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Bekannte Navigationssysteme bestimmen eine Route von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt auf einem Wegenetz auf der Basis von abgespeicherten Informationen über einzelne Strecken des Wegenetzes. Insbesondere für bekannte Optimierungen bezüglich einer Fahrstrecke oder einer zum Durchfahren der Fahrstrecke erforderlichen Reisezeit kann einer Strecke eine Ganglinie zugeordnet werden, die einen Verkehrsfluss auf der Strecke in Abhängigkeit von einer Tageszeit bzw. eines Wochentags beschreibt. Zyklisch wiederkehrende Verkehrsphänomene, wie ein Berufsverkehr oder ein Wochenendstau, können dadurch modelliert werden, wodurch die Optimierung der Route verbessert werden kann.
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Eine Optimierung bezüglich des Kraftstoffverbrauchs eines Kraftfahrzeugs kann nicht in analoger Weise durchgeführt werden, da der Kraftstoffverbrauch nicht nur von der Geschwindigkeit oder der Fahrstrecke abhängt. Eine langsame Fahrgeschwindigkeit ohne Beschleunigungen kann einen niedrigen Kraftstoffverbrauch pro Strecke bewirken, eine langsame Fahrgeschwindigkeit im Stop-and-Go-Verkehr jedoch einen hohen Kraftstoffverbrauch.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen eines Kraftstoffverbrauchs und ein Navigationssystem bereit zu stellen, das eine verbesserte verbrauchsoptimierte Route bestimmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung löst die Aufgabe mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eines Navigationssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Unteransprüche geben jeweils bevorzugte Ausführungsformen an.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Bestimmen eines Kraftstoffverbrauchs eines Kraftfahrzeugs auf einer Strecke Schritte des Bestimmens einer Verbrauchskennlinie, die einen Zusammenhang zwischen einer Geschwindigkeit und einem Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs auf einer vergleichbaren Strecke angibt und des Bestimmens einer erwarteten Geschwindigkeit auf der Strecke zu einer geplanten Fahrzeit auf der Basis einer Ganglinie, die einen Zusammenhang zwischen der Fahrzeit und der erwarteten Geschwindigkeit angibt. Der Kraftstoffverbrauch auf der Strecke zur Fahrzeit wird auf der Basis einer Verbrauchsganglinie vorhergesagt, die aus der erwarteten Geschwindigkeit und der Verbrauchskennlinie bestimmt. Die Fahrzeit ist dabei der Zeitraum, in dem das Durchfahren einer Strecke auf der Route geplant ist bzw. durchgeführt wird. Die Fahrzeit kann beispielsweise durch ein Datum, einen Wochentag und/oder eine Uhrzeit angegeben sein.
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Das Verfahren beruht auf einfachen Messungen des Kraftstoffverbrauchs des eigenen Fahrzeugs. Eine Sammlung und gegebenenfalls statistische Auswertung von Informationen durch andere Fahrzeuge ist nicht erforderlich. Mit einer zunehmenden Menge aufgenommener Messwerte kann die Verbrauchskennlini verbessert werden, so dass das Verfahren zunehmend verlässlichere Werte liefern kann. Idealerweise ist die vergleichbare Strecke identisch mit der zu befahrenden Strecke. Auch wenn dies nicht der Fall ist, so kann die Verbrauchskennlinie der vergleichbaren Strecke auf die Strecke übertragen werden. Dadurch können bereits relativ genaue Werte für einen Kraftstoffverbrauch bestimmt werden, wenn erst wenige Verbrauchskennlinien bzw. Messwerte bestimmt wurden. Darüber hinaus kann durch das Übertragen auch ein Speicherbedarf des Verfahrens sinken.
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Die Verbrauchskennlinie kann auf der Basis von wenigstens einer bestimmten Abweichung eines Kraftstoffverbrauchs von einer für das Kraftfahrzeug typischen Verbrauchskennlinie bestimmt werden. Während die typische Verbrauchskennlinie einen gemittelten Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit und dem Kraftstoffverbrauch angibt, können die Abweichungen unter vorbestimmten Bedingungen erfasst werden, etwa einer Messzeit oder Eigenschaften der vergleichbaren Strecke, auf der die Abweichungen erfasst wurden. Das Bestimmen der Verbrauchskennlinie kann ein lineares oder polynomiales Inter- oder Extrapolieren im Bereich der bestimmten Abweichungen umfassen. Durch Berücksichtigen der Abweichungen kann eine Genauigkeit des Verfahrens gesteigert werden.
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Die Ganglinie und die Verbrauchskanglinie können derselben vorbestimmten Klasse von Strecken zugeordnet sein. Insbesondere kann eine Vielzahl von vorbestimmten Klassen von Strecken definiert sein, denen jeweils eine Ganglinie und eine Verbrauchskennlinie zugeordnet sind. Durch die Zuordnung lassen sich vergleichbare Strecken bzw. Kennlinien gruppieren, so dass ein Auffinden der vergleichbaren Strecke aufgrund ihrer Gruppenzugehörigkeit einfach und schnell erfolgen kann.
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Es können mehrere Ganglinien hinterlegt sein, denen unterschiedliche Höchstgeschwindigkeiten zugewiesen sind. Das Verfahren kann eine Auswahl einer der Ganglinien auf der Basis einer der Strecke zugewiesenen Höchstgeschwindigkeit umfassen. Dadurch kann die Genauigkeit des Verfahrens weiter gesteigert sein.
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Die Fahrzeit und die Messzeit können jeweils eine Tageszeit und/oder einen Wochentag umfassen. Dadurch können zyklische Phänomene, wie ein Berufsverkehr oder ein Feiertagsverkehr, auf einfache Weise berücksichtigt werden.
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Die Vergleichbarkeit der Strecken kann anhand von wenigstens einem der folgenden Kriterien bestimmt werden: eine Verkehrsbedeutung der Strecken, eine zulässige Höchstgeschwindigkeit auf den Strecken, ein Gefälle der Strecken, eine Länge der Strecken und eine Zugehörigkeit der Stecken zu einem zusammenhängenden geographischen Gebiet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass nur solche Strecken miteinander verglichen werden, auf denen Kraftstoffverbräuche unter den herrschenden Bedingungen ebenfalls vergleichbar sind.
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Das Verfahren kann in Form eines Computerprogrammprodukts mit Programmcodemitteln auf einer Verarbeitungseinrichtung ausgeführt werden oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sein.
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Nach einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung ein Navigationssystem für ein Kraftfahrzeug zur Bestimmung einer verbrauchsoptimierten Route des Kraftfahrzeugs von einem Startpunkt zu einem Zielpunkt eines Wegenetzes. Das Navigationssystem umfasst einen ersten Speicher für das Wegenetz, einen zweiten Speicher zur Ablage von Ganglinien und/oder Verbrauchsganglinien und/oder der Verbrauchskennlinie und eine Schnittstelle zu einer Einrichtung des Kraftfahrzeugs, über die Daten, die auf einen momentanen Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs hinweisen, empfangen werden können. Ferner umfasst das Navigationssystem eine Positionsbestimmungseinrichtung zur Bestimmung einer momentanen Position des Kraftfahrzeugs auf dem Wegenetz und eine Verarbeitungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, Strecken des Wegenetzes auf der Basis des beschriebenen Verfahrens einem Kraftstoffverbrauch zuzuordnen und die Bestimmung der Route als Minimierung des Kraftstoffverbrauchs zwischen Startpunkt und Zielpunkt durchzuführen.
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Bei der Bestimmung der Route können zusätzlich eine Fahrstrecke, eine zum Durchfahren der Fahrstrecke erforderliche Reisezeit, und/oder ein weiterer Parameter optimiert werden. Bevorzugterweise wird ein Kompromiss zwischen dem Kraftstoffverbrauch und einem anderen Parameter gefunden, so dass ein gewisser Vorteil bezüglich des einen Parameters keinen inakzeptabel großen Nachteil bezüglich eines der anderen Parameter bedingt. Die Signifikanz der Parameter beim Bestimmen des Kompromisses können gewichtet werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 ein Kraftfahrzeug mit einem Navigationssystem;
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2 Ganglinien und Kennlinien zur Bestimmung eines Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeugs aus 1; und
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3 ein Verfahren zum Bestimmen des Kraftstoffverbrauchs nach 1 darstellt.
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Genaue Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 100. Das Kraftfahrzeug 100 umfasst einen Antriebsmotor 110 und eine Motorsteuerung 120, die mit dem Antriebsmotor 110 verbunden ist. Ferner umfasst das Kraftfahrzeug 100 ein Navigationssystem 130, das seinerseits eine Schnittstelle 140, eine Verarbeitungseinrichtung 150, eine GPS-Antenne 155, eine TMC-Antenne 160, einen Kartenspeicher 165, einen Zwischenspeicher 170 und eine Bedieneinheit 175 umfasst.
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Die Verarbeitungseinrichtung 150 ist mittels der Schnittstelle 140 mit der Motorsteuerung 120 des Antriebsmotors 110 verbunden. Daten, die über die Schnittstelle 140 von der Verarbeitungseinrichtung 150 empfangen werden können, umfassen insbesondere einen momentanen Kraftstoffverbrauch des Antriebsmotors 110 und eine Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 100. Anstelle des momentanen Kraftstoffverbrauchs können auch Daten übermittelt werden, aus denen der Kraftstoffverbrauch bestimmbar ist, beispielsweise eine Drehzahl des Antriebsmotors 110 und eine Einspritzmenge pro Zylinder und Umdrehung des Antriebsmotors 110. In einer weiteren Ausführungsform kann auch beispielsweise ein Durchflussmessgerät für Kraftstoff, der dem Antriebsmotor 110 zugeführt wird, mit der Schnittstelle 140 verbunden sein. Die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 100 kann auch mittels der GPS-Antenne 155 bestimmt werden.
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Abgesehen von der Schnittstelle 140 ist das Navigationssystem 130 im Wesentlichen konventionell aufgebaut. Die Verarbeitungseinrichtung 150 wird vorzugsweise durch einen programmierbaren digitalen Mikrocomputer gebildet. Mittels der GPS-Antenne 155 werden auf der Basis empfangener Signale von Navigationssatelliten eine Position des Kraftfahrzeugs 100 sowie gegebenenfalls eine Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 100 bestimmt. Mittels der optionalen TMC-Antenne 160 können dynamische Verkehrsinformationen empfangen werden, die beispielsweise ein temporäres Streckenverbot wie eine Geschwindigkeitsbegrenzung oder Streckensperrung oder Informationen zum Verkehrsfluss auf bestimmten Strecken umfassen. Der Kartenspeicher 165 umfasst Repräsentationen von Wegekarten eines Gebietes. Die Wegekarten liegen als ein Netz von Strecken zwischen Knotenpunkten in digitalisierter Form vor. Strecken und/oder Knotenpunkten können weitere Informationen zugeordnet sein. Beispielsweise können einer Strecke eine Straßenklasse, eine Verkehrsbedeutung, eine zulässige Höchstgeschwindigkeit, ein Gefälle, eine Kurvigkeit, eine Länge oder eine absolute Lage zugeordnet sein. Aus Effizienzgründen liegen die Daten innerhalb des Kartenspeichers 165 als Datenbank vor. Der zweite Speicher 170 kann ein schneller aber flüchtiger, beschreibbarer Speicher (RAM) sein. Jedes Programm, das auf der Verarbeitungseinrichtung 150 auszuführen ist, ist an die Leistungsfähigkeit der Verarbeitungseinrichtung 150 ebenso wie an den maximal verfügbaren Platz in den Speichern 165 und 170 gebunden. Die Speicher 165 und 170 können teilweise oder vollständig überlappen oder zusammenfallen.
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Ein Zeitgeber kann in Form eines optionalen dedizierten Geräts mit der Verarbeitungseinrichtung 150 verbunden sein oder es können Zeitinformationen über die Schnittstelle 140 bzw. die GPS-Antenne 155 empfangen werden. Für einen Fahrer des Kraftfahrzeugs 100 ist eine Bedieneinheit 175 vorgesehen, die optische, akustische oder haptische Bedienelemente zur Ein- und Ausgabe umfassen kann.
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2 zeigt Ganglinien und Kennlinien zur Bestimmung eines Kraftstoffverbrauchs. In einem oberen linken Bereich von 2 ist eine Ganglinie 210 in einem Koordinatensystem eingetragen, das in horizontaler Richtung eine Zeit und in vertikaler Richtung einen Verkehrsfluss definiert. Der Verkehrsfluss ist als Verhältnis aus einer gefahrenen Geschwindigkeit (v) zu einer maximal möglichen Geschwindigkeit (vfreeflow) angegeben. Die Ganglinie 210 beschreibt, zu welchem Zeitpunkt mit welcher durchschnittlichen Geschwindigkeit auf der Strecke zu rechnen ist. Der Zeitbereich der horizontalen Achse erstreckt sich über einen Tag, so dass ein zähfließender Verkehr durch Stoßzeiten morgens und abends durch Ausschläge der Ganglinie 210 nach unten repräsentiert wird.
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In einem oberen rechten Bereich von 2 befindet sich eine Darstellung einer Verbrauchskennlinie 220. In horizontaler Richtung ist ein Verbrauch in Litern Kraftstoff pro 100 km/h, in vertikaler Richtung eine Geschwindigkeit eingetragen. In einer anderen Ausführungsform kann auch ein anderer Verbrauchswert in vertikaler Richtung angegeben sein, etwa kWh. Die Geschwindigkeit in vertikaler Richtung ist absolut angegeben, durch eine geeignete Skalierung wird eine Entsprechung zur relativen Geschwindigkeitsangabe im Koordinatensysteme der Ganglinie 210 erreicht.
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In einem unteren linken Bereich von 2 ist eine Verbrauchsganglinie 230 in einem Koordinatensystem eingezeichnet, dessen horizontale Achse entsprechend der Ganglinie 210 in Zeit und dessen vertikale Achse entsprechend der horizontalen Achse der Verbrauchskennlinie 220 skaliert ist.
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Dünne Verbindungslinien verbinden jeweils zueinander korrespondierende, markante Punkte auf den Linien 210 bis 230.
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Zur Bestimmung eines Kraftstoffverbrauchs für eine bestimmte Strecke zu einer bestimmten Fahrzeit wird wie folgt vorgegangen. Für eine Klasse von Strecken, zu denen die fragliche Stecke gehört, ist aufgrund von Verkehrsbeobachtungen die Ganglinie 210 bekannt. Die Ganglinie 210 ist Bestandteil der Wegekarten im Kartenspeicher 165. Der Strecke ist eine erlaubte Höchstgeschwindigkeit zugeordnet, die durch die Klasse vorgegeben und durch dynamische Verkehrsinformationen angepasst sein kann. Daraus kann für die bestimmte Fahrzeit die absolute zu erwartende Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 100 bestimmt werden. Über die Verbrauchskennlinie 220 ist jeder Geschwindigkeit ein Verbrauch zugeordnet, der sich üblicherweise an einem spezifischen Verbrauch des Antriebsmotor 110 bei der Geschwindigkeit orientiert. Es wird dabei von einer stets optimalen Gangstufe ausgegangen. Mit Hilfe der Verbrauchskennlinie 220 kann für jeden Zeitpunkt der Ganglinie 210 ein zu erwartender Kraftstoffverbrauch bestimmt werden, der in der Verbrauchsganglinie 230 angegeben ist. Aus der Verbrauchsganglinie 230 wird derjenige Verbrauchswert abgelesen, der zur Fahrzeit korrespondiert.
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Die Verbrauchskennlinie 220 bezieht sich jedoch auf gleichmäßig gefahrene Geschwindigkeiten, während die Ganglinie 210 auf minderen Geschwindigkeiten basiert, die auf der jeweiligen Strecke gefahren werden und in die auch Brems- und Beschleunigungsvorgänge einbezogen sind. Der tatsächliche Verbrauch des Kraftfahrzeugs 100 ist daher in der Regel für eine gegebene Geschwindigkeit gemäß der Ganglinie 210 höher als der in der Verbrauchskennlinie 220 für diese Geschwindigkeit angegebene Wert.
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Die Verbrauchskennlinie 240 modelliert einen realistischen Zusammenhang zwischen Kraftstoffverbrauch und Geschwindigkeit. Bei frei fließendem Verkehr, d. h., wenn die Geschwindigkeit bezüglich der Ganglinie 210 im Bereich von 100% (v/vfreeflow) liegt, kann von einer weitgehend gleichmäßig gefahrenen Geschwindigkeit auf der Strecke ausgegangen werden, so dass für die entsprechenden Zeiträume auf der Ganglinie 210 davon ausgegangen werden kann, dass die Verbrauchskennlinie 220 zutreffend ist. Eine Abweichung Δ0 ist Null.
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Messwerte, die in Zeiträume gebundenen, stoppenden oder teilweise stehenden Verkehrs fallen, weisen eine Abweichung von der Verbrauchskennlinie 220 in Richtung eines erhöhten Verbrauchs auf. Auf der Basis möglichst mehrerer, wenigstens jedoch eines Messwerts Δ1, Δ2, kann mittels eines bekannten Interpolations- bzw. Extrapolationsverfahrens (Spline-, Polynom-, Bézier-Interpolation etc.) die angepasste Verbrauchskennlinie 240 bestimmt werden. Die Verbrauchsganglinie 230 kann dann wie oben beschrieben auf der Basis der Verbrauchskennlinie 240 bestimmt werden.
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Die Verbrauchsganglinie 230 kann durch die Verarbeitungseinrichtung 150 in der Datenbank des Kartenspeichers 165 für die jeweilige Strecke gespeichert werden. Alternativ kann die Verbrauchsganglinie 230 auch im Zwischenspeicher 170 abgelegt und der Strecke oder der sie umfassenden Klasse zugewiesen werden. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn die Datenbank im Kartenspeicher 165 nicht dazu eingerichtet ist, Änderungen oder Zusatzinformationen aufzunehmen. So können Speicherplatz und Verarbeitungsaufwand eingespart werden.
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In einer Variante können mehrere Ganglinien 210 vorliegen, die sich jeweils auf unterschiedliche Höchstgeschwindigkeiten auf der Strecke beziehen. Dementsprechend ergeben sich dann bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten des freien Verkehrs auch unterschiedliche Verbrauchsganglinien 230.
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3 zeigt ein Verfahren 300 zum Ablauf im Navigationssystem 130 in 1 zum Bestimmen eines Kraftstoffverbrauchs des Kraftfahrzeugs 100. Das Verfahren 300 umfasst Schritte 310 bis 370. Dabei ist das Verfahren 300 in zwei voneinander relativ unabhängige Teilverfahren 310–320 und 330–370 gegliedert. Während das erste Teilverfahren 310–320 eine Sammlung und Vorverarbeitung von Beobachtungsdaten betrifft, werden die verarbeiteten Daten im zweiten Teilverfahren 330–370 verwendet, um den Kraftstoffverbrauch zu bestimmen. Der Zusammenhang zwischen den Teilverfahren 310–320 und 330–370 besteht darin, dass die Qualität der Bestimmung des Kraftstoffverbrauchs mittels des zweiten Teilverfahrens 330–370 mit einer zunehmenden Anzahl von Informationen, die mittels des ersten Teilverfahrens 310–320 bestimmt wurden, ansteigt.
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Im Schritt 310 werden Positionen des Kraftfahrzeugs 100 mittels der GPS-Antenne 155, zugeordnete Kraftstoffverbräuche mittels der Schnittstelle 140 und zugeordnete Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs 100 mittels einer der beiden Quellen 140 oder 155 bestimmt. Auf der Basis der aufgenommenen Werte wird im Schritt 320 eine Verbrauchskennlinie 240 gespeichert bzw. aktualisiert. Je mehr einander zugeordnete Informationen im Schritt 310 aufgenommen werden, desto mehr Stützstellen sind für die Verbrauchskennlinie im Schritt 320 verfügbar, so dass die Aussagekraft der Verbrauchskennlinie 240 steigt.
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Die Informationen werden gemeinsam mit einem Messzeitpunkt und weiteren Begleitumständen, etwa der Strecke oder der die Strecke umfassende Klasse, abgespeichert. Im Rahmen einer späteren Bestimmung können dann Messwerte, deren Messzeitpunkte einer geplanten Fahrzeit entsprechen, dynamisch zu einer Verbrauchskennlinie 230 zusammen gefügt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Anzahl von Verbrauchskennlinien 240 bestimmt werden, bevor eine konkrete Anfrage vorliegt, so dass die Anfrage dann auf der Basis einer der bereits vorbestimmten Verbrauchskennlinien 240 beantwortet wird.
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Im Schritt 330 werden eine Strecke und eine geplante Fahrtzeit als Parameter einer Anfrage eines zugeordneten Kraftstoffverbrauchs entgegengenommen. Schritt 330 kann von einem üblichen Routenbestimmungsverfahren aufgerufen werden, bei dem für einzelne Strecken Verkehrswiderstände ermittelt werden, bezüglich denen die Route dann optimiert bestimmt wird.
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Im Schritt 340 wird bestimmt, welche Höchstgeschwindigkeit auf der Strecke gefahren werden kann. Eine zu dieser Höchstgeschwindigkeit passende Ganglinie 210 wird ausgewählt.
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Im Schritt 350 wird die erwartete Geschwindigkeit aus der ausgewählten Ganglinie 210 bestimmt. Liegt für die Strecke eine Verbrauchskennlinie 220, 240 vor, so wird auf deren Basis bestimmt, mit welchem Kraftstoffverbrauch auf der Strecke zu rechnen ist. Ist keine Verbrauchskennlinie 220, 240 bekannt, so wird eine vergleichbare Strecke bestimmt, die zur gleichen Klasse von Strecken gehört, etwa nach Kriterien der Verkehrsbedeutung, der zulässigem Höchstgeschwindigkeit, des Gefälle oder der Länge der Strecken oder einer Distanz zwischen den Strecken. Die Verbrauchskennlinie 220, 240 der vergleichbaren Strecke wird für die Strecke übernommen, wobei eine Anpassung, etwa in Form einer Skalierung in Abhängigkeit der genannten Kriterien, durchgeführt werden kann. Aus der Verbrauchskennlinie kann die Verbrauchsganglinie 230 komplett oder als Abschnitt, der die geplante Fahrzeit umfasst, bestimmt werden. Im Extremfall umfasst der Abschnitt nur einen einzigen Zeitpunkt. Dann wird der Kraftstoffverbrauch auf der Strecke aus der Verbrauchsganglinie 230 bestimmt und im abschließenden Schritt 370 ausgegeben.
