Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Eigenschaft wenigstens eines Lageparameters, insbesondere einer Lageparameterstörung, eines Fahrweges für ein Fahrzeug, bei dem an einem auf einem Streckenabschnitt des Fahrwegs fahrenden Fahrzeug Erfassungswerte wenigstens einer durch den Lageparameter beeinflussten Erfassungsgröße erfasst werden und aus den Erfassungswerten der wenigstens eine Lageparameter für den Streckenabschnitt ermittelt wird. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs sowie ein Fahrzeug zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren.

Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Schienenfahrzeugen, hängt die dynamische Belastung der Fahrzeugkomponenten (speziell natürlich der Fahrwerkskomponenten) im Betrieb stark von dem Zustand der befahrenen Fahrstrecke ab. Dieser Zustand der Fahrstrecke wird unter anderem durch so genannte Lageparameter repräsentiert, die im Falle eines Schienenfahrzeugs in der Regel unter dem Begriff der Gleislage subsumiert werden. Die Gleislage bezeichnet dabei der Regel die Lage eines Eisenbahngleises in horizontaler und/oder vertikaler Richtung sowie gegebenenfalls die gegenseitige Höhenlage beider Schienen des Gleises.

Je geringer die Abweichung eines Gleises von seiner Soll-Gleislage ist, je geringer also die Gleislagefehler sind, desto höher ist die Qualität des Gleises und desto geringer sind die aus solchen Gleislagefehlern resultierenden dynamischen Belastungen des Fahrzeugs. Mit der fortschreitenden wirtschaftlichen Trennung zwischen den Betreibern der Infrastruktur (Schienennetz etc.) und den Betreibern der darauf eingesetzten Fahrzeuge gewinnt der Zustand der Gleise immer größere wirtschaftliche Bedeutung. Insbesondere wird sich der seitens der Infrastrukturbetreiber erzielbare Trassenpreis (also die Gebühr für die Nutzung der Infrastruktur) stärker an der Qualität der Trasse orientieren, sodass verlässliche Informationen über den Zustand des Gleises immer mehr an Bedeutung gewinnen.

Bisher wird die Gleislage eines bestimmten Streckenabschnitts aufwändig mit so genannten Messfahrzeugen ermittelt, welche über eine entsprechende aufwändige Sensorik unmittelbar die Eigenschaften der Lageparameter des Gleises erfassen, speichern und gegebenenfalls in Form geeigneter Datensätze zur Verfügung stellen. Problematisch hierbei ist, dass die Messfahrzeuge zum einen (in der Anschaffung und im Einsatz) vergleichsweise teuer sind und zum anderen (wegen der geringen realisierbaren Fahrgeschwindigkeiten während der Messfahrt) nur zu bestimmten Zeiten mit einer geringen Auslastung der Fahrstrecke (beispielsweise nachts, an Wochenenden etc.) eingesetzt werden können, um den regulären Verkehr auf dieser Strecke nicht zu beeinträchtigen. Gerade bei stark befahrenen Streckenabschnitten, auf denen eine schnelle Verschlechterung des Gleiszustands zu erwarten ist, führt dies zu unzureichend langen Intervallen zwischen den Messfahrten.

Aus dem Artikel Charles, G.A., Goodall, R.M. Dixon, R.: "Wheel-Rail Profile Estimation", (Proceedings of IET international Conference on Railway Condition Monitoring, The IET International Conference on Railway Condition Monitoring 2006, Birmingham, November 2006, pp 32-37, ISBN 0 86341 732 9) ist es bekannt, über entsprechende Sensoren am Fahrzeug und entsprechende Berechnungsaigorithmen (insbesondere einen aus der Regelungstechnik bekannten so genannten Beobachteralgorithmus in Form eines so genannten Kaiman-Filters) Rückschlüsse auf den tatsächlichen Zustand der aktuellen Rad- Schiene-Paarung, insbesondere die effektive Konizität der Rad-Schiene-Paarung, zu ziehen. Hierbei werden allerdings nur Erkenntnisse über den aktuellen Zustand der Rad- Schiene-Paarung gewonnen, die maßgeblich auch von dem Zustand des verwendeten Rades beeinflusst sind. Eine isolierte Betrachtung der Schiene, welche Aufschlüsse über den aktuellen Zustand des Gleises geben könnte, erfolgt jedoch nicht.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren sowie ein Fahrzeug eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, welches die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße aufweist und insbesondere auf einfache und kostengünstige Weise eine Erfassung und Nutzung der Eigenschaften der Lageparameter eines Streckenabschnitts ermöglicht.

Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass man eine einfache und kostengünstige Erfassung und Nutzung der Eigenschaften der Lageparameter eines Streckenabschnitts ermöglicht, wenn aus den Erfassungswerten in Abhängigkeit von den Modelldaten eines zuvor ermittelten Fahrzeugmodells des Fahrzeugs der aktuelle Wert des Lageparameters ermittelt wird, wobei über das Fahrzeugmodell ein Zusammenhang zwischen dem Lageparameter und der wenigstens einen durch den Lageparameter beeinflussten Erfassungsgröße hergestellt ist. Über ein solches (vorangehend etabliertes) Fahrzeugmodell ist es in vorteilhafter weise möglich, in einfacher Weise (gegebenenfalls in Echtzeit) Rückschlüsse auf den gesuchten Lageparameter zu ziehen. Hierbei kann es sich um ein beliebiges geeignetes mathematisches Modell handeln, über welches sich ein Zusammenhang zwischen der Erfassungsgröße und dem Lageparameter herstellen lässt.

Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Verfahren zum Bestimmen einer Eigenschaft wenigstens eines Lageparameters, insbesondere einer Lageparameterstörung, eines Fahrweges für ein Fahrzeug, bei dem an einem auf einem Streckenabschnitt des Fahrwegs fahrenden Fahrzeug Erfassungswerte wenigstens einer durch den Lageparameter beeinflussten Erfassungsgröße erfasst werden und aus den Erfassungswerten der wenigstens eine Lageparameter für den Streckenabschnitt ermittelt wird. Aus den Erfassungswerten wird in Abhängigkeit von den Modelldaten eines zuvor ermittelten Fahrzeugmodells des Fahrzeugs der aktuelle Wert des Lageparameters ermittelt, wobei über das Fahrzeugmodell ein Zusammenhang zwischen dem

Lageparameter und der wenigstens einen durch den Lageparameter beeinflussten Erfassungsgröße hergestellt ist.

Unter bestimmten Voraussetzungen kann vorgesehen sein, dass der aktuelle Wert des Lageparameters in einem rekursiven Verfahren aus den Erfassungswerten in Abhängigkeit von den Modelldaten des Fahrzeugmodells berechnet wird. Das Fahrzeugmodell ist hierbei so gestaltet, dass es unmittelbar die Beziehung zwischen den Erfassungswerten der Erfassungsgröße und dem bzw. den gesuchten Lageparameter(n) reflektiert bzw. (mit ausreichender Präzision, beispielsweise in ausreichend guter Näherung) eine zu dem bzw. den gesuchten Lageparameter(n) führende Rückrechnung auf Basis der Erfassungswerte der Erfassungsgröße ermöglicht.

Bei weiteren bevorzugten und vergleichsweise universell anwendbaren Varianten der vorliegenden Erfindung wird ein aus dem Bereich der Regelungstechnik hinlänglich bekannter Beobachteralgorithmus verwendet, der in Abhängigkeit von einem aktuellen Erfassungswert einen zugehörigen aktuellen Schätzwert wenigstens einer Zustandsgröße des Fahrzeugs ausgibt, welche durch den Lageparameter beeinflusst ist, und es wird dann in Abhängigkeit von den Modelldaten eines zuvor ermittelten Fahrzeugmodells des Fahrzeugs der aktuellen Wert des Lageparameters ermittelt. Bei dem Fahrzeugmodell kann es sich wie erwähnt um ein beliebiges geeignetes mathematisches Modell handeln, welches den Zusammenhang zwischen dem Lageparameter und der wenigstens einen Zustandsgröße repräsentiert. Derartige Modelle sind aus dem Bereich der Fahrdynamik hinlänglich bekannt.

Mit dem vorliegenden Verfahren ist es unter anderem möglich, anhand der Erfassungswerte gegebenenfalls ohnehin am Fahrzeug vorhandener Erfassungseinrichtungen (beispielsweise der Messwerte am Fahrzeug vorhandener Sensoren) ausreichend zuverlässige Rückschlüsse auf den bzw. die gewünschten Lageparameter, mithin also den aktuellen Zustand des befahrenen Streckenabschnitts zu ziehen. Durch eine geeignete Modellierung des Fahrzeugs (also eine geeignete Wahl des Fahrzeugmodells) und eine geeignete Gestaltung des Beobachteralgorithmus ist es mit der vorliegenden Erfindung möglich, aus Erfassungsgrößen, die aus sich heraus keine unmittelbaren Rückschlüsse auf den Lageparameter zulassen, dennoch schnell und mit ausreichender Genauigkeit derartige Rückschlüsse zu ziehen.

Insbesondere ist es möglich, die Ermittlung der Eigenschaften des Lageparameters in Echtzeit während der Fahrt des Fahrzeugs auf dem Streckenabschnitt durchzuführen. Ein weiterer Aspekt im Zusammenhang mit einer solchen Echtzeitermittlung des Zustands des aktuellen befahrenen Gleises liegt in der Möglichkeit einer von diesem Zustand abhängigen Steuerung des Fahrzeugs, insbesondere bei Schienenfahrzeugen können nachlaufende Fahrwerke unter Verwendung der (beispielsweise an einem vorlaufenden Fahrwerk gewonnenen) Informationen über den Lageparameter, also den Zustand des Fahrwegs, aktiv beeinflusst werden, beispielsweise um einen besonders ruhigen Fahrzeuglauf und/oder ein gewünschtes, gegebenenfalls optimiertes Verschleißverhalten der Fahrzeugkomponenten, insbesondere der Fahrwerkskomponenten zu erzielen.

Bei den Eigenschaften des betreffenden Lageparameters kann es sich sowohl um den aktuellen (gegebenenfalls absoluten) Wert des Lageparameters handeln. Ebenso kann es sich zusätzlich oder alternativ auch um eine Abweichung des Lageparameters von einem vorgegebenen Soll-Wert, mithin also um eine Lageparameterstörung bzw. einen Lageparameterfehler handeln.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Verfahren zum Bestimmen einer Eigenschaft wenigstens eines Lageparameters, insbesondere einer Lageparameterstörung, eines Fahrweges für ein Fahrzeug, bei dem an einem auf einem Streckenabschnitt des Fahrwegs fahrenden Fahrzeug Erfassungswerte wenigstens einer durch den Lageparameter beeinflussten Erfassungsgröße erfasst werden und aus den Erfassungswerten der wenigstens eine Lageparameter für den Streckenabschnitt ermittelt wird. Der wenigstens eine Lageparameter wird für den Streckenabschnitt unter Verwendung eines Beobachteralgorithmus ermittelt, wobei der Beobachteralgorithmus dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von einem aktuellen Erfassungswert einen zugehörigen aktuellen Schätzwert wenigstens einer Zustandsgröße des Fahrzeugs auszugeben, welche durch den Lageparameter beeinflusst ist. In Abhängigkeit von den Modelldaten eines zuvor ermittelten Fahrzeugmodells des Fahrzeugs wird der aktuelle Wert des Lageparameters ermittelt, wobei das Fahrzeugmodell den Zusammenhang zwischen dem Lageparameter und der wenigstens einen Zustandsgröße repräsentiert.

Wie bereits erwähnt, kann für das Fahrzeugmodell ein beliebiges geeignetes mathematisches Modell verwendet werden, welches die unterschiedlichen Körper des

Fahrzeugs und deren Kopplung repräsentiert. Bevorzugt wurde das Fahrzeugmodell unter Verwendung eines, insbesondere nicht linearen, dynamischen Mehrkörpermodells ermittelt. Derartige Mehrkörpermodelle sind hinlänglich aus dem Bereich der Fahrdynamik bekannt und werden häufig zur Vorausbestimmung der Fahrsicherheit und Laufgüte von Fahrzeugen verwendet.

Bei diesen (gelegentlich auch als dynamische Mehrkörpersysteme bezeichneten) Modeilen handelt es sich in der Rege! um nicht lineare Modelle. Um die durchzuführenden Berechnungen (insbesondere im Hinblick auf eine Echtzeitermittlung des Lageparameters) zu vereinfachen, wird das Modell durch ein (hinlänglich bekanntes) geeignetes Vorgehen linearisiert, sodass ein lineares Zustandsraummodell als Fahrzeugmodell gewonnen wird. Die Eingänge des Fahrzeugmodells bilden dann die zu ermittelnden Eigenschaften des bzw. der gewünschten Lageparameter (bei einem Schienenfahrzeug beispielsweise die Gleislage bzw. die Gleislagestörung), während die Ausgänge die betreffende Erfassungsgröße bzw. Erfassungsgrößen repräsentieren. Als Zustände des modellierten Systems werden dann beispielsweise die Position oder die Geschwindigkeit bestimmter interessierender Fahrzeugkomponenten (bei einem Schienenfahrzeug beispielsweise der Räder oder Radsätze, des Fahrwerksrahmens und anderer Fahrzeugkomponenten wie dem Wagenkasten etc.) bezeichnet.

Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren lässt sich grundsätzlich mit einer beliebig aufwändigen bzw. komplexen Modellierung des Fahrzeugs durchführen. Insbesondere können für die Bewegung einer Fahrzeugkomponente jeweils ein oder mehrere Freiheitsgrade bis hin zu allen sechs möglichen Freiheitsgraden (Translation in und Rotation um alle drei Raumrichtungen) berücksichtigt werden. Um den Berechnungsaufwand jedoch zu reduzieren, ist vorzugsweise vorgesehen, dass für das Fahrzeugmodell nur diejenigen Freiheitsgrade der Komponenten des Mehrkörpersystems berücksichtigt werden, weiche einen primären Einfluss auf die Erfassungsgröße haben und/oder welche primär durch den Lageparameter beeinflusst werden.

Es hat sich gezeigt, dass hinreichend präzise Ergebnisse erzielt werden können, wenn Bewegungen in Freiheitsgraden vernachlässigt werden, die lediglich einen geringen Einfluss auf die interessierende Erfassungsgröße bzw. den interessierenden Lageparameter haben. Handelt es sich beispielsweise bei der interessierenden Erfassungsgröße um die axiale Längenänderung einer Feder, so können Bewegungen in Freiheitsgraden unberücksichtigt bleiben, welche lediglich eine Auslenkung der Feder quer zu ihrer Federachse bewirken. Diese Bewegungen können zwar ebenfalls eine gewisse axiale Längenänderung mit sich bringen, deren Beitrag jedoch in der Regel vernachlässigbar ist.

Der Beobachteralgorithmus kann grundsätzlich auch beliebige geeignete Weise generiert worden sein. Vorzugsweise wurde der Beobachteralgorithmus unter Verwendung des Fahrzeugmodells ermittelt, da hiermit auf besonders einfachem Wege ausreichend präzise Ergebnisse erzielt werden können. Je nach Art und Gestaltung des Beobachteralgorithmus sowie je nach Art der ermittelnden Eigenschaft des Lageparameters kann lediglich das Fahrzeugmodell in die Ermittlung des Beobachteralgorithmus einbezogen worden sein.

Bei vorteilhaften Varianten der Erfindung erfolgt bereits bei der Ermittlung des Beobachteralgorithmus eine Berücksichtigung der Eigenschaften des zu ermittelnden Lageparameters sowie des Beobachteralgorithmus. Sind beispielsweise Lageparameterstörungen zu ermitteln, deren Art nicht mit der Art der typischerweise über den Beobachteralgorithmus erfassten Störung übereinstimmt, so wird vorzugsweise über das bei der Ermittlung des Beobachteralgorithmus verwendete Fahrzeugmodell eine Anpassung vorgenommen. Bei bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass eine Lageparameterstörung ermittelt wird, wobei das Fahrzeugmodell durch Linearisierung des Mehrkörpersystems ermittelt wurde und zur Berücksichtigung des realen Rauschverhaltens der Lageparameterstörung bei der Ermittlung des Beobachteraigorithmus an wenigstens einem Eingang des Fahrzeugmodells ein geeigneter Formfilter verwendet wurde. Derartige Formfilter sind in der Fahrzeugtechnik hinlänglich bekannt (siehe beispielsweise Laun, R.: Aktive Schwingungsdämpfung durch Adhäsionsregelung auf Basis eines Zustandsreglers; Fachhochschule Offenburg, DE, 1996). Für ein Schienenfahrzeug können die entsprechenden Parameter solcher Formfilter beispielsweise der Publikation "ORE Frage B 176 - Drehgesteile mit radial einstellbaren Radsätzen" (Eisenbahntechnische Publikationen - ETF, Paris, FR) zu entnehmen sind.

Für den Beobachteralgorithmus können beliebige geeignete mathematische Algorithmen verwendet werden. Beispielsweise kann es sich um einen so genannten Luenberg- Beobachter handeln, wie er aus der Publikation: Geering, Hans Peter, Regelungstechnik (5., Überarb, u. erw. Aufl.; Springer Verlag, Berlin, 2001 , !SBN 3-540-41264-6) bekannt ist. Besonders gut eignet sich im vorliegenden Fall als Beobachteralgorithmus ein Kaiman- Filter, da diese bevorzugt dann eingesetzt werden, wenn die Eingangsgrößen des Systems und/oder die Messgrößen durch stochastische Größen („Rauschen") verfälscht sind. Die erfindungsgemäße Lösung macht sich diesen Vorteil dadurch zunutze, dass die

Gleislagestörung als das die Eingangsgrößen verfälschende Rauschen aufgefasst wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann erst nach dem Durchfahren des Streckenabschnitts unter Verwendung der dabei aufgenommenen Werte der betreffenden Erfassungsgröße angewandt werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass es während der Fahrt des Fahrzeugs auf dem Streckenabschnitt, insbesondere in Echtzeit, durchgeführt wird.

Die Erfassung der Erfassungsgröße(n) kann grundsätzlich an beliebige geeignete Stelle im bzw. am Fahrzeug erfolgen. Vorzugsweise wird die Erfassungsgröße jedoch an einem Fahrwerk des Fahrzeugs ermittelt, insbesondere gemessen, da hiermit besonders gute Ergebnisse bei der Ermittlung der Eigenschaften des Lageparameters möglich sind.

Grundsätzlich können beliebige Erfassungsgrößen erfasst werden, welche über eine in dem verwendeten Fahrzeugmodell manifestierte Kopplung einen Rückschluss auf die Eigenschaften des Lageparameters zu lassen. Vorzugsweise wird als Erfassungsgröße ein Federweg wenigstens einer an einem Rad des Fahrwerks abgestützten Federeinheit ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass entsprechende Sensoren häufig ohnehin in derartigen Fahrwerken (meist für andere Zwecke) vorgesehen sind und in der Regel auf einfache Weise zuverlässige Messwerte liefern, welche sich problemlos weiterverarbeiten lassen.

Wie bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich für beliebige Fahrzeuge zum Einsatz kommen. Besonders vorteilhaft lässt es sich im Zusammenhang mit Schienenfahrzeugen einsetzen, sodass vorzugsweise vorgesehen ist, dass das Fahrzeug ein Schienenfahrzeug ist und eine Eigenschaft der Gleislage als Lageparameter, insbesondere eine Gleislagestörung, ermittelt wird. Auch hier kann grundsätzlich eine beliebige geeignete Modellierung des Schienenfahrzeugs gewählt werden. Vorzugsweise wurde das Fahrzeugmodell auf der Basis einer Anordnung mit zwei Radsätzen, einem auf den Radsätzen abgestützten Fahrwerksrahmen und einem auf dem Fahrwerksrahmen abgestützten Wagenkasten ermittelt, da sich hiermit besonders gute Ergebnisse erzielen lassen.

Es hat sich gezeigt, für die Komponenten des Modells grundsätzlich beliebig viele Freiheitsgrade berücksichtigt werden können. Wie bereits erwähnt, werden für die Ermittlung der Gleislage vorzugsweise jedoch nur diejenigen Freiheitsgrade berücksichtigt, welche durch die Gleislage primär beeinflusst werden. Bevorzugt werden daher für das Fahrzeugmodell als Freiheitsgrade der beiden Radsätze eine Translation in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs und eine Rotation um die Längsachse des Fahrzeugs berücksichtigt und als Freiheitsgrade des Fahrwerksrahmens und des Wagenkastens eine Translation in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs, eine Rotation um die Längsachse des Fahrzeugs und eine Rotation um die Querachse des Fahrzeugs berücksichtigt.

Bei bevorzugten Varianten mit noch weiter reduzierten Berechnungsaufwand erfolgt eine Berücksichtigung der geometrischen Zusammenhänge der Komponenten des Fahrzeugs. So kann beispielsweise der Tatsache Rechnung getragen werden, dass die auf einen nachlaufenden Radsatz einwirkenden Gleislagestörungen nur durch eine der Fahrgeschwindigkeit entsprechende zeitliche Verschiebung von denen am ersten Radsatz verschieden sind. Das kann dadurch geschehen, dass im linearisierten Modell entsprechende Verzögerungsglieder an den Eingängen des zweiten Radsatzes eingefügt werden. Bei vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens ist demgemäß vorgesehen, dass bei dem Fahrzeugmodell die von der Fahrgeschwindigkeit abhängige zeitliche Verzögerung der Auswirkung eines Lageparameters zwischen dem vorlaufenden Radsatz und dem nachlaufenden Radsatz, insbesondere über ein fahrgeschwindigkeitsabhängiges Verzögerungsglied, berücksichtigt wird.

Einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung des Verfahrens hat unter anderem die Modellierung des Rad-Schiene-Kontakts. Bei bestimmten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für das Fahrzeugmodell der Rad-Schiene-Kontakt über eine Feder-Dämpfer-Anordnung berücksichtigt, wobei insbesondere eine hohe Steifigkeit der Feder-Dämpfer-Anordnung in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs angenommen wird. In diesem Fall wird bevorzugt als Beobachteralgorithmus ein adaptiver so genannter erweiterter Kaiman-Filter verwendet, da hiermit eine besonders einfache Ermittlung des Lageparameters möglich ist. Insbesondere ist es möglich, in guter Näherung als Lageparameter die durch den Kaiman-Filter gelieferte entsprechende Verschiebung des betreffenden Radsatzes zu verwenden, da sich diese Schätzung als ausreichend präzise erwiesen hat. Demgemäß ist bei bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens der Beobachteralgorithmus derart ausgebildet, dass ein aktueller Schätzwert wenigstens einer Zustandsgröße des Fahrzeugs als aktueller Wert des Lageparameters verwendet wird.

Bei anderen Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für das Fahrzeugmodell der Rad-Schiene-Kontakt als unendlich steif angenommen. In diesem Fall ist eine unmittelbare Verwendung der durch den Beobachteralgorithmus gelieferten Schätzwerte für die gewünschte Eigenschaft des Lageparameters nicht ohne weiteres möglich und es wird vorzugsweise unter Verwendung eines aktuellen Schätzwerts anhand der Modelidaten des Fahrzeugmodells der zugehörige aktuelle Wert des Lageparameters ermittelt.

Die erfassten Werte des wenigstens einen Lageparameters können grundsätzlich nur aktuell im Fahrzeug verwendet werden. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass der wenigstens eine Lageparameter für den durchfahrenen Streckenabschnitt protokolliert wird, um ihn einer späteren Verwendung zugänglich zu machen.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Steuern eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, bei dem mit einem erfindungsgemäßen Verfahren an einem vorlaufenden Fahrwerk des Fahrzeugs wenigstens eine Eigenschaft eines Lageparameters eines aktuell durchfahrenen Streckenabschnitts ermittelt wird und ein nachlaufendes Fahrwerk des Fahrzeugs unter Verwendung der ermittelten Eigenschaft des Lageparameters gesteuert wird. Hiermit können die oben bereits beschriebenen Vorteile bei der Steuerung eines Fahrzeugs realisiert werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug, mit einer Verarbeitungseinheit, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, und einer Erfassungseinheit, die zur Erfassung der Erfassungswerte ausgebildet ist. Mit diesem Fahrzeug lassen sich die oben im Zusammenhang mit den erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und Varianten in demselben Maße realisieren, sodass die lediglich auf die obigen Ausführungen verwiesen werden soll. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen bzw. der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fahrzeugs;

Figur 2 ein Ablaufdiagramm einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen

Verfahrens, welche mit dem Fahrzeug aus Figur 1 ausgeführt werden kann;

Figur 3 ein Schema, welches den Signalfluss bei der Durchführung des Verfahrens aus Figur 2 verdeutlicht.

Erstes Ausführungsbeispiel

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fahrzeugs in Form eines Schienenfahrzeugs 101 beschrieben. Zum einfacheren Verständnis der nachfolgenden Erläuterungen ist in den Figuren 1 und 2 ein Koordinatensystem angegeben, in dem die x-Koordinate die Längsrichtung des Schienenfahrzeugs 101 , die y-Koordinate die Querrichtung des

Schienenfahrzeugs 101 und die z-Koordinate die Höhenrichtung des Schienenfahrzeugs 101 bezeichnen.

Die Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Teils des Fahrzeugs 101 , welches eine Fahrzeuglängsachse 101.1 aufweist. Das Fahrzeug 101 umfasst einen Wagenkasten 102, der im Bereich einer beiden Enden jeweils auf einem Fahrwerk in Form eines

Drehgestells 103 bzw. 104 abgestützt ist. Die Drehgestelle 103 und 104 sind ihrerseits auf einem Gleis 105 abgestützt.

Das in Fahrtrichtung vorlaufenden Drehgestell 103 umfasst zwei Radsätze 106 und 107, auf deren beiden Radlagern über jeweils eine Primärfederung 108 ein Drehgestellrahmen 109 abgestützt ist. Der Wagenkasten 102 ist wiederum über eine Sekundärfederung 110 auf dem Drehgestellrahmen 109 abgestützt.

Jeder der vier Primärfederungen 108 ist als Erfassungseinrichtung ein Sensor 111 zugeordnet, der die Längenänderung der Primärfederung 108 in Axialrichtung (hier: z- Richtung) der Primärfederung 108 misst. Die Messsignale der vier Sensoren 111 werden einer zentralen Verarbeitungseinheit 112 zugeführt, und in dieser in der nachfolgend beschriebenen Weise gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verarbeitet, um die Gleislagestörungen des Gleises 105 zu ermitteln.

Hierbei wird zunächst in einem Schritt 1 13.1 während der Fahrt des Fahrzeugs 101 auf einem vorgegebenen, zu untersuchenden Streckenabschnitt des Gleises 105 der Ablauf des Verfahrens gestartet. In einem Schritt 113.2 werden dann die aktuellen Messwerte der vier Sensoren 111 erfasst und an die Verarbeitungseinheit 112 weitergeleitet. In einem Schritt 113.3 werden dann in der Verarbeitungseinheit 112 als Gleislagestörungen die Abweichungen des Gleises 105 an dem jeweiligen Radaufstandspunkt der Räder der Radsätze 106 und 107 von einer Soll-Gleislage in der z-Richtung ermittelt und in einem Speicher der Verarbeitungseinheit 112 zur Protokollierung (und gegebenenfalls späteren Weiterverarbeitung) gespeichert. In einem Schritt 113.4 wird dann überprüft, ob eine weitere Ermittlung der Gleislagestörungen durchgeführt werden soll. Ist dies der Fall, wird zu dem Schritt 113.2 zurück gesprungen. Andernfalls wird der Verfahrensablauf in einem Schritt 113.5 beendet.

Die Figur 3 zeigt den Signalfluss bei der Abarbeitung des Verfahrens aus Figur 2. Wie der Figur 3 zu entnehmen ist, wird das auf dem Gleis 105 fahrende Fahrzeug 101 mit der realen Gleislage als Eingangsgröße beaufschlagt, wobei sich die reale Gleislage aus der Soll-Gleislage und den überlagerten Gleislagestörungen zusammensetzt. Als

Ausgangsgröße liefern die Sensoren 11 1 am Fahrzeug 101 jeweils ein Messsignal, welches mit dem Rauschen der Sensoren überlagert ihnen die Verarbeitungseinheit 112 eingespeist wird.

Zur Ermittlung der Gleislagestörungen verwendet die Verarbeitungseinheit 112 einen zuvor ermittelten und in den Speicher der Verarbeitungseinheit 112 abgelegten

Beobachteralgorithmus in Form eines erweiterten Kaiman-Filters, wie er aus dem Bereich der Regelungstechnik hinlänglich bekannt ist.

Der Kaiman-Filter wurde dabei zuvor anhand eines Fahrzeugmodells in Form eines mathematischen Modells des Fahrzeugs 101 ermittelt. Das Fahrzeugmodell wurde dabei unter Verwendung eines nicht linearen, dynamischen Mehrkörpermodells ermittelt, wie sie hinlänglich aus dem Bereich der Fahrdynamik bekannt sind und häufig zur Vorausbestimmung der Fahrsicherheit und Laufgüte von Fahrzeugen verwendet. Bei derartigen Fahrzeugmodellen wird der Zustandsraum des Systems häufig durch lineare Differentialgleichungen bzw. Differenzgleichungen modelliert, welche die dynamischen Eigenschaften des betreffenden Systems beschreiben und bei zeit-kontinuierlichen Modellen typischerweise folgende Form aufweisen:

— = Ax + Bu , (1) dy ^{~ ~}

y = Cx + Du , (2)

wobei x den Zustandsvektor des Systems und y den Ausgangsvektor bzw. u den Eingangsvektor des Systems bezeichnet sowie A, B, C, D die das System kennzeichnenden Zustandsraummatrices bezeichnen. Für zeit-diskrete Fahrzeugmodelle werden diese Differentialgleichungen durch Differenzgleichungen folgender Form ersetzt:

x„ _+i = Aκ„ + Bμ _π , (3)

V _n = Cx _n + Du _n , (4)

wobei n den n-ten Abtastzyklus bezeichnet.

Das Mehrkörpermodell wurde zur Vereinfachung der durch die Verarbeitungseinheit 112 durchzuführenden Berechnungen (insbesondere im Hinblick auf eine Echtzeitermittlung der Gleislagestörungen) durch ein (ebenfalls hinlänglich bekanntes) geeignetes Vorgehen linearisiert, sodass ein lineares Zustandsraummodell als Fahrzeugmodell gewonnen wurde.

Im vorliegenden Beispiel wurde das Fahrzeugmodel! auf der Basis einer Mehrkörperanordnung mit den beiden Radsätzen 106, 107, dem auf den Radsätzen 106, 107 abgestützten Drehgestellrahmen 109 und dem auf dem Drehgestellrahmen 109 abgestützten Wagenkasten 102 ermittelt (der in dem Modell vereinfachend als Punktmasse modelliert wird).

Wie bereits erwähnt wurde, eignet sich für das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich eine beliebig aufwändige bzw. komplexe Modellierung des Fahrzeugs 101. Um den Berechnungsaufwand für die Verarbeitungseinheit 112 jedoch zu reduzieren, werden im vorliegenden Beispiel für das Fahrzeugmodell nur diejenigen Freiheitsgrade der obigen Komponenten 106, 107, 109 und 102 des Mehrkörpersystems berücksichtigt, welche einen primären Einfluss auf den Federweg (also die Erfassungsgröße) haben und/oder welche primär durch die Gleislagestörungen (also die zu ermittelnde Eigenschaft des Lageparameters) beeinflusst werden.

Im vorliegenden Beispiel werden daher für das Fahrzeugmodeil als Freiheitsgrade der beiden Radsätze 106, 107 eine Translation in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs 101 (z-Richtung) und eine Rotation um die Längsachse des Fahrzeugs (x-Richtung) berücksichtigt und als Freiheitsgrade des Fahrwerksrahmens 109 und des Wagenkastens 102 eine Translation in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs (z-Richtung), eine Rotation um die Längsachse des Fahrzeugs (x-Richtung) und eine Rotation um die Querachse des Fahrzeugs (y-Richtung) berücksichtigt.

Einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung des Verfahrens hat unter anderem die Modellierung des Rad-Schiene-Kontakts. Im vorliegenden Beispiel wird für das Fahrzeugmodell der Rad-Schiene-Kontakt weiterhin über eine Feder-Dämpfer-Anordnung berücksichtigt, wobei eine hohe Steifigkeit dieser Feder-Dämpfer-Anordnung in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs (z-Achse) angenommen wird.

Bei der Ermittlung des Kaiman-Filters aus diesem Fahrzeugmodell erfolgt weiterhin eine Berücksichtigung der Eigenschaften des Kaiman-Filters. So ist der Kaiman-Filter in der Regel für die Verarbeitung von Signalen geeignet, die einem so genannten weißen Rauschen unterliegen. In der Regel entsprechende Gleislagestörungen des Gleises 105 gegebenenfalls nicht hinreichend genau einem solchen weißen Rauschen, sodass im vorliegenden Beispiel zur Berücksichtigung des zu erwartenden realen Rauschverhaltens der Gleislagestörungen bei der Ermittlung des Beobachteralgorithmus an wenigstens einem Eingang des Fahrzeugmodells ein geeigneter Formfilter verwendet wird, wie dies vorstehend bereits beschrieben wurde. Es versteht sich jedoch, was eine Verwendung solcher Formfilter bei anderen Varianten der Erfindung gegebenenfalls auch entfallen kann.

Der auf diese Weise modellierte Kaiman-Filter liefert als Ausgang einen Zustandsvektor, der neben einer erneuten Abschätzung der Federwege als diskrete Zustände des Fahrzeugmodells eine hinreichend genaue Abschätzung der Position und der Geschwindigkeit der modellierten Komponenten des Fahrzeugs 101 in den berücksichtigten Freiheitsgraden wiedergibt. Im vorliegenden Fall sind dies also 20 diskrete Zustände, nämlich für die beiden Radsätze 106, 107 der Betrag und die Geschwindigkeit der Translation in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs 101 (z-Richtung) und der Betrag und die Geschwindigkeit der Rotation um die Längsachse des Fahrzeugs (x-Richtung) sowie für die den Fahrwerksrahmen 109 und den Wagenkasten 102 jeweils der Betrag und die Geschwindigkeit der Translation in Richtung der Hochachse des Fahrzeugs (z-Richtung), der Betrag und die Geschwindigkeit der Rotation um die Längsachse des Fahrzeugs (x- Richtung) und der Betrag und die Geschwindigkeit der Rotation um die Querachse des Fahrzeugs (y-Richtung).

Im vorliegenden Beispiel wird der Berechnungsaufwand für die Verarbeitungseinheit 112 noch weiter reduziert, indem bei nachfolgenden Wiederholungen der Schritte 113.2 und 113.3 eine Berücksichtigung der geometrischen Zusammenhänge der Komponenten des Fahrzeugs 101 erfolgt, indem berücksichtigt wird, dass die auf den nachlaufenden Radsatz 107 einwirkenden Gleislagestörungen nur durch eine der Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs 101 entsprechende zeitliche Verschiebung von denen am vorlaufenden Radsatz 106 verschieden sind. Diese Berücksichtigung erfolgt im vorliegenden Beispiel dadurch, dass im linearisierten Modell entsprechende fahrgeschwindigkeitsabhängige Verzögerungsglieder an den Eingängen des modellierten zweiten Radsatzes 107 eingefügt werden.

Wegen der oben beschriebenen Modellierung des Rad-Schiene-Kontakts als Feder- Dämpfer-Anordnung mit einer endlichen Steifigkeit wird im vorliegenden Fall ein adaptiver so genannter erweiterter Kaiman-Filter verwendet, da hiermit eine besonders einfache Ermittlung der Gleislagestörungen möglich ist. So ist es im vorliegenden Beispiel in guter Näherung möglich, als Wert für die reale Gieislage die durch den Kaiman-Filter gelieferten Werte für die entsprechende Verschiebung des betreffenden Radsatzes zu verwenden, da sich diese Schätzung als ausreichend präzise erwiesen hat. Um die Gleislagestörungen zu ermitteln, kann dann eine (zuvor für den Streckenabschnitt ermittelte) Soll-Gleisiage am Ort der aktuellen Messung verwendet werden, wie in Figur 3 durch die gestrichelte Kontur 114 angedeutet ist, sodass gegebenenfalls bereits der ausgegebene Zustandsvektor die Gleislagestörungen repräsentiert.

Die Verarbeitungseinheit 112 führt die Ermittlung der Gleislagestörungen während der Fahrt des Fahrzeugs 101 auf dem Gleis in Echtzeit durch und nutzt die so gewonnenen Informationen über die Gleislagestörungen zur Ansteuerung des nachlaufenden Fahrwerks 104, indem sie entsprechende Steuerbefehle an die entsprechenden Betätigungseinrichtungen 104.1 des Fahrwerks 104 übermittelt. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch nur eine entsprechende Protokollierung der Gieislagestörungen erfolgen kann. Zweites Ausführungsbeispiel

!m Folgenden wird ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, welches mit dem Fahrzeug 101 durchgeführt werden kann. Das Verfahren entspricht in seinem Ablauf und seiner Funktionsweise grundsätzlich dem Verfahren aus Figur 2, sodass hier hauptsächlich auf die Unterschiede eingegangen werden soll.

Der wesentliche Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass für das Fahrzeugmodell der Rad-Schiene-Kontakt als unendlich steif angenommen wird, in diesem Fall ist eine unmittelbare Verwendung der durch den Kaiman-Filter gelieferten Schätzwerte des Zustandsvektors nicht unmittelbar für die Gleislagestörungen verwendet werden können. Vielmehr wird in diesem Beispiel vorzugsweise unter Verwendung eines aktuellen Schätzwerts anhand der Modelldaten des Fahrzeugmodells (welches ja gerade den Zusammenhang zwischen den durch den Zustandsvektor repräsentierten Zuständen des Fahrzeugs und den Gleislagestörungen wiedergibt) der zugehörige aktuelle Wert der Gleislagestörungen ermittelt.

Hierzu kann folgende Gleichung verwendet werden:

u(t) = D- ^ι - y(t) + D ^~l ' C - x(t) , (5)

sofern die Matrix D quadratisch ist (also die Anzahl der Eingänge gleich der Anzahl der Ausgänge ist) und ihre Norm ungleich Null ist (z. B. die Ausgänge unabhängig sind).

Ein allgemeinerer Ansatz zur Ermittlung die aktuellen Werte der Eingänge (also der Lageparameter) kann im Falle einer leeren Matrix D aus der Gleichung (5) abgeleitet werden. So kann (unter anderem für zeit-diskrete Modelle) folgende Gleichung verwendet werden:

U _n = (C - By ¹ - Cy _n+1 - C - A - X _n ) , (6)

sofern die Matrix (C- B) quadratisch ist (z. B. die Anzahl der Eingänge und Ausgänge gleich ist). Hierbei ist durch geeignete Auswahl der Eingangs- und der Erfassungsgrößen bevorzugt sicherzustellen, dass die Matrix C-und die Matrix B derart gestaltet sind, dass die Matrix (C- B) vollen Rang hat. Sofern die Matrix D aus der Gleichung (5) bzw. die Matrix (C- ß) aus Gleichung (6) nicht quadratisch ist oder die Matrix (C- B) nicht vollen Rang hat, können deren Inverse jeweils nicht unmittelbar berechnet werden. In diesem Fall können dann so genannte (hinlänglich bekannte) Algorithmen zur Bildung so genannter Pseudo-Inversen verwendet werden.

Es versteht sich, dass die soeben beschriebene Vorgehensweise der Ermittlung der aktuellen Werte der Eingänge (also der Lageparameter) mit den Gleichungen (5) bzw. (6) auch für das Fahrzeugmodell mit dem Rad-Schiene-Kontakt mit endlicher Steifigkeit aus dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden kann.

Drittes Ausführungsbeispiel

Im Folgenden wird ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, welches mit dem Fahrzeug 101 durchgeführt werden kann. Das Verfahren entspricht in seinem Ablauf und seiner Funktionsweise grundsätzlich dem Verfahren aus Figur 2, sodass hier hauptsächlich auf die Unterschiede eingegangen werden soll.

Bei dieser Variante wird auf die Verwendung eines Beobachteralgorithmus verzichtet.

Vielmehr ist das Fahrzeugmodell als zeit-diskretes Modell derart gestaltet, dass der aktuelle Wert des Lageparameters in einem rekursiven Verfahren aus den Erfassungswerten in Abhängigkeit von den Modelldaten des Fahrzeugmodells berechnet wird. Hierbei werden neben der oben genannten Gleichung (3) folgende Gleichungen verwendet:

X ₁ = X ₀ , (7)

= ST ¹ -y„ - D ^'1 - C- x„ (8)

sofern die Matrix D quadratisch ist und ihre Norm ungleich Null ist. Sofern die Matrix D nicht quadratisch ist, kann deren Inverse wiederum nicht unmittelbar berechnet werden. In diesem Fall können dann wiederum so genannte (hinlänglich bekannte) Algorithmen zur Bildung so genannter Pseudo-Snversen verwendet werden.

Es versteht sich, dass das Gleis bei weiteren Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens unabhängig von der Darstellung des Rad-Schiene-Kontaktes als elastische oder elastisch gelagerte Komponente modelliert werden kann. In diesem Fall ist es möglich, die gesuchte Eingangsgröße, also den Lageparameter direkt durch den Beobachteralgorithmus abzuschätzen, ohne dass es weiterer Berechnungsschritte bedarf. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass dies einen eigenständig schutzfähigen Gedanken darstellt.

Die vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand von Beispielen für ein Schienenfahrzeug beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auch im Zusammenhang mit beliebigen anderen Fahrzeugen zur Anwendung kommen kann.

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