(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む列車を運行するためのシステムであって、
ａ）列車のロケーションを求めるためのロケータ要素と、
ｂ）路線に関する情報を提供する路線特徴付け要素と、
ｃ）列車外と通信を行う外部通信システムと、
ｄ）前記ロケータ要素、前記路線特徴付け要素、および前記外部通信システムからの情報を受け取るように動作可能で、かつ、前記路線に沿って前記列車が移動している間のいつでも、列車内で、前記列車の１つ又はそれ以上の運行制約にしたがって前記列車の燃料使用量またはエミッションを最小にする旅行プロファイルを作成するように構成された制御システムと、
を備え、
前記制御システムによって、前記旅行プロファイルにしたがって前記列車が自律的に制御するように構成されている
システム。
【請求項２】
１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を備える列車を運行するための方法であって、前記方法は、
ａ）路線上の前記列車のロケーションを求める段階と、
ｂ）前記路線に関する情報を受け取る段階と、
ｃ）列車外と通信する段階と、
ｄ）前記１つ又はそれ以上の機関車編成の運行条件を受け取る段階と、
ｅ）前記路線に沿って前記列車が移動している間のいつでも、列車内で、前記列車の１つ又はそれ以上の運行制約にしたがって、前記列車のロケーション、前記路線に関する情報、前記通信により受け取った情報、および前記機関車編成の運行条件に基づいて、前記列車の燃料使用量またはエミッションを最小にする旅行プロファイルを作成する段階と、
ｆ）前記旅行プロファイルにしたがって、前記路線に沿って前記列車が自律的に運行する段階と、
を含む方法。
【請求項３】
ａ）最適パワーの条件を伝達する段階と、
ｂ）前記最適パワーの条件にしたがって機関車、機関車編成、および列車のうちの少なくとも１つを運行する段階と、
を更に含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ａ）複数のスロットル設定のなかから、最適なスロットル設定を選択する段階と、
ｂ）前記最適なスロットル設定にしたがって機関車、機関車編成、及び列車のうちの少なくとも１つを自動的に運行する段階と、
を更に含む請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記旅行プロファイルは、その一部が、スロットル変動を抑制する項に基づいて作成される請求項２に記載の方法。
【請求項６】
コンピュータプロセッサ及び１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む、第１の列車を運行するためのコンピュータプログラムであって、
ａ）遠隔の沿線装置または前記第１の列車とは異なる第２の列車との間で通信する手順と、
ｂ）路線に沿って前記第１の列車が移動している間のいつでも、前記第１の列車内で、前記第１の列車の１つ又はそれ以上の運行制約にしたがって、前記第１の列車のロケーション、前記路線に関する情報、前記通信により受け取った情報、および前記機関車編成の運行条件に基づいて前記第１の列車の燃料使用量またはエミッションを最小にする旅行プロファイルを作成する手順と、
ｃ）前記旅行プロファイルにしたがって、前記路線に沿って前記第１の列車が自律的に運行する手順と、
を前記コンピュータプロセッサに実行させるコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、列車の運行を最適化すること、より詳細には、スケジュール制約を満たしながら、効率を改善するために列車の運行を監視及び制御することに関する。
【背景技術】
【０００２】
機関車は、多数のサブシステムを備えた複雑なシステムであり、各サブシステムは他のサブシステムに相互に依存する。オペレータは、機関車に乗車し、機関車及びその貨物車両の関連する荷重の正確な運行を確実にする。機関車の正確な運行を保証することに加え、オペレータはまた、列車の運行速度、及び機関車がその一部を成す列車内部の力を決定する役割を担う。この機能を実行するために、オペレータは一般に、特定の地形にわたる機関車及び種々の列車の運行に関する幅広い経験を持つ必要がある。この知識は、路線に沿った列車のロケーションに応じて変化する可能性のある規定可能な運行速度に適合するのに必要となる。更に、オペレータはまた、列車内部の力が許容可能な限界内に確実に留まるようにする役割を担う。
【０００３】
しかしながら、安全な運行を保証するための知識があっても、オペレータは通常、各旅行の燃料消費が最小になるように機関車を運行することはできない。例えば、考慮しなければならない他の要因は、エミッション排出、ノイズ／振動などのオペレータの環境条件、燃料消費とエミッション排出との重み付け合成などを含むことができる。例えば、列車のサイズ及び荷重は変化し、機関車及びこれらの燃料／エミッション特性は様々であり、天候及び交通条件は変化するので、上記のことを考慮するのは困難である。変動原因に関わらず、できる限り最少の燃料を使用しながら、要求されるスケジュール（到着時刻）を満足させるように特定の日に列車を運転する最良の方法を決定する手段が与えられた場合、オペレータは、より効率的に列車を運行することができることになる。
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００５９０７５号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００３／０２１３８７５号公報
【特許文献３】米国特許出願公開第２００４／０１３３３１５号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第２００４／０２４５４１０号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０１２０９０４号公報
【特許文献６】米国特許第６，１４４，９０１号公報
【特許文献７】米国特許第６，６９１，９５７号公報
【特許文献８】米国特許第７，０９２，８０１号公報
【特許文献９】米国特許第７，０９２，８００号公報
【特許文献１０】米国特許第７，０７９，９２６号公報
【特許文献１１】米国特許第７，０３６，７７４号公報
【特許文献１２】米国特許第７，０２４，２８９号公報
【特許文献１３】米国特許第６，９９６，４６１号公報
【特許文献１４】米国特許第６，９７８，１９５号公報
【特許文献１５】米国特許第６，９５７，１３１号公報
【特許文献１６】米国特許第６，９０３，６５８号公報
【特許文献１７】米国特許第６，８６５，４５４号公報
【特許文献１８】米国特許第６，８６３，２４６号公報
【特許文献１９】米国特許第６，８５３，８８８号公報
【特許文献２０】欧州特許第１  ２９７  ９８２号公報
【特許文献２１】米国特許第６，８４５，９５３号公報
【特許文献２２】米国特許第６，８２４，１１０号公報
【特許文献２３】米国特許第６，６０９，０４９号公報
【特許文献２４】米国特許第６，１１２，１４２号公報
【特許文献２５】米国特許第６，９１５，１９１号公報
【特許文献２６】米国特許第６，６９１，９５７号
【特許文献２７】特許申請第１０／４２９，５９６号
【発明の開示】
【０００４】
本発明の実施形態は、１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む列車を運行するためのシステムを開示する。例示的な実施形態では、システムは、列車のロケーションを求めるためのロケータ要素を有する。路線に関する情報を提供する路線特徴付け要素も設けられる。システムはまた、ロケータ要素及び路線特徴付け要素からの情報を受け取るように動作可能なプロセッサも有する。列車の１つ又はそれ以上の運行基準に従って、機関車編成の性能を最適化する旅行プランを作成するため、情報にアクセスするプロセッサ内部に具現化されるアルゴリズムも設けられる。
【０００５】
本発明の例示的な実施形態はまた、１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む列車を運行するための方法を開示する。本方法はまた、路線上の列車のロケーションを求める段階を含む。本方法はまた、路線の特性も決定する。本方法はまた、列車の少なくとも１つの運行基準に従って、列車のロケーション、路線の特性、及び機関車編成の運行条件に基づいて旅行プランを作成する。
【０００６】
本発明の例示的な実施形態はまた、コンピュータプロセッサ及び１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む列車を運行するためのコンピュータソフトウェアコードを開示する。コンピュータソフトウェアコードは、列車の少なくとも１つの運行基準に従って列車のロケーション、路線の特性、機関車編成の運行条件に基づいて旅行プランを作成するためのソフトウェアモジュールを含む。
【０００７】
本発明の例示的な実施形態は更に、列車についての旅行プランが立案された１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む列車を運行するための方法を開示する。本方法は、旅行プランに基づいて機関車編成のパワー設定を決定する段階を含む。本方法はまた、パワー設定で機関車編成を運行する。列車の実速度、機関車編成の実パワー設定、及び／又は列車のロケーションが収集される。列車の実速度、機関車編成の実パワー設定、及び／又は列車のロケーションがパワー設定と比較される。
【０００８】
本発明の別の例示的な実施形態は更に、列車及び／又は機関車編成の仮定運行パラメータに基づいて列車について旅行プランが立案された１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む列車を運行するための方法を開示する。本方法は、列車の運行パラメータ及び／又は機関車の運行パラメータを推定する段階を含む。本方法は更に、推定列車運行パラメータ及び／又は機関車編成運行パラメータを、仮定列車運行パラメータ及び／又は機関車編成の運行パラメータと比較する段階を含む。
【０００９】
本発明の別の例示的な実施形態は更に、所要のパラメータに基づいて列車についての旅行プランが立案された１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む列車を運行するための方法を開示する。本方法は、列車及び／又は機関車編成の運行パラメータを決定する段階、決定された運行パラメータに基づいて所要のパラメータを決定する段階、及び決定されたパラメータを運行パラメータと比較する段階を含む。本方法は更に、決定されたパラメータを運行パラメータと比較して差違がある場合に、旅行プランを調整する段階を含む。
【００１０】
本発明の例示的な実施形態は更に、１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む鉄道システムを運行するための方法を開示する。本方法は、路線上の列車のロケーションを求める段階、及び路線の特性を決定する段階を含む。本方法は更に、鉄道システムによる燃料消費を最小にするために、鉄道システムのロケーション、路線の特性、及び／又は機関車編成の運行条件に基づく機関車の少なくとも１つについての運転プランを作成する段階を含む。
【００１１】
本発明の別の例示的な実施形態は更に、１つ又はそれ以上の機関車編成を有し、各機関車編成が１つ又はそれ以上の機関車を含む鉄道システムを運行するための方法を開示する。このような目的で、本方法は、路線上の列車のロケーションを求める段階、及び路線の特性を決定する段階を含む。本方法は更に、鉄道システムによる燃料消費を最小にするために、機関車編成において推進力制御を行う段階を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
上記で概略的に説明した本発明の実施例のより詳細な説明は、添付図面に示される特定の実施形態を参照することにより提供される。これらの図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示しており、従って、その範囲を限定するものとみなすべきではない点を理解すれば、本発明は、添付図面を利用することによって追加の特定性及び詳細に関して記載され説明されることになる。
【００１３】
ここで、本発明を達成する実施形態を詳細に参照するが、これらの実施形態の実施例は添付図面に例示されている。可能な限り、図面全体で使用される同じ参照数字は同じ要素又は同様の要素を示している。
【００１４】
本発明の例示的な実施形態は、スケジュール及び速度の制約を満たしながら、目標とする特定の運行基準のパラメータ要件を改善するように列車の運行を監視及び制御する手法を決定する、機関車編成を含む列車の運転計画を決定及び実装するためのシステム、方法、及びコンピュータ実装方法を提供することで、当該技術分野における問題点を解決する。本開示全体にわたって用語「本発明」又は「発明」が使用される。上記の用語の直後に用語「例示的な実施形態」がなくとも、「本発明」又は「発明」は、「本発明の例示的な実施形態」を意味するように解釈される。本発明はまた、機関車編成が分散型パワーで運行中である場合も実施可能である。当業者であれば、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏ、プログラム記憶装置、接続用バス、及び他の適切な構成要素を含む、データ処理システムなどの装置は、本発明の方法の実施を容易にするようにプログラミングし、或いは他の方法で設計することができる点は理解されるであろう。このようなシステムは、本発明の方法を実行するための適切なプログラム手段を含むことになる。
【００１５】
また、事前記録済みのディスク又は他の同様のコンピュータプログラム製品といった、データ処理システムと共に使用するための製品は、データ処理システムに本発明の方法の実施を容易にするように指示するための記憶媒体及びこれに記録されるプログラム手段を含むことができる。このような装置及び製品もまた本発明の精神及び範囲内にある。
【００１６】
概略的に言えば、技術的効果は、スケジュール及び速度の制約を満たしながら、目標とする特定の運行基準のパラメータ要件を改善するように列車の運行を監視及び制御する手法を決定する、機関車編成を含む列車の運転計画を決定及び実装することである。本発明の理解を容易にするために、以下では本発明の特定の実装を参照しながら本発明を説明する。本発明は、コンピュータによって実行される、プログラムモジュールなどのコンピュータ実行可能な命令との一般的な関連において説明される。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するか又は特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造などを含む。例えば、本発明の基礎を成すソフトウェアプログラムは、様々なプラットフォームで用いるために様々な言語でコード化することができる。以下の説明では、ウェブブラウザを採用するウェブポータルとの関連において本発明の実施例を説明する。しかしながら、本発明の基礎を成す原理は、他のタイプのコンピュータソフトウェア技術でも同様に実装することができる点は理解されるであろう。
【００１７】
更に、当業者であれば、本発明が、ハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベース又はプログラム可能な家庭用電化製品、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、及び同様のものを含む、他のコンピュータシステム構成で実施可能であることは理解されるであろう。本発明はまた、通信ネットワークを通じてリンクされた遠隔処理デバイスによってタスクが実行される分散コンピューティング環境でも実施することができる。分散コンピューティング環境では、プログラムモジュールは、メモリ記憶装置を含むローカル及びリモート両方のコンピュータ記憶媒体内に配置することができる。これらのローカル及びリモートのコンピューティング環境は、機関車内部で全て、又は編成内の隣接する機関車内部に、或いは無線通信が使用される沿線若しくは中央局のオフボード内に含めることができる。
【００１８】
本明細書全体にわたって機関車編成という用語が使用される。本明細書で使用されるように、機関車編成とは、１つ又はそれ以上の機関車を連続して有し、共に連結されてモータリング及び／又は制動能力を提供するものとして説明することができる。機関車は、機関車間に列車車両がないように共に連結される。列車は、その構成において１つよりも多い編成を有することができる。
【００１９】
具体的には、先頭編成、及び車両の列の中間と列車の最後尾にある別の遠隔編成など、１つよりも多い遠隔編成もあり得る。各機関車編成は、最初の機関車と後縁の機関車とを有することができる。編成は通常は連続する機関車とみなされるが、編成が分散型パワー運行で構成されており、スロットル及び制動命令が無線リンク又は物理ケーブルによって先頭機関車から遠隔の後縁機関車まで中継される場合など、機関車間に少なくとも１つの車両が割り込んでいる場合であっても、機関車の編成グループを同様に１つの編成としてみなすことができることは、当業者であれば容易に理解されるであろう。従って、機関車編成という用語は、同じ列車内の複数の機関車について検討する際に限定因子とみなすべきではない。
【００２０】
ここでは図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。本発明は、システム（コンピュータ処理システムを含む）、方法（コンピュータ化された方法を含む）、装置、コンピュータ読み取り可能媒体、コンピュータプログラム製品、ウェブポータルを含むグラフィカルユーザインタフェース、又はコンピュータ読み取り可能メモリ内に有形的に固定されたデータ構造として含む、数多くの方法で実装することができる。本発明の幾つかの実施形態について以下で説明する。
【００２１】
図１は、本発明のフローチャートの例示的な図を示している。図示のように、旅行のプランニングに固有の命令が、車内で、又は管制センタ１０などの遠隔位置から入力される。このような入力情報は、限定ではないが、列車位置、編成の詳細（機関車の型など）、機関車パワーの詳細、機関車の引張伝達性能、出力パワーの関数としての機関燃料の消費、冷却特性、目的とする旅行ルート（マイル標の関数としての実効路線勾配及び曲率、すなわち、標準鉄道業務に従う曲率を反映させた「実効勾配」要素）、実効抗力係数と共に車両構成及び荷重により表される列車、限定ではないが、出発時刻及びロケーション、終点ロケーション、所要の移動時間、クルー（ユーザ及び／又はオペレータ）識別符号、クルーのシフトの終了時刻、及びルートを含む旅行の所要のパラメータを含む。
【００２２】
このデータは、限定ではないが、オペレータがオンボードのディスプレイを介して機関車４２に該データを手動で入力すること、データを含むハードカード及び／又はＵＳＢドライブなどのメモリデバイスを機関車に搭載されたレセプタクルに挿入すること、及び路線信号装置及び／又は沿線装置などの中央又は沿線ロケーション４１から無線通信を介して機関車４２に情報を送信することなど、幾つかの方法で機関車４２に供給される。機関車４２及び列車３１の荷重特性（抗力など）はまた、ルート単位毎に（例えばレール及び鉄道車両の高度、周囲温度、及び条件に応じて）変わる可能性があり、旅行プランは、上述の方法のいずれか及び／又は機関車／列車条件のリアルタイムの自律収集によって必要に応じて、このような変化を反映させるように更新することができる。例えば、これは、機関車４２のオンボード又はオフボードで装置を監視することにより検出される機関車又は列車の特性の変化を含む。
【００２３】
路線信号システムが列車の許容速度を決定する。多くのタイプの路線信号システムがあり、信号の各々に関連する運行規則がある。例えば、単一光（オン／オフ）の信号もあれば、多色の単一レンズの信号もあり、複数の光及び色の信号もある。これらの信号は、路線上に障害物がなく、列車が最高許容速度で進行できることを示すことができる。これらの信号はまた、減速又は停止が必要であることを示すこともできる。この減速は、直ちに行うこと、又はある特定のロケーション（次の信号又は踏切の手前など）で行うことが必要な場合がある。
【００２４】
信号の状態は、種々の手段を通じて列車及び／又はオペレータに伝達される。一部のシステムは路線内に回路を有し、機関車に誘導ピックアップコイルを有する。無線通信システムを有するシステムもある。信号システムはまた、オペレータに対して視覚的に信号を検査して適切な措置をとるように求めることができる。
【００２５】
信号システムは、オンボード信号システムと対話して、入力及び適切な運行規則に従って機関車の速度を調整することができる。オペレータに対して信号の状態を視覚的に検査するように求める信号システムの場合、オペレータの画面は、列車のロケーションに基づいてオペレータが入力するための適切な信号オプションを表示する。信号システムのタイプ及び運行規則は、ロケーションの関数としてオンボードデータベース６３内に記憶することができる。
【００２６】
本発明に入力される仕様データに基づいて、所要の出発時刻及び終点時刻によるルートに沿った速度制限の制約を受ける燃料使用量及び／又は生成されるエミッションを最小にする最適プランが計算され、旅行プロファイル１２を作成する。プロファイルには、距離及び／又は時間の関数で表した列車が従うべき最適な速度及びパワー（ノッチ）設定、並びに、限定ではないが、最高ノッチパワー及び制動設定、ロケーションの関数としての速度制限、並びに予想される使用燃料及び生成エミッションを含む、こうした列車の運行制限が含まれる。例示的な実施形態では、およそ１０〜３０秒毎に一回、スロットル変更決定を求めるためにノッチ設定の値が選択される。当業者であれば、最適な速度プロファイルに従う必要がある場合、及び／又は従うことを望む場合には、より長い又はより短い時間間隔でスロットル変更決定を行ってもよい点は容易に認識されるであろう。広義には、プロファイルは、列車レベル、編成レベル、及び／又は個々の列車レベルのいずれかで列車のパワー設定を提供することは当業者には明らかなはずである。パワーは、制動力、モータリングパワー、エアブレーキ力を含む。他の好ましい実施形態では、従来の離散的なノッチパワー設定で運行する代わりに、本発明では、選択プロファイルに最適と判断された連続的なパワー設定を選択することができる。従って、例えば、最適なプロファイルがノッチ設定６．８を定める場合、機関車４２は、ノッチ設定７で運行するのではなく、６．８で運行することができる。このような中間にあるパワー設定を許容することで、以下に述べるような効率上の付加的な利点を得ることができる。
【００２７】
最適なプロファイルを計算するのに使用される手順としては、以下にまとめるように、機関車の運行及びスケジュール制約に従って燃料及び／又はエミッションを最小にするように列車３１を運転するパワーシーケンスを計算するためのあらゆる数の方法が可能である。場合によっては、必要とされる最適なプロファイルは、列車の構成、ルート、及び環境条件が類似することに起因して、以前に決定されたプロファイルに十分近いこともある。これらのケースでは、データベース６３内の運転軌跡を調べて、これに従うように試みることで十分な場合がある。以前に計算されたプランで適切なものがない場合、新しいプランを計算する方法は、限定ではないが、列車の運動物理学的特性を近似する微分方程式モデルを用いた最適なプロファイルの直接計算を含む。セットアップは、一般的には燃料消費及びエミッション生成の割合に相当するモデル変数の加重和（積分）と過剰なスロットル変動にペナルティを与える項とを加えたものである定量目的関数の選択を含む。
【００２８】
限定ではないが、速度制限、最小及び最大パワー（スロットル）設定を含む制約に従う定量目的関数を最小にするように最適な制御式がセットアップされる。任意の時点でのプランニング目標に応じて、エミッション及び速度制限の制約に従って燃料を最小にするように、又は燃料使用量及び到着時刻の制約に従ってエミッションを最小にするように問題が柔軟にセットアップされる。総エミッション又は燃料使用量に関して制約を受けずに、例えば、総移動時間を最小にする目標を立てることも可能であり、この場合、ミッションについては、このような制約の緩和が許容又は必要とされることになる。
【００２９】
数学的には、解決すべき問題をより正確に示すことができる。基本的な物理的特性は以下の式で表される。
【００３０】
【数１】
0005593066.tif 000002
ここで、ｘは列車の位置、ｖは速度、ｔは時間（必要に応じてマイル、マイル時速、分又は時間の単位）、ｕはノッチ（スロットル）命令入力である。更に、Ｄは移動距離、Ｔｆは路線に沿った距離Ｄでの所要の到着時刻を示し、Ｔｅは機関車編成によって発生する引張力、Ｇａは列車の長さ、列車構成、及び列車が位置する地形に依存する重力抵抗、Ｒは機関車編成及び列車連結の抗力に依存する正味速度である。初期速度と最終速度も指定することができるが、一般性を失わないように本明細書では０とする（列車は最初と最後で停止している）。最終的に、モデルは、スロットルｕの変更と、結果として得られる引張力又は制動との間の遅延などの他の重要な動特性を含めるように容易に修正される。このモデルを使用して、限定ではないが、速度制限、最小及び最大パワー（スロットル）設定を含む制約に従って定量目的関数を最小にするように、最適な制御式がセットアップされる。任意の時点でのプランニング目標に応じて、エミッション及び速度制限に関する制約に従って燃料を最小にし、又は燃料使用量及び到着時刻の制約に従ってエミッションを最小にするように問題を柔軟にセットアップすることができる。
【００３１】
総エミッション又は燃料使用量に関しての制約を受けずに、例えば総移動時間を最小にする目標をセットアップすることも可能であり、この場合、ミッションについてはこのような制約の緩和が許容又は要求されることになる。これらの性能基準は全て、以下のいずれかの式の線形結合として表される。
【００３２】
【数２】
0005593066.tif 000003
総燃料消費量を最小にする
【００３３】
【数３】
0005593066.tif 000004
移動時間を最小にする
【００３４】
【数４】
0005593066.tif 000005
ノッチの操作を最小にする（区分的に一定の入力）
【００３５】
【数５】
0005593066.tif 000006
ノッチの操作を最小にする（連続入力）
４．（１）の燃料の項Ｆをエミッション生成に相当する項と置き換える。
すなわち、一般に使用される代表的目的関数は以下のようになる。
【００３６】
【数６】
0005593066.tif 000007
線形結合の係数は、項の各々に与えられる重要度（重み）に依存することになる。式（ＯＰ）においてｕ（ｔ）とは、連続的なノッチ位置の最適変数であることに留意されたい。例えば古い機関車の場合など離散的なノッチが必要とされる場合には、式（ＯＰ）に対する解は離散化され、その結果、燃料節約が悪くなる可能性がある。最小時間の解（ａ１及びａ２を０に設定する）を求めることを利用して下界を求め、その好ましい実施形態は、ａ３が０にセットされたＴｆの種々の値に対して式（ＯＰ）を解くことである。このような最適問題に対する解に精通する人には、例えば経路に沿った速度制限、すなわち
【００３７】
【数７】
0005593066.tif 000008
などの制約を付加することが必要となる可能性がある。
【００３８】
或いは、最小時間を目標として用いる場合、終点の制約を保持しなくてはならず（例えば、消費される総燃料は、タンク内にある燃料よりも少なくなくてはならない）、例えば以下によって表される。
【００３９】
【数８】
0005593066.tif 000009
この場合、ＷＦは、Ｔｆのときにタンク内に残存する燃料である。当業者であれば、式（ＯＰ）は他の形式も同様に可能であり、上記に示したものは、本発明で使用される例示的な式である点を容易に認識するであろう。
【００４０】
本発明の関連において言及するエミッションとは、実際には、窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素、及びパーティキュレートの形態で生成される蓄積エミッションを対象とする。設計に関しては、全ての機関車が、実質排出量におけるＥＰＡ規格に準拠する必要があり、従って、本発明においてエミッションが最適化される場合には、現在仕様が存在しないミッション全エミッションとなる。常に、運行は米連邦ＥＰＡ命令に準拠することになる。旅行ミッション中の主要目標がエミッション低減である場合、最適制御式である式（ＯＰ）は、この旅行目標を考慮するように修正されることになる。最適化セットアップにおける重要な柔軟性は、旅行の目的のいずれか又は全てが、地理上の範囲又はミッションによって異なる可能性があることである。例えば、プライオリティの高い列車の場合、プライオリティの高い路線であることから、１つのルート上で最小時間が唯一の目的となる可能性がある。別の実施例では、エミッション排出は、計画されている列車のルートに沿って州毎に変わる可能性がある。
【００４１】
例示的な実施形態において、結果として生じる最適化問題を解くために、本発明は、時間領域における動的な最適制御問題からＮ個の決定変数を有する等価静的数学プログラミング問題への書き換えを行い、ここで数「Ｎ」は、スロットル及び制動調整が行われる頻度、及び旅行期間に依存する。一般的な問題では、このＮは千単位とすることができる。例えば、例示的な実施形態において、列車が米国南西部の１７２マイルに延びる路線を移動すると仮定する。本発明を用いると、本発明を使いて決定及び従った旅行に対して、オペレータによって旅行が決定された実際の運転者のスロットル／速度履歴を比較したときに、例示的には使用燃料の７．６％の節約を行うことができる。節約の改善が達成される理由としては、本発明を利用して実現される最適化は、オペレータの旅行プランに比べると、引張損失が少なく且つ制動損失が少ないか全く無い運転計画を作成するからである。
【００４２】
上述の最適化をコンピュータで扱いやすくするために、図２に図示され、及び上記で検討した式などの列車の簡約化モデルを採用することができる。生成される最適なパワーシーケンスを用いて詳細なモデルを操作して、他の温度制約、電気的制約、及び機械的制約に反するかどうかを試験することにより、最適なプロファイルに対して主な改善が行われ、機関車又は列車の装置を損なうことなく達成できる走行に最も近接した速度対距離を有する修正プロファイルがもたらされ、すなわち、列車の機関車及び車両間の力に関する温度制限及び電気的制限などの追加の暗示的制約が満たされる。
【００４３】
再度図１を参照し、旅行が開始される１２と、パワー命令が作成されて１４、プランが実行に移される。本発明の運行上のセットアップに応じて、１つの命令は、機関車が最適化パワー命令に従って最適な速度を達成するようにするものである。本発明では、列車の機関車編成から実速度及びパワーの情報を取得する１８。最適化に使用されるモデルにおいて近似は必然的であるので、所要の最適速度を追跡するために最適化パワーに対する閉ループの補正計算が得られる。列車の運行制限のこのような補正は自動で行うこともでき、又は最終的には常に列車を制御しているオペレータによって行うこともできる。
【００４４】
場合によっては、最適化で使用されるモデルが、実際の列車とは著しく異なることがある。これは、限定ではないが、過剰な貨物の集配又は準備、ルートを外れた機関車、初期データベース６３のエラー、オペレータによるデータ入力エラーなどを含む、多くの理由で発生する可能性がある。これらの理由により、リアルタイムな列車データを利用して機関車及び／又は列車のパラメータをリアルタイムで推定するモニタリングシステムが配備される２０。次いで、推定パラメータが、旅行が最初に作成されたときに使用された仮定パラメータと比較される２２。仮定値と推定値との間の何らかの差異に基づいて、新しいプランから十分に大きな節約が生じる場合には、旅行の再プランニングを行うことができる２４。
【００４５】
旅行を再プランニングすることができる他の理由には、管制などの遠隔地からの指令、及び／又はより広範囲の移動プランニング目標と一致するようにするオペレータによる目標の変更が含まれる。より広範囲の移動プランニング目標は、限定ではないが、他の列車のスケジュール、トンネルからの排気消散を可能にすること、メンテナンス業務などを含むことができる。他の理由としては、構成要素のオンボード障害に起因するものとすることができる。再プランニングのストラテジーは、以下に詳細に説明するように、混乱の重大度に応じて、増分調整と大きな調整とにグループ分けすることができる。一般に、「新しい」プランは、上述の最適化問題式（ＯＰ）に対する解から導き出す必要があるが、本明細書で説明するように、より迅速な近似解を高い頻度で求めることができる。
【００４６】
運行中、機関車４２は、システムの効率を連続して監視し、更新によって旅行性能が改善される場合は常に、測定される実効率に基づいて旅行プランを連続的に更新する。再プランニングの計算は、機関車内部で全て行うか、或いは無線技術を利用して機関車４２にプランを伝達する管制又は沿線の処理施設などの遠隔の位置に全て又は部分的に移すことができる。本発明はまた、効率転送機能に関する機関車のフリートデータを開発するのに用いることができる効率傾向を生成することもできる。フリート幅データは、初期旅行プランの決定時に用いることができ、また、複数の列車のロケーションを考慮する際に、ネットワーク全体の最適化のトレードオフとして使用することができる。例えば、図４に示すような移動時間・燃料使用量トレードオフ曲線は、同じルート上の多くの同様の列車に関して収集されるアンサンブル平均から更新される、現在時刻での特定のルートにおける列車の能力を反映している。従って、多数の機関車から図４のような曲線を収集する中央管制施設は、この情報を利用して、列車の移動全体をより良好に協働させて燃料使用量又は処理量でのシステム全体の利点が得られるようにすることができる。
【００４７】
同じ旅行目標を維持することを望む場合、すなわち、計画された別の列車との遭遇又は通過に対して列車がスケジュール通りではなく、時間を取り戻す必要がある場合には、日常の運行における多くの事象により、現在実行中のプランを作成又は変更する必要が生じる可能性がある。機関車の実速度、パワー、ロケーションを利用して、計画された到着時刻と現在推定（予想）到着時刻とを比較する２５。これらの時刻の差異、並びに（ディスパッチャ又はオペレータによって検出又は変更される）パラメータの差異に基づいてプランが調整される２６。この調整は、プランからのこのような逸脱がいかに処理されるべきかに関して鉄道会社の要望に従って自動的に行うか、或いは、オンボードのオペレータ及びディスパッチャに代替案を手動で提案し、プランに戻るための最良の方法を合同で決定することもできる。プランが更新されるが、到着時刻（限定ではないが）などの当初の目標が同じままである場合は常に、将来の速度制限の新しい変更など、追加の変更を同時に考慮に入れることができ、これは、当初のプランを必ず回復する実施可能性に影響を与え得る。このような場合には、当初の旅行プランを維持できないのであれば、又は言い換えると、列車が当初の旅行プランの目標を満たすことができないのであれば、本明細書で説明するように、他の旅行プランをオペレータ及び／又は遠隔施設すなわち管制に提示することができる。
【００４８】
再プランニングはまた、当初の目標を変更したい場合にも行うことができる。このような再プランニングは、予め計画された固定回数で、又はオペレータ又はディスパッチャの判断で手動で、或いは列車の運行制限など予め定められた制限を超えた場合に自律的に行うことができる。例えば、現在のプランの実行が３０分などの指定された閾値を上回って遅れている場合、本発明は、上述のように燃料増量を犠牲にして遅延を吸収するため、或いはどれ程多くの時間を実際に取り戻すことができるか（すなわち、最小開始時刻、又は時間制約の範囲内で節約可能な最大燃料がどのくらいか）をオペレータ及びディスパッチャに警告するために旅行を再プランニングすることができる。再プランニングの他の誘因はまた、消費される燃料、又は限定ではないが、到着時刻、装置障害による馬力の損失、及び／又は装置の一時的な誤動作（過度に高温又は低温で動作するなど）、及び／又は仮定の列車荷重におけるなどの全体のセットアップエラーの検出を含むパワー編成の健全性に基づいて想定することができる。すなわち、変更が、現在の旅行における機関車性能の機能障害を反映する場合は、これらの変更を最適化で利用されるモデル及び／又は式に折り込むことができる。
【００４９】
プラン目標の変更はまた、１つの列車のプランが別の列車の能力を損なう事象を協働させて異なるレベルの目標及び調停を満たすようにする必要性（例えば、管制事務所が必要とされる）から生じる場合がある。例えば、遭遇及び通過の協働は、列車間通信によって更に最適化することができる。従って、一例として、列車が遭遇及び／又は通過のロケーションへの到着が遅れていることが分かっている場合には、遅れている列車（及び／又は管制）に別の列車からの通信により通知することができる。次いで、オペレータは、遅延に関する情報を本発明に入力することができ、本発明がその列車の旅行プランを再計算することになる。本発明はまた、上位レベル又はネットワークレベルで用いて、スケジュールで決められた遭遇及び／又は通過時間の制約が満たされない場合には、管制が、いずれの列車を減速又は加速させる必要があるかを判断できるようにすることが可能である。本明細書で説明するように、これは、列車が管制にデータを送信して、各列車が自己のプランニング目標をどのように変更すべきかに優先順位を付けることにより達成される。状況に応じて選択は、スケジュール又は燃料節約の利点のいずれかに左右される。
【００５０】
手動又は自動で開始される再プランニングのいずれに関しても、本発明は、１つよりも多い旅行プランをオペレータに提示することができる。例示的な実施形態において、本発明は、異なるプロファイルをオペレータに示し、オペレータが到着時刻を選択し、対応する燃料及び／又はエミッションの影響を理解することができる。このような情報はまた、同様のことを考慮するために、代替案の簡単なリストとして又は図４に示されるような複数のトレードオフ曲線として管制に提供することができる。
【００５１】
本発明は、現在のプラン及び／又は将来的なプランのいずれかに組み込むことができる、列車及びパワー編成の主要変更を認識して適応させる能力を有する。例えば、上述の要因の１つは、馬力の損失である。馬力の損失後又は旅行開始時のいずれかにおいて、経時的に馬力を増大させる場合、所要の馬力が得られる時点を判断するために遷移ロジックが利用される。この情報は、馬力の損失が再度発生する場合、将来的な旅行又は現在の旅行のいずれかを最適化する際に使用するために機関車のデータベース６１内に記憶することができる。図３は、本発明の要素の例示的な実施形態を図示している。列車３１のロケーションを求めるために、ロケータ要素３０が設けられている。ロケータ要素３０は、列車３１のロケーションを求めるＧＰＳセンサ或いは複数のセンサのシステムとすることができる。このような他のシステムの実施例は、限定ではないが、無線周波数自動装置識別（ＲＦ  ＡＥＩ）タグ、管制、及び／又は映像判断情報装置などの沿線装置を含むことができる。他のシステムは、機関車に搭載されたタコメータ、及び基準点からの距離計算器を含むことができる。前述のように、列車間及び／又は管制などの遠隔ロケーションとの通信を可能にするために、無線通信システム４７を備えることもできる。移動ロケーションに関する情報も他の列車から転送することができる。
【００５２】
路線についての情報、主として勾配及び高度、並びに曲率情報を提供する路線特徴付け要素３３もまた設けられる。路線特徴付け要素３３は、オンボード路線完全性データベース３６を含むことができる。センサ３８は、機関車編成４２が引っ張っている引張力４０、機関車編成４２のスロットル設定、機関車編成４２の構成情報、機関車編成４２の速度、個々の機関車構成、個々の機関車能力などを測定するのに使用される。例示的な実施形態では、機関車編成４２の構成情報は、センサ３８を使用せずに読み込むことができ、上述の別の方法によって入力される。更に、編成内の機関車の健全性も考慮することができる。例えば、編成内の１台の機関車が、ノッチレベル５のパワーを超えて運行できない場合には、旅行プランを最適化する際にこの情報が使用される。
【００５３】
また、ロケータ要素からの情報を用いて、列車３１の適切な到着時刻を求めることができる。例えば、路線３４に沿って目的地に向かって移動する列車３１があるが、この列車の後に続く列車はなく、更に列車が、遵守すべき決められた到着期限を持たない場合には、限定ではないが、無線周波数自動装置識別（ＲＦ  ＡＥＩ）タグ、管制、及び／又は映像判断情報装置を含むロケータ要素を用いて、列車３１の正確なロケーションを正確に測定することができる。更に、これらの信号システムからの入力を用いて、列車速度を調整することができる。以下で検討するオンボード路線データベース、及びＧＰＳなどのロケータ要素を使用して、本発明は、所与の機関車ロケーションにおける信号システムの状態を反映させるようにオペレータインタフェースを調整することができる。信号状態が事前に制限速度を示すことになる状況では、プランナは、列車を減速して燃料消費を節約するように選択することができる。
【００５４】
また、ロケータ要素３０からの情報を用いて、目的地までの距離の関数としてプランニング目標を変更することができる。例えば、ルートに沿った混雑に関して必然的な不確実性があることに起因して、ルートの初期部分での「高速の」時間目標を統計的に後で発生する遅延に対しての防衛策として利用することができる。遅延が生じない特定の旅行で起こる場合には、旅行の後半部分の目標を修正して、事前に積上げられた組み込みの余剰時間を活用することにより、燃料効率を幾らか回復させることができる。例えば、都市部に接近するなど、エミッション制限目標に関して同様のストラテジーを呼び出すことができる。
【００５５】
防衛ストラテジーの実施例として、ニューヨークからシカゴまでの旅行が計画されている場合、システムは、旅行の最初、又は旅行の中間、或いは旅行の最後に、列車を減速して運行するオプションを有することができる。本発明は、限定ではないが、天候条件、路線保守などの未知の制約が旅行中に発生し既知となる可能性があるので、旅行の最後に低速運行を許容するように旅行プランを最適化することになる。別の考慮事項として、従来的に混雑する地域が分かっている場合には、従来的に混雑するこれらの地域周辺でより柔軟性を持たせるオプションを有するプランが作成される。従って、本発明はまた、将来に対する、及び／又は既知／過去の経験に基づく重み付け／ペナルティを時間／距離の関数として考慮することもできる。当業者であれば、天候条件、路線条件、路線上の他の列車などを考慮するこのようなプランニング及び再プランニングは、旅行中にいつでも考慮することができ、これに従って旅行プランが調整されることは容易に理解されるであろう。
【００５６】
図３は更に、本発明の一部とすることができる他の要素を開示する。ロケータ要素３０、路線特徴付け要素３３、及びセンサ３８からの情報を受け取るように動作可能なプロセッサ４４が設けられる。アルゴリズム４６は、プロセッサ４４内で機能する。アルゴリズム４６を用いて、機関車４２、列車３１、路線３４、及び上述のようなミッションの目標に関するパラメータに基づいて、最適化旅行プランを計算する。例示的な実施形態では、旅行プランは、列車３１が路線３４に沿って移動する際の列車の動作モデルに基づいて、アルゴリズムにおいて提供される仮定を簡約化した状態の物理特性から導出される非線形微分方程式の解として構築される。アルゴリズム４６は、ロケータ要素３０、路線特徴付け要素３３、及び／又はセンサ３８からの情報にアクセスし、機関車編成４２の燃料消費を最小にし、機関車編成４２のエミッションを最小にし、所要の旅行時間を構築し、及び／又は機関車編成４２に搭乗する適正なクルーの運行時間を確保する旅行プランを作成する。例示的な実施形態では、運転者又はコントローラ要素５１もまた設けられる。本明細書で検討するように、コントローラ要素５１は、旅行プラン５１に従うときに列車を制御するのに使用される。以下でより詳細に検討する例示的な実施形態では、コントローラ要素５１は、列車の運行上の決定を自律的に行う。別の例示的な実施形態では、オペレータは、旅行プランに従うように列車に指示することに携わる。
【００５７】
本発明の必要条件は、実行中のあらゆるプランを最初に作成した後にオンザフライで迅速に修正する能力である。これは、プラン最適化アルゴリズムの複雑さに起因して長距離を伴う場合の初期プランを作成することを含む。旅行プロファイルの全長が、所与の距離を超える場合、アルゴリズム４６を使用して、ミッションをセグメント化することができ、この場合ミッションはウェイポイントにより分割することができる。単一のアルゴリズム４６のみについて検討しているが、１つよりも多いアルゴリズムを使用してもよく、ここでこれらのアルゴリズムは共に連結することができることを当業者であれば容易に認識するであろう。ウェイポイントは、限定ではないが、反対側通行との遭遇又は現在の列車の背後にある列車の通過が単一の路線レール上で生じるように予定されている側線、或いは、車両が集められて連結されることになる構内側線又は引込み線、及び計画された作業のロケーションなど、列車３１が通常停止するロケーションを含むことができる。このようなウェイポイントでは、列車３１は、スケジュールされた時刻にそのロケーションに位置して停止しているか、指定の範囲内の速度で移動していることが必要とされる可能性がある。ウェイポイントにおける到着から出発までの時間間隔は、滞留時間と呼ばれる。
【００５８】
例示的な実施形態では、本発明は、長い旅行を特別な系統的方法でより小さなセグメントに分割することができる。各セグメントは、長さはある程度は任意であるが、典型的には、停止又は重要な速度制限などの通常ロケーションで、又は他のルートとの分岐を定める主要マイル標でピックされる。このような方法で選択された区分又はセグメントが与えられると、図４に示されるように、独立変数として取られる移動時間の関数として運転プロファイルが路線の各セグメント毎に作成される。各セグメントに関連する使用燃料／移動時間のトレードオフは、列車３１が路線の当該セグメントに到達する前に計算することができる。旅行プラン全体は、各セグメント毎に作成された運行プロファイルから作成することができる。本発明は、要求される総旅行時間が満たされ、全セグメントにわたって消費される総燃料ができるだけ小さくなるように、旅行の全セグメント間に最適な方法で移動時間を配分する。図６には、例示的な３セグメントの旅行が開示されており、以下で説明する。ただし、当業者であれば、旅行プランは、セグメントの検討を通じて旅行全体を表す単一のセグメントを含むことができる点を認識するであろう。
【００５９】
図４は、燃料使用量／移動時間曲線の例示的な実施形態を図示している。前述のように、このような曲線５０は、各セグメントの種々の移動時間の最適な旅行プロファイルを計算する際に作成される。すなわち、所与の移動時間４９において、使用燃料５３は、上述のように計算された詳細運転プロファイルの結果である。各セグメントの移動時間が割り当てられると、以前に計算された解からパワー／速度プランが各セグメントについて決定される。限定ではないが、速度制限の変更など、セグメント間の速度に関するウェイポイントの制約が幾らかある場合には、これらの制約は、最適な旅行プロファイルの作成中に調整される。速度制限が単一のセグメント内のみで変わる場合には、変更されたセグメントのみについて燃料使用量／移動時間曲線５０を再計算する必要がある。これにより、旅行のより多くの部分又はセグメントを再計算するのに必要な時間が短縮される。機関車編成又は列車が、例えば、機関車の喪失、又は車両の集配若しくは連結からなど、ルートに沿って著しく変わる場合には、それ以降の全セグメントについての運転プロファイルを再計算して、曲線５０の新しい事例を生成しなければならない。次いで、これらの新しい曲線５０は、残りの旅行をプランニングするために新しいスケジュール目標と共に使用されることになる。
【００６０】
上述のように旅行プランが作成されると、要求される旅行時間で最小の燃料及び／又はエミッションで目的地に到達するために速度及びパワー対距離の曲線が使用される。旅行プランを実行するためには幾つかの方法がある。以下で詳細に定められるように、１つの例示的な実施形態では、最適な旅行プランに従って決定された要求パワー及び速度を得るためにオペレータが従うべき情報を本発明ではコーチングモードでオペレータに表示する。このモードにおいて、運行情報とは、オペレータが使用すべき提案運行条件である。別の例示的な実施形態では、加速及び一定速度の維持が本発明によって実行される。しかしながら、列車３１を減速しなければならないときには、オペレータが制動システム５２の作動の役割を担う。別の例示的な実施形態では、本発明が、所要の速度―距離経路に従う必要のあるパワー及び制動を命令する。
【００６１】
フィードバック制御戦略を使用して、プロファイル内のパワー制御シーケンスに補正を加え、限定ではないが、逆風及び／又は追風変動によって引き起こされる列車の荷重変動のような事象を補正する。別のこのようなエラーは、最適化された旅行プランの仮定と比較した場合、限定ではないが列車の質量及び／又は抗力などの列車のパラメータのエラーにより引き起こされる可能性がある。第３のタイプのエラーは、路線データベース３６に含まれる情報に関して発生する可能性がある。起こりうる他のエラーは、機関車エンジンに起因するモデル化されていない性能の差違、引張モータのサーマルディレーション、及び／又は他の要因を含むことができる。フィードバック制御ストラテジーは、位置の関数としての実速度を所要の最適なプロファイルの速度と比較する。この差違に基づいて、最適なパワープロファイルに補正が加えられ、最適なプロファイルに向けて実速度を駆動する。安定した調節を保証するために、フィードバック速度をフィルタリングしてパワー補正し、限定された性能安定性が確保されることを保証する補償アルゴリズムを提供することができる。補償は、性能目標を満たすために制御システム設計の当業者によって使用される標準的な動的補償を含むことができる。
【００６２】
本発明により、最もシンプルな、従って最も迅速な手段は、鉄道業務における例外では無く規則である旅行目標の変更に対処することが可能となる。途中に停止場所がある地点Ａから地点Ｂまでの燃料最適旅行を決定し、旅行が開始されると旅行の残りにおいて該旅行を更新する例示的な実施形態では、最適な旅行プロファイルを求めるために次善最適な分解法が有用である。モデリング法を使用すると、本計算方法により、停止場所がある場合に全ての速度制限及び機関車能力の制約を満たすような、指定の移動時間及び初期速度と最終速度を有する旅行プランを求めることができる。以下の検討では燃料使用量を最適化することを対象としているが、これは、限定ではないが、エミッション、スケジュール、クルーの快適さ、荷重の影響などの他の要因を最適化するためにも適用することができる。本方法は、旅行プランの作成の最初に使用することができるが、より重要なことには、旅行開始後の目標の変更への適応に用いることができる。
【００６３】
本明細書で検討するように、本発明は、図５に図示される例示的なフローチャート、及び図６に詳細を示される例示的な３セグメントの実施例のようなセットアップを採用することができる。図示されるように、旅行は、２つ又はそれ以上のセグメントＴ１，Ｔ２，Ｔ３に分割することができる。ただし本明細書で検討するように、旅行を単一のセグメントとみなすことは可能である。本明細書で検討するように、セグメントの境界によって均等なセグメントにならない場合もある。或いは、セグメントは、自然の境界又はミッション固有の境界を使用する。各セグメントに関して最適な旅行プランが事前計算される。燃料使用量対旅行時間が、満足することになる旅行目標である場合には、燃料対旅行時間曲線が各セグメント毎に構築される。本明細書で検討するように、曲線は他の要因に基づくことができ、この場合の要因は、旅行プランに関して満足すべき目標である。旅行時間が、決定されるパラメータである場合には、旅行時間全体の制約を満足しながら各セグメントの旅行時間が計算される。図６は、例示的な３セグメントの２００マイル旅行の速度制限を示している９７。更に、２００マイル旅行にわたる勾配の変化が示されている９８。移動時間にわたって使用される燃料に関する旅行の各セグメントの曲線を図示する合成チャート９９も示されている。
【００６４】
上述の最適制御のセットアップを使用すると、本計算方法は、停止場所がある場合に、速度制限及び機関車の機能上の制約を全て満たすような、指定の移動時間及び初期速度と最終速度を有する旅行プランを求めることができる。以下の詳細な検討は燃料使用量を最適化することを対象としているが、限定ではないが、エミッションなどの他の要因を本明細書に記載するように最適化するのにも適用することができる。重要な柔軟性は、停止場所における所要の滞留時間に対応すること、及び、例えば側線内に位置するか又は測線を通過する時間が重要となる単線の運行において必要とされる可能性があるようなロケーションにおける最も早い到着及び出発に関する制約を考慮することである。
【００６５】
本発明は、Ｄ０からＤＭまでの距離を時間Ｔで移動し、Ｄ１，．．．，ＤＭ−１に位置するＭ−１箇所の中間停止場所があり、これらの停止場所における到着時刻及び出発時刻が以下の制約を受ける場合の燃料最適旅行を求める。
【００６６】
【数９】
0005593066.tif 000010
ここで、ｔａｒｒ（Ｄｉ）、ｔｄｅｐ（Ｄｉ）、Δｔｉはそれぞれ、ｉ番目の停止場所における到着時刻、出発時刻、最小停止時間である。燃料最適性が停止時間を最小にすることと仮定すると、
【００６７】
【数１０】
0005593066.tif 000011
となり、これにより上記の２番目の不等式が排除される。各々ｉ＝１，．．．，Ｍとすると、
【００６８】
【数１１】
0005593066.tif 000012
の移動時間ｔにおけるＤｉ−１からＤｉまでの燃料最適旅行が既知となる。Ｆｉ（ｔ）をこの旅行に対応する燃料使用量とする。Ｄｊ−ｉからＤｊまでの移動時間をＴｊで表すと、Ｄｉにおける到着時刻は、以下の式で与えられる。
【００６９】
【数１２】
0005593066.tif 000013
ここで、Δｔ０は０であると定義される。従って、移動時間ＴのＤ０からＤＭまでの燃料最適旅行は、以下の式を最小にするＴｉ（ｉ＝１，．．．，Ｍ）を求めることで得られる。
【００７０】
【数１３】
0005593066.tif 000014
但し、
【００７１】
【数１４】
0005593066.tif 000015
【００７２】
【数１５】
0005593066.tif 000016
旅行中になると、問題は、旅行の進行に応じて旅行（元来は時間ＴでＤ０からＤＭまで）の残りの部分について燃料最適解を再決定することであるが、この場合、外乱は燃料最適解に従うことを妨げる。現在の距離及び速度をそれぞれｘ及びｖとし、ここで、
【００７３】
【数１６】
0005593066.tif 000017
である。更に、旅行の開始からの現在の時間をｔａｃｔとする。ＤＭでの当初の到着時刻を保持する、ｘからＤＭまでの旅行の残りの部分についての燃料最適解は、以下の式
【００７４】
【数１７】
0005593066.tif 000018
を最小にする
【００７５】
【数１８】
0005593066.tif 000019
を求めることで得られる。
但し、
【００７６】
【数１９】
0005593066.tif 000020
【００７７】
【数２０】
0005593066.tif 000021
【００７８】
【数２１】
0005593066.tif 000022
ここで、
【００７９】
【数２２】
0005593066.tif 000023
は、ｘでの初期速度ｖで時間ｔにおいて移動し、ｘからＤｉまでの最適旅行で使用される燃料である。
【００８０】
上述のように、より効率的な再プランニングを可能にする例示的な方法は、分割セグメントから停止場所間の旅行最適解を構築することである。Ｄｉ−１からＤｉまでの旅行では、移動時間Ｔｉの場合、中間地点の集合Ｄｉｊ，ｊ＝１，．．．，Ｎｉ−１を選択する。Ｄｉ０＝Ｄｉ−１及びＤｉＮｉ＝Ｄｉとする。従って、Ｄｉ−１からＤｉまでの最適旅行の燃料使用量は次式で表される。
【００８１】
【数２３】
0005593066.tif 000024
ここで、ｆｉｊ（ｔ，ｖｉ，ｊ−１，ｖｉｊ）は、Ｄｉ，ｊ−１からＤｉｊまでを時間ｔで移動し、初期速度がＶｉ，ｊ−１、最終速度がＶｉｊである最適旅行の燃料使用量である。更に、ｔｉｊは距離Ｄｉｊに相当する最適旅行の時間である。定義により、
【００８２】
【数２４】
0005593066.tif 000025
である。列車はＤｉ０及びＤｉＮｉで停止するので、
【００８３】
【数２５】
0005593066.tif 000026
となる。
【００８４】
上記の式により、最初に
【００８５】
【数２６】
0005593066.tif 000027
を求め、次いで、次式：
【００８６】
【数２７】
0005593066.tif 000028
但し、
【００８７】
【数２８】
0005593066.tif 000029
【００８８】
【数２９】
0005593066.tif 000030
【００８９】
【数３０】
0005593066.tif 000031
を最小にする、
【００９０】
【数３１】
0005593066.tif 000032
及び
【００９１】
【数３２】
0005593066.tif 000033
を求めることにより、関数Ｆｉ（ｔ）を代替的に求めることができる。
【００９２】
Ｄｉｊ（例えば、速度制限又は遭遇地点で）を選択することで、
【００９３】
【数３３】
0005593066.tif 000034
を最小にすることができ、従って、ｆｉｊ（）が既知となることが必要な領域を最小にする。
【００９４】
上記の分割に基づき、上述の手法よりも簡単な次善最適の再プランニング手法は、列車が距離点
【００９５】
【数３４】
0005593066.tif 000035
にあるときに再プランニングを制約することである。地点Ｄｉｊにおいて、ＤｉｊからＤＭまでの距離の新しい最適旅行は、次式：
【００９６】
【数３５】
0005593066.tif 000036
但し、
【００９７】
【数３６】
0005593066.tif 000037
【００９８】
【数３７】
0005593066.tif 000038
【００９９】
【数３８】
0005593066.tif 000039
ここで、
【０１００】
【数３９】
0005593066.tif 000040
を最小にする、
【０１０１】
【数４０】
0005593066.tif 000041
及び、
【０１０２】
【数４１】
0005593066.tif 000042
を求めることによって決定することができる。
【０１０３】
更なる簡約化は、距離点Ｄｉに達するまで、
【０１０４】
【数４２】
0005593066.tif 000043
の再計算を待機することにより得られる。このようにすると、Ｄｉ−１からＤｉまでの地点Ｄｉｊにおいて、上記の最小化は、
【０１０５】
【数４３】
0005593066.tif 000044
に対して実行しさえすればよい。Ｔｉは、計画よりも長いＤｉ−１からＤｉｊまでのあらゆる実移動時間に対処するために必要に応じて増加させる。この増加は、距離点Ｄｉにおける、
【０１０６】
【数４４】
0005593066.tif 000045
の再計算により可能であれば後で補償される。
【０１０７】
上記で開示した閉ループ構成に関して、列車３１を地点Ａから地点Ｂに動かすのに必要とされる総投入エネルギーは、４つの成分の合計、具体的には、地点Ａと地点Ｂとの間の運動エネルギーの差違、地点Ａと地点Ｂとの間のポテンシャルエネルギーの差違、摩擦及びその他の抗力損失に起因するエネルギー損失、及び制動作動により消費されるエネルギーの合計から成る。開始速度と終了速度とが同じである（例えば静止している）と仮定すると、最初の成分は０となる。更に、２番目の成分は、運転ストラテジーとは無関係である。従って、後の２つの成分の合計を最小にすることで十分である。
【０１０８】
一定の速度プロファイルに従うことにより抗力損失が最小になる。また、一定の速度プロファイルに従うことにより、一定の速度を保つために制動が必要ではない場合には、総エネルギー投入が最小になる。しかしながら、一定の速度を保つために制動が必要とされる場合には、制動によって消費されるエネルギーを補充する必要があるので、一定の速度を保つためにだけ制動を作動させると必要な総エネルギーが増える可能性が高くなる。幾らかの制動が総エネルギー使用量を実際に低減することができる可能性があるのは、速度変動を軽減することで、制動によって生じる抗力損失の減少分だけ付加的な制動損失がより大きく相殺される場合である。
【０１０９】
上述の事象の収集による最プランニングを完了した後、本明細書で説明する閉ループ制御を用いて、新しい最適なノッチ／速度プランに従うことができる。しかしながら、場合によっては、上述のセグメント分割によるプランニングを実行するための十分な時間がないことがあり、特に、遵守しなければならない重大な速度制約がある場合には代替方法が必要となる。本発明は、「スマートクルーズコントロール」と呼ばれるアルゴリズムを用いてこれを実現する。スマートクルーズコントロールアルゴリズムは、既知の地形で列車３１を運転するためのエネルギー効率（従って燃料効率）の次善最適な規定をオンザフライで生成する効率的な方法である。このアルゴリズムは、常に路線３４に沿った列車３１位置を認識していること、並びに路線の勾配及び曲率対位置を認識していることを前提とする。本方法は、列車３１の動きの質点モデルに依存しており、列車のパラメータは、前述のように列車の動きのオンライン測定値から適応的に推定することができる。
【０１１０】
スマートクルーズコントロールアルゴリズムは、３つの基本構成要素を有し、具体的には、速度制限の引き下げに関連したエネルギー効率ガイドとして機能する修正速度制限プロファイル；速度変動の最小化と制動とのバランスを取るよう試みる理想スロットル又は動的制動設定プロファイル；及びモデル化パラメータを現実のパラメータと比較したときの不整合を補償するための速度フィードバックループを利用して、上記２つの構成要素を組み合わせてノッチ命令を生成するメカニズムである。スマートクルーズコントロールは、アクティブ制動を行わない本発明のストラテジー（すなわち、運転者が信号を受けて、必要な制動を行うことを前提とする）、又はアクティブ制動を行う変形形態のストラテジーに対応することができる。
【０１１１】
動的制動を制御しないクルーズコントロールアルゴリズムに関して、３つの例示的な構成要素は、制動を作動させる必要のあるタイミングをオペレータに通知するよう指示される通知信号を速度制限の引き下げに関連したエネルギー効率ガイドとして機能させる修正速度制限プロファイル、速度変動の最小化とオペレータへの制動作動の通知とのバランスを取るよう試みる理想スロットルプロファイル、及び現実のパラメータに対するモデルパラメータの不整合を補償するためのフィードバックループを採用するメカニズムである。
【０１１２】
更に本発明に含まれるのは、列車３１の主要パラメータ値を識別する手法である。例えば、列車の質量を推定することに関して、Ｋａｌｍａｎフィルタ及び再帰的最小二乗法を用いて経時的に発生する可能性のあるエラーを検出することができる。
【０１１３】
図７は、本発明の例示的なフローチャートを示している。前述のように、管制６０などの遠隔施設は、本発明に情報を提供することができる。図示のように、このような情報はエグゼクティブコントロール要素６２に提供される。また、エグゼクティブコントロール要素６２に提供されるものとしては、機関車のモデリング情報データベース６３と、限定ではないが、路線勾配情報及び速度制限情報などの路線データベース３６からの情報と、限定ではないが、列車重量及び抗力係数などの推定列車パラメータと、燃料比推定器６４からの燃料比テーブルとがある。エグゼクティブコントロール要素６２は、図１により詳細に開示されているプランナ１２に情報を提供する。旅行プランが計算されると、該プランは、運転アドバイザ、又は運転者、又はコントローラ要素５１に提供される。旅行プランはまた、エグゼクティブコントロール要素６２にも提供され、他の新規データが提供されたときに、エグゼクティブコントロール要素が旅行を比較することができるようにする。
【０１１４】
上述のように、運転アドバイザ５１は、ノッチパワーを予め設定されたノッチ設定又は最適な連続ノッチパワーのいずれかに自動的に設定することができる。機関車３１に速度命令を供給することに加え、ディスプレイ６８を設けて、プランナが推奨したものをオペレータが見ることができるようにする。オペレータはまた、コントロールパネル６９にアクセスする。コントロールパネル６９を通じて、オペレータは、推奨されたノッチパワーを適用するかどうかを決定することができる。この目的のために、オペレータは目標パワー又は推奨パワーを制限することができる。すなわち、どの時点においても、オペレータは常に、機関車編成がどのパワー設定で運行するかについての最終的な権限がある。これは、旅行プランが列車３１の減速を推奨する場合に制動を作動させるかどうかを決定することを含む。例えば、暗い地域で運行している場合、又は沿線装置からの情報が列車に電子的に送信できず、代わりにオペレータが沿線装置からの視覚信号を目視する場合には、オペレータが路線データベースに含まれる情報及び沿線装置からの視覚信号に基づいて命令を入力する。列車３１がどのように機能しているかに基づいて、燃料測定に関する情報が燃料比測定器６４に供給される。機関車編成では燃料流量の直接測定は通常利用可能ではないので、最適なプランの作成で使用されるような較正物理モデルを用いて、旅行の今までに消費された燃料に関する全ての情報提供、及び最適プランに従った将来的な予測が実行される。例えば、このような予測は、限定ではないが、測定される総馬力、及び累積使用燃料を導き出すための既知の燃料特性の利用を含むことができる。
【０１１５】
列車３１はまた、上述のようにＧＰＳセンサなどのロケータ装置３０を有する。情報は、列車パラメータ推定器６５に提供される。このような情報は、限定ではないが、ＧＰＳセンサデータ、引張／制動力データ、制動ステータスデータ、速度、及び速度データのあらゆる変化を含むことができる。勾配及び速度制限情報に関する情報では、列車重量及び抗力係数情報が、エグゼクティブコントロール要素６２に供給される。
【０１１６】
本発明はまた、最適化プランニング及び閉ループ制御実装全体にわたり、連続可変パワーの使用にも対応することができる。従来型の機関車では、パワーは通常、８つの離散的なレベルに量子化される。現在の機関車は、馬力の連続的な変化を実現することができ、これは、前述の最適化方法に組み込むことができる。パワーが連続的であることにより、機関車４２は更に、例えば、補助荷重及びパワー伝達損失を最小にすることによって運行条件を最適化し、エンジンの最適効率の馬力領域又は増大したエミッションマージンのポイントまで微調整することができる。実施例は、限定ではないが、冷却システムの損失を最小にすること、交流電圧を調整すること、エンジン速度を調整すること、駆動アクスル数を低減することを含む。更に、機関車４２は、オンボードの路線データベース３６及び予想性能条件を用いて、補助荷重及びパワー伝達損失を最小にし、目標燃料消費／エミッションに関して最適効率をもたらすことができる。実施例は、限定ではないが、平地において駆動アクスル数を低減すること、及びトンネルに入る前に機関車のエンジンを予め冷却することを含む。
【０１１７】
本発明はまた、オンボードの路線データベース３６及び予測される性能を使用して、列車が坂及び／又はトンネルに接近するときに列車が十分な速度を確実に有するようにするなど、機関車の性能を調整することができる。例えば、これは、ある特定のロケーションでの速度制約として表すことができ、式（ＯＰ）を解いて生成される最適プラン作成の一部となる。更に、本発明は、限定ではないが、引張力のランプレート、最大制動力のランプレートなどの列車操縦規則を組み込むことができる。これらは、最適旅行プロファイルの式に直接組み込むことができ、代替的に、目標速度を得るためにパワー印加を制御するのに使用される閉ループレギュレータに組み込むこともできる。
【０１１８】
好ましい実施形態では、本発明は、列車編成の先頭機関車にのみ導入される。本発明は、他の機関車とのデータ又は相互作用には依存しないが、米国特許第６，６９１，９５７号及び米国特許出願番号１０／４２９，５９６（譲受人により所有され、いずれも引用により本明細書に組み込まれる）において開示されるような編成マネージャの機能性及び／又は編成オプティマイザの機能性と一体化されて、効率を改善することができる。本明細書で説明する２つの「個別に最適化される」列車を仲裁する管制の実施例で示されるように、複数の列車との相互作用は排除されるわけではない。
【０１１９】
分散型パワーシステムを備える列車は、種々のモードで運行することができる。１つのモードでは、列車内の全ての機関車が同じノッチ命令で運行する。従って、先頭機関車がＮ８でのモータリングを命令している場合、列車内の全てのユニットはＮ８パワーのモータリングを生成するように命令されることになる。別の運行モードは、「個別」制御である。このモードでは、列車全体にわたって配置されている機関車及び機関車のセットを、異なるモータリング又は制動力で運行することができる。例えば、列車が山頂に達すると、（山の下り坂に位置する）先頭機関車は制動状態にすることができるが、（山の上り坂に位置する）列車の中間又は後尾の機関車は、モータリング状態にすることができる。これは、鉄道車両と機関車とを連結するメカニカルカプラに加わる張力を最小にするために行われる。従来は、「個別」モードで分散型パワーシステムを動作させると、オペレータが、先頭機関車内のディスプレイを通じて各遠隔機関車又は機関車のセットに手動で命令する必要があった。システムは、物理特性ベースのプランニングモデル、列車のセットアップ情報、オンボードの路線データベース、オンボードの運行規則、ロケーション決定システム、リアルタイム閉ループパワー／制動制御、及びセンサフィードバックを使用して、「個別」モードで分散型パワーシステムを自動的に動作させるものである。
【０１２０】
分散型パワーでの運行時、先頭機関車内のオペレータは、分散型パワー制御要素などの制御システムを介して遠隔編成内の遠隔機関車の運行機能を制御することができる。従って、分散型パワーでの運行時、オペレータは、各機関車編成に対して異なるノッチパワーレベル（又は１つの編成はモータリングとし、別の編成は制動状態とすることができる）で運行するように命令することができ、この場合、機関車編成内の各個々の機関車は同じノッチパワーで運行する。本発明が列車に導入される例示的な実施形態では、遠隔機関車編成のノッチパワーレベルが、最適化された旅行プランによって推奨されるような所要のレベルである場合、好ましくは分散型パワー制御要素との通信において、本発明は、実装するためにこのパワー設定を遠隔機関車編成に伝達する。下記で述べるように、制動に関しても同じことが当てはまる。
【０１２１】
本発明は、機関車が連続していない、例えば１つ又はそれ以上の機関車が列車の最前列にあり、他の機関車が中間及び後方にある編成に対して使用することができる。このような構成は分散型パワーと呼ばれ、機関車間の標準的な連結は、無線リンク又は補助ケーブルで置き換えられ、機関車を外部にリンクする。分散型パワーでの運行時、先頭機関車内のオペレータは、編成内の遠隔機関車の運行機能を分散型パワー制御要素などの制御システムを介して制御することができる。特に、分散型パワーでの運行時、オペレータは、各機関車編成に対して異なるノッチパワーレベルで運行する（又は１つの編成はモータリングとし、別の編成は制動状態とすることができる）ように命令することができ、この場合、機関車編成内の各個々の機関車は同じノッチパワーで運行する。
【０１２２】
本発明が列車に導入された例示的な実施形態では、好ましくは分散型パワー制御要素との通信において、遠隔機関車編成のノッチパワーレベルが、最適化された旅行プランによって推奨されるような所要のレベルである場合、本発明は実装のためにこのパワー設定を遠隔の機関車編成に伝達する。下記で述べるように、制動に関しても同じことが当てはまる。分散型パワーでの運行時、遠隔ユニットの各々を先頭ユニットから個別に制御することができる点で、前述の最適化問題を自由度の追加を許容するように強化することができる。このことの重要性は、列車内の力を反映するモデルも含まれると仮定すれば、列車内の力に関する追加の目標又は制約を評価関数に組み込むことができることである。従って、本発明は、燃料消費及びエミッションと並んで、列車内の力を良好に管理するために複数のスロットル制御装置の使用を含むことができる。
【０１２３】
編成マネージャを使用する列車では、機関車編成内の先頭機関車は、当該編成内の他の機関車とは異なるノッチパワー設定で運行することができる。編成内の他の機関車は、同じノッチパワー設定で運行する。本発明は、編成マネージャと併せて利用して、編成内の機関車にノッチパワー設定を命令することができる。従って、本発明に基づくと、編成マネージャが機関車編成を２つのグループ、すなわち先頭機関車と後続ユニットとに分けるので、先頭機関車は、ある特定のノッチパワーで運行するように命令され、後部機関車は別の特定のノッチパワーで運行するように命令されることになる。例示的な実施形態では、分散型パワー制御要素は、この動作が内蔵されたシステム及び／又は装置とすることができる。
【０１２４】
同様に、編成オプティマイザが機関車編成で使用される場合には、本発明を編成オプティマイザと併せて用いて、機関車編成内の各機関車のノッチパワーを決定することができる。例えば、旅行プランが機関車編成に関してノッチパワー設定４を推奨していると仮定する。列車のロケーションに基づいて、編成オプティマイザはこの情報を取り出し、次いで編成内の各機関車のノッチパワー設定を決定することになる。この実装では、列車内通信チャネルにわたってノッチパワー設定を設定することに関する効率が改善される。更に、上述のように、この構成の実装は、分散型制御システムを利用して実行することができる。
【０１２５】
更に、前述したように、本発明は、限定ではないが、編成内の各機関車が異なる制動オプションを必要とする可能性のある踏切、勾配変化、接近中の側線、接近中の停車場、及び接近中の燃料補給所などの関心のある到来事項に基づいて、列車編成が制動を用いるタイミングに関する連続的な修正及び再プランニングに用いることができる。例えば、列車が坂を越えようとしている場合、先頭機関車は制動状態に入る必要があり、一方、遠隔機関車は坂の頂上に達しておらず、モータリング状態を維持しなければならない可能性がある。
【０１２６】
図８、９、１０は、オペレータによって使用される動的ディスプレイの例示的な図である。図８に示されるように、旅行プロファイルが設けられている７２。プロファイル内部では、機関車ロケーション７３が提供されている。列車の長さ１０５及び列車の車両数１０６などの情報が提供される。路線勾配１０７、橋ロケーション１０９を含むカーブ及び沿線要素１０８、及び列車速度１１０に関する要素も提供される。ディスプレイ６８により、オペレータはこのような情報を見ることができ、列車がルートに沿ってどこにいるかを確認することもできる。踏切１１２、信号機１１４、速度変化１１６、ランドマーク１１８、及び目的地１２０などのロケーションまでの距離及び／又は推定到着時刻に関する情報が提供される。また、到着時刻管理ツール１２５が提供され、ユーザは、旅行中に達成される燃料節約を測定することができる。オペレータは、到着時刻１２７を変更し、これが燃料節約にどのように影響するかを目にすることができる。本明細書で検討されるように、当業者であれば、燃料節約は管理ツールを用いて評価することのできる単なる１つの目標の例示的な実施例であることを認識するであろう。従って、観察されるパラメータに応じて、オペレータに見える管理ツールを用いて本明細書で記載される他のパラメータを目視して評価することができる。オペレータにはまた、クルーが列車を運行している時間に関する情報が提供される。例示的な実施形態では、時間及び距離の情報は、特定の事象及び／又はロケーションまでの時間及び／又は距離として示すことができ、或いは、経過した総時間を提供することもできる。
【０１２７】
図９に図示されるように、例示的なディスプレイが、編成データ１３０、事象及び状況グラフ１３２、到着時刻管理ツール１３４、及びアクションキー１３６に関する情報を提供する。上述のような同様の情報は、このディスプレイでも提供される。このディスプレイ６８はまた、オペレータが再プランニングすること、並びに本発明を無効にする１４０ことができるようにアクションキー１３８を備える。
【０１２８】
図１０は、ディスプレイの別の例示的な実施形態を示している。エアブレーキ状態７２、デジタル表示を含むアナログ速度計７４、及び引張力に関する重量ポンド単位の情報（又はＤＣ機関車の引張アンプ）を含む、現在の機関車に特有のデータが見える。表示器７４は、実行中のプランにおける現在の最適速度、並びに読み取り値をマイル時速／分で補完する加速度計グラフを示すために提供される。最適な速度及びノッチ設定対距離をこれらの変数の現在の履歴と比較した波形ストリップグラフ７６を含む、最適プランの実行に重要な新規データが、画面の中央に表示される。この例示的な実施形態では、列車のロケーションは、ロケータ要素を用いて得られる。図示されるように、列車が最終目的地、絶対位置、最初の目的地、中間地点、及び／又はオペレータ入力からどれくらい離れているかを識別することでロケーションが提供される。
【０１２９】
このストリップチャートは、最適プランに従うのに必要とされる速度の変更に対する予測を提供し、これは、手動制御において有用であり、自動制御中にはプランに対する実際を監視する。本明細書に記載されるように、コーチングモードにある場合などでは、オペレータは、本発明によって提案されるノッチ又は速度のいずれかに従うことができる。垂直バーは、所要のノッチ及び実ノッチのグラフを示し、ストリップチャートの下にもデジタル表示される。上述のように連続ノッチパワーが利用される場合には、ディスプレイでは最も近い離散相当値に単に丸められ、アナログ同等値又は百分率或いは実馬力／引張力が表示されるためには、ディスプレイはアナログディスプレイとすることができる。
【０１３０】
旅行ステータスに関する重要な情報が画面上に表示され、列車が遭遇する現在の勾配８８を、先頭機関車、又は列車に沿った他の場所で直面する勾配、又は列車の長さ全体にわたる平均で示す。プランにおいてこれまで移動した距離９０、使用された累積燃料９２、次の停止が計画されている場所又は離れている距離９４、現在及び予測到着時刻９６、並びに次の停止場所での予想時間も開示される。ディスプレイ６８はまた、利用可能な計算プランに関して可能な目的地までの最大可能時間を示す。更に遅い到着が必要とされる場合には、再プランニングが実行されることになる。差分プランデータは、現在の最適プランの前後の燃料及びスケジュールのステータスを示している。負の数は、プランと比べて燃料が少ないこと又は進んでいることを意味し、正の数は、プランと比べて燃料が多いこと又は遅れていることを意味し、通常は相反する方向でのトレードオフとなる（燃料を節約するために減速すると、列車は遅くなり、逆もまた同様である）。
【０１３１】
これらのディスプレイ６８は常に、現在開始されている運転プランに関してオペレータが支持する場所のスナップショットを与える。オペレータ及び／又は管制に対してこの情報を表示／伝送する方法は他にも多数あるので、このディスプレイは、説明の目的のものに過ぎない。従って、上記で開示した情報を組み合わせて、本明細書で開示されたものとは異なるディスプレイを提供することができる。
【０１３２】
本発明に含めることのできる他の特徴は、限定ではないが、データログ及びレポートの生成を可能にすることを含む。この情報は、列車に保存され、ある時点でオフボードのシステムにダウンロードすることができる。ダウンロードは、手動及び／又は無線送信を介して行うことができる。この情報はまた、機関車のディスプレイを介してオペレータに可視にすることもできる。データは、限定ではないが、オペレータ入力、時間システム、燃料節約、列車内の機関車間の燃料不均衡、コース外列車の行程、ＧＰＳセンサが誤動作している場合などのシステム故障診断問題などの情報を含むことができる。
【０１３３】
旅行プランはまた、許容可能なクルーの運行時間を考慮する必要があるので、本発明は、旅行を計画する際にこのような情報を考慮に入れることができる。例えば、クルーが運行できる最大時間が８時間である場合、旅行は、新しいクルーが現在のクルーと交代する停止ロケーションを含めるように作成されるものとする。このような特定の停止ロケーションは、限定ではないが、車両基地、遭遇／通過ロケーションなどを含むことができる。旅行が進行し、旅行時間が超過した場合、オペレータによって決定された基準に適合するように、オペレータが本発明を無効にする場合もある。最終的には、限定ではないが、高荷重、低速度、列車の引張条件などの列車の運行条件に関係なく、オペレータは、列車速度及び／又は運行条件を命令する主導権を有したままである。
【０１３４】
本発明を使用すると、列車を複数の動作で運行することができる。１つの運行上の概念では、本発明は、推進力、及び動的制動を命令する命令を提供することができる。次に、オペレータが他の全ての列車機能を操作する。別の運行概念では、本発明は、推進力だけを命令する命令を提供することができる。次いで、オペレータは動的制動及び他の全ての列車機能を操作する。更に別の運行概念では、本発明は、推進力、動的制動、及びエアブレーキ作動を命令する命令を提供することができる。次いで、オペレータは他の全ての列車機能を操作する。
【０１３５】
本発明はまた、対処すべき措置の関心のある到来事柄をオペレータに通知することによって使用することもできる。具体的には、本発明の予測ロジック、最適化された旅行プラン及び路線データベースへの連続的な修正及び再プランニングでは、接近中の踏切、信号機、勾配変化、制動動作、側線、車両基地、燃料補給所などをオペレータに通知することができる。この通知は、音響的及び／又はオペレータのインタフェース介して行うことができる。
【０１３６】
具体的には、物理特性ベースのプランニングモデル、列車セットアップ情報、オンボード路線データベース、オンボード運行規則、ロケーション決定システム、リアルタイム閉ループパワー／制動制御、及びセンサフィードバックを使用して、システムは、オペレータに対し必要な動作を提示及び／又は通知するものとする。この通知は、可視及び／又は可聴のものとすることができる。実施例としては、オペレータが機関車の警笛及び／又はベルを作動させる必要がある踏切を通知すること、オペレータが機関車の警笛及び／又はベルを作動させる必要がない「無音」踏切を通知することを含む。
【０１３７】
別の例示的な実施形態では、上述の物理特性ベースのプランニングモデル、列車セットアップ情報、オンボード路線データベース、オンボード運行規則、ロケーション決定システム、リアルタイム閉ループパワー／制動制御、及びセンサフィードバックを使用して、本発明は、オペレータ情報（ディスプレイ上の計測器など）を提示することができ、これにより、オペレータは図９に示すように種々のロケーションにいつ列車が到着するかを確認することができる。システムは、オペレータが旅行プラン（目標の到着時刻）を調整できるようにするものとする。この情報（推定される実際の到着時刻、又はオフボードで得る必要のある情報）はまた、管制センタに伝達され、ディスパッチャ又は管制システムが目標の到着時刻を調整できるようにすることができる。これにより、システムは、適切な目的の機能を迅速に調整及び最適化することが可能となる（例えば、速度と燃料使用量のトレードオフ）。
【０１３８】
上記に提供された情報に基づき、本発明の例示的な実施形態を使用して、路線上の列車３１のロケーションをステップ１８で決定することができる。列車のパラメータ推定器６５を用いることなどによって、路線特性の決定も行うことができる。旅行プランは、列車のロケーション、路線の特性、及び列車の少なくとも１つの機関車の運行条件に基づいて作成することができる。更に、無線通信システム４７などを通じて最適パワー条件を列車に伝達することができ、ここで、列車のオペレータには、機関車、機関車編成、及び／又は列車が最適なパワーに従うように指示することができる。列車のオペレータに指示しない別の実施例では、列車３１、機関車編成１８、及び／又は機関車は、最適なパワー設定に基づいて自動で運行することができる。
【０１３９】
更に、方法はまた、旅行プランに基づいて機関車編成１８のパワー設定、又はパワー命令１４を決定する段階を含むことができる。次いで、機関車編成１８は、このパワー設定で運行される。限定ではないが、列車の実速度、機関車編成の実パワー設定、及び列車のロケーションなどの、列車及び／又は機関車編成の運行パラメータを収集することができる。これらのパラメータの少なくとも１つを、機関車編成が運行するように命令されるパワー設定と比較することができる。
【０１４０】
別の実施形態では、方法は、列車及び／又は機関車編成の運行パラメータ６２を決定する段階を含むことができる。所要の運行パラメータは、決定された運行パラメータに基づいて決められる。決定されたパラメータは、運行パラメータと比較される。差異が検出された場合、旅行プランがステップ２４で調整される。
【０１４１】
別の実施形態は、路線３４上の列車３１のロケーションを求める方法を含むことができる。路線３４の特性も決定される。旅行プラン又は運転プランは、燃料消費を最小にするように作成又は生成される。旅行プランは、列車のロケーション、路線の特性、及び／又は機関車編成１８及び／又は列車３１の運行条件に基づいて生成することができる。同様の方法では、路線上の列車のロケーションが決定され、路線の特性が既知であると、燃料消費を最小にするように推進力制御及び／又はノッチ命令が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０１４２】
【図１】本発明の例示的な実施形態のフローチャートの例示的な図。
【図２】利用可能な列車の簡略モデル。
【図３】本発明の例示的な実施形態の要素の例示的な実施形態の図。
【図４】燃料使用量／移動時間曲線の例示的な実施形態の図。
【図５】旅行プランニングの区分分解法の例示的な実施形態の図。
【図６】区分実施例の例示的な実施形態の図。
【図７】本発明の例示的な実施形態の例示的なフローチャート。
【図８】オペレータによって使用される動的なディスプレイの例示的な図。
【図９】オペレータによって使用される動的なディスプレイの別の例示的な図。
【図１０】オペレータによって使用される動的なディスプレイの別の例示的な図。
【符号の説明】
【０１４３】
１０  管制命令
１２  プラン作成する  旅行開始
１４  パワー命令を生成
１６  パワー命令に従う
１８  実速度、パワー、位置を取得
２０  列車／機関車のパラメータを推定
２２  推測値を仮定値と比較
２４  再プランニング
２５  予測到着時刻を計画時刻と比較する
２６  プランを調整する
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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