專利名稱：用于包括多個分布式動力的機車的火車的鐵路火車運行的優化方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及優化火車運行，更尤其地涉及通過監視和控制火車運行來優化用于包括多個分布式動力的機車的火車的火車運行，從而改善效率同時滿足調度的約束。
背景技術：
機車是具有多個子系統的復雜系統，每個子系統與其他子系統彼此關聯。機車上的操作人員施加牽引力和制動力以控制機車的速度以及車廂的載荷從而確保安全和準時地到達目的地。也必須施加速度控制來將火車之間的力保持的可接受的限度內，由此避免過大的連接力以及火車斷裂的可能性。為了執行這一功能并且符合可能隨著鐵軌上的火車位置而產生變化的規定運行速度，操作人員通常必須具有在特定地勢上操作具有各種車廂組成部分的機車的豐富經驗。
但是，即使具有能夠保證安全操作的足夠知識和經驗，操作人員通常也不能操作機車以使在行程內燃料消耗(或者其他操作特性，例如排放)最小化。多個操作因素都影響燃料消耗，包括例如排放限制、機車燃料/排放特性、車廂尺寸和載荷、天氣、交通狀況以及機車操作參數。雖然許多變量都會影響到性能，但是如果在滿足所要求的調度(到達時間)并且使用最小量的燃料(或者優化其他操作參數)的同時提供能夠優化行程期間的性能的控制信息，操作者可更有效和更高效地操作火車(通過施加牽引力和制動力)。因此，操作人員需要在提供這種幫助的設備或過程的指導(或控制)下操作火車。
如圖1和2所示，分布式動力的火車8包括在火車組成部分中以間隔關系分布的機車14-18。除了頭部端機車組成部分12A，包括機車14和15，火車8包括一個或多個額外的機車組成部分(指代為遠端組成部分和指代為遠端單元或者遠端機車的機車)12B和12C。遠端單元組成部分12B包括遠端機車16和17；遠端單元組成部分12C包括遠端機車18。分布式動力的火車可通過在火車頭部端以外的位置施加牽引力和制動力來改善火車的運行和操作。
遠端組成部分12B和12B的機車由通過頭部端導引單元14發送并且在通信系統10上傳送的命令進行控制。這種命令例如可指令遠端單元施加制動或牽引力。指代為分布式動力通信系統的通信系統10也傳送回應于導引單元命令的遠端單元回應、遠端單元警報狀態消息以及遠端單元操作參數數據。該遠端單元傳送信息被傳送至頭部端導引單元14以告知工程師。典型地，分布式動力通信系統允許火車再分為導引組成部分，多至四個遠端組成部分，每個遠端組成部分可受到頭部端的獨立控制。
在通信系統10上傳送的各種信息的類型、內容和格式詳細記載在共同擁有的美國專利No.5,039,038和4,582,580中，它們的名稱都為“鐵路通信系統”，其完整內容引用結合于此。
對于包括兩個或多個機車的遠端組成部分，將機車組成部分的其中之一指定為遠端組成部分導引單元，諸如用于遠端組成部分12B的機車16。遠端組成部分導引單元16接收來自于導引單元14的命令和信息，按照需要執行命令和發送消息并且將對應的命令和消息通過互聯電纜19(稱為鐵路線路或者MU(多單元)線路)發送至所連接的機車17。導引單元14也通過經由連接兩個機車的MU線路19發送命令來控制所連接機車15的運行。
通信系統10提供頭部端導引單元14和地面基站之間的通信，諸如調度中心、機車監視和診斷中心、調車場、裝載/卸載設備以及路邊裝置。例如，遠端組成部分12B和12C可通過頭部端導引單元14(圖1)或控制塔40(圖2)進行控制。
應該理解，圖1和2的系統之間的唯一差別在于從圖1的導引單元14發送的命令和消息由圖2的控制塔40代替。一般地，控制塔40與導引單元14通信，其再由MU線路17連接至機車15以及通過通信系統10連接至遠端組成部分12B和12C。
圖1和2的分布式動力的火車8還包括夾置在導引組成部分12A和遠端組成部分12B/12C之間的多個車廂20。圖1和2所示的組成部分12A-12C和車廂20的布置結構僅僅是示例性的，本發明可應用至其他機車/車廂布置結構。
車廂20包括空氣制動系統(圖1和2未示出)，該系統響應于制動管22的壓降施加車廂空氣制動并且通過制動管22中的壓升釋放空氣制動。制動管22沿著火車的長度延伸從而傳送由導引單元14和遠端單元16-18中的單獨空氣制動控制24規定的空氣壓力變化。
在特定應用中，將車外中繼器26設置在火車8的無線電通信距離內，以通過通信系統10中繼傳送導引單元14與遠端組成部分12B和12C之間的通信信號。
機車14-18、車外中繼器26和控制塔40的每個包括具有天線29的發送接收器28，以通過通信系統10接收和傳送通信信號。導引單元14中的發送接收器28與導引控制器30關聯以產生并且發送來自于導引單元14的命令和消息至遠端組成部分12B和12C并且接收來自于其的回應。這些命令響應于導引單元14中的牽引和制動控制的操作人員控制而產生在導引控制器30中。每個機車15-18和車外中繼器26包括遠端控制器32，以處理和響應所接收的信號以及發送回復消息、警報和命令。
發明內容
根據一項實施例，本發明包括一種用于在軌道上行駛期間操作包括導引動力單元和非導引動力單元的鐵路車輛的系統。該系統包括用于確定車輛位置或者當前行程開始起的時間的第一元件；用于從第一元件接收信息的處理器；以及在處理器中實現的算法，能夠處理信息以得到行程計劃，該計劃根據車輛、導引單元和非導引單元其中之一或多個的一個或多個操作標準優化導引單元和非導引單元的之一或二者的性能。
根據另一實施例，本發明包括一種用于在軌道上行駛期間操作包括導引單元和非導引單元的軌道車輛的方法。該方法包括確定車輛操作參數和操作約束；以及根據操作參數和操作約束執行算法，以得到用于車輛的分離地優化導引單元和非導引單元的性能的行程計劃，其中執行行程計劃允許獨立地控制導引單元和非導引單元。
根據另一實施例，本發明包括一種用于在沿著軌道形式為期間操作包括計算機處理器、導引單元和非導引單元的計算機軟件代碼。該計算機軟件代碼包括用于確定車輛操作參數和操作約束的軟件模塊；以及用于根據操作參數和操作約束執行算法的軟件模塊，從而得到用于車輛的獨立地優化導引單元和非導引單元的性能的行程計劃，其中，執行行程計劃允許獨立地控制導引單元和非導引單元。
通過參照示出于附圖中的具體實施例將更清楚地說明本發明的實施例。需要指出的是，這些附圖僅僅說明本發明的典型實施例，因此不能被認為是限制本發明的范圍，本發明的各個方面將使用附圖通過額外的專門說明和細節進行解釋，其中 圖1和2描述可應用本發明的教導的分布式動力的鐵路火車； 圖3描述本發明的流程圖的示例性圖示； 圖4描述可采用的火車的簡化類型； 圖5描述本發明的各元件的示例性實施例； 圖6描述燃料-使用/行程時間曲線的示例性實施例； 圖7描述用于行程計劃的區段分解的示例性實施例； 圖8描述區段實例的示例性實施例； 圖9描述本發明的示例性流程圖； 圖10描述通過操作人員使用的動態顯示的示例性圖示； 圖11描述通過操作人員使用的動態顯示的另一示例性圖示； 圖12描述通過操作人員使用的動態顯示的另一示例性圖示；。
具體實施例方式 現在將詳細參照與本發明一致的實施例，其實例如附圖所示。在可能的情況下，在所有附圖中使用的相同附圖標記指代相同或類似的部件。
本發明的各個方面解決現有技術的特定問題，由此提供用于確定和執行包括機車組成部分和多個車廂的火車的驅動策略的系統、方法和計算機實現方法，監視并且控制(直接地或者通過所建議的操作人員動作)火車的運行從而改善特定的目標運行參數，同時滿足調度和速度的約束。本發明的實施例也可應用至包括多個機車組成部分的火車，稱之為分布式動力的火車。
本領域技術人員應該知道，裝置，諸如數據處理系統，包括CPU、內存、I/O、程序存儲、連接總線以及其他適當的組件，可編程或者采用其他的方式設計成有利于本發明的實施例的方法的實踐。這種系統可包括用于執行本發明的方法的適當程序裝置。
在另一實施例中，制造的物件，諸如預記錄的盤或者其他類似的計算機程序產品，用于數據處理系統，包括存儲介質和記錄在其上的程序，用于指引數據處理系統從而有助于本發明方法的實踐。這種裝置和制造物件也落入本發明的實施例的精髓和范圍內。
廣泛地講，本發明的實施例教導一種方法、裝置和程序，用于確定和實現火車的驅動策略，從而在滿足調度和速度約束的同時改善特定的目標操作參數。為了有助于理解本發明，在這里描述其特定實現方式。所描述的實施例處于計算機可執行指令的通用環境中，諸如由計算機執行的程序模塊。通常，程序模塊包括過程、程序、目標、組件、數據結構等，執行具體的任務或者執行具體的抽象數據類型。例如，主要實現本發明實施例的軟件程序可采用不同的語言編程，以使用在不同的處理平臺中。在隨后的說明中，本發明實施例的實例將在采用網絡瀏覽器的網站門戶環境中進行說明。但是，應該理解，實現這些實施例的原理也可采用其他類型的計算機軟件技術實現。
而且，本領域技術人員應該理解，本發明可采用其他計算機系統配置實現，包括手持裝置、多處理器系統、基于微處理器或者可編程消費電子產品、微型電腦、大型機等。本發明也可應用在分布式計算環境中，其中通過由通信網絡連接的遠程處理裝置執行任務。在分布式計算環境中，程序模塊可設置在包括內存存儲裝置的本地和遠程計算機存儲介質中。這些本地和遠程計算環境可完全地包含在機車中，或者組成部分的鄰近機車中或者車外路邊或中央控制室中，其中在計算環境之間設置無線通信。
術語“機車組成部分”表示一個或多個連續的機車，連接到一起并且機車之間沒有車廂，從而提供動力和/或制動功能，諸如圖1的機車組成部分12A、12B和12C。火車可包括一個或多個機車組成部分，諸如機車組成部分12A、12B和12C。具體地說，可以設置一個導引組成部分(諸如組成部分12A)以及一個或多個遠端組成部分，諸如沿著車廂線位于中間的第一遠端組成部分(諸如遠端組成部分12B)以及位于火車端部位置的另一遠端組成部分(諸如遠端組成部分12C)。每個機車組成部分可具有第一或導引機車(諸如組成部分12A的導引單元機車14和遠端組成部分12B的導引單元機車16)以及一個或多個拖尾機車(諸如組成部分12A的機車15以及遠端組成部分的機車17)。
雖然組成部分通常為認為是連接的連續機車，但是本領域技術人員可容易地得知機車組也可被認為是組成部分，即使具有至少一個使機車分離的車廂，諸如當組成部分用于分布式動力運行時，如上所述，其中，節流和制動命令通過通信系統10從導引機車傳送至遠端機車。對于這一目的，當討論相同火車中的多個機車時，術語機車組成部分不應該被認為是限制因素。
現在參照附圖，將說明本發明的實施例。這些實施例可采用多種方式實現，包括作為系統(包括計算機處理系統)、方法(包括計算機化方法)、裝置、計算機可讀取介質、計算機程序產品、圖形用戶界面包括網絡門戶、或者明確地固定在計算機可讀取內存中的數據結構。本發明的多項實施例將在下文進行討論。
圖3示出本發明一項實施例的流程圖的示例性圖示。如圖所示，輸入專門對行程制定計劃的指令，從車上或者從遠程位置，諸如調度中心110。這種輸入信息包括但不局限于火車位置、組成部分構成(諸如機車型號)、機車牽引傳送器的機車牽引動力性能、作為輸出動力的函數的發動機燃料消耗、冷卻特性、所需行程路徑(作為里程標的函數的有效軌道坡度和曲率或者反應曲率的“有效坡度”分量，按照標準鐵路實踐)、車廂組成和載荷(包括有效阻力系數)、所需行程參數，包括但不局限于起動時間和地點、終點位置、行駛時間、機務人員(用戶和/或操作人員)標識、機務人員換班期限以及行程路徑。
該數據可根據各種技術和過程提供至機車142(參見圖3)，諸如但不局限于，操作人員經由車載顯示器手工輸入機車142，其連接至數據存儲裝置諸如硬件插件版、硬盤驅動器和/或USB驅動器或者經由無線通信通道將信息從中央或路邊位置141諸如軌道信號傳送裝置和/或路邊裝置傳送至機車142。機車142和火車131載荷特性(例如，阻力)也可在路途中改變(例如，隨著高度、周圍溫度以及鐵軌和車廂的條件)，從而需要更新計劃從而根據上述任何方法反應這種變化。影響行程優化過程的更新數據可通過上述任何方法和技術和/或實時自主地對機車/火車狀態的收集而被提供。這種更新包括例如(各)機車142上或機車外的監視裝置檢測的機車或火車特性的變化。
軌道信號系統指示特定的軌道條件并且將指令提供至處理該信號的火車的操作人員。信號傳送系統將在下文進行更詳細的說明，該系統示出例如在一段軌道上的許用火車速度并且向火車操作人員提供停止和行駛的指令。信號系統的詳細內容，包括信號的位置和與不同信號有關的規則存儲在車載數據庫163中(參見圖9)。
根據輸入本發明各項實施例中的主要參數數據，計算最小化所用燃料和/或由于速度限制的約束而產生的排放以及所需起動和結束時間的最優行程計劃以得到行程特性圖112。該特性圖包含火車所要遵循的最優速度和動力(檔(notch))設置，表述為從行程開始起的時間和/或距離的函數，火車運行限制，包括但不局限于最大檔動力和制動設置，作為地點、預期燃料用量和產生排放的函數的速度限制。在示例性實施例中，大約每10至30秒來選擇檔設置的值以確定是否改變節流。
本領域技術人員容易得知，可以以較長或較短的間隔決定是否進行節流改變，是否需要和/或意圖遵循最優速度特性圖。從更廣泛的意義來講，本領域技術人員應該明白，這些特性圖可提供用于火車的動力設置，可以用于火車，組成部分和/或單個的機車。如這里所使用的，動力包括制動動力、驅動動力和空氣制動動力。在另一優選實施例中，取代以傳統的離散檔動力設置進行的操作，本發明的實施例根據連續范圍的動力設置確定理想的動力設置，從而優化速度特性圖。因此，例如，如果最優特性圖中的檔設置為6.8而非7，那么機車142以6.8進行操作。允許這種中間動力設置可帶來如下所述的額外的效率益處。
計算最優特性圖的步驟可包括用于計算可對火車131進行驅動以最小化受制于機車操作和調度約束的排放和/或燃料的動力序列的任何數量的方法，如下文所總結的。在一些情況下，最優特性圖可以充分地類似于先前確定的特性圖，因為火車的構造、路線以及環境條件都是類似的。在這些情況下，足以從數據庫163獲取先前確定的驅動軌跡并且據此操作火車。
當不存在先前計劃時，計算新計劃的方法包括但不局限于使用近似火車移動的物理過程的微分方程模型直接計算最優特性圖。根據該過程，確定量化目標函數，通常地，該函數包括模型變量的加權和(積分)，這些變量對應于燃料消耗率以及所產生的排放，加上懲罰(penalize)過度節流變化的項。
建立最優控制公式以最小化受制于包括但不局限于速度限制、以及最小和最大動力(節流)設置的約束的量化目標方程。根據在任何時間的計劃目標，需要最小化受制于排放和速度限制的約束的燃料或者最小化受制于燃料使用和到達時間上的約束的排放。也可例如設定一目標以最小化總行程時間而不約束整體排放或燃料使用，只要對于這些約束的放松對于行駛來講是允許的或者需要的。
在整個說明書中，提出示例性方程和目標函數以最小化機車燃料消耗。這些方程和函數僅僅是示例性的，也可采用其他方程和目標函數來優化燃料消耗或者優化其他機車/火車操作參數。
采用數學的方式，可以更精確地說明這一待解決問題。該基本物理方程表述為 其中x是火車的位置，v是火車速度，t是時間(以英里(mile)為單位，每小時和分鐘或者適當情況下多個小時下的英里數)，u是檔(節流)命令輸入。此外，D表示將要行駛的距離，Tf是沿著軌道行駛距離D的理想行駛時間，Te是由機車組成部分產生的牽引力，Ga是重力阻力(取決于火車長度、火車組成和行駛地貌)，R是取決于火車組合和機車組成部分的阻力的凈速度。也可規定初始和最終速度，但是在不喪失普遍性的情況下可以取零(火車在行程的開始和結束時處于停止狀態)。該模型容易改進以包括其他動態參數，諸如節流u的改變與所得牽引或制動力之間的滯后。
所有這些性能測量值可表述為下述各項的線性組合 -最小化總燃料消耗
-最小化行程時間
-最小化檔操作(notch jockeying)(精確的常數輸入) -最小化檔操作(連續輸入) 將(1)中的燃料項F(·)代替對應于排放產生的項。因此，通常使用的以及代表性的目標函數為 該線性組合的系數取決于給予每個項的側重(權重)。注意，在方程(OP)中，u(t)是連續檔位置的優化變量。如果需要不連續檔，例如對于較舊的機車，方程(OP)的解被離散化，這樣可得到較低的燃料節省。對最少時間解進行查找(α1設定為零和α2設定為零或者相對小值)用于找到相應于可獲得的行駛時間的下界(Tf＝Tfmin)。在這種情況下，u(t)和Tf都是優化變量。優選實施例解決相應于Tf的各個值的方程(OP)，Tf>Tfmin，α3設定為零。在后一種情況，將Tf視為約束。
對于熟悉這種優化問題的解的人來說，可能有必要附加約束，例如沿著路徑的速度極值 0≤v≤SL(x) 或者當使用最小時間作為目標時，附加的約束可以是端點約束必須保持的約束，例如消耗的總燃料必須小于燃料箱中的，例如采用 其中WF是在Tf時仍然存在于燃料箱中的燃料。本領域技術人員應該容易地得知，方程(OP)可采用其他形式，上述版本是用于本發明各實施例中的示例性方程。
對于本發明實施例情況下的排放來源，一般為以氮氧化物(NOx)、未燃燒碳氫化合物和顆粒的形式產生的累積排放。通過設計，每個機車必須符合EPA排放標準，因此在本發明的一項優化排放的實施例中，這可指代總行程的排放，對此，當前還沒有EPA規定。根據優化行程計劃的機車運行一直符合EPA排放標準。
如果行程中的一項關鍵目標是減少排放，那么需要修改最優控制公式、方程(OP)來考慮該行程目標。優化過程中的關鍵柔性是任何或所有的行程目標都可根據地理區域或行程進行改變。例如，對于高優先的火車，由于火車的優先性，最小時間可以是一次行程中的唯一目標。在另一實例中，排放輸出可沿著所計劃的火車路線改變狀態。
為了解決所得的優化問題，在示例性實施例中，本發明將在時間域中的一種動態最優控制問題轉化為帶有N個決定變量的等同靜態數學編程問題，其中數“N”取決于調整節流和制動的頻率和行駛時間。對于典型的問題，該N可以是幾千。在示例性實施例中，火車在美國的西南部行駛172英里長的軌道。利用本發明的特定方面，當比較使用本發明的特征確定和遵循的行程與由操作人員根據標準實踐確定的節流/速度情況下的行程時，可實現示例性的7.6％的燃料消耗。對于省油的這一改善是因為由本發明提供的優化可得到與操作人員控制的行程相比更少的阻力損失和很少或沒有制動損失的驅動策略而實現的。
為了使上述優化可采用計算的方法處理，可采用火車的簡化模型，諸如圖4所示以及上述方程所闡述的那樣。對于最優特性圖的關鍵改進是通過獲取具有所產生的最優動力序列的更詳細模型而形成的，從而測試是否沖破了熱、電和機械約束，由此得到具有最接近于可在不損害機車或火車設備的情況下獲得的行駛情況的速度/距離比的改進特性圖，即，滿足其他隱含的約束，諸如機車和火車內力上的熱和電限制。
再次參照圖3，一旦開始行程112，那么產生動力命令114從而啟動該計劃。根據本發明各種實施例的操作性設置，一個命令使得機車遵循優化的動力命令116，從而實現最優速度。根據其各種實施例，本發明可獲得火車的機車組成部分的實際速度和動力信息118。由于用于優化的模型中的通用近似，獲得對于優化動力的校正的閉環計算，從而跟蹤理想最優速度。可以自動地或者通過總是能夠完全控制火車的操作人員對火車操作限制進行這種校正。
在一些情況下，在優化中使用的模型可明顯地不同于實際火車。這出于許多原因，包括但不局限于，額外的貨物裝載或卸載，在行駛中出現故障的機車，初始數據庫163中的錯誤以及操作人員的輸入錯誤。對于這些原因，監控系統使用實時火車數據實時地推算機車和/或火車參數120。然后將所推算的參數與初始開始行程時假定的參數進行比較122。根據在假定和推算值之間的任何差異，可對行程進行重新計劃124。典型地，如果新計劃中可獲得明顯的節省，那么可對行程進行重新計劃。
致使行程進行重新計劃的其他原因包括遠程位置諸如調度處的指令，和/或與操作人員要求目標進行變化以與全球移動計劃目標一致。這種全球移動計劃目標可包括但不局限于其他火車調度，從管道中排出廢氣所需的時間，維護操作等。其他原因可能由于車載部件的故障。可根據干擾的嚴重情況將用于重新計劃的策略分組進行漸增的和主要的調整，如下文更詳細地討論。通常地，必須從對上述優化問題等式(OP)的解中得到“新”計劃，但是通常可找到更快的近似解，如這里所述。
在運行中，機車142將連續地監控系統效率并且根據實際測量的效率連續地更新行程計劃，不論何時這種更新可改進行程性能。重新計劃的計算可完全地在(各)機車中執行或者完全或部分地在遠程位置執行，諸如調度處或者路邊處理裝置，其中無線技術可將新計劃通信至機車142。本發明的各種實施例也可高效地得到關于效率傳遞函數的機車數據集(locomotive fleetdata)。當確定初始行程計劃時，可使用數據集范圍內的數據，當考慮多個火車的位置時，可使用數據集范圍內的數據進行網絡范圍的優化平衡。例如，如圖6所示的行駛時間燃料使用平衡曲線反應了當前時間下特定路途上的火車的能力，根據相同線路上的許多類似火車收集的整體平均值進行更新。因此，從許多機車收集類似圖6的曲線的中央調度裝置可使用該信息更好地協調所有的火車移動，從而實現系統范圍內的燃料使用或輸出的優勢。
日常運行期間的許多事件將促進產生新的或改進的計劃，包括保持相同行程目標的新的或改進的行程計劃，例如，當火車并沒有計劃與另一火車相會或者經過時，因此必須補償損失的時間。使用機車的實際速度、動力和位置，將計劃的到達時間與當前推算(預計的)到達時間25進行比較。根據時間中的差值，以及參數的不同(通過調度處或操作人員檢測或改變)，調整該計劃126。這一調整可根據鐵路公司的處理對計劃的脫離的政策自動地進行或者由車上操作人員和調度員聯合決定最佳的返回方法而手動進行。不論何時更新計劃，而且包括但不局限于到達時間的原始目標仍然相同，可共同地考慮(factoring)其他變化，例如新的未來速度限制的變化，這可影響到恢復初始計劃的可行性。在這些情況下，如果初始行程計劃無法保持或者換句話說火車不能滿足初始行程計劃目標，可將如這里所述的其他行程(各)計劃示出給操作人員、遠程裝置和/或調度處。
當需要改變初始目標時，也可進行重新計劃。這種重新計劃可以固定的重新計劃次數進行，在操作人員或調度人員的自行處理下手動進行或者當這種火車操作限制的預定限制被超過時自主地進行。例如，如果當前的計劃執行晚了超過規定的閾值，諸如30分鐘，那么本發明的實施例可重新計劃該行程從而調整該延遲，同時付出的代價為增加如上所述的燃料消耗或者警告操作人員和調度人員達到損失的時間可恢復的程度，如果需要的話(即，在時間約束下的最小時間保留或者可節省的最多燃料)。其他重新計算的原因也可根據消耗的燃料或者動力組成部分的正常操作情況而得到，包括但不局限于到達時間，由于設備故障和/或設備臨時故障(諸如操作過熱或者過冷)造成的馬力損失，和/或檢測總設置錯誤，在假定的火車載荷下。即，如果該變化反映出當前行程下的機車性能出現損失，那么它們可被考慮入優化過程中使用的模型和/或等式。
計劃目標的變化也可以是由于需要協調下述事件，即一個火車的計劃影響了另一火車是否能夠滿足目標并且需要采用不同的方式例如在調度室中進行裁決。例如，通過火車與火車的通信可進一步優化遇車和會車的協調。因此，作為實例，如果操作人員知道他沒有按時到達遇車和/或會車的地點，那么另一火車發出的信息可告知晚點火車(和/或調度站)的操作人員。操作人員可輸入關于預期晚到的信息以重新計算火車的行程計劃。根據各種實施例，本發明也可用在高層次或者網絡層次，從而允許調度處確定在無法滿足規定遇車和/或會車時間的情況下哪個火車應該減慢或者加速。如這里所討論的，這是通過火車傳送數據至調度處以優先確定每個火車將如何改變其計劃目標來實現的。可取決于條件根據計劃或燃料消耗的益處作出選擇。
對于任何手動或自動地初始化的重新計劃，本發明可向操作人員示出超過一種的行程計劃。在示例性實施例中，本發明對操作人員提供不同的特性圖，允許操作人員選擇到達時間并且也考慮對應的燃料和/或排放影響。這種信息又可出于類似的考慮提供至調度處，作為簡單的備選方案列表或者多個平衡曲線，如圖6所示。
在一項實施例中，本發明包括學習和調整于火車和動力組成部分中的關鍵變化的能力，其可結合在當前計劃和/或未來計劃中。例如，上述的觸發器之一就是馬力的損失。當不斷累積馬力時，在損失馬力之后或者當開始行程時，使用過渡邏輯以確定何時將獲得所需的馬力。這一信息可保存在機車數據庫161中，以在稍晚時再次損失馬力時優化未來行程或者當前行程。
圖5描述本發明的元件的示例性實施例。定位器元件130確定火車131的位置。定位器元件130包括確定火車131位置的傳感器系統或GPS傳感器。這種其他系統的實例可包括但不局限于路邊裝置，諸如無線電頻率自動裝置識別(RF AEI)標記、調度站和/或基于視頻的確定。另一系統可使用(多個)車載測速表以及在參考點進行的距離計算。如前文所討論的，無線通信系統147可設置成允許在火車和/或與遠程位置諸如調度站之間進行通信。關于行駛位置的信息也可從其他火車通過通信系統進行傳遞。
軌道特征元件133提供關于軌道的信息，主要包括梯度、高度和曲率信息。軌道特征元件133可包括車載軌道完整性數據庫136。傳感器138測量由機車組成部分142施加的牽引力140、機車組成部分142的節流設置、機車組成部分142配置信息、機車組成部分142的速度、單個機車配置信息、單個機車能力等。在示例性實施例中，機車組成部分142配置信息可在不使用傳感器138的情況下加載，但是通過上述其他方式輸入。此外，也可考慮組成部分中的機車的運行狀態是否正常。例如，如果組成部分中的一個機車不能操作上述動力檔層次5，那么將在優化行程計劃時使用該信息。
定位器元件的信息也可用于確定火車131的適當到達時間。例如，如果火車31沿著軌道134朝向一目的地移動并且沒有其他火車跟蹤后面，并且該火車并不需要滿足固定的到達期限，那么定位器元件包括但不局限于無線電頻率自動裝置識別(RF AEI)標記、調度站和/或基于視頻的確定，可用于確定火車131的精確位置。此外，這些信號系統的輸入可用于調節火車速度。使用如下所述的車載軌道數據庫以及諸如GPS的定位器系統，本發明的實施例可調節操作人員界面從而反映處于給定機車位置處的信號系統狀態。在信號狀態表示前面有速度限制時，計劃人員可選擇減慢火車速度從而保留燃料消耗。
定位器系統130的信息也可用于改變作為到達目的地的距離的函數的計劃目標。例如，由于沿著路線的堵塞程度不得而知并且不可避免，所以可采用路線的較早部分上的“更快”時間目標以平衡根據統計來講較晚將要出現的延遲。如果在特定行程上沒有發生這種延遲，那么行程較后部分上的目標可被修改從而利用較早預留的內在彈性時間并由此恢復一些燃料效率。可啟用類似的策略相應于排放限制目標，例如當接近市區地區時使用的排放約束。
作為平衡策略的一項實例，如果計劃從紐約到芝加哥的行程，那么該系統可選擇在行程的開始時、中間部分或者結束時緩慢行駛。本發明的實施例優化行程計劃從而允許在行程結束時較慢地行駛，因為在行程期間未知的約束，包括但不局限于的天氣條件、軌道維護等，可能出現并且造成問題。作為另一項考慮因素，如果需要行駛至傳統的擁擠地區，那么需要選擇增加在這些地區中的驅動靈活性的計劃。因此，在一項實施例中，本發明也可考慮根據已知/過去的經驗考慮作為到達未來的時間/距離的函數進行加權/懲罰。本領域技術人員應該知道，在需要調整行程計劃的行程期間的任何時間，可考慮天氣條件、軌道條件、軌道上的其他火車等進行計劃和重新計劃。
圖5還公開可以作為本發明一項實施例的一部分的其他元件。處理器144用于從定位器元件130、軌道特征元件133和傳感器138接收信息。算法146在處理器144中運行。算法146根據關于機車142、火車131、軌道134和這里所述的任務目標的參數計算優化的行程計劃。在示例性實施例中，隨著火車131沿著軌道134移動，根據用于火車行為的模型建立行程計劃，作為非線性差分方程的根據可應用物理學并結合該算法中的簡化假設而獲得的解。該算法146使用定位器元件130、軌道特征元件133和/或傳感器138的信息以得到一行程計劃，該計劃可最小化機車組成部分142的燃料消耗，最小化機車組成部分142的排放，建立理想的行程時間，和/或確保機車組成部分42上機務人員的正確的操作時間。在示例性實施例中，也設置驅動器或控制器元件151。如這里所討論的，控制器元件151可在火車遵循行程計劃時控制火車。在如這里所討論的示例性實施例中，控制器元件151自主地作出火車操作決定。在另一示例性實施例中，操作人員需要指揮火車從而根據他的判斷來遵循或者偏離行程計劃。
在本發明的一項實施例中，行程計劃可隨著該計劃的執行而被實時改進。這包括長距離行程的初始計劃，這是由于計劃優化算法的復雜性。當行程特性圖的總長度超過給定距離時，算法46可用于通過將行程分為多個分段點來使行程分段。雖然只討論了單一的算法146，但是本領域技術人員將容易地得知，可使用多于一個的算法并且可結合使用這些算法來得到行程計劃。
行程分段點可包括火車131停車時的自然位置，包括但不局限于用于與相對的火車的會車或者超越前面的火車的單一主干線側線；停車場側線；車廂停留和出發的工業支線(industrial spur)以及所計劃維修工作的位置。在這種分段點處，火車131可能需要在計劃的時間到達這一地點，停止或者以規定范圍內的速度移動。從到達至離開分段點的持續時間被稱為停留時間。
在示例性實施例中，本發明能夠根據系統化的過程將較長的行程分為較小的區段。每個區段的長度可以是任意的，但是必須劃分在自然位置，諸如停止處或者明顯的速度限制處，或者在關鍵的分段點處或者限定作為其他路線的樞紐站的里程標處。對于采用這種方式選擇的分隔或分段，對于軌道的每個區段形成驅動特性圖，作為單獨變量的行駛時間的函數，如圖6所示。與每個區段相關聯的燃料用量/行駛時間平衡策略可在火車131到達軌道的那一區段之前算出。總的行程計劃因此可從每個區段的驅動特性圖獲得。在一項實施例中，本發明優化地在行程的所有區段中分配行駛時間，使得所需的總行程時間得以滿足并且最小化所有區段上所消耗的總燃料。在圖8中公開示例性的三段區段行程，并且將在下文進行說明。但是，本領域技術人員將得知，雖然討論各區段，但是行程計劃可包括表示完整行程的單獨區段。
圖6描述燃料用量/行駛時間曲線的示例性實施例。如前文所述，這一曲線150是在計算每個區段的各個行駛時間的最優行程特性圖時形成的。即，對于給定的行駛時間151，使用的燃料152是如上所述計算的詳細驅動特性圖的結果。一旦相應于每個區段分配了行駛時間，那么從先前計算的解中確定每個區段的動力/速度計劃。如果在區段之間具有任何分段點的速度約束，包括但不局限于速度限制的變化，那么它們將在形成最優行程特性圖期間得以匹配。如果只在單一區段中改變速度限制，那么只相應于所改變區段的燃料用量/行駛時間曲線150必須被重新計算。這一過程可減小重新計算行程的更多部分或區段所需的時間。如果機車組成部分或者火車沿著路線進行明顯地改變，例如機車的損失或者裝載或卸下車廂，那么相應于所有隨后區段的驅動特性圖必須被重新計算，以得到新的曲線150。這些新曲線150然后與新的計劃目標共同使用從而計劃剩余的行程。
一旦行程計劃如上所述形成，那么速度軌跡以及動力/距離比允許火車在所需的行程時間內以最少的燃料和/或排放到達目的地。可采用多種技術執行行程計劃。如下文詳細說明，在教練模式的一項示例性實施例中，本發明將控制信息顯示給操作人員。操作人員遵循該信息獲得根據最優行程計劃確定的所需動力和速度。因此，在該模式下，操作人員得到驅動火車所用的操作建議。在另一示例性實施例中，通過本發明執行加速火車或者保持定速的控制操作。但是，當火車131必須減速時，操作人員需要通過控制制動系統152來施加制動。在另一示例性實施例中，本發明按照需要發出動力和制動操作的命令從而遵循理想的速度-距離路徑。
反饋控制策略用于校正該特性圖中的動力控制序列從而處理下述事件，包括但不局限于由不斷變化的迎風和/或順風而造成的火車載荷變化。另一這類錯誤可由火車參數中的誤差造成，包括但不局限于火車質量和/或阻力，與優化行程計劃中的假定相比。第三種類型的誤差可能會由于軌道數據庫136中的不正確信息而出現。另一可能的錯誤可能包括由于機車發動機、牽引馬達熱減小和/或其他因素造成的非模型化性能差異。反饋控制策略將作為位置函數的實際速度與理想優化特性圖中的速度進行比較。根據這一差異，將對于最優動力特性圖的校正加入以使實際速度朝向最優特性圖變化。為了確保穩定的計劃管理，可提供補償算法，將反饋速度過濾為動力校正從而確保閉環性能穩定性。補償可包括控制系統設計領域中的技術人員使用的標準動態補償，以滿足性能目標。
本發明的實施例允許最簡單的以及因此最快速的方法調整行程目標中的變化，這是規則，而非鐵路運行中的例外。在示例性實施例中，為了確定從點A至點B的沿途有停車站的燃料-最優行程，以及為了在行程開始之后更新該行程的剩余部分，可使用次優化的分解方法查找最優行程特性圖。使用模型化方法，該計算方法可找到具有規定的行駛時間以及初始和最終的速度的行程計劃從而滿足所有的速度限制以及停止時的機車能力約束。雖然隨后的討論是關于優化燃料用量的，但是也可應用至優化其他因素上，包括但不局限于排放、計劃、機務人員舒適度和載荷影響。該方法可在設置行程計劃出發時使用，更重要的是調整行程初始化之后的目標的變化。
如這里所討論的，本發明的各個方面可采用圖7所述的示例性流程圖中所示的設置以及圖8中詳細描述的示例性三區段式實例。如圖所示，該行程可分為兩個或多個區段，T1、T2和T3，雖然如這里所討論的，可將行程考慮為單個區段。如這里所討論的，區段的邊界不會形成等長度的區段。代替地，各區段使用自然的或者專門相應于行程的邊界。最優行程計劃相應于每個區段進行預先計算。如果燃料用量與行程時間的比是需要滿足的行程目標，那么燃料與行程時間的比的曲線相應于每個區段而產生。如這里所述的，該曲線可基于其他因素，其中這些因素是行程計劃將被滿足的目標。當行程時間是所確定的參數時，計算相應于每個區段的行程時間同時滿足所有的行程時間約束。
圖8示出相應于三個區段200英里行程197的速度限制。進一步示出的是200英里行程198上的梯度改變。組合圖表199示出用于行駛時間內的行程的每個區段的燃料的曲線。
使用前文所述的最優控制設置，本計算方法可找到具有規定的行駛時間以及初始和結束速度的行程計劃，從而滿足所有的速度限制以及存在停車站時的機車能力約束。但是下面的詳細說明意在優化燃料用量，其也可用于優化如這里所述的其他參數，包括但不局限于排放。該方法可調整停車時的理想停留時間并且考慮可能需要的對于最早到達和離開一地點的約束，例如單軌操作中進入或通過側線的時間是關鍵因素的情況下。
本發明的實施例根據距離D0至DM、行駛時間T、中間在D1，...，DM-1停止M-1站找到燃料最優行程，在這些站的到達和出發時間由下述進行約束 tmin(i)≤tarr(Di)≤tmax(i)-Δti tarr(Di)+Δti≤tdep(Di)≤tmax(i)i＝1，...，M-1 其中tarr(Di)、tdep(Di)和Δti是分別在第i站的到達、離開和最小停止時間。假定燃料最優化表示最小化停止時間，因此tdep(Di)＝tarr(Di)+Δti，這樣可消除上述第二不均等。假定對于每個i＝1，...，M，可得到行駛時間t內從Di-1至Di的燃料最優行程，Tmin(i)≤t≤Tmax(i)。使Fi(t)為對應于該行程的燃料用量。如果從Dj-1至Dj的行駛時間標記為Tj，那么到達Di的到達時間由下式給出 其中將Δt0限定為零。然后通過查找Ti，i＝1，...，M而獲得在行駛時間T中從D0至DM的燃料最優行程，其最小化 約束于 一旦開始行駛，那么問題就是隨著行駛而重新確定剩余行程的燃料最優解(在時間T中初始從D0至DM)，但是其中根據燃料最優解排除干擾。假定當前距離和速度分別為x和v，其中Di-1<x≤Di。同樣，將從行程開始的當前時間設定為tact。然后，通過查找
Tj，j＝i+1，...M來獲得從x至DM的剩余行程的燃料最優解，其保持DM處的初始到達時間，其最小化 約束于 這里，是從x至Di、行駛時間t并且在x處的初始速度為v時最優行程中所用的燃料。
如上所述，實現更高效再計劃的示例性過程構成從分隔區段起的站-站行程的最優解。對于從Di-1至Di行駛時間Ti的行程，選擇一組中間點Dij，j＝1，...，Ni-1。使Di0＝Di-1以及DiNi＝Di。然后將從Di-1至Di的最優行程的燃料用量表述為 其中fij(t，vi，j-1，vij)是從Di，j-1至Dij的行駛時間為t且初始和最終速度為vi，j-1和vij的最優行程。此外，tij是在最優行程中對應于距離Dij的時間。通過定義，tiNi-ti0＝Ti。由于火車是停止在Di0和DiNi，vi0＝viNi＝0。
上述表達式使得可選擇地通過首先確定函數fij(·)，1≤j≤Ni，然后查找τij，1≤j≤Ni和vij，1≤j<Ni來確定函數Fi(t)，由此最小化 約束于 vmin(i，j)≤vij≤vmax(i，j)j＝1，...，Ni-1 通過選擇Dij(例如，以速度限制或者相遇點)，vmax(i，j)-vmin(i，j)可被最小化，因此最小化該域，在該域上需要得知fij()。
根據上述分隔，比上述計劃更簡單的次優化再計劃方法可將再計劃限制為火車處于距離點Dij(1≤i≤M，1≤j≤M)時的時間。在點Dij，可通過查找τik，j<k≤Ni，vik，j<k<Ni來確定從Dij至DM的新最優行程， 以及 τmn，i<m≤M，1≤n≤Nm，vmn，i<m≤M，1≤n<Nm，其最小化 約束于 其中 通過等待Tm(i<m≤M)的再計算直到到達距離點Di可實現進一步的簡化。采用這種方式，在Di-1和Di之間的點Dij，上述最小化需要僅在τik，j<k≤Ni，vik，j<k<Ni上執行。Ti按照需要增加從而適應任何比計劃更長的從Di-1至Dij的實際行駛時間。這一增加隨后在可能的情況下在距離點Di通過Tm(i<m≤M)的再計算進行補償。
相對于上述閉環結構，使火車131從點A移動至點B所需的總輸入能量包括四個分量的和，具體地說，在點A與B之間的動能的差值；在點A與B之間的勢能的差值；由于摩擦和其他阻力損失造成的能量損失；以及通過施加制動所分配的能量。假定起動和結束速度相等(例如固定)，那么第一分量是零。此外，第二分量獨立于驅動策略。因此，足以最小化最后兩個分量的和。
按照定速特性圖可最小化阻力損失。按照定速特性圖也可最小化當不需要制動以保持定速時輸入的總能量。但是，如果需要制動以保持定速，那么僅施加制動以保持定速將很可能增加總體所需的能量，因為需要補充由制動器分配的能量。如果額外的制動損失被由制動造成的阻力損失中的總下降過多地抵消，那么一些制動可能通過減小速度的變化而實際地減小總能量用量。
在完成通過收集上述事件而得到的再計劃之后，可使用這里所述的閉環控制遵循新的最優檔/速度計劃。但是，在一些情況下，可能沒有足夠的時間執行上述按區段分解的計劃，并且尤其地當存在必須考慮的臨界速度限制時，可優選采用一備選方案。本發明的各個方面采用稱為“智能巡航控制”的算法實現。該智能巡航控制算法是快速地產生用于在已知地勢上驅動火車131的能量高效(因此燃料高效)次最優規定的高效過程。這一算法假定知道火車131沿著軌道134的所有時間的位置，并且知道軌道相對于位置的梯度和曲率。該方法依靠相應于火車131移動的點-質量模型，其參數可從較早說明的火車移動的在線測量結果中適應性地推算出。
該智能巡航控制算法具有三個主要分量，具體地說，用作關于速度極值減小的能量高效導引的改進速度極值特性圖；用于平衡最小化速度變化和制動的理想節流或動態制動設置特性圖；以及組合后兩個分量以得到檔命令的機制，采用速度反饋回路補償與實際參數比較時的模型化參數的不匹配。智能巡航控制可調整本發明各實施例中的策略而不進行主動制動(即，駕駛員得到信號并且需要提供必需的制動)或者確實提供主動制動的變量。
對于不控制動態制動的巡航控制算法，三個示例性分量是用作關于速度極值減小的能量高效導引的改進速度極值特性圖，當應該激活制動時告知操作人員的告知信號，用于平衡最小化速度變化以及告知操作人員施加制動的理想節流特性圖以及采用反饋回路補償模型參數相對于實際參數的不匹配的機制。
本發明的一項實施例包括識別火車131的關鍵參數值的方法。例如，對于推算火車質量來說，可利用Kalman過濾和遞歸最小二乘方方法來檢測可能隨著時間出現的誤差。
圖9描述本發明的示例性流程圖。如前文所述，遠程裝置，諸如調度中心160可提供該流程圖的各步驟所使用的信息。如圖所示，將這種信息提供至執行控制元件162。同樣提供至執行控制元件162的是機車建模信息數據庫163，軌道信息數據庫136，包括但不局限于軌道梯度信息和速度極值信息，推算的火車參數包括但不局限于火車重量和阻力系數，以及來自于燃料率推算器164的燃料率表格。執行控制元件162將信息提供至計劃器112，其在圖3中更詳細地公開。一旦已經計算出行程計劃，那么將該計劃提供至驅動制定器、驅動器或控制器元件151。行程計劃也提供至執行控制元件162，使得其可比較提供其他新數據時的行程。
如上所述，驅動制定器151可自動地設定檔動力，預建立的檔設定或者最優連續檔動力值。在將速度命令提供至機車131之外，顯示器168也設置成使得操作人員可看到計劃器已經推薦的視圖。操作人員也可操作控制面板169。通過控制面板169，操作人員可決定是否應用推薦的檔動力。為了該目的，操作人員可限制目標或推薦的動力。即，在任何時間，操作人員總是具有對于機車組成部分的操作的動力設置的最終控制權，包括如果行程計劃推薦減慢火車131的車速時是否應用制動。例如，如果在較暗的區域運行，或者路邊裝置的信息無法采用電子方式將信息傳送至火車因此以代替的方式操作人員觀察路邊裝置的可視信息，操作人員根據在軌道數據庫中獲得的信息以及路邊裝置的視頻信號輸入命令。根據火車131如何執行功能，將關于燃料測量值的信息提供至燃料率推算器164。由于對燃料流進行直接測量一般不會出現在機車組成部分中，所以關于在行程中一點處消耗的燃料的信息以及預測是否遵循最優計劃可使用校準的物理學模型，諸如在開發最優計劃時使用的。例如，這種預測可包括但不局限于使用所測量的總馬力以及公知的燃料特征以獲得累計的燃料用量。
火車131也具有定位器裝置130諸如如上所述的GPS傳感器。將信息提供至火車參數推算器165。這種信息可包括但不局限于GPS傳感器數據、牽引力/制動力數據、制動狀態數據、速度以及速度數據中的任何變化。采用關于梯度的信息和速度極值的信息，將火車重量和阻力系數信息提供至執行控制元件162。
本發明的實施例也可允許在優化計劃和閉環控制實施方式中使用連續可變的動力。在傳統機車中，一般將動力量化為八個離散的等級。現代機車能夠實現可結合入先前說明的優化方法的馬力的連續變化。采用連續動力，機車142還可優化操作條件，例如通過最小化輔助載荷和動力傳送損失，并且精確調整發動機馬力至最優效率區域或者至增加的排放裕量的點。例子包括但不局限于最小化冷卻系統損失，調整交流發電機電壓，調整發動機轉速以及減小動力軸的數量。此外，機車142可使用車載軌道數據庫36和預測的性能要求從而最小化輔助載荷以及動力傳送損失以提供相應于目標燃料消耗/排放的最優效率。例子包括但不局限于減小平坦地勢上的動力軸的數量以及在進入隧道之前預冷卻機車發動機。
在一項實施例中，本發明也可使用車載軌道數據庫136和預測的性能從而調整機車性能，諸如確保火車隨著接近山丘和/或隧道而具有足夠的速度。例如，這可表述為特定地點處的速度約束，成為解方程(OP)所得到的最優計劃的一部分。另外，一項實施例可采用火車操作規則，包括但不局限于，牽引力等變率以及最大制動力等變率。它們可直接結合入用于最優行程特性圖的公式或者可選擇地結合入用于控制動力施加以實現目標速度的閉環調節器中。
在一項優選實施例中，本發明僅安裝在火車組成部分的導引機車上。即使在一項實施例中，本發明不依賴于數據或者與火車中的其他機車的交互，但是其可集成于組成部分管理器，如美國專利No.6,691,957和專利申請No.10/429,596(二者都由本受讓人擁有并且都引用結合于此)所公開的，功能性和/或組成部分優化器功能，以改善效率。不排除與多個火車的交互，如裁決這里所述的兩個“獨立優化”的火車的調度處的實例所示。
在使用組成部分管理器的火車中，機車組成部分中的導引機車可采用與該組成部分中其他機車不同的檔動力設置來運行。該組成部分中的其他機車以相同的檔動力設置運行。在一項實施例中，本發明可與組成部分管理器結合使用從而發出相應于組成部分中機車的不同檔動力設置的命令。因此，根據該實施例，由于組成部分管理器將機車組成部分分為兩組，導引機車和尾隨單元，所以導引機車可被命令以特定的檔動力運行，尾隨機車可被命令以不同的檔動力運行，每個尾隨機車沒有必要以相同的檔動力運行。
類似地，當組成部分優化器用于機車組成部分時，在一項實施例中，本發明可與組成部分優化器結合使用從而確定相應于機車組成部分中的每個機車的檔動力。例如，假定行程計劃推薦機車組成部分采用四檔動力設置、根據火車的位置，組成部分優化器可使用該信息確定組成部分中每個機車的檔動力設置。在該實施方式中，對在火車內部通信通道上的檔動力設置進行設定的效率得以改善。此外，該配置的實施方式可利用分布式動力通信系統來執行。
本發明的一項實施例可用于諸如圖1和2所示并且如上所述的分布式動力的火車。在沒有本發明教導的情況下，分布式動力的火車可在正常或獨立模式下運行。在正常模式下，導引組成部分12A的導引單元14中的操作人員命令每個機車組成部分12A、12B和12C以相同的檔動力操作或者施加與導引機車14施加的制動力相同的制動力。如果導引組成部分12A的導引機車14命令以檔N8進行驅動，那么所有其他的機車15-18都由從導引機車14傳送過通信系統10的信號被命令以檔N8進行驅動。
在獨立模式下，當設立通信系統時，分布式動力的火車被操作人員分離為兩個獨立的機車組成部分組，即前組和后組。例如，機車組成部分12A構造為前組，機車組成部分12B和12C構造為后組。前組和后組的每個可被命令進行不同的操作。例如，當火車登上山頂時，導引組成部分12A中的前組機車14和15(在山的向下斜坡上)被命令隨著前組從梯度上下來而逐漸地減小檔設置(包括可能的制動設置)。遠端組成部分12B和12C中的后組機車16、17和18(在山的向上斜坡上)仍然處于驅動模式，直到火車的末端登上山峰。將火車分為前組和后組以及兩組的差動控制可最小化連接車廂和機車的機械連接件上的拉伸力。根據現有技術，在獨立模式下操作分布式動力的火車需要操作人員經由導引機車中的顯示器手動地命令前組機車和后組機車。
使用基于物理學的計劃模型，火車設置信息(包括火車中每個機車的性能能力和位置，可由操作人員在設立期間確定或者由行程優化器的一項實施例自動地確定)，車載軌道數據庫信息，操作規定則，位置確定系統，實時閉環動力/制動控制，傳感器反饋等(如這里其他部分所述)，本發明的行程優化器系統的一項實施例確定每個機車14-18的最優操作以實現最優火車運行。響應于優化行程計劃，行程優化器通過獨立地控制不論在相同的或者不同的機車組成部分中的每個機車來控制分布式動力的火車。因此，行程優化器，如分布式動力的火車所使用的，提供更多的顆粒式(granular)火車控制并且優化相應于單個機車層次的火車性能。不同于現有技術的其中的機車被分隔并且根據前組和后組進行控制的分布式動力的火車，根據本發明各方面的單獨機車的獨立行程優化器控制將火車分隔為多個組成部分(其中，通過選擇以將特定機車分成一組或者獨立地控制每個機車，獨立控制的機車可包括任何數量、高達火車中機車的總數)。因此，火車和其單獨機車的性能可受控制以改善例如燃料消耗。
行程優化器和/或導引單元操作人員可命令每個單獨機車或者一個或多個機車組成部分以不同的檔和/或制動設置進行操作從而優化每個獨立機車的性能。當然，如果需要，所有的機車可采用相同的檔動力或者制動設置進行操作。該檔動力或制動設置經過分布式通信系統10傳送至遠程機車15-18，從而在每個遠端機車處執行。因此，將行程優化器概念應用至分布式動力的火車允許火車分為更小的受控部分(形成多個、獨立控制的但是連接的火車)從而改善火車運行和控制，包括減小火車內力，簡化火車內力的管理，改善停止距離上的控制以及相應于每個機車的更優化的性能。此外，當對機車進行獨立和單獨的控制時，可更好和更安全地控制更長和/或更重的火車。
由于火車的操作參數受到火車中的機車位置以及機車之間的車廂數量的影響，所以機車的獨立控制可減小這些因素對于火車性能和控制的影響。該行程優化器也可經由發送過通信系統10的適當命令通過提升或降低一個或多個遠端機車的檔位置來控制火車加速和減速，提高經濟性，火車組成的柔性，火車力的減小，火車尺寸的增加等。
獨立的機車控制也提供由行程優化算法使用的額外自由度。關于火車內力的其他目標或約束因此可結合入用于優化的性能功能。
動態制動的調制解調器連接也可用于將優化行程控制信息提供至火車的每個機車。該連接是疊加在DC電壓上的序列高頻通信信號，由連接火車的機車的火車專線傳送。調制解調器將信號傳送至導引機車中的操作人員，表示動態制動施加在一個或多個遠端機車中。
根據行程優化器的這一實施例，可優化各種火車操作參數，包括燃料消耗，產生的排放，沙石控制(sand control)，施加牽引力和制動力以及空氣制動的施加。該火車長度，火車內力的限制以及停止的距離也可優化，它們由組成部分中的機車的位置和控制以及火車中機車之間車廂數量進行約束。因此，該實施例允許鐵路上行駛更長的和/或更重的火車并且提供在諸如沙石和燃料的成本的成本方面更好的性能。火車長度的增加也會增加鐵道網絡的流量，不會犧牲火車的操作特性。
此外，如對于其他實施例討論的那樣，應用至分布式動力的火車的本發明可用于根據先前或期待的鐵道交叉、梯度改變、接近側路、接近停車場以及接近燃料站進行連續的校正和再計劃，其中組成部分中的每個機車可能需要不同的控制操作。例如，如果火車越過小山，那么導引機車可進入制動模式，而尚未到達山頂的遠端機車可保持驅動狀態。
圖10、11和12描述操作人員使用的動態顯示器的示例性圖示。圖8示出提供的行程特性圖172。在該特性圖中，示出機車的位置173。提供諸如火車長度105和火車中車廂206的數量的信息。也提供關于軌道梯度207、的元件，曲線和路邊元件208，包括橋位置209和火車速度210。顯示器168允許操作人員觀看這些信息，也可看到火車處于路線的哪個位置。提供關于到達諸如交叉口的位置的距離和/或推算時間212、信號214、速度改變216、地標218和目的地220的信息。到達時間管理工具225也用于允許用戶確定行程期間實現的燃料節省。操作人員能夠改變到達時間227并且觀看到這樣會如何影響燃料的節省。如這里所討論的，本領域技術人員可認識到燃料節省是可由管理工具觀察到的唯一一個目標的示例性實例。因此，根據所觀察的參數，其他參數，如這里討論的，可采用操作人員可看到的管理工具觀察和評價。操作人員也可看到關于機務人員操作火車的持續時間的信息。在示例性實施例中，時間和距離信息可以示出為時間和/或距離，直到特定的事件和/或地點或者其可提供總經過時間。
如圖11所示，示例性顯示器提供的信息關于組成部分數據230，事件和情況圖形232，到達時間管理工具234和操作關鍵點236。如上所述的類似信息也在該顯示器中提供。該顯示器168也提供操作關鍵點238以允許操作人員重新計劃以及不使用240本發明的控制特征。
圖12描述顯示器的另一示例性實施例。其中示出現代機車的典型信息，包括空氣制動狀態172，具有數字圖表的模擬速度計174，以及關于以磅為單位的力的牽引力的信息(或者用于DC機車的牽引安培)。指示器14示出正在執行的計劃中的當前優化速度以及加速器圖表從而輔助以mph/分為單位進行讀取。屏幕中心是用于最優計劃執行的重要新數據，包括表示最優速度的滾動帶圖表176以及與這些變量的當前歷史相比較的檔設置/距離比。在該示例性實施例中，使用定位器元件獲得火車的位置。如圖所示，該位置通過識別火車距離其最終目的地、絕對位置、初始目的地、中間點和/或操作人員輸入有多遠而提供。
帶形圖表提供對遵循最優計劃所需的速度的改變的前瞻，這在手動控制中是有用的并且可在自動控制期間監視計劃相對于實際情況的執行。如這里所述，諸如當處于教練模式下時，操作人員可遵循由本發明實施例所建議的檔或速度。垂直桿給出理想和實際檔的圖表，它們也在帶形圖表的下方以數字的方式示出。當使用連續的檔動力時，如上所述，該顯示器將簡單地顯示最接近的離散當量，該顯示器可以是模擬顯示器，從而能夠顯示模擬當量或者百分數或實際馬力/牽引力。
行程狀態上的關鍵信息顯示在屏幕上，并且示出火車當前遇到的梯度188，或者通過導引機車，火車其他部分的位置或者火車長度上的平均數。也公開在計劃中行駛的累計距離，累計燃料用量192，所計劃到達下一站的地點或者距離194以及在下一站的當前和計劃到達時間196。顯示器168也示出使用目前的計算計劃而到達目的地的最大可能時間。如果需要晚到達，那么執行重新計劃。三角計劃數據示出在當前最優計劃之前或之后的燃料狀態和計劃。負數表示與計劃相比使用的燃料較少或者提前，正數表示與計劃相比使用的燃料較多或者延遲。一般地，這些參數在相反的方向上是相互平衡的(減速以節省燃料使得火車晚點，相反的情況同樣存在)。
任何時候，這些顯示器168為操作人員示出行程狀態相對于當前執行的驅動計劃的快照。該顯示器僅僅是示例性的，只是因為還有許多其他的方式可以顯示/傳送該信息至操作人員和/或調度站。為了這一目的，上面公開的任何其他項信息可添加至顯示器從而使得顯示器不同于先前公開的形式。
可包括在本發明不同實施例中的其他特征包括但不局限于產生數據記錄和報告。該信息可存儲在火車上并且下載至車外系統。該下載可經由手動和/或無線傳送的方式進行。該信息也可由操作人員經由機車顯示器觀察到。該數據可包括的信息包括但不局限于操作人員輸入，時間系統是操作性的，節省燃料，火車中的機車兩端的燃料不平衡，火車行程以及系統診斷問題，諸如GPS傳感器故障。
由于行程計劃也可考慮許用機務人員操作時間，所以本發明的實施例可考慮這種信息，因為行程是經過計劃的。例如，如果機務人員可操作的最大時間是八小時，那么行程可調整成包括停車地點，以方便新的機務人員更換當前機務人員。這種規定的停車地點可包括但不局限于停車場，會車/過車地點等。如果隨著行程前進，行程時間可能被超過，那么操作人員可以不使用本發明以滿足操作人員確定的其他標準。最后，不考慮火車的操作狀態，包括但不局限于高載荷，低車速，火車延伸狀態等，操作人員可以進行控制以發送火車處于安全速度和/或操作狀態的命令。
使用本發明各方面，火車可采用多種不同的操作概念運行。在一種操作概念中，本發明提供用于控制推進和動態制動的命令。操作人員處理所有其他的火車功能。在另一操作概念中，本發明提供僅控制推進的命令。操作人員處理動態制動以及所有其他的火車功能。在另一操作概念中，本發明提供控制推進、動態制動和應用空氣制動的命令。操作人員處理所有其他的火車功能。
本發明也可通知操作人員即將出現的情況或者將要采取的操作，諸如本發明的預見邏輯，連續校正以及重新計劃為優化行程計劃，軌道數據庫。操作人員也可被告知即將到達的交叉口，信號，坡度改變，制動操作，側路，停車場，燃料站等。這些告知信息可以通過聲音傳遞或者通過操作人員界面進行處理。
具體地說，使用基于物理學的計劃模型，火車設置信息，車載軌道數據庫，車載操作規則，地點確定系統，實時閉環動力/制動控制以及傳感器反饋，該系統示出和/或告知操作人員所需的操作。該告知可以是可視的和/或可聽的。實例包括告知交叉口，需要操作人員起動機車笛和/或鈴以及“無聲(silent)”交叉口，不需要操作人員起動笛或鈴。
在另一示例性實施例中，使用上述基于物理學的計劃模型，火車設置信息，車載軌道數據庫，車載操作規則，地點確定系統，實時閉環動力/制動控制，以及傳感器反饋，本發明可提供操作人員信息(例如顯示器上的計量器)，允許操作人員看到火車將何時到達各個地點，如圖11所示。該系統允許操作人員調整行程計劃(目標到達時間)。該信息(實際推算到達時間或得到車外情況所需的信息)也可傳送至調度中心從而允許調度人員或者調度系統調整目標到達時間。這允許系統快速地調整和優化適當的目標功能(例如使速度和燃料用量平衡)。
本發明各個實施例的這一書面說明使用實例公開這些實施例，包括最佳的形式并且使得本領域技術人員制得和使用本發明的實施例。這些實施例的可專利范圍由權利要求限定，并且可包括本領域技術人員可想到的其他實例。這些其他實例意在處于權利要求的范圍內，只要它們具有與權利要求的文字語言相同的結構元件，或者它們是否包括等同的結構元件，與權利要求的文字語言的差別并非實質性的。例如，雖然包括機車和車廂的火車在鐵路網絡的環境下操作，但是本發明的教導也可應用至其他鐵路以及基于鐵軌的系統以及車輛，包括但不局限于城市之間的火車，公共車，穿梭巴士和電車。
權利要求
1、一種用于在軌道上行駛期間操作包括導引動力單元和非導引動力單元的鐵路車輛的系統，該系統包括
用于確定車輛位置或者當前行程開始起經過的時間的第一元件；
用于從第一元件接收信息的處理器；以及
在處理器中實現的算法，該算法使用所述信息以得到一行程計劃，該計劃根據車輛、導引單元和非導引單元其中之一或多個的一個或多個操作標準優化導引單元和非導引單元其中之一或二者的性能。
2、根據權利要求1所述的系統，其中，該車輛包括火車，其中導引單元包括導引機車，非導引單元包括遠端機車。
3、根據權利要求2所述的系統，還包括導引機車與遠端機車之間的一個或多個車廂。
4、根據權利要求1所述的系統，其中，行程計劃包括用于導引和非導引單元的牽引力施加和制動力施加。
5、根據權利要求1所述的系統，其中，第一元件確定相應于軌道各區段的信息。
6、根據權利要求1所述的系統，其中，一個或多個操作標準包括最小化與車輛的操作、導引單元的操作或者非導引單元的操作相關聯的成本因素。
7、根據權利要求1所述的系統，還包括在導引和非導引單元的每個中的控制元件，其中，處理器確定用于導引和非導引單元的控制參數，該控制參數被提供至導引和非導引單元的每個中的控制元件從而根據行程計劃控制導引和非導引單元。
8、根據權利要求7所述的系統，還包括導引單元與非導引單元之間的通信連接，其中控制參數通過通信連接被提供至非導引單元。
9、根據權利要求7所述的系統，還包括導引單元與非導引單元之間的通信連接，其中，處理器設置在導引單元上，將控制參數從導引單元通過通信連接提供至非導引單元。
10、根據權利要求7所述的系統，其中，導引單元和非導引單元根據不同的控制參數受到獨立的控制。
11、根據權利要求10所述的系統，其中，不同的控制參數用于根據成本因素獨立地優化導引單元以及非導引單元的每個的性能。
12、根據權利要求7所述的系統，其中，控制元件自主地指引車輛遵循行程計劃。
13、根據權利要求7所述的系統，其中，控制參數包括檔(notch)設置。
14、根據權利要求1所述的系統，其中，操作人員根據行程計劃指引火車。
15、根據權利要求1所述的系統，其中，該算法響應于行程期間從第一元件接收的信息更新行程計劃。
16、根據權利要求1所述的系統，其中，非導引單元包括第一非導引單元和第二非導引單元，每個導引單元，其中第一非導引單元和第二非導引單元的每個從操作角度分類為第一組或第二組，其中該算法確定用于第一組的第一控制參數以及用于第二組的第二不同控制參數。
17、根據權利要求1所述的系統，其中，行程計劃生成用于導引單元和非導引單元的速度軌跡(trajectory)。
18、根據權利要求1所述的系統，其中，該算法包括與導引單元和非導引單元的獨立控制有關的獨立約束。
19、根據權利要求1所述的系統，其中，優化性能的行程計劃包括優化導引單元和非導引單元的燃料消耗、所產生的排放、沙石控制以及火車內力限制其中的至少一個。
20、根據權利要求1所述的系統，其中，隨著火車不斷前進，該算法更新行程計劃。
21、根據權利要求1所述的系統，還包括用于測量導引單元或非導引單元的操作狀態的傳感器，其中，該處理器用于從傳感器接收信息。
22、根據權利要求1所述的系統，其中，第一元件包括軌道特征元件，該元件確定關于軌道上速度限制的變化、軌道梯度變化、軌道曲率變化以及一段軌道上交通狀況變化其中至少一個的信息。
23、根據權利要求1所述的系統，還包括在導引單元和非導引單元的每個中的控制元件，其中，處理器確定用于導引單元和非導引單元的動力參數，該動力參數被提供至導引單元和非導引單元的每個中的控制元件，從而控制導引單元和非導引單元，其中，從連續范圍的動力參數或多個離散動力參數中選擇所述動力參數。
24、根據權利要求1所述的系統，還包括與處理器通信的輸入裝置，用于將信息傳送至處理器，該輸入裝置還包括非導引單元位置、路邊裝置或用戶。
25、根據權利要求1所述的系統，還包括與具有用于導引單元和非導引單元的操作信息的處理器通信的數據庫。
26、根據權利要求1所述的系統，其中，車輛還包括多個非導引單元，每個非導引單元可由導引單元獨立地控制。
27、根據權利要求26所述的系統，其中，多個非導引單元的每一個的獨立控制允許多個非導引單元的每一個的性能優化。
28、一種用于在軌道上行駛期間操作包括導引單元和非導引單元的鐵路車輛的方法，該方法包括
確定車輛操作參數和操作約束；以及
根據操作參數和操作約束執行算法，以得到分別優化導引單元和非導引單元的性能的車輛行程計劃，其中執行行程計劃允許獨立地控制導引單元和非導引單元。
29、根據權利要求28所述的方法，其中，車輛包括火車，其中導引單元包括導引機車，非導引單元包括遠端機車，還包括導引機車與遠端機車之間的一個或多個車廂。
30、根據權利要求28所述的方法，其中，確定步驟還包括確定車輛的位置或者從當前車輛行程起經過的時間。
31、根據權利要求28所述的方法，其中，確定步驟還包括確定軌道特征信息。
32、根據權利要求28所述的方法，還包括確定用于行程計劃的速度軌跡，以及根據該速度軌跡確定導引單元和非導引單元處的牽引力施加和制動力施加，并且將牽引力施加和制動力施加提供至導引單元和非導引單元。
33、根據權利要求33所述的方法，其中，該車輛還包括導引單元與非導引單元之間的通信連接，其中執行的步驟在導引單元處實施，牽引力施加和制動力施加從導引單元經由通信連接提供至非導引單元。
34、根據權利要求28所述的方法，其中，行程計劃包括用于控制導引單元和非導引單元的操作從而獨立地優化導引單元和非導引單元的性能的不同參數。
35、根據權利要求34所述的方法，其中，優化的性能包括優化燃料消耗、所產生的排放、沙石控制和車輛內力限制其中的至少一個。
36、根據權利要求28所述的方法，其中，確定車輛操作參數和操作約束的步驟還包括確定用于導引單元和非導引單元的不同操作參數和操作約束。
37、根據權利要求28所述的方法，其中，該車輛還包括多個非導引單元，每個非導引單元可由導引單元獨立地控制從而優化多個非導引單元的每一個的性能。
38、一種用于在沿著軌道行駛期間操作包括計算機處理器、導引單元和非導引單元的鐵路車輛的計算機軟件代碼，該計算機軟件代碼包括
用于確定車輛操作參數和操作約束的軟件模塊；以及
用于根據操作參數和操作約束執行算法的軟件模塊，由此得到獨立地優化導引單元和非導引單元的性能的車輛行程計劃，其中，執行行程計劃允許獨立地控制導引單元和非導引單元。
39、根據權利要求38所述的計算機軟件代碼，還包括用于確定行程計劃的速度軌跡以及根據速度軌跡確定導引單元和非導引單元的牽引力施加和制動力施加的軟件模塊。
40、根據權利要求39所述的計算機軟件代碼，其中，該車輛還包括導引單元與非導引單元之間的通信連接，其中用于執行該算法的軟件模塊在導引單元上執行，還包括用于將牽引力施加和制動力施加從導引單元經由通信連接傳送至非導引單元的軟件模塊。
41、根據權利要求38所述的計算機軟件代碼，其中，行程計劃包括用于控制導引單元和非導引單元的操作從而獨立地優化導引單元和非導引單元的性能的不同參數。
42、根據權利要求41所述的計算機軟件代碼，其中，優化的性能包括優化燃料消耗、所產生的排放、沙石控制以及車輛內力限制其中的至少一個。
43、根據權利要求38所述的計算機軟件代碼，其中，用于確定車輛操作參數和操作約束的軟件模塊還包括確定用于導引單元和非導引單元的不同操作參數和操作約束。
44、根據權利要求38所述的計算機軟件代碼，其中，該車輛還包括多個非導引單元，每個非導引單元都可由導引單元獨立地控制，其中，用于執行該算法的軟件模塊允許獨立地控制多個非導引單元的每一個從而優化多個非導引單元的每一個的性能。
全文摘要
本發明的一項實施例包括一種用于在軌道上行駛期間操作包括導引動力單元(14、15)和非導引動力單元(16、17、18)的鐵路車輛(8)的系統。該系統包括用于確定車輛位置或者當前行程開始起的時間的第一元件(65)；用于從第一元件(65)接收信息的處理器(62)；以及在處理器(62)中實現的算法，能夠處理信息以得到行程計劃，該計劃根據車輛(8)、導引單元(14、15)和非導引單元(16、17、18)其中之一或多個的一個或多個操作標準優化導引單元(14、15)和非導引單元(16、17、18)的之一或二者的性能。
文檔編號B61C17/12GK101432179SQ200780001338
公開日2009年5月13日 申請日期2007年9月10日 優先權日2006年12月7日
發明者阿吉思·K·庫瑪, 格倫·R·謝弗, 布賴恩·D·勞里, 沃爾夫岡·多姆 申請人:通用電氣公司