專利名稱：用列車/軌道數(shù)據(jù)庫增加進行旅程優(yōu)化的方法、系統(tǒng)和計算機軟件代碼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域涉及用于優(yōu)化列車操作的系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種用于增加和更新與用于優(yōu)化列車操作的系統(tǒng)、方法和/或計算機軟件代碼相關(guān)聯(lián)的列車/軌道數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：
機車是具有大量子系統(tǒng)的復雜系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)相互獨立于其它子系統(tǒng)。在機車上的操作者施加牽引和制動力以控制機車的速度和其鐵路車廂的負載，以確保安全并及時到達希望的目的地。為了實施該功能并且符合規(guī)定的操作速度，該操作速度可隨著列車在軌道上的位置變化，操作者一般必須具有在特定地形上操作具有各種鐵路車廂組(即，不同類型和數(shù)量的鐵路車廂)的機車的豐富經(jīng)驗。
然而，即使具有確保安全操作的足夠知識和經(jīng)驗，操作者一般也不能在旅程期間操作機車以最小化燃料消耗(或其它操作特性，例如，排放(emission))。多個操作因素影響燃料消耗，包括例如排放限制、機車燃料/排放特性、鐵路車廂的大小和負載、天氣、交通狀況和機車操作參數(shù)。盡管有影響性能的許多變量，但是如果在滿足要求的調(diào)度(到達時間)并且使用最小量的燃料(或優(yōu)化其它操作參數(shù))的同時，提供在旅程期間優(yōu)化性能的控制信息，則操作者仍可以(通過牽引和制動力的施加)更有效并且高效地操作列車。因此，希望操作者在提供牽引和制動力以優(yōu)化一個或多個操作參數(shù)的應用的系統(tǒng)或過程的指導(或控制)下操作列車。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的示范性實施例公開了一種用于增加和更新與用于優(yōu)化列車操作的系統(tǒng)、方法和/或計算機軟件代碼相關(guān)聯(lián)的列車/軌道數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)、方法和/或計算機軟件代碼。為此，公開了一種用于提供用在列車性能中的列車信息和/或軌道特征化(characterization)信息的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括第一元件，用于確定列車在軌道分段上的位置和從旅程開始的時間中的至少一個。還公開了用于提供軌道分段信息的軌道特征化元件。還公開了用于測量列車中的至少一個機車的操作狀況的傳感器、和用于存儲軌道分段信息和/或至少一個機車的操作狀況的數(shù)據(jù)庫。處理器被公開用于將來自第一元件、軌道特征化元件、傳感器和數(shù)據(jù)庫的信息相關(guān)，使得所述數(shù)據(jù)庫可以被用來按照列車的一個或多個操作標準創(chuàng)建優(yōu)化列車性能的旅程計劃。
在另一個示范性實施例中，公開了一種用于在旅程期間沿著軌道分段操作列車的系統(tǒng)，該列車包括一個或多個機車組，每個機車組包括一個或多個機車。該系統(tǒng)包括用于確定列車在軌道分段上的位置和/或從旅程開始的時間的第一元件。還公開了用于提供軌道分段信息的軌道特征化元件、和用于測量至少一個機車的操作狀況的傳感器。數(shù)據(jù)庫被公開來存儲軌道分段信息和/或至少一個機車的操作狀況。處理器也被公開，其可操作從第一元件、傳感器、軌道特征化元件、和/或數(shù)據(jù)庫接收信息，用于按照列車的一個或多個操作標準創(chuàng)建優(yōu)化列車性能的旅程計劃。
在另一個示范性實施例中，公開了一種用于在旅程期間沿著軌道分段操作列車的方法，該列車包括一個或多個機車組，每個機車組包括一個或多個機車。該方法包括用于確定列車在軌道分段上的位置或從旅程開始的時間的步驟，以及用于確定軌道分段信息的步驟。兩個其它的步驟包括存儲軌道分段信息，以及確定至少一個機車的至少一個操作狀況。另一個步驟提供用于響應于列車的位置、軌道分段信息和至少一個操作狀況的至少一個創(chuàng)建旅程計劃，以按照列車的一個或多個操作標準優(yōu)化機車性能。
在另一個示范性實施例中，公開了一種計算機軟件代碼，用于操作具有計算機處理器的列車，所述代碼用于在旅程期間沿著軌道分段操作列車，該列車包括一個或多個機車組，每個機車組包括一個或多個機車。該軟件代碼包括用于確定軌道分段信息的軟件模塊以及用于存儲軌道分段信息的軟件模塊。還提供了用于確定一個機車的至少一個操作狀況的軟件模塊。軟件代碼還提供了用于響應于列車的位置、軌道分段信息和至少一個操作狀況的至少一個創(chuàng)建旅程計劃、以按照列車的一個或多個操作標準優(yōu)化機車性能的軟件模塊。



將參照在附圖中圖示的本發(fā)明的具體實施例，提供對如上簡要描述的本發(fā)明的更具體的描述。要理解到，這些附圖僅僅描述本發(fā)明的典型的實施例并且因此不被認為限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明將通過使用附圖以附加的特征和細節(jié)描述和解釋。在附圖中 圖1描述了用于旅程優(yōu)化的流程圖的示范性圖解； 圖2描述了可能被采用的列車的簡化模型； 圖3描述了旅程優(yōu)化系統(tǒng)的元件的示范性實施例； 圖4描述了燃料使用/旅程時間曲線的示范性實施例； 圖5描述了對旅程計劃的分段分解的示范性實施例； 圖6描述了分段示例的示范性實施例； 圖7描述了用于旅程優(yōu)化的示范性流程圖； 圖8描述了用于由操作者使用的動態(tài)顯示的示范性圖解； 圖9描述了用于由操作者使用的動態(tài)顯示的另一個示范性圖解； 圖10描述了用于由操作者使用的動態(tài)顯示的另一個示范性圖解； 圖11描述了軌道數(shù)據(jù)庫特性；以及 圖12圖示了在旅程期間沿軌道分段操作列車的示范性步驟的流程圖。

具體實施例方式 現(xiàn)在將詳細介紹按照本發(fā)明的實施例，其示例被圖示在附圖中。只要可能，貫穿附圖使用的相同參考標號來指代相同或類似的部分。
本發(fā)明在此公開的示范性實施例通過提供系統(tǒng)、方法和計算機實現(xiàn)的方法解決了本領(lǐng)域的技術(shù)問題，該系統(tǒng)、方法和計算機實現(xiàn)的方法用于確定和實現(xiàn)具有機車組(consist)(即多個直接連接的機車或一個或多個在該列車內(nèi)分布的機車組)的列車的操作策略以監(jiān)視和控制列車的操作，以在滿足調(diào)度和速度約束的同時改善某些目標操作標準參數(shù)要求。本發(fā)明的示例還可應用于分布式動力列車，即具有與機頭機車空間分隔并且可由該機頭機車操作者控制的一個或多個機車組的列車。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，如包括CPU、存儲器、I/O、程序存儲、連接總線和其它適合的組件的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的裝置，可以被編程或者設計來便利本發(fā)明的方法的實踐。這樣的系統(tǒng)將包括用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的適合的程序裝置。
在另一個實施例中，用于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的如預記錄盤或其它類似計算機程序產(chǎn)品的制造品，包括存儲介質(zhì)和在其上記錄的用于指導數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以便利本發(fā)明的方法的實踐的程序。這樣的裝置和制造品也落入本發(fā)明的精神和范圍。
廣義地講，技術(shù)效果是確定和實現(xiàn)列車的驅(qū)動策略以在滿足調(diào)度和速度約束的同時改善某些目標操作標準參數(shù)要求，其中用有關(guān)列車(通常機車)和軌道的信息增加列車/軌道數(shù)據(jù)庫。為了便利理解本發(fā)明的示例，隨后參照其具體實現(xiàn)描述。
本發(fā)明的示范性實施例在由計算機執(zhí)行的計算機可執(zhí)行指令(如程序模塊)的通常上下文中描述。
一般來說，程序模塊包括用于執(zhí)行特定任務或者實現(xiàn)特定抽象數(shù)據(jù)類型的例程、程序、對象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。例如，用于解釋本發(fā)明的示范性實施例的軟件程序可以用用于不同處理平臺的不同語言編碼。在隨后描述中，本發(fā)明的示例在采用web瀏覽器的web門戶的上下文中描述。然而，將理解到，解釋本發(fā)明的示范性實施例的原理還可以用其它類型的計算機軟件技術(shù)實現(xiàn)。
而且，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明的示例可以用其它計算機系統(tǒng)配置(包括手持設備、多處理器系統(tǒng)、基于微處理器或可編程的消費電子設備、微型計算機、大型計算機等)實現(xiàn)。本發(fā)明的示范性實施例還可以在分布式計算環(huán)境中實踐，其中任務由通過通信網(wǎng)絡鏈接的遠端處理設備執(zhí)行。在分布式計算環(huán)境中，程序模塊可以位于包括存儲器存儲設備的本地和遠端計算機存儲介質(zhì)中。這些本地和遠端計算環(huán)境可以整個被包含在機車內(nèi)，或者在成組的鄰近機車內(nèi)，或者在路旁的車外或者中心辦公室，其中在計算環(huán)境之間提供無線通信。
術(shù)語機車組意味著連續(xù)地連接在一起以便在機車之間沒有鐵路車廂的情況下提供監(jiān)視和/或制動能力的一個或多個機車。列車可以包括一個或多個機車組。具體來說，可能存在一個機頭機組和一個或多個遠端機組，如在沿鐵路車廂的中途的第一遠端機組和在列車位置的末端的另一個遠端機組。每個機車組可能具有第一或機頭機車和一個或多個機尾機車。盡管第一機車通常被視為機頭機組，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認識到，在多個機車組中的第一機車可以物理上位于物理上機尾的位置。而且，即使機組通常被認為是連接連續(xù)的機車，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認識到，成組的機車也可以被認為是機組，即使在至少一個鐵路車廂分開了機車(如當所述機組被配置用于分布式動力操作)時，其中扼止(throttle)和制動命令通過無線鏈路或物理線纜從機頭機車中繼到遠端的機尾。為此，在討論同一列車內(nèi)的多個機車時術(shù)語機車組不應被認為是限制因素。
現(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的實施例。本發(fā)明的示范性實施例可以用許多方式實現(xiàn)，包括作為系統(tǒng)(包括計算機處理系統(tǒng))、方法(包括計算機化的方法)、裝置、計算機可讀介質(zhì)、計算機程序產(chǎn)品、圖形用戶接口(包括web門戶或確切地固定在計算機可讀存儲器中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。本發(fā)明的示范性實例的幾個實施例在下文討論。
圖1描述了用于旅程優(yōu)化的示范性流程圖的圖示。如圖所示，指令在車上或者從遠端位置(如分派中心10)對計劃旅程特定的輸入。這樣的輸入信息包括但不限于列車位置、機組構(gòu)成(如機車模型)、有關(guān)機車牽引傳輸?shù)臋C車牽引動力性能、作為輸出動力的函數(shù)的引擎燃料的消耗、冷卻特性、意圖旅程路徑(遵照標準的鐵路實踐、作為里程碑或“有效坡度”分量的函數(shù)以反映曲率的有效的軌道坡度和曲率)、車廂構(gòu)成和負載(包括有效拖動(drag)系數(shù))，希望的旅程參數(shù)包括但不限于開始時間和位置、結(jié)束位置、旅程時間、機務人員(用戶和/或操作者)標識、機務人員輪班期滿時間和旅程路徑。
該數(shù)據(jù)可以按照各種技術(shù)和過程(如但是不限于手動操作者項目)經(jīng)由車載顯示器(該車載顯示器鏈接到如硬盤、硬盤驅(qū)動器和/或USB驅(qū)動器的數(shù)據(jù)存儲設備)被提供給機車42，或經(jīng)由無線通信信道從中心或者路旁位置41(如軌道信令設備和/或路旁裝置)將所述信息發(fā)送到機車42。機車42和列車31負載特性(例如，拖動)還可以隨著路徑(例如，隨軌道和鐵路車廂的高度、環(huán)境溫度和狀況)變化，使得按照如上所述的任何方法計劃更新以反映這些變化。反映旅程優(yōu)化過程的更新數(shù)據(jù)可以由如上所述的任何方法和技術(shù)和/或通過機車/列車狀況的實時自主收集提供。這種更新包括例如通過監(jiān)視(各)機車42之上或者之外的設備檢測到的機車或者列車特性的變化。
軌道信號系統(tǒng)指示某些軌道狀況，并且提供指令給接近該信號的列車的操作者。下文將更詳細描述的信令系統(tǒng)指示例如在一個分段軌道上可允許的列車速度，并且提供停止和運行指令給列車操作者。包括信號的位置和與不同信號相關(guān)聯(lián)的規(guī)則的信號系統(tǒng)的細節(jié)被存儲在車載數(shù)據(jù)庫63中。
基于輸入給本發(fā)明的該示范性實施例的規(guī)范數(shù)據(jù)，在經(jīng)受速度限制約束和希望的開始和結(jié)束時間的情況下計算最小化燃料使用和/或產(chǎn)生的排放的最優(yōu)旅程計劃，以產(chǎn)生旅程概況(profile)12。該概況包含列車要遵守的、被表達為從旅程開始的距離和/或時間的函數(shù)的最優(yōu)速度和動力(擋位(notch))設置、包括但不限于最大擋位動力和制動設置的列車操作限制、作為位置和期望的使用的燃料和產(chǎn)生的排放的函數(shù)的速度限制。在示范性實施例中，選擇擋位設置的值以大約每10到30秒一次地獲得扼止變化決定。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地認識到，如果需要和/或希望遵循最優(yōu)速度概況，則扼止變化決定可以以更長或者更短間隔發(fā)生。廣義上講，本領(lǐng)域技術(shù)人員應該顯而易見，該概況以列車級別、機組級別和/或單個機車級別提供列車的動力設置。正如在此使用的那樣，動力包括制動動力、啟動動力和氣動制動動力。在另一個優(yōu)選實施例中，代替在傳統(tǒng)的離散擋位動力設置操作，本發(fā)明的示例從連續(xù)的動力設置范圍，確定希望的動力設置，以優(yōu)化速度概況。因此，例如，如果最優(yōu)概況規(guī)定6.8的擋位設置，代替7的擋位設置，則機車42以6.8操作。允許這種中間動力設置可以提供如下所述的效率好處。
正如在下文概括的，用于計算最優(yōu)概況的步驟可以包括任何數(shù)量的用于計算動力序列的方法，該動力序列驅(qū)動列車31以在經(jīng)受機車操作和調(diào)度約束的情況下最小化燃料和/或排放。在某些情形中，最優(yōu)概況可能由于列車配置、路徑和環(huán)境狀況的相似性充分類似于在先確定的概況。在這些情形中，從數(shù)據(jù)庫63檢索在先確定的驅(qū)動軌跡并且相應地操作該列車可能就足夠了。
當在先計劃不可用時，用于計算新的計劃的方法包括但不限于使用逼近運動的列車物理學的微分等式模型來指導最優(yōu)概況的計算。按照該過程，量化的目標函數(shù)被確定；通常該函數(shù)包括模型變量的加權(quán)和(積分)，該加權(quán)和(積分)對應于燃料消耗率和產(chǎn)生的排放加上用于補償(penalize)過度扼止變化的項。
最優(yōu)控制公式被確定為在經(jīng)受包括但不限于下述約束的情況下最小化量化目標函數(shù)對象速度限制、最小和最大動力(扼止)設置以及最大累積和瞬時排放。依據(jù)在任何時間的計劃目標，所述問題可以被設置來在經(jīng)受排放和速度限制的約束的情況下最小化燃料，或者在經(jīng)受排放使用和到達時間的約束的情況下最小化排放。還可能例如建立例如目標來最小化總的到達時間，而沒有對總的排放或燃料使用的約束，其中對所述排放允許或者要求這種約束的放寬。
貫穿該文檔獻，示范性等式和目標函數(shù)呈現(xiàn)來最小化機車燃料消耗。這些等式和函數(shù)僅僅用于解釋，盡管其它的等式和目標函數(shù)可以被采用來優(yōu)化燃料消耗或者優(yōu)化其它的機車/列車操作參數(shù)。
從數(shù)學上講，要解決的問題可以被更簡潔表述?；镜奈锢韺W被表達為 x(0)＝0.0；x(Tf)＝D v(0)＝0.0；v(Tf)＝0.0 其中x是列車的位置，v是列車速度，t是時間(英里、每小時以及合適時幾分鐘或者幾小時的英里數(shù))，而u是輸入的擋位(扼止)命令輸入。而且，D表示要進行的距離，Tf沿著軌道上的距離D希望的到達時間，Te是由機車組產(chǎn)生的牽引力，Ga是重力拖動(其取決于列車長度、列車組成和前進的區(qū)域)，并且R是依賴于機車組的和列車組合的阻力的凈速度。初始速度和最終速度還可以被指定，在此不失一般性地考慮為0(在旅程的起點和終點停止的列車)。
模型容易被修改為包括其它動力學因素，如在扼止u變化和結(jié)果產(chǎn)生的牽引或制動力之間的延遲。
所有這些性能測量可以被表達為下列公式的任何的線性組合 -最小化總?cè)剂舷?

-最小化行進時間 -最小化擋位操作(jockeying)(分段恒定輸入) -最小化擋位操作(連續(xù)輸入) 用對應于排放產(chǎn)出(production)的項替代(1)中的燃料項F(.)。例如，對于排放，-最小化總排放消耗。
在此等式中，E是對于每個擋位(或者動力設置)的每馬力-小時克(gm/hphr)的排放量。此外，最小化可基于燃料和排放的加權(quán)和進行。
通常被使用和代表性的目標函數(shù)因此是 該線性組合的各系數(shù)取決于對每個項給定的重要性(權(quán)重)。注意到，在等式(OP)中，u(t)是連續(xù)的擋位位置的優(yōu)化變量。如果要求離散的擋位，例如，對于更老的機車，則公式(OP)的解被離散化，這可導致較低的燃料節(jié)約。求出最小化的時間解(α1設置為0，而α2設置為0或相對小值)被用來找出可實現(xiàn)的到達時間的下界(Tf＝Tfmin)。在此情形中，u(t)和Tf是優(yōu)化變量。該優(yōu)選實施例在Tf＞Tfmin、α3設置為0的情況下，對Tf的各種值求解公式(OP)。在此后一種情形中，Tf被看作為常數(shù)。
對于熟悉這些最優(yōu)問題的求解的人而言，可能有必要鄰接這些約束，例如沿路徑的速度限制 0≤v≤SL(x) 或者當使用最小時間作為目標時，所鄰接的約束可以是端點約束必須例如通過下式保持，例如總消耗燃料必須小于油箱中擁有的， 其中，WF是在Tf油箱剩余的燃料。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解到，公式(OP)可以用其它形式呈現(xiàn)，并且上述的版本是用于在本發(fā)明的示例中使用的示范性公式。
對在本發(fā)明的上下文中的排放的介紹一般貫注以氮氧化物(NOx)、炭氧化物(COx)、氫炭化合物(HC)和顆粒物質(zhì)(PM)的形式產(chǎn)生的累積排放。其它的排放可以包括但不限于最大值的電磁排放，如對由機車發(fā)射的各個頻率的以瓦測量的射頻(RF)動力輸出的限制。另外一種排放形式是典型地用分貝(dB)測量的由機車產(chǎn)生的噪聲。排放要求可以是基于一天時間、一年時間和/或大氣中的大氣狀況(如天氣或污染物質(zhì)級別)的變量。排放規(guī)章可能在地理上跨越鐵路系統(tǒng)而變化。例如，如城市或州的操作區(qū)域可能具有指定的排放目標，而相鄰區(qū)域可能具有不同的排放目標，例如，對于給定級別的排放收取更高費用或者被允許的排放量更小。
因此，對于某個地理區(qū)域的排放概況可以被適于包括在該概況中包括的規(guī)定排放的每個的最大排放值，以滿足對該地區(qū)要求的預定排放目標。典型地，對于機車，這些排放參數(shù)由但是不局限于動力(擋位)設置、環(huán)境狀況、引擎控制方法等確定。通過設計，每個機車必須符合EPA排放標準，因此，在優(yōu)化排放的本發(fā)明的實施例中，這可以涉及任務(mission)總排放，對于該任務總排放，目前沒有EPA排放標準。按照優(yōu)化旅程計劃的機車的操作一直符合EPA排放標準。
如果在旅程期間關(guān)鍵的目標是減少排放，則最優(yōu)控制公式(公式(OP))被修改為考慮該旅程目標。在優(yōu)化過程中的關(guān)鍵靈活性是旅程目標的任何或者全部可以按地理的區(qū)域或任務改變。例如，對于高優(yōu)先級列車，由于列車的優(yōu)先級最小時間可以僅是對一條路徑的目標。在另一個示例中，排放輸出可以沿計劃的列車路徑在各州之間變化。
為了解決結(jié)果產(chǎn)生的優(yōu)化問題，在示范性實施例中，本發(fā)明將在時域中的動態(tài)最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)換為有N個變量的等效靜態(tài)數(shù)學規(guī)劃(programming)問題，其中數(shù)字‘N’取決于在旅程期間的扼止和制動調(diào)整進行的頻率。對于典型的問題，該N可以是幾千。在示范性實施例中，列車在美國西南部前進了172英里的彎曲軌道。利用本發(fā)明的示例，在比較使用本發(fā)明的示范性示例確定和遵循的旅程、與其中按照標準實踐由操作者確定扼止/速度的旅程時，可以實現(xiàn)7.6％燃料消耗。所改善的節(jié)約被實現(xiàn)，因為由本發(fā)明的示例提供的優(yōu)化產(chǎn)生驅(qū)動策略，與操作者控制的旅程比較，拖動損失較小并且極少或者沒有制動損失。
為了使得如上所述的優(yōu)化在計算上易處理，列車的簡化模型可以被采用，如圖2圖示，并且提出如上所述的公式。對最優(yōu)概況的關(guān)鍵修正通過用產(chǎn)生的最優(yōu)動力序列導出更詳細的模型來產(chǎn)生，以便測試是否任何熱、電和機械約束被違反，導致修改的概況，其中速度與距離的關(guān)系最接近于不損害機車或列車設備而能夠?qū)崿F(xiàn)的行程，即滿足附加的隱含約束，如對機車和列車內(nèi)的作用力的熱和電限制。
回來參照圖1，一旦旅程被啟動12，則動力命令被產(chǎn)生14以輸出開始計劃。依賴于本發(fā)明的示例的操作設置，一個命令引起機車遵循優(yōu)化的動力命令16以便實現(xiàn)最優(yōu)速度。本發(fā)明的示例從列車18的機車組獲得實際速度和動力信息18。由于用于優(yōu)化的模型中的共同逼近，因此對優(yōu)化動力的校正的閉環(huán)計算被獲得以跟蹤希望的最優(yōu)速度。這種列車操作限制的校正可以自動或者由操作者進行，該操作者總是具有對列車的最終控制。
在某些情形中，用在優(yōu)化中的模型可能與實際列車顯著不同。這可以因為許多原因發(fā)生，包括但不限于額外的貨物拾取或布置(setout)、機車出軌、初始數(shù)據(jù)庫63錯誤、以及操作者的數(shù)據(jù)輸入錯誤。對于這些原因，監(jiān)視系統(tǒng)使用實時列車數(shù)據(jù)以實時估計機車和/或列車參數(shù)20。當旅程被初始創(chuàng)建22時，估計的參數(shù)接著與假設參數(shù)比較?；诩僭O和估計值的任何差異，旅程可以重新計劃24。典型地，如果顯著節(jié)約可以從新計劃實現(xiàn)，則重新計劃旅程。
旅程可被重新計劃的其它理由包括來自遠端位置的指示，如分派，和/或操作者要求改變目標以便與全局的運動計劃目標一致。這種全局運動計劃目標可以包括但不限于其它列車調(diào)度、從隧道耗散廢氣要求的時間、維護操作等。另一個理由可以是由于組件的車上故障。依賴于破壞的嚴重性，用于重新計劃的策略可以被分組為遞增的和主要的調(diào)整，如下文更詳細討論的那樣。一般而言，“新”計劃必須從如上所述的優(yōu)化問題公式(OP)的解獲得，但是往往更快的近似解可以被發(fā)現(xiàn)，如在此描述的。
在操作中，機車42將不斷地監(jiān)視系統(tǒng)效率，并且不斷地基于實際測量的效率更新旅程計劃，不論何時這樣的更新可以改善旅程性能。重新計劃計算可以整個在(各)機車內(nèi)執(zhí)行或者全部或部分地在遠端位置執(zhí)行，如分派站(dispatch)或路旁處理設施，其中無線技術(shù)可以將新計劃通信到機車42。本發(fā)明的示例還可以產(chǎn)生用于開發(fā)有關(guān)效率傳輸函數(shù)的機車車隊(fleet)數(shù)據(jù)的效率趨勢。當確定初始旅程計劃時車隊范圍的數(shù)據(jù)可以被使用，并且當考慮多個列車的位置時可以被用于為了網(wǎng)絡范圍的優(yōu)化折中。例如，如圖4所示的旅程時間燃料使用折中曲線，反映了從對相同路徑上的許多類似列車收集的全體平均更新的、在當前時間的特定路徑上的列車的能力。因此，從許多機車收集類似于圖4的曲線的中心分派設施可以使用該信息以便更好地協(xié)調(diào)整個列車運動，以實現(xiàn)在燃料使用或吞吐量方面的系統(tǒng)范圍的優(yōu)點。
在日常操作期間的許多事件可以驅(qū)使新的或者修改的計劃產(chǎn)生，包括保持相同旅程目標的新的或者修改的計劃，例如，當列車不在計劃的要求的調(diào)度中或讓另一個列車通行、因此必須補償損失的時間時。使用實際的速度、機車的動力和位置，比較計劃的到達時間與目前估計的(預測)到達時間25。基于時間差異以及(由分派站或操作者檢測的或改變的)參數(shù)差異，該計劃被調(diào)整26。該調(diào)整可以響應于用于根據(jù)計劃處理發(fā)車的鐵路公司的策略自動進行，以，或者當車上的操作者和分派員聯(lián)合決定返回計劃的最好方法時手動進行。除了原始目標(如但不限制于到達時間保持相同)，無論何時更新計劃，附加的改變(例如新的未來速度限制變化)可以并發(fā)地計算，這可能影響恢復原始計劃的可行性。在這種情形中，如果原始的旅程計劃不能夠被維護或者換句話說該列車不能夠滿足原始的旅程計劃目標，如在此討論的，則其它的(各)旅程計劃可以被呈現(xiàn)給操作者、遠端設施和/或分派站。
重新計劃還可以在希望改變原始目標時進行。這樣的重新計劃可以以固定的預先計劃時間、以操作者或分派員的判斷手動進行，或者當預定限制(如列車操作限制)超過時自主地進行。例如，如果目前的計劃執(zhí)行運行晚了超過指定的閾值，如30分鐘，則本發(fā)明的示例可以重新計劃旅程以便用如上所述的增加燃料消耗的代價容納延遲，或者如果可能的話，警告操作者和分派員損失時間能夠被重新獲得的程度(即，在時間約束內(nèi)能夠被節(jié)約的最大值燃料或最小的剩余時間是多少)?；谙牡娜剂匣騽恿M的健康，可以構(gòu)思其它的重新計劃的觸發(fā)器，包括但不限于到達時間、由于設備故障和/或設備的暫時紊亂(如操作太熱或太冷)的馬力的損失、和/或如在假設的列車負載中檢測總設置錯誤。也就是說，如果變化反映當前旅程機車性能的損害，那么這些可以被考慮進在優(yōu)化過程中使用的模型和/或公式。
計劃目標的變化還可以從協(xié)調(diào)事件的需要產(chǎn)生，其中需要一個列車的計劃折中另一個列車滿足目標的能力、以及以例如分派辦公室的不同級別的仲裁。例如，相遇和通過的協(xié)調(diào)還可以通過列車與列車通信被優(yōu)化。因此，作為示例，如果操作者知道他在到達相遇和通過的地點晚于調(diào)度，則來自其它列車的通信可以告訴操作者晚點的列車(和/或分派)。操作者可以將有關(guān)希望的晚點到達的信息輸入用于重新計算列車的旅程計劃的本發(fā)明的示例。本發(fā)明的示例還可以用在高級別或者網(wǎng)絡級別，以允許分派確定哪個列車應該慢下來或加速，如果它顯示調(diào)度的相遇和/或通過時間約束不可能滿足的話。如在此討論的，這由列車發(fā)送數(shù)據(jù)到分派站以便對每個列車應該如何改變計劃目標給予優(yōu)先級來實現(xiàn)?？梢匀Q于情形基于調(diào)度或燃料節(jié)約優(yōu)點進行選擇。
對于任何的手動或自動啟動的重新計劃，本發(fā)明的示例可以呈現(xiàn)多于一個的旅程計劃給操作者。在示范性實施例中，本發(fā)明呈現(xiàn)不同概況給操作者，允許操作者選擇到達時間，并且還理解到相對應的燃料和/或排放影響。這樣的信息還可以作為替代的簡單列表或者作為如圖4所示的多個折中曲線被提供給分派站。
在一個實施例中，本發(fā)明包括學習和適應能夠被并入目前計劃和/或未來計劃的列車和動力組的關(guān)鍵變化的能力。例如，如上所討論的觸發(fā)器之一是馬力的損失。當在馬力損失之后隨時間建立馬力時，或者當開始旅程時，利用轉(zhuǎn)換邏輯確定何時希望的馬力實現(xiàn)。該信息可以被保存在機車數(shù)據(jù)庫61中用于優(yōu)化未來的旅程或者目前的旅程，如果馬力的損失以后再發(fā)生的話。
圖3描述了旅程優(yōu)化器的各元素的示范性實施例。定位器元件30確定列車31的位置。定位器元件30包括確定列車31的位置的GPS傳感器或傳感器的系統(tǒng)。這樣的其他系統(tǒng)的示例可以包括但不限于路旁裝置，如射頻自動設備標識(RF AEI)標簽、分派站和/或基于視頻的決定。另一個系統(tǒng)可以使用機車上的(各)轉(zhuǎn)速計和與參考點的距離計算。如在先討論的，無線通信系統(tǒng)47還可以被提供以在列車之間和/或與如分派站的遠端位置通信。關(guān)于行進位置的信息還可以被從其它列車通過通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。
軌道特征化元件33提供有關(guān)軌道的信息，主要是坡度、海拔和曲率信息。軌道特征化元件33可以包括車載軌道積分數(shù)據(jù)庫36。傳感器38測量由機車42施加的牽引力40、機車組42的扼止設置、機車組42配置信息、機車組42的速度、各個機車配置信息、各個機車容量等。在示范性實施例中，機車42配置信息可以不使用傳感器38加載，但是由如上所討論的其它方法輸入。而且，在機組中的各機車的健康也可以考慮。例如，如果在機組中的一個機車不能夠在動力擋位級別5以上工作，則該信息在優(yōu)化旅程計劃時被使用。
來自定位器元件的信息還可以被用來確定列車31的適合的到達時間。例如，如果存在沿著軌道34朝向目的地運動的列車31并且沒有列車尾隨其后，并且列車沒有固定的到達期限要滿足，則定位器元件(包括但不限于射頻自動設備標識(RF AEI)標簽、分派站和/或基于視頻的決定)可以被用來確定列車31的準確位置。而且，來自這些信令系統(tǒng)的輸入可以被用來調(diào)整列車速度。使用下面討論的車載軌道數(shù)據(jù)庫和如GPS的定位器元件，本發(fā)明的示例可以調(diào)整操作者界面以反映在給定的機車位置處的信令系統(tǒng)狀態(tài)。在信號狀態(tài)指示限制性速度提前的情形中，計劃員可以選擇以使列車變慢來節(jié)約燃料消耗。
來自定位器元件30的信息還可以被用來將計劃目標改變?yōu)榈侥康牡氐木嚯x的函數(shù)。例如，由于關(guān)于沿路途的堵塞無可避免的不確定性，在路途早先部分的“較快”時間目標可以被采用作為預防隨后統(tǒng)計上發(fā)生的延遲的對策。如果在特定旅程上這樣的延遲不出現(xiàn)，則在旅程的較晚部分的目標可以被修改以利用較早被堆積的內(nèi)置的松馳(slack)時間，并且由此恢復某些燃料效率。類似策略可以相對于排放限制性目標(例如，當進入城區(qū)時使用的排放約束)而被調(diào)用。
作為預防策略的示例，如果旅程計劃從紐約到芝加哥，則系統(tǒng)可以提供選擇在旅程的開始、在旅程的中途或在旅程的末尾操作列車變慢。本發(fā)明的示例優(yōu)化旅程計劃以在旅程的末尾允許變慢操作，因為未知約束(如但不限于天氣狀況、軌道維護等)可能在旅程期間出現(xiàn)并且變?yōu)橐阎?。作為另一個考慮，如果傳統(tǒng)堵塞的區(qū)域已知，則可以在這些區(qū)域周圍增加駕駛的靈活性的選擇的情況下展開計劃。因此，本發(fā)明的示例還可以在將來和/或基于已知/過去的經(jīng)驗考慮將加權(quán)/補償作為時間/距離的函數(shù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認識到，考慮天氣狀況、軌道狀況、在軌道上的其它列車的這樣的計劃和重新計劃可以在旅程期間的任何時候考慮，其中旅程計劃被相應地調(diào)整。
圖3還公開可以作為本發(fā)明的示例的部分的其它元素。處理器44操作以接收來自定位器元件30、軌道特征化元件33和傳感器38的信息。算法46在處理器44內(nèi)工作。算法46基于包含機車42、列車31、軌道34和在此描述的任務的目標的參數(shù)計算優(yōu)化的旅程計劃。在示范性實施例中，基于列車31沿著軌道34移動的列車行為的模型，在簡化算法中提供的假設的情況下，按從可應用的物理學導出的非線性微分方程的解，建立旅程計劃。算法46從定位器元件30、軌道特征化元件33和/或傳感器38訪問信息，以創(chuàng)建最小化機車組42的燃料消耗、最小化機車組42的排放、建立希望的旅程時間和/或確保在機車組42上的合適的機務人員操作時間的旅程計劃。在示范性實施例中，還提供了驅(qū)動器或控制器元件51。如在此討論的，控制器元件51可以在它遵循旅程計劃時控制列車。在此進一步討論的示范性實施例中，控制器元件51自主作出列車操作決定。在另一個示范性實施例中，操作者可涉及按他的判斷指導列車遵循或者偏離旅程計劃。
在本發(fā)明的一個實施例中，旅程計劃在計劃正在被執(zhí)行可被實時修改。這包括由于旅程計劃優(yōu)化算法的復雜性創(chuàng)建長距離旅程的初始計劃。當旅程概況的總長度超過給定距離時，算法46可以被用來通過將任務分成各中途點而將任務分段。盡管僅僅算法46被討論，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認識到，多于一個的算法可以被使用并且這些多個算法被鏈接以創(chuàng)建旅程計劃。
旅程中途點可以包括列車31停止的自然位置，如但不局限于用于與相反的交通相遇或用于讓目前的列車后面的列車通過的單個干線側(cè)線、車場側(cè)線、汽車停靠(pick up)和起程(set out)的工業(yè)支線、以及計劃的維護工作的場所。在這樣的中途點，列車31可以被要求處于按調(diào)度時間的位置、?？炕蛘咴谥付ǚ秶杆僖苿?。在中途點從到達到離開的時間持續(xù)被稱作為逗留時間。
在示范性實施例中，本發(fā)明能夠?qū)⑤^長的旅程按照系統(tǒng)過程分成更小的分段。每個分段可以是任意長度，但是典型地在自然場所(如車站或明顯的速度限制區(qū))、或在定義與其它路徑交匯的關(guān)鍵的中途點或里程碑挑選。給定用此方法選擇的分區(qū)或分段，則如圖4所示，如下面要詳細討論的，對作為取作獨立變量的到達時間的函數(shù)的軌道的每個分段創(chuàng)建駕駛概況。與每個分段相關(guān)聯(lián)的所用燃料/行進時間折中可以在列車31到達軌道的該分段之前被計算。總旅程計劃因此可從為每個分段創(chuàng)建的駕駛概況創(chuàng)建。本發(fā)明的示例最優(yōu)地在旅程的所有分段中分布到達時間，使得需要的總旅程時間被滿足，并且在所有分段上消耗的總?cè)剂媳蛔钚』?。示范性?個分段旅程在圖6被公開并且在下文討論。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員認識到，盡管討論分段，但是旅程計劃可以包括表示全部旅程的單個分段。
圖4描述了燃料使用/旅程數(shù)據(jù)曲線的示范性實施例。正如前面提到的，在對每個分段的各個行進時間計算最優(yōu)旅程概況時創(chuàng)建這樣的曲線50。即，對于給定的旅程時間51，使用的燃料52是按照如上計算的詳細駕駛概況的結(jié)果。一旦對于每個分段的旅程時間被分配，就從在先計算的解為每個分段確定動力/速度計劃。如果在各分段之間存在任何中途點速度約束(如但不局限于速度變化限制)，則它們在創(chuàng)建最優(yōu)旅程概況期間是匹配的。如果速度限制僅僅在單個分段內(nèi)變化，則對于僅僅改變的分段必須重新計算燃料使用/旅程時間曲線50。該過程減少旅程為重新計算旅程中更多部分或分段要求的時間。如果機車組或列車沿著路徑顯著變化，例如機車喪失或鐵路車廂的停靠或起程，則對于所有隨后分段的駕駛概況必須被重新計算，創(chuàng)建新的曲線示例50。這些新的曲線50接著與新的調(diào)度目標一起被使用以計劃剩余的旅程。
一旦如上所討論地創(chuàng)建旅程計劃時，速度和動力對距離的軌跡允許列車在要求的旅程時間用最小值的燃料或排放到達目的地。存在幾種技術(shù)用于執(zhí)行旅程計劃。如在下面更詳細提供的，在教練模式的一個示范性實施例中，本發(fā)明的示例顯示控制信息給操作者。操作者遵循該信息以實現(xiàn)要求的動力和速度，如按照最優(yōu)旅程計劃確定的。因此用此模式，操作者被提供有在駕駛列車時使用的操作建議。在另一個示范性實施例中，用于加速列車或維持恒定速度的控制動作由本發(fā)明的各示例執(zhí)行。然而，當列車31必須變慢時，操作者通過控制制動系統(tǒng)52負責施加制動。在另一個示范性實施例中，本發(fā)明按需要命令動力和制動動作以遵循希望的速度距離路徑。
反饋控制策略被用來校正在概況中的動力控制序列以解決這樣的事件，如但不局限于由波動的逆風和/或順風引起的列車負載變化。與在優(yōu)化旅程計劃中的假設相比，另一這樣的誤差可以由列車參數(shù)的誤差引起，如但不局限于列車體積(mass)和/或拖動。第三類型的誤差可以由于軌道數(shù)據(jù)庫36的不正確信息引起。另一個可能的誤差可以涉及由于機車引擎、電動機熱取消定額(deration)和/或其它因素的未建模的性能差異。反饋控制策略將作為位置的函數(shù)的實際速度與希望的最優(yōu)概況中的速度比較。基于該差異，對最優(yōu)動力概況的校正被添加以驅(qū)使實際速度朝向最優(yōu)概況。為了確保穩(wěn)定的調(diào)整，補償算法可以被提供用于濾波反饋速度成動力校正以確保閉環(huán)性能的穩(wěn)定性。補償可以包括由控制系統(tǒng)設計領(lǐng)域的技術(shù)人員使用的標準動態(tài)補償以滿足性能目標。
本發(fā)明的示例允許最簡單并且因此最快的手段來容納旅程目標的變化，這在鐵路操作中是規(guī)例而不是異常。在示范性實施例中，為了確定從點A到點B的燃料最優(yōu)旅程，其中沿線存在?？奎c，并且為了在旅程一旦已經(jīng)開始的情況更新旅程剩下的旅程，子最優(yōu)分解方法可以被用來求出最優(yōu)旅程概況。使用建模方法，計算方法可用指定行進時間和初始和最終速度求出旅程計劃，以在存在?？奎c時滿足所有速度限制和機車容量約束。盡管下面的討論貫注于優(yōu)化燃料使用，但是它還可以被適用于優(yōu)化其它因素，如但不局限于排放、調(diào)度、機務人員舒適和負載影響。該方法可以在開發(fā)旅程計劃的開始被使用，并且更重要的是適用于在啟動旅程之后的目標變化。
如在此討論的，本發(fā)明的示例可以采用如圖5所示的示范性流程圖中圖示、并且作為如圖6詳細描繪的示范性3個分段示例的設置。如圖示的，旅程可分成兩個分段或者多個分段，T1、T2和T3，盡管在此討論的，可以將計劃認為是單個分段。如在此討論的，分段邊界可能不導致相等長度的分段。相反，各分段使用自然的或任務指定的邊界。最優(yōu)旅程計劃對每個分段預先計算。如果燃料使用對旅程時間是要滿足的旅程目標，則燃料對旅程時間曲線對每個分段產(chǎn)生。如在此討論的，曲線可以基于其它因素，其中各因素是要滿足旅程計劃的目標。當旅程時間是正在確定的參數(shù)時，對于每個分段的旅程時間在滿足總體旅程時間約束的同時被計算。
圖6圖示旅程示范性3分段200英里旅程97的速度限制。還圖示了200英里旅程98上的坡度變化。還示出圖示行進時間上的旅程的每個分段使用的燃料的組合曲線99。
使用在先描述的優(yōu)化控制設置，本計算方法能夠用指定的行進時間和初始和最終速度求出旅程計劃，以在存在?？奎c時滿足所有速度限制和機車容量約束。盡管下面的詳細討論貫注于優(yōu)化燃料使用，但是它還可以被適用于優(yōu)化如在此討論的其它因素，如但不局限于排放。該方法可以容納在各?？奎c希望的逗留時間，并且考慮對例如在進入或者通過側(cè)線的時間很嚴格的單軌操作可能被要求的場所的最早到達和離開的約束。
本發(fā)明的示例求出在時間T行進的從距離D0至DM的燃料最優(yōu)旅程，在D1...，DM-1有M-1個中途停靠點，并且在這些?？奎c的到達和離開時間被下面約束 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分別是在第i?？奎c的到達、離開和最短?？繒r間。假定燃料優(yōu)化意味著最小化的?？繒r間，因此tdep(Di)＝tarr(Di)+Δti，其消除了上面第二不等式。假定對于每個i＝1，..M-1，在行進時間t(Tmin(i)≤t≤Tmax(i))從Di-1到Di的燃料最優(yōu)旅程是已知的。假設Fi(t)是對應于該旅程的燃料使用。如果從Dj-1到Dj的行進時間表示為Tj，則在Di的到達時間由下式給定 其中，Δt0被定義為0。對于行進時間T從D0到DM的燃料最優(yōu)旅程接著通過求Ti，i＝1，..M獲得，這使得下式被最小化 在下列的條件下 當旅程是地下通道時，問題是重新確定(開始在時間T從D0到DM)當旅程進行時旅程的剩余部分的燃料最優(yōu)解，但是其中干擾排除下面的燃料最優(yōu)解。假定目前的距離和速度分別是x和v，其中Di-1＜x≤Di。而且，假設自旅程的開始的目前時間是tact。接著對于保持在DM的最初到達時間的、從x到DM的剩余旅程的燃料最優(yōu)解通過求

Tj，j＝i+1，...M獲得，其使得下式最小化 在如下條件下 這里，

是在時間t、以在x處為v的初始速度行進的、從x到Di的最優(yōu)旅程使用的燃料。
如在此討論的，使得能夠更有效地重新計劃的示范性過程從分區(qū)的分段構(gòu)建了用于站到站旅程的最優(yōu)解。對于在行進時間Ti，從Di-1到Di的旅程，選擇一組中間點Dij，j＝1，...，Ni-1。假設Di0＝Di-1并且則從Di-1到Di的最優(yōu)旅程的燃料使用表達為 其中，fij(t，vi，j-1，vij)是以初始vi，j-1和最終速度vij、在時間t行進的從Di，j-1到Dij的最優(yōu)旅程的燃料使用。而且tij是對應于距離Dij的最優(yōu)旅程的時間。按照定義，因為列車在Di0和

停靠，所以 上面的表達式使得函數(shù)Fi(t)能夠替代地通過首先確定函數(shù)fij(·)，1≤j≤Ni、然后求出τij，1≤j≤Ni和vij，1≤j＜Ni來確定，其使得下式最小化 條件如下 vmin(i，j)≤vij≤vmax(i，j)j＝1，...，Ni-1 通過選擇Dij(例如，在速度限制或相遇點)，vmax(i，j)-vmin(i，j)可以被最小化，因此使得在fij()需要被已知的區(qū)域最小化。
基于上面的分區(qū)，比如上所述更簡單的子最優(yōu)重新計劃方法是限制重新計劃在列車處于距離點Dij，1≤i≤M，1≤j≤Ni時的時間。在點Dij，從Dij到DM的新的最優(yōu)旅程可通過求出τik，j＜k≤Ni，vik，j＜k＜Ni和τmn，i＜m≤M，1≤n≤Nm，vmn，i＜m≤M，1≤n＜Nm來確定，這使得下式最小化 條件是 其中 而且進一步的簡化通過等待對Tm，i＜m≤M的重新計算直到到達距離點Di來獲得。以此方式，在Di-1和Di之間的Dij點，上面的最小化僅僅需要在τik，j＜k≤Ni，vik，j＜k＜Ni上執(zhí)行。Ti按需要增加以容納任何比計劃更長的、從Di-1到Dij的實際行進時間。如果可能，通過在距離點Di重新計算Tm，i＜m≤M，該增加隨后被補償。
相對于如上所討論的閉環(huán)配置，從點A到點B移動列車31要求的總的輸入能量由四個分量的和組成，具體來說，在點A到點B之間的動能差；在點A到點B之間的勢能差；由于摩擦的能量損失和其它拖動損失；以及由制動的施加消耗的能量。假定開始和結(jié)束速度相等(例如，靜止)，則第一分量是0。而且，第二分量獨立于駕駛策略。因此，最小化最后兩個分量的和就足夠了。
接下來，恒定速度概況最小化拖動損失。接著，恒定速度概況還在制動不必維持恒定速度時最小化總能量輸入。然而，如果制動需要維持恒定速度，則施加制動僅僅維持恒定速度，將因為需要補充由制動消耗的能量而非?？赡茉黾涌偟囊蟮哪芰?。存在這樣的可能性如果附加的制動損失比偏置多出由制動引起的拖動損失的結(jié)果減少，則通過減少速度變化某些制動可能實際上減少總的能量使用。
在從如上所述的事件集合完成重新計劃之后，使用在此描述的閉環(huán)控制可以接著進行新的最優(yōu)擋位/速度計劃。然而，在可能不存在足夠時間執(zhí)行如上所述的分段分解計劃的某些情形中，并且尤其是當存在必須被考慮的苛刻的速度限制時，替代方案可能是優(yōu)選的。本發(fā)明的示例用所謂“智能巡航控制”算法實現(xiàn)它。智能巡航控制算法是用于在運行中產(chǎn)生在已知地形上駕駛列車31的能量有效(因此燃料有效)子最優(yōu)規(guī)定的有效過程。該算法假定任何時候都知道列車31沿軌道34的位置并且還知道坡度和軌道對位置的曲率。該方法依靠列車31的運動的點塊(point-mass)模型，其參數(shù)可以從前面描述的列車運動的在線測量自適應估計。
該智能巡航控制算法具有3個主要分量，具體來說，修改的速度限制概況，其用作圍繞速度限制下降的能量有效的指導；理想扼止或動態(tài)制動設置概況，其試圖平衡最小化速度變化和制動；以及一機制，用于組合后兩個分量以產(chǎn)生擋位命令、采用速度反饋環(huán)路以補償當與現(xiàn)實參數(shù)比較時的模型參數(shù)的失配。智能巡航控制可在本發(fā)明的示例容納各策略，而沒有激活的制動(即駕駛者被信號通知并且假定提供旅程必要的制動)或提供激活的制動的變體。
相對于不控制動態(tài)制動的智能巡航控制算法，3個示范性分量是修改的速度限制概況，其用于在速度限制下降周圍的能量有效的指導；通知信號，用于通知操作者何時制動應該被激活；理想的扼止概況，其試圖平衡最小化速度變化、并且通知操作者施加制動；和采用反饋回路以補償現(xiàn)實參數(shù)與模型參數(shù)的失配的機制。
本發(fā)明的示例中還包括用于識別列車31的關(guān)鍵參數(shù)值的方法。例如，相對于估計列車塊，卡爾曼濾波器和遞歸的最小平方方法可以被用來檢測可能在時間上展開的誤差。
圖7描述旅程用于旅程優(yōu)化的示范性流程圖。如前面討論的，遠端設施(如分派中心60)能夠提供用于由本發(fā)明的示例使用的信息。如圖示的，這樣的信息被提供給執(zhí)行控制元件62。還將機車建模信息數(shù)據(jù)庫63、軌道信息數(shù)據(jù)庫36(如但不局限于軌道坡度信息和速度限制信息)、估計的列車參數(shù)(如但不局限于列車重量和拖動系數(shù))以及來自燃料速率估計器64的燃料速率表提供給執(zhí)行控制元件62。執(zhí)行控制元件62提供信息給計劃器12，這在圖1更詳細地公開。當旅程計劃已經(jīng)被計算時，該計劃被提供給駕駛建議器、駕駛者或控制器元件51。旅程計劃還被提供給執(zhí)行控制元件62，使得它能夠在其它新數(shù)據(jù)被提供時比較旅程。
如上所討論的，駕駛建議器51能夠自動設置擋位動力，預先設立的擋位設置或最佳連續(xù)擋位動力值。除了提供速度命令給機車31外，顯示器68被提供，使得操作者能夠觀察計劃器已經(jīng)推薦了什么。操作者還訪問控制面板69。通過控制面板69操作者能夠決定是否施加推薦的擋位動力。為此，操作者可以限制目標的或推薦的動力。也就是說，在任何時候，操作者總是對機車組的操作的動力設置具有最終權(quán)威，包括如果旅程計劃推薦變慢列車31是否施加制動。例如，如果在黑暗地形操作，或在來自路旁設備的信息不能夠電子地發(fā)送信息到列車、并且替代地操作者從路旁設備觀看視覺信號的情形，則操作者基于包含在軌道數(shù)據(jù)庫中的信息和來自路旁設備的視覺信號輸入命令。基于列車31如何作用，有關(guān)燃料測量的信息被提供給燃料速率估計器64。因為直接的燃料流動的測量在機車組中典型地不可用，因此所有信息使用校準的物理模型，如在開發(fā)最優(yōu)計劃中使用的那些，該信息關(guān)于如果遵循最優(yōu)計劃，則關(guān)于到旅程中和對未來的計劃的點消耗的燃料。例如，這樣的預側(cè)可以包括但不局限于測量的總的馬力的使用和已知的燃料特性，以得出使用的累積燃料。
如在此討論的，列車31還具有定位器設備30，如GPS傳感器。信息被提供給列車參數(shù)估計器65。這樣的信息可以包括但不限于GPS傳感器數(shù)據(jù)、牽引/制動力數(shù)據(jù)、制動狀態(tài)數(shù)據(jù)、速度和速度數(shù)據(jù)的任何變化。利用關(guān)于坡度的信息和速度限制信息，列車重量和拖動系數(shù)信息被提供給執(zhí)行控制元件62。
本發(fā)明的示例還可以允許貫穿優(yōu)化計劃和公開的環(huán)路控制實現(xiàn)中使用連續(xù)可變動力。在傳統(tǒng)的機車中，動力典型地被量化到8個離散級別?，F(xiàn)代的機車可以實現(xiàn)可以被并入前面描述的優(yōu)化方法的馬力的連續(xù)變化。利用連續(xù)動力，機車42能夠進一步優(yōu)化操作條件，如通過最小化輔助負載和動力傳輸損失，以及精細調(diào)諧最佳效率的馬力區(qū)域或到增加的排放余量的各點。示例包括但不限于最小化冷卻系統(tǒng)損失、調(diào)整交流發(fā)電機電壓、調(diào)整引擎速度，以及減少動力軸承的數(shù)量；而且，機車42可以使用車載軌道數(shù)據(jù)庫36和預報的性能要求以最小化輔助負載和動力傳輸損失，以為目標燃料消耗/排放提供最佳效率。示例包括但不限于在平坦地形減少動力軸承的數(shù)量并且在進入隧道之前預冷卻機車引擎。
本發(fā)明的示例還可以使用車載軌道數(shù)據(jù)庫36和預報的性能以調(diào)整機車性能，如確保當列車接近山和/或隧道時有足夠的速度。例如，這可能被表達為在特定位置的速度約束，其變?yōu)榻鉀Q等式(OP)創(chuàng)建的最佳計劃產(chǎn)生的部分。而且，本發(fā)明的示例可以合并列車處理規(guī)則，如但不局限于牽引力斜坡速率和最大值制動力斜坡速率。這些可以直接并入最優(yōu)旅程概況公式，或者替代地并入用于控制實現(xiàn)目標速度的動力施加的閉環(huán)調(diào)整器。
在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明僅僅在列車組的機頭機車安裝。即使本發(fā)明的示例不依賴于數(shù)據(jù)或者與其它機車交互，它也可能集成有機組管理器(如在美國專利No.6,691,957和專利申請No.10/429,596中所公開的(兩者由轉(zhuǎn)讓人擁有并且通過引用并入))功能和/或用于改善效率的機組優(yōu)化器功能。如由在此描述的裁定兩個“獨立優(yōu)化的”列車的分派的示例所述，與多個列車的交互沒有被排除。
本發(fā)明的示例可以與機組使用，其中機車例如不與列車前部的一個或多個機車、中間和后面的其他機車連續(xù)。這樣的配置被稱作為分布式動力，其中在各機車之間的標準連接由無線鏈路或輔助電纜代替以在外部鏈接機車。當以分布式動力操作時，在機頭機車中的操作者能夠經(jīng)由控制系統(tǒng)(如分布式動力控制元件)控制在機組中的遠端機車的操作功能。具體來說，當以分布式動力操作時，操作者能夠命令每個機車組以不同的擋位動力級別操作(或一個機組可以在監(jiān)視而其它的機組可以在制動)，其中在機車組中的每個個體以同一擋位動力操作。
具有分布式動力系統(tǒng)的列車能夠以不同模式操作。在一個模式中，在列車中的所有機車在同一擋位命令下操作。如果機頭機車正在命令在擋位N8監(jiān)視，則在列車中的所有單元被命令產(chǎn)生在擋位N8監(jiān)視。在“獨立”控制模式中，機車或貫穿列車分布的機車組可以以不同的監(jiān)視或制動動力操作。例如，當列車到達山頂時，(在山的下坡上的)機頭機車可以被放置在制動模式，而在列車中間或末尾的機車(在上的上坡上)可以處于監(jiān)視中。這樣做以最小化連接鐵路車廂和機車的機械耦合器的張力。傳統(tǒng)地，以“獨立”模式操作分布式動力系統(tǒng)要求操作者經(jīng)由機頭機車中的顯示器手動命令每個遠端機車或機車組。使用基于物理的計劃模型、列車設置信息、車載軌道數(shù)據(jù)庫、車載操作規(guī)則、位置確定系統(tǒng)、實時閉環(huán)動力/制動控制、和傳感器反饋，該系統(tǒng)能夠自動以“獨立”模式操作分布式動力的列車。
當以分布式動力操作時，在機頭機車中的操作者能夠經(jīng)由如分布式動力控制元件的控制系統(tǒng)，控制遠端機組中的遠端機車的操作功能。因此，當以分布式動力操作時，操作者能夠命令每個機車組以不同的擋位動力級別(或一個機組可以在監(jiān)視而其它機組可以在制動)操作，其中在機車組中的每個單個機車以同一擋位動力操作。在示范性實施例中，利用安裝在列車上的本發(fā)明，優(yōu)選地與分布式動力控制元件通信，當遠端的機車組的擋位動力級別被希望為由優(yōu)化旅程計劃推薦的時，本發(fā)明的示例將該動力設置通信給用于實現(xiàn)的遠端機車組。如在下文討論的，制動應用被類似地實現(xiàn)。
當以分布式動力操作時，前面描述的優(yōu)化問題可以被增強以允許其它的自由度，因為每個遠端單元可以與機頭單元獨立地被控制。它的價值在于假定反映該準備就緒力(in-train force)的模型也被包括，則與準備就緒力相關(guān)的其它目標或約束可以被并入性能函數(shù)。因此本發(fā)明的示例可以包括使用多個扼止控制以便更好管理準備就緒力以及燃料消耗和排放。
在使用機組管理器的列車中，在機車組中的機頭機車可以以與該機組中的其它機車不同的擋位動力設置操作。在該機組中其它機車以相同的擋位動力設置操作。本發(fā)明的示例可以結(jié)合機組管理器利用，以命令在所述機組中的機車的擋位動力設置。因此，基于本發(fā)明的示例，因為機組管理器將機車組劃分成兩個組機頭機車和機尾機車，所以該機頭機車將被命令以某個擋位動力操作，而機尾機車可以被命令以不同擋位動力操作。在示范性實施例中，分布式動力控制元件可以是其中執(zhí)行這種操作的系統(tǒng)/裝置。
同樣，當機組優(yōu)化器與機車組一起使用時，本發(fā)明的示例可以結(jié)合機組優(yōu)化器一起使用，以確定在機車組中的每個機車的擋位動力。例如，假設旅程計劃為機車組推薦4個擋位動力設置。基于列車的位置，機組優(yōu)化器將采用該信息，接著確定在機組中的每個機車的擋位動力設置。在此實現(xiàn)中，設置在列車內(nèi)部通信通道上的擋位動力設置的效率被改進。而且，如在此討論的，該配置的實現(xiàn)可以利用分布式控制系統(tǒng)執(zhí)行。
而且，如前面討論的，本發(fā)明的示例可以相對于基于感興趣的即將發(fā)生的項目(如但不局限于鐵路道口、坡度變化、接近側(cè)線、接近車站和、接近燃料站)列車組何時使用制動，來用于連續(xù)校正和重新計劃，其中在機組中的每個機車可能要求不同的制動選項。例如，如果列車正翻越山丘，則機頭機車可能必須進入制動狀況，而遠端的機車卻沒有。
圖8、9和10描述用于由操作者使用的動態(tài)顯示器的示范性圖示。圖8圖示提供的旅程概況72。在該概況中指示機車的位置73。如在列車中的列車長度105和車廂106的數(shù)量的信息被提供。還提供有關(guān)軌道坡度107、曲線和路旁元件108的元件，包括橋梁位置109和列車速度110。顯示器68允許操作者觀看該信息并且還看到列車在沿途的何處。關(guān)于到如岔道112的位置的距離和/或估計的到達時間、信號114、速度變化116、路標118和目的地120的信息被提供。到達時間管理工具125還被提供以允許用戶確定在旅程期間實現(xiàn)的燃料節(jié)約。操作者有能力改變到達時間127并且目擊它如何影響燃料節(jié)約。如在此討論的，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，燃料節(jié)約是能夠用管理工具檢查的僅僅一個目標的示范性實施例。因此，取決于正在被觀看的參數(shù)，在此討論的其它參數(shù)可以被觀察并且用對操作者可見的管理工具評估。操作者還被提供有關(guān)于機務人員已經(jīng)操作列車的時間持續(xù)期的信息。在示范性實施例中，時間和距離信息可以被圖示為直到具體的事件和/或位置的時間和/或距離或它可能提供總的經(jīng)過時間。
如在圖9圖示的，示范性顯示器提供有關(guān)機組數(shù)據(jù)130、事件和地勢圖132、到達時間管理工具134和動作關(guān)鍵(key)136的信息。如上文討論的類似信息也在該顯示器中被提供。該顯示器68還提供動作關(guān)鍵138以允許操作者重新計劃以及脫離140本發(fā)明的示例。
圖10描述顯示器的另一個示范性實施例。用于現(xiàn)代機車的典型信息(包括氣動制動狀態(tài)72、帶有數(shù)字插口的模擬速度儀，和有關(guān)以磅的力的牽引力的信息(或?qū)τ贒C機車的牽引amp))是可見的。指示器74顯示在正在被執(zhí)行的計劃中的目前最佳速度、以及用于補充以mph/分鐘讀出的加速度儀圖形。對于最佳計劃執(zhí)行的重要的新數(shù)據(jù)處于屏幕的中心，包括滾動帶狀記錄圖形(strip graphic)76，其具有與這些變量的目前歷史相比的最佳速度和擋位設置對距離。在該示范性實施例中，列車的位置利用定位器元件獲得。如圖示，位置通過標識列車距它的最終目的地有多遠、絕對位置、初始目的地、中途點和/或操作者輸入提供。
帶狀記錄圖提供了服從最優(yōu)計劃所需的速度變化的預測，這在手動控制中是有用的，并且在自動控制期間監(jiān)視計劃對實際。如在此討論的，如當在進站模式中時，操作者可以遵循本發(fā)明的示例推薦的擋位或速度。垂直條給出希望和實際擋位的圖，其還被數(shù)字地顯示在帶狀記錄圖的下面。當連續(xù)的擋位動力被利用時，如上所討論的，顯示器將簡單地繞到最接近的離散等價物，該顯示器可以是模擬顯示器，使得模擬等價物或百分比或?qū)嶋H馬力/牽引力被顯示。
關(guān)于旅程狀態(tài)的關(guān)鍵信息被顯示在屏幕上，并且顯示列車由機頭機車沿著列車的其它位置或在列車長度上的平均正在遭遇的目前的坡度88。在計劃90中行進累積的距離、累積使用的燃料92、按計劃到下一站的位置或距離94、以及目前和設計的在下一站的到達時間96也被公開。顯示器68還顯示按可用的計算計劃到達目的地的最大可能時間。如果要求較晚的到達，則執(zhí)行重新計劃。delta計劃數(shù)據(jù)顯示用于目前最優(yōu)計劃之前或之后的燃料和調(diào)度的狀態(tài)。負數(shù)意味著與計劃相比較少的燃料或更早，正數(shù)意味著與計劃相比較多的燃料或較晚。典型地，這些參數(shù)在相反方向上折中(慢下來以節(jié)約燃料使得列車晚點，或者反過來)。
這些顯示器68一直給操作者關(guān)于旅程狀態(tài)相對于目前構(gòu)成駕駛計劃的快照(snapshot)。該顯示僅僅用于解釋目的，盡管存在許多其它方法顯示/傳輸信息給操作者和/或分派站。為此，上面公開的信息的任何其它項可以被添加來顯示以提供與所公開的不同的顯示。
可以包括在本發(fā)明的示例中的其它的特征包括但不限于產(chǎn)生數(shù)據(jù)日志和報告。該信息可以被存儲在列車上或者下載到車外系統(tǒng)。下載可以通過手動和/或無線傳輸發(fā)生。該信息還可以經(jīng)由機車顯示器由操作者可觀看。該數(shù)據(jù)可以包括信息，如但不局限于操作者輸入，時間系統(tǒng)是可操作的、節(jié)約的燃料、燃料在列車中的機車之間的不平衡、列車旅程不在規(guī)定的過程中以及系統(tǒng)診斷問題，如GPS傳感器故障。
因為旅程計劃還必須考慮可允許的機務人員操作時間，所以本發(fā)明的示例可以考慮這樣的信息來計劃旅程。例如，如果機務人員可以操作的最大值時間是8小時，則旅程可以是包括為新的機務人員替換目前的機務人員的停靠位置的方式。這樣指定的?？课恢每梢园ǖ幌抻阼F路修理廠、相遇/通行位置等。如果，當列車前進時，旅程時間可能超過，則本發(fā)明的示例可以由操作者不考慮(overrideen)以按操作者決定滿足其它標準。最后，不管列車的操作狀況，如但不局限于高負載、低速、列車彎曲狀況等，操作者仍然控制以命令列車的安全速度和/或操作狀況。
使用本發(fā)明的示范性實施例，列車可以以多個不同可操作概念操作。在一個可操作的概念中，本發(fā)明的示例提供命令以命令推進和動態(tài)制動。操作者操縱所有其它列車功能。在另一個可操作概念中，本發(fā)明的示例提供僅用于命令推進的命令。操作者操縱動態(tài)制動和所有其它列車功能。在另一個可操作概念中，本發(fā)明的示例提供用于命令推進、動態(tài)制動和施加氣動制動的命令。操作者操縱所有其他列車功能。
本發(fā)明的示例還可以通知操作者即將來臨的感興趣的項目或要采取的操作，如本發(fā)明的示例的預測邏輯、對優(yōu)化的旅程計劃、軌道數(shù)據(jù)庫的連續(xù)校正和重新計劃。操作者還可以被通知即將來臨的道口、信號、坡度變化、制動操作、側(cè)線、鐵路修理廠、燃料站等。這些通知可以聽覺地和/或通過操作者界面發(fā)生。
具體來說，使用基于物理學的計劃模型，列車設置信息、車載軌道數(shù)據(jù)庫、車載操作規(guī)則、位置確定系統(tǒng)、實時閉環(huán)動力/制動控制和傳感器反饋，本系統(tǒng)提供和/或通知操作者要求的操作。該通知可以是視覺的和/或聽覺的。示例包括通知要求操作者啟動機車喇叭和/或鐘聲的道口、以及不要求操作者啟動機車喇叭的“沉默”道口。
在另一個示范性實施例中，使用基于如上所討論的物理學的計劃模型，列車設置信息、車載軌道數(shù)據(jù)庫、車載操作規(guī)則、位置確定系統(tǒng)、實時閉環(huán)動力/制動控制和傳感器反饋，本發(fā)明的示例可提供操作者允許操作者看到何時列車將到達各個位置的操作者信息(例如，在顯示器上的量表)，如圖9所示的。該系統(tǒng)允許操作者調(diào)整旅程計劃(目標到達時間)。該信息(實際估計的到達時間或需要車外得到的信息)還可以被通信給分派中心，以允許分派員或分派系統(tǒng)調(diào)整目標到達時間。這允許系統(tǒng)快速調(diào)整和優(yōu)化適合的目標函數(shù)(例如，折中速度和燃料使用)。
基于上面提供的信息，本發(fā)明的示范性實施例可以被用來確定列車31在軌道上的位置，步驟18。軌道特性的確定還可以被例如通過使用列車參數(shù)估計器65實現(xiàn)。旅程計劃可以基于列車的位置、軌道的特性和列車的至少一個機車的操作狀況創(chuàng)建。而且，最優(yōu)動力要求可以被通信給列車，其中列車操作者可以如通過無線通信系統(tǒng)47按照最優(yōu)管理貫注于機車、機車組和/或列車。在貫注列車操作者的另一個示例中，列車31、機車組18和/或機車可以基于最優(yōu)動力設置自動操作。
另外，方法還可以涉及基于旅程計劃對于機車組18確定動力設置或動力命令14。機車組18接著以動力設置操作。列車和/或機車組的操作參數(shù)可以被收集，如但不局限于列車的實際速度、機車組的實際動力設置和列車的位置。這些參數(shù)的至少一個可以與機車組被命令操作的所述動力設置相比。
在另一個實施例中，方法可以涉及確定列車和/或機車組的可操作參數(shù)62。希望的可操作參數(shù)基于確定的可操作參數(shù)確定。該確定的參數(shù)與可操作參數(shù)比較。如果差異被檢測到，則調(diào)整旅程計劃，步驟24。
另一個實施例可能需要方法，其中列車31在軌道34上的位置被確定。軌道34的特性也被確定。旅程計劃或駕駛計劃被開發(fā)或者產(chǎn)生，以便最小化燃料消耗。旅程計劃可以基于列車的位置、軌道的特性和/或機車組18和/或列車31的操作狀況產(chǎn)生。在類似的方法中，當列車在軌道上的位置被確定并且軌道的特性已知時，推進控制和/或擋位命令被提供以優(yōu)化燃料消耗。
盡管下面的描述公開旅程響應于旅程優(yōu)化器執(zhí)行的數(shù)據(jù)庫增加，利用旅程優(yōu)化的數(shù)據(jù)庫增加也沒必要必須發(fā)生。因此，旅程優(yōu)化計劃不必基于增加的數(shù)據(jù)庫更新。相反，增加的數(shù)據(jù)庫可以被用于未來的優(yōu)化旅程計劃。
如上面討論的，各種旅程優(yōu)化器算法使用軌道和/或列車(在此軌道/列車)(在一個實施例中存儲在圖7的數(shù)據(jù)庫63中的)信息，以在各個軌道分段上計劃優(yōu)化的旅程，在包括若干軌道分段的軌道路徑上集中形成優(yōu)化的旅程計劃。該算法確定列車速度軌跡并且在閉環(huán)的實施例中按照該軌跡控制列車?；蛘?，優(yōu)化器建議操作者在旅程期間希望的最優(yōu)速度軌跡、允許操作者按照提供的軌跡控制列車。然而，操作者可能意識到驅(qū)使他偏離提供的優(yōu)化軌跡的可操作狀況。
按照本發(fā)明的一個實施例，包括特征化軌道的元件的軌道數(shù)據(jù)庫信息被更新，并且被并入到計劃調(diào)整過程(如由圖1的塊26表示的)，和/或并入重新計劃過程(如由圖1的塊24表示的)以改進優(yōu)化結(jié)果。調(diào)整的計劃或新的計劃改進旅程機車的燃料效率(或按照本發(fā)明的示例的旅程優(yōu)化器被優(yōu)化的另一個參數(shù))，以實現(xiàn)列車或鐵路網(wǎng)絡的可操作的益處或節(jié)約。
軌道特征化信息包括被允許的速度、速度限制、軌道坡度、軌道年齡、軌道狀況、天氣狀況等，進一步包括影響在軌道上推動機車或停止機車(例如，軌道摩擦系數(shù))的任何軌道信息。
列車數(shù)據(jù)還可以被存儲在數(shù)據(jù)庫63中。例如，當列車穿過軌道分段時它施加的牽引力和制動力可以被確定并且存儲在數(shù)據(jù)庫63中，用于由優(yōu)化器算法應用來產(chǎn)生速度軌跡。例如，如果列車由于軌道問題在軌道上的特定位置慢下來，則旅程優(yōu)化器可以相應地在受影響的軌道上在隨后的旅程期間，在同一區(qū)域變慢列車。該旅程優(yōu)化器由此創(chuàng)建更實際的并且按照沿著軌道分段實際列車操作的計劃?；蛘?，旅程優(yōu)化器可以考慮這一點并且相應地計劃，或者為了將來的應用校正軌道數(shù)據(jù)庫。
在軌道問題被解決之后，穿過受影響的軌道的列車將確定問題已經(jīng)被解決，相應地更新其數(shù)據(jù)庫，并且將更新的軌道信息提供給被調(diào)度穿越該軌道分段的其它列車和/或遠端的中心庫，從這里，被更新的軌道信息能夠被用來產(chǎn)生用于其它計劃的優(yōu)化的旅程計劃。該旅程優(yōu)化器能夠接著優(yōu)化在該軌道分段上的旅程，而沒有由該被破壞的軌道引起的約束。
按照本發(fā)明的示范性實施例，更新的或者更近的軌道特征化信息被存儲在數(shù)據(jù)庫63中，并且被提供給旅程優(yōu)化器算法以更新和改進軌道數(shù)據(jù)庫的精確度。例如，存儲在數(shù)據(jù)庫63中的軌道海拔信息可以包括隨著在兩個連續(xù)的維度數(shù)據(jù)點之間插入的海拔值、在預定場合實際的海拔測量，如但不局限于特定的距離，如每英里、每個點的坡度變化和/或每次軌道曲率變化。為了改進海拔信息的精確度并且避免插入的估計，按照本發(fā)明的一個實施例，如由GPS(全球定位系統(tǒng))位置信息確定的位置信息(包括地理位置和在該位置的海拔)被確定并且被提供給數(shù)據(jù)庫63。該信息能夠在列車穿越軌道分段時實時收集并且直接更新到數(shù)據(jù)庫63。該信息還能夠由列車工作人員(例如，軌道維護人員)收集，并且被提供給中心庫以便最后加載到數(shù)據(jù)庫63，或者被提供給任何數(shù)據(jù)庫，從該數(shù)據(jù)庫在上面討論的算法提取軌道信息以計算最優(yōu)旅程軌跡。所改進的海拔信息應該產(chǎn)生更精確并且因此更有效的速度軌跡，改進旅程列車的燃料效率。
在本發(fā)明的另一個實施例中，在機車、鐵路車廂或列車末尾的設備上安裝的各種傳感器讀出這些軌道有關(guān)狀況，并且提供有關(guān)讀出的狀態(tài)的數(shù)據(jù)用于存儲在數(shù)據(jù)庫63中。例如，在機車上安裝的視頻或靜態(tài)照相機收集軌道數(shù)據(jù)用于隨后的分析和解釋。分析的結(jié)果被上載到穿越軌道分段的任何列車的數(shù)據(jù)庫63。
更新的軌道信息能夠如但不局限于通過收集該信息的列車被本地使用，以實時修訂執(zhí)行的旅程計劃。該信息還可以被上載到其它列車或中心庫，以便與后來將穿越軌道分段的其它列車的優(yōu)化的旅程計劃結(jié)合使用。
由穿越該軌道分段的多個列車提供的更新信息可能被聚積以用于創(chuàng)建將來旅程計劃。該聚積的數(shù)據(jù)還能夠分析趨勢或者可能的狀況。例如，如果軌道信息指示特定的軌道分段的特定的時間間隔上的某些可能的天氣狀況，則在創(chuàng)建在特定時間間隔期間對該軌道分段的旅程計劃時，旅程優(yōu)化過程和算法能夠考慮這些天氣/季節(jié)狀況的影響。盡管天氣狀況可能與在列車實際上穿越該軌道分段時希望的狀況不同，但是旅程優(yōu)化器已經(jīng)優(yōu)化在感興趣的時間間隔期間在該分段上的大多數(shù)的旅程。
在另一個實施例中，牽引力、制動力、慣性和/或速度被用來確定軌道坡度。在任何檔位位置(包括檔位空閑位置)，列車速度的變化率受拖動和軌道坡度影響。為了確定軌道坡度，速度的變化率被確定并且與希望的速度變化比較。失配指示假設的軌道坡度不正確。
為統(tǒng)計顯著并且為確認由于傳感器誤差或其它噪聲參數(shù)(如風/拖動)誤差由于估計產(chǎn)生，該失配可能用多個列車確認。任何偏離希望/設計可能意味著假設的列車參數(shù)(重量、拖動和長度等)和/或軌道參數(shù)(坡度、曲率等)不正確。如果假設錯誤的列車參數(shù)將一般來說貫穿旅程或在旅程的顯著部分表現(xiàn)出來；而軌道參數(shù)失配通常僅僅在失配的各點表現(xiàn)出來。軌道參數(shù)失配確定可以增強其余的旅程性能或者可以被使用來校正未來的旅程是否存在一致的失配。無論何時列車參數(shù)誤差被確定，它都可能被用于其它的旅程。然而如果例如對特定類型的所有列車的拖動系數(shù)假定是錯誤的，則對該類型的每個列車的未來計劃可以被校正。
慣性值能夠被假設觀察旅程是恒定的，因此列車性能信息能夠確認是否該慣性值是正確的，被假設的慣性能夠被用于軌道坡度計算。例如，每次存在牽引力變化時，相對應的加速度變化確定列車的慣性(假設在存在牽引力變化的同時不存在坡度變化)。而且因為加權(quán)平均的坡度驅(qū)動加速度變化，所以坡度變化的效果對列車加速度具有漸變影響。例如，牽引力變化能夠在每個擋位變化時被觀測到，并且因為多個觀測能夠進行，因此坡度和拖動變化的影響能夠平均到0。當慣性已知時，坡度能夠基于加速度與希望的加速度的偏離確定，假設拖動系數(shù)在同時不改變。類似地，假設的拖動值能夠與感興趣的點之前和之后的操作比較。該假設的拖動值還可以從穿越同一分段的許多列車確定。
在另一個示例中，穿越該軌道的多個列車可能全部遭遇不希望的車輪滑動。收集的數(shù)據(jù)分析可能指示失敗的軌道潤滑系統(tǒng)。旅程優(yōu)化器可以在其旅程計劃中包括該滑動條件。當潤滑系統(tǒng)被修復時，穿越該軌道的隨后的列車將不指示過度的車輪滑動并且軌道數(shù)據(jù)庫被相應地更新，響應于此，所述旅程優(yōu)化器從旅程計劃過程中移除該條件。類似地，有關(guān)可能影響旅程時間的天氣狀況的數(shù)據(jù)可能被收集。旅程優(yōu)化可以包括在其旅程計劃中的天氣狀況。當天氣狀況改善時，軌道數(shù)據(jù)庫可以被更新，其中該旅程優(yōu)化器從旅程計劃過程中移除該條件。
對于那些裝備有信號傳感系統(tǒng)的機車，用于在目前軌道塊前面的軌道塊的信號信息還可以被提供給旅程優(yōu)化器。路旁設備還可以被用來為數(shù)據(jù)庫63確定和提供更新的軌道信息。例如，在列車穿過路旁設備時，路旁設備可以確定某鐵軌和列車狀況(例如，車輪承載溫度、鐵路車廂列車中軸承的數(shù)量、車輪概況)，并且將該信息發(fā)送到列車。列車末尾的設備可以被配備有用于確定軌道信息的傳感器和提供信息給所述數(shù)據(jù)庫63的通信設備。
在特定軌道分段上的列車慣性、操作者施加的牽引力、操作者施加的制動力、機車速度、機車與已知位置的距離、氣壓、車載照相機視頻信息(即來自在列車上安裝的視頻照相機)和操作者輸入，可以被存儲在數(shù)據(jù)庫63中，并且由旅程優(yōu)化器使用來改進優(yōu)化過程。對象操作信息可以由穿越所述軌道分段的所有列車收集。每個列車可以提供收集的信息給數(shù)據(jù)庫63以便由在列車上執(zhí)行的旅程優(yōu)化器使用。
此外，為了允許可以隨后穿越所述軌道分段的其它列車具有該信息的優(yōu)勢，當為穿越感興趣的軌道分段的列車準備優(yōu)化的旅程計劃時，收集的信息被上載到所有列車訪問或旅程優(yōu)化器算法訪問的數(shù)據(jù)庫。盡管這些附加輸入可能不一定導致更優(yōu)解決方案軌跡，但是與在感興趣的軌道分段上的實際操作者制動和牽引力施加相比較，它們將導致更精確的軌跡。
如上面描述的，某些收集的列車操作數(shù)據(jù)可以被旅程優(yōu)化器直接使用。例如，軌道海拔直接影響燃料消耗，并且能夠被優(yōu)化算法用來更精確地確定燃料消耗并且由此優(yōu)化燃料消耗。
某些軌道特性根據(jù)收集的可操作數(shù)據(jù)計算。確定的軌道特性接著被用在優(yōu)化算法中。例如，測量的動力(牽引力或擋位位置)和加速度被用來確定在所述軌道分段上的具體位置的軌道坡度。計算的坡度接著由優(yōu)化算法使用。
圖11圖示了在列車穿越所述軌道分段時能夠被提供的軌道特征化信息。利用提供的附加信息，旅程優(yōu)化器能夠更精確描述列車在感興趣的軌道分段上將遭遇的狀況，并且由此產(chǎn)生更實際和有效的優(yōu)化的速度軌跡。
當軌道數(shù)據(jù)庫63按照在此描述的各種方法被更新時，所述新數(shù)據(jù)可以被用來計劃在感興趣的軌道分段上的未來旅程和/或重新計劃目前的旅程。如果用來初始地計劃旅程的一個或多個的值和該參數(shù)的隨后確定的值之間存在大的差異，則目前旅程的重新計劃可能尤其重要。
圖12圖示了沿著軌道分段在旅程期間操作列車的示范性步驟的流程圖。流程圖200包括確定軌道分段信息，步驟210。對列車在軌道的位置或從旅程的起點的時間做出決定，步驟220。軌道分段信息被存儲，步驟230。至少一個機車的至少一個操作條件被確定，步驟240。創(chuàng)建用于響應于列車位置、列車軌道信息、用于按照列車的一個或多個操作標準優(yōu)化機車性能的至少一個操作狀況的旅程計劃，步驟250。在上面討論的旅程優(yōu)化系統(tǒng)和/或方法可以被用于創(chuàng)建旅程計劃。該旅程計劃可以基于軌道分段信息和/或在旅程期間收集的列車信息被修訂，步驟260。正如上面討論的，該流程圖可以使用計算機軟件代碼實現(xiàn)。
盡管已經(jīng)參照示范性實施例描述旅程本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到，各種變化、省略和/或添加可以進行并且等效物可以替代其各元件，而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。此外，在本發(fā)明的教導下，許多修改可以進行以適應于具體場合或者材料，而不偏離其范圍。因此，意圖在于，本發(fā)明不局限于按被構(gòu)思實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式公開的具體實施例，而是本發(fā)明將包括落入權(quán)利要求書的范圍的所有實施例。而且，除非特別地陳述，術(shù)語第一、第二等的任何應用不表示任何的順序或重要性，而是，術(shù)語第一、第二等被用來將一個元件與另一個元件相區(qū)分。
本申請是2006年3月20日提交的美國申請No.11/385,354的部分連續(xù)，該申請的內(nèi)容在此通過引用全文并入，并且本申請基于2006年12月8日提交的臨時申請No.60/869,196。
權(quán)利要求
1.一種用于提供用在列車性能中的列車信息和軌道特征化信息中的至少一個的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括
a.第一元件，用于確定列車在軌道分段上的位置和從旅程開始的時間中的至少一個；
b.軌道特征化元件，用于提供軌道分段信息；
c.傳感器，用于測量列車中的至少一個機車的操作狀況；
d.數(shù)據(jù)庫，用于存儲軌道分段信息和至少一個機車的操作狀況中的至少一個；以及
e.處理器，用于將來自第一元件、軌道特征化元件、傳感器和數(shù)據(jù)庫的信息相關(guān)，使得所述數(shù)據(jù)庫可以被用來按照列車的一個或多個操作標準創(chuàng)建優(yōu)化列車性能的旅程計劃。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述軌道分段信息或列車信息包括下列的至少一個速度限制變化、軌道坡度、軌道曲率、軌道分段的交通模式、允許的速度、實際速度、速度限制、軌道年齡、軌道狀況、天氣狀況、牽引力和制動力。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括通信元件，用于向列車外提供軌道分段信息，用于由穿越軌道分段的其它列車的處理器使用。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中通信元件提供軌道分段信息和至少一個機車的操作狀況的至少一個給遠端地點，并且其中在該遠端地點，所述軌道分段信息被用來為穿越軌道分段的其它列車創(chuàng)建旅程計劃。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述通信元件包括路旁通信元件，用于經(jīng)由該路旁通信元件提供軌道分段信息給其它列車。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述軌道分段信息包括影響推動機車或使機車停止的能力的任何軌道狀況。
7.一種用于在旅程期間沿著軌道分段操作列車的系統(tǒng)，該列車包括一個或多個機車組，每個機車組包括一個或多個機車，該系統(tǒng)包括
a.第一元件，用于確定列車在軌道分段上的位置和從旅程開始的時間中的至少一個；
b.軌道特征化元件，用于提供軌道分段信息；
c.傳感器，用于測量至少一個機車的操作狀況；
d.數(shù)據(jù)庫，用于存儲軌道分段信息和至少一個機車的操作狀況中的至少一個；以及
e.處理器，其可操作從第一元件、傳感器、軌道特征化元件和數(shù)據(jù)庫的至少一個接收信息，并且該數(shù)據(jù)庫用于按照列車的一個或多個操作標準創(chuàng)建優(yōu)化列車性能的旅程計劃。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中在旅程期間，所述軌道特征化元件提供更新的軌道分段信息和更新的列車信息中的至少一個給所述數(shù)據(jù)庫。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括控制器元件，用于自主導引列車以便遵循所述旅程計劃。
10.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中操作者按照所述旅程計劃導引列車。
11.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述處理器在旅程期間響應于更新的軌道分段信息創(chuàng)建更新的旅程計劃。
12.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述軌道分段信息或列車信息包括下列至少一個速度限制變化、軌道坡度、軌道曲率、軌道分段的交通模式、允許的速度、實際速度、速度限制、軌道年齡、軌道狀況、天氣狀況、牽引力和制動力。
13.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，還包括通信元件，用于向列車外提供軌道分段信息，用于由穿越軌道分段的其它列車的處理器使用。
14.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中通信元件提供軌道分段信息和至少一個機車的操作狀況的至少一個給遠端地點，并且其中在該遠端地點，所述軌道分段信息被用來為穿越軌道分段的其它列車創(chuàng)建旅程計劃。
15.如權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中所述通信元件包括路旁通信元件，用于經(jīng)由該路旁通信元件提供軌道分段信息給其它列車。
16.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述軌道分段信息包括影響推動機車或使機車停止的能力的任何軌道狀況。
17.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中至少一個機車的操作狀況包括影響推動機車或使機車停止的能力的任何機車信息。
18.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述軌道特征化元件包括照相機。
19.一種用于在旅程期間沿著軌道分段操作列車的方法，該列車包括一個或多個機車組，每個機車組包括一個或多個機車，該方法包括
a.確定列車在軌道分段上的位置或從旅程開始的時間；
b.確定軌道分段信息；
c.存儲軌道分段信息；
d.確定至少一個機車的至少一個操作狀況；以及
e.響應于列車的位置、軌道分段信息和至少一個操作狀況的至少一個創(chuàng)建旅程計劃，以按照列車的一個或多個操作標準優(yōu)化機車性能。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括基于軌道分段信息和在旅程期間收集的至少一個機車的至少一個操作狀況中的至少一個，在旅程期間修訂旅程計劃。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括響應于由穿越軌道分段的其它列車收集的軌道分段信息修訂旅程計劃。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述軌道分段信息包括允許的速度、速度限制、列車慣性、大氣壓、圖像、軌道坡度、軌道年齡、軌道狀況、天氣狀況、影響推動列車的能力的軌道信息、影響使列車停止的能力的軌道信息、軌道摩擦系數(shù)、施加的牽引力、施加的制動力、位置和軌道海拔、用于前向軌道塊的信號。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括按照旅程計劃控制列車。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，還包括將旅程計劃通知給列車操作者，其中該操作者能夠按照旅程計劃控制列車。
25.一種計算機軟件代碼，用于操作具有計算機處理器的列車，所述代碼用于在旅程期間沿著軌道分段操作列車，該列車包括一個或多個機車組，每個機車組包括一個或多個機車，該軟件代碼包括
a.用于確定軌道分段信息的軟件模塊；
b.用于存儲軌道分段信息的軟件模塊；
c.用于確定至少一個機車的至少一個操作狀況的軟件模塊；以及
d.響應于列車的位置、軌道分段信息和至少一個操作狀況的至少一個創(chuàng)建旅程計劃，以按照列車的一個或多個操作標準優(yōu)化機車性能的軟件模塊。
26.如權(quán)利要求25所述的計算機軟件代碼，還包括基于軌道分段信息和在旅程期間收集的至少一個機車的至少一個操作狀況中的至少一個，修訂在旅程期間的旅程計劃的軟件模塊。
27.如權(quán)利要求25所述的計算機軟件代碼，還包括響應于由穿越軌道分段的其它列車收集的軌道分段信息修訂旅程計劃。
28.如權(quán)利要求25所述的計算機軟件代碼，其中所述軌道分段信息包括允許的速度、速度限制、列車慣性、大氣壓、圖像、軌道坡度、軌道年齡、軌道狀況、天氣狀況、影響推動列車的能力的軌道信息、影響使列車停止的能力的軌道信息、軌道摩擦系數(shù)、施加的牽引力、施加的制動力、位置和軌道海拔、用于前向軌道塊的信號。
29.如權(quán)利要求25所述的計算機軟件代碼，還包括用于按照旅程計劃控制列車的軟件代碼模塊。
30.如權(quán)利要求25所述的計算機軟件代碼，還包括將旅程計劃通知給列車操作者的軟件代碼模塊，其中該操作者能夠按照旅程計劃控制列車。
全文摘要
一種用于提供用在列車性能中的列車信息和軌道特征化信息中的至少一個的系統(tǒng)，包括第一元件，用于確定列車在軌道分段上的位置和/或從旅程的開始的時間。用于提供軌道分段信息的軌道特征化元件以及用于測量列車中的至少一個機車的操作狀況的傳感器也被包括。數(shù)據(jù)庫被提供來存儲軌道分段信息和/或至少一個機車的操作狀況。處理器也被包括來將來自第一元件、軌道特征化元件、傳感器和/或數(shù)據(jù)庫的信息相關(guān)，使得所述數(shù)據(jù)庫可以被用來按照列車的一個或多個操作標準創(chuàng)建優(yōu)化列車性能的旅程計劃。
文檔編號G05D1/00GK101495929SQ200780001327
公開日2009年7月29日 申請日期2007年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者阿吉思·庫馬, 格倫·R·謝弗 申請人:通用電氣公司