Verfahren zur Prognose eines Haftwerts in einem Kontaktpunkt zwischen einem Rad eines Schienenfahrzeugs und der Schiene, Verfahren zur Verbesserung des Haftwertes in einem Kontaktpunkt zwischen einem Rad eines Schienenfahrzeugs und der Schiene und Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prognose eines Haftwerts in einem Kontaktpunkt zwischen Rad eines Schienenfahrzeugs und Schiene, um im Anschluss daran haftwertverbessernde Maßnahmen, insbesondere Besanden der Schiene, zu ergreifen.

Verschmutzungen von Schienen durch Immissionen aus Industrie und Straßenverkehr und in manchen Fällen auch durch natürliche Quellen wie Laub oder Blütenstaub bilden in Kombination mit Feuchtigkeit einen Schmierfilm, der einen Haftwert im Kontaktpunkt zwischen Rad eines Schienenfahrzeugs und Schiene stark herabsetzt. Dies kann zu einem sogenannten Gleiten führen, bei dem das Rad ohne abzurollen über die Schiene rutscht. Infolgedessen können Schienenfahrzeuge beim Anfahren einer Haltestelle oder in Gefahrensituationen bei feuchten Bedingungen erheblich schlechter Verzögern, was somit eine Erhöhung der Unfallwahrscheinlichkeit oder die Gefahr einer Signalüberfahrt oder

Bahnsteigsüberfahrt und damit Verzögerungen im Betriebsablauf mit sich bringt.

Um der gesteigerten Gefahrensituation Rechnung zu tragen, passen die meisten Triebfahrzeugführer ihr Fahrverhalten den rutschigeren Bedingungen bei entsprechenden Witterungen an. Somit kommt es insbesondere bei urbanem Schienenverkehr, bei dem Fahrzeuge in kurzen Abständen hintereinander viele Haltestationen anfahren, schneller zu Verspätungen und Verzögerungen im Betriebsablauf. Zudem nimmt der Fahrgast eine besonders langsame Bahnhofs- bzw. Haltestelleneinfahrt als eine subjektive Verzögerung wahr, was zu Unmut und Unzufriedenheit führen kann.

Sandstreueinrichtungen sind seit langem im Stand der Technik als eine Möglichkeit bekannt, die Haftung zwischen Schiene und Rad eines Schienenfahrzeugs besonders bei feuchten Schienen zu erhöhen. Dabei wird Sand auf die Schienenoberfläche in den Kontaktpunkt zwischen Schiene und Rad meist über ein Druckluftsystem eingebracht, wodurch der Haftwert des Rades auf der Schiene verbessert werden kann. Denkbar sind allerdings auch andere Maßnahmen, um den Haftwert zwischen Rad und Schiene zu erhöhen. So kann beispielsweise Druckluft dazu verwendet werden die verunreinigte Schiene von Verschmutzungen zu säubern und auf diese Weise den Haftwert zu erhöhen.

Die Betätigung der Besandungsvorrichtung erfolgt in vielen Fällen manuell durch den

Triebfahrzeugführer und ist somit von der Erfahrung und der subjektiven Einschätzung einer Person abhängig und mit einem Risiko menschlicher Fehleinschätzung beaufschlagt. In bestimmten anderen Fällen kann die Betätigung auch automatisch ausgelöst werden. Beispielsweise kann ein

Gleitschutzsystem ein "Gleiten" des Rades auf der Schiene erkennen und als Folge die

Sandstreueinrichtung betätigen. Da das Sandstreusystem eine Reaktionszeit von mehreren Sekunden aufweist, legt das Fahrzeug nach Erkennen eines Gleitens bei hohen Geschwindigkeiten noch erhebliche Wegstrecke ohne verbesserten Haftwert zurück, was negative Auswirkungen auf den Bremsweg und damit im schlimmsten Fall auf die Sicherheit mit sich bringt. Zudem wird bei manchen Systemen ein automatisches Sanden bei Notbremsungen eingeleitet.

Um möglichst frühzeitig zu erkennen, ob haftwertverbessernde Maßnahmen, wie die Besandung der Schiene, ergriffen werden müssen, gilt es den Haftwert möglichst frühzeitig zu bestimmen.

Patentdokument DE19542872 offenbart ein Verfahren zur Messung des Schmutzfilmes über einen optischen Sensor, der auf der Schiene reflektierte Laserstrahlen detektiert und auswertet und somit Rückschlüsse über den Haftwert zwischen Rad und Schiene ausgeben kann. Anhand der Beschaffenheit der Schiene können somit Gegenmaßnahmen, wie beispielsweise das Betätigen der

Besandungseinrichtung eingeleitet werden. Nachteil dieser Methode ist, dass optische Sensoren am Unterflurbereich von Schienenfahrzeugen insbesondere bei widrigen Wetterbedingungen, die hinsichtlich der Ausbildung eines Schmierfilms besonders kritisch einzustufen sind, schnell verschmutzen und somit keine zuverlässigen Rückschlüsse auf den Zustand der Schienen mehr zulassen. Zudem muss für dieses Verfahren zusätzliches Equipment wie Messsensoren oder eine Laserquelle bereitgestellt werden.

Vor diesem Hintergrund ist es also die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Prognose des Haftwertes in dem Kontaktpunkt zwischen Rad des Fahrzeugs und Schiene zur Verfügung zu stellen, sodass anhand dieser Haftwertprognose eine möglichst optimale haftwertverbessernde Maßnahme, wie beispielsweise automatisches Besanden der Schienen, bei Bremsvorgängen vorgenommen werden kann und somit die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Schienenfahrzeugen weiter erhöht werden kann. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Bestimmung eines Haftwertes, einem Verfahren zur Bestimmung einer Intensität einer haftwertverbessernden Maßnahme und einer Vorrichtung zur Ausführung der Verfahren gemäß der nebengeordneten Ansprüche erfüllt.

Die Prognose des Haftwerts zwischen Rad und Schiene wird dabei zumindest anhand des Luftdrucks, der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit und der daraus resultierenden Taupunkttemperatur ermittelt.

Das Verfahren zur Bestimmung der Intensität einer haftverbessernden Maßnahme beinhaltet eine eindeutige Zuordnungsvorschrift, mit Hilfe derer ein Haftwert, der anhand des Verfahrens zur Prognose eines Haftwertes ermittelt wurde, in eine Intensität einer haftwertverbessernden Maßnahme umgerechnet werden kann.

Die Vorrichtung zur Ausführung der beiden Verfahren umfasst dabei einen Dateneingang zur Aufnahme der relevanten Daten, ein Rechenteil zur Umrechnung des Haftwertes in eine Intensität der

haftwertverbessernden Maßnahme, ein Datenausgang zur Bereitstellung und Weitergabe des ermittelten Ergebnisses der Recheneinheit und eine Bedieneinheit zum Bedienen und Überwachen der Verfahren.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Daten des Gleitschutzsystems, das erkennt wann Schlupf zwischen Rad und Schiene auftritt, ebenfalls für das Verfahren zur Bestimmung des Haftwertes im Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene bereitgestellt.

Zudem, verwendet das Verfahren zur Bestimmung des Haftwertes vorzugsweise einen Algorithmus, wie beispielsweise ein neuronales Netz, der in der Lage ist selbstständig zu lernen und somit Informationen aufzunehmen, weiter zu verarbeiten und in die zukünftige Berechnung mit aufzunehmen. Das selbstständige Lernen könnte insbesondere anhand Informationen, die vom Gleitschutzsystem an den Algorithmus geliefert werden, durchgeführt werden. Bei erkanntem Schlupf zwischen Rad und Schiene in Situationen in denen das Verfahren keinen kritischen Haftwert prognostiziert hat, erkennt der Algorithmus seine fehlerhafte Prognose und kann sie zukünftig anpassen.

Vorzugsweise kann zusätzlich die Position des Fahrzeugs erfasst und dem Prognosemodell übermittelt werden. Anhand dieser Positionsdaten können zum einen Luftdruckdaten aufgrund veränderter Höhe oder erkannter Fahrt korrigiert werden und zum anderen der Einsatz der Besandung weiter verbessert werden. So kann die Besandung an verbotenen Stellen wie beispielsweise Weichen unterbunden oder das System an bestimmten Positionen, die als besonders gefährdet für einen niedrigen Haftwert eingestuft werden können (beispielsweise Waldgebiete mit erhöhter Vegetation in denen eine erhöhte Gefahr besteht, dass Laub auf die Schienen gelangt), angepasst werden.

Des Weiteren kann vorzugsweise das Datum und die Uhrzeit in das Prognosemodell mit einbezogen werden, um jahreszeiten- oder tageszeitenabhängige Einflüsse mit berücksichtigen zu können. Hierbei sei insbesondere auf erhöhte Taugefahr am Morgen im Frühjahr oder Herbst hingewiesen.

Als weiterer Punkt kann vorzugsweise die Geschwindigkeit in das Prognosemodell mit aufgenommen werden. Diese kann entweder durch eine gegebenenfalls ebenso berücksichtigte Positionsbestimmung oder durch fahrzeugeigene Daten zur Verfügung gestellt werden. Anhand der Geschwindigkeit können Betriebsvorschriften, wie beispielsweise das Unterlassen des Sandens bei geringen Geschwindigkeiten, automatisiert umgesetzt werden.

Zusätzlich werden vorzugsweise die Daten eines Regensensors oder die Anzahl der manuellen

Scheibenwischerbetätigungen pro Zeitintervall bei der Berechnung durch das Prognosemodell berücksichtigt. Dadurch sind Rückschlüsse auf die Intensität von Regen möglich und somit auf die Feuchtigkeit auf den Schienen. Ein starker, über mehrere Minuten andauernder Platzregen hat in der Regel zur Folge, dass der haftwertverringernde Schmierfilm zwischen Rad und Schiene abgewaschen wird, und somit der Haftwert wieder zunimmt.

Vorzugsweise geht ein Helligkeitssensor, der in der Lage ist anhaltenden Sonnenschein zu identifizieren, in das Prognosemodell ein und kann es somit weiter verbessern. Die Annahme ist dabei, dass die Wahrscheinlichkeit einer feuchten Schiene bei anhaltendem Sonnenschein abnimmt und der Haftwert sich somit erhöht. Unter Umständen wird diese Annahme weiterhin unter Berücksichtigung der bereits erwähnten Temperatur, und/oder des Zeitpunkts (Datum, Uhrzeit) weiter verfeinert, da beide Faktoren ebenfalls einen Einfluss auf das Abtrocknen der Schienen haben.

Zudem ist es dem Triebfahrzeugführer vorzugsweise möglich, die Empfindlichkeit des Prognosemodells und damit die Intensität der Besandungsvorrichtung zu beeinflussen, um ihm stets eine

Eingriffsmöglichkeit nach seinem persönlichen Empfinden und seinen Erfahrungen zu ermöglichen. Um die Wahrscheinlichkeit des Kondensierens der Luftfeuchtigkeit an Schienen, was zu einer

Verschlechterung des Haftwerts führt, noch genauer bestimmen zu können, geht vorzugsweise zusätzlich die Temperatur der Schienen in die Berechnung des Verfahrens ein. Dies hat den Vorteil, dass die Temperatur der Schienen nicht über die Umgebungstemperatur geschätzt werden muss und somit die Zuverlässigkeit der Vorhersage erhöht wird.

Zur weiteren Verbesserung der Prognosegenauigkeit wird vorzugsweise der zeitliche Verlauf der gemessenen bzw. in die Berechnung eingehenden Parameter gespeichert. Sofern Datenschutzrechtlich erlaubt, kann somit auch der Verlauf des Betriebsbremsbefehls, also wie schnell der Triebfahrzeugführer die verschiedenen Bremsstufen durchläuft, in das Modell einfließen um die Intensität des Besandens zu beeinflussen. Anhand dieser zusätzlichen Information kann ein schnelleres Lernverhalten des

Algorithmus erzielt werden.

Vorzugsweise wird die Berechnung des Haftwertes zwischen Rad und Schiene durch die Betätigung eines Betriebsbremsbefehls oder eines Beschleunigungsbefehls ausgelöst und gegebenenfalls die Besandungsvorrichtung betätigt.

Weiterhin wird vorzugsweise an Positionen, die als widerkehrende Gefahrenstellen vom Verfahren identifiziert werden konnten, die Berechnung des Haftwertes zwischen Rad und Schiene bereits vorausschauend ausgelöst um im Bremsfall ohne Zeitverzug die haftwertverbessernde Maßnahme einleiten zu können.

Nachfolgend wird die Erfindung im Detail anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Sie zeigen:

Fig. 1 Schematische Zeichnung des Prognosemodells mit seinen relevanten

Eingangsparametern und der Ausgabegröße des Haftwertes zwischen Rad und Schiene.

Fig. 2 D iagramm zur Veranschaulichung eines beispielhaften Zusammenhangs zwischen

Besandungsmenge und Haftwert zwischen Rad und Schiene.

Fig. 1 zeigt eine schematische Zeichnung des Verfahrens mit dem Prognosemodell und den relevanten Eingangsparametern. Diese Parameter werden mit Hilfe einer Berechnungslogik im Prognosemodell verarbeitet und somit der Haftwert m ermittelt. Wie zuvor erwähnt, reichen die im Hauptanspruch genannten Parameter aus, um eine Prognose zum Haftwert m treffen zu können. Es muss jedoch beachtet werden, dass der Wert mit einigen

Unsicherheiten behaftet ist, da eine Vielzahl anderer Faktoren nicht berücksichtigt ist. Um die Qualität der Prognose also weiter zu verbessern, werden die in den Unteransprüchen genannten Parameter ebenfalls herangezogen. Eine möglichst genaue Vorhersage des Haftwertes m und somit ein präziserer Einsatz beispielsweise einer Besandungsvorrichtung sind somit möglich.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung eines beispielhaften Zusammenhangs zwischen dem Haftwert zwischen Rad und Schiene und der Intensität der Besandung, die in diesem Beispiel als haftwertverbessernde Maßnahme dienen soll. Dabei entspricht ein hoher Haftwert m einem geringen Schmierfilm im Kontaktpunkt zwischen Rad und Schiene und bedarf somit keiner

haftwertverbessernden Maßnahmen.

Es ist zu erkennen, dass ab einem Schwellenwert des Haftwertes die Besandung der Schiene sprungartig mit einer Mindestmenge einsetzt. Der konstante Anteil bei hohen Haftwerten ist darauf zurückzuführen, dass bis zu einem gewissen Grenzhaftwert davon ausgegangen werden kann, dass eine ausreichend große Haftung zwischen Rad und Schiene besteht, um einen üblichen Bremsvorgang durchzuführen. Zwar würde in diesem Bereich eine leichte Besandung ebenfalls eine Verbesserung des Haftwertes herbeiführen, jedoch sind die Sandvorräte die ein Schienenfahrzeug mit sich führen kann begrenzt, weshalb die Sandungsbetätigung dosiert eingesetzt werden sollte. Der Sprung ab dem Grenzhaftwert P _G r _e nz ergibt sich aus der Mindestmenge an Sand die durch die Sandungsbetätigung aufgebracht werden muss, um die gewünschte Verbesserung des Haftwertes m zu erzielen. Danach verläuft die Beziehung linear, was bedeutet, dass sich mit dem sich verringerndem Haftwert m die Intensität der

Sandungsbetätigung gleichmäßig ansteigt. Aufgrund eines solchen Zusammenhangs ermittelt das Verfahren zur Bestimmung der Intensität einer haftwertverbessernden Maßnahme ein Ergebnis.

Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung detailliert beschrieben.

Das Verfahren, welches auf einem selbstlernenden Algorithmus beruht, berechnet in regelmäßigen Abständen einen Haftwert im Kontaktpunkt zwischen einem Rad eines Schienenfahrzeugs und der Schiene und ermittelt eine im Bremsfall aufzubringende Besandungsmenge anhand einer hinterlegten Beziehung (siehe Fig. 2) zwischen Besandungsmenge und einem jeweiligen Haftwert. Als Parameter stehen ihm dabei der Luftdruck, sowie die Lufttemperatur, die jeweils dem Klimaanlagesystem entnommen werden können, und die Luftfeuchtigkeit, die dem Air Dryer der Bremsanlage zu entnehmen ist, zur Verfügung.

Darüber hinaus kann das Verfahren auf die Position, die über ein GPS-System bestimmt wurde, beispielsweise aus dem Train Control & Management System (TCMS) zurückgreifen. Über die

Positionsbestimmung und die Verwendung des lernenden Systems, kann der Haftwert insbesondere in Streckenabschnitten in denen der Haftwert m besonderen Einflüssen durch beispielsweise die

Vegetation unterworfen ist, genauer abgeschätzt und vorausgesehen werden. Zudem kann die

Besandung an Stellen, an denen ein Verbot der Besandung durch Betriebsvorschriften besteht, wie beispielsweise an Weichen, unterbunden werden. Durch die Verwendung der Geschwindigkeit aus dem TCMS können weitere Betriebsvorschriften hinsichtlich der Maximalgeschwindigkeit für das Sanden eingehalten werden.

Die Hinzunahme der Parameter Datum und Uhrzeit, die der Bremssteuerung entnommen werden können, helfen weiterhin eine genauere Berechnung des Haftwertes zu erzielen.

Das Verfahren kann zudem auf einen Regensensor oder die Anzahl der manuellen

Scheibenwischerbetätigungen in einem bestimmen Zeitintervall zurückgreifen und somit Rückschlüsse auf die Regenintensität ziehen. Da der Haftwert stark von der Feuchtigkeit der Schiene abhängt, ist somit eine genauere Berechnung des Haftwertes möglich. Zudem kann anhand der Regenerkennung dem Sonderfall eines Platzregens Rechnung getragen werden. Bei einem anhaltenden Platzregen wird die Schiene von dem Schmutzfilm freigewaschen und der Haftwert erhöht sich wieder deutlich.

Durch die Hinzunahme der Daten eines Helligkeitssensors, kann der Einfluss der Sonne ebenfalls in die Rechnung mit eingehen. Da bei Sonnenschein die Schiene schneller wieder trocknet und somit der Haftwert beeinflusst wird, kann das Ergebnis der Berechnung weiter verbessert werden.

Um dem Triebfahrzeugführer immer die Möglichkeit zu geben seine Erfahrungen und sein persönliches Empfinden in das Verfahren mit einzubringen, kann eine Empfindlichkeitsstufe der Berechnung manuell vorgegeben werden. Bei Empfindlichkeitsstufe "0" wird der Haftwert m stets auf das Maximum (also 1) gesetzt und Empfindlichkeitsstufe "10" legt den Haftwert m auf das Minimum (also 0) fest.

Entsprechende Empfindlichkeitsstufen dazwischen stauchen oder strecken die Kurve aus Fig. 2). Des Weiteren werden Informationen des Gleitschutzes über den Schlupf des Rades auf der Schiene an den selbstlernenden Algorithmus zurückgegeben. Diese Informationen lassen den Rückschluss zu, dass im Falle eines Schlupfes des Rades ohne das die Schiene besandet wurde, offensichtlich ein falscher Haftwert berechnet wurde. Somit kann die Berechnung korrigiert und verbessert werden.

Die eigentliche Besandung erfolgt, wenn der Haftwert nach dem Diagramm in Fig. 2 eine Besandung und somit eine Verbesserung des Haftwertes erfordert und der Betriebsbremsbefehl gegeben wurde. Da bei Schienenfahrzeugen üblicherweise eine Bremskraft stetig aufgebaut wird und somit das Rad auch bei niedrigem Haftwert in der Regel nicht unmittelbar nach dem Bremsbefehl blockiert und somit das Gleitschutzsystem auslöst, wird die Besandung der Schiene um einige Sekunden vorher ausgelöst als beim herkömmlichen Auslösen durch das Gleitschutzsystem nach dem Stand der Technik. Somit kann davon ausgegangen werden, dass genügend Sand zur Verbesserung des Haftwertes auf den Schienen liegt, wenn die Bremskraft zur Verfügung steht, die herkömmlicherweise das Gleiten ausgelöst hätte. Eine Verbesserung der Sicherheit und des Komforts wird demnach erreicht.

Sofern ein Besanden bei einer Schnellbremsung nicht obligatorisch durchgeführt wird, ist eine

Anwendung des Verfahrens auch in diesem Fall möglich. Allerdings ist dafür ein Sicherheitsnachweis erforderlich