СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ ВНУТРИПОЕЗДНЫХ СИЛ ПОЕЗДА
METHOD AND DEVICE TO LIMIT IN-TRAIN FORCES

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к работе поезда и, в частности, к ограничению внутрипоездных сил для снижения вероятности повреждения поезда и вагонов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Локомотив является сложной системой с многочисленными подсистемами, причем каждая подсистема взаимосвязана с другими подсистемами. Машинист на локомотиве применяет тяговое и тормозное усилие для управления скоростью локомотива и его нагрузкой вагонов, чтобы гарантировать безопасное и своевременное прибытие в нужный пункт назначения. Управление скоростью также нужно применять для поддержания внутрипоездных сил в допустимых пределах, тем самым избегая чрезмерных сил автосцепки и возможности разрыва поезда. Для осуществления этой функции и согласования с предписанными рабочими скоростями, которые могут изменяться в зависимости от положения поезда на пути, машинист, в общем случае, должен иметь большой опыт вождения локомотива по указанной местности с различными вагонными сцепками.
Управление поездом также можно осуществлять посредством системы автоматического управления поездом, которая определяет различные параметры поезда и поездки, например хронирование и величину тяговых и тормозных усилий, для управления поездом. Альтернативно, система управления поездом рекомендует машинисту предпочтительные действия по управлению поездом, при этом машинист осуществляет управление поездом в соответствии с рекомендуемыми действиями или в соответствии с собственными независимыми представлениями по управлению поездом.
Состояние люфта автосцепки поезда (расстояние между двумя связанными автосцепками и изменения расстояния между ними) существенно виляет на управление поездом. Определенные действия по управлению поездом разрешены при наличии определенных состояний люфта, тогда как другие действия по управлению поездом нежелательны, поскольку они могут привести к повреждению поезда, вагона или автосцепки. Если состояние люфта поезда (или участков поезда) можно определить, предсказать или вывести, надлежащие действия по управлению поездом можно выполнять в соответствии с ним, минимизируя опасность повреждения или разрыва поезда.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно варианту осуществления создано устройство для эксплуатации железнодорожной системы, содержащей головную локомотивную сцепку, неголовную локомотивную сцепку и вагоны. Устройство включает в себя первый элемент для определения состояния люфта участков железнодорожной системы, в котором участки разграничены узлами, и элемент управления, способный управлять приложением тягового усилия или тормозного усилия железнодорожной системы, головной локомотивной сцепки и/или неголовной локомотивной сцепки.
Согласно другому варианту осуществления создано устройство для управления железнодорожной системой. Устройство имеет первый элемент для определения состояния люфта железнодорожной системы или участков железнодорожной системы и второй элемент для управления приложением тягового усилия или приложением тормозного усилия к железнодорожной системе на основании состояния люфта.
Согласно еще одному варианту осуществления создано устройство для определения состояния люфта железнодорожного транспортного средства железнодорожной системы, когда железнодорожное транспортное средство проходит участок пути. Устройство включает в себя первый элемент для определения запланированного приложения тягового усилия и тормозного усилия для железнодорожного транспортного средства по мере прохождения участка пути. Второй элемент предусмотрен для определения состояния люфта в одном или нескольких положениях на участке пути до того, как железнодорожное транспортное средство пройдет по участку пути, на основании запланированного приложения тягового усилия и тормозного усилия. Предусмотрен также третий элемент для повторного определения состояния люфта в одном или нескольких положениях на основании отклонений от запланированного приложения тягового усилия и тормозного усилия.
Согласно еще одному варианту осуществления создано устройство для определения условий сцепления для железнодорожной системы. Железнодорожная система включает в себя один или несколько локомотивов и вагонов, причем соседние из одного или нескольких локомотивов и вагонов связаны запертой автосцепкой, присоединенной к каждому из одного или нескольких локомотивов и вагонов. Устройство включает в себя первый элемент для определения естественного ускорения одного или нескольких вагонов железнодорожной системы, и второй элемент для определения общего ускорения железнодорожной системы и определения соотношения между естественным ускорением вагона и общим ускорением, в котором соотношение указывает состояние люфта для вагона.
Согласно еще одному варианту осуществления создано устройство для определения условий сцепления для железнодорожной системы, содержащей головную локомотивную сцепку, неголовную локомотивную сцепку и вагоны, причем соседние из локомотивов и вагонов связаны автосцепкой. Устройство имеет первый элемент для определения рабочего параметра головной локомотивной сцепки и рабочего параметра неголовной локомотивной сцепки, и второй элемент для определения состояния люфта из рабочего параметра головной локомотивной сцепки и рабочего параметра неголовной локомотивной сцепки.
Согласно еще одному варианту осуществления создано устройство для определения состояния люфта автосцепок для железнодорожной системы, содержащей головную локомотивную сцепку, неголовную локомотивную сцепку и вагоны, причем соседние из локомотивов и вагонов связаны автосцепкой. Устройство включает в себя первый элемент для определения силы, прилагаемой к автосцепке, в котором сила больше, чем предполагаемая сила, и второй элемент для определения состояния люфта или изменения состояния люфта на основании силы.
Согласно еще одному варианту осуществления создано устройство для управления внутрипоездными силами железнодорожной системы. Устройство имеет первый элемент для определения состояния люфта всей системы или участков системы, и второй элемент для управления приложением тягового усилия и тормозного усилия для управления состоянием люфта для ограничения внутрисистемных силы на допустимом уровне. Первый элемент определяет расстояние между двумя разнесенными в пространстве положениями в железнодорожной системе и определяет состояние люфта между двумя разнесенными в пространстве положениями из расстояния.
Также создано устройство для управления железнодорожной системой, имеющее первый элемент для определения текущего состояния железнодорожной системы, второй элемент для определения предполагаемого состояния железнодорожной системы и третий элемент для определения различия между текущим состоянием и предполагаемым состоянием.
Дополнительно создано устройство для управления железнодорожной системой, имеющее первый элемент для определения состояния люфта железнодорожной системы и диапазона неопределенности определенного состояния люфта, и второй элемент для управления приложением тягового усилия или приложением тормозного усилия к железнодорожной системе на основании состояния люфта и диапазона неопределенности.
Согласно еще одному варианту осуществления создано устройство для управления поездом, который имеет одну или несколько локомотивных сцепок, каждая из которых имеет один или несколько хвостовых вагонов, причем в одной из локомотивных сцепок поезда находится машинист. Предусмотрены первый элемент для обеспечения характеристик поезда и второй элемент для обеспечения параметров движения поезда. Предусмотрены также третий элемент для определения состояния люфта из, по меньшей мере, одного из характеристик поезда и параметров движения поезда и четвертый элемент для приложения тягового усилия или тормозного усилия на основании состояния люфта. Машинист может игнорировать состояние люфта, определяемое третьим элементом, и отменять приложение тягового усилия или приложение тормозного усилия, прилагаемого четвертым элементом. Также предусмотрен дисплей для обеспечения информации состояния люфта.
Согласно еще одному варианту осуществления создан способ эксплуатации железнодорожной системы, причем железнодорожная система имеет головную локомотивную сцепку, неголовную локомотивную сцепку и вагоны. Способ включает в себя этап, на котором определяют состояние люфта участков железнодорожной системы, в которой участки разграничены узлами; и этап, на котором управляют приложением тягового усилия или тормозного усилия, по меньшей мере, одной из железнодорожной системы, головной локомотивной сцепки и неголовной локомотивной сцепки.
Также создан способ определения состояния люфта железнодорожной системы. Он содержит этап, на котором определяют рабочие параметры железнодорожной системы, и этап, на котором определяют эквивалентный уклон из рабочих параметров. На других этапах определяют фактический уклон пути, по которому проходит железнодорожная система, и определяют состояние люфта из эквивалентного уклона и фактического уклона пути.
Кроме того, создан способ для управления железнодорожной системой. Способ включает в себя этап, на котором определяют предыдущие приложения тягового усилия и тормозного усилия на участке пути. Также используется этап, на котором определяют состояние люфта на участке пути на основании предыдущих приложений тягового усилия или тормозного усилия. Еще на одном этапе управляют железнодорожной системой, позже проходящей участок пути, согласно определенным предыдущим приложениям тягового усилия и тормозного усилия на участке пути.
Дополнительно создан способ определения внутрисистемных сил железнодорожной системы, в котором железнодорожная система имеет один или несколько локомотивов и совокупность вагонов. Способ включает в себя этапы, на которых определяют расстояние между двумя локомотивами, между локомотивом и вагоном или между двумя вагонами в первый момент времени и во второй момент времени, и определяют состояние люфта всей железнодорожной системы или участков железнодорожной системы на основании определенных расстояний между двумя локомотивами, между локомотивом и вагоном или между двумя вагонами.
Дополнительно создан способ определения внутрисистемных сил железнодорожной системы, в котором железнодорожная система имеет один или несколько локомотивов и вагонов, причем соседние локомотив и вагон и соседние вагоны связаны автосцепкой. Способ включает в себя этапы, на которых определяют знак сил, прилагаемых к автосцепке, и определяют состояние люфта автосцепки из знака сил.
Также создан способ определения условий сцепления для железнодорожной системы. Железнодорожная система имеет один или несколько локомотивов и вагонов, причем соседние один или несколько локомотивов и вагонов связаны автосцепкой. Способ включает в себя этап, на котором определяют естественное ускорение одного или нескольких вагонов поезда, и этап, на котором определяют общее ускорение поезда. Предусмотрен также этап, на котором определяют соотношение между естественным ускорением вагона и общим ускорением, в котором соотношение указывает состояние люфта для вагона.
Согласно еще одному варианту осуществления создан способ определения условий сцепления для железнодорожной системы, причем железнодорожная система имеет один или несколько локомотивов и вагонов, причем соседние один или несколько локомотивов и вагонов связаны автосцепкой. Способ имеет этап, на котором определяют скорость изменения ускорения или скорости, испытываемую одним из локомотивов или одним из вагонов. Предусмотрен еще один этап, на котором определяют, зависит ли скорость изменения от приложения тягового усилия или тормозного усилия, приложенного одним из локомотивов. Предусмотрен третий этап, на котором определяют условия сцепления, если скорость изменения не зависит от приложения тягового усилия или тормозного усилия, приложенного одним из локомотивов.
Кроме того, создан компьютерный программный продукт для определения состояния люфта железнодорожной системы. Компьютерный программный продукт включает в себя машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения состояния люфта. Также предусмотрены первый модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения рабочих параметров железнодорожной системы и второй модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения эквивалентного уклона из рабочих параметров. Также предусмотрен третий модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения фактического уклона пути, по которому проходит железнодорожная система, и дополнительно раскрыт четвертый компьютерно-считываемый модуль программного кода для определения состояния люфта из эквивалентного уклона и фактического уклона пути.
Согласно еще одному варианту осуществления создан компьютерный программный продукт для определения внутрисистемных сил железнодорожной системы. Предусмотрен машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения внутрисистемных сил. Предусмотрены также первый модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения предыдущих приложений тягового усилия и тормозного усилия и второй модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения состояния люфта всей железнодорожной системы или участков железнодорожной системы на основании предыдущих приложений тягового усилия или тормозного усилия.
Согласно еще одному варианту осуществления создан компьютерный программный продукт для определения внутрисистемных сил железнодорожной системы, в котором железнодорожная система имеет один или несколько локомотивов и совокупность вагонов. Компьютерный программный продукт включает в себя машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения внутрисистемных сил. Также раскрыты первый модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения расстояния между двумя локомотивами, между локомотивом и вагоном или между двумя вагонами в первый момент времени и во второй момент времени, и второй модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения состояния люфта всей железнодорожной системы или участков железнодорожной системы на основании определенных расстояний между двумя локомотивами, между локомотивом и вагоном или между двумя вагонами.
Дополнительно создан компьютерный программный продукт для определения состояния люфта железнодорожной системы, в котором железнодорожная система имеет один или несколько локомотивов и вагонов, причем соседние локомотив и вагон и соседние вагоны связаны автосцепкой. Компьютерный программный продукт включает в себя машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения состояния люфта. Также раскрыты первый модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения знака сил, прилагаемых к автосцепке; и второй модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения состояния люфта автосцепки из знака сил.
Также создан компьютерный программный продукт для определения условий сцепления для железнодорожной системы, причем железнодорожная система имеет один или несколько локомотивов и вагонов, причем соседние один или несколько локомотивов и вагонов связаны автосцепкой. Компьютерный программный продукт включает в себя машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения состояния люфта. Также раскрыты первый модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения естественного ускорения одного или нескольких вагонов поезда, второй модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения общего ускорения поезда и третий модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения соотношения между естественным ускорением вагона и общим ускорением, в котором соотношение указывает состояние люфта для вагона.
Дополнительно создан компьютерный программный продукт для определения условий сцепления для железнодорожной системы, имеющей один или несколько локомотивов и вагонов, причем соседние один или несколько локомотивов и вагонов связаны автосцепкой. Компьютерный программный продукт включает в себя машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения условий сцепления. Также раскрыт первый модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения скорости изменения ускорения или скорости, испытываемой одним из локомотивов или одним из вагонов. Дополнительно раскрыт второй модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения, зависит ли скорость изменения от приложения тягового усилия или тормозного усилия, приложенного одним из локомотивов. Также предусмотрен третий модуль компьютерно-считываемого программного кода для определения условий сцепления, если скорость изменения не зависит от приложения тягового усилия или тормозного усилия, приложенного одним из локомотивов.
Согласно еще одному варианту осуществления создан компьютерный программный продукт для управления железнодорожной системой. Продукт имеет машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения предыдущих приложений тягового усилия и тормозного усилия на участке пути. Кроме того, предусмотрен машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения состояния люфта на участке пути на основании предыдущих приложений тягового усилия или тормозного усилия. Дополнительно, раскрыт машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для управления железнодорожной системой, позже проходящей участок пути, согласно определенным предыдущим приложениям тягового усилия или тормозного усилия на участке пути.
Дополнительно создан компьютерный программный продукт для определения условий сцепления для железнодорожной системы. Железнодорожная система имеет один или несколько локомотивов и вагонов, причем соседние один или несколько локомотивов и вагонов связаны автосцепкой. Продукт имеет машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения скорости изменения ускорения или скорости, испытываемой одним из локомотивов или одним из вагонов. Также предусмотрен машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения, зависит ли скорость изменения от приложения тягового усилия или тормозного усилия, приложенного одним из локомотивов. Кроме того, раскрыт машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения условий сцепления, если скорость изменения не зависит от приложения тягового усилия или тормозного усилия, приложенного одним из локомотивов.
Создан компьютерный программный продукт для эксплуатации железнодорожной системы, причем железнодорожная система имеет головную локомотивную сцепку, неголовную локомотивную сцепку и вагоны. Компьютерный программный продукт включает в себя машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для определения состояния люфта участков железнодорожной системы, в котором участки разграничены узлами. Кроме того, предусмотрен машиночитаемый носитель данных, имеющий компьютерно-считываемые модули программного кода, воплощенные в носителе, для управления приложением тягового усилия или тормозного усилия, по меньшей мере, одной из железнодорожной системы, головной локомотивной сцепки и неголовной локомотивной сцепки.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более конкретное описание вариантов осуществления настоящего изобретения приведено посредством ссылки на конкретные варианты его осуществления, которые показаны на прилагаемых чертежах. С учетом того, что эти чертежи изображают лишь типичные варианты осуществления настоящего изобретения и, поэтому, не призваны ограничивать его объем, изобретение будет описано и объяснено с дополнительной конкретизацией и детализацией с использованием прилагаемых чертежей, на которых:
фиг. 1 и 2 - графическое представление состояний люфта поезда;
фиг. 3 и 4 - иллюстрации состояний люфта согласно разным вариантам осуществления настоящего изобретения;
фиг. 5 - графическое представление предельных ускорения и замедления на основании состояний люфта;
фиг. 6 - множественные состояния люфта, связанные с поездом;
фиг. 7 - блок-схема системы для определения состояния люфта и управления поездом в соответствии с ним;
фиг. 8A и 8B - силы автосцепки для поезда;
фиг. 9 - силы, приложенные к вагону;
фиг. 10 - график, представляющий минимальное и максимальное естественное ускорение вагона поезда как функцию времени;
фиг. 11 и 12 - графическое представление состояний люфта для поезда с распределением мощности;
фиг. 13 - блок-схема элементов для определения реактивного состояния рывка; и
фиг. 14 - параметры, используемые для обнаружения состояний люфта, включая состояние схождения или расхождения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Далее приведено подробное описание вариантов осуществления изобретения, отвечающих аспектам настоящего изобретения, примеры которых показаны на прилагаемых чертежах. По возможности, одинаковые ссылочные позиции на разных чертежах используются для обозначения одинаковых или сходных деталей.
Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения решают проблемы, свойственные уровню техники, за счет обеспечения системы, способа и компьютерно-реализуемого способа для ограничения внутрипоездных сил для железнодорожной системы, включающей в себя, в различных вариантах применения, локомотивную сцепку, транспортное средство для ухода за путем и совокупность вагонов. Варианты осуществления настоящего изобретения также применимы к поезду, включающему в себя совокупность распределенных локомотивных сцепок, именуемую поездом с распределением мощности, обычно включающую в себя головную сцепку и одну или несколько неголовных сцепок.
Специалистам в данной области техники очевидно, что устройство, например система обработки данных, включающее в себя ЦП, память, устройство ввода/вывода, хранилище программ, шину обмена данными и другие необходимые компоненты, можно запрограммировать или иначе приспособить для реализации способа согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Такая система включает в себя соответствующее программное средство для выполнения способов согласно этим вариантам осуществления.
Согласно еще одному варианту осуществления изделие производства, например записанный диск или другой аналогичный компьютерный программный продукт, для использования с системой обработки данных, включает в себя носитель данных и записанную на нем программу, предписывающую системе обработки данных выполнять способы настоящего изобретения. Такие устройство и изделия производства также отвечают сущности и объему настоящего изобретения.
Раскрытые варианты осуществления изобретения предусматривают способы, устройства и программы для количественного/качественного определения состояния люфта и/или внутрипоездных сил и для управления железнодорожной системой в соответствии с ними для ограничения таких внутрипоездных сил. Для облегчения понимания настоящего изобретения они описаны ниже со ссылкой на конкретные реализации.
Изобретение описано в общем контексте компьютерно-выполняемых команд, например программных модулей, выполняемых компьютером. В общем случае, программные модули включают в себя процедуры, программы, объекты, компоненты, структуры данных, и т.д., которые выполняют конкретные задачи или реализуют те или иные абстрактные типы данных. Например, программное обеспечение, лежащее в основе иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, может быть написано на разных языках, для использования с разными платформами обработки данных. Однако очевидно, что принципы, лежащие в основе иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, можно реализовать посредством других типов компьютерного программного обеспечения.
Кроме того, специалистам в данной области техники очевидно, что варианты осуществления изобретения можно осуществлять на практике с другими конфигурациями компьютерной системы, включающими в себя карманные устройства, многопроцессорные системы, бытовую электронику на базе микропроцессора или с возможностью программирования, миникомпьютеры, универсальные компьютеры и пр. Варианты осуществления также можно осуществлять на практике в распределенной вычислительной среде, где задания выполняются удаленными устройствами обработки, которые связаны друг с другом сетью связи. В распределенной вычислительной среде, программные модули могут размещаться как на локальных, так и на удаленных компьютерных носителях, включающих в себя запоминающие устройства. Эти локальные и удаленные вычислительные среды могут содержаться целиком в локомотиве или в соседних локомотивах сцепки, или вне поезда, в придорожных или центральных службах, причем предусмотрена беспроводная связь между вычислительными средами.
Термин “локомотив” может включать в себя (1) один локомотив или (2) множество локомотивов (так называемую локомотивную сцепку), последовательно соединенных друг с другом для обеспечения движущий и/или тормозной способности, причем вагоны между локомотивами отсутствуют. Поезд может содержать одну или несколько локомотивных сцепок. В частности, может иметь место головная сцепка и одна или несколько удаленных (или неголовных) сцепок, например первая неголовная (удаленная) сцепка посередине последовательности вагонов и еще одна удаленная сцепка и другая удаленная сцепка в хвосте поезда. Каждая локомотивная сцепка может иметь первый или головной локомотив и один или несколько хвостовых локомотивов. Хотя локомотивная сцепка обычно рассматривается как последовательные локомотивы, специалистам в данной области техники очевидно, что группу локомотивов также можно считать сцепкой даже при наличии, по меньшей мере, одного вагона, разделяющего локомотивы, например, когда локомотивная сцепка предназначена для работы в режиме распределенной подачи мощности, в котором команды ускорения и торможения передаются от головного локомотива на удаленные локомотивы по каналу радиосвязи или физическому кабелю. По этой причине термин локомотивная сцепка не следует считать ограничивающим фактором при рассмотрении множественных локомотивов в одном и том же поезде.
Перейдем к описанию вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Варианты осуществления изобретения можно реализовать по-разному, в том числе в виде системы (включающей в себя компьютерную систему обработки), способа (включающего в себя компьютеризированный способ), устройства, машиночитаемого носителя, компьютерного программного продукта, графического интерфейса пользователя, включающего в себя веб-портал или структуру данных, физически воплощенного в компьютерно-считываемой памяти. Ниже рассмотрено несколько вариантов осуществления настоящего изобретения.
Два соседних вагона или локомотива связаны кулачковой автосцепкой, присоединенной к каждому вагону или локомотиву. В общем случае, кулачковая автосцепка включает в себя четыре элемента, литую стальную головку автосцепки, поворотную губку или "кулак", вращающийся относительно головки, шарнирный палец, вокруг которого поворачивается кулак в процессе сцепления и расцепления, и стопорный палец. Когда стопорный палец на одной или обеих автосцепках перемещается вверх, выходя из головки автосцепки, зафиксированный кулак поворачивается, переходя в открытую или освобожденную позицию, эффективно расцепляя два вагона/локомотива. Приложение разъединяющей силы к одному или обоим вагонам/локомотивам завершает процесс расцепления.
При сцеплении двух вагонов, по меньшей мере, один из кулаков должен находиться в открытой позиции для приема губки или кулака другого вагона. Два вагона движутся навстречу друг другу. Когда автосцепки смыкаются, губка открытой автосцепки закрывается, и, в соответствии с этим, стопорный палец под действием своего веса автоматически падает на свое место для фиксации губки в закрытом положении и, таким образом, фиксирует автосцепки в запертом состоянии для сцепления двух вагонов.
Даже в сцепленном и зафиксированном состоянии, расстояние между двумя связанными вагонами может увеличиваться или уменьшаться вследствие пружинного эффекта, возникающего при взаимодействии двух автосцепок и вследствие наличия свободного пространства между сомкнутыми губками или кулаками. Расстояние, на которое могут разойтись сцепленные автосцепки, именуется расстоянием удлинения или люфтом автосцепки и может составлять от четырех до шести дюймов на автосцепку. Растянутое состояние люфта возникает, когда расстояние между двумя сцепленными вагонами примерно равно максимальному расстоянию расхождения, которое допускает люфт двух связанных автосцепок. Сгруппированное (сжатое) состояние возникает, когда расстояние между двумя соседними вагонами примерно равно минимальному расстоянию расхождения, которое допускает люфт между двумя связанными автосцепками.
Как известно, машинист поезда (например, машинист-человек поезда, отвечающий за управление поездом, система автоматического управления поездом, управляющая поездом без вмешательства или с минимальным вмешательством машиниста, либо консультативная система управления поездом, рекомендующая машинисту осуществлять операции по управлению поездом, в то же время позволяя машинисту самостоятельно принимать решения, следовать ли рекомендациям по управлению поездом) увеличивает мощность/скорость поезда, перемещая рукоятку регулятора в более высокую позицию регулятора, и снижает мощность/скорость, перемещая рукоятку регулятора в более низкую позицию регулятора или применяя тормоза поезда (реостатный тормоз локомотива, независимые пневматические тормоза или пневматические тормоза поезда). Любые из этих действий машиниста, также динамические силы поезда и профиль пути, могут оказывать влияние на состояние люфта поезда в целом и состояние люфта между любыми двумя связанными автосцепками.
Применяемое здесь понятие тягового усилия дополнительно включает в себя тормозное усилие, и тормозное усилие дополнительно включает в себя тормозные действия, обусловленные применением реостатного тормоза локомотива, независимых тормозов локомотива и пневматических тормозов по всему поезду.
Внутрипоездные силы, которые определяются приложением тягового усилия (TE) или тормозного усилия (BE), именуются тяговыми силами (силой тяги или натяжения) на автосцепках и поглощающем аппарате в растянутом состоянии люфта и именуются ударными силами в сгруппированном или сжатом состоянии люфта. Поглощающий аппарат включает в себя амортизирующий элемент, который передает тяговые или ударные силы между автосцепкой и вагоном, к которому присоединена автосцепка.
На фиг.1 показана диаграмма состояний, изображающая три дискретных состояния люфта: растянутое состояние 300, промежуточное состояние 302 и сгруппированное состояние 304. Переходы между описанными здесь состояниями обозначены стрелками, именуемыми переходами “T”, в которых нижний индекс указывает предыдущее состояние и новое состояние.
10
Переходы между состояниями вызваны приложением тягового усилия (которое стремится растянуть поезд), тормозного усилия (которое стремится сгруппировать поезд) или изменениями местности, которые могут приводить к схождению или расхождению. Скорость растяжения (расхождения) поезда зависит от скорости, с которой прилагается тяговое усилие, измеряемой в л.с./с или изменение позиции регулятора/с. Например, тяговое усилие прилагается для перехода из промежуточного состояния (1) в растянутое состояние (0) при переходе T. Для поезда с распределением мощности, включающего в себя удаленные локомотивы, отделенные в пространстве от головного локомотива в железнодорожном составе, приложение тягового усилия на любом локомотиве стремится растянуть вагоны, следующие после этого локомотива (относительно направления движения).
1
В общем случае, когда поезд трогается, первоначальное состояние люфта автосцепки не известно. Но когда поезд движется вследствие приложения тягового усилия, состояние можно определить. Переход T в промежуточное состояние (1) иллюстрирует сценарий троганья.
Скорость группирования (схождения) поезда зависит от прилагаемого тормозного усилия, которое определяется применением динамических тормозов, независимых тормозов локомотива или пневматических тормозов поезда.
Промежуточное состояние 302 не является нужным состоянием. Растянутое состояние 300 предпочтительно, поскольку управлять поездом проще всего, когда поезд растянут, хотя машиниста может устраивать сгруппированное состояние.
Диаграмма состояний, показанная на фиг. 1, может относиться к поезду в целом или к участкам поезда (например, к первым 30% поезда в поезде с распределением мощности или к участку поезда, ограниченному двумя разнесенными в пространстве локомотивными сцепками). Множественные независимые диаграммы состояний могут по отдельности описывать разные участки поезда, причем каждая диаграмма состояний включает в себя множественные состояния люфта, например указанные на фиг.1. Например, работу поезда с распределением мощности или толкача можно изображать множественными диаграммами состояний, представляющими множественные участки поезда, причем каждый участок задан, например, одной из локомотивных сцепок в поезде.
Альтернативно представлению дискретных состояний, изображенному на фиг. 1, на фиг. 2 показана кривая 318, выражающая непрерывный диапазон состояний люфта от растянутого состояния, через промежуточное состояние, к сгруппированному состоянию, причем состояние, в общем случае, указано, как показано. Кривая, изображенная на фиг. 2, более точно представляет состояние люфта, чем диаграмма состояний, изображенная на фиг. 1, поскольку не существует универсальных определений для дискретных растянутого, промежуточного и сгруппированного состояний, которые можно было бы вывести из фиг. 1. Используемый здесь термин состояние люфта относится к дискретным состояниям люфта, показанным на фиг. 1, или к непрерывному диапазону состояний люфта, показанному на фиг. 2.
Аналогично фиг. 1, представление состояний люфта на фиг. 2 может относиться к состоянию люфта поезда в целом или участков поезда. В одном примере, участки ограничены локомотивными сцепками и устройством в конце поезда. Один участок поезда, представляющий конкретный интерес, включает в себя вагоны, расположенные непосредственно за головной сцепкой, где суммарные силы, включающие в себя стационарные силы и переходные силы, обусловленные люфтом, достигают максимальной величины. Аналогично, для поезда с распределением мощности, конкретные участки, представляющий интерес, представляют собой вагоны, находящиеся непосредственно за и непосредственно перед неголовными локомотивными сцепками.
Во избежание повреждения автосцепки и поезда, состояние люфта поезд можно учитывать при приложении TE или BE. Состояние люфта относится к одному или нескольким из текущего состояния люфта, изменения состояния люфта с предыдущего момента времени или положения на пути до текущего момента времени или текущего положения на пути и текущего или в реальном времени изменения люфта (например, когда поезд в данный момент испытывает изменение люфта в виде схождения или расхождения. Скорость изменения перехода между состояниями люфта в реальном времени также может влиять на приложение TE и BE, чтобы гарантировать правильную работу поезда и минимизировать возможность повреждения.
TE и BE можно прилагать к поезду посредством элементов управления/ функций управления, включающих в себя, но без ограничения, машиниста, вручную манипулирующего устройствами управления, автоматически автоматической системой управления или вручную машинистом на основании консультативных рекомендаций по управлению, выдаваемых консультативной системой управления. Обычно система автоматического управления поездом осуществляет действия по управлению поездом (и консультативная система управления предлагает действия по управлению поездом для рассмотрения машинистом) для оптимизации параметра работы поезда, например расхода топлива.
Согласно еще одному варианту осуществления машинист может игнорировать желательную стратегию управления, основанную на определенном состоянии люфта или ситуации люфта, и управлять поездом или предписывать автоматической системе управления управлять поездом согласно информации игнорирования. Например, машинист может управлять (или предписывать системе управления поездом управлять) поездом в случаях, когда информация поездной ведомости, поступающая в систему для определения состояния люфта, неверна или когда другое расхождение определяет неверное состояние люфта. Машинист может также отменять автоматическое управление, в том числе в состоянии схождения или расхождения.
Определенное состояние люфта или текущее изменение люфта может отображаться машинисту либо в ходе ручного управления, либо, когда система автоматического управления поездом присутствует и активна. Можно использовать много разных форм и форматов дисплея в зависимости от характера определяемого состояния люфта. Например, если определяется только три дискретных состояния люфта, может отображаться простой текстовый блок для извещения машиниста об определенном состоянии. Если определяются множественные состояния люфта, дисплей можно соответственно видоизменить. Для системы, которая определяет непрерывное состояние люфта, дисплей может представлять процент или количество или полный вес растянутых и сгруппированных вагонов. Аналогично, множество разных графических обозначений можно использовать для отображения или представления информации состояния люфта, например анимированные полосковые диаграммы с различными цветовыми индикациями на основании состояния люфта (т.е. автосцепки, растянутые более чем на 80%, обозначаются зеленой полоской). Можно отображать представление поезда в целом и указывать на нем состояние люфта (см. фиг. 3) или изменение состояния люфта (ситуацию люфта) (см. фиг. 4).
Характеристические параметры поезда (например, масса, распределение массы вагонов) для использования описанными здесь устройствами и способами для определения состояния люфта могут сообщаться поездной ведомостью или другими средствами, известными в технике. Машинист может также выдавать информацию характеристик поезда, игнорирующую или дополняющую ранее предоставленную информацию, для определения состояния люфта согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Машинист может также вводить состояние люфта для использования элементами управления при приложении TE и BE.
Когда поезд полностью растянут, дополнительное тяговое усилие может прилагаться с относительно высокой скоростью в направлении увеличения скорости поезда (т.е. большого ускорения) без повреждения автосцепок, благодаря малому относительному движению между связанными автосцепками. Любые развиваемые таким образом дополнительные переходные силы автосцепки незначительно превышают предполагаемые стационарные силы, обусловленные возросшим тяговым усилием и изменениями уклона пути. Но в растянутом состоянии существенное снижение тягового усилия в голове поезда, приложение избыточных тормозных сил или приложение тормозных сил с избыточной скоростью могут привести к резкому уменьшению люфта между связанными автосцепками. Результирующие силы, развиваемые на связанных автосцепках, могут повреждать автосцепки, вызывая столкновение вагонов или крушение поезда.
При растяжении сильно сжатого поезда (именуемом расхождением) вследствие приложения тягового усилия автосцепки, связывающие два соседних вагона, расходятся при расхождении двух вагонов (или локомотивов). При растяжении поезда возникают относительно большие переходные силы между связанными автосцепками, когда они переходят из сгруппированного состояния в растянутое. Внутрипоездные силы, способные повредить систему сцепления или разрушить связанные автосцепки, могут возникать даже при относительно низких скоростях поезда, одна или две мили в час. Таким образом, если поезд не полностью растянут, необходимо ограничивать силы, развиваемые в результате приложения тягового усилия при расхождении люфта.
Когда поезд полностью сгруппирован, дополнительное тормозное усилие (обусловленное действием реостатного тормоза локомотива или независимых тормозов) или снижение силы тяги может применяться с относительно высокой скоростью без повреждения автосцепок, поглощающих аппаратов или вагонов. Но приложение избыточных тяговых сил или приложение таких сил с избыточной скоростью может порождать высокие переходные силы автосцепки, которые обуславливают быстрое расхождение соседних вагонов, изменение состояния люфта автосцепки, что создает возможность повреждения автосцепок, системы сцепления, поглощающих аппаратов или вагонов.
При сжатии сильно растянутого поезда (именуемом схождением) за счет приложения тормозного усилия или значительного снижения скорости поезда вследствие перевода регулятора в более низкую позицию регулятора, автосцепки, связывающие два соседних вагона, сходятся. Избыточная скорость сближения автосцепок может приводить к повреждению автосцепок, повреждению вагонов или крушению поезда. Таким образом, если поезд не полностью сгруппирован, необходимо ограничивать силы, развиваемые приложением тормозного усилия в период схождения люфта.
Если машинист (машинист-человек или автоматическая система управления) знает текущее состояние люфта (например, в случае машиниста-человека, благодаря наблюдению вышеописанного дисплея состояния люфта), то поездом можно управлять, задавая соответствующий уровень тягового или тормозного усилия для поддержания или изменения состояния люфта по желанию. Торможение поезда приводит к схождению люфта, и ускорение поезда приводит к расхождению люфта. Например, если нужен переход в сгруппированное состояние, машинист может переключить регулятор на более низкую позицию или приложить тормозное усилие в голове поезда для замедления поезд со скоростью, меньшей его естественного ускорения. Естественное ускорение это ускорение вагона в отсутствие воздействия на него внешних сил (за исключением силы тяжести). i-й вагон находится в состоянии естественного ускорения, когда не испытывает воздействия ни i+1-го, ни i-1-го вагона. Эта концепция описана ниже со ссылкой на фиг. 9 и соответствующий текст.
Если схождение или расхождение люфта происходит помимо воли машиниста, например когда поезд спускается с холма, машинист может противодействовать этим эффектам, при желании, путем соответствующего приложения более высокого тягового усилия для противодействия схождению или тормозного усилия или более низкого тягового усилия для противодействия расхождению.
На фиг.5 графически представлены пределы приложения тягового усилия (ускоряющего поезд) и тормозного усилия (замедляющего поезд) как функции состояния люфта в непрерывном диапазоне состояний люфта между растянутым и сжатым состояниями. При переходе состояния люфта к сжатому состоянию диапазон допустимых ускоряющих сил сокращается во избежание приложения избыточных сил к автосцепкам, но допустимые замедляющие силы возрастают. Противоположная ситуация имеет место при переходе состояния люфта к растянутому состоянию.
На фиг.6 показаны состояния люфт на участке поезда для поезда 400. Вагоны 401, находящиеся непосредственно за локомотивной сцепкой 402, находятся в первом состоянии люфта (SS1), и вагоны 408, находящиеся непосредственно за локомотивной сцепкой 404, находятся во втором состоянии люфта (SS2). Показано также общее состояние люфта (SS1 и SS2), охватывающее состояния люфта SS1 и SS2 и состояние люфта локомотивной сцепки 404.
Обозначение дискретного состояния люфта, как на фиг. 1, или состояния люфта на кривой 318 на фиг. 2 включает в себя степень неопределенности, зависящую от способов, применяемых для определения состояния люфта, и практических ограничений, связанных с этими способами.
Один вариант осуществления настоящего изобретения предусматривает определение, вывод или прогнозирование состояний люфта для поезда в целом, т.е., по существу, растянутого, по существу, сгруппированного или промежуточного состояния люфта, включающих в себя любое количество промежуточных дискретных состояний или непрерывных состояний. Варианты осуществления настоящего изобретения также предусматривают возможность определения состояния люфта для любого участка поезда. Варианты осуществления настоящего изобретения также предусматривают обнаружение (и предоставление машинисту вкупе с соответствующей информацией) схождения люфта (быстрого изменения состояния люфта от растянутого к сгруппированному) и расхождения люфта (быстрого изменения состояния люфта от сгруппированного к растянутому), включающего в себя ситуации схождения и расхождения, которые могут привести к повреждению поезда. Эти подходы описаны ниже.
На основании определенного состояния люфта, машинист поезда управляет поездом таким образом, чтобы не допустить возникновения внутрипоездных сил, способных повредить автосцепки и вызвать разрыв поезда при разрушении автосцепок, и, в то же время, чтобы обеспечить максимально эффективную работу поезда. Для повышения эффективности работы поезда машинист может применять более высокую скорость замедления, когда поезд сгруппирован, и, напротив, применять более высокую скорость ускорения, когда поезд растянут. Однако, независимо от состояния люфта, машинист должен оставаться в заранее определенных пределах максимального ускорения и замедления (т.е. приложения тягового усилия и соответствующего увеличения скорости и приложения тормозного усилия и соответствующего снижения скорости) для правильного управления поездом.
Различные варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают различные процессы и используют различные параметры и информацию для определения, вывода или прогнозирования состояния люфта, включающее в себя как переходное состояние люфта, так и стационарное состояние люфта. Специалистам в данной области техники очевидно, что переходное состояние люфта также может означать скорость изменения, при которой переходная точка люфта перемещается по поезду. Входные параметры, из которых можно определить, вывести или предсказать состояние люфта, включают в себя, но без ограничения, распределенный вес поезда, профиль пути, уклон пути, условия окружающей среды (например, трение о рельсы, ветер), приложенное тягового усилия, приложенное тормозное усилие, давление в тормозной магистрали, историческое тяговое усилие, историческое тормозное усилие, скорость/ускорение поезда, измеренные в любой точке вдоль поезда, и характеристики вагона. Скорость изменения состояния люфта со временем (переходное состояние люфта) или скорость изменения состояния люфта по длине поезда также можно связать с одним или несколькими из этих параметров.
Состояние люфта также можно определить, вывести или предсказать из различных событий работы поезда, например нанесения песка на рельсы, изоляции локомотивов и нанесения смазки на реборды. Поскольку состояние люфта не обязано быть одинаковым для всех вагонов поезда в каждый момент времени, люфт можно определить, вывести или предсказать для отдельных вагонов или групп вагонов в поезде.
На фиг.7, в общем виде, представлены информация и различные параметры, которые можно использовать согласно вариантам осуществления настоящего изобретения для определения, вывода или прогнозирования состояния люфта, что дополнительно описано ниже.
Априори информация поездки включает в себя план поездки (предпочтительно, оптимизированный план поездки), включающий в себя график скорости и/или мощности (тяговое усилие (TE)/тормозное усилие (BE)) для участка маршрута поезда на известном участке пути. Предполагая, что поезд следует плану поездки, состояние люфта можно прогнозировать или вывести в любой точке на маршруте движения, либо до начала поездки, либо в ходе поездки, на основании запланированного будущего приложения тормозного и тягового усилия и физических характеристик поезда (например, массы, распределения массы, силы сопротивления) и пути.
Согласно одному варианту осуществления система, отвечающая одному варианту осуществления настоящего изобретения, может дополнительно отображать машинисту любую ситуацию, когда предполагается неправильное поведение поезда, например когда прогнозируются быстрые переходы состояний люфта. Этот дисплей может принимать многочисленные формы, включающие в себя расстояние/время до следующего значительного изменения люфта, пояснения по прокручивающейся карте или другие формы.
В иллюстративном применении одного варианта осуществления настоящего изобретения к системе управления поездом, которая планирует движение поезда и управляет движением поезда для оптимизации работы поезда (на основании, например, определенных, спрогнозированных или выведенных характеристик поезда и профиля пути), априорной информации может быть достаточно для определения состояния люфта поезда для маршрута поезда в целом. Любые отклонения от оптимизированного плана поездки, инициированные машинистом-человеком, могут изменять состояние люфта поезда в любой данной точке маршрута.
В ходе поездки, которая запланирована априори, рабочие параметры в реальном времени могут отличаться от предполагаемых при планировании поездки. Например, аэродинамическое сопротивление движению поезда может превышать предполагаемое, или коэффициент трения пути может быть меньше предполагаемого. Когда план поездки рекомендует желательный график скорости, но скорость отклоняется от запланированного графика вследствие этих неожиданных изменений рабочих параметров, машинист (включающий в себя как машиниста-человека, вручную управляющего поездом, так и систему автоматического управления поездом) может вносить изменения в прилагаемое TE/BE для возвращения скорости поезда к запланированной скорости поезда. Если фактическая скорость поезда следует запланированному графику скорости, то состояние люфта в реальном времени не будет отклоняться от состояния люфта, прогнозируемого на основании априорного плана поездки.
Согласно варианту применения, где система автоматического управления поездом определяет приложение TE/BE для выполнения плана поездки, регулятор замкнутого цикла, действующий совместно с системой управления, принимает данные, выражающие рабочие параметры, сравнивает параметр в реальном времени со значением параметра, предполагаемым при планировании поездки, и на основании различий между предполагаемым параметром и параметром в реальном времени, изменяет приложение TE/BE для создания нового плана поездки. Состояние люфта повторно определяется на основании нового плана поездки и рабочих состояний.
Информацию сцепления, включающую в себя типы автосцепок и тип вагона, на котором они установлены, максимальную силу, выдерживаемую автосцепкой, и мертвую зону автосцепки, также можно использовать для определения, прогнозирования или вывода состояния люфта. В частности, эту информацию можно использовать при определении порогов для перехода из первого состояния люфта во второе состояние люфта, для определения, прогнозирования или вывода уровня достоверности, связанного с состоянием люфта, для выбора скорости изменения прилагаемого TE/BE и/или для определения допустимых предельных ускорений. Эту информацию можно получить из состава поезда или можно первоначально предположить состояние автосцепки и изучить характеристики автосцепки в ходе поездки, что описано ниже.
Согласно еще одному варианту осуществления информация, из которой определяется состояние автосцепки, может поступать от машиниста через человеко-машинный интерфейс (HMI). Информация, поступающая через HMI, может предусматривать отказ от любых предполагаемых параметров. Например, машинист может знать, что конкретный поезд/маршрут/путь требует более плавного управления, чем обычно, вследствие требований нагрузки и/или автосцепки, и поэтому может выбрать “фактор чувствительности” для использования при управлении поездом. Фактор чувствительности используется для изменения пороговых пределов и допустимой скорости изменения TE/BE. Альтернативно, машинист может задавать значения прочности автосцепки или другие характеристики автосцепки, из которых можно определить TE/BE.
Состояние люфта в будущее время или в следующей позиции пути можно прогнозировать в ходе поездки на основании текущего состояния поезда (например, состояния люфта, положения, мощности, скорости и ускорения), характеристик поезда, априорного графика скорости до следующего положения на пути (задаваемого системой автоматического управления поездом или определяемой машинистом поезда), и характеристик поезда. Состояние люфта автосцепки в точках вдоль известного участка пути прогнозируется исходя из того, что тяговое и тормозное усилия прилагаются согласно плану поездки, и/или скорость поддерживается согласно плану поездки. На основании предложенного плана поездки, определения, прогноза или вывода состояния люфта и допустимых изменений приложения TE/BE, план можно изменить до начала поездки (или прогнозировать в ходе поездки) для создания приемлемых сил на основании априорного определения.
Информация управления поездом, например текущие и исторические применения регулятора и тормоза, влияет на состояние люфта, и ее можно использовать для определения, прогнозирования или вывода текущего состояния люфта совместно с профилем пути и характеристиками поезда. Исторические данные также можно использовать для ограничения изменений запланированной силы в определенных положениях в ходе поездки.
Расстояние между локомотивными сцепками в поезде можно определить непосредственно из информации географической позиции каждой сцепки (например, из системы определения положения GPS на, по меньшей мере, одном локомотиве в сцепке или из путевой системы определения положения). Если длины сжатого и растянутого поезда известны, расстояние между локомотивными сцепками непосредственно указывает общее (среднее) состояние люфта между сцепками. Таким образом, для поезда с множественными локомотивными сцепками, можно определить общее состояние люфта для каждого участка между последовательными локомотивными сцепками. Если характеристики автосцепки (например, жесткость пружины и люфт автосцепки) заранее не известны, общие характеристики можно вывести на основании стационарного тягового усилия и расстояния между сцепками как функции времени.
Расстояние между любой локомотивной сцепкой и устройством в конце поезда также можно определить, спрогнозировать или вывести из информации положения каждой сцепки (например, из системы определения положения GPS или из путевой системы определения положения). Если длины сжатого и растянутого поезда известны, расстояние между локомотивной сцепкой и устройством в конце поезда непосредственно указывает состояние люфта. Для поезда с множественными локомотивными сцепками можно определить, предсказать или вывести множественные состояния люфта между устройством в конце поезда и каждой локомотивной сцепкой на основании информации положения. Если характеристики автосцепки заранее не известны, общие характеристики можно вывести на основании стационарного тягового усилия и расстояния между головной сцепкой и устройством в конце поезда.
Информацию предыдущих и текущих положений вагонов и локомотивов можно использовать для определения, возросло ли или уменьшилось расстояние между двумя точками в поезде на протяжении интервала, представляющего интерес, и, таким образом, для указания стремится ли состояние люфта перейти в растянутое или сжатое состояние на протяжении интервала. Информацию положения можно определить для головного или хвостового локомотива в удаленной или неголовной сцепке, для удаленных локомотивов в поезде с распределением мощности и для устройства в конце поезда. Изменение состояния люфта можно определить для любого участка поезда, ограниченного этими сцепками или устройством в конце поезда.
Текущее состояние люфта также можно определить, предсказать или вывести в реальном времени на основании текущего профиля пути, текущего положения (включающего в себя все вагоны), текущей скорости/ускорения и тягового усилия. Например, если поезд ускоряется с высокой скоростью относительно его естественного ускорения, то поезд растягивается.
Если текущее состояние люфта известно, и желательно достичь конкретного состояния люфта в более позднее время поездки, машинист может управлять тяговым и тормозным усилием для достижения нужного состояния люфта.
Согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения также можно обнаруживать текущую ситуацию люфта, т.е., когда поезд в данный момент испытывает изменение состояния люфта, например переход между сжатием и растяжением (схождение/расхождение), по мере ее появления. Согласно одному варианту осуществления ситуацию люфта можно определить независимо от профиля пути, текущего положения и прошлого состояния люфта. Например, при внезапном изменении скорости локомотива/сцепки без соответствующих изменений в приложении тягового или тормозного усилия можно предположить, что внешняя сила подействовала на локомотив или локомотивную сцепку, вызвав ситуацию люфта.
Согласно другим вариантам осуществления другие локомотивы (включая хвостовые локомотивы в головной локомотивной сцепке и удаленные локомотивы в поезде с распределением мощности) обеспечивают информацию позиции/расстояния (описанную выше), информацию скорости и ускорения (описанную ниже) для определения, прогнозирования или вывода состояния люфта. Кроме того, различные датчики и устройства на поезде (например, устройство в конце поезда) и вблизи пути (например, придорожные датчики) можно использовать для обеспечения информации, из которой можно определить, предсказать или вывести состояние люфта.
Текущие и будущие силы поезда, измеряемые или прогнозируемые на основании работы поезда согласно заранее определенному плану поездки, можно использовать для определения, прогнозирования или вывода текущего и будущих состояний автосцепки. Расчеты или прогнозы силы можно ограничить совокупностью вагонов в начале поезда, где приложение тягового усилия или тормозного усилия может создавать наибольшие силы автосцепки вследствие инерции хвостовых вагонов. Силы также можно использовать для определения, прогнозирования или вывода текущего и будущих состояний люфта для поезда в целом или для участков поезда.
Ниже описано несколько способов вычисления, вывода или прогнозирования сил автосцепки и/или условий сцепления. Силы, с которыми две связанные автосцепки действуют друг на друга, можно определить из сил отдельной автосцепки и состояния люфта, определенного из сил связанных автосцепок. Используя этот метод, можно определить, предсказать или вывести состояние люфта для поезда в целом или для участков поезда.
В общем случае, силы, действующие на вагон, зависят от сил (тяги и торможения), развиваемых головным локомотивом (и любыми удаленными локомотивными сцепками в поезде), массы вагона, сопротивления вагон, профиля пути и сил пневматического тормоза. Равнодействующая сила на любом вагоне равна векторной сумме силы автосцепки в направлении движения, силы автосцепки против направления движения и силы сопротивления (которая является функцией уклона пути, скорости вагона и силы, развиваемой в результате любого текущего применения пневматического тормоза), также противоположной направлению движения.
Кроме того, скорость и направление изменений силы автосцепки указывают изменения (переходы) текущего состояния люфта (в более растянутое или в более сгруппированное состояние или переход между состояниями) и указывают ситуацию люфта, в которой поезд (или участки поезда) переходит/переходят из текущего сгруппированного состояния в растянутое состояние или наоборот. Скорость изменения сил автосцепки и начальные условия указывают время, когда наступит предстоящая ситуация люфта.
Силы автосцепки вагона являются функциями относительного движения между сцепленными вагонами в прямом направлении и обратном направлении. Силы на двух соседних вагонах указывают состояние люфта автосцепки, соединяющей два вагона. Силы для множественных пар соседних вагонов в поезде указывают состояние люфта по всему поезду.
F
F
R
i+1
i-1
i
Иллюстративный вагон 500 (i-й вагон поезда), показанный на фиг. 9, подвергается действию множественных сил, которые можно объединить в три силы: (сила, развиваемая i+1-м вагоном), (сила, развиваемая i-1-м вагоном) и , как показано на фиг. 9. Состояние люфта можно определить, вывести или предсказать из знака этих сил, и степень растяжения или сжатия поезда или участка поезда можно определить, вывести или предсказать из величины этих сил. Силы подчиняются следующим уравнениям.
<img file="00000001.tif" he="8" wi="28" img-content="undefined" img-format="tif" />
(1)
<img file="00000002.tif" he="7" wi="59" img-content="undefined" img-format="tif" />
(2)
R
i
Сопротивление i-го вагона является функцией уклона, скорости вагона и тормозного усилия, управляемого системой пневматических тормозов. Функцию сопротивление можно аппроксимировать следующим образом:
где
R
i
- суммарная сила сопротивления на i-м вагоне,
M
i
- масса i-го вагона,
g
- ускорение свободного падения,
θ
i
- угол, показанный на фиг. 9 для i-го вагона,
v
i
- скорость i-го вагона,
A
B
C
,  и  - коэффициенты сопротивления Дэвиса, и
BP
- давление в тормозной магистрали (где три эллипса указывают другие параметры, которые влияют на замедляющую силу пневматического тормоза, например состояние тормозных колодок, эффективность тормозов, состояние рельсов (рельсовый лубрикатор и пр.), диаметр колеса, геометрия тормозов)
F
F
i+1
i-1
Силы автосцепки и являются функциями относительного движения между соседними вагонами в соответствии с нижеследующими двумя уравнениями.
<img file="00000004.tif" he="6" wi="56" img-content="undefined" img-format="tif" />
(4)
<img file="00000005.tif" he="6" wi="55" img-content="undefined" img-format="tif" />
(5)
Как известно, помимо показанных членов расстояния, скорости и ускорения, согласно еще одному варианту осуществления, функции могут включать в себя эффекты демпфирования и другие члены высших порядков (H.O.T.).
F
F
R
i+1
i-1
i
Согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения метод оценивания силы применяется для определения, прогнозирования или вывода состояния люфта поезда из сил , и . Этот метод использует распределение массы поезда, длину вагона, коэффициенты Дэвиса, характеристики сил автосцепки, скорость локомотива, тяговое усилие локомотива и профиль пути (радиусы кривизны и уклоны), ветровые эффекты, сопротивление, осевое сопротивление, состояние пути, и т.д., что указано в уравнениях (3), (4) и (5), для моделирования поезда и определения сил автосцепки. Поскольку при вычислении сил определенные параметры можно оценивать, а другие можно игнорировать (особенно параметры, оказывающие малое или пренебрежимо мало влияние), полученные значения рассматриваются как приближенные значения сил в некотором интервале достоверности.
Одна иллюстрация этого метода представлена на фиг. 8A и 8B, где на фиг. 8A показаны участок 430 поезда 432 в сгруппированном состоянии и участок 434 в растянутом состоянии. Индикация сгруппированного или растянутого состояния представлена на графике, приведенном на фиг. 8B, где стрелки, направленные вниз, 438 обозначают сгруппированное состояние (отрицательные силы автосцепки) и стрелки, направленные вверх, 439 обозначают растянутое состояние (положительные силы автосцепки). Ситуация изменения люфта имеет место в точке пересечения нуля 440.
Диапазон достоверности, представленный двойной стрелкой 444 и ограниченный пунктирными линиями 446 и 448 является функцией неопределенности параметров и метода, используемых для определения, прогнозирования или вывода состояний люфта вдоль поезда. Достоверность, связанная с переходной точкой люфта 440, представлена горизонтальной стрелкой 442.
Система управления поездом может непрерывно отслеживать ускорение и/или скорость локомотивной сцепки 450 и сравнивать один или оба этих параметра расчетным/ой ускорением/скоростью (согласно известным параметрам, например уклону пути, TE, сопротивлению, скорости, и т.д.) для определения, вывода или прогнозирования точности известных параметров и, таким образом, определения, вывода или прогнозирования степени неопределенности, связанной с силами автосцепки и состоянием люфта. Интервал достоверности также может определяться изменением профиля пути (например, уклона пути), величиной и положением ситуации люфта.
Вместо вычисления сил автосцепки, как описано выше, согласно еще одному варианту осуществления, определяется, предсказывается или выводится знак силы, приложенной к двум связанным вагонам, и отсюда определяется состояние люфта. Таким образом, если сила, развиваемая на передней автосцепке первого вагона, положительна (т.е. сила имеет одно направление с перемещением), и сила, развиваемая на задней автосцепке второго вагона, связанной с передней автосцепкой первого вагона, отрицательна (т.е. в направлении, противоположном направлению перемещения), состояние люфта между двумя вагонами является растянутым. Когда обе силы автосцепки направлены противоположно тому, как описано выше, два вагона сгруппированы. Если все вагоны и локомотивы сгруппированы (растянуты), то поезд сгруппирован (растянут). Вышеописанный метод оценивания силы можно использовать для определения, прогнозирования или вывода знаков сил автосцепки.
Величины сил автосцепки и знаки сил автосцепки можно использовать для определения, прогнозирования или вывода текущего состояния люфта для поезда в целом или для участков поезда. Например, определенные участки поезда могут находиться в растянутом состоянии, где сила автосцепки F>0, и другие участки могут быть в сжатом состоянии, где F<0. Кроме того, можно определить, вывести или предсказать непрерывное состояние люфта для поезда в целом или участков поезда на основании относительной величины средних сил автосцепки.
Определение изменений в силах автосцепки (например, скорости изменения для единичной автосцепки или изменение в отношении расстояния по двум или более автосцепкам) может обеспечивать полезную информацию управления поездом. Скорость изменения силы на единичной автосцепке как функция времени указывает предстоящую ситуацию люфта. Чем выше скорость изменения, тем быстрее состояние люфта будет распространяться вдоль поезда (ситуация схождения или расхождения). Изменение силы автосцепки в отношении расстояния указывает серьезность (т.е. величина сил автосцепки) происходящей ситуации люфта.
Возможность предстоящей ситуации люфта, текущей ситуации схождения или расхождения люфта и/или серьезность текущей ситуации люфта может отображаться машинисту, с или без индикации положения ситуации. Например, вышеупомянутый HMI может показывать ситуацию люфта вблизи вагона номер 63 со степенью серьезности 7. Эта информация о ситуации люфта также может отображаться в графическом формате, как показано на фиг. 4. Эта графическая индикация ситуации люфта может быть представлена с использованием абсолютного расстояния, номера вагона, относительного расстояния (в процентах), абсолютной нагрузки от некоторой точки отсчета (например, локомотивной сцепки), или относительной нагрузки (в процентах) и может форматироваться согласно серьезности и/или тенденции (цветовая индикация, мигание, и т.д.).
Кроме того, дополнительная информация о тенденции текущей ситуации люфта может отображаться для информирования машиниста об улучшении или ухудшении ситуации. Система также может прогнозировать, с некоторым интервалом достоверности, упомянутым выше, результат увеличения или уменьшения текущей позиции регулятора. Таким образом, машинист получает индикацию тенденции, которую можно ожидать при определенном изменении позиции регулятора.
Положение ситуаций люфта, положение тенденции и величину сил автосцепки также можно определить, предсказать или вывести согласно способу оценивания силы. Для поезда с единичной сцепкой значимость ситуации люфта снижается в направлении хвоста поезда, поскольку суммарная масса вагонов уменьшается в направлении назад от ситуации люфта и, таким образом, эффекты ситуации люфта ослабевают. Однако для поезда, включающего в себя множественные сцепки (т.е. головную и неголовные сцепки), значимость ситуации люфта в конкретном положении поезда снижается по мере увеличения абсолютного расстояния до ситуации люфта. Например, если удаленная сцепка находится посередине поезда, ситуации люфта вблизи головы и середины являются значимыми ситуациями люфта относительно серединной удаленной сцепки, но ситуации люфта в трех четвертях расстояния до хвоста поезда и в хвосте поезда не столь значимы. Значимость ситуации люфта может быть функцией исключительно расстояния или, согласно еще одному варианту осуществления, определение включает в себя распределение веса поезда путем анализа, вместо этого, массы между сцепкой и ситуацией люфта или отношения массы между сцепкой и ситуацией люфта и суммарной массой поезда. Тенденцию этой нагрузки также можно использовать для описания текущего состояния.
Знаки сил автосцепки также можно определить, предсказать или вывести путем определения ускорения головного локомотива и естественного ускорения поезда, что дополнительно описано ниже.
Функции сил автосцепки, выраженные в уравнениях (4) и (5), являются лишь кусочно-непрерывными, поскольку каждая из них включает в себя мертвую зону, где сила равна нулю, когда вагоны, непосредственно соседствующие с вагонами, представляющими интерес, не оказывают никаких сил на вагон, представляющий интерес. Таким образом, не существует сил, передаваемых на i-й вагон остальным поездом, в частности, i + 1-м и i - 1-м вагонами. В мертвой зоне естественное ускорение вагона можно определить, предсказать или вывести из сопротивления вагона и массы вагона, поскольку вагон свободно катится по пути. Этот метод естественного ускорения для определения, прогнозирования или вывода состояния люфта позволяет избежать вычисления сил автосцепки, предусмотренного согласно вышеописанному способу оценивания силы. Соответствующие уравнения таковы:
<img file="00000006.tif" he="8" wi="37" img-content="undefined" img-format="tif" />
(6)
<img file="00000007.tif" he="14" wi="32" img-content="undefined" img-format="tif" />
(7)
F
F
i
a
i+1
i-1
i
где следует заметить, сравнивая уравнения (2) и (6), что силовые члены , отсутствуют, поскольку i+1-й и i-1-й вагоны не оказывают никакой силы на -й вагон. Значение это естественное ускорение i-го вагона.
F
F
F
F
a
i+1
i-1
i+1
i-1
Если все автосцепки на поезде либо растянуты, , >0 (силы прямого и обратного направления на любом вагоне больше нуля) или сгруппированы, , <0 (силы прямого и обратного направления на любом вагоне меньше нуля), то скорость всех вагонов, по существу, одинакова и ускорение (по определению положительное в направлении движения) всех вагонов (именуемое общим ускорением) также, по существу, одинаково. Если поезд растянут, положительное ускорение, превышающее естественное ускорение, поддерживает поезд в растянутом состоянии (однако отрицательное ускорение не обязательно означает, что поезд не растянут). Таким образом, поезд будет оставаться в растянутом (сгруппированном) состоянии только, если общее ускорение выше (ниже) естественного ускорения в любой момент времени для всех отдельных вагонов, расположенных после сцепки, где измеряется общее ускорение. Если поезд просто катится, приложение TE головной сцепкой создает растянутое состояние люфта, если испытываемое ускорение больше максимального естественного ускорения поезда (где естественное ускорение поезда является наибольшим значением естественного ускорения среди значений естественного ускорения всех вагонов). Будучи выражены в виде уравнения, где - общее ускорение, условия для полностью растянутого и полностью сгруппированного состояния люфта, соответственно, таковы:
<img file="00000008.tif" he="14" wi="49" img-content="undefined" img-format="tif" />
(8)
<img file="00000009.tif" he="14" wi="49" img-content="undefined" img-format="tif" />
(9)
a
a
max
min
Для определения, прогнозирования или вывода общего ускорения, определяется ускорение головного локомотива, и из него выводится, что ускорение головной сцепки, по существу, эквивалентно ускорению всех вагонов в поезде. Таким образом, ускорение головного звена равно общему ускорению. Для определения, прогнозирования или вывода состояния люфта в любой момент времени, определяют соотношение между выведенным общим ускорением и максимальным и минимальным естественным ускорением среди всех вагонов, с учетом того, что каждый вагон имеет отдельное естественное ускорение в каждый момент времени. Нижеприведенные уравнения определяют (наибольшее значение естественного ускорения среди всех вагонов поезда) и (наименьшее естественное ускорение значения среди всех вагонов поезда).
<img file="00000010.tif" he="15" wi="51" img-content="undefined" img-format="tif" />
(10)
<img file="00000011.tif" he="15" wi="49" img-content="undefined" img-format="tif" />
(11)
a
a
max
min
Если ускорение головного звена (общее ускорение) больше , значит поезд растянут, и если ускорение головного звена меньше , значит поезд сгруппирован.
На фиг. 10 показаны результаты уравнений (10) и (11) как функция времени, включающие в себя кривую 520, указывающую максимальное естественное ускорение среди всех вагонов как функцию времени и кривую 524, выражающую минимальное естественное ускорение среди всех вагонов как функцию времени. Общее ускорение поезда, выведенное из ускорения локомотива, наложено на график, показанный на фиг. 10. Всякий раз, когда общее ускорение превышает кривую 520, поезд находится в растянутом состоянии. Всякий раз, когда общее ускорение меньше кривой 524, поезд находится в сгруппированном состоянии. Общее ускорение между кривыми 520 и 524 указывает промежуточное состояние, например промежуточное состояние 302, показанное на фиг.1. В отношении непрерывной модели состояний люфта, изображенной на фиг.2, разность между общим ускорением и соответствующим моментом времени на кривых 520 и 524 определяет процентное содержание растянутого или сгруппированного состояния люфта.
x
Машинисту полезно знать минимальное и максимальное естественные ускорения, даже если поездом управляет система автоматического управления поездом, поскольку они представляют ускорения, которые должны быть достигнуты на данный момент, чтобы обеспечивать растянутое или сгруппированное состояние. Эти ускорения могут отображаться просто в виде числовых значений (т.е.  миль/ч/мин) или графически, в виде графика “подскакивающего мяча” естественных ускорений, графика минимального и максимального естественных ускорений вдоль пути на период времени вперед, и согласно другим обозначениями дисплея, для информирования машиниста о растягивающем (максимальном) и группирующем (минимальном) ускорениях.
Графики, показанные на фиг.10, можно строить до начала поездки (если план поездки подготовлен до отправления) и общее ускорение поезда (регулируемое машинистом или системой автоматического управления поездом) можно использовать для определения, вывода или прогнозирования, будет ли поезд растянут или сгруппирован в конкретном положении на пути. Аналогично, их можно вычислять и сравнивать в ходе движения и обновлять по мере того, как происходят отклонения от плана.
a
a
max
min
Каждой из кривых и , показанных на фиг.10, можно также присваивать диапазон достоверности на основании достоверности того, что параметры, используемые для определения естественного ускорения каждого вагона, точно отражают фактическое значение этого параметра в любой точке маршрута поезда.
Когда общее ускорение поезда указано на графике, представленном на фиг. 10, полное изменение люфта происходит, когда график общего ускорения переходит из положения над кривой 520 в положение под кривой 524, т.е. при изменении состояния люфта от полностью растянутого к полностью сгруппированному. Известно, что всем автосцепкам требуется конечное время для изменения своего состояния люфта (схождения или расхождения) после такого перехода. Поэтому может понадобиться задерживать объявление изменения состояния люфта после такого перехода, чтобы все автосцепки могли изменить состояние, после чего управление поездом осуществляется согласно новому состоянию люфта.
Для прогнозирования состояния люфта, когда профиль скорости поезда известен (либо априори, на основании запланированного профиля скорости, либо измеряется в реальном времени) на данном участке пути, прогнозируемое (или в реальном времени) ускорение сравнивается с мгновенным максимальным естественным ускорением каждого вагона на расстоянии вдоль пути. Мгновенное состояние люфта можно определить, предсказать или вывести, когда прогнозируемое/фактическое ускорение отличается (в направлении направо) от максимального или минимального естественного ускорения, которые заданы вышеприведенными уравнениями (10) и (11), более чем на заранее определенную постоянную. Эта разность определяется, предсказывается или выводится как фиксированная величина или процент, согласно нижеприведенным уравнениям (12) и (13). Альтернативно, состояние люфта определяется, предсказывается или выводится на протяжении интервала времени путем интегрирования разности по интервалу времени согласно нижеприведенным уравнениям (14) и (15).
(12)
(13)
(14)
(15)
Состояние люфта также можно прогнозировать на некоторое время в будущем, если известны текущее состояние люфта, прогнозируемое приложенное тяговое усилие (и, следовательно, ускорение), текущая скорость и предстоящий профиль пути для участка, пути представляющего интерес.
Знание прогнозируемого состояния люфта согласно любому из описанных способов может влиять на действия машиниста по управлению поездом, позволяющие предотвратить предстоящие изменения люфта, которые могут вызвать повреждение автосцепки.
Согласно еще одному варианту осуществления на основании информации о текущей скорости (ускорении), прошлой скорости и прошлом состоянии люфта определяется, текущее или в реальном времени состояние люфта предсказывается или выводится из текущего положения на пути поезда (профиля пути) путем сравнения фактического ускорения (исходя из того, что все вагоны в поезде имеют одно и то же общее ускорение) с минимальным и максимальным естественными ускорениями из уравнений (16) и (17). Знание текущего состояния люфта позволяет машинисту управлять поездом в реальном времени во избежание повреждения автосцепки.
(16)
(17)
(18)
(19)
a
a
a
a
min
max
min
max
Заметим также, что и  можно определить, предсказать или вывести для любого участка поезда, используемого для задания множественных состояний люфта, что описано здесь в другом месте. Кроме того, положение  и  в поезде можно использовать для количественного выражения промежуточного состояния люфта и для назначения пределов управления.
Когда состояние люфта поезда известно, например, определено, спрогнозировано или выведено согласно описанным здесь процессам, управление поездом осуществляется (автоматически или вручную) в соответствии с ним. Тяговое усилие можно прилагать с более высокой скоростью, когда поезд растянут, без повреждения автосцепок. Согласно варианту осуществления, в котором определяется, предсказывается или выводится непрерывное состояние люфта, скорость, с которой прилагается дополнительное тяговое усилие, зависит от степени растяжения поезда. Например, если общее ускорение составляет 50% от максимального естественного ускорения, можно считать, что поезд на 50% находится в растянутом состоянии, и дополнительное тяговое усилие можно прилагать на 50% скорости, с которой оно прилагалось бы, если бы общее ускорение превышало максимальное ускорение, т.е. в 100%-но растянутом состоянии. Достоверность определяется путем сравнения фактически испытываемого ускорения при данных TE/скорости/положении с вычисленным естественным ускорением, как описано выше.
В поезде с распределением мощности (DP поезде), один или несколько удаленных локомотивов (или группа локомотивов в локомотивной сцепке) дистанционно управляются из головного локомотива (или головной локомотивной сцепки) по проводному или радиоканалу связи. Одна такая DP система на основе радиосвязи коммерчески доступна под торговой маркой Locotrol от General Electric Company, Файерфилд, Коннектикут и описана в патенте США № 4582280. Обычно, DP поезд содержит головную локомотивную сцепку, после которой следует первая совокупность вагонов, затем неголовная локомотивная сцепка, а затем вторая совокупность вагонов. Альтернативно, толкательный режим работы неголовной локомотивной сцепки содержит локомотивную сцепку в положении в конце поезда для обеспечения тягового усилия, когда поезд поднимается по склону.
Вышеописанный способ естественного ускорения можно использовать для определения состояния люфта в DP поезде. На фиг.11 показано иллюстративное состояние люфта в DP поезде. В этом случае все автосцепки натянуты (линия 540 силы автосцепки изображена выше нулевой линии 544, указывая растянутое состояние для всех вагонных автосцепок). Ускорение, измеряемое на любой из локомотивных сцепок (головной сцепке или удаленной неголовной сцепке), превышает естественное ускорение любого вагона или блока вагонов в поезде в целом, приводя к ситуации устойчивого управления поездом.
Однако ситуация “полного растяжения” также может существовать, когда удаленная локомотивная сцепка тянет за собой более чем просто вагоны. На фиг.12 показан этот сценарий. Хотя не все силы автосцепки положительны, ускорение обеих локомотивных сцепок превышает естественное ускорение вагонов. Это стабильный сценарий, поскольку каждый вагон испытывает действие результирующей положительной силы от одной или другой локомотивной сцепки. Переходная точка 550 является точкой нулевой силы, которая часто называется “узлом”, где поезд фактически становится двумя поездами, причем головная локомотивная сцепка ощущает массу поезда от головы до переходной точки 550, и удаленная локомотивная сцепка ощущает остальную массу до хвоста поезда. Эту переходную точку можно номинально определить, если известны ускорение, тяговое усилие и уклон пути головной и удаленной локомотивных сцепок. Если ускорение не известно, можно предположить, что система в данный момент стабильна (т.е. состояние люфта не изменяется), и что ускорения головной и удаленной локомотивных сцепок одинаковы.
Таким образом, можно определить множественные состояния люфта вдоль поезда (т.е. для разных групп вагонов или подпоездов) и управлять поездом на основании наиболее ограничительного подсостояния в поезде (т.е. наименее устойчивого состояния люфта, связанного с одним из подпоездов) для стабилизации наименее ограничительного состояния. Такое управление можно осуществлять за счет приложения тягового усилия или тормозного усилия локомотивной сцепкой впереди подпоезда, имеющего менее устойчивое состояние, или локомотивной сцепкой впереди подпоезда, имеющего более устойчивое состояние.
Альтернативно, комбинацию двух состояний можно использовать для управления поездом в зависимости от доли массы (или другой характеристики поезда/подпоезда, например, длины) в каждом подпоезде. Вышеописанные способы можно применять для дополнительного определения этих подсостояний в поезде и можно реализовать аналогичные стратегии для управления поездом. Определенные состояния поезда и подпоездов также можно отображать для использования машинистами при определении действий по управлению поездом. Применительно к системе автоматического управления поездом, определенные состояния вводятся в систему управления поездом для использования при определении действий по управлению поездом для поезда и подпоездов.
При данном варианте изменения уровней мощности (или уровней торможения) на одной из сцепок, на основании необходимости изменения тягового (или тормозного) усилия поезда, предпочтение следует отдавать сцепке, соединенной с участком поезда (подпоездом), имеющим наиболее устойчивое состояние люфта. В этой ситуации предполагается, что все остальные ограничения на работу поезда, например выравнивание нагрузки, поддерживаются.
Когда изменение уровня суммарной мощности в данный момент не требуется, мощность можно передавать с одной сцепки на другую для выравнивания нагрузки. Обычно передача предусматривает перенос тягового усилия от сцепки, управляющей наиболее устойчивым подпоездом, к сцепке, управляющей наименее устойчивым подпоездом, в зависимости от допустимой вариации мощности. Величину мощности, передаваемой от одной сцепки к другой, можно определять, вычисляя средний уклон пути или эквивалентный уклон с учетом веса или распределения веса двух или более подпоездов и распределяя подачу мощности на основании отношения веса или распределения веса. Альтернативно, мощность можно передавать от сцепки, соединенной с наиболее устойчивым подпоездом, к сцепке, соединенной с наименее устойчивым подпоездом, пока последний не приобретет устойчивость.
Помимо вышеупомянутых стратегий управления желательно управлять движением переходной точки 550 в поезде. При перемещении этой точки вперед или назад в поезде локальные переходные силы, действующие в этой точке, переходят от одного вагона к соседним вагонам. Если это перемещение происходит быстро, эти силы могут стать слишком большими и могут привести к повреждению вагонов и автосцепок. Тяговым усилием любой сцепки можно управлять таким образом, чтобы эта точка двигалась не быстрее заранее определенной максимальной скорости. Аналогично, скоростью каждой сцепки можно управлять таким образом, чтобы расстояние между головной и удаленными локомотивными сцепками не изменялось быстро.
Помимо вышеупомянутых алгоритмов и стратегий, согласно еще одному варианту осуществления, вместо анализа отдельного вагона и оценивания состояния поезда и соответствующих допустимых действий по управлению аналогичные результаты можно получить, рассматривая лишь участки поезда или поезд в целом.
Например, вышеописанный способ естественного ускорения можно ограничить рассмотрением среднего уклона на нескольких длинах вагона и использованием этих данных совместно с суммарным сопротивлением для определения естественного ускорения для этого блока вагонов. Этот вариант осуществления снижает сложность вычислений, в то же время сохраняя основной смысл концепции.
Хотя здесь описаны различные методы прогнозирования состояния люфта, некоторые переменные, используемые при прогнозировании, непрерывно изменяются, например коэффициенты сопротивления Дэвиса, ошибка базы данных уклона пути, трение рельсов/подшипников, сила пневматических тормозов и т.д. Для преодоления последствий этой изменчивости другой вариант осуществления настоящего изобретения отслеживает осевой рывок (т.е. скорость изменения ускорения) для обнаружения схождения люфта (быстрого изменения состояния люфта от растянутого к сгруппированному) и расхождения люфта (быстрого изменения состояния люфта от сгруппированного к растянутому). Схождение/расхождение происходит, когда на головную сцепку внезапно действует внешняя сила, приводя к высокой скорости изменения ускорения во времени.
Этот реактивный способ согласно одному варианту осуществления определяет, прогнозирует или выводит изменение состояния люфта путем определения скорости изменения осевого ускорения одного или нескольких локомотив (именуемой рывком, который является производной ускорения по времени) по сравнению с прилагаемым осевым крутящим моментом. Явление люфта выявляется, когда измеренный рывок согласуется с изменениями прилагаемого крутящего момента вследствие приложения TE или BE, т.е., когда фактический рывок превышает предполагаемый рывок на некоторый порог. Знак рывка (обозначающий положительное или отрицательное изменение ускорения как функцию времени) указывает тип ситуации люфта, т.е. схождение или расхождение. Если текущее состояние люфта известно (или спрогнозировано), можно определить новое состояние люфта, обусловленное рывком.
Система согласно одному варианту осуществления отслеживает рывок и устанавливает допустимые верхний и нижний пределы на основании характеристик поезда, например массы (включающей в себя суммарную массу и распределение массы), длины, уровня мощности сцепки, уклона пути и т.д. Верхний и нижний пределы изменяются со временем по мере изменения характеристик поезда и состояния пути. Любое превышение измеренной производной ускорения по времени (рывка) этих пределов указывает состояние схождения или расхождения и может быть соответственно отмечено или указано для использования машинистом (или системой автоматического управления поездом) для правильного управления поездом.
Если поезд не находится в состоянии превышения скорости при обнаружении рывка, согласно одному варианту осуществления, поездом управляют так, чтобы поддерживать текущую мощность или тяговое усилие на протяжении некоторого периода времени или расстояния перемещения, чтобы поезд мог стабилизироваться без дополнительных возмущений. Другой вариант работы состоит в ограничении скорости подачи дополнительной мощности запланированной скоростью подачи мощности. Например, если консультативная система управления управляет локомотивом и следует установленному плану скорости и плану мощности, система продолжает поддерживать запланированную мощность, но не имеет возможности быстро осуществлять компенсацию для поддержания запланированной скорости в течение этого времени. Это делается с целью поддержания плана управления на макроуровне без чрезмерного возбуждения системы. Однако всякий раз при возникновении превышения скорости оно будет иметь преимущество над стратегией поддержания мощности для ограничения эффектов схождения/расхождения.
На фиг.13 показан один вариант осуществления для определения состояния схождения. Аналогичные функциональные элементы используются для определения состояния расхождения. Информация скорости поезда вводится в блок вычисления рывка 570 для определения скорости изменения ускорения (или рывка), фактически испытываемого транспортным средством на любом участке поезда.
Движение поезда и характеристические параметры вводятся в блок оценки рывка 574 для выработки значения, выражающего предполагаемое состояние рывка, аналогично тому, как фактический рывок вычисляется в блоке 570. Сумматор 576 объединяет значение от блока оценки 574 со значением допустимой погрешности. Допустимая погрешность зависит от параметров поезда и достоверности оценки предполагаемого рывка. Выходной сигнал сумматора 576 выражает максимальный предполагаемый рывок в данное время. Элемент 578 вычисляет разность между этим максимальным предполагаемым рывком и фактически испытываемым рывком, вычисленным элементом 570. Выходной сигнал этого элемента выражает разность/погрешность между фактическим и максимальным предполагаемым рывком.
Компаратор 580 сравнивает эту разность с максимальным пределом допустимой погрешности рывка. Максимально допустимый предел также может зависеть от параметров поезда. Если погрешность рывка превышает максимально допустимый предел, объявляется состояние схождения. Компаратор 580 также может включать в себя функцию стабилизации во времени. В этом случае состояние должно длиться в течение заранее определенного периода времени (например, 0,5 секунды) для определения состояния схождения. Вместо сравнения скорости изменения ускорения, для сравнения также можно использовать фактическое ускорение. Другой способ включает в себя сравнение акселерометра наподобие детектора или тензодатчика на автосцепке или платформе с предполагаемым значением, вычисленным аналогичным образом. Для детектора расхождения используется аналогичная функция.
В поезде, включающем в себя множественные (головной и хвостовой) локомотивы в головной сцепке, информацию от хвостовых локомотивов можно выгодно использовать для обнаружений ситуаций люфта. Отслеживание осевого рывка (как описано выше) на хвостовом локомотиве в сцепке позволяет обнаруживать ситуации люфта, когда силы автосцепки максимальны, и, таким образом, явление люфта легче всего обнаружить.
Кроме того, знание полного тягового или тормозного усилия сцепки повышает точность расчета всех сил, оценки параметров и т.д. в раскрытых здесь уравнениях и методах. Явление люфта в локомотивной сцепке можно обнаруживать путем определения, прогнозирования или вывода разности ускорений между локомотивами сцепки. Множественные оси в поезде с множественными сцепками (поезде с распределением мощности) также обеспечивают дополнительные точки для измерения осевого рывка, из которого можно определить состояние люфта.
На фиг.13 показан детектор состояния люфта или детектор 600 схождения/расхождения, принимающий различные рабочие и характеристические (например, статические) параметры поезда, из которых определяется состояние люфта (включающее в себя состояние схождения или расхождения). Различные описанные варианты осуществления используют различные алгоритмы, процессы и входные параметры для определения состояния люфта, как описано здесь.
В поезде, имеющем множественные локомотивные сцепки (например, в поезде с распределением мощности), информацию состояния люфта можно определить, предсказать или вывести из разности скоростей любых двух сцепок в течение времени. Состояние люфта между двумя локомотивными сцепками можно определить, предсказать или вывести из уравнения.
<img file="00000020.tif" he="9" wi="54" img-content="undefined" img-format="tif" />
(20)
Изменения этого расстояния (условленные изменениями относительной скорости сцепок) указывают изменения в состоянии люфта. Если разность скоростей, по существу, равна нулю, то состояние люфта остается неизменным. Если характеристики автосцепки заранее не известны, их можно определить, предсказать или вывести на основании стационарного тягового усилия и расстояния между локомотивными сцепками.
Если расстояние между двумя сцепками возрастает, поезд переходит в растянутое состояние. Напротив, если расстояние сокращается, поезд переходит в сгруппированное состояние. Информация о состоянии люфта до вычисления значения в уравнении (20) указывает изменение состояния люфта.
Для поезда с множественными локомотивными сцепками состояние люфта можно определить, предсказать или вывести для участков поезда (именуемых подпоездами и включающих в себя хвостовые вагоны в конце поезда), которые ограничены локомотивной сцепкой, поскольку известно, что разные участки поезда могут находиться в разных состояния люфта.
Для поезда, имеющего устройство в конце поезда, относительная скорость между устройством в конце поезда и головным локомотивом (или между устройством в конце поезда и любой удаленной локомотивной сцепкой) определяет расстояние между ними согласно уравнению
<img file="00000021.tif" he="9" wi="41" img-content="undefined" img-format="tif" />
(21)
Изменения этого расстояния свидетельствуют об изменениях в состоянии люфта.
Согласно еще одному варианту осуществления уклон, по которому проходит поезд, можно определить для выявления состояния люфта поезда. Кроме того, текущее ускорение, сопротивление и другие внешние силы, которые влияют на состояние люфта, можно преобразовать в параметр эквивалентного уклона, и определить состояние люфта из этого параметра. Например, когда поезд проходит плоский, прямой путь, сила сопротивления все же присутствует. Эту силу сопротивления можно рассматривать как эффективный положительный уклон без силы сопротивления. Желательно объединить все внешние силы на каждом вагоне (например, уклон, сопротивление, ускорение) (т.е. за исключением сил, обусловленных конфигурацией пути, где такие силы конфигурации пути обусловлены уклоном пути, профилем пути, кривизной пути и т.д.), в единую силу “эффективного уклона” (или эквивалентного уклона). Суммирование эффективного уклона и фактического уклона определяет результирующее влияние на состояние поезда. Интегрирование эквивалентного уклона от хвоста поезда к голове поезда как функции расстояния позволяет определить, где разовьется люфт, путем наблюдения любых точек вблизи или на нулевом уровне. Эта качественная оценка сил люфта может являться достаточным основанием для указания, где можно ожидать явление люфта. Эквивалентный уклон также можно видоизменить для учета других нерегулярностей, например неравномерного распределения веса поезда.
Когда состояние люфта известно, оценено или известно, что оно находится в определенных пределах (либо дискретное состояние, показанное на фиг. 1, либо состояние люфта на кривой 318, показанной на фиг. 2), согласно различным описанным здесь методам, численное значение, количественная индикация или диапазон значений, представляющий состояние люфта, поступает машинисту (включающему в себя систему автоматического управления поездом) для генерации команд, которые управляют скоростью поезда, приложением тягового усилия или тормозного усилия на каждом локомотиве или в локомотивной сцепке, чтобы гарантировать, что избыточные силы автосцепки не возникнут. Согласно фиг. 7 блок 419 указывает, что машинист извещается о состоянии люфта для манипулирования (как указано пунктирными линиями) регулятором тягового усилия или регулятором тормозного усилия в соответствии с этим. Для обеспечения информации можно использовать любой из различных описанных здесь форматов дисплея. В поезде, управляемом автоматической системой управления поездом, блок 415 представляет систему автоматического управления поездом.
x
Помимо управления TE и BE, скоростями реакции для изменений тягового усилия и изменений тормозного усилия, и временами простоя для позиций регулятора тягового усилия и для торможения также можно управлять согласно состоянию люфта. Ограничения на эти параметры могут отображаться машинисту как рекомендуемые практики управления при текущем состоянии люфта поезда. Например, если машинист недавно изменил позицию регулятора, система может отображать рекомендацию “удерживай позицию регулятора” в течение  секунд, на основании текущего состояния люфта. Указанный период времени будет соответствовать рекомендуемой скоростью реакции на основании текущего состояния люфта. Аналогично, система может отображать рекомендуемые предельные ускорения для текущего состояния люфта поезда и извещать машиниста в случае превышения этих пределов.
Машинист или система автоматического управления поездом также может управлять поездом для достижения нужных состояний люфта (как функции состояния пути и положения), обучаясь на основании прошлого поведения машиниста. Например, локомотивом можно управлять, прилагая надлежащее тяговое усилие и/или тормозное усилие для поддержания поезда в растянутом или сгруппированном состоянии в положении на пути, где нужно определенное состояние люфта. Напротив, применение динамических тормозов на всех локомотивах в поезде или независимое применение динамических тормозов на некоторых локомотивах может концентрировать люфт в определенных положениях. Эти положения можно отметить в базе данных целостности пути.
Согласно еще одному варианту осуществления, предыдущую работу поезда на участке сети путей можно использовать для определения трудностей в управлении поездом, возникающих в ходе поездки. Полученная информация сохраняется в базе данных для дальнейшего использования на поездах, проходящих тот же участок, что позволяет на этих последующих поездах управлять приложением TE и BE во избежание трудностей в управлении поездом.
Система управления поездом может позволять машинисту вводить нужное состояние люфта или характеристики автосцепки (например, плотные автосцепки) и создавать план поездки для достижения нужного состояния люфта. Машинист, действуя вручную, также может достигать нужного состояния люфта согласно любым вышеописанным методам.
Входные данные для использования в вышеописанных алгоритмах и уравнениях люфта автосцепки и управления поездом (которые могут выполняться либо на поезде, либо в диспетчерском центре) могут обеспечиваться путем ручной передачи данных с небортового оборудования, например из местного, регионального или глобального диспетчерского центра на поезд для реализации на борту. Если алгоритмы выполняются на придорожном оборудовании, необходимые данные могут передаваться на него проходящими поездами или через диспетчерский центр.
Передача данных также может осуществляться автоматически с использованием небортового, бортового или придорожного компьютера и оборудования передачи данных. Любая комбинация ручной передачи данных и автоматической передачи данных с компьютерной реализацией повсюду в железнодорожной сети может осуществляться согласно принципам разных вариантов осуществления настоящего изобретения.
Описанные здесь алгоритмы и методы для определения состояния люфта могут обеспечиваться как вводы в алгоритм оптимизация движения для подготовки оптимизированного плана поездки, который учитывает состояния люфта и минимизирует внутрипоездные силы. Алгоритмы также можно использовать для последующей обработки плана (независимо от его оптимальности) или могут выполняться в реальном времени.
Различные варианты осуществления настоящего изобретения используют различные устройства для определения или измерения характеристик поезда (например, относительно постоянных параметров состава поезда, например массы, распределения массы, длины) и параметров движения поезда (например, скорости, ускорения), из которых можно определить состояние люфта вышеописанным образом. Такие устройства могут включать в себя, например, один или несколько из следующих: датчики (например, для определения силы, расстояние разделения, профиля пути, положения, скорости, ускорении, TE и BE) вручную вводимые данные (например, данные веса, вручную вводимые машинистом) и прогнозируемая информация,
Хотя определенные методы и математические уравнения приведены здесь для определения, прогнозирования и/или вывода параметров, связанных с состоянием люфта поезда и участков поезда, и определения, прогнозирования или вывода состояния люфта из них, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются раскрытыми методами и уравнениями, но охватывают другие методы и уравнения, известные специалистам в данной области техники.
Специалистам в данной области техники очевидно, что упрощения и сокращения могут иметь место в представлении параметров поезда, например уклона, сопротивления и т.д. и в реализации вышеприведенных уравнений. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются раскрытыми методами, но также охватывают упрощения и сокращения для данных, параметров и уравнений.
Варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают разнообразные возможности для центрального процессора, вычисляющего информацию люфта, в том числе обработку алгоритма на локомотиве поезда, в придорожном оборудовании, вне поезда (в модель на основе диспетчера) или в другом месте железнодорожной сети. Выполнение может осуществляться по заранее составленному расписанию, в реальном времени или в порядке реакции на указанное событие, например изменение рабочих параметров поезда или локомотива, т.е. рабочих параметров, связанных либо с поездом, представляющим интерес, либо с другими поездами, которые могут пересекаться с поездом, представляющим интерес.
Способы и устройство согласно вариантам осуществления настоящего изобретения обеспечивают информацию состояния автосцепки для использования при управлении поездом. Поскольку варианты осуществления методов настоящего изобретения масштабируемы, они могут обеспечивать промежуточные выгоды для железнодорожной сети, даже если они не реализованы посредством сети. Локальные согласования также можно рассматривать без необходимости рассматривать сеть в целом.
В приведенном выше описании используются примеры, раскрывающие различные варианты осуществления настоящего изобретения, в том числе предпочтительные, а также позволяющие специалисту в данной области техники применять и использовать изобретение. Патентуемый объем настоящего изобретения определяется формулой изобретения и может включать в себя другие примеры, очевидные специалисту в данной области техники. Такие другие примеры должны отвечать объему формулы изобретения, если они имеют структурные элементы, которые не отличаются от буквального смысла формулы изобретения, или если они включают в себя эквивалентные структурные элементы, несущественно отличающиеся от буквального смысла формулы изобретения.