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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur fahrzeugseitigen Überwachung
der Vollständigkeit schienengebundener
Fahrzeugverbände,
bestehend aus einer Mehrzahl aneinander gekoppelter Fahrzeuge, mit
mindestens einer Ortungseinheit zur Bestimmung der Position des
Fahrzeugverbandes.
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Derzeit
wird in der Praxis die Vollständigkeit von
schienengebundenen Fahrzeugverbänden
ausschließlich
mit Vorrichtungen auf der Strecke bestimmt. Aus dem Stand der Technik
sind zudem Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die eine fahrzeugseitige
und nicht wie derzeit eine streckenseitige Ermittlung der Zugvollständigkeit
ermöglichen.
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Die
DE 199 02 77 A1 offenbart
eine Zugvollständigkeitsüberwachungsvorrichtung,
bei der mittels einer Sensoreinrichtung Betriebsgrößen von
schienengebundenen Fahrzeugen erfasst werden. Solche Betriebsgrößen sind
insbesondere Parameter des in einem Zug verwendeten Bremssystems. Mittels
einer Steuereinrichtung werden die so erfassten Betriebsgrößen mit
vorbestimmten Werten verglichen, wobei in Abhängigkeit dieses Vergleichs
auf die Zugvollständigkeit
geschlossen werden kann.
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Als
Betriebsgrößen können neben
den Parametern des Bremssystems auch beispielsweise Werte der Fahrgeschwindigkeit,
der Streckenführung
und das Zuggewicht berücksichtigt
werden, wobei das Zuggewicht bereits bekannt sein muss.
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In
der
DE 199 55 010
A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung vorgesehen, mit
der die Zugkraft eines schienengebundenen Fahrzeugverbandes ermittelt
werden kann. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, aus dem Gesamtfahrwiderstand
die Zugkraft zu ermitteln, wobei der Gesamtfahrwiderstand der Zugkraft
entgegen gerichtet ist, d.h. in Bezug auf die Fahrtrichtung negativ
ist. Der Gesamtfahrwiderstand kann dabei aus einer Summe von momentanen
Einzelfahrwiderständen
ermittelt werden, wobei insbesondere als Einzelfahrwiderstände ein Laufwiderstand,
ein Bogenwiderstand, ein Neigungswiderstand und ein Beschleunigungswiderstand
ermittelt wird.
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Weiterhin
wird in der
DE 101
59 957 A1 ein Verfahren zur Ermittlung spezifischer physikalischer Parameter
eines Zugverbandes als aktuelle Zustandsgröße während einer laufenden Zugfahrt
offenbart. Dabei werden die physikalischen Zustandsgrößen des
Zugverbandes wie am Radumfang übertragende
Zugkraft, zurückgelegter
Weg, Geschwindigkeit und/oder Zeit ermittelt und einer der Bewegungsphasen
wie Beschleunigung, Beharrungsfahrt, Auslauf oder Bremsung zugeordnet.
Anschließend werden
die Parameter mittels fahrdynamischer Formeln in Abhängigkeit
von der aktuellen Bewegungsphase des Zugverbandes als aktuelle Zustandsgröße errechnet.
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In
Heidmann, PTOK: System zur Zugvollständigkeitsüberwachung, in: Signal + Draht
aus 11/1997, S. 22–25,
ist eine Übersicht über bekannte Zugvollständigkeitsüberwachungen
dargestellt. Dabei werden unter anderem bekannte Lösungen für die Zugvollständigkeitsüberwachung
aufgelistet, wie zum Beispiel Prüfverfahren,
basierend auf der Volumenstromkontrolle der Hauptluftleitung, Ultraschallsender
am Zugende mit Schallübertragung über die Hauptluftleitung
zum Empfänger
in der Lok, Ultraschallsender und -empfänger zur Reflexionsmessung
auf der Lok, Zuglängenmessung
mittels Satellitennavigation u.a. Für eine Kraftmessung im Bereich der
Verbindung von Eisenbahnfahrzeugen gibt es dort jedoch keinen Hinweis.
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Die
DE 197 23 309 A1 ,
DE 00 54 230 C1 ,
DE 101 07 571 A1 und
DE 102 48 246 A1 beschreiben Einrichtungen
zur Überwachung
der Integrität
von Eisenbahnzügen,
bei denen ein Signalgeber am letzten Wagen des Eisenbahnzuges mit
einem Signalempfänger
an der führenden
Lokomotive direkt oder über Relaisstationen
kommuniziert. Gegebenenfalls erfolgt noch eine Positionsbestimmung
des Signalgebers am letzten Wagen und des Signalempfängers an
der führenden
Lokomotive.
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Ebenso
ist in der
DE 199
51 259 A1 eine Einrichtung zur Erkennung der Zugvollständigkeit
eines Eisenbahnzuges beschrieben, bei der im Triebwagen und am letzten
Wagen eine Sende-/Empfangseinrichtung angeordnet sind, die modulierte
Signale in Form von elektromagnetischen Wellen miteinander austauschen.
Die Laufdauer und Signalstärke
des modulierten Signals wird gemessen und mit einem abgespeicherten
Sollwert verglichen.
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Aus
der
DE 198 32 602
A1 und
DE
199 63 258 A1 sind Einrichtungen zur Zuglängenbestimmung
und Zugintegritätsfeststellung
bekannt, bei denen gleisseitige Sensoren erforderlich sind, die
das Ergebnis, der Detektion an den Eisenbahnzug übermitteln.
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Hauptnachteil
letztgenannter Systeme sind die extrem hohen Kosten zur Ausrüstung der
Strecke mit Überwachungssensoren,
wie beispielsweise Achszähler
und Gleisstromkreise. Während
der Ausrüstungsgrad
der europäischen
Hauptstrecken mit solchen Einrichtungen in Bezug auf die gefahrenen Geschwindigkeiten
recht hoch und somit die Blockgröße, d.h.
der überwachte
Abstand, angemessen klein ist, ist auf Nebenstrecken aufgrund des
Kostendrucks die Dichte von Überwachungssensoren
wesentlich geringer. Dies führt
zu einer wesentlich ungenaueren und inhärent diskreten Zugortung und
damit zu einer schlechteren Ausnutzbarkeit der Kapazität der Strecke.
Die örtliche
Veränderung
von Überwachungssensoren
ist zudem sehr unflexibel und teuer. Zudem ist die Wartung der Anlagen
kostenintensiv, da sich die Anlagen entlang der Strecke befinden
und sich Wartungs- und Instandhaltungspersonal an den Einbauort
begeben muss. Die Umwelteinflüsse,
wie Temperatur, Nässe
etc. führen
zu einer erhöhten
Belastung der Überwachungssensoren
und zu reduzierter Verfügbarkeit.
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Die
bekannten Einrichtungen zur zugseitigen Vollständigkeitsüberwachung erfordern zudem
nachteilig zusätzliche
Ausrüstung
im Waggonverbund. Sie sind entweder von der Existenz, Verlässlichkeit
und Signalgüte
vorhandener elektrischer Leitungen oder Hauptluftleitungen abhängig oder
verlangen eine zusätzlich
am Zugschluss zu montierende Einheit.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung
zur Überwachung der
Zugvollständigkeit
bei Eisenbahnzügen
mit einer Mehrzahl aneinander gekoppelter Eisenbahnfahrzeuge zu
schaffen, die ohne streckenseitige Infrastruktur zuverlässig arbeitet.
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Die
Aufgabe wird mit der Einrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch mindestens
einen Kraftsensor im Bereich mindestens einer Verbindung von Eisenbahnfahrzeugen
eines Eisenbahnzuges und einer Überwachungseinheit,
die mit dem mindestens einen Kraftsensor verbunden und zur Ermittlung
der Zugvollständigkeit
aus den mit dem mindestens einen Kraftsensor detektierten Zug- und/oder Schubkräften zwischen
Eisenbahnfahrzeugen eingerichtet ist.
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Damit
wird die Vollständigkeit
des Eisenbahnzuges während
der Fahrt dynamisch durch eine Ermittlung der Kräfte an der Schnittstelle zwischen Eisenbahnfahrzeugen,
bevorzugt zwischen dem Triebfahrzeug und dem ersten Waggon bestimmt. Dies
hat den Vorteil, dass nur an einer Stelle des Eisenbahnzuges, d.h.
im Bereichs des Triebfahrzeugs Kraftsensoren beispielsweise an der
Kupplung oder den Puffern eingebaut werden müssen, die dort mit der Überwachungseinheit
verbunden wird. Damit können
Kraftsensor und Überwachungseinheit
vorzugsweise direkt im Triebfahrzeug eingebaut werden und das Zugvollständigkeitssystem
ist unabhängig von
der Ausstattung der an das Triebfahrzeug angekoppelten Eisenbahnfahrzeuge
funktionsfähig.
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So
ist vorzugsweise mindestens ein Kraftsensor zur Detektion der zwischen
mindestens einem Triebfahrzeug am Anfang und/oder Ende des Eisenbahnzuges
und des anschließenden
Waggons wirkenden Zug- und/oder Schubkräfte vorgesehen.
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Die Überwachungseinheit
hat in einer bevorzugten Ausführungsform
einen Datenspeicher zur Abspeicherung eines streckenbezogenen Kraftverlaufs
und ist zum Vergleichen des hinterlegten Kraftverlaufs mit einem
aktuell gemessenen Kraftverlauf und zur Erkennung von Trennungen
von Eisenbahnfahrzeugen aus Unterschieden der Kraftverläufe eingerichtet.
Der streckenbezogene Kraftverlauf kann beispielsweise in Verbindung
mit einer ggf. in modernen Triebfahrzeugen verfügbaren digitalen Streckenkarte
abgelegt werden.
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Damit
wird der Verlauf der Zug- bzw. Schubkräfte entlang der gefahrenen
Strecke gemessen und ein normaler Verlauf der Kraftänderung
in einem Speicher hinterlegt. Die Veränderung der Kräfte, insbesondere
eine sprunghafte Veränderung,
wird zur Erkennung einer Zugtrennung genutzt. Bei einer Auswertung
der relativen Kraftänderung
kann eine Zugtrennung auch bei veränderter Anzahl von Waggons
erkannt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Überwachungseinheit
zum Zählen
von Kraftimpulsen und Vergleichen mit einer vorher bestimmten Anzahl
von Kraftimpulsen eingerichtet ist. Dies kann insbesondere beim
Anfahren oder Bremsen genutzt werden. Wenn die Waggons nicht zu
dicht gekoppelt sind, stehen sie nach dem Anhalten in der Regel
dichter als die Länge
der Kupplung zwischen den Waggons. Dadurch ist es möglich, die
Anzahl der Impulse zu zählen,
die dadurch entstehen, dass die Waggons nacheinander angezogen werden.
Wenn bei einem Halt keine Waggons abgekuppelt wurden, so muss die Anzahl
der Impulse bei jedem Anfahren konstant sein, da sie der Anzahl
der Waggons entspricht. Das umgekehrte Verfahren, das Zählen der
Impulse der auflaufenden Waggons, kann ebenso verwendet werden,
wenn der Zug betrieblich nur von der Lokomotive (z. B. mit der generatorischen
Bremse) gebremst wird.
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Beim
Fahren auf einer ebenen Strecke oder beim Übergang zwischen einer Ebene
und einer Steigung oder einem Gefälle wird eine Trennung von
Eisenbahnfahrzeugen vorzugsweise bei sprunghaften Veränderungen
der Zugkraft erkannt. Im Normalfall gibt es nämlich keine sprunghafte Veränderung
der Zugkraft, wenn der Zug auf einer ebenen Strecke vollständig rollt. Ändert sich
die Zugkraft auf einer ebenen Strecke trotzt konstanter Geschwindigkeit, so
weist das auf eine Zugtrennung hin. Entsprechendes gilt beim Übergang
zwischen einer Ebene, Steigung und Gefälle, bei dem es im Normalfall
zu keiner sprunghaften Änderung
der Zugkraft kommt.
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Beim
Aufwärtsfahren
auf einer Steigungsstrecke kann eine Zugtrennung bei einer sprunghaften
Verminderung der Zugkraft erkannt werden.
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Bei
einer Abwärtsfahrt
auf einer Gefällestrecke
bei ungebremsten Eisenbahnfahrzeugen kann eine Zugtrennung aus der
detektierten Schubkraft durch Ermittlung des Gesamtgewichts der
angekoppelten Eisenbahnfahrzeuge bestimmt werden. Im Gefälle wirkt
nämlich
ab einer Länge
der Steigung, die größer als
die Zuglänge
ist, eine neigungsabhängige
Schubkraft. Da der gesamte Zug bei ungebremsten oder momentan nicht
bremsenden Eisenbahnfahrzeugen nur von der führenden Lokomotive gebremst
wird, kann das Gewicht aus der Schubkraft an den Puffern gemessen
werden. In der Regel ist dies bei geringen Gefällen oder geringen Geschwindigkeiten
hinreichend genau möglich.
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Der
Bremszustand kann von der Überwachungseinheit
beispielsweise durch Messung des Drucks in der Hauptluftleitung
erfasst werden.
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Bei
einer Wannenfahrt oder Kuppenfahrt kann die Länge des Eisenbahnzuges aus
einem sequentiellen Durchgang der Eisenbahnfahrzeuge durch eine
beidseitig durch Steigungsstrecken eingeschlossene Senke bei der
Wannenfahrt oder Kuppe bei einer Kuppenfahrt auftretenden Lastwechseln und
einem jeweils ermittelten Abstand des Kraftsensors am Zugfahrzeug
und der Senke oder Kuppe bestimmt werden.
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Für die Zugintegritätsüberwachung
kann die Gleittreibung als annährend
konstant angesehen werden. Kurzfristige Änderungen können durch eine geeignete Tiefpassfilterung
herausgefiltert werden. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn die Überwachungseinheit
und/oder die Kraftsensoren einen Tiefpassfilter zur Reduzierung
des unvermeidlichen Messrauschens und damit verbundenen detektierten
kurzfristigen Kraftänderungen
sowie Eliminierung solcher kurzfristigen Kraftänderungen aus den über die
Zeit ermittelten Kraftverläufen
hat.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es
zeigt:
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1 – Skizze
eines Eisenbahnzuges mit einer in das Triebfahrzeug eingebauten
Einrichtung zur Zugvollständigkeitsüberwachung.
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Die 1 lässt eine
Skizze eines Eisenbahnzuges 1 erkennen, die aus einem führenden Triebfahrzeug 2 und
daran angekoppelten Waggons 3a, 3b, ... 3n besteht.
Das Triebfahrzeug 2 ist mit einer Einrichtung 4 zur Überwachung
der Zugvollständigkeit
eingerichtet, die mindestens einen Kraftsensor 5 in der
Verbindung zwischen dem Triebfahrzeug 2 und dem ersten
Waggon 3a und eine Überwachungseinheit 6 beispielsweise
in Form eines mit geeignetem Programm ausgestatteten Rechners ausgebildet
ist. Die Überwachungseinheit 6 kann
mit einem Datenspeicher 7 verbunden sein, in dem streckenbezogene
Kraftverläufe
vorzugsweise in Bezug auf eine digitale Streckenkarte abgelegt sind.
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Ein
erster Zug-Kraftsensor 5a kann an die Kupplung 8 des
Triebfahrzeugs 2 zum ersten Waggon 3a angebracht
sein, um die zwischen dem Triebfahrzeug 2 und dem ersten
Waggon 3a über
die Zeit wirkenden Zugkräfte
zu detektieren. Ein weiterer Schub-Kraftsensor 5b kann
mit mindestens einem Puffer 9 des Triebfahrzeugs 2 gekoppelt
sein, um die zwischen dem Triebfahrzeug 2 und den nachfolgenden
Waggons 3 über
die Zeit wirkenden Druckkräfte zu
detektieren.
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Die
Zug- und/oder Druckkräfte
werden an die Überwachungseinheit 6 weitergeleitet
und dort ausgewertet. Hierzu wird der zeitliche Verlauf der Kräfte berechnet,
der von einem konstanten Zuggewicht und einer bezogen auf die gesamte
Zuglänge
nahezu unveränderlichen
Verteilung der Massen ausgeht. Mit Hilfe der Kraftsensoren 5 können Abweichungen von
diesem Verlauf gemessen und interpretiert werden, beispielsweise
indem der normale Verlauf der Kraftänderung in dem Datenspeicher 7 streckenabhängig hinterlegt
ist. Die Veränderung
der Kräfte,
insbesondere eine sprunghafte Veränderung, kann zur Erkennung
einer Zugtrennung genutzt werden.
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Die
Zugkraft ist im Wesentlichen von der Beschleunigung, der Reibungswiderstand
an den Achslagern und der beschleunigten Masse abhängig. Wird
sie an der Kupplung zwischen dem Triebfahrzeug 2 und dem
ersten Wagon 3a gemessen, so entspricht die beschleunigte
Masse der Masse der gezogenen Waggons 3. Der Einfluss der
Reibung in den Lagern kann durch ein Kennfeld in der zentralen Überwachungseinheit 6 berücksichtigt
werden, das in dem Datenspeicher 7 hinterlegt ist. Gefälle und Steigung
haben ebenfalls Einfluss auf die Zugkraft. Sie gehen nach der Formel Fg = m·g·sin(α)ein,
wobei Fg die Kraft durch die Steigung/das
Gefälle,
m die Masse der Waggons, g die Erdbeschleunigung und α der Winkel
der Steigung (positiv) bzw. des Gefälles (negativ) ist.
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Die
Reibung in den Radlagern wird als annährend konstant angenommen und
kann ggf. durch eine geeignete Hochpassfilterung herausgefiltert werden.
Kurzfristige Änderungen
können
durch eine geeignete Tiefpassfilterung herausgefiltert werden.
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Die Überwachungseinheit 6 unterscheidet zur
Zugvollständigkeitsüberwachung
folgende Fälle:
- a) Anfahren:
Sind die an das Triebfahrzeug 2 angekoppelten Eisenbahnfahrzeuge 3 nicht
zu dicht gekoppelt, stehen sie nach dem Anhalten in der Regel dichter
als die Länge
der Kupplung zwischen den Eisenbahnfahrzeugen 3. Dadurch
ist es möglich,
die Anzahl der Impulse zu zählen,
die dadurch entstehen, dass die Eisenbahnfahrzeuge 3 nacheinander
angezogen werden. Wurden bei einem Halt keine Eisenbahnfahrzeuge 3 abgekuppelt,
so muss die Anzahl der Impulse bei jedem Anfahren konstant sein,
da sie der Anzahl der Waggons 3 entspricht.
- b) Ebene Strecke:
Wenn der Eisenbahnzug 1 vollständig rollt, ändert sich
die Zugkraft auf ebener Strecke trotz konstanter Geschwindigkeit.
Dies weist ebenso wie eine sprunghafte Änderung der Kraft auf eine Zugtrennung
hin.
- c) Steigung:
Fällt
bei einer Steigung die Zugkraft sprunghaft bei konstanter Geschwindigkeit,
so weist dies auf eine Zugtrennung hin.
- d) Gefälle:
Im
Gefälle
wirkt ab einer Länge
der Steigung, die größer als
die Zuglänge
ist, eine neigungsabhängige
Schubkraft, die in zwei Fällen
auftreten kann:
1) Der gesamte Eisenbahnzug 1 wird
nur von dem Triebfahrzeug 2 gebremst. In diesem Fall kann das
Gewicht aus der Schubkraft an den Puffern 9 gemessen werden.
Dies ist z. B. beim Einsatz einer generatorischen Bremse bei geringen
Gefällen
oder geringen Geschwindigkeiten möglich.
2) Jedes Eisenbahnfahrzeug 3 des
Eisenbahnzuges 1 bremst selber. In diesem Fall ist die
Messung unwirksam, da keine auswertbaren Zug- oder Druckkräfte wirken.
- e) Übergang:
Beim Übergang
zwischen Ebene, Steigung und Gefälle
kommt es im Normalfall zu keiner sprunghaften sondern einer kontinuierlichen Änderung der
Zug kraft. Daher weist eine sprunghafte Änderung der Kraft auf eine
Zugtrennung hin.
- f) Wannenfahrt:
In diesem Fall kann durch den sequentiellen Durchgang
aller Eisenbahnfahrzeuge 3 durch eine Senke, die beidseitig
von Steigungsstrecken eingeschlossen ist, zusätzlich zu der Gewichtsbestimmung
ein zweiter Algorithmus arbeiten, der die Länge des Eisenbahnzuges 1 aus
dem Abstand der Zugvollständigkeitsüberwachungseinrichtung 4,
die sich typischerweise auf dem Triebfahrzeug 2 an der
Zugspitze befindet, zum Mittelpunkt der Senke bestimmt werden.
- g) Kuppenfahrt:
Hier treten drei Phasen der Überfahrt
auf:
1) Das Triebfahrzeug 2 muss Zugkräfte aufbringen.
Dieser Abschnitt entspricht der Fahrt in einer Steigung.
2)
Der Zugteil hinter der Kuppe zieht den Zugteil vor der Kuppe. In
diesem Fall ist ähnlich
wie bei der Wannenfahrt eine Bestimmung des Zuggewichts und der
Zuglänge
aus dem Lastwechsel möglich.
3)
Alle Eisenbahnfahrzeuge 3 des Eisenbahnzuges 1 bremsen.
In diesem Fall ist die Messung unwirksam, da keine auswertbaren
Zug- oder Druckkräfte
wirken.
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Mit
der Zugvollständigkeitsüberwachungseinrichtung 4 kann
eine streckenseitige Ausrüstung beispielsweise
mit Achskreisen eingespart werden. Die Einrichtung 4 kann
mit einer Zugsteuerungseinrichtung um beispielsweise eine automatische
Bremsung des Eisenbahnzuges zu veranlassen, wenn eine Zugunvollständigkeit
er kannt worden ist. Wenn die Einrichtung 4 sensibel genug
eingestellt ist, kann auch detektiert werden, an welcher Stelle,
d.h. zwischen welchen Eisenbahnfahrzeugen 3 der Eisenbahnzug 1 getrennt
wurde.