Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Optimierung von Gadientendaten für einen durch einen Haltepunkt abgesicherten Streckenabschnitt eines Eisenbahnnetzes, welche einer Onboard-Unit eines Schienenfahrzeugs zur Berechnung von Bremskurven bereitgestellt werden.

Das Europäische Zugbeeinflussungssystem ETCS (European Train Control System) ist ein grundlegender Bestandteil des zukünftigen einheitlichen europäischen Eisenbahnverkehrsleitsystems ERTMS (European Rail Traffic Management System). ETCS soll langfristig die über 20 verschiedenen Zugbeeinflussungssysteme in Europa ablösen. Diese Standardisierung ermöglicht eine starke Vereinfachung der signaltechnischen Ausrüstung der Züge in den transeuropäischen Netzen sowie einen einheitlichen hohen Sicherheitsstandard der Infrastruktur bzw. des Rollmaterials.

Seit Ende der 1990er Jahre liefen praktische Erprobungen von ETCS und in den 2000er Jahren wurden zunehmend kommerzielle Projekte in Betrieb genommen. Seit 2002 ist für neue transeuropäische Hochgeschwindigkeitsstrecken die Implementierung von ETCS durch EU-Recht vorgeschrieben und seit 2006 auch für Ausbaustrecken. Seit 2017 sind die Eisenbahnnetze in Luxemburg und seit 2018 das Schweizer Normalspurnetz praktisch vollständig mit ETCS ausgerüstet. In Belgien, Dänemark, Israel, Norwegen und den Niederlanden wurde die flächendeckende Ausrüstung des Bestandsnetzes mit ETCS beschlossen. In den meisten europäischen Staaten sowie in einigen weiteren Ländern sind in unterschiedlichem Umfang Strecken und Fahrzeuge mit ETCS in Betrieb. Seit 2015 gingen in Deutschland mehrere Strecken mit ETCS in Betrieb. Die Infrastruktur von ETCS kann auch als Grundlage für den automatisierten Fahrbetrieb (ATO) genutzt werden. ETCS kann in unterschiedlichen Ausprägungen ausgestaltet werden, die durch entsprechende Grundversionen Level 0, Level 1, Level 2 und Level 3 repräsentiert werden. Kernelement des Fahrens mit ETCS Level 1 bis 3 ist die Führerstandssignalisierung, die dem Lokführer sämtliche Daten zum einzuhaltenden Geschwindigkeitsprofil auf dem Display der OBU anzeigt.

Im ETCS Level 1 werden die dafür relevanten Daten als sogenannte ETCS-Telegramme über Eurobalisen und optional Euroloops an die fahrzeugseitige ETCS Ausrüstung (On-board Unit, OBU) übertragen. Im ETCS Level 2 und 3 werden die dafür relevanten Daten als sogenannte ETCS-Messages über ein bahneigenes Mobilfunknetz (GSM-R) ausgehend von einem Stellwerk mit nachgelagertem Radio Block Center (RBC) an die OBUübertragen . Weiter werden auch Daten (sogenannte National Values) zur Vorgabe oder OBU-seitigen Bestimmung von Bremsprofilen an die OBU übertragen und dort gespeichert, die seitens des Lokführers einzuhalten sind und im Falle einer Missachtung oder Verletzung durch automatisch ausgelöste Steuerereignisses, wie z.B. einer Zwangsbremsung, durchgesetzt werden. Da es bei mit ETCS Level 2 ausgerüsteten Strecken keine Notwendigkeit für eine optische Signalisierung durch Aussensignale mehr gibt, muss der Lokführer alle für das Fahren des Zuges relevanten Informationen dem Display der OBU entnehmen .

Gemäss ETCS Systemanforderungsspezifikation SUBSET-026, Abschnitt 3.13.4.2.1, hat eine OBU für die Berechnung der Bremskurven den restriktivsten auf das Fahrzeug übermittelten Streckengradienten (kleinste Steigung bzw. höchstes Gefälle) über die gesamte Zuglänge hinweg betrachtet, zu verwenden. Dieses Systemverhalten führt vor allem bei wechselnden Gradientenwerten und langen Zügen dazu, dass die Bremskurven flacher verlaufen als dies aufgrund der im Zug gespeicherten kinetischen Energie notwendig ist. Folglich resultieren für die so berechneten Bremskurven zu lange Bremsdistanzen, was Zeit- und Energieverluste nach sich zieht und teilweise auch zu Konflikten mit den Signalstandorten führt (Bremsung muss bereits vor einem Signal beginnen).

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Optimierung von Gadientendaten, welche einer Onboard-Unit eines Schienenfahrzeugs zur Berechnung von Bremskurven bereitgestellten werden, zu anzugeben, so dass die resultierenden Bremskurven den Betriebsablauf unter Gewährleistung der erforderlichen eisenbahntechnischen Sicherheit hinsichtlich Energieverbrauch und Zeitverlust verbessern. Im Nachfolgenden wird in der Beschreibung und den Patentansprüche häufig das Wort «Schienenfahrzeug» verwendet, welches definitionsgemäss im Sinne eines Fahrzeugverbundes, der aus einer Mehrzahl von Eisenbahnwaggons besteht, verstanden werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren zur Bestimmung von optimierten Gradientendaten für einen durch einen Haltepunkt abgesicherten Streckenabschnitt eines Eisenbahnnetzes, welche einer Onboard-Unit eines Schienenfahrzeugs zur Berechnung von Bremskurven bereitgestellt werden, gelöst, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst: a) für den Streckenabschnitt vor dem Haltepunkt wird ein erster vor dem Haltepunkt liegender Teilstreckenabschnitt bestimmt, der sich zwischen dem Haltepunkt und einem Gleichgewichtspunkt befindet, wobei der Gleichgewichtspunkt als derjenige Punkt des Streckenabschnitts festgelegt wird, an dem die höchste kinetische Energie, die das Schienenfahrzeug aufgrund einer für das Schienenfahrzeug erteilten Fahrerlaubnis auf diesem Streckenabschnitt aufweisen kann, im wesentlichen einer latenten Bremsenergie entspricht, die das Schienenfahrzeug für einen Halt an dem Haltepunkt aufgrund eines für diesen ersten Teilstreckenabschnitt vorliegenden Gradientenprofils aufbringen muss, b) Bestimmen von mindestens einem zweiten in Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs vor dem ersten Teilstreckenabschnitt befindlichen Teilstreckenabschnitt, der im Wesentlichen der maximal auf dem Streckenabschnitt zulässigen Zuglänge entspricht; c) an einer vorgebbaren Anzahl von über die Länge des zweiten Teilstreckenabschnitts verteilten Punkten werden gemittelte Werte für das durch eine Abfolge von realen Gradientenwerten repräsentierte Gradientenprofil bestimmt und als optimierte Gradientendaten bereitgestellt, wobei die gemittelten Werte nicht kleiner als ein tatsächlich vorliegender Gradientenwert sein dürfen; und d) Übertragen dieser optimierten Gradientendaten an die Onboard-Unit und Berechnung einer optimierten Bremskurve unter Verwendung dieser optimierten Gradientendaten.

Auf diese Weise gewährleistet die vorliegende Erfindung in dem ersten Teilstreckenabschnitt, dass dort eine Bremskurve berechnet wird, die es jedem betrachteten Schienenfahrzeug erlaubt, auch tatsächlich vor dem Haltepunkt zum Stehen zu kommen. Gleichzeitig kann aber auf dem zweiten Teilstreckenabschnitt nun für eine vorbestimmbare Anzahl von Punkten ein gemittelter Gradientenwert aufgrund des Verlaufs der realen Gradientenwerte, die zwischen dem jeweiligen Punkt und dem Gleichgewichtspunkt liegen, bestimmt werden, der möglicherweise zu einer Verbesserung des an die OBU übermittelten Gradientenwertes führt und somit eine weniger restriktive Bremskurve nach sich zieht. Tritt beispielsweise auf dem zweiten Teilstreckenabschnitt ein Abschnitt mit Gefälle, aber auch ein Abschnitt mit einer Steigung auf, kann somit der Bremsbeitrag der Steigung mit in die Berechnung des resultierenden Gradientenwertes einfliessen, weshalb nun nicht der restriktivere Wert der Gefällsstrecke alleinig für die Berechnung der Bremskurve herangezogen wird und somit entsprechend nach oben korrigiert werden kann. Somit kann im zweiten Teilstreckenabschnitt, vom Gleichgewichtspunkt bis zur maximalen Zuglänge vor dem Gleichgewichtspunkt, an beliebig vorgebbaren Punkten beispielsweise der Mittelwert des Gradientenprofils zwischen diesem Punkt und dem Gleichgewichtspunkt gebildet werden. Dies führt mit zunehmender Entfernung vom Haltepunkt zu einer graduell stärkeren Glättung der Gradienten.

In einer sicherheitstechnisch nicht beanstandbaren Weise kann bei der Berechnung des Gleichgewichtspunktes zur Bestimmung der kinetischen Energie das Gewicht des Schienenfahrzeugs und die maximal für diesen Streckenabschnitt zulässige Höchstgeschwindigkeit und zur Bestimmung der latenten Bremsenergie das schlechteste Bremsvermögen einer Anzahl von betrachteten zum Verkehr auf dem Streckenabschnitt zugelassenen Schienenfahrzeugen herangezogen werden. Die Position des Gleichgewichtspunkts ist wie auch schon voranstehend beschrieben im wesentlichen unabhängig von der Länge der verkehrenden Schienenfahrzeuge (Züge, Zugverband). Der erste Teilstreckenabschnitt zwischen Gleichgewichts- und Haltepunkt liegt somit für Fahrzeuge jeglicher Länge im Bereich der Bremskurve. Um so tatsächlich immer auf den sicheren Seite zu verbleiben, werden daher in diesem ersten Abschnitt die an die OBU übermittelten Gradienten gegenüber den realen Gradienten nicht verändert.

Zur weiteren Optimierung des Zuglaufs kann es vorgesehen sein, dass ein dem zweiten Teilstreckenabschnitt vorgelagerter dritter Teilstreckenabschnitt vorgesehen ist, wobei in diesem dritten Teilstreckenabschnitt gemittelte Werte des Gradientenprofils aus den auf diesem Abschnitt vorliegenden realen Gradientenwerten jeweils für die Länge der maximal zulässigen Zuglänge bestimmt werden. Der dritte Abschnitt befindet sich somit weiter rückliegend, in Fahrrichtung betrachtet endend bei der maximalen Zuglänge vor dem Gleichgewichtspunkt. In diesem Bereich wird ein rollendes Mittel über die maximale Zuglänge gebildet und der OBU für diesen Teilstreckenabschnitt ein daraus abgeleitetes Gradientenprofil übermittelt. Allen vorstehenden Varianten ist gemeinsam, dass anschliessend die realen Gradientenwerte, welche die gewichteten Werte wie z.B. die berechneten Mittelwerte unterschreiten, angehoben werden. Durch das gewählte Verfahren bleibt gewährleistet, dass der vom Zug zur Bremskurvenberechnung verwendete Gradient nie permissiver (nie kleiner) als der tatsächlich wirkende Gradientenwert werden kann.

Eine Möglichkeit zur Bestimmung des gewichteten Wertes für das Gradientenprofil kann vorsehen, dass der gewichtete Wert für das Gradientenprofil als Mittelwert des Gradientenprofils auf dem jeweils betrachteten Teil des zweiten und/oder dritten Teilstreckenabschnitts bestimmt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die realen Gradientenwerte, welche unterhalb des Mittelwerts oder des gewichteten Wertes des Gradientenprofils liegen, auf den Mittel- bzw. den gewichteten Wert angehoben werden. Somit wird bei der Bestimmung der Bremskurve die so geglättete Version des Gradientenprofil verwendet, die aber immer noch für alle betrachteten Schienenfahrzeuge einen sicheren Betrieb erlaubt und trotzdem die Fahrzeuggeschwindigkeit auf einem möglichst hohen Niveau hält, indem beispielsweise ein Bremsvorgang steiler verlaufend ausgeführt und dadurch später ausgelöst werden kann.

Zur Bestimmung des Mittelwertes für das Gradientenprofil kann es in einer mathematisch einfach umsetzbaren Weise vorgesehen sein, dass die Abfolge der realen Gradientenwerte in Form eines Stufenprofils bereitgestellt wird. Statt dem arithmetischen Mittel können gewichtete Mittel verwendet werden, welche z.B. einer ungleichmässigen Massenverteilung im Zug (Güterzug mit leeren Waggons und voll beladenen Waggons/Kesselwagen usw.) Rechnung tragen können. Des Weiteren kann das wahre Bremsverhalten des Zuges besser abgebildet werden, wenn die Gradientensprungstellen frei wählbar sind und die Vorzeichen der Gradienten nicht beibehalten werden müssen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 in schematischer Ansicht ein auf der OBU zur Verfügung gestelltes Gradientenprofil für eine Zuglänge von 500m (links) und 1500m (rechts);

Figur 2 in schematischer Ansicht eine Berechnung des Gleichgewichtspunktes;

Figur 3 schematisch eine Visualisierung des Algorithmus zur Durchschnittsbildung;

Figur 4 schematisch die Durchschnittsbildung für ein Gradientenprofil;

Figur 5 schematisch das Anheben des Gradienten in einer Gradientensektion;

Figur 6 schematisch das Glätten des Gradienten;

Figur 7 schematisch die Durchschnittsbildung und die Glättung des Gradientenwerts vor einem Haltepunkt anhand des Beispiels 1;

Figur 8 schematisch das verwendete Gradientenprofil (links) und die Bremskurven (rechts), berechnet durch die OBU vor (oben) und nach (unten) der Glättung des Gradienten vor einem Haltepunkt anhand des Beispiels 1; Figur 9 schematisch die Durchschnittsbildung und die Glättung des Gradientenwerts vor einem Haltepunkt anhand des Beispiels 2; und

Figur 10 schematisch das verwendete Gradientenprofil (links) und die Bremskurven (rechts), berechnet durch die OBU vor (oben) und nach (unten) der Glättung des Gradienten vor einem Haltepunkt anhand des Beispiels 2.

Im nachfolgenden Text wird nun beispielhaft die Glättung eines zur Berechnung einer optimierten Bremskurve herangezogenen Gradienten des topographischen Streckenverlaufs entlang eines Abschnitts eines Schienenverkehrsweges beschrieben. Der vorliegenden Erfindung liegt dabei ein Konflikt bei der Berechnung der Bremskurve vor, der sich aus der Art und Weise ergibt, wie der vom ETCS-Standard vorgeschriebene Bremskurven- Algorithmus die für die Fahrt relevante Bremskurve unter Wahrung der geforderten Sicherheit bestimmt.

Gemäss ETCS Systemanforderungsspezifikation SUBSET-026, Abschnitt 3.13.4.2.1, hat eine OBU für die Berechnung der Bremskurven den restriktivsten auf das Fahrzeug übermittelten Streckengradienten (kleinste Steigung bzw. höchstes Gefälle) über die gesamte Zuglänge hinweg betrachtet, zu verwenden. Dieses Systemverhalten führt vor allem bei wechselnden Gradientenwerten und langen Zügen dazu, dass die Bremskurven flacher verlaufen als dies aufgrund der im Zug gespeicherten kinetischen Energie notwendig ist. Folglich resultieren für die so berechneten Bremskurven zu hohe Bremsdistanzen, was Zeit- und Energieverluste nach sich zieht. Dieses Verhalten ist in der Figur 1 schematisch für zwei Zuglängen dargestellt. Das der OBU in Form einer Stufenfunktion zugeführte Gradientenprofil ist dunkelgrau dargestellt, während das letztendlich von der OBU zur Berechnung der Bremskurve verwendete Gradientenprofil strichpunktiert dargestellt ist. Zwischen zwei dunkelgrau eingezeichneten Abschnitten fehlende Linien werden ebenfalls durch die strichpunktierete Linie in diesen Abschnitten repräsentiert. Während nun für einen Zug mit einer Länge von 500 m das für die Bremskurvenberechnung verwendete Gradientenprofil dem realen Gradientenprofil sehr ähnlich ist, wird für die Zuglänge von 1'500 m ein wesentlich restriktiveres Gradientenprofil verwendet.

Da besonders die negativen Extremwerte der Gradienten der Hauptgrund für ein vorzeitiges Bremsen sind, beabsichtigt die vorliegende Erfindung eine optimierte Glättung des Gradientenprofils. Das entsprechende Verfahren sieht hierzu drei Schritte vor, die nachfolgend näher erläutert werden.

Zuerst wird ein erster Streckenabschnitt direkt vor einem Haltepunkt, z.B. einem Signal, betrachtet, in dem die realen Gradientenwerte zur Berechnung der Bremskurve herangezogen werden. Dieser erste Streckenabschnitt reicht vom Haltepunkt zurück bis zu einem Gleichgewichtspunkt. So nutzen Züge jeglicher Länge, auch ganz kurze, niemals einen Gradienten, der weniger restriktiv ist als der reale Gradient. Zur Bestimmung der Länge dieses ersten Abschnitts wird der Gleichgewichtspunkt bestimmt. Dann wird die Stufenfunktion des Gradientenprofils für einen zweiten Abschnitt, der sich vor dem Gleichgewichtspunkt befindet, gemittelt und schliesslich wird das ursprüngliche Gradientenprofil angepasst um ein verbessertes Bremsverhalten erzielen zu können.

Das Verfahren basiert auf der Annahme, dass das zugrundeliegende Gradientenprofil auch tatsächlich die effektive Topologie der Strecke repräsentiert. Wenn das zugrundeliegende Gradientenprofil lokale Gradienten-Minima unterschätzt, kann die Sicherheit des Verfahrens nicht voll garantiert werden. Weiter nimmt das Verfahren an, dass die zulässige Geschwindigkeit bis zum überwachten Haltepunkt eine konstante Grösse ist, was bedeutet, dass nur die Bremskurve bis vor den Haltepunkt optimiert werden muss. Der Gleichgewichtspunkt beschreibt dabei den Punkt, an dem ein Zug der Länge NULL mit dem Bremsen beginnen muss, um am Haltepunkt auch effektiv zum Stillstand zu kommen. Die kinetische Energie des Schienenfahrzeuges ist gleich seiner Masse multipliziert mit der durch das Gradientenprofil korrigierten Bremsverzögerung, aufintegriert über die Weglänge bis zum Haltepunkt: wobei d die Distanz vom Haltepunkt bis zum Gleichgewichtspunkt, a _B die Bremsverzögerung des Schienenfahrzeuges, g die Erdbeschleunigungskonstante, m(x) die Masse des Schienenfahrzeuges und δ (x) der Gradient am Ort x ist.

Wenn die Zuglänge gegen Null strebt, wird aus Gleichung 1: wobei sich die Masse des Zuges hier nun herauskürzt.

Für eine Stufenfunktion des Gradientenprofils kann das Integral wie folgt als Summe geschrieben werden:

Die rechte Seite dieser Gleichung 3 korrespondiert grafisch zur Fläche unter der korrigierten Stufenfunktion der Bremsverzögerung, die in Figur 2 als hellgraue schraffierte Fläche sowie als dunkelgraue Linie dargestellt ist. Der Gleichgewichtspunkt liegt an der Schnittstelle S der Bremsverzögerungsenergie (dunkelgraue Linie) und der kinetischen Energie ( hellgraue Linie).

In der Realität wird das Energiegleichgewicht für das gegebene Gradientenprofil iterativ durch das Aufsummieren der Flächen unter der Stufenfunktion des Gradientenprofils, versetzt durch den Wert der Bremsverzögerung, für einen Zug beginnend vom Haltepunkt rückwarts bestimmt, bis diese Summe die kinetische Energie für eine für den Streckenabschnitt geltende Geschwindigkeit überschreitet.

Dieser ersten Streckenabschnitt zwischen dem Gleichgewichtspunkt und dem Haltepunkt liegt somit innerhalb der Bremskurve für alle Züge (unabhängig von ihrer Länge), sofern die verwendete Bremsverzögerung aufgebracht werden kann. Deshalb wird das Gradientenprofil zur Berechnung der Bremskurve in diesem Abschnitt nicht durch Glättung verändert und genau so an die OBU zur Berechnung der Bremskurve übermittelt.

Die Lage des Energiegleichgewichts wird für eine (fiktive) Zuglänge der Länge Null bestimmt. Für längere Züge müssen auch die Gradienten hinter dem Gleichgewichtspunkt für die Berechnung der Bremskurve berücksichtigt werden. Solange die durch eine abschüssige Strecke hervorgerufene Beschleunigung nicht die Bremsverzögerung übertrifft, muss nur der Abschnitt über eine komplette Zuglänge vor dem Gleichgewichtspunkt für die Berechnung der Bremskurve berücksichtigt werden. Diese Bedingung kann geschrieben werden als: Für eine Bremsbeschleunigung von beispielsweise -0.34 m/s ² sollte auch der niedrigste Gradient im Bremsprofil nicht niedriger als -34 Promille sein.

Für die Durchschnittsbildung der Gradientenprofile könnte auch die Gewichtsverteilung des Zuges betrachtet werden. Für den nachfolgend erläuterten Algorithmus wird aber von einer gleichmässigen Gewichtsverteilung über die Zuglänge ausgegangen.

Wenn Züge unterschiedlicher Länge auf dem Schienennetz verkehren, muss bei der Mittelwertbildung auch die entsprechend variierende Bremsdistanz berücksichtigt werden. Um dem Rechnung zu tragen, wird der folgende Algorithmus (wie visualisiert in Figur 3) angewendet: a) Zwischen dem Anhaltepunkt und dem Gleichgewichtspunkt ε werden die Gradienten unverändert für die Bestimmung der Bremskurven verwendet: b) Für Entfernungen von einer maximalen Zuglänge l _max vor dem Gleichgewichtspunkt wird der Gradient für jeden Punkt arithmetisch zwischen diesem Punkt und dem Gleichgewichtspunkt gemittelt. Parameter s _i bezeichnet die Schrittweite der Auflösung der Gradientendaten: c) Für grössere Entfernungen als eine maximale Zuglänge vor dem Gleichgewichtspunkt wird der Gradient arithmetisch für jeden Punkt über die maximale Zuglänge in Richtung zum Gleichgewichtspunkt gemittelt (rollender Mittelwert):

Es muss angemerkt werden, dass die gemittelten Gradienten immer dem rückliegenden Ende des gemittelten Abschnitts zugeordnet werden. Dies weicht von der üblichen Vorgehensweise ab, wie beispielsweise bei dem durch die OBU verwendeten Gradienten (siehe Figur 1), wo der aktiv wirkende Gradient für die Zugspitze dargestellt ist. Der vorliegende Algorithmus führt zu einer graduell stärkeren Glättung der Gradientendaten für weiter vom Glichgewichtspunkt entfernt liegende Punkte, da hierfür die Mittelwerte über längere Distanzen berechnet werden. Für näher am Gleichgewichtspunkt liegende Punkte wird sich der Mittelwert immer stärker an das ursprünglich gegebene Gradientprofil annähern. Aus diesem Grunde kann ein längerer Zug von den geglätteten Gradienten hinsichtlich der für ihn daraus bestimmten Bremskurve profitieren, während ein kürzerer Zug in seiner Bremsdistanz mit äusserst exakten Gradientendaten versorgt wird. Es ist hier anzumerken, dass beide Züge ja mit den gleichen Gradientendaten versorgt werden. Beim kurzen Zug ist die in der gemäss ETCS Regel durchgeführten Berechnung der Bremskurve resultierende Kurve steiler, da sich die Verwendung des restriktivsten Werts über die Zuglänge weniger auswirkt.

Figur 4 zeigt nun eine Beispiel für eine Mittelwertbildung des Streckengradienten.

Vorliegend wurden eine Anzahl von Randbedingungen für die Glättung des Gradienten aus den folgenden Gründen bestimmt: a) Gradienten sollten immer nur in positiver Richtung angepasst werden (abschüssige Gradient verringern und steigende Gradienten anheben), damit dem restriktiven Verhalten des Onboard-Algorithmus zur Bestimmung der Bremskurve entgegengewirkt werden kann. Eine derartige Anhebung des Gradienten darf umgekehrt aber nicht dazu führen, dass ein weniger strenger Gradient von der OBU verwendet wird als der tatsächlich über die Zuglänge wirkende Streckengradient. Dieses Verhalten muss für jeden Zug innerhalb seiner Bremsdistanz und für den längsten Zug über seine gesamte Länge gelten. b) Die Positionen der ursprünglichen Gradientensprünge sollte nicht verändert werden, um einerseits den Einfluss auf die Projektierung zu minimieren, aber auch um die Übereinstimmung zwischen den für den Lokführer sichtbaren Gradientenänderungen und den entsprechenden Anzeigen auf dem ETCS Display der OBU für den Lokführer zu gewährleisten. c) Das Vorzeichen jeder Gradientenstufe im treppenförmigen Verlauf des Gradienten (Information abschüssige/ansteigende Strecke) darf nicht geändert werden, sodass eine Übereinstimmung zwischen den für den Lokführer sichtbaren Gradientenwerten und den entsprechenden Anzeigen auf dem ETCS Display der OBU für den Lokführer gewährleistet werden kann.

Es bleibt hier anzumerken, dass die in vorstehend b) und c) geschilderten Randbedingungen aus rein operationellen Gründen eingeführt werden und dabei die Effektivität der Bremskurvenoptimierung verringern. Diese beiden Regeln können jedoch ohne Einfluss auf die Sicherheit des Verfahrens missachtet werden.

Nach Anwendung der beschriebenen Mittelungen und unter Einhaltung der Randbedingungen können die Gradientendaten nun mit folgenden Regeln optimiert werden:

Eine Stufe (Abschnitt) des Gradientenverlaufs kann angehoben werden, wenn das Minimum des gemittelten Gradienten für diese Gradientenstufe und eine Zuglänge zurück vor dem Startpunkt dieser Gradientenstufe (also die Strecke, auf der dieser Gradient auf den Mittelwert einwirkt) höher ist als der ursprüngliche Gradientenwert. Die Strecke, auf der das Minimum für den gemittelten Gradienten betrachtet werden muss, kann jedoch bis zu der Position verkürzt werden, an der die nächste Gradientenstufe unterhalb der Funktion des gemittelten Gradienten liegt. In manchen Fällen und abhängig von der Topologie, muss nur das Minimum in dieser Gradientenstufe betrachtet werden, weil der nächste niedrigere Gradient den gemittelten Gradienten, der von der OBU zur Berechnung der Bremskurve verwendet wird, weiter begrenzen wird. Figur 5 zeigt schematisch ein Bespiel für die Anhebung einer Gradientenstufe gemäss dieser Regel. Um zu prüfen, ob die Gradientenstufe in Figur 5 bei 4000 m angehoben werden kann, muss das Minimum für den gemittelten Gradienten in dieser Gradientenstufe und vor dieser Gradientenstufe, bis eine andere Gradientenstufe gesammthaft unter diesem Mittelwert liegt, berechnet werden. Ist dieses Minimum höher als der ursprüngliche Wert für diese Gradientenstufe kann der Wert für den Gradienten in dieser Gradientenstufe angehoben werden (siehe Pfeil in Figur 5 etwa bei Meter 4100).

Der Gradient kann somit bis zu einem Wert unterhalb des Minimums in dem betrachteten Abschnitt ohne Wechsel des Vorzeichens angehoben werden (negative Werte für den Gradienten können in diesem Ausführungsbeispiel nur bis zum Wert Null erhöht werden). Der resultierende Algorithmus für die Glättung erlaubt so eine Reduktion der negativen Spitzen für die Gradienten in abschüssigen Gradientenstufen, ohne dabei aber die auf den Zug wirkende grundsätzliche Topologie der abschüssigen Strecke aufzugeben.

Figur 6 zeigt nun ein Beispiel für den ursprünglichen und den geglätteten Verlauf des Gradientenprofils nach der Anwendung des vorstehend erläuterten Algorithmus für einen Zug mit einer Zuglänge von 1500 Metern. Die hellgraue Flächen repräsentieren dabei die auf der OBU für die Bremskurvenberechnungen resultierenden Verbesserungen gegenüber dem ursprünglichen Gradienten durch den Glättungsprozess.

Das hier beschriebene Verfahren erlaubt es so negative Gradientenspitzen für abschüssige Streckenprofile in einem Gradientprofil zu glätten, wodurch das Bremsverhalten in betrieblicher Hinsicht gegenüber einer ETCS-Onboard-Einheit (OBU), die den im ETCS-Standard definierten Algorithmus gemäss dem Stand der Technik benutzt, optimiert wird. Gleichzeitig ist aber auch sichergestellt, dass das Gradientenprofil ausschliesslich in einer Weise abgeändert wird, die es auch dem Schienenfahrzeug mit dem geringsten Bremsvermögen weiterhin erlaubt am beabsichtigten Haltepunkt zum Stehen zu kommen. Das Verfahren berücksichtigt zudem Züge jeglicher Länge bis zu einer wählbaren, maximalen Zuglänge.

Die Effektivität des Verfahrens hängt dabei stark von der Topologie der ursprünglichen Gradientendaten ab. So können beispielsweise lange Gradientenstufen nach dem Gleichgewichtspunkt kaum geglättet werden. Desweiteren beeinflusst die Verarbeitungsweise der Gradienten durch das ETCS Radio Block Center (RBC) die Nützlichkeit des Algorithmus. Wenn das RBC für die gesamte Strecke nur ein einziges fixes Gradientenprofil verwenden kann und die Signalabstände kürzer oder nahe an der maximalen Zuglänge liegen, schränkt die Regel zwischen Gleichgewichts- und Haltepunkt nur die originalen Gradientenwerte zu verwenden die Optimierungsmöglichkeiten durch den Algorithmus ein.

Mögliche Anpassungen des Algorithmus können zum Beispiel darin bestehen, die vorgegebenen Gradientenstufen weiter zu unterteilen und auch den Wechsel des Vorzeichens von negativen Gradientenwerten zu positiven Gradientenwerten zuzulassen. Weiter könnte man den Algorithmus auch direkt im RBC implementieren anstatt vorgängig die Gradientendaten damit zu bearbeiten, womit für jede vom RBC einem Zug erteilte Movement Authority (MA) ein geglätteter Gradientenverlauf berechnet und an die OBU übertragen werden kann, was den vorgängig beschriebenen Einfluss kurzer Signalabstände eliminieren würde. Weiter erlaubt die Implementierung des Algorithmus im RBC bei der Glättung der Gradienten die effektive Länge des Zuges statt der maximal verkehrenden Länge miteinzubeziehen und somit die Optimierung umfänglichlicher auszunutzen.

Nachfolgend werden noch weitere Beispiele für die Anwendung des Algorithmus auf die Gradientendaten erläutert und die berechneten Bremskurven vor und nach der Glättung dargestellt. Figur 7 zeigt die Mittelung und die Glättung des Gradienten gemäss dem beschriebenen Algorithmus für Beispiel 1.

Figur 8 zeigt ebenfalls für Beispiel 1 auf der linken Seite die an die OBU übermittelte (Verlauf 1) sowie zur Ermittelung der Bremskurve durch die OBU verwendeten (Verlauf 2) Gradientenprofile und rechts die resultierenden Bremskurven, so wie sie die OBU vor der Anwendung des Algorithmus (oben) und nach der Anwendung des Algorithmus (unten) auf den Zug ausführt.

Figur 9 zeigt die Mittelung und die Glättung des Gradienten gemäss dem beschriebenen Algorithmus für Beispiel 2. Figur 10 zeigt ebenfalls für Beispiel 2 auf der linken Seite die an die OBU übermittelte (Verlauf 1) sowie zur Ermittelung der Bremskurve durch die OBU verwendeten (Verlauf 2) Gradientenprofile und rechts die resultierenden Bremskurven, so wie sie die OBU vor der Anwendung des Algorithmus (oben) und nach der Anwendung des Algorithmus (unten) auf den Zug ausführt.