时间t的曲线，其例如会在制动时在根据现有技术的减速调节中出现。在该图表中示出两张图。其一图(实线)示出减速度的目标值预设值a
soll
，而另一图(虚线)反映实际出现的减速度a
ist
的曲线。在建立减速度时可以观察到，实际曲线跟随目标值曲线直到达到目标减速度的预定终值。此外，可以看到实际测量的减速度的下降，测量的减速度a
ist
曲线随后再次调整到目标值曲线a
soll
。
46.测量的减速度a
ist
的这种下降可归因于例如车轮和轨道之间的附着力较低的区段。这又可例如归因于不利的外部条件、如轨道上的湿叶或由灰尘和湿气形成的润滑膜。测量的减速度a
ist
在下降之后再次调整到目标值曲线a
soll
的事实(如在图1中可见)可能有多个原因。例如附着力较低的区域可能仅出现在非常局部的地方或者可采取提高附着力的措施、如打磨轨道，这些措施再次改善车轮与轨道之间的力锁合并且因此可再次实现预定的目标减速度。
47.但应指出，即使采取了提高附着力的措施，基于在大多数情况下略微延迟的开始和现有的反应时间仍无法避免车轮与轨道之间的力锁合的短暂下降。因此，在这种情况下，如果不调整减速度的目标值，制动距离的延长是不可避免的。这一事实是需要如例如本发明所提出的那样改进减速调节的原因，。
48.与图1不同，图2示出在根据本发明的减速调节中将出现的、减速度a随时间t的曲线。在此也可观察到，测量的减速度a
ist
跟随目标减速度a
soll
直到达到减速度的预定恒定目标值。与图1相同，也可观察到基于较低的附着力而导致的测量的减速度的下降。但在图2中除了减速度的已知的恒定目标曲线之外，还可基于点状线识别出另一条目标曲线。该目标曲线是通过根据本发明的调节修改的减速度的目标值曲线a
soll,mod
并且基于测量的实际减速度a
ist
的下降而改变。如可以看出的那样，修改的目标值曲线a
soll,mod
的减速度在实际减速
度a
ist
的下降期间增大。在车轮与轨道之间的力锁合正常化之后，实际减速度a
ist
调整到目标值曲线a
soll,mod
并且可实现车辆的更强减速。因此，可补偿减速度减小的区域，并且尽管实际减速度暂时下降，但仍可实现最初预期的制动距离。
49.图3示出用于说明根据本发明的减速调节的效果的另一图表。所示图表示出车辆速度与时间t或目标减速度a
soll
和实际减速度a
ist
与时间t之间的关系。该图在此被分为两个区域，这两个区域通过一个当前计算时间点来定义。
50.在该计算时间点之前，车辆以虚线所示的实际测量的减速度a
ist
制动，该减速度基于设定的目标减速度a
soll
(实线)产生。在此可以看出，实际测量的实际减速度并未达到预定的目标值并且例如基于轨道与车轮之间的变化的附着系数而不是恒定的。在制动时出现的速度曲线(虚线)由传感器测量并且基于实际减速度曲线出现。
51.在该计算时间点t之后，可以看到速度图的斜率发生了变化。变化的斜率可以用点划线所示的修改的目标减速度a
soll,mod
来解释。该修改的目标减速度通过根据本发明的方法计算并且大于在计算时间点之前的先前目标减速度a
soll
。这是因为先前的实际减速度偏离了先前的目标减速度。为了能够维持在实际减速度不偏离目标减速度的最佳制动的情况下出现的标称制动距离sn，修改的目标减速度a
soll,mod
必须因此大于先前的目标减速度。应注意，计算时间点t之后的修改的目标减速度a
soll,mod
和速度曲线图仅是计算值。因此，在这种情况下在计算时间点t处假设修改的目标减速度a
soll,mod
在计算时间点t之后保持恒定。如果不应是这种情况，则因此将在一个更晚的未显示的计算时间点使用更新的值计算目标减速度并且因此进一步调整目标减速度。
52.图4示出原则上根据本发明计算修改的减速度曲线a
soll,mod
的过程的一种实施方式。借助例如由车辆驾驶员或更高级别的系统从外部预定的目标减速度a
soll
首先求取参考减速度a
ref
。该步骤是必要的，因为在实践中基于制动系统的惯性——例如由于建立气动制动压力——不能从一个时间点到另一个时间点地施加所需的减速度目标值。因此，必须为计算标称制动距离sn确定现实的减速度曲线。其构成参考减速度a
ref
。
53.图5示出目标减速度a
soll
和参考减速度a
ref
之间的区别。在此示出另一图表，在其中绘出随时间的减速度。在此示出目标减速度a
soll
和参考减速度a
ref
的曲线。目标减速度a
soll
从值0跳跃地占据恒定目标值，而参考减速度a
ref
的图是逐渐建立的，缓慢地接近恒定目标值并且因此在晚些时候才到达该目标值。因此，其跟随本来的目标减速度a
soll
。
54.除了预定的目标减速度a
soll
之外，对实际作用的减速度a
ist
和速度v
ist
的测量也被馈送到图4中的系统。在由目标减速度a
soll
确定参考减速度a
ref
之后，借助参考减速度a
ref
和在制动触发时的速度v0(其因此是速度曲线v
ist
的一部分)求取标称制动距离sn。此外，与此类似地，由检测的实际减速度a
ist
和速度v0确定预期实际制动距离sa。标称制动距离sn和预期实际制动距离sa均由两个部分路段组成，一方面是已经驶过的路段s1，另一方面是尚待行驶的路段s2。在此如下确定所述部分路段：
[0055]-已经驶过的标称制动距离：
[0056]sn1
＝f(a
ref
，v0)＝∫v0+∫∫a
ref
(t)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0057]
如果无法确定参考减速度a
ref
(例如因为没有适合的物理模型而可以进行确定)，则代替参考减速度a
ref
直接在上述等式(1)中使用目标减速度a
soll
。
[0058]-已经驶过的实际制动距离：
[0059]
(a)借助制动开始时的速度v0和检测的减速度a
ist
[0060]sa1
＝f(a
ist
，v0)＝∫v0+∫∫a
ist
(t)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0061]
(b)或借助测量的速度(v
ist，gem
)
[0062]sa1
＝∫v
ist，gem
(t)
ꢀꢀꢀ
(3)
[0063]-待行驶的标称剩余制动距离：
[0064]sn2
＝f(a
soll
，v(t))＝v(t)2/2a
soll
ꢀꢀꢀ
(4)
[0065]
其中v(t)可以是测量的速度v
ist，gem
或借助测量的加速度a
ist
和制动开始时的速度v0计算的速度v
ist，calc
(t)＝v0+∫a
ist
(t)。
[0066]
待行驶的实际剩余制动距离：
[0067]sa2
＝f(α
soll，mod
，v(t))＝直至制动结束的目标值预设值作为制动优化的结果
ꢀꢀ
(5)
[0068]
其中v(t)可以是测量的速度v
ist
或借助测量的加速度a
ist
和制动开始时的速度v0计算的速度v
ist，calc
(t)＝v0+∫α
ist
(t)。
[0069]
因此，标称制动距离和预期制动距离之间的偏差e为：
[0070]
e＝s
a1
+s
a2-s
n1-s
n2
ꢀꢀꢀ
(6)
[0071]
由于该方法的目的是尽可能精确地实现制动距离的可再现性，因此偏差e被最小化。在图4所示的实施方式中，其为此被设置为零。在4个部分路段中，只有尚待行驶的实际剩余制动距离s
a2
可通过适当选择减速度曲线来影响。因此，可计算预期实际剩余制动距离s
a2
并又由此计算修改的目标减速度a
soll,mod
。为此，待行驶的实际剩余制动距离s
a2
的表达式(等式5)可插入到上述偏差等式(等式6)中。此外，确定新的目标减速度a
soll,mod
和目标减速度a
soll
之间的偏差a
delta
。该偏差随后可作为进一步的输入变量用于减速调节。
[0072]
在定义制动间隔的、时间点t和t+δt之间的时间间隔δt之后，该方法重复并且对于时间点t+δt重新求取标称制动距离sn和预期实际制动距离sa。如果实际制动距离sa相应于标称制动距离sn，则对于修改的目标减速度a
soll,mod
适用：修改的目标减速度a
soll,mod
等于目标减速度a
soll
。因此保持目标减速度a
soll
。如果不是这种情况，则计算另一修改的目标减速度a
soll,mod
。这一直进行到车辆已达到希望的最终速度。如果希望将车辆制动至静止状态，即希望的最终速度为0，则在实践中在速度接近0时已经终止目标减速度的校正。对于开头提到的列车驶入有站台屏蔽门的车站的情况——在其中要求列车特别准确地停车，则尽可能晚地终止校正，以确保车辆的准确停车位置。在此对于每个计算步骤，前一个计算步骤的时间点t+δt成为新的时间点t。
[0073]
图6示出第一种实施例并且示出根据本发明的方法可如何与车辆的减速调节一起实现。在此被称为“停止距离控制器”的方法根据图4中解释的过程从最初预定的目标减速度a
soll
和直至该时间点实际作用于车辆的减速度a
ist
求取修改的目标值预设值a
soll,mod
。修改的目标值预设值a
soll,mod
在此类似于输入值a_soll既可以是常数也可以是减速度的动态目标值曲线。
[0074]
修改的目标值预设值随后与测量的实际减速度一样构成用于车辆减速调节的输入参数。基于实际测量的加速度，由减速调节求取减速度a
soll,strg
。由减速调节的该调节变量计算制动力(f1,f2,...)及其分布。“停车距离控制器”以及减速调节和制动力计算是列车的电子制动控制的组成部分。如此获得的数据最终通过相应的执行器来实现。由此产生的
加速度a
ist
和速度曲线v
ist
又由相应的车辆传感器检测并反馈给“停车距离控制器”或减速调节以用于后续计算。
[0075]
图7示出针对3种不同场景的不同模拟减速度曲线的比较。在三个场景中分别针对不同框架条件模拟了在所有场景下速度相同的同一车辆的制动距离。相应的减速度曲线在图7的三个不同的减速度-时间图表中示出。在此以具有减速调节的系统为基础。
[0076]
如从图7的表格中可以看出，在场景a中，附着力在整个制动持续时间上为100％。因此存在理想条件，因为车轮与轨道之间的力锁合在制动的任何时间点都没有减少并且因此车轮与轨道之间没有出现打滑。因此，如果不考虑在恒定减速度值建立时的微小差异，则场景a图表中的实际减速度曲线a
ist
因此恒定地位于目标减速度曲线a
soll
上。因此，可在整个制动持续时间上以恒定的目标减速度对车辆进行制动。由此产生的车辆制动距离为800m。基于理想条件，在该场景下使用根据本发明的“停车距离控制”(sdc)不会带来优势。因此，该场景可以看作是其它两个场景的参考场景。
[0077]
而场景b偏离了理想条件，因为在一个范围内(大约从5秒到12秒)附着力例如基于不利的外部条件仅为90％。因此在该时间段内在车轮与轨道之间存在轻微的打滑，因此在该时间段内实际减速度a
ist
不能实现目标减速度a
soll
。根据本发明的方法也没有应用于场景b(sdc未激活)，因此制动距离从参考场景a中的800m延长至817m。
[0078]
最后，在场景c中，当附着力在大约5到12秒的范围内与场景b一样仅为90％期间，sdc被激活。如从场景c的图表中可以看出，响应于该部分路段中减小的附着力，对于剩余的制动增加目标值预设值。因此，一旦通过了附着力降低的该部分路段，减速度的实际值就会跟随目标值并且因此以更大的减速度进行制动。结果是车辆在800m后停下来，尽管部分路段的附着力降低，但仍能实现与参考场景a相同的制动距离。
[0079]
综上所述，本发明涉及一种用于动态优化轨道车辆的制动距离的方法、一种实施该方法的装置以及一种自动执行该方法的计算机程序产品，以改进轨道车辆的制动距离的可再现性。在此该方法在使用在不同的计算时间点测量的车辆速度v
ist
和作用于车辆的加速度a
ist
的情况下将理想条件下的标称制动距离sn与实际预期制动距离sa进行比较。为了在出现偏差时能够继续实现最初预定的制动距离，在计算时间点之后必要时调整减速度的目标值。
[0080]
附图标记列表
[0081]aꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
减速度
[0082]aist
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
实际作用于车辆的减速度(实际减速度)
[0083]asoll
ꢀꢀꢀꢀꢀ
预定的目标减速度
[0084]aref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
参考减速度
[0085]asoll,mod
ꢀꢀ
修改的目标减速度
[0086]adelta
ꢀꢀꢀꢀ
修改的目标减速度和预定的目标减速度之间的差异
[0087]vist
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
求取的速度曲线
[0088]vist,gem
ꢀꢀꢀ
测量的速度曲线
[0089]vist,calc
ꢀꢀ
由制动开始时的速度和测量的减速度计算出的速度曲线(计算的速度曲线)
[0090]
v0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
制动触发时的速度
[0091]
t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
制动触发的时间点
[0092]
snꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
标称制动距离
[0093]
saꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
实际制动距离
[0094]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
计算时间点
[0095]
t+δt
ꢀꢀꢀꢀ
在时间点t之后的时间点
[0096]
δt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
在时间点t0和时间点t之间的时间段