СИСТЕМА И СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЙСА ДЛЯ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
SYSTEM AND METHOD FOR OPTIMISATION OF VEHICLE CRUISE

Перекрестные ссылки на родственные заявки
Данная заявка имеет приоритет предварительной заявки US 60/870562 от 18 декабря 2006 года. Кроме того, данная заявка является частичным продолжением находящейся на рассмотрении заявки US 11/385354 от 20 марта 2006 года.
Область техники
Настоящее изобретение относится к оптимизации работы транспортного средства, а более конкретно к мониторингу и управлению работой транспортного средства, чтобы повысить эффективность и одновременно не нарушать расписания движения.
Предшествующий уровень техники
Локомотивы - это комплексные системы с множеством подсистем, причем каждая подсистема взаимозависит от других подсистем. Машинист находится на борту локомотива, чтобы обеспечить надлежащую работу локомотива и соответствующую нагрузку в виде грузовых вагонов. Кроме обеспечения надлежащей работы локомотива машинист также отвечает за определение рабочих скоростей железнодорожного состава и сил, действующих в железнодорожном составе, частью которого являются локомотивы. Чтобы выполнять эту функцию, машинист, как правило, должен иметь большой опыт в управлении локомотивом и различными железнодорожными составами на указанной территории. Это знание необходимо для того, чтобы соблюдать предписанные рабочие скорости, которые могут варьироваться в зависимости от местоположения железнодорожного состава на железнодорожном пути. Более того, машинист также отвечает за обеспечение того, что силы в железнодорожном составе остаются в рамках допустимых пределов.
Тем не менее, чтобы обеспечить безопасную работу, машинист обычно не может управлять локомотивом так, чтобы потребление топлива минимизировалось для каждого рейса. Например, следует рассматривать другие факторы, которые могут включать в себя сигналы, отображающие окружающие условия машиниста, например шум/вибрацию, взвешенную комбинацию потребления топлива и выходную эмиссию и т.д. Это трудновыполнимо, поскольку, например, размер и нагрузка железнодорожных составов могут варьироваться, локомотивы и их характеристики расхода топлива отличаются, и погодные условия и условия движения варьируются. Машинисты могут более эффективно управлять железнодорожным составом, если они имеют средство для определения оптимального пути, по которому следует направлять железнодорожный состав в данный день, согласно требуемому расписанию (времени прибытия) при использовании минимально возможного количества топлива, несмотря на источники помех.
Кроме железнодорожных составов, имеющих локомотивы, работающие на одном типе топлива, преимущественно использовать железнодорожный состав/локомотив и другие транспортные средства, включающие в себя OHV (внедорожные транспортные средства) и морские транспортные средства, имеющие двигатели, которые работают на множестве видов топлива, в том числе, по меньшей мере, на одном дизельном топливе и, по меньшей мере, одном альтернативном топливе. Кроме преимуществ стоимости и доступности альтернативных видов топлива, характеристики каждого типа топлива и их относительные смеси при работе каждого транспортного средства могут быть включены в определение оптимального способа управления каждым транспортным средством так, чтобы следовать требуемому расписанию при минимизации общего количества используемого топлива или минимизации общей выходной эмиссии.
Сущность изобретения
Согласно одному варианту осуществления изобретения предложена система управления железнодорожным составом, имеющим один или более локомотивных составов, причем каждый локомотивный состав содержит один или более локомотивов. В варианте осуществления система содержит элемент определения местоположения железнодорожного состава. Также предусмотрен элемент характеристики железнодорожного пути, чтобы предоставлять информацию о железнодорожном пути. Система также имеет процессор, обеспечивающий прием информации от элемента определения местоположения и элемента характеристики железнодорожного пути. Также предусмотрен алгоритм, который осуществляется в рамках процессора, имеющего доступ к информации, чтобы создавать план рейса, который оптимизирует рабочие характеристики локомотивного состава в соответствии с одним или более рабочими критериями для железнодорожного состава.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения также предложен способ управления железнодорожным составом, имеющим один или более локомотивных составов, причем каждый локомотивный состав содержит один или более локомотивов. Способ содержит этапы определения местоположения железнодорожного состава на железнодорожном пути, определения характеристик железнодорожного пути, и дополнительно создания плана рейса на основе местоположения железнодорожного состава, характеристик железнодорожного пути и рабочих режимов локомотивного состава в соответствии, по меньшей мере, с одним рабочим критерием для железнодорожного состава.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предложен компьютерный программный продукт для управления железнодорожным составом, имеющим вычислительный процессор и один или более локомотивных составов, причем каждый локомотивный состав содержит один или более локомотивов. Компьютерный программный продукт содержит программный модуль для создания плана рейса на основе местоположения железнодорожного состава, характеристик железнодорожного пути и рабочих условий локомотивного состава в соответствии, по меньшей мере, с одним рабочим критерием для железнодорожного состава.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения также предложен способ управления железнодорожным составом, имеющим один или более локомотивных составов, причем каждый локомотивный состав содержит один или более локомотивов, причем план рейса разработан для железнодорожного состава. Способ содержит этап определения значения мощности для локомотивного состава на основе плана рейса. Способ также управляет локомотивным составом при заданном значении мощности. Собирают данные по фактической скорости железнодорожного состава, фактическом значении мощности локомотивного состава и/или местоположении железнодорожного состава. Фактическая скорость железнодорожного состава, фактическое значение мощности локомотивного состава и/или местоположение железнодорожного состава сравнивают с заданным значением мощности.
Согласно еще одному варианту осуществления настоящего изобретения дополнительно предложен способ управления железнодорожным составом, имеющим один или более локомотивных составов, причем каждый локомотивный состав содержит один или более локомотивов, причем план рейса разработан для железнодорожного состава на основе предполагаемых рабочих параметров железнодорожного состава и/или локомотивного состава. Способ содержит этап оценки рабочих параметров железнодорожного состава и/или рабочих параметров локомотива. Способ дополнительно содержит этап сравнения оцененных рабочих параметров железнодорожного состава и/или рабочих параметров локомотивного состава с предполагаемыми рабочими параметрами железнодорожного состава и/или рабочими параметрами локомотивного состава.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения дополнительно предложен способ управления железнодорожным составом, имеющим один или более локомотивных составов, причем каждый локомотивный состав содержит один или более локомотивов, где план рейса разработан для железнодорожного состава на основе требуемого параметра. Способ содержит этапы определения рабочих параметров железнодорожного состава и/или локомотивного состава, определения требуемого параметра на основе определенных рабочих параметров и сравнения определенного параметра с рабочими параметрами. Если определена разница из сравнения определенного параметра с рабочими параметрами, способ дополнительно содержит корректировку плана рейса.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения дополнительно предложен способ управления железнодорожной системой, имеющей один или более локомотивных составов, причем каждый локомотивный состав содержит один или более локомотивов. Способ содержит этапы определения местоположения железнодорожного состава на железнодорожном пути и определения характеристик железнодорожного пути. Способ дополнительно содержит этап формирования плана движения, по меньшей мере, для одного из локомотивов на основе местоположений железнодорожной системы, характеристики железнодорожного пути и/или рабочего режима локомотивного состава, чтобы минимизировать потребление топлива посредством железнодорожной системы.
Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения дополнительно предложен способ управления железнодорожной системой, имеющей один или более локомотивных составов, причем каждый локомотивный состав содержит один или более локомотивов. С этой целью способ содержит этапы определения местоположения железнодорожного состава на железнодорожном пути и определения характеристик железнодорожного пути. Способ дополнительно содержит этап предоставления управления поступательным движением для локомотивного состава, чтобы минимизировать потребление топлива посредством железнодорожной системы.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложена система управления транспортным средством, причем транспортное средство включает в себя двигатель, работающий, по меньшей мере, на одном типе топлива. Система включает в себя элемент определения местоположения транспортного средства, и элемент характеристик железнодорожного пути, чтобы предоставлять информацию по территории нахождения транспортного средства. Более конкретно, система содержит базу данных, чтобы сохранять информацию характеристик для каждого типа топлива, и процессор, обеспечивающий прием информации из элемента определения местоположения, элемента характеристик железнодорожного пути и базы данных. В рамках процессора с доступом к информации осуществлен алгоритм, чтобы создавать план рейса, который оптимизирует рабочие характеристики транспортного средства в соответствии с одним или более рабочими критериями для транспортного средства.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения предложен способ управления транспортным средством, причем транспортное средство включает в себя двигатель, работающий, по меньшей мере, на одном типе топлива. Способ включает в себя этапы определения местоположения транспортного средства, предоставления информации о территории транспортного средства и сохранения информации характеристик для каждого типа топлива. Более конкретно, способ включает в себя этап создания плана рейса, который оптимизирует рабочие характеристики транспортного средства в соответствии с одним или более рабочими критериями для транспортного средства.
В другом варианте осуществления предложен машиночитаемый носитель, содержащий программные инструкции для способа управления транспортным средством. Транспортное средство содержит двигатель, работающий, по меньшей мере, на одном типе топлива. Способ включает в себя этапы определения местоположения транспортного средства, предоставления информации о территории транспортного средства и сохранения информации о характеристиках для каждого типа топлива. Более конкретно, машиночитаемый носитель включает в себя компьютерный программный продукт, чтобы создавать план рейса, который оптимизирует рабочие характеристики транспортного средства в соответствии с одним или более рабочими критериями для транспортного средства.
Краткое описание чертежей
Более подробное описание изобретения представлено ниже, со ссылками на конкретные варианты осуществления, которые проиллюстрированы на прилагаемых чертежах, которые не ограничивают область применения изобретения и на которых:
Фиг.1 изображает блок-схему последовательности этапов способа, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 - упрощенную модель железнодорожного состава, которая может быть использована согласно изобретению;
Фиг.3 - вариант осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4 - вариант кривой расхода топлива/времени движения, согласно изобретению;
Фиг.5 - вариант сегментационного разложения для планирования рейса, согласно изобретению;
Фиг.6 - вариант осуществления сегментации, согласно изобретению;
Фиг.7 - блок-схему последовательности этапов способа варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.8 - вариант осуществления динамического дисплея для использования машинистом, согласно изобретению;
Фиг.9 - другой вариант осуществления динамического дисплея для использования машинистом, согласно изобретению;
Фиг.10 - еще один вариант осуществления динамического дисплея для использования машинистом, согласно изобретению;
Фиг.11 - вариант осуществления системы, согласно изобретению;
Фиг.12 - вариант осуществления динамического дисплея для использования машинистом, согласно изобретения;
Фиг.13 - другой вариант осуществления динамического дисплея для использования машинистом, согласно изобретению;
Фиг.14 - еще один вариант осуществления динамического дисплея для использования машинистом, согласно изобретению;
Фиг.15 - блок-схему последовательности этапов способа настоящего изобретения.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Ниже приводится подробное описание вариантов осуществления изобретения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.
Согласно изобретению разрешаются проблемы в данной области техники посредством создания системы, способа и машинореализованного способа определения и реализации стратегии управления железнодорожным составом, имеющим локомотивный состав, определения подхода, чтобы отслеживать и управлять работой железнодорожного состава, чтобы улучшать определенные требования по параметрам целевых рабочих критериев при удовлетворении ограничений по расписанию и скорости. Варианты осуществления настоящего изобретения также применимы, когда локомотивный состав работает в режиме распределенной мощности. Специалистам в данной области техники ясно, что устройство, такое как система обработки данных, включающая в себя ЦП, запоминающее устройство, механизмы ввода-вывода, устройство хранения программ, соединительную шину и другие соответствующие компоненты, может быть запрограммировано или иным образом запроектировано так, чтобы упрощать практическое применение способа варианта осуществления изобретения. Эта система должна включать в себя соответствующее программное средство для выполнения способа варианта осуществления изобретения.
Также изделие, такое как записанный диск или другой аналогичный компьютерный программный продукт для использования с системой обработки данных, включает в себя носитель и программу способа, записанную на него, для направления системы обработки данных, чтобы упрощать практическое применение способа варианта осуществления изобретения. Эти устройства и изделия также попадают в рамки духа и области применения изобретения.
В общих чертах варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют способ, устройство и программу для определения и реализации стратегии управления железнодорожным составом, имеющим локомотивный состав, определения подхода для того, чтобы отслеживать и управлять работой железнодорожного состава так, чтобы улучшать определенные требования по параметрам целевых рабочих критериев при удовлетворении ограничений по расписанию и скорости. Чтобы упростить понимание вариантов осуществления настоящего изобретения, оно описывается далее со ссылкой на конкретные реализации. Варианты осуществления изобретения описываются в общем контексте машиноисполняемых команд, таких как программные модули, исполняемые посредством компьютера. Программные модули, в общем, включают в себя процедуры, программы, объекты, компоненты, структуры данных и т.д., которые выполняют отдельные задачи или реализуют отдельные абстрактные типы данных. Например, программные приложения, которые лежат в основе вариантов осуществления изобретения, могут быть закодированы на различных языках для использования на различных платформах обработки. В нижеследующем описании варианты осуществления изобретения поясняются в контексте веб-портала, который использует веб-браузер. Тем не менее, следует понимать, что принципы, лежащие в основе вариантов осуществления изобретения, могут быть использованы также с другими типами технологий вычислительных программ.
Более того, специалистам в данной области техники следует понимать, что варианты осуществления изобретения могут быть реализованы на практике с другими конфигурациями вычислительных систем, включая "карманные" устройства, многопроцессорные системы, основанную на микропроцессорах или программируемую бытовую электронную аппаратуру, мини-компьютеры, мейнфреймы и т.п. Варианты осуществления изобретения могут быть реализованы на практике в распределенных вычислительных окружениях, в которых задачи выполняются удаленными обрабатывающими устройствами, которые связаны через сеть связи. В распределенном вычислительном окружении программные модули могут быть расположены на носителе локального или удаленного компьютера, включая устройства памяти. Эти локальные и удаленные вычислительные окружения могут полностью находиться в локомотиве или в соседних локомотивах в составе, или не на борту, т.е. в перегонных либо центральных офисах, где используются средства беспроводной связи.
В данном документе используется термин «локомотивный состав». При использовании в данном документе локомотивный состав может быть описан как имеющий один или более размещенных друг за другом локомотивов, сцепленных вместе, чтобы предоставлять возможность движения и/или торможения. Локомотивы сцепляются вместе, при этом нет железнодорожных вагонов между локомотивами. Железнодорожный состав может иметь более одного локомотивного состава в своей структуре. В частности, может быть ведущий локомотивный состав и более одного удаленного локомотивного состава, например, в середине линии вагонов и другой удаленный локомотивный состав в конце железнодорожного состава. Каждый локомотивный состав может иметь первый локомотив и замыкающий локомотив(ы). Кроме того, хотя состав обычно рассматривается как размещенные друг за другом локомотивы, специалистам в данной области техники ясно, что составная группа локомотивов также может быть распознана как состав даже, по меньшей мере, при одном вагоне, разделяющем локомотивы, например, когда состав сконфигурирован для распределенного управления мощностью, при этом команды регулировки дросселя и торможения передаются с ведущего локомотива в удаленные задние части посредством линии радиосвязи или физического кабеля. Поэтому термин «локомотивный состав» не должен считаться ограничивающим фактором при описании нескольких локомотивов в одном железнодорожном составе.
Изобретение может быть реализовано множеством способов, в том числе как система (включая систему обработки), способ (включая компьютеризированный способ), устройство, машиночитаемый носитель, компьютерный программный продукт, графический пользовательский интерфейс, включающий в себя веб-портал, или структуру данных, материально размещенную в машиночитаемом запоминающем устройстве. Некоторые варианты осуществления изобретения рассматриваются ниже.
На фиг.1 показана блок-схема последовательности этапов варианта осуществления настоящего изобретения. Вводятся команды, конкретные для планирования рейса, либо на борту, либо из удаленного места, такого как диспетчерский центр 10. Входная информация включает в себя, но не только, местоположение железнодорожного состава, описание локомотивного состава (такое, как модели локомотивов), описание тяговой мощности локомотива, эффективность тяговой трансмиссии локомотива, потребление моторного топлива как функция от выходной мощности, характеристики охлаждения, заданный маршрут рейса (фактический уклон и кривизна железнодорожного пути как функция столбов с указанием числа миль либо компонент "фактического уклона", чтобы отражать кривизну, соответствующую стандартной железнодорожной практике), железнодорожный состав, представленный посредством структуры и загрузки вагонов вместе с действующими коэффициентами уклонов, требуемые параметры рейса, в том числе, но не только, время и место начала пути, место окончания, время движения, идентификация экипажа (пользователя и/или машиниста), время смены экипажа и маршрут рейса.
Эти данные могут предоставляться в локомотив 42 рядом способов, таких как, но не только, ручной ввод машинистом в локомотиве 42 посредством бортового дисплея, вставка запоминающего устройства, такого как плата жесткого диска и/или USB-диска, содержащего данные, в приемник на борту локомотива, и передача информации посредством беспроводной связи из центрального или перегонного участка 41, такого как устройство передачи путевых сигналов и/или перегонное устройство, в локомотив 42. Характеристики нагрузки на локомотив 42 и железнодорожный состав 31 (к примеру, сопротивление) также могут изменяться в ходе маршрута (к примеру, с высотой над уровнем моря, температурой окружающей среды и состоянием железнодорожных путей и вагонов), и план может обновляться, чтобы отражать эти изменения, как требуется посредством любого из способов, описанных выше, и/или посредством автономного сбора в реальном времени режимов локомотивов/железнодорожного состава. Это включает в себя, например, изменения характеристик локомотива или железнодорожного состава, обнаруженные посредством оборудования мониторинга на борту или не на борту локомотива(ов) 42.
Система путевых сигналов определяет допустимую скорость железнодорожного состава. Предусмотрено множество типов систем путевых сигналов и правил управления, связанных с каждым из сигналов. Например, некоторые сигналы имеют один источник света (включено/выключено), некоторые сигналы имеют одну линзу с несколькими цветами, а некоторые сигналы имеют несколько источников света и цветов. Эти сигналы могут указывать на то, что железнодорожный путь свободен, и железнодорожный состав может продолжать движение на максимальной допустимой скорости. Они также могут указывать, что требуется снижение скорости или остановка. Снижение скорости может потребоваться быть выполненным немедленно или в определенном месте (к примеру, перед следующим сигналом или переездом).
Состояние сигнала сообщается в железнодорожный состав и/или машинисту посредством различных средств. Некоторые системы имеют схемы на железнодорожном пути и индуктивные воспринимающие катушки на локомотивах. Другие системы имеют системы беспроводной связи. Системы сигналов также могут требовать, чтобы машинист визуально определял сигнал и предпринимал соответствующие действия.
Система передачи сигналов может взаимодействовать с бортовой системой сигналов и регулировать скорость локомотива согласно входным данным и соответствующим правилам управления. Для систем сигналов, которые требуют того, чтобы машинист визуально определял состояние сигналов, экран машиниста предоставляет соответствующие варианты сигналов, чтобы машинист вводил на основе местоположения железнодорожного состава. Тип системы сигналов и правил управления, в качестве функции от местоположения, может быть сохранен в бортовой базе 63 данных.
На основе данных спецификаций, вводимых в вариант осуществления настоящего изобретения, вычисляют оптимальный план рейса, который минимизирует расход топлива и/или производимые выбросы, в соответствии с ограничениями предела скорости вдоль маршрута и требуемым временем начала и окончания, чтобы сформировать профиль 12 рейса. Профиль содержит параметры оптимальной скорости и мощности (положения контроллера управления), которым следует железнодорожный состав, выражаемые как функция от расстояния и/или времени с начала рейса, рабочие пределы железнодорожного состава, в том числе, но не только, настройки максимальной мощности, задаваемой положением контроллера, и торможения, пределы скорости как функция от местоположения и ожидаемого потребляемого топлива и произведенных выбросов. В варианте осуществления значение установки положения контроллера управления выбирается так, чтобы получать решения об изменении управления дросселем примерно каждые 10-30 секунд. Специалисты в данной области техники должны признавать, что решения об изменении управления дросселем могут приниматься с более короткими или длинными продолжительностями, если требуется, и/или желательно следовать оптимальному профилю скорости. В более широком смысле специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что профили предоставляют настройки мощности железнодорожного состава на уровне железнодорожного состава, на уровне локомотивного состава и/или на уровне отдельного железнодорожного состава. Мощность включает в себя мощность торможения, мощность приведения в движение и мощность пневматического тормоза. В другом предпочтительном варианте вместо оперирования традиционными дискретными установками мощности, задаваемой положением регулятора, вариант осуществления настоящего изобретения допускает выбор непрерывной установки мощности, задаваемой как оптимальная для выбираемого профиля. Таким образом, если оптимальный профиль задает, например, установку положения контроллера управления в 6, 8 вместо функционирования при положении контроллера управления в 7, локомотив 42 может функционировать при 6, 8. Предоставление таких промежуточных установок мощности позволяет обеспечивать дополнительные преимущества по эффективности, как описано ниже.
Процедура, используемая для вычисления оптимального профиля, может включать в себя любое число способов вычисления последовательности мощности, которая приводит железнодорожный состав 31, чтобы минимизировать топливо и/или выбросы с учетом ограничений по функционированию локомотива и расписанию, как указано ниже. В некоторых случаях требуемый оптимальный профиль может быть достаточно близко к ранее определенному профилю, вследствие похожести конфигурации железнодорожного состава, маршрута и окружающих условий. В этих случаях может быть полезным провести поиск траектории управления в базе 63 данных и попытаться проследовать ей. Когда ни один ранее вычисленный план не подходит для использования, способы вычисления нового плана включают в себя, но не только, непосредственное вычисление оптимального профиля с помощью моделей дифференциальных уравнений, которые аппроксимируют физику движения железнодорожного состава. Настройка затрагивает выбор количественной целевой функции, обычно взвешенной суммы (интеграла) переменных модели, которые соответствуют скорости потребления топлива и формирования выбросов плюс показатель пенализации за чрезмерное изменение положения дросселя.
Формулировка оптимального управления задана так, чтобы минимизировать количественную целевую функцию с учетом ограничений, включающих в себя, но не ограниченных этим, ограничения скорости и минимальные и максимальные установки мощности (дросселя). В зависимости от целей планирования в любое время проблема может быть гибко установлена так, чтобы минимизировать потребление топлива с учетом ограничений на выбросы и пределов скорости либо минимизировать выбросы с учетом ограничений на потребление топлива и время прибытия. Также можно установить цель, чтобы, например, минимизировать общее время движения без ограничений на общие выбросы или потреблением топлива, при этом такое ослабление ограничений разрешено или требуется для задачи.
В документе предоставлены уравнения и целевые функции для минимизации потребления топлива локомотива. Эти уравнения и функции служат только для иллюстрации, поскольку для того чтобы оптимизировать потребление топлива или оптимизировать другие рабочие параметры локомотива/железнодорожного состава, могут быть использованы другие уравнения и целевые функции.
Математически проблема, которая должна быть разрешена, может быть сформулирована более точно. Физические основы выражаются посредством уравнений:
f
e
a
где: x - местоположение железнодорожного состава, v - его скорость, t - время (в милях, милях в часах и минутах или в часах, как требуется), u - входная команда положения контроллера (управления дросселем). Дополнительно, D обозначает расстояние, которое должно быть пройдено, T - требуемое время прибытия на расстояние D по железнодорожному пути, T - тяговое усилие, формируемое для локомотивного состава, G - гравитационное сопротивление, которое зависит от длины железнодорожного состава, структуры железнодорожного состава и территории, на которой находится железнодорожный состав, и R - зависимое от чистой скорости сопротивление комбинации локомотивного состава и железнодорожного состава. Начальная и конечная скорость также может быть указана, но без потери общности принимается в данном случае равной нулю (железнодорожный состав остановлен в начале и конце рейса). Модель легко модифицируется так, чтобы включать в себя другие важные факторы динамики, такие как запаздывание между изменением управления дросселя u и результирующим тяговым или тормозным усилием. Используя эту модель, формулировка оптимального управления задана так, чтобы минимизировать количественную целевую функцию с учетом ограничений, включающих в себя, но не ограниченных этим, ограничения скорости и минимальные и максимальные установки мощности (дросселя). В зависимости от целей планирования в любое время проблема может быть установлена так, чтобы минимизировать потребление топлива с учетом ограничений на выбросы и пределов скорости либо минимизировать выбросы с учетом ограничений на потребление топлива и время прибытия.
Также можно установить цель, чтобы, например, минимизировать общее время движения без ограничений на общие выбросы или потребление топлива, при этом такое ослабление ограничений разрешено или требуется для задачи. Все эти показатели могут быть выражены как линейная комбинация любого из следующего:
1.  - минимизация общего расхода топлива
2.  - минимизация времени движения
3.  - минимизация переходов из одного положения контроллера управления в другое (кусочно-линейные постоянные входные данные)
- минимизация переходов из одного положения контроллера управления в другое (постоянные входные данные)
Заменим член топлива F в (1) на член, соответствующий формированию выбросов. Например, для выбросов  - минимизация общего потребления выбросов. В этом уравнении E - это количество выбросов в граммах на лошадиную силу-час (гр/л.с./час) для каждого из положений контроллера управления (или установок мощности). Помимо этого, минимизация может быть выполнена на основе взвешенной суммы топлива и выбросов.
Общераспространенная и репрезентативная целевая функция, таким образом, следующая:
(OP)
1
2
f
3
Коэффициенты линейной комбинации будут зависеть от важности (весового коэффициента), присвоенной каждому из членов. Когда транспортное средство работает в режиме с несколькими видами топлива, член F топлива является линейной суммарной комбинацией эффективностей топлива каждого вида, используемого транспортным средством, как описано более детально ниже. Отметим, что в уравнении (OP) u(t) - это переменная оптимизации, которая является постоянной позицией положения контроллера управления. Если требуется дискретное положение контроллера управления, к примеру, для старых локомотивов, решение уравнения (OP) дискретизируется, что может приводить к меньшей экономии топлива. Нахождение решения с минимальным временем (α и α приравниваются нулю) используется для того, чтобы найти нижние границы, предпочтительный вариант осуществления служит для решения уравнения (OP) для различных значений T с α, приравненным нулю. Для тех, кто знаком с решениями проблем оптимизации, могут быть необходимы ограничения присоединения, к примеру пределы скорости в пути:
0≤v≤SL(x)
Либо при использовании минимального времени в качестве цели должно содержаться ограничение конечной точки, например общее потребленное топливо должно быть меньше того, что находится в баке, к примеру, посредством уравнения:
F
f
где: W - топливо, оставшееся в баке в момент T. Специалистам в данной области техники ясно, что уравнение (OP) также может быть представлено в других формах и что вышеуказанная форма является уравнением для использования в примере настоящего изобретения.
Ссылка на эмиссию (выбросы) в контексте варианта осуществления настоящего изобретения фактически относится к накопленным выбросам, формируемым в форме оксидов азота (NOx), оксидов углерода (COx), несгоревших углеводородов (HC) и твердых частиц (PM) и т.д. Тем не менее, другие выбросы могут включать в себя, но не только, максимальное значение электромагнитных излучений, например предел радиочастотной (RF) выходной мощности, измеренной в ваттах, для соответствующих частот, излучаемых локомотивом. Еще одна форма эмиссии - это шум, создаваемый посредством локомотива, типично измеряемый в децибелах (дБ). Требование к выбросам может варьироваться в течение времени дня, времени года и/или атмосферных условий, таких как погода либо уровень загрязнения атмосферы. Нормы выбросов могут варьироваться географически в железнодорожной системе. Например, рабочая зона, такая как город или государство, может иметь заданные целевые показатели выбросов, а соседняя зона может иметь другие целевые показатели выбросов, например меньший объем допустимых выбросов или меньшая плата за данный уровень выбросов.
2
Соответственно, профиль выбросов для данной географической зоны может быть скорректирован так, чтобы включать в себя значения максимальной эмиссии (выбросов) для каждого из регулируемых значений, включенных в профиль, чтобы удовлетворять предварительно определенным целевым показателям, требуемым для этого региона. Типично для локомотива эти параметры определяются посредством, но не только, настройки мощности (положения контроллера управления), условий окружающей среды, способа регулирования двигателя и т.д. По конструкции каждый локомотив должен соответствовать стандартам по выбросам EPA, и, таким образом, в варианте осуществления настоящего изобретения, который оптимизирует выбросы, это может относиться к общим для задачи выбросам, для которых нет текущих технических требований EPA. Работа локомотива согласно оптимизированному плану рейса всегда совместима со стандартами выбросов EPA. Специалистам в данной области техники ясно, что поскольку дизельные двигатели используются в других применениях, то также возможны другие нормы. Например, выбросы CO упоминаются в международных соглашениях.
Если ключевая цель заключается в том, чтобы снизить выбросы, оптимальная формула управления, уравнение (OP), корректируется, чтобы учитывать эту цель. Ключевая гибкость при оптимизации заключается в том, что любые или все цели рейса могут варьироваться по географическому региону или задаче. Например, для высокоприоритетного железнодорожного состава минимальное время может быть единственной целью на маршруте вследствие приоритета железнодорожного состава. В другом примере выходные выбросы могут варьироваться от режима к режиму в запланированном маршруте железнодорожного состава.
Чтобы разрешить результирующую проблему оптимизации в варианте осуществления настоящее изобретение преобразует проблему динамического оптимального управления во временной области в эквивалентную проблему статического математического программирования с N переменными решения, где число N зависит от частоты, с которой выполняются корректировки управления дросселем и торможения, и продолжительности рейса. Для типичных случаев N может измеряться в тысячах. Например, железнодорожный состав движется по железнодорожному пути протяженностью 172 мили на юго-востоке США. Используя настоящее изобретение, потребление топлива может быть снижено на 7,6% при сравнении рейса, заданного оператором, и реального рейса с реальными историческими данными управления дросселем/скоростью, когда движение в рейсе определялось машинистом. Повышенная экономия реализуется, поскольку оптимизация, предоставляемая посредством использования одного варианта осуществления настоящего изобретения, формирует стратегию движения с меньшей потерей на сопротивление движению и с небольшой или без потери торможения в сравнении с планом рейса, заданным машинистом.
Чтобы сделать оптимизацию вычислительно легко обрабатываемой, может быть использована упрощенная модель железнодорожного состава, например, проиллюстрированная на фиг.2 и описываемая уравнениями, описанными выше. Ключевое усовершенствование в оптимальном профиле создается посредством извлечения более подробной модели со сформированной оптимальной последовательностью мощности, чтобы проверить, нарушаются ли какие-либо тепловые, электрические и механические ограничения, приводя к модифицированному профилю со скоростью по сравнению с расстоянием, который наиболее близок к ходу, который может быть достигнут без повреждения оборудования локомотива или железнодорожного состава, т.е. с удовлетворением дополнительных наложенных ограничений, таких как тепловые и электрические пределы, на усилия в локомотиве и между вагонами в железнодорожном составе.
После того как рейс начат 12 (фиг.1), формируются команды мощности 14, чтобы задать план движения. В зависимости от операционной настройки одна команда инструктирует локомотив следовать команде оптимизированной мощности 16, чтобы достичь оптимальной скорости. Получают информацию фактической скорости и мощности от локомотивного состава железнодорожного состава 18. Вследствие неизбежных приближений в моделях, используемых для оптимизации, вычисление с замкнутым контуром корректировок в оптимизированную мощность получают так, чтобы отслеживать требуемую оптимальную скорость. Эти корректировки рабочих пределов железнодорожного состава могут выполняться автоматически или машинистом, который всегда осуществляет окончательное управление железнодорожным составом.
В некоторых случаях модель, используемая в оптимизации, может значительно отличаться от фактического железнодорожного состава. Это может происходить по множеству причин, в том числе, но не только, вследствие дополнительных захватов грузов или отцепок, локомотивов, которые ломаются в пути, ошибок в исходной базе 63 данных и ошибок ввода данных машинистом. По этим причинам система мониторинга размещена так, чтобы использовать данные железнодорожного состава реального времени, чтобы оценивать параметры локомотива и/или железнодорожного состава в реальном времени 20. Оцененные параметры затем сравниваются с предполагаемыми параметрами, когда рейс первоначально создавался 22. На основе каких-либо различий в предполагаемых и оцененных значениях рейс может быть перепланирован 24, если при новом плане может быть реализована значительная экономия.
Другие причины, по которым рейс может быть перепланирован, включают в себя директивы из удаленного участка, например из диспетчерской, и/или запрос машиниста на изменения целевых показателей, так чтобы согласовать их с глобальными целевыми показателями планирования движения. Эти глобальные целевые показатели планирования движения могут включать в себя, но не только, расписания других железнодорожных составов, разрешенный выхлоп, который выветрится из туннеля, техническое обслуживание и т.д. Другая причина может быть обусловлена неисправностью элементов на борту. Стратегии перепланирования могут быть сгруппированы на пошаговые и крупные корректировки в зависимости от серьезности повреждения, как подробнее описано ниже. В общем новый план может быть получен из решения уравнения проблемы оптимизации, описанного выше, но могут быть найдены более быстрые приблизительные решения, как описано в данном документе.
При работе локомотив 42 постоянно отслеживает эффективность работы системы и постоянно обновляет план рейса на основе фактической измеренной эффективности каждый раз, когда это обновление может улучшить эффективность рейса. Вычисления перепланирования могут выполняться полностью в локомотиве(ах) или полностью либо частично выполняться в удаленном местоположении, таком как диспетчерская, либо перегонные технологические здания, в которых беспроводная технология используется для того, чтобы передавать план в локомотив 42. Настоящее изобретение также позволяет формировать тенденции эффективности для разработки данных для парка локомотивов относительно передаточных функций эффективности. Данные парка могут быть использованы при определении начального плана рейса и могут быть использованы для компромисса по сетевой оптимизации при рассмотрении местоположений множества железнодорожных составов. Например, кривая компромисса времени движения и потребления топлива (фиг.4) отражает характеристики железнодорожного состава на конкретном маршруте в конкретное время, обновляясь от множественных средних, собираемых от многих аналогичных железнодорожных составов на том же маршруте. Таким образом, центральная диспетчерская, собирающая кривые, аналогичные фиг.4, от множества локомотивов, может использовать эту информации, чтобы лучше координировать общее перемещение железнодорожного состава, чтобы добиться преимущества на уровне системы в потреблении топлива или пропускной способности.
Большинство событий в ежедневной работе могут привести к необходимости формировать или модифицировать выполняемый в текущий момент времени план, при этом желательно поддерживать те же цели рейса, например, когда железнодорожный состав следует не по расписанию для запланированной встречи или прохода с другим железнодорожным составом и ему необходимо наверстать время. Используя фактическую скорость, мощность и местоположение железнодорожного состава, делается сравнение между запланированным временем прибытия и текущим оцененным (спрогнозированным) временем прибытия 25. На основе разности времени, а также разности параметров (обнаруженных или измененных диспетчерской или машинистом) корректируется 26 план. Эта корректировка может выполняться автоматически в ответ на политику железнодорожной компании по тому, как такие отклонения от плана должны быть обработаны, либо вручную предложены альтернативы для машиниста на борту и диспетчера совместно определить оптимальный подход возвращения к плану. Каждый раз, когда план обновлен, но исходные цели, такие как, но не только, время прибытия, остаются неизмененными, дополнительные изменения могут быть факторизованы параллельно, к примеру новые будущие изменения пределов скорости, что может повлиять на осуществимость восстановления исходного плана. В этих случаях, если план рейса не может быть поддержан, или, другими словами, железнодорожный состав не может удовлетворить исходные цели плана рейса, как описано в данном документе, машинисту, удаленному участку или диспетчерской может быть представлен другой план(ы) рейса.
Перепланирование также может быть выполнено тогда, когда требуется изменить исходные цели. Это перепланирование может быть выполнено в фиксированное заранее запланированное время, вручную на усмотрение машиниста или диспетчера либо автономно, когда заранее заданные пределы, такие как рабочие пределы железнодорожного состава, превышены. Например, если выполнение текущего плана запущено позднее более чем на указанное пороговое значение, такое как тридцать минут, согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения можно перепланировать рейс так, чтобы вместить задержку, за счет повышенного потребления топлива, как описано выше, или оповестить машиниста либо диспетчера о степени, в которой потерянное время может быть восстановлено, если это возможно (т.е. какое минимальное оставшееся время в пути или максимальное топливо, которое может быть сэкономлено в рамках ограничения по времени). Другие триггеры перепланирования также могут быть рассмотрены на основе потребленного топлива или режима тягового состава, в том числе, но не только, время прибытия, потеря лошадиных сил вследствие неполадок оборудования и/или временной неработоспособности оборудования (например, работа при слишком высокой или слишком низкой температуре) и/или обнаружение грубых ошибок установки, например, при предполагаемой нагрузке железнодорожного состава. Т.е. если изменение отражает ухудшение рабочих характеристик локомотива для текущего рейса, оно может факторизовано на модели и/или уравнения, используемые в оптимизации.
Изменение целевых показателей плана также может вытекать из необходимости координировать события, когда план для одного железнодорожного состава нарушает способность другого железнодорожного состава удовлетворить целевые показатели, и требуется разрешение конфликта на другом уровне, к примеру в офисе диспетчерской. Например, координация встреч и прохождений может быть дополнительно оптимизирована посредством связи между железнодорожными составами. Таким образом, в качестве примера, если машинист знает то, что он отстает от расписания прибытия к месту встречи и/или прохода, связь от другого железнодорожного состава может известить машиниста опаздывающего железнодорожного состава (и/или диспетчерскую). Машинист может затем ввести информацию, относящуюся к задержке в один вариант осуществления настоящего изобретения, который повторно вычислит план рейса железнодорожного состава. Вариант осуществления настоящего изобретения также может быть использован на высоком уровне или сетевом уровне для того, чтобы предоставить диспетчеризацию, чтобы определить то, какой железнодорожный состав должен замедлить или увеличить скорость, если очевидно, что назначенное ограничение по времени встречи и/или прохода не может быть удовлетворено. Как поясняется в данном документе, это может быть осуществлено посредством передачи данных железнодорожными составами, чтобы диспетчеризовать, чтобы расставить приоритеты относительно того, как каждый железнодорожный состав должен изменить свои целевые показатели планирования. Выбор может зависеть либо от предпочтений по расписанию, либо от предпочтений по экономии топлива, в зависимости от ситуации.
Для любой из вручную или автоматически инициированных перепланировок вариант осуществления настоящего изобретения может предоставлять несколько планов рейса машинисту. В варианте осуществления настоящее изобретение предоставляет различные профили машинисту, позволяя машинисту выбирать время прибытия, а также понимать соответствующее воздействие топлива и/или выбросов. Эта информация также может быть предоставлена в диспетчерскую по аналогичным соображениям либо в качестве простого списка альтернатив, либо как множество кривых компромиссов, например, как проиллюстрировано на фиг.4.
В одном варианте осуществления настоящее изобретение включает в себя возможность изучения и приспосабливания к ключевым изменениям в железнодорожном составе и локомотивном составе, которые могут содержаться в текущем плане и/или в будущих планах. Например, один из триггеров, описанных выше, это потеря лошадиных сил. При наращивании лошадиных сил во времени либо после потери лошадиных сил, либо в начале рейса переходная логика используется для того, чтобы определить, когда требуемые лошадиные силы достигнуты. Эта информация может быть сохранена в базе данных локомотивов 61 для использования в оптимизации либо будущих рейсов, либо текущего рейса, если потеря лошадиных сил происходит снова.
На фиг.3 показан вариант осуществления элементов системы оптимизации рейса, которая содержит элемент 30 определения местоположения для определения местоположения железнодорожного состава 31. Элемент 30 определения местоположения содержит GPS-датчик или систему датчиков, которые определяют местоположение железнодорожного состава 31. Примеры этих других систем могут включать в себя, но не только, перегонные устройства, такие как радиочастотные теги автоматической идентификации оборудования (RF AEI), диспетчерскую и/или определение на основе видео. Другая система может использовать тахометр(ы) на борту локомотива и вычисления расстояния от опорной точки. Как описано выше, система 47 беспроводной связи также может быть предусмотрена для того, чтобы обеспечить связь между железнодорожными составами и/или с удаленным участком, таким как диспетчерская. Информация о местах передвижения также может передаваться от других железнодорожных составов.
Также имеется элемент 33 характеризации железнодорожного пути, который предоставляет информацию о железнодорожном пути, в частности информацию уклона, подъема и кривизны. Элемент 33 характеризации железнодорожного пути может включать в себя бортовую базу 36 данных связности железнодорожных путей. Датчики 38 измеряют тяговое усилие 40, применяемое локомотивным составом 42, настройку управления дросселем локомотивного состава 42, конфигурационную информацию локомотивного состава 42, скорость локомотивного состава 42, конфигурационную информацию отдельных локомотивов, характеристики отдельных локомотивов и т.д. В варианте осуществления конфигурационная информация локомотивного состава 42 может быть загружена без использования датчика 38, а введена посредством других подходов, как описано выше. Более того, может быть рассмотрено состояние локомотивов в составе также. Например, если один локомотив в составе не может работать выше уровня 5 положения контроллера управления мощностью, эта информация используется при оптимизации плана рейса.
Информация от элемента определения местоположения также может быть использована для того, чтобы определять соответствующее время прибытия железнодорожного состава 31. Например, если железнодорожный состав 31 перемещается по железнодорожному пути 34 в направлении пункта назначения и нет железнодорожного состава, едущего за ним, и железнодорожный состав не имеет фиксированного крайнего срока прибытия, чтобы удовлетворять ему, элемент определения местоположения, включающий в себя, но не только, радиочастотные теги автоматической идентификации оборудования (RF AEI), диспетчерскую и/или определения на основе видео, может быть использован для того, чтобы измерять точное местоположение железнодорожного состава 31. Более того, входные данные от этих систем передачи сигналов могут быть использованы для того, чтобы регулировать скорость железнодорожного состава. Используя бортовую базу данных железнодорожных путей, описанную ниже, и элемент определения местоположения, такой как GPS, можно регулировать интерфейс машиниста, чтобы отражать состояние системы передачи сигналов в данном местоположении локомотива. В ситуации, когда состояния сигнала указывают ограничительные скорости, планировщик может выбрать замедление железнодорожного состава, чтобы сэкономить потребление топлива.
Информация от элемента 30 определения местоположения также может быть использована для того, чтобы изменять целевые показатели планирования как функцию от расстояния до пункта назначения. Например, вследствие неизбежных неопределенностей о перегруженности вдоль маршрута, более быстрые целевые показатели времени на ранней стадии маршрута могут быть использованы в качестве защиты от задержек, которые по статистике возникают позднее. Если в конкретном рейсе эти задержки не возникают, целевые показатели в дальнейшей части передвижения могут быть модифицированы так, чтобы использовать встроенное время простоя, которое накоплено ранее, и тем самым восстанавливать определенную эффективность использования топлива. Аналогичная стратегия может быть активирована в отношении целевых показателей с ограничениями выбросов, к примеру, которые применяются при достижении городской зоны.
В качестве примера стратегии защиты, если рейс запланирован из Нью-Йорка в Чикаго, система может предоставить вариант управлять железнодорожным составом медленнее в начале рейса, в середине рейса или в конце рейса. Вариант осуществления настоящего изобретения оптимизирует план рейса, чтобы предоставить возможность более медленной работы в конце рейса, поскольку неизвестные ограничения, такие как, но не только, погодные условия, техническое обслуживание железнодорожного пути и т.д., могут возникать и стать известными по ходу рейса. В качестве еще одного соображения, если традиционно перегруженные зоны известны, план разрабатывается с вариантом повысить гибкость движения в таких перегруженных регионах. Следовательно, вариант осуществления настоящего изобретения также может учитывать взвешивание/штрафование как функцию от времени/расстояния в будущем и/или на основе известного/предыдущего опыта. Специалисты в данной области техники должны легко признавать, что такое планирование и перепланирование для учета погодных условий, состояний железнодорожного пути, других железнодорожных составов на железнодорожном пути и т.д. может быть принято во внимание в любое время в ходе рейса, когда план рейса скорректирован соответствующим образом.
На фиг.3 дополнительно показаны другие элементы, которые могут быть частью варианта осуществления настоящего изобретения. Процессор 44 конфигурирован для принятия информации от элемента 30 определения местоположения, элемента 33 характеризации железнодорожного пути и датчиков 38. Алгоритм 46 работает в рамках процессора 44. Алгоритм 46 используется для вычисления оптимизированного плана рейса на основе параметров, включающих в себя локомотив 42, железнодорожный состав 31, железнодорожный путь 34 и целевые показатели задачи, как описано в данном документе. В варианте осуществления план рейса устанавливается на основе моделей режима работы железнодорожного состава по мере того, как железнодорожный состав 31 перемещается по железнодорожному пути 34, в качестве решения нелинейных уравнений, извлеченных из физики с упрощающими допущениями, которые предусмотрены в алгоритме. Алгоритм 46 имеет доступ к информации от элемента 30 определения местоположения, элемента 33 характеризации железнодорожного пути и/или датчиков 38, чтобы создать план рейса, минимизирующий потребление топлива локомотивного состава 42, минимизирующий выбросы локомотивного состава 42, устанавливающий требуемое время рейса и/или предоставляющий соответствующее время работы экипажа на борту локомотивного состава 42. В варианте осуществления также предусмотрен приводной механизм или элемент 51 контроллера. Элемент 51 контроллера может управлять железнодорожным составом по мере того, как он следует плану рейса. Дополнительно элемент 51 контроллера принимает решения по управлению железнодорожным составом автономно. В другом варианте осуществления машинист может участвовать в направлении железнодорожного состава, чтобы следовать плану рейса.
Требованием изобретения является возможность первоначально создать и быстро изменить "на ходу" любой план, который выполняется. Это включает в себя создание первоначального плана, когда предполагается большое расстояние, по причине сложности алгоритма оптимизации плана. Когда общая протяженность профиля рейса превышает данное расстояние, алгоритм 46 может быть использован для того, чтобы сегментировать задачу, причем задача может быть разделена на точки маршрута. Хотя поясняется только один алгоритм 46, специалистам в данной области техники ясно, что несколько алгоритмов может быть использовано, причем эти алгоритмы могут быть связаны между собой. Точка маршрута может включать в себя естественные местоположения, где железнодорожный состав 31 останавливается, такие как, но не только, запасные пути, когда встреча с движущимся навстречу железнодорожным составом или пропуск железнодорожного состава позади текущего железнодорожного состава запланированы так, что они могут произойти на одноколейной железной дороге, либо сортировочные запасные пути или станции, где вагоны должны быть собраны и отправлены в путь, либо участки плановой работы. В этих точках маршрута железнодорожному составу 31 может потребоваться быть в нужном месте в запланированное время и остановиться или перемещаться со скоростью в указанном диапазоне. Продолжительность от прибытия до убытия в точках маршрута называется временем отстоя.
В варианте осуществления изобретения можно разбивать более длительный рейс на меньшие сегменты согласно систематическому процессу. Каждый сегмент может быть в некоторой степени произвольным по длине, но типично выбирается в естественном месте, таком как остановка или значительное ограничение скорости, либо в ключевых путевых точках или столбах с указанием числа миль, которые задают пересечения с другими маршрутами. С учетом секции или сегмента, выбранного таким образом, профиль движения создается для каждого сегмента железнодорожного пути как функция от времени движения, взятая как независимая переменная, как показано на фиг.4. Компромиссное отношение потребленное топливо/время движения, связанное с каждым сегментом, может быть вычислено до достижения железнодорожным составом 31 этого сегмента железнодорожного пути. Общий план рейса может быть создан из профилей движения, созданных для каждого сегмента. Распределяется время движения по всем сегментам рейса оптимальным способом так, чтобы удовлетворялось общее требуемое время рейса, и минимизировался общий расход топлива по всем сегментам. Трехсегментный рейс показан на фиг.6 и пояснен ниже. Тем не менее, специалистам в данной области техники ясно, что хотя описываются сегменты, план рейса может содержать один сегмент, представляющий полный рейс.
На фиг.4 показан вариант осуществления кривой "расход топлива/время движения". Как упоминалось выше, эта кривая 50 создается при вычислении оптимального профиля рейса для различного времени движения для каждого сегмента. То есть для данного времени 51 движения потребленное топливо 52 - это результат детального профиля движения, вычисленного так, как описано выше. После того как время движения для каждого сегмента назначено, определяется план мощности/скорости для каждого сегмента из ранее вычисленных решений. Если имеются какие-либо ограничения по скорости в путевых точках между сегментами, такие как, но не только, изменение предела скорости, они согласуются в ходе создания оптимального профиля рейса. Если ограничения скорости изменяются только в рамках одного сегмента, кривая 50 "расход топлива/время движения" должна быть повторно вычислена только для измененного сегмента. Это уменьшает время, требуемое для повторного вычисления дополнительных частей или сегментов рейса. Если локомотивный состав или железнодорожный состав существенно изменяется вдоль маршрута, к примеру, из-за отцепки локомотива или захвата или отцепки вагонов, профили движения для всех последующих сегментов должны быть пересчитаны, создавая новые экземпляры кривой 50. Эти новые кривые 50 затем используются наряду с новыми целевыми показателями расписания, чтобы распланировать оставшийся рейс.
После того как план рейса создан так, траектория скорости и мощности в сравнении с расстоянием используется для того, чтобы достигать пункта назначения с минимальным расходом топлива и/или выбросами за требуемое время рейса. Предусмотрено несколько способов, которыми следует выполнять план рейса. Как подробнее описано ниже, в одном случае осуществления настоящего изобретения в обучающем режиме информация отображается машинисту, которой машинист должен следовать для того, чтобы достичь требуемой мощности и скорости, как определено согласно оптимальному плану рейса. В этом режиме рабочая информация считается рабочими условиями, которые должен использовать машинист. В другом варианте осуществления ускорение и поддержание постоянной скорости выполняются посредством варианта осуществления настоящего изобретения. Тем не менее, когда железнодорожный состав 31 должен быть замедлен, машинист отвечает за применение тормозной системы 52. В другом варианте осуществления настоящего изобретения осуществляется управление мощностью и торможением, как требуется для того, чтобы следовать желательному пути скорость-расстояние.
Стратегии управления с обратной связью используются для того, чтобы предоставлять корректировки в последовательность управления мощностью в профиле, чтобы корректировать такие события, как, но не только, изменения нагрузки железнодорожного состава, вызываемые неустойчивым встречным ветром и/или попутным ветром. Другая такая ошибка может быть вызвана ошибкой в параметрах железнодорожного состава, такой как, но не только, масса и/или сопротивление железнодорожного состава, в сравнении с допущениями в оптимизированном плане рейса. Третий тип ошибки может возникать с информацией, содержащейся в базе 36 данных железнодорожных путей. Другая возможная ошибка может влечь за собой несмоделированные отличия в рабочих характеристиках, обусловленные двигателем локомотива, температурным снижением характеристик тягового электродвигателя и/или другими факторами. Стратегии управления с обратной связью сравнивают фактическую скорость как функцию от местоположения со скоростью в требуемом оптимальном профиле. На основе этой разности в оптимальный профиль мощности добавляется корректировка, чтобы привести фактическую скорость движения в соответствии с оптимальным профилем. Чтобы обеспечить стабильное регулирование, может быть предусмотрен компенсационный алгоритм, который фильтрует скорости обратной связи в корректировки мощности, чтобы обеспечить стабильность рабочих характеристик в замкнутом контуре. Компенсация может включать в себя стандартную динамическую компенсацию, используемую специалистами в области техники системного проектирования, чтобы удовлетворять целевым показателям производительности.
Вариант осуществления настоящего изобретения предоставляет наиболее простое, а следовательно, наиболее быстрое средство для того, чтобы приспосабливать изменения в целевых показателях рейса, которые являются правилом, а не исключением в железнодорожных операциях. Для того чтобы определять оптимальный по топливу рейс из точки A в точку B, где имеются остановки по пути, а также для обновления рейса по оставшейся части рейса после того, как рейс начат, для нахождения оптимального профиля рейса может быть использован способ субоптимального разложения. Используя способы моделирования, способ вычисления позволяет находить план рейса с указанным временем движения и начальной и конечной скоростью, так чтобы удовлетворять всем пределам скоростей и ограничениям характеристик локомотива, когда предусмотрены остановки. Хотя нижеследующее описание направлено на оптимизацию потребления топлива, оно также может быть применено для того, чтобы оптимизировать другие факторы, такие как, но не только, выбросы, расписание, удобство экипажа и резкие изменения нагрузки. Способ может быть использован сначала при разработке плана рейса и, более важно, для адаптации к изменениям целевых показателей после инициирования рейса.
Как поясняется в данном документе, вариант осуществления настоящего изобретения может использовать настройку, проиллюстрированную в блок-схеме последовательности операций способа (фиг.5), и в качестве типичного трехсегментного примера, подробно показанного на фиг.6. Рейс может быть разбит на два или более сегментов, T1, T2 и T3. Хотя, как описано в данном документе, можно рассматривать рейс как один сегмент. Границы сегмента могут не приводить к сегментам равной длины. Вместо этого сегменты используют естественные или конкретные для задачи границы. Оптимальные планы рейсов заранее вычисляются для каждого сегмента. Если потребление топлива в сравнении со временем движения является целью рейса, которая должна быть удовлетворена, для каждого сегмента формируются кривые топлива относительно времени движения. Кривые могут быть основаны на других факторах, при этом факторы являются целевыми показателями, которые должны быть удовлетворены согласно плану рейса. Когда время рейса является определяемым параметром, время рейса для каждого сегмента вычисляется при удовлетворении общих ограничений по времени движения. На фиг.6 иллюстрируются пределы скорости для трехсегментного 200-мильного рейса 97. Дополнительно проиллюстрированы изменения уклона в ходе 200-мильного рейса 98. Комбинированная схема 99, иллюстрирующая кривые потребляемого топлива для каждого сегмента рейса согласно времени движения, также показана.
Используя оптимальную установку управления, описанную ранее, настоящий способ вычисления позволяет находить план рейса с указанным временем движения и начальной и конечной скоростью, так чтобы удовлетворять всем пределам скоростей и ограничениям характеристик локомотива, когда предусмотрены остановки. Хотя нижеследующее описание направлено на оптимизацию потребления топлива, оно также может быть применено для того, чтобы оптимизировать другие факторы, описанные в данном документе, такие как, но не только, выбросы. Ключевая гибкость в том, чтобы урегулировать требуемое время отстоя на остановках и учитывать ограничения на самое раннее прибытие и убытие в данном месте, что может требоваться, например, при движении с одной колеей, где время для того, чтобы войти или пройти подъездной путь, является критичным.
Вариант осуществления настоящего изобретения
0
M
1
M-1
Находят оптимальный по топливу рейс с расстояния D до D, пройденный за время T, где M-1 промежуточных остановок в D,…,D, и при этом время прибытия и убытия на этих остановках ограничено посредством следующего:
min
arr
i
max
i
t(i)≤t(D)≤t(i)-Δt,
arr
i
i
dep
i
max
t(D) + Δt≤t(D)≤t(i) i=1,…, M-1
arr
i
dep
i
i
dep
i
arr
i
i
i-1
i
min
max
i
j-1
j
j
i
где t(D), t(D) и Δt - это время прибытия, убытия и минимальной стоянки на i-й остановке, соответственно. При условии, что оптимальность по топливу подразумевает минимизацию времени остановки, имеем t (D)=t (D) + Δt, что исключает второе неравенство выше. Предположим, что для каждого i=1,…, M оптимальный по топливу рейс из D в D для времени движения t, T(i)≤t≤T(i), неизвестен. Пусть F(t) будет потреблением топлива, соответствующим этому рейсу. Если время движения из D в D обозначено T, то время прибытия в D задается посредством следующего:
0
0
M
i
где Δt равно нулю. Оптимальный по топливу рейс из D в D для времени движения T затем получается посредством нахождения T, i=1,…, M, что минимизирует:
при условии:
0
M
i-1
i
Когда рейс в процессе прохождения, проблемой является повторное определение оптимального по топливу решения для оставшейся части рейса (первоначально из D в D за время T) по мере того как рейс проходится, но где повреждения препятствуют следованию оптимальному по топливу решению. Пусть текущее расстояние и скорость будут x и v, соответственно, где D<x≤D.
act
M
M
Кроме того, пусть текущее время с начала рейса будет t. В таком случае оптимальное по топливу решение для оставшейся части рейса от x до D, которое сохраняет исходное время прибытия в D, получается посредством нахождения ,, j=i+1,…M, который минимизирует:
при условии:
i
Здесь - это потребление топлива в оптимальном рейсе от x до D, пройденном за время t, при начальной скорости в x, равной v.
i-1
i
i
ij
i
i0
i-1
i-1
i
Как описано выше, способ для того, чтобы предоставлять более эффективное перепланирование, составляет оптимальное решение для рейса от остановки до остановки из секционированных сегментов. Для рейса из D в D со временем движения T выберем набор промежуточных точек D, j=1,…,N-1. Пусть D=D и . Затем выразим потребление топлива для оптимального рейса из D в D как:
ij
i,j-1
ij
i,j-1
ij
i,j-1
ij
ij
ij
iNi
i0
i
i0
где f(t, v,v) - это потребление топлива для оптимального рейса из D в D, пройденного за время t при начальной и конечной скоростях в v и v. Более того, t - это время в оптимальном рейсе, соответствующее расстоянию D. По определению, t - t = T. Поскольку железнодорожный состав останавливается в D и , 0.
i
ij
i
ij
i
ij
i
Вышеприведенное выражение дает возможность альтернативного определения функции F(t) посредством определения сначала функций f (•), 1≤j≤N, затем нахождения τ, 1≤j≤Nи v, 1≤j<N, которые минимизируют:
при условии:
i
j=1, …, N-1
ij
max
min
ij
Посредством выбора D (к примеру, при ограничениях скорости или в точках встречи) v(i,j) - v (i,j) может быть минимизировано, тем самым минимизируя область, в которой f() должно быть известно.
ij
i
ij
ij
M
ik
i
ik
i
mn
m
mn
m
На основе вышеуказанного секционирования более простой подход субоптимального перепланирования, чем описанный выше, заключается в том, чтобы ограничить перепланирование временем, когда железнодорожный состав находится в точках расстояния D, 1≤i≤M, 1≤j≤N. В точке D новый оптимальный рейс из D в D может быть определен посредством нахождения τ, j<k≤N, v, j<k<N и τ, i<m≤M, 1≤n≤N,v, i<m≤ M, 1≤n<N, которые минимизируют:
при условии:
где:
m
i
ij
i-1
i
ik
i
ik
i
i
i-1
ij
m
i
Дополнительное упрощение получается посредством результата повторного вычисления T, i<m≤M, до тех пор пока точка расстояния D не достигнута. Таким образом, в точках D между D и D вышеуказанная минимизация должна быть выполнена только для τ, j<k≤N, v, j<k<N. T возрастает так, как требуется для того, чтобы включить любое более длительное время движения из D в D, чем запланировано. Это увеличение затем компенсируется, если возможно, посредством повторного вычисления T, i<m≤M, в точке D расстояния.
В отношении раскрытой выше конфигурации с замкнутым контуром общая входная энергия, требуемая для того, чтобы переместить железнодорожный состав 31 из точки A в точку B, состоит из суммы из четырех компонентов, в частности разности кинетической энергии между точками A и B; разности потенциальной энергии между точками A и B; потери энергии вследствие трения и других потерь на сопротивление движению; и энергии, рассеиваемой за счет применения тормозов. При условии, что начальная и конечная скорости равны (к примеру, стационарны), первый компонент равен нулю. Кроме того, второй компонент не зависит от стратегии движения. Таким образом, достаточно минимизировать сумму последних двух компонентов.
Следование профилю постоянной скорости минимизирует потери на сопротивление движению. Следование профилю постоянной скорости также минимизирует общую входную энергию, когда торможение не требуется для того, чтобы поддерживать постоянную скорость. Тем не менее, если торможение требуется для того, чтобы поддерживать постоянную скорость, применение торможения только для того, чтобы поддерживать постоянную скоростью, с большой вероятностью увеличит общую требуемую энергию вследствие необходимости пополнять энергию, рассеиваемую тормозами. Существует возможность того, что некоторое торможение может фактически снизить общее потребление энергии, если дополнительные потери на торможение превышают смещение от результирующего снижения потерь на сопротивление движению, вызываемого торможением, посредством уменьшения варьирования скорости.
После завершения перепланирования из набора событий, описанных выше, новому оптимальному плану режекции/скорости можно следовать с помощью управления с замкнутым контуром, описанного в данном документе. Тем не менее, в некоторых ситуациях может быть недостаточно времени для того, чтобы осуществлять планирование с разложением по сегментам, описанное выше, и в частности, когда есть критичные ограничения по скорости, которые должны соблюдаться, альтернатива может быть необходима. В изобретении это достигается с помощью алгоритма, упоминаемого как "интеллектуальное автоматическое поддержание скорости движения". Алгоритм интеллектуального автоматического поддержания скорости движения является эффективным процессом для формирования на ходу эффективного по энергии (следовательно, эффективного по топливу) субоптимального предписания для управления железнодорожным составом 31 на известной территории. Этот алгоритм предполагает знание местоположения железнодорожного состава 31 на железнодорожном пути 34 в любой момент времени, а также знание уклона и кривизны железнодорожного пути в зависимости от местоположения. Способ базируется на модели точка-масса для движения железнодорожного состава 31, параметры которого могут быть адаптивно оценены из оперативных измерений движений железнодорожного состава, как описано выше.
Алгоритм интеллектуального автоматического поддержания скорости движения имеет три главных компонента, а именно модифицированный профиль предела скорости, который выступает в качестве эффективного по энергии руководства по снижению пределов скорости; профиль настройки идеального управления дросселем или динамического тормоза, который пытается сбалансировать минимизацию изменений скорости и торможения; и механизм комбинирования двух вышеуказанных компонентов, чтобы сформировать команды положений контроллера, используя контур обратной связи скорости, чтобы скорректировать несовпадения смоделированных параметров в сравнении с реальными параметрами. Интеллектуальное автоматическое поддержание скорости движения может включать в себя стратегии в варианте осуществления настоящего изобретения без активного торможения (т.е. машинист получает сигналы и предполагается, что он обеспечивает нужное замедление) либо вариант, который предоставляет активное торможение.
В отношении алгоритма автоматического поддержания скорости движения, который не управляет динамическим торможением, три компонента: это модифицированный профиль ограничения скорости, который выступает в качестве эффективного с точки зрения энергобаланса руководства по снижению скоростных ограничений, это сигнал оповещения, чтобы оповещать машиниста, когда торможение должно быть применено, и это идеальный профиль управления дросселем, который пытается сбалансировать минимизацию изменений скорости и оповещение машинисту о применении тормозов, механизм, использующий контур обратной связи для того, чтобы скорректировать несовпадения параметров модели с реальными параметрами.
Также в вариант осуществления настоящего изобретения включен подход для того, чтобы идентифицировать значения ключевых параметров железнодорожного состава 31. Например, в отношении оценки массы железнодорожного состава фильтр Калмана и рекурсивный подход метода наименьших квадратов могут быть использованы для того, чтобы обнаруживать ошибки, которые могут развиваться со временем.
На фиг.7 показана примерная последовательность этапов варианта осуществления настоящего изобретения. Как описано ранее, удаленное оборудование, такое как диспетчерский центр 60, может предоставлять информацию в вариант осуществления настоящего изобретения. Эта информация предоставляется в исполнительный элемент 62 управления. Также в исполнительный элемент 62 управления предоставляется база 63 данных информации моделирования локомотивов, информации из базы 36 данных по железнодорожным путям, такая как, но не только, информации по уклонам железнодорожного пути и информации по пределам скорости, оцененные параметры железнодорожного состава, такие как, но не только, коэффициенты веса и сопротивления железнодорожного состава, и таблицы расхода топлива из блока 64 оценки расхода топлива. Исполнительный элемент 62 управления предоставляет информацию в планировщик 12, который подробнее раскрыт на фиг.1. После того как план рейса вычислен, план предоставляется в блок выдачи рекомендаций по управлению, машинисту или в элемент 51 контроллера. План рейса также предоставляется в исполнительный элемент 62 управления с тем, чтобы он мог сравнить рейс, когда предоставлены другие новые данные.
Как описано выше, блок 51 выдачи рекомендаций по управлению может автоматически задавать мощность, задаваемую положением контроллера, либо значение мощности, задаваемой положением контроллера, при заранее установленной настройке положения контроллера, или оптимальное непрерывное значение мощности, задаваемой положением контроллера. Помимо предоставления команды скорости в локомотив 31 предоставляется дисплей 68 с тем, чтобы машинист мог видеть то, что рекомендовал планировщик. Машинист также имеет доступ к пульту 69 управления. Посредством пульта 69 управления машинист может принять решение о том, следует ли применять рекомендованную мощность, задаваемую положением контроллера. С этой целью машинист может ограничить целевую или рекомендованную мощность. То есть в любое время машинист всегда имеет окончательные полномочия над значением мощности, при которой будет функционировать локомотивный состав. Это включает в себя определение того, следует ли применять тормоза, если план рейса рекомендует замедление железнодорожного состава 31. Например, при управлении на затемненной территории или когда информация от перегонного оборудования не может электронно передавать информацию в железнодорожный состав, и вместо этого машинист видит визуальные сигналы от перегонного оборудования, машинист вводит команды на основе информации, содержащейся в базе данных железнодорожных путей, и визуальных сигналов от перегонного оборудования. На основе того, как функционирует железнодорожный состав 31, информация, касающаяся измерений топлива, предоставляется в блок 64 оценки расхода топлива. Поскольку прямое измерение расхода топлива типично недоступно в локомотивном составе, вся информация о топливе, потребленном к данной точке рейса, и перспективная оценка на будущее, следуя оптимальным планам, выполняется с помощью калиброванных физических моделей, так что они применяются при разработке оптимальных планов. Например, эти прогнозы могут включать в себя, но не только, использование измеренной полной мощности в л.с. и известные характеристики топлива, чтобы извлечь значение по всему потребленному топливу.
Железнодорожный состав 31 также имеет устройство 30 определения местоположения, такое как GPS-датчик, как описано выше. Информация предоставляется в блок 65 оценки параметров железнодорожного состава. Этот блок может включать в себя, но не только, данные GPS-датчиков, данные тягового/тормозного усилия, данные состояния торможения, скорость и все изменения данных скорости. С помощью информации, касающейся информации по уклонам и пределам скорости, коэффициенты веса и сопротивления предоставляются в исполнительный элемент 62 управления.
Изобретение также обеспечивает возможность использования непрерывно изменяемой мощности в ходе планирования реализации и реализации управления с замкнутым контуром. В традиционном локомотиве мощность типично квантуется до восьми дискретных уровней. Современные локомотивы могут использовать непрерывное изменение лошадиных сил, которое может быть включено в ранее описанные способы оптимизации. При непрерывной мощности локомотив 42 может дополнительно оптимизировать рабочие условия, к примеру, посредством минимизации дополнительной нагрузки и потерь при передаче мощности и точно отрегулировать области лошадиных сил двигателя с оптимальной эффективностью или до точек меньших пределов выбросов. Примеры включают в себя, но не только, минимизацию потерь системы охлаждения, регулировку напряжений генератора переменного тока, регулировку скоростей двигателя и снижение числа приводимых осей. Дополнительно, локомотив 42 может использовать бортовую базу 36 данных железнодорожных путей и спрогнозированные требования к рабочим характеристикам, чтобы минимизировать дополнительную нагрузку и потери при передаче мощности, чтобы предоставить оптимальную эффективность для целевого потребления топлива/выбросов. Примеры включают в себя, но не только, снижение числа приводимых осей на равнинной территории и предварительное охлаждение двигателя локомотива перед въездом в туннель.
В изобретении также может использоваться бортовая база 36 данных железнодорожных путей и спрогнозированные рабочие характеристики для того, чтобы корректировать рабочие характеристики локомотива, например гарантировать то, что железнодорожный состав имеет достаточную скорость по мере того, как он достигает холма и/или туннеля. Например, это может быть выражено как ограничение скорости в конкретном месте, которое становится частью формирования оптимального плана, созданного решением уравнения (OP). Дополнительно, изобретение может включать в себя правила управления железнодорожным составом, такие как, но не только, частоты отслеживания тягового усилия и частоты отслеживания максимального тормозного усилия. Они могут быть вставлены непосредственно в формулу оптимального профиля рейса либо альтернативно вставлены в регулятор с замкнутым контуром, используемый для того, чтобы управлять применением мощности, чтобы достигать целевой скорости.
В предпочтительном случае такой вариант осуществления устанавливается только на ведущем локомотиве железнодорожного состава. Хотя вариант осуществления настоящего изобретения не зависит от данных и взаимодействий с другими локомотивами, они могут быть интегрированы с функциональностью диспетчера состава, как раскрыто в US № 6691957 и заявке US № 10/429596, и/или функциональностью блока оптимизации состава, чтобы повысить эффективность. Взаимодействие с несколькими железнодорожными составами не исключается, как проиллюстрировано посредством примера диспетчерской, разрешающей два "независимо оптимизированных" железнодорожных состава, описанных в данном документе.
Железнодорожные составы с системами распределенной мощности могут управляться в различных режимах. В одном режиме все локомотивы в железнодорожном составе управляются одной командой положения контроллера управления. Если ведущий локомотив командует движение с положением N8 контроллера управления, всем модулям в железнодорожном составе выдаются команды сгенерировать движение с положением N8 контроллера управления. Другой режим работы - "независимое" управление. В этом режиме локомотивы или наборы локомотивов, распределенные по железнодорожному составу, могут управляться с различной мощностью движения или торможения. Например, когда железнодорожный состав достигает вершины горы, ведущий локомотив (на спуске с горы) может быть переведен в торможение, тогда как локомотивы в середине или в конце железнодорожного состава (на подъеме в гору) могут приводиться в движение. Это делается для того, чтобы минимизировать растягивающие усилия на механические сцепки, которые соединяют вагоны и локомотивы. Традиционно управление системой с распределенной мощностью в "независимом" режиме требовало от машиниста вручную командовать каждым удаленным локомотивом или набором локомотивов посредством дисплея в ведущем локомотиве. Используя основанную на физике модель планирования, информацию конфигурации железнодорожного состава, бортовую базу данных железнодорожных путей, бортовые правила управления, систему определения местоположения, управление мощностью/тормозами с замкнутым контуром в реальном времени и обратную связь от датчиков, система может автоматически управлять системой с распределенной мощностью в "независимом" режиме.
При работе с распределенной мощностью машинист в ведущем локомотиве может управлять рабочими функциями удаленных локомотивов в удаленных составах посредством системы управления, такой как элемент управления распределенной мощностью. Таким образом, при работе с распределенной мощностью машинист может командовать каждому составу локомотивов работать на различном уровне мощности, задаваемой положением контроллера (или один состав может приводиться в движение, а другой - в торможении), при этом каждый отдельный локомотив в локомотивном составе работает на одинаковой мощности, задаваемой положением контроллера. Когда система установлена в железнодорожном составе, предпочтительно поддерживая связь с элементом управления распределенной мощностью, когда уровень мощности, задаваемой положением контроллера, удаленного локомотивного состава требуется поддерживать, как рекомендовано посредством оптимизированного плана рейса, система передает эту настройку мощности в удаленные составы локомотивов для реализации. Как описано ниже, то же самое справедливо для торможения.
Изобретение может быть использовано с составами, в которых локомотивы не являются смежными, к примеру с одним или более локомотивами впереди, другими в середине и хвосте железнодорожного состава. Такие конфигурации называются конфигурациями с распределенной мощностью, когда стандартное сцепление между локомотивами заменяется линией радиосвязи или дополнительным кабелем, чтобы связать локомотивы между собой. При работе с распределенной мощностью машинист в ведущем локомотиве может управлять рабочими функциями удаленных локомотивов в составе посредством системы управления, такой как элемент управления распределенной мощностью. В частности, при работе с распределенной мощностью машинист может командовать каждому локомотивному составу работать на различных уровнях мощности, задаваемой положением контроллера (или один состав может быть в движении, а другой - в торможении), при этом каждый отдельный элемент в составе локомотива работает на одинаковой мощности, задаваемой положением контроллера.
Когда система установлена в железнодорожном составе, предпочтительно поддерживая связь с элементом управления распределенной мощностью, когда уровень мощности, задаваемой положением контроллера, удаленного локомотивного состава требуется поддерживать, как рекомендовано посредством оптимизированного плана рейса, система передает эту настройку мощности в удаленные составы локомотивов для реализации. Как описано ниже, то же самое справедливо для торможения. При работе с распределенной мощностью ранее описанная проблема оптимизации может быть улучшена, чтобы разрешать дополнительные степени свободы в том, что каждый из удаленных модулей может независимо управляться с ведущего модуля. Ценность этого заключается в том, что дополнительные целевые показатели или ограничения, связанные с усилиями в железнодорожном составе, могут быть включены в функцию рабочих характеристик, при условии, что модель для того, чтобы отражать усилия в железнодорожном составе, также включена. Таким образом, вариант осуществления настоящего изобретения может включать в себя использование нескольких средств управления дросселем, чтобы более оптимально регулировать усилия в железнодорожном составе, а также потребление топлива и выбросы.
В железнодорожном составе, использующем диспетчер составов, ведущий локомотив в локомотивном составе может работать с отличной от других локомотивов в этом составе настройкой мощности, задаваемой положением контроллера. Другие локомотивы в составе работают с такой же настройкой мощности, задаваемой положением контроллера. Система может быть использована в связи с диспетчером составов, чтобы управлять настройками мощности, задаваемой положением контроллера, для локомотивов в составе. Таким образом, на основе варианта осуществления настоящего изобретения, поскольку диспетчер составов разделяет локомотивный состав на две группы, ведущий локомотив и ведомые модули, ведущий локомотив управляется так, чтобы работать при определенной мощности, задаваемой положением контроллера, а хвостовые локомотивы могут управляться так, чтобы работать при другой конкретной мощности, задаваемой положением контроллера. В варианте осуществления элементом управления с распределенной мощностью может быть система и/или устройство, где выполняется эта операция.
Аналогично, когда блок оптимизации состава используется с локомотивным составом, вариант осуществления настоящего изобретения может быть использован вместе с блоком оптимизации состава, чтобы определять мощность, задаваемую положением контроллера, для каждого локомотива в локомотивном составе. Например, предположим, что план рейса рекомендует настройку мощности, задаваемой положением контроллера, в четыре для локомотивного состава. На основе местоположения железнодорожного состава блок оптимизации состава принимает эту информацию и затем определяет настройку мощности, задаваемой положением контроллера, для каждого локомотива в составе. В этой реализации эффективность регулировок настроек мощности, задаваемой положением контроллера, для каналов связи внутри железнодорожного состава повышается. Более того, как описано выше, реализация этой конфигурации может быть осуществлена с помощью системы распределенного управления.
Помимо этого, как пояснялось выше, изобретение может быть использовано для непрерывных корректировок и перепланирования в отношении того, когда состав железнодорожного состава использует торможение, на основе предстоящих интересующих элементов, таких как, но не только, железнодорожные переезды, изменения уклона, приближающиеся запасные пути, приближающиеся сортировочные станции и приближающиеся заправочные станции, при этом каждый локомотив в составе может потребовать собственного варианта торможения. Например, если железнодорожный состав проходит через возвышенность, ведущий локомотив может потребовать ввести режим торможения, в то время как удаленные локомотивы, еще не достигшие вершины возвышенности, могут оставаться в режиме приведения в движение.
На фиг.8, 9 и 10 показаны варианты динамических дисплеев для использования машинистом. Машинисту предоставляется 72 (фиг.8), профиль рейса. На профиле указано местоположение 73 локомотива. Предоставляется такая информация, как длина 105 железнодорожного состава и число вагонов 106 в железнодорожном составе. Также предоставлены элементы, касающиеся уклона 107 железнодорожного пути, кривизны и перегонных элементов 108, включая местоположение 109 мостов и скорость 110 железнодорожного состава. Дисплей 68 дает возможность машинисту видеть эту информацию, а также видеть то, где на маршруте находится железнодорожный состав. Предоставляется информация, касающаяся расстояния и/или оцененного времени прибытия в такие места, как переезды 112, сигналы 114, изменения 116 скорости, межевые ориентиры 118 и пункты 120 назначения. Средство 125 управления временем прибытия также предусмотрено для того, чтобы давать возможность пользователю определять экономию топлива, реализованную в ходе рейса. Машинист имеет возможность варьировать время 127 прибытия и видеть, как это влияет на экономию топлива. Как поясняется в данном документе, специалистам в данной области техники ясно, что экономия топлива является типичным примером только одного целевого показателя, который может быть проанализирован с помощью средства управления. В зависимости от рассматриваемого параметра другие параметры, описанные в данном документе, могут рассматриваться и оцениваться с помощью средства управления, видимого машинисту. Машинисту также предоставляется информация о том, как долго экипаж управляет железнодорожным составом. В вариантах осуществления информация времени и расстояния может быть проиллюстрирована как время и/или расстояние до конкретного события и/или местоположения либо она может предоставлять общее истекшее время.
На фиг.9 дисплей предоставляет информацию о данных 130 состава, графику 132 событий и ситуаций, средство 134 управления временем прибытия и клавиши 136 управления. Аналогичная информация, как пояснено выше, также предоставляется на этом дисплее. Этот дисплей 68 также предоставляет клавиши 138 управления, чтобы позволить машинисту выполнить перепланирование, а также отсоединять 140 вариант осуществления настоящего изобретения.
На фиг.10 показан другой вариант осуществления дисплея. Видна типичная информация для современного локомотива, включающая в себя состояние 72 пневматического тормоза, аналоговый спидометр с цифровым входным каналом 74 и информацию о тяговом усилии в фунтах (или тяговых усилителях для локомотивов на постоянном токе). Индикатор 74 представлен для того, чтобы показывать текущую оптимальную скорость в выполняемом плане, а также график акселерометра, чтобы дополнить показания в милях/мин. Важные новые данные для оптимального выполнения плана находятся в центре экрана, в том числе график 76 с полосой прокрутки со значением оптимальной скорости и настройки режекции в зависимости от расстояния, в сравнении с текущей историей этих переменных. В этом варианте осуществления местоположение железнодорожного состава определяется с помощью элемента определения местоположения. Местоположение предоставляется для идентификации того, насколько далеко железнодорожный состав находится от конечного пункта назначения, абсолютной позиции, начального пункта назначения, промежуточной точки и/или ввода машиниста.
Ленточная диаграмма предоставляет просмотр вперед изменений скорости, необходимых для того, чтобы следовать оптимальному плану, что используется при ручном управлении и мониторинге плана в сравнении с фактом в ходе автоматического управления. Будучи в обучающем режиме, машинист может следовать либо положению контроллера управления, либо скорости, предлагаемой системой. Вертикальная линейка дает графическую иллюстрацию требуемого и фактического положения контроллера управления, которое также отображается в цифровой форме под ленточной диаграммой. Когда используется непрерывная мощность, задаваемая положением контроллера, как описано выше, дисплей просто округляет до ближайшего дискретного эквивалента, дисплеем может быть аналоговый дисплей, так что отображается аналоговый эквивалент или процент, либо фактические лошадиные силы/тяговое усилие.
Критичная информация по состоянию рейса отображается на экране и показывает текущий уклон, который преодолевает 88 железнодорожный состав, либо ведущий локомотивов, либо другая часть железнодорожного состава или среднее по длине железнодорожного состава. Расстояние, пройденное по плану 90, совокупное потребленное топливо 92, местоположение или расстояние до следующей остановки планируется 94, раскрывается текущее и ожидаемое время прибытия 96 на следующую остановку. Дисплей 68 также показывает минимальное возможное время до пункта назначения с доступными вычисленными планами. Если требуется более позднее прибытие, выполняется перепланирование. Данные дельты плана показывают состояние по топливу и расписание с опережением или отставанием от текущего оптимального плана. Отрицательные числа означают меньшее количество топлива или опережение в сравнении с планом, положительные числа означают большее количество топлива или отставание в сравнении с планом, и в типичном варианте согласуются в противоположных направлениях (замедление для того, чтобы сэкономить топливо, приводит к запаздыванию железнодорожного состава, и наоборот).
Дисплеи 68 всегда дают машинисту указание на экране, где он находится по отношению к текущему установленному плану движения. Этот дисплей служит только для иллюстративных целей, поскольку может быть множество других способов отображения/передачи этой информации машинисту и/или в диспетчерскую. С этой целью информация, описанная выше, может быть объединена для того, чтобы предоставить отображение, отличающееся от раскрытых отображений.
Другие признаки, которые могут быть включены в вариант осуществления настоящего изобретения, включают в себя, но не только, возможность для формирования журналов данных и отчетов. Эта информация может быть сохранена в железнодорожном составе и загружена во внешнюю систему в тот же момент времени. Загрузка может осуществляться посредством ручной и/или беспроводной передачи. Эта информация также может просматриваться машинистом через дисплей в локомотиве. Данные могут включать в себя такую информацию, как, но не только, вводимые машинистом данные, данные функционирования системы учета времени, сэкономленное топливо, дисбаланс топлива в локомотивах железнодорожного состава, движение железнодорожного состава с отклонением от курса и системные диагностические проблемы, такие как неполадки GPS-датчиков.
Поскольку планы рейсов также должны учитывать допустимое рабочее время экипажа, вариант осуществления настоящего изобретения может рассматривать данную информацию во время планирования рейса. Например, если максимальное время, которое может работать экипаж, составляет восемь часов, то рейс может быть приспособлен так, чтобы включать в себя место остановки, чтобы новый экипаж заменил текущий экипаж. Такие заданные места остановок могут включать в себя, но не только, железнодорожные станции, места встреч/проходов и т.д. Если по мере того как проходит рейс, время рейса может быть превышено, вариант осуществления настоящего изобретения может быть переопределен машинистом, чтобы удовлетворять другим критериям, определенным машинистом. В завершение, вне зависимости от режимов функционирования железнодорожного состава, таких как, но не только, высокая нагрузка, низкая скорость, режимы растягивания железнодорожного состава и т.д., машинист продолжает управлять так, чтобы отдавать команды для поддержания скорости и/или режима функционирования железнодорожного состава.
Железнодорожный состав может функционировать при множестве различных режимов. В одной концепции варианта осуществления настоящего изобретения можно предоставлять команды для управления поступательным движением и динамическим торможением. Машинист в это время управляет всеми остальными функциями железнодорожного состава. В другой концепции варианта осуществления настоящего изобретения команды предоставляются для управления только поступательным движением. Машинист в это время управляет динамическим торможением и всеми остальными функциями железнодорожного состава. В еще одной другой операционной концепции команды предоставляются для управления поступательным движением, динамическим торможением и применением пневматического тормоза. Машинист в это время управляет всеми остальными функциями железнодорожного состава.
Хотя варианты осуществления настоящего изобретения описаны относительно железнодорожных транспортных средств, в частности железнодорожных составов и локомотивов, имеющих дизельные двигатели, варианты осуществления также применимы для других применений, таких как, но не только, внедорожные транспортные средства, морские транспортные средства и стационарные агрегаты, каждое из которых может использовать дизельный двигатель. С этой целью они включают в себя задание или требование, которое должно быть выполнено посредством системы с приводом от дизельного двигателя. Следовательно, относительно вариантов применения в железнодорожных, морских или внедорожных транспортных средствах это может относиться к перемещению системы из текущего места в пункт назначения. В случае стационарных вариантов применения, таких как, но не только, стационарная электростанция или сеть электростанций, указанная задача может относиться к величине мощности в ваттах (к примеру, МВт/час) или другому параметру либо требованию, которое должно быть удовлетворено посредством системы с приводом от дизельного двигателя. Аналогично, рабочее условие энергоблока на дизельном топливе может включать в себя одно или более из скорости, нагрузки, значения заправки топливом, времени и т.д.
В примере, включающем в себя морские транспортные средства, множество буксирных суден могут работать вместе, причем все они перемещают одно более крупное судно, при этом каждое буксирное судно забронировано заблаговременно, чтобы выполнять задачу перемещения более крупного судна. В другом примере одно морское судно может иметь множество двигателей. Внедорожное транспортное средство (OHV) может включать в себя парк транспортных средств, которые имеют одну задачу перемещаться по земле из места A в место B, причем каждое OHV забронировано заблаговременно, чтобы выполнять задачу.
Вариант осуществления настоящего изобретения также может быть использован для того, чтобы сообщать машинисту о предстоящих интересующих элементах или действиях, которые должны быть предприняты. В частности, логика прогнозирования варианта осуществления настоящего изобретения, непрерывные корректировки и перепланирование оптимизированного плана рейса, базы данных железнодорожных путей, машинист может оповещаться о предстоящих переездах, сигналах, изменениях уклона, тормозных действиях, запасных путях, железнодорожных станциях, заправочных станциях и т.д. Эти оповещения могут предоставляться в звуковой форме и/или посредством интерфейса машиниста.
В частности, используя основанную на физике модель планирования, информацию конфигурации железнодорожного состава, бортовую базу данных железнодорожных путей, бортовые правила управления, систему определения местоположения, управление мощностью/тормозами с замкнутым контуром в реальном времени и обратную связь от датчиков, система представляет и/или оповещает машиниста о необходимых действиях. Уведомление может быть визуальным и/или звуковым. Примеры включают в себя уведомление о переездах, которые требуют от машиниста активировать сирену и/или звонковое устройство локомотива, и уведомление о "тихих" переездах, которые не требуют от машиниста активировать сирену или звонковое устройство локомотива.
В другом варианте осуществления, используя основанную на физике модель планирования, описанную выше, информацию конфигурации железнодорожного состава, бортовую базу данных железнодорожных путей, бортовые правила управления, систему определения местоположения, управление мощностью/тормозами с замкнутым контуром в реальном времени и обратную связь от датчиков, система может предоставлять машинисту информацию (к примеру, индикатор на дисплее), которая дает возможность видеть, когда железнодорожный состав прибывает в различные места (фиг.9). Система дает возможность машинисту корректировать план рейса (целевое время прибытия). Эта информация (фактическое оцененное время прибытия или информация, требуемая для того, чтобы извлекать внешним образом) также может передаваться в диспетчерский центр, чтобы дать возможность диспетчеру или диспетчерской системе корректировать целевое время прибытия. Это позволяет системе быстро корректировать и оптимизировать соответствующую целевую функцию (например, компромиссное отношение скорость/расход топлива).
На фиг.11 показан другой вариант осуществления настоящего изобретения, включающий в себя систему 10' для управления транспортным средством 31'. Транспортное средство может включать в себя железнодорожный состав 31' с одним или более локомотивными составами 42', как проиллюстрировано на фиг.11, внедорожное транспортное средство (OHV), морское транспортное средство или любое аналогичное транспортное средство, включающее в себя двигатель, работающий на множестве типов топлива. Множество типов топлива включает в себя один или более дизельных типов топлива и один или более альтернативных типов топлива. Более конкретно, каждое альтернативное топливо может включать в себя одно из биодизеля, пальмового масла и репсового масла. Соответственно, хотя на фиг.11-14 показана система 10' для управления железнодорожным составом 31' с одним или более локомотивными составами 42', система аналогично может быть применена к OHV и морским транспортным средствам.
Хотя варианты осуществления настоящего изобретения описаны относительно железнодорожных транспортных средств, в частности железнодорожных составов и локомотивов, имеющих дизельные двигатели, варианты осуществления также применимы для других применений, таких как, но не только, внедорожные транспортные средства, морские транспортные средства и стационарные агрегаты, каждое из которых может использовать дизельный двигатель. Для этого они включают в себя задание или требование, которое должно быть выполнено посредством системы с приводом от дизельного двигателя. Следовательно, относительно вариантов применения в железнодорожных, морских или внедорожных транспортных средствах это может относиться к перемещению системы из текущего места в пункт назначения. В случае стационарных вариантов применения, таких как, но не только, стационарная электростанция или сеть электростанций, указанная задача может относиться к величине мощности в ваттах (к примеру, МВт/час) или другому параметру либо требованию, которое должно быть удовлетворено посредством системы с приводом от дизельного двигателя. Аналогично, рабочее условие энергоблока на дизельном топливе может включать в себя одно или более из скорости, нагрузки, значения заправки топливом, времени и т.д.
В примере, включающем в себя морские транспортные средства, множество буксирных суден могут работать вместе, причем все они перемещают одно более крупное судно, при этом каждое буксирное судно забронировано заблаговременно, чтобы выполнять задачу перемещения более крупного судна. В другом примере одно морское судно может иметь множество двигателей. Внедорожное транспортное средство (OHV) может включать в себя парк транспортных средств, которые имеют одну задачу перемещаться по земле из места A в место B, причем каждое OHV забронировано заблаговременно, чтобы выполнять задачу.
Система включает в себя элемент 30' определения местоположения, чтобы определять местоположение локомотивного состава 42'. Элементом 30' определения местоположения может быть GPS-датчик или система датчиков, которые определяют местоположение железнодорожного состава 31'. Примеры этих других систем могут включать в себя, но не только, перегонные устройства, такие как радиочастотные теги автоматической идентификации оборудования (RF AEI), диспетчерскую и/или видеоопределение. Другая система может включать в себя тахометр(ы) на борту локомотива и вычисления расстояния от опорной точки. Система 47 беспроводной связи также может быть предусмотрена для того, чтобы обеспечить связь между железнодорожными составами и/или с удаленным участком, таким как диспетчерская. Информация о местах передвижения также может передаваться от других железнодорожных составов.
Система 10' дополнительно включает в себя элемент 33' характеристики железнодорожного пути для того, чтобы предоставлять информацию по территории 34' (т.е. железнодорожному пути) локомотивного состава 42'. Элемент 33' характеристики железнодорожного пути может включать в себя бортовую базу 36' данных связанности железнодорожных путей. Датчики 38' используются для того, чтобы измерять тяговое усилие 40', применяемое посредством локомотивного состава 42', настройку управления акселератором локомотивного состава 42', конфигурационную информацию локомотивного состава 42', скорость локомотивного состава 42', конфигурацию отдельных локомотивов, характеристики отдельных локомотивов и т.д. В варианте осуществления конфигурационная информация локомотивного состава 42' может быть загружена без использования датчика 38', и при этом конфигурационная информация может быть загружена посредством устройства ввода. Устройство ввода может быть соединено с процессором 44' так, чтобы передавать информацию характеристик каждого типа топлива из множества типов топлива в процессор, включающую в себя, по меньшей мере, одно из эффективности использования топлива, характеристик выбросов, соответствующей вместимости бака, доступности цены и доступности в месте нахождения. Устройство ввода может предоставлять информацию характеристик каждого из множества типов топлива посредством одного из удаленного расположения, придорожного устройства и ручного ввода пользователем. Кроме характеристики каждого из множества типов топлива также может рассматриваться состояние локомотивов в составе. Например, если один локомотив не может работать выше уровня 5 мощности, задаваемой положением контроллера, эта информация используется при оптимизации плана рейса.
Информация от элемента 30' определения местоположения также может быть использована для того, чтобы определять соответствующее время прибытия железнодорожного состава 31'. Например, если есть железнодорожный состав 31', перемещающийся по железнодорожному пути 34' в направлении пункта назначения, и нет железнодорожного состава, едущего за ним, и железнодорожный состав не имеет фиксированного крайнего срока прибытия, элемент 30' определения местоположения, включающий в себя, но не только, радиочастотные теги автоматической идентификации оборудования (RF AEI), диспетчерскую и/или видеоопределение, может быть использован для того, чтобы определять точное местоположение железнодорожного состава 31'. Более того, входные данные от этих систем передачи сигналов могут быть использованы для того, чтобы регулировать скорость железнодорожного состава. Используя бортовую базу данных железнодорожных путей, описанную ниже, и элемент определения местоположения, такой как GPS, вариант осуществления настоящего изобретения может регулировать интерфейс машиниста, чтобы отражать состояние системы передачи сигналов в данном местоположении локомотива. В ситуации, когда состояния сигнала указывают ограничительные скорости, планировщик может выбрать замедление железнодорожного состава, чтобы сэкономить потребление топлива.
Информация от элемента 30 определения местоположения также может быть использована для того, чтобы изменять целевые показатели планирования как функцию от расстояния до пункта назначения. Вследствие неизбежных неопределенностей о перегруженности вдоль маршрута более быстрые целевые показатели времени на ранней стадии маршрута могут быть использованы в качестве защиты от задержек, которые по статистике возникают позднее. Если так случилось, что в конкретном рейсе эти задержки не возникают, целевые показатели в дальнейшей части передвижения могут быть модифицированы, чтобы использовать встроенное время простоя, которое накоплено ранее, и тем самым восстанавливать определенную эффективность использования топлива. Аналогичная стратегия может быть активирована в отношении целевых показателей с ограничениями выбросов, которые применяются при достижении городской зоны.
В качестве примера стратегии защиты, если рейс запланирован из Нью-Йорка в Чикаго, система может предоставить вариант управления железнодорожным составом медленнее в начале рейса, в середине рейса или в конце рейса. Система оптимизирует план рейса, чтобы предоставить возможность более медленной работы в конце рейса, поскольку неизвестные ограничения, такие как, но не только, погодные условия, техническое обслуживание железнодорожного пути и т.д., могут возникать и стать известными по ходу рейса. В качестве еще одного соображения, если традиционно перегруженные зоны известны, план разрабатывается с вариантом повысить гибкость движения в этих регионах. Следовательно, система также может учитывать взвешивание/штрафование как функцию от времени/расстояния в будущем и/или на основе известного/предыдущего опыта. Специалистам в данной области техники ясно, что такое планирование и перепланирование для учета погодных условий, состояний железнодорожного пути, других железнодорожных составов на железнодорожном пути и т.д. может рассматриваться в любое время в ходе рейса, когда план рейса скорректирован соответствующим образом.
База 36' данных (фиг.11) дополнительно может быть использована для того, чтобы сохранять информацию характеристик по каждому из множества типов топлива. Информация характеристик для каждого типа топлива каждого локомотивного состава включает в себя одно или более из эффективности использования топлива, интенсивности выбросов, соответствующей вместимости бака, доступности цены, доступности в месте нахождения и любой другой характеристики каждого типа топлива, важной для определения рабочих характеристик локомотивного состава.
На фиг.11 дополнительно показан процессор 44', конфигурированный для приема информации из элемента 30' определения местоположения, элемента 33' характеристик железнодорожного пути и базы 36' данных. При приеме процессором 44' информации алгоритм 46', осуществленный в процессоре 44', с доступом к информации, создает план рейса, который оптимизирует рабочие характеристики локомотивного состава 42' в соответствии с одним или более рабочими критериями для локомотивного состава. Эти рабочие критерии могут включать в себя время отправления, время прибытия, ограничения на предельную скорость на железнодорожном пути локомотивного состава, интенсивность выбросов и ограничения на пройденные расстояния в милях на железнодорожном пути локомотивного состава, а также любые другие критерии, относящиеся к рейсу. Алгоритм 46' используется для того, чтобы вычислять оптимизированный план рейса на основе параметров, включающих в себя локомотив 42', железнодорожный состав 31', железнодорожный путь 34' и цели и задачи. Алгоритм 46' может создавать план рейса на основе моделей режима работы железнодорожного состава по мере того, как железнодорожный состав 31' перемещается по железнодорожному пути 34', в качестве решения нелинейных дифференциальных уравнений, извлеченных из физики с упрощающими допущениями, которые предусмотрены в алгоритме. Алгоритм 46' имеет доступ к информации из элемента 30' определения местоположения, элемента 33' характеристики железнодорожного пути, базы 36' данных и/или датчиков 38'.
Для морских транспортных средств процессор 44' не должен рассматривать информацию из элемента 33' характеристики железнодорожного пути, поскольку топология железнодорожного пути не применима к пути морского транспортного средства. Тем не менее, база 36' данных может включать в себя ограничения по звуковым излучениям для каждого места, в том числе портовых и непортовых зон, на основе информации местоположения из элемента 30' определения местоположения. Алгоритм 46' для морских транспортных средств может создавать план рейса по минимизации общего потребления топлива для всех типов топлива, с учетом ограничений на звуковые излучения, например, в каждом регионе. Для внедорожных транспортных средств элемент 33' характеристики пути может предоставлять информацию по топографии заранее определенного курса внедорожного транспортного средства, и база 36' данных может включать в себя ограничения на выбросы и пройденные расстояния в милях для каждого места, как в случае с локомотивами, описанном выше.
В варианте осуществления алгоритм 46' создает план рейса, минимизирующий общее потребление топлива для всех типов топлива локомотивного состава 42', с учетом рабочих критериев для локомотивного состава, в том числе пределов на интенсивность выбросов в ходе рейса. Например, алгоритм 46' может создавать план рейса так, чтобы минимизировать общее потребление топлива для каждого типа топлива из множества типов топлива локомотивного состава 42', с учетом максимальной интенсивности выбросов в 5,5 г/л.с.-час, помимо других вышеописанных рабочих критериев. Более конкретно, алгоритм 46' создает план рейса, минимизирующий общее потребление топлива для каждого типа топлива из множества типов топлива, при этом общее потребление топлива включает в себя взвешенную сумму с весовыми коэффициентами каждого соответствующего потребляемого топлива из каждого соответствующего типа топлива. В соответствии с уравнениями, раскрытыми в предыдущих вариантах осуществления, общее потребление топлива может быть вычислено с помощью уравнения для общей интенсивности потребления топлива на мили, выраженного как:
1
1
2
2
F = k*F + k*F +…
1
2
1
2
где: F - общая эффективность использования топлива (повременной норматив) для всех из множества типов топлива; F и F - соответствующие эффективности использования топлива для видов топлива 1 и 2; k и k- соответствующие весовые коэффициенты для видов топлива 1 и 2. Хотя повременный норматив эффективности использования топлива приведен выше, он может быть преобразован в дистанционный норматив эффективности использования топлива, и общее потребление топлива соответствующим образом может быть вычислено посредством интегрирования F за расстояние, составляющее полный рейс.
При минимизации общего потребления топлива для каждого типа топлива алгоритм 46' определяет каждый соответствующий весовой коэффициент для каждого соответствующего типа топлива для плана рейса, который минимизирует общее потребление топлива для множества типов топлива локомотивного состава 42'. Например, если локомотивный состав 42' работает на топливе 1 и 2, алгоритм 46' может создавать план рейса, минимизирующий общее потребление топлива локомотивного состава 42', посредством определения весового коэффициента для топлива 1 равным 0,3 и весового коэффициента для топлива 2 равным 0,7. Каждый весовой коэффициент для каждого типа топлива зависит от множества факторов, в том числе соответствующей интенсивности топливных выбросов, времени года, доступности цены, надежности системы при работе на каждом типе топлива, соответствующей вместимости топливного бака и доступности в месте нахождения. Весовой коэффициент варьируется с интенсивностью топливных выбросов, поскольку конкретный рейс и рабочие критерии могут включать в себя конкретный низкий или высокий предел интенсивности выбросов на основе местоположения, а следовательно, соответствующая интенсивность топливных выбросов рассматривается при оценке весового коэффициента. Доступность места и время года рассматриваются, поскольку одного конкретного топлива может быть в достатке в одно конкретное время года или в конкретном регионе, но мало в другое время года или в другом регионе. Как проиллюстрировано на фиг.3, рассматривается соответствующая вместимость бака, поскольку каждое топливо хранится в соответствующих топливных баках 27, 37, и соответствующие уровни 29, 39 вместительности для этих баков, в сочетании с нормативами пройденного расстояния в милях, указывают оставшийся запас для соответствующего топлива. Алгоритм 46' сравнивает оставшийся запас конкретного топлива с расстоянием до предстоящей остановки локомотивного состава при вычислении каждого весового коэффициента, а также то, доступно ли топливо, которое должно быть повторно заполнено на каждой конкретной остановке.
В варианте осуществления алгоритм 46' создает план рейса, минимизирующий общий выход выбросов каждого типа топлива из множества типов топлива локомотивного состава 42', с учетом рабочих критериев для локомотивного состава, в том числе, к примеру, пределов на норматив для пройденного расстояния в милях в ходе рейса. Например, алгоритм 46' может создавать план рейса так, чтобы минимизировать выход выбросов для каждого типа топлива из множества типов топлива локомотивного состава 42', с учетом максимального норматива на пройденное расстояние в милях в 10 М/Г, помимо других вышеописанных рабочих критериев. Более конкретно, алгоритм 46' создает план рейса, минимизирующий общий выход выбросов для каждого типа топлива из множества типов топлива, при этом общий выход выбросов включает в себя взвешенную сумму с весовыми коэффициентами каждого соответствующего выхода выбросов из каждого соответствующего типа топлива. В соответствии с уравнениями, раскрытыми в предыдущих вариантах осуществления, общей выход выбросов может быть вычислен с помощью уравнения для общей интенсивности потребления выбросов, выраженного как:
1
1
2
2
E = l* E + l*E +…
1
2
1
2
где: E - общая интенсивность выбросов (повременной норматив или дистанционный норматив) для всех из множества типов топлива; E и E - соответствующие интенсивности выбросов для топлива 1 и 2; l и l - соответствующие весовые коэффициенты для топлива 1 и 2.
При минимизации общего выхода выбросов для каждого типа топлива алгоритм 46' определяет каждый соответствующий весовой коэффициент для каждого соответствующего типа топлива для плана рейса, который минимизирует общий выход выбросов для множества типов топлива локомотивного состава 42'. Например, если локомотивный состав 42' работает на топливе 1 и 2, алгоритм 46' может создавать план рейса, минимизирующий общий выход выбросов локомотивного состава 42', посредством определения весового коэффициента для топлива 1 равным 0,8 и весового коэффициента для топлива 2 равным 0,2. Каждый весовой коэффициент для каждого типа топлива зависит от множества факторов, в том числе соответствующей интенсивности топливных выбросов, времени года, доступности цены, надежности топлива, соответствующей вместимости топливного бака и доступности в месте нахождения, в отношении необработанной доступности в каждом месте и региональных ограничений на выбросы в каждом месте. Весовой коэффициент варьируется с нормативом топлива на пройденное расстояние в милях, поскольку конкретный рейс и рабочие критерии могут включать в себя конкретный низкий или высокий предел топлива на пройденное расстояние в милях, а следовательно, соответствующий норматив топлива на пройденное расстояние в милях рассматривается при оценке весового коэффициента. Доступность места и время года рассматриваются, поскольку одного конкретного топлива может быть в достатке в одно конкретное время года или в конкретном регионе, но мало в другое время года или в другом регионе. Как проиллюстрировано на фиг.11, рассматривается соответствующая вместимость бака, поскольку каждое топливо хранится в соответствующих топливных баках 27', 37', и соответствующие уровни 29', 39' вместительности для этих баков, в сочетании с нормативами пройденного расстояния в милях, указывают оставшийся запас для соответствующего топлива. Алгоритм 46' сравнивает оставшийся запас конкретного топлива с расстоянием до предстоящей остановки локомотивного состава при вычислении каждого весового коэффициента, а также то, доступно ли топливо, которое должно быть повторно заполнено на каждой конкретной остановке.
На фиг.11 показаны соответствующие топливные баки 27',37' для соответствующих типов топлива, каждый топливный бак 27', 37' может быть использован для того, чтобы хранить различные типы топлива в различное время в ходе рейса локомотива. Каждый топливный бак 27', 37' может включать в себя датчики для каждого типа топлива. В варианте осуществления каждый датчик может быть использован для того, чтобы идентифицировать, какой тип находится внутри каждого топливного бака 27', 37' в различное время. Датчики могут включать в себя датчики, которые идентифицируют тип топлива в каждом топливном баке 27', 37' на основе информации, предоставляемой в локомотив 10', включая ручные датчики, электронно передаваемую информацию типа топлива из источника топлива, такого как железная дорога или соседний локомотив, и информацию из места, где топливный бак 27', 37' заполняется. Процессор 44' может включать в себя информацию типа топлива для каждого места, где осуществляется заполнение. Датчики могут дополнительно идентифицировать тип топлива в каждом топливном баке 27', 37' на основе свойств типа топлива в каждом баке 27', 37', обнаруженных посредством локомотива. Эти свойства могут включать в себя физические свойства каждого типа топлива, в том числе, например, вязкость и плотность, или химические свойства каждого типа топлива, в том числе, например, топливное число. Эти свойства каждого типа топлива могут быть обнаружены посредством датчиков или устройств в локомотиве. Датчики могут дополнительно идентифицировать тип топлива в каждом топливном баке 27', 37' на основе рабочих характеристик локомотива, таких как, к примеру, характеристики двигателя локомотива, при оценке входных и выходных свойств каждого типа топлива для двигателя. Чтобы двигатель локомотива генерировал 1000 л.с., регулятор топлива может иметь входное требование по хранимому топливу A в 200 галлонов, но требование по топливу B в 250 галлонов. Соответственно, тип топлива в каждом баке 27', 37' может быть идентифицирован посредством сравнения входных и выходных характеристик топлива с характеристиками двигателя локомотива.
При создании плана рейса и определении каждого весового коэффициента для каждого конкретного топлива из множества типов топлива посредством алгоритма 46', каждый весовой коэффициент может быть сохранен в базе 36' данных для последующего извлечения, когда локомотивный состав 42' возобновляет рейс. Дополнительно, весовые коэффициенты могут быть совместно использованы с другими аналогичными локомотивными составами с тем же самым множеством видов топлива, участвующих в аналогичных рейсах для минимизации общего потребления топлива.
Кроме этого, алгоритм 46' может создавать план рейса, устанавливая требуемое время рейса и/или предоставляя надлежащее время работы экипажа на борту локомотивного состава 42'. В варианте осуществления также предусмотрен формирователь, или элемент 51' контроллера. Элемент 51' контроллера используется для управления железнодорожным составом по мере того, как он следует плану рейса. В варианте осуществления элемент 51' контроллера принимает решения по управлению железнодорожным составом автономно. В другом варианте осуществления машинист может участвовать в направлении железнодорожного состава, чтобы следовать плану рейса.
Изобретение обеспечивает возможность первоначального создания и быстрого изменения "на ходу" любого плана. Это включает в себя создание первоначального плана, когда предполагается большое расстояние, по причине сложности алгоритма оптимизации плана. Когда общая протяженность профиля рейса превышает данное расстояние, алгоритм 46' может быть использован для того, чтобы сегментировать задачу, причем задача может быть разделена на точки маршрута. Хотя поясняется только один алгоритм 46', специалистам в данной области техники ясно, что может быть использовано несколько алгоритмов, причем эти алгоритмы могут быть связаны между собой. Точка маршрута может включать в себя естественные местоположения, где железнодорожный состав 31 останавливается, такие как, но не только, запасные пути, когда встреча с движущимся навстречу железнодорожным составом или пропуск железнодорожного состава позади текущего железнодорожного состава запланированы так, что они могут произойти на одноколейной железной дороге, либо сортировочные запасные пути или станции, где вагоны должны быть собраны и отправлены в путь, либо участки плановой работы. В этих точках маршрута железнодорожному составу 31' может потребоваться быть в нужном месте в запланированное время и остановиться или перемещаться со скоростью в указанном диапазоне. Продолжительность от прибытия до убытия в точках маршрута называется временем отстоя.
В варианте осуществления изобретения можно разбивать более длительный рейс на меньшие сегменты специальным систематическим способом. Каждый сегмент может быть в некоторой степени произвольным по длине, но типично выбирается в естественном месте, таком как остановка или значительное ограничение скорости, либо в ключевых столбах с указанием числа миль, которые задают пересечения с другими маршрутами. При создании плана рейса в рамках каждого сегмента посредством алгоритма 46' весовые коэффициенты для общего потребления топлива или общего выхода выбросов по каждому топливу из множества типов топлива в каждом соответствующем сегменте варьируются с длиной сегмента.
Как проиллюстрировано на фиг.12-14, элемент 68' пользовательского интерфейса подключен к процессору и выборочно отображает объем каждого соответствующего типа топлива из множества типов топлива. На фиг.12 элемент 68' пользовательского интерфейса позволяет выбирать из множества различных типов топлива с помощью кнопки 123' выбора и просматривать экономию для каждого конкретного топлива в модуле 125' управления временем прибытия дисплея 68'. На фиг.13 пользователь может выбирать из множества различных типов топлива с помощью кнопки 139' выбора и просматривать запланированную экономию для каждого конкретного топлива в модуле 134' управления временем прибытия дисплея 68'. Дополнительно, на фиг.14 пользователь может выбирать то, какое топливо из множества типов топлива является первичным и вторичным. После задания первичного и вторичного топлива пользователь может нажимать кнопку 79' выбора первичного топлива, чтобы просматривать запланированные оставшиеся мили 81' первичного топлива в соответствующем баке, а также количество первичного топлива с отставанием/опережением плана рейса в модуле 82' дельты топлива. Дополнительно, пользователь может нажимать кнопку 80' выбора вторичного топлива, чтобы просматривать запланированные оставшиеся мили 81' вторичного топлива в соответствующем баке, и аналогично количество вторичного топлива с отставанием/опережением плана рейса в модуле 82' дельты топлива. Чтобы просмотреть планы по смеси первичного и вторичного топлива, пользователь может нажать кнопку 78' выбора смеси топлива. Другие элементы системы 10', не поясненные в данном документе, указанные в первоначальном обозначении, аналогичны этим элементам вышеописанных предшествующих вариантов осуществления, и не требуют дополнительного пояснения в данном документе.
Другие элементы системы 10' настоящего изобретения аналогичны элементам вышеописанного варианта осуществления системы 10 настоящего изобретения и не требуют дополнительного пояснения.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения раскрывает способ управления транспортным средством. Транспортное средство может включать в себя железнодорожный состав 31' с одним или более локомотивными составами 42', как проиллюстрировано на фиг.11, внедорожное транспортное средство (OHV), морское транспортное средство или любое аналогичное транспортное средство, включающее в себя двигатель, работающий на множестве типов топлива. Множество типов топлива включает в себя один или более дизельных типов топлива и один или более альтернативных типов топлива. Более конкретно, каждое альтернативное топливо может включать в себя одно из биодизеля, пальмового масла и репсового масла. Соответственно, способ управления железнодорожным составом 31' с одним или более локомотивными составами 42' аналогично может быть применен к OHV и морским транспортным средствам.
Каждый локомотивный состав 42' включает в себя двигатель, работающий на множестве типов топлива. Способ включает в себя определение местоположения локомотивного состава 42', предоставление информации о территории (т.е. железнодорожном пути 34') локомотивного состава 42' и сохранение информации характеристик для каждого типа топлива. Более конкретно, способ включает в себя создание плана рейса, который оптимизирует рабочие характеристики локомотивного состава в соответствии с одним или более рабочими критериями для локомотивного состава.
Информация о характеристиках для каждого типа топлива каждого локомотивного состава включает в себя, по меньшей мере, одно из эффективности использования топлива, эффективности выбросов, соответствующей вместимости бака, доступности цены и доступности в месте нахождения.
Создание плана рейса включает в себя минимизацию общего потребления топлива для каждого типа топлива локомотивного состава. Более конкретно, минимизация общего потребления топлива для каждого типа топлива включает в себя минимизацию взвешенной суммы, имеющей весовые коэффициенты каждого соответствующего потребляемого топлива из множества типов топлива. Дополнительно, способ включает в себя определение соответствующих весовых коэффициентов для плана рейса, который минимизирует общее потребление топлива по каждому типу топлива локомотивного состава.
На фиг.15 показан вариант блок-схемы последовательности операции осуществления способа 200 управления, по меньшей мере, одним транспортным средством 31', при этом каждое транспортное средство 31' содержит двигатель, работающий, по меньшей мере, на одном типе топлива. Способ начинается (этап 201) посредством определения (этап 202) местоположения транспортного средства, после чего идет предоставление (этап 204) информации о территории каждого транспортного средства. Дополнительно, способ 200 включает в себя сохранение (этап 206) информации характеристик для каждого типа топлива и создание (этап 208) плана рейса, который оптимизирует рабочие характеристики каждого транспортного средства в соответствии с одним или более рабочими критериями для транспортного средства, до завершения (этап 210).
На основе вышеприведенного подробного описания способ может быть реализован с помощью методик вычислительного программирования или проектирования, включающих в себя программное обеспечение, микропрограммное обеспечение, аппаратное обеспечение или любую комбинацию, либо поднабор вышеозначенного, при этом технический эффект состоит в том, чтобы оптимизировать рабочие характеристики транспортного средства в соответствии с одним или более рабочими критериями. Любая результирующая программа, имеющая средство машиночитаемого кода, может быть осуществлена или предусмотрена в рамках одного или более машиночитаемых носителей, тем самым создавая компьютерный программный продукт, т.е. изделие согласно варианту осуществления изобретения. Машиночитаемым носителем может быть, например, стационарный (жесткий) диск, дискета, оптический диск, магнитная лента, полупроводниковое запоминающее устройство, такое как постоянное запоминающее устройство (ROM) и т.д., либо любая среда передачи/приема, такая как Интернет либо другая сеть или линия связи. Изделие, содержащее вычислительный код, может быть создано и/или использовано посредством приведения в исполнение кода непосредственно из одного носителя, посредством копирования кода из одного носителя на другой носитель или посредством передачи кода по сети.
Специалисты в данной области техники легко могут сочетать программное обеспечение, созданное так, как описано, с помощью соответствующих вычислительных аппаратных средств общего или специального назначения, например, микропроцессора, чтобы создавать вычислительную систему или вычислительную подсистему, осуществляющую способ одного варианта осуществления изобретения. Устройством для создания, использования или продажи одного варианта осуществления может быть одна или более систем обработки, в том числе, но не только, центральный процессор (CPU), запоминающее устройство, устройства хранения, линии и устройства связи, серверы, устройства ввода-вывода или любые подкомпоненты одной или более систем обработки, включающие в себя программное обеспечение, микропрограммное обеспечение, аппаратное обеспечение либо любую комбинацию или поднабор вышеозначенного, которые осуществляют вариант осуществления изобретения.
Хотя вариант осуществления изобретения описан так, как в настоящее время считается предпочтительным вариантом осуществления, множество вариаций и модификаций должны быть очевидными специалистам в данной области техники. Следовательно, варианты осуществления изобретения предназначены для того, чтобы не ограничивать конкретный вариант осуществления, а интерпретироваться полностью в рамках духа и области применения прилагаемой формулы изобретения.