專利名稱：結(jié)合了快速通過功能的用于控制車輛運(yùn)行的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及最優(yōu)化列車運(yùn)行，并且更特別地，涉及控制列車的
運(yùn)行以在滿足運(yùn)行要求的同時(shí)改進(jìn)效率。
背景技術(shù)：
列車是具有許多子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，其中每一個(gè)子系統(tǒng)都與其 它的子系統(tǒng)相互依賴。列車的操作者負(fù)責(zé)確保正確運(yùn)行機(jī)車 (locomotive)和該機(jī)車的客車車廂或貨車車廂的關(guān)聯(lián)負(fù)載，包括遵守規(guī) 定的運(yùn)行速度和保證把列車內(nèi)的力保持在可接受的限度中。然而，操 作者不能經(jīng)常性地運(yùn)行機(jī)車，以使對(duì)于每一次旅程都可以最小化燃油 消耗。例如，必須考慮的因素可以包括排放物輸出、像噪聲/振動(dòng)的環(huán) 境條件、燃油消耗和排放物輸出的加權(quán)組合等等。例如，由于列車的 大小和載荷變化、機(jī)車和它們的燃油/排放特性不同以及天氣和交通條 件變化，所以上述情況將是難于執(zhí)行的。針對(duì)該問題，已知的是提供帶有計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的列車，該計(jì) 算機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測多個(gè)車輛參數(shù)并且確定運(yùn)行列車的最佳方式以便 最優(yōu)化燃油消耗。在受讓給本發(fā)明的受讓人的題名為"Trip Optimization System and Method for a Train"的美國專利申i青^^開 2007/0225878中描述了這種系統(tǒng)，并且把該系統(tǒng)通過引用整體地結(jié)合 于本文中。為了節(jié)省燃油，比如那些在美國專利申請(qǐng)公開2007/0225878中 所描述的最優(yōu)化系統(tǒng)通常避免按實(shí)際來制動(dòng)列車。例如，當(dāng)列車將提 前減速或停止，或者在減速下穿過道岔開關(guān)經(jīng)過另一個(gè)軌道時(shí)，最優(yōu) 化系統(tǒng)將通過滑行到停車站或減速位置而很早就開始減速。額外地，只要列車時(shí)刻表允許時(shí)，最優(yōu)化系統(tǒng)都會(huì)在減小了的速度下運(yùn)行列車 以節(jié)省燃油。為了運(yùn)行需要經(jīng)常有優(yōu)先要求駛出第二列車或多個(gè)第二列車
路線的情況。例如，列車會(huì)以40 mph的容許速度從一個(gè)軌道通過道 岔改變到第二軌道。直到該第一列車已經(jīng)完全穿過道岔通過為止，后 面的或反向的第二列車將不能經(jīng)過在第一軌道上的道岔位置。在這種 情形中，為了節(jié)省燃油最優(yōu)化系統(tǒng)的正常運(yùn)行將計(jì)劃以10 mph而不 是40mph穿過道盆移動(dòng)，這將影響對(duì)高速運(yùn)行的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的這些缺點(diǎn)和其它缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了用 于運(yùn)行列車(或其它車輛)的系統(tǒng)和方法，當(dāng)運(yùn)行需要時(shí)在較高速度下 以其它的方式燃油最優(yōu)化該列車的行為。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，用于運(yùn)行列車或其它車輛的方法包括 使用由列車(或其它車輛)所承載的處理器來產(chǎn)生可計(jì)算的旅程分布圖 (trip profile),以便基本上最優(yōu)化列車(或其它車輛)的依賴于多個(gè)運(yùn)行 變量的運(yùn)行參數(shù)。("運(yùn)行參數(shù)"指代列車或其它車輛的在運(yùn)行中的關(guān) 于該列車或其它車輛的性能的特征。"運(yùn)行變量"指代在運(yùn)行中的列 車或車輛的隨著時(shí)間的流逝而變化的外部或內(nèi)部特征。 一個(gè)實(shí)例是依 賴于車輛重量、車輛的機(jī)械特性、路線狀況和車輛的受控方式的車輛 燃油使用(運(yùn)行參數(shù))，包括加速度分布圖(運(yùn)行變量)，該車輛的機(jī)械特 性包括發(fā)動(dòng)機(jī)/牽引系統(tǒng)特性)。該方法進(jìn)一步包括在由旅程分布圖所 確定的速度下沿著路線運(yùn)行列車(或其它車輛)、識(shí)別在列車(或其它車 輛)之前的目標(biāo)位置(其中如果列車(或其它車輛)按照旅程分布圖運(yùn)行， 那么在所希望的時(shí)間中該目標(biāo)位置將不能被通過(be cleared))、以及在 明顯快于由旅程分布圖所確定的通過速度下運(yùn)行列車(或其它車輛)， 直到通過目標(biāo)位置為止。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面， 一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品包括一個(gè)或多
5個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，該一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)具有存儲(chǔ)在其上的 多個(gè)指令，當(dāng)由列車(或其它車輛)的處理器執(zhí)行時(shí)，該多個(gè)指令引起
處理器(a)產(chǎn)生可計(jì)算的旅程分布圖以便基本上最優(yōu)化列車(或其它車 輛)的依賴于多個(gè)運(yùn)行變量的運(yùn)行參數(shù)；(b)引起列車(或其它車輛)在由 旅程分布圖所確定的速度下沿著路線運(yùn)行列車(或其它車輛)；(c)識(shí)別 在列車(或其它車輛)之前的目標(biāo)位置，如果列車(或其它車輛)按照旅程 分布圖運(yùn)行，那么在所希望的時(shí)間中將不能通過該目標(biāo)位置；和(d) 在明顯大于由旅程分布圖所確定的通過速度下運(yùn)行列車(或其它車 輛)，直到通過目標(biāo)位置為止。


通過結(jié)合附圖參考下列描述將可以更好地理解本發(fā)明，其中
圖l是列車的結(jié)合了用于實(shí)施本發(fā)明的方法的實(shí)例的設(shè)備的示 意圖；圖2是圖解了本發(fā)明的功能部件的結(jié)構(gòu)圖；
圖3是圖解了根據(jù)本發(fā)明的方面的列車控制方法的結(jié)構(gòu)圖；
圖4是列車的運(yùn)行在具有道盆開關(guān)的一段軌道上的示意性頂視 圖；和圖5是圖解了根據(jù)本發(fā)明的方面實(shí)現(xiàn)快速通過(quick clearance) 功能的方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式將參考附圖描述本發(fā)明的示范性實(shí)施例，其中遍及各個(gè)視圖用 相同的標(biāo)號(hào)指示相同的元件。能夠以許多方式來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，包括系 統(tǒng)(包括計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng))、方法(包括計(jì)算機(jī)化的方法)、設(shè)備、計(jì)算機(jī) 可讀介質(zhì)、計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品、圖形用戶界面、包括網(wǎng)絡(luò)門戶或有形固 定在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。下面將討論本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施 例。
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圖1描繪了示范性列車31,可以把本發(fā)明的方法應(yīng)用到該示范 性列車上。提供了確定列車31的位置的定位器元件30。定位器元件 30能夠是確定列車31的位置的GPS傳感器或傳感器系統(tǒng)。這種其它 系統(tǒng)的實(shí)例可以包括，但不限于，路旁裝置，比如射頻自動(dòng)設(shè)備識(shí)別 (RF AEI)標(biāo)簽、調(diào)度(dispatch)和/或視頻確定裝置(video determination)。 另 一種系統(tǒng)可以包括在機(jī)車上(aboard)的轉(zhuǎn)速計(jì)和來自參考點(diǎn)的距離 計(jì)算裝置。也可以提供無線通信系統(tǒng)47以允許在列車之間的和/或與 比如調(diào)度器(dispatcher)的遠(yuǎn)程位置之間的通信。也可以從其它列車傳 輸關(guān)于行進(jìn)位置的信息。軌道特征元件33提供關(guān)于軌道的信息，主要是坡度(grade)信息 和高度(elevation)信息和曲率信息。軌道特征元件33可以包括車上軌 道集成數(shù)據(jù)庫(on-board track integrity database)36。使用傳感器38來測 量由機(jī)車組成(locomotive consist)42所拖曳的牽引力(tractive effort)40、 機(jī)車組成42的節(jié)流設(shè)定(throttle setting)、機(jī)車組成42的構(gòu)造信息、 機(jī)車組成42的速度、單個(gè)機(jī)車構(gòu)造、單個(gè)機(jī)車容量等等。在示范性 實(shí)施例中，可以在不使用傳感器38，而是由上面所討論的其它方法來 輸入的情況下裝載機(jī)車組成42的構(gòu)造信息。此外，也可以考慮機(jī)車 的在組成中的健康狀況(health)。把旅程計(jì)劃器系統(tǒng)12構(gòu)造成基于包含機(jī)車42、列車31、軌道 34和上述任務(wù)目的的參數(shù)來計(jì)算用于列車31的最優(yōu)化旅程計(jì)劃。旅 程計(jì)劃器系統(tǒng)12包括處理器44，操作該處理器44以接收來自定位元 件30、軌道特征元件33和傳感器38的信息。(處理器44可以是列車 中的通用控制單元，也可專用于旅程計(jì)劃器系統(tǒng)12。)算法46(計(jì)算機(jī) 程序)在處理器44中運(yùn)行，以用于執(zhí)行旅程計(jì)劃器系統(tǒng)的某些功能元 件。在示范性實(shí)施例中，通過簡化提供在算法中的假定，作為非線性 差分等式的由物理學(xué)所導(dǎo)出的解，當(dāng)列車31沿著軌道34移動(dòng)時(shí)基于
7用于列車行為的模式來建立旅程計(jì)劃。旅程計(jì)劃器系統(tǒng)12可以訪問
來自定位器元件30、軌道特征元件33和/或傳感器38的信息以產(chǎn)生 旅程計(jì)劃，該旅程計(jì)劃最小化(或至少減小)機(jī)車組成42的燃油消耗、 最小化(或至少減小)機(jī)車組成42的排放物、建立所希望的旅程時(shí)間、 保證在機(jī)車組成42上的適當(dāng)?shù)臋C(jī)務(wù)人員操作時(shí)間和/或以其它方式最 優(yōu)化列車或其它車輛的運(yùn)行參數(shù)。在示范性實(shí)施例中，還提供控制器 元件(或驅(qū)動(dòng)顧問(driving advisor))51 。如在本文中所討論的，當(dāng)列車遵 照旅程計(jì)劃時(shí)使用控制器元件51以控制該列車。在本文中進(jìn)一步所 討論的示范性實(shí)施例中，控制器元件51自主做出列車運(yùn)行決定。在 另 一個(gè)示范性實(shí)施例中，操作者可以參與引導(dǎo)列車遵照旅程計(jì)劃。
圖2描繪了本發(fā)明的方法和系統(tǒng)的功能元件的示意圖。遠(yuǎn)程i殳 施(比如調(diào)度器60)可以為列車31提供信息。如所圖解的，把這種信息 提供到執(zhí)行控制元件62上。還提供到執(zhí)行控制元件62上的是來自機(jī) 車建模信息數(shù)據(jù)庫63的信息、來自軌道數(shù)據(jù)庫36的信息(比如，但不 限于，軌道坡度信息和速度限制信息)、估計(jì)的列車參數(shù)(比如，但不 限于，列車重量和拖曳系數(shù))以及來自燃油率估計(jì)器64的燃油率表。 執(zhí)行控制元件62把信息供給到旅程計(jì)劃器系統(tǒng)12，這在圖3中做了 更詳細(xì)的公開。 一旦已經(jīng)計(jì)算了旅程計(jì)劃，就把計(jì)劃供給到驅(qū)動(dòng)顧問、 驅(qū)動(dòng)器或控制器元件51。還把旅程計(jì)劃供給到執(zhí)行控制元件62，以 便當(dāng)提供其它新數(shù)據(jù)時(shí)它能夠比較旅程。如上面所討論的，驅(qū)動(dòng)顧問51能夠自動(dòng)地設(shè)定陷波功率(notch power)，或者是預(yù)先建立的陷波(notch)設(shè)定或者是最優(yōu)的連續(xù)陷波功 率。除了把速度命令供給到機(jī)車31以外，還提供顯示器68以便操作 者能夠看見計(jì)劃器所推薦的內(nèi)容。操作者還可以訪問控制面板69。操 作者通過控制面板69能夠決定是否應(yīng)用所推薦的陷波功率。為此， 操作者可以限定目標(biāo)功率或所推薦的功率。也就是說，任何時(shí)候操作 者可以一直具有最終權(quán)限來決定機(jī)車組成將運(yùn)行在什么功率設(shè)定下。 這包括如果旅程計(jì)劃推薦減慢列車31那么決定是否應(yīng)用制動(dòng)。例如，如果運(yùn)行在暗區(qū)域(dark territory),或者其中來自路旁設(shè)備的信息不能 以電的方式傳輸信息到列車而取而代之地操作者看見來自路旁設(shè)備 的視覺信號(hào)，那么操作者基于包含在軌道數(shù)據(jù)庫中的信息和來自路旁 設(shè)備的視覺信號(hào)而輸入命令?；诹熊?1是如何起作用的，把關(guān)于 燃油測量的信息供給到燃油率估計(jì)器64。由于典型地在機(jī)車組成中不 能獲得燃油流動(dòng)的直接測量，所以使用已校準(zhǔn)的物理學(xué)模型，比如使 用在開發(fā)的最優(yōu)計(jì)劃中的那些模型，來實(shí)現(xiàn)至今為止在旅程中所消耗 的且遵照最優(yōu)計(jì)劃將來要噴射的燃油的所有信息。例如，這種預(yù)測可 以包括，但不限于，所測量的總馬力的使用和推出所使用的累計(jì)燃油 的已知燃油特征。可以根據(jù)上面所提及的美國專利申請(qǐng)公開2007/0225878中所 描述的旅程計(jì)劃和最優(yōu)方法來運(yùn)行如上述所裝備的列車31。在圖3中 圖解了該方法的實(shí)例。或者在車上或者從比如調(diào)度中心10的遠(yuǎn)程位 置輸入專用于計(jì)劃旅程的指令。這種輸入信息包括，但不限于，列車 位置、組成描述(比如機(jī)車模型)、機(jī)車功率描述、機(jī)車牽引傳輸?shù)男?能、發(fā)動(dòng)機(jī)燃油的作為輸出功率的函數(shù)的消耗、冷卻特征、預(yù)期的旅 程路線(作為里程標(biāo)的函數(shù)的有效軌道坡度和曲率或反映遵照標(biāo)準(zhǔn)鐵 路實(shí)際的曲率的"有效坡度"分量)、由車廂結(jié)構(gòu)(car makeup)表示的 列車以及連同有效拖曳系數(shù)的載荷，旅程所希望的參數(shù)(包括，但不限 于，開始時(shí)間和位置、結(jié)束位置、所希望的行進(jìn)時(shí)間、機(jī)務(wù)人員(使用 者和/或操作者)標(biāo)識(shí)、機(jī)務(wù)人員輪班期滿時(shí)間以及路線)。
可以以許多方式把該數(shù)據(jù)提供到機(jī)車42，比如，但不限于，操 作者經(jīng)由車上的顯示器把該數(shù)據(jù)手動(dòng)輸入到機(jī)車42中、把包含該數(shù) 據(jù)的比如硬件插卡和/或USB驅(qū)動(dòng)器的存儲(chǔ)器裝置插入到機(jī)車上的接 收器(receptacle)中以及經(jīng)由無線通信從比如軌道信號(hào)裝置和/或路旁 裝置的中部位置或路旁位置41把信息傳輸?shù)綑C(jī)車42上。機(jī)車42和 列車31的負(fù)載特征(例如，拖曳)也可以在路線上改變(例如，隨著鐵 軌和軌道車輛的高度、周圍溫度和條件)，并且通過上面所討論的方法中任何一個(gè)方法和/或通過機(jī)車/列車條件的實(shí)時(shí)自主采集可以更新計(jì)
劃以如所需地反映這些變化。例如，這包括由機(jī)車42上或機(jī)車42下 的監(jiān)測設(shè)備所探測的機(jī)車或列車特征中的改變。軌道信號(hào)系統(tǒng)確定列車的允許速度。有許多類型的軌道信號(hào)系 統(tǒng)和與該信號(hào)中的每一個(gè)信號(hào)關(guān)聯(lián)的運(yùn)行規(guī)則。例如， 一些信號(hào)具有 信號(hào)燈(開/關(guān))， 一些信號(hào)具有帶多種顏色的單個(gè)透鏡，并且一些信號(hào) 具有多個(gè)燈和顏色。這些信號(hào)能夠指示軌道暢通(clear)以及列車可以 在最大允許速度下前進(jìn)。它們還能夠指示所需的減速或停車站。該減 速需要立刻獲得或在某個(gè)位置處(例如，在下一個(gè)信號(hào)或岔口之前)獲
3曰付。通過各種裝置把信號(hào)狀態(tài)傳遞到列車和/或操作者。 一些系統(tǒng)具 有在軌道中的電路和機(jī)車上的感應(yīng)拾波線圏(pick-up coil)。其它的系 統(tǒng)具有無線通信系統(tǒng)。信號(hào)系統(tǒng)還能夠要求操作者可視地檢測信號(hào)并 且采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。信號(hào)系統(tǒng)可以與車上的信號(hào)系統(tǒng)接口并且根據(jù)輸入和適當(dāng)?shù)?運(yùn)行規(guī)則來調(diào)節(jié)機(jī)車速度。對(duì)于需要操作者可^L地檢測信號(hào)狀態(tài)的信 號(hào)系統(tǒng)，操作者的屏幕將基于列車的位置呈現(xiàn)適當(dāng)?shù)男盘?hào)選項(xiàng)，以用 于操作者的輸入?？梢园研盘?hào)系統(tǒng)和運(yùn)行規(guī)則的作為位置函數(shù)的類型 存儲(chǔ)在車上數(shù)據(jù)庫63中?；谳斎氲铰贸逃?jì)劃器系統(tǒng)12中的規(guī)范數(shù)據(jù)(specification data),計(jì)算最優(yōu)計(jì)劃以產(chǎn)生旅程分布圖12a，該最優(yōu)計(jì)劃最小化在所 希望的開始時(shí)間和結(jié)束時(shí)間中沿著路線受到速度限制約束所產(chǎn)生的 燃油使用和/或排放物。分布圖包含由距離和/或時(shí)間的函數(shù)來表達(dá)的 列車將遵守的最優(yōu)速度和功率(陷波)設(shè)定——并且這種列車運(yùn)行限 制，包括但不限于，最大陷波功率和制動(dòng)設(shè)定——和作為位置的函數(shù) 的速度限制，和所預(yù)期的燃油使用與所產(chǎn)生的排放物。(因此，如應(yīng)該 明白的，旅程分布圖是列車或其它車輛的用于實(shí)現(xiàn)或遵照旅程計(jì)劃的 一組或一列控制設(shè)定。)在示范性實(shí)施例中，選擇用于陷波設(shè)定的值以獲得大約每10秒到30秒一次的節(jié)流改變決定。本領(lǐng)域中的那些技術(shù)
人員將易于明白的是，如果需要和/或希望遵照最優(yōu)速度分布圖，那么 可以在較長期間或較短期間處發(fā)生節(jié)流改變決定。在廣義上，對(duì)本領(lǐng)
域中的技術(shù)人員而言將顯而易見的是，分布圖在或者列車等級(jí)(level)、 組成等級(jí)和/或單個(gè)列車等級(jí)上提供用于列車的功率設(shè)定。功率包括制 動(dòng)功率、監(jiān)測功率和空氣致動(dòng)器功率。在另一個(gè)實(shí)施例中，取代在傳 統(tǒng)的離散陷波功率設(shè)定處運(yùn)行，旅程計(jì)劃器系統(tǒng)能夠選擇連續(xù)的功率 設(shè)定，該連續(xù)的功率設(shè)定對(duì)于所選擇的分布圖被確定為最優(yōu)。因此， 例如，如果最優(yōu)分布圖規(guī)定6.8的陷波設(shè)定，而不是在7的陷波設(shè)定 處運(yùn)行，那么機(jī)車42能夠在6.8處運(yùn)行。允許這種中間功率設(shè)定可以 帶來如下所述的額外的效率益處。用來計(jì)算最優(yōu)分布圖的程序可以是用于計(jì)算驅(qū)動(dòng)列車31的功 率序列(power sequence)的許多方法，以最小化受到機(jī)車運(yùn)行和時(shí)刻表 約束的燃油和/或排放物，如下面所總結(jié)的。在一些情形中，由于列車 構(gòu)造、線路和環(huán)境條件的相似性，所以所需要的最優(yōu)分布圖可以足夠 接近一個(gè)在先所確定的分布圖。在這些情形中，查找在數(shù)據(jù)庫63中 的驅(qū)動(dòng)軌線(trajectory)且嘗試遵照它是足夠的。當(dāng)沒有合適的在先所 計(jì)算的計(jì)劃時(shí)，計(jì)算新計(jì)劃的方法包括，但不限于，使用近似列車運(yùn) 動(dòng)物理學(xué)的差分等式模型直接計(jì)算最優(yōu)分布圖。設(shè)置(setup)包括選擇 定量目才示函凄t(quantitative objective flinction)，通常是與燃油消誄毛率和 排放物生成對(duì)應(yīng)的模型變量加上處罰(penalize)過度節(jié)流變化的項(xiàng) (term)的加權(quán)和(積分)。建立最優(yōu)控制公式以最小化受到約束的定量目標(biāo)函數(shù)，該約束 包括，但不限于，速度限制和最小與最大功率(節(jié)流)設(shè)定。依賴于任 何時(shí)候的計(jì)劃目標(biāo)，可以靈活設(shè)置問題以最小化在排放物和速度限制 上受到約束的燃油(使用)，或最小化在燃油使用和到達(dá)時(shí)間上受到約 束的排放物。例如，在總排放物或燃油使用上沒有約束的情況下，設(shè) 置最小化總行進(jìn)時(shí)間的目標(biāo)也是可能的，其中為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，允許或需要這樣放寬約束。數(shù)學(xué)上，可以更精確地陳述要被解決的問題?；疚锢韺W(xué)可以
表達(dá)為
^_ = v; x (0) = 0.0; x (7;)=" dt f
t7;(u， v)-Ga(x)-i (v) ; v (0) = 0,0; v (7p = 0.0
dte a
這里，x是列車的位置，v是速度而t是時(shí)間(視情況(單位是)英里、英 里每小時(shí)和分鐘或小時(shí))，且u是陷波(節(jié)流)命令輸入。進(jìn)一步，D指 代將要行進(jìn)的距離，Tf是沿著軌道在距離D處所希望的到達(dá)時(shí)間，Tc 是由機(jī)車組成所產(chǎn)生的牽引力，Ga是依賴于列車長度、列車結(jié)構(gòu)和列 車所處地形的重力拖曳(gravitational drag)， R是機(jī)車組成和列車組合 的凈速度從屬拖曳(net speed dependent drag)。還可以規(guī)定初始速度和 最終速度為零(列車在開始和終點(diǎn)處停止)，不過這不損失普遍性。最 后，易于修改模型以包括其它重要的動(dòng)態(tài)參數(shù)，比如在節(jié)流中的改變 u和因此產(chǎn)生的牽引力或制動(dòng)之間的滯后。使用該模型，建立最優(yōu)控 制公式以最小化受到約束的定量目標(biāo)函數(shù)，該約束包括，但不限于， 速度限制和最小與最大功率(節(jié)流)設(shè)定。依賴于任何時(shí)候的計(jì)劃目標(biāo)， 可以靈活地設(shè)置問題以最小化在排放物和速度限制上受到約束的燃 油(使用)，或最小化在燃油使用和到達(dá)時(shí)間上受到約束的排放物。
如下面將更詳細(xì)討論的，例如，在總排放物或燃油使用上沒有 約束的情況下設(shè)置最小化總行進(jìn)時(shí)間的目標(biāo)也是可能的，其中為了實(shí) 現(xiàn)目標(biāo)允許或需要這樣放寬約束。所有這些性能測量都能夠被表達(dá)為 下面表達(dá)式中的任何一個(gè)表達(dá)式的線性組合
minfF (u (t) ) dt-最小化總的燃油消耗
u (t) J 0
min7;-最小化行進(jìn)時(shí)間
u (t) 1
minf;(Ui -u—-最小化陷波操縱(jockeying)(分段恒定輸入)
Ui i=2
12min f(du/dt)2dt-最小化陷波操縱(連續(xù)輸入)
u (t) ■)
0因此，通常使用的和代表性的目標(biāo)函數(shù)是
7} 7}
min"J尸(u (t) ) dt + a3rf+a2J"(du/dt)2dt (O尸)
u 0 0
線性組合的系數(shù)將依賴于給予項(xiàng)中的每一項(xiàng)的重要性(權(quán)重)。注意在
等式(OP)中，U(t)是連續(xù)陷波位置的最優(yōu)變量。如果需要離散陷波，例
如，對(duì)于老式機(jī)車，等式(OP)的解將被離散化，這會(huì)導(dǎo)致較少的燃油
節(jié)省。利用求得最小時(shí)間解(a!設(shè)定為零且CX2設(shè)定為零或相對(duì)小的值)， 可求解可獲得行進(jìn)時(shí)間的下邊界(T產(chǎn)Tfi^)。在這種情形中，u(t)和Tf
二者都是最優(yōu)變量。在一個(gè)實(shí)施例中，為了 Tf的各個(gè)值解出等式(OP)，
其中Tf〉Tfmin，其中(X3設(shè)定為零。在該后者的情形中，把Tf認(rèn)定為約
束條件。對(duì)熟悉這種最優(yōu)問題的解的那些人員而言，可能需要附加
(adjoin)約束條件，例如沿著線路的速度限制
OSvSSL(x)
或者，當(dāng)使用作為目標(biāo)的最小時(shí)間時(shí)，端點(diǎn)約束必須保持，例如，總 的燃油消耗必須小于油箱中的燃油，例如，經(jīng)由
0<J> (u (t) ) dt^WF
0
這里，Wp是在Tf處剩余在油箱中的燃油。本領(lǐng)域中的那些技術(shù) 人員將易于明白的是，等式(OP)也能夠是其它的形式，且呈現(xiàn)在上面 的是用于旅程計(jì)劃器系統(tǒng)的示范性等式。為了解決因此產(chǎn)生的最優(yōu)化問題，在示范性實(shí)施例中，旅程計(jì) 劃器系統(tǒng)把在時(shí)域中的動(dòng)態(tài)最優(yōu)控制問題改寫成有N個(gè)決定變量的 等價(jià)靜態(tài)數(shù)學(xué)程序問題，其中個(gè)數(shù)"N"依賴于進(jìn)行節(jié)流和制動(dòng)調(diào)節(jié)的 頻率以及旅程的持續(xù)時(shí)間。對(duì)于典型的問題，該N能夠以千計(jì)。例如 在示范性實(shí)施例中，假定列車在美國西南部行進(jìn)在172英里的軌道段 上。使用旅程計(jì)劃器系統(tǒng)，當(dāng)相對(duì)其中由操作者來確定旅程的實(shí)際驅(qū)動(dòng)器節(jié)流/速度歷史與使用旅程計(jì)劃器系統(tǒng)所確定和遵照的旅程比較 時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在燃油使用中的例如7.6%的節(jié)省。因?yàn)橥ㄟ^使用旅程計(jì)劃
器系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)化產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)策略(driving strategy)，其中比起操 作者的旅程計(jì)劃，具有較少的拖曳損失且具有很少或沒有制動(dòng)損失， 所以實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)的節(jié)省。為了使上述最優(yōu)化易于計(jì)算處理，可以應(yīng)用 列車的簡化數(shù)學(xué)模型。返回參考圖3, —旦旅程在12a處開始，就在14處產(chǎn)生功率命 令以啟動(dòng)計(jì)劃。依賴于旅程計(jì)劃器系統(tǒng)的操作設(shè)置， 一個(gè)命令用于使 機(jī)車遵照最優(yōu)化的功率命令16以便獲得最優(yōu)速度。旅程計(jì)劃器系統(tǒng) 從列車18的機(jī)車組成獲得實(shí)際的速度和功率信息。由于在用于最優(yōu) 化的模型中的不可避免的近似性，所以可以獲得最優(yōu)化功率的閉環(huán)校 準(zhǔn)計(jì)算以跟蹤所希望的最優(yōu)速度。能夠自動(dòng)地或通過操作者進(jìn)行這種 列車運(yùn)行限制的校準(zhǔn)，其中該操作者總是具有列車的最終控制。
在一些情形中，使用在最優(yōu)化中的^^莫型可以明顯不同于實(shí)際列 車。由于許多原因會(huì)發(fā)生這種情況，包括但不限于，額外貨物的搭載 或布置，在線路上故障的機(jī)車和初始數(shù)據(jù)庫63中的錯(cuò)誤或操作者所 輸入的數(shù)據(jù)。出于這些原因，使監(jiān)測系統(tǒng)位于適當(dāng)?shù)奈恢弥校渲惺?用實(shí)時(shí)列車數(shù)據(jù)以在實(shí)時(shí)20中估計(jì)機(jī)車和/或列車參數(shù)。然后，當(dāng)在 22處最初產(chǎn)生旅程時(shí)，用估計(jì)的參數(shù)比較所使用的假定參數(shù)。基于在 假定值和估計(jì)值中的任何差異，旅程在24處被再計(jì)劃，一一如果從 新計(jì)劃產(chǎn)生足夠大的節(jié)省?？梢栽儆?jì)劃旅程的其它原因包括來自遠(yuǎn)程位置的指示，比如調(diào) 度和/或操作者請(qǐng)求目標(biāo)中的改變以與更周全(global)的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃目標(biāo) 一致。更周全的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃目標(biāo)可以包括，^f旦不限于，其它列車的時(shí)刻 表，從煙道消散的允許排氣，維修操作等等。另一個(gè)原因可以是由于 部件的車上故障。如在下面更詳細(xì)討論的，依賴于失調(diào)(disruption)的 嚴(yán)重性，可以把用于再計(jì)劃的策略集合到遞增的(incremental)和主要的 調(diào)節(jié)中。大體上，"新"計(jì)劃必須從上述最優(yōu)化問題等式(OP)推出，但
14是常常能夠更快求地解近似解一一如在本文中所描述的。在運(yùn)行中，不論這種更新何時(shí)改進(jìn)旅程性能，機(jī)車42都將基
于所測量的實(shí)際效率連續(xù)地監(jiān)測系統(tǒng)效率并連續(xù)地更新旅程計(jì)劃。可
以在機(jī)車中整個(gè)實(shí)施再計(jì)劃計(jì)算(re-planning calculation)或者4巴該再計(jì) 劃計(jì)算完全地或部分地移動(dòng)到遠(yuǎn)程位置，比如調(diào)度或路旁處理設(shè)施， 其中使用無線技術(shù)來把計(jì)劃傳遞到機(jī)車42。旅程計(jì)劃器系統(tǒng)還可以生 成效率趨勢(shì)，使用該效率趨勢(shì)以開發(fā)關(guān)于效率傳輸功能的機(jī)車數(shù)據(jù)群 (fleet data)。當(dāng)確定初始旅程計(jì)劃時(shí)可以使用全數(shù)據(jù)群(fleet-wide data),并且當(dāng)考慮多個(gè)列車的位置時(shí)可以把該全數(shù)據(jù)群用于全網(wǎng) (network-wide)最優(yōu)化折中(tradeoff)。在日常運(yùn)行中的許多事件都能夠?qū)е滦枰苫蛐薷漠?dāng)前執(zhí) 行的計(jì)劃，其中它希望保持相同的旅程目的，例如當(dāng)列車不在用于計(jì) 劃的相遇或與另一個(gè)列車通過的時(shí)刻表上且它需要彌補(bǔ)時(shí)間時(shí)。使用 實(shí)際的速度，功率和機(jī)車的位置，在25處在計(jì)劃的到達(dá)時(shí)間和當(dāng)前 估計(jì)(預(yù)計(jì)的)的到達(dá)時(shí)間之間進(jìn)行比較?；跁r(shí)間中的差異，以及參 數(shù)中的差異(由調(diào)度或操作者來探測或改變)，在26處調(diào)整計(jì)劃?？梢?使該調(diào)節(jié)自動(dòng)地遵照鐵路7>司的希望，以用于應(yīng)該如何處理這種離開 計(jì)劃的偏差或?yàn)檐嚿喜僮髡吲c調(diào)度器手動(dòng)提出備選項(xiàng)以共同決定返 回計(jì)劃的最佳方式。不論^f可時(shí)更新計(jì)劃，^f旦是其中最初目的，比如^旦 不限于到達(dá)時(shí)間，保持相同，可以并行地考慮(factor)額外的改變，例 如，新的將來速度限制改變，它將影響恢復(fù)最初計(jì)劃的可行性。在這 種情形中，如果不能維持最初的旅程計(jì)劃，或換句話說列車不能滿足 最初的旅程計(jì)劃目標(biāo)，那么如在本文中所討^淪的可以為操作者和/或遠(yuǎn) 程設(shè)施或調(diào)度提供其它的旅程計(jì)劃。當(dāng)希望改變最初的目的時(shí)可以進(jìn)行再計(jì)劃。能夠在或者固定的 預(yù)計(jì)劃的時(shí)間處，在操作者或調(diào)度器的判斷下手動(dòng)地，或者當(dāng)超過預(yù) 先限定的限制，比如列車運(yùn)行限制時(shí)自主地進(jìn)行這種再計(jì)劃。例如， 如果晚得超過規(guī)定閾值(比如三十分鐘)時(shí)來運(yùn)行當(dāng)前計(jì)劃執(zhí)行，那么旅程計(jì)劃器系統(tǒng)就能夠再計(jì)劃旅程以在如上述的增加燃油的消耗下 調(diào)節(jié)延遲或提醒操作者和調(diào)度器總共能夠彌補(bǔ)多少時(shí)間(也就是說，運(yùn) 行的最少時(shí)間或在時(shí)間約束中能夠節(jié)省的最大燃油)?；谌加?肖耗或 功率組成的健康狀況還能夠預(yù)想用于再計(jì)劃的其它觸發(fā)，包括但不限 于，到達(dá)的時(shí)間，由于設(shè)備故障和/或設(shè)備臨時(shí)失靈(比如運(yùn)行太熱或
太冷)所引起的馬力損失，和/或總體設(shè)置誤差(gross setup error)的檢測， 比如在假定的列車負(fù)載中。也就是說，如果對(duì)于當(dāng)前旅程改變反映出 在機(jī)車性能中的劣化(impairment)，那么可以把這些考慮到使用在最優(yōu) 化中的模型和/或等式中。在計(jì)劃目的中的改變還能夠起因于協(xié)調(diào)事件的需要，其中用于 一個(gè)列車的計(jì)劃損害另 一個(gè)列車的能力，以滿足在不同級(jí)別處的目的 和仲裁，例如，需要調(diào)度室。例如，通過列車對(duì)列車的通信可以進(jìn)一 步優(yōu)化相遇和通過的協(xié)調(diào)。因此，例如，如果列車知道它落后到達(dá)用 于相遇和/或通過的位置，那么來自另 一個(gè)列車的通信能夠通知遲到的 列車(和/或調(diào)度)。然后，操作者能夠把關(guān)于遲到的信息輸入到旅程計(jì) 劃器系統(tǒng)中，其中旅程計(jì)劃器系統(tǒng)將再計(jì)算列車的旅程計(jì)劃。還能夠 在高級(jí)別或網(wǎng)絡(luò)級(jí)別處使用旅程計(jì)劃器系統(tǒng)以允許調(diào)度確定哪一個(gè) 列車將減速或加速，可以不滿足時(shí)刻表的相遇和/或通過時(shí)間的約束。 如在本文中所討論的，通過列車把數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度以優(yōu)先化每一個(gè)列 車將如何改變它的計(jì)劃目的來實(shí)現(xiàn)上述情況。依賴于情形，選擇將依 賴或者時(shí)刻表或者燃油節(jié)省的益處。 —旦如上面所討論的形成旅程計(jì)劃，那么^f吏用速度和功率對(duì)距 離的軌跡以在所需的旅程時(shí)間下以最小的燃油和/或排放物到達(dá)目的 的。有幾種執(zhí)行旅程計(jì)劃的方式。如在下面所更詳細(xì)提供的，在一個(gè) 示范性實(shí)施例中，旅程計(jì)劃器系統(tǒng)的指導(dǎo)模式為操作者顯示信息，以 用于操作者遵照來獲得根據(jù)最優(yōu)旅程計(jì)劃確定的所需的功率和速度。 在這種模式中，建議運(yùn)行信息是操作者可以使用的運(yùn)行條件。在另一 個(gè)示范性實(shí)施例中，通過旅程計(jì)劃器系統(tǒng)來執(zhí)行加速和維持不變的速度。然而，當(dāng)列車31必須減速時(shí)，操作者負(fù)責(zé)應(yīng)用制動(dòng)系統(tǒng)52。在
另一個(gè)示范性實(shí)施例中，旅程計(jì)劃器系統(tǒng)如所需地命令功率和制動(dòng)以 遵照所希望的速度-距離路線。在旅程期間，不論是否根據(jù)在出發(fā)之前所確定的計(jì)劃來運(yùn)行列 車31，列車31都會(huì)遇到其中與旅程計(jì)劃(或旅程分布圖)相抵觸的需要 增加速度以快速經(jīng)過或"通過"某些位置的一個(gè)或多個(gè)位置。在本文中 把列車31的在高于計(jì)劃速度下的運(yùn)行指代為"快速通過"運(yùn)行、過程或 模式。例如，如在圖4中所示的，列車31可以在第一軌道"A"上運(yùn)行， 且準(zhǔn)備通過岔口"C"移動(dòng)到第二平行軌道"B"。直到第一列車31已經(jīng) 完全穿過盆口 C通過到以虛線所示的位置31，為止，后面的或反向的 第二列車(未圖示)不能經(jīng)過在軌道A上的岔口位置。在本文中岔口位 置C指代為"目標(biāo)位置"。基于列車31和軌道的條件、鐵路運(yùn)行規(guī)則 等等，岔口 C可以具有相對(duì)高的允許速度，例如40mph。然而，旅程 計(jì)劃通常以10 mph而不是40 mph使列車31穿過岔口移動(dòng)以節(jié)省燃 油。相反地，快速通過功能識(shí)別情形為需要較高的速度且使第一列車 31加速到軌道B中。圖5圖解了用于實(shí)施快速通過功能的基本方法。最初，根據(jù)如 上所述的列車計(jì)劃來運(yùn)行列車31,典型地以燃油最優(yōu)方式(方塊100)。 在方塊102中調(diào)用(invoke)快速通過?？梢砸栽S多方式產(chǎn)生需要快速通 過的識(shí)別。例如，如果鐵路具有能夠識(shí)別情形或位置的控制中心運(yùn)動(dòng) 計(jì)劃器或調(diào)步(pacing)系統(tǒng)(例如，調(diào)度器60)，那么它4巴修改的計(jì)劃時(shí) 間傳遞到列車31,并且處理器44中的算法46通過最小化行進(jìn)時(shí)間的 目標(biāo)再計(jì)劃修改的路點(diǎn)(waypoint)，然后加速運(yùn)動(dòng)。在這種情形中，快 速通過功能部分地存在于中部計(jì)劃器系統(tǒng)中。識(shí)別需要快速通過運(yùn)行的另一個(gè)方法是通過來自列車31的操 作者的手動(dòng)輸入。例如，操作者將觸碰控制面板69上的按鈕，以使 系統(tǒng)切換到快速通過模式。
當(dāng)操作能夠預(yù)先識(shí)別情形時(shí)，調(diào)用快速通過功能的另一個(gè)方法 是可能的。操作者通過用于列車31前部和后部的所希望的時(shí)間插入
特定路點(diǎn)。然后，處理器44執(zhí)行修改的計(jì)劃。這種調(diào)用方法的優(yōu)點(diǎn) 在于驅(qū)動(dòng)器越提前修改計(jì)劃，處理器44就具有越多的時(shí)間來執(zhí)行該 計(jì)劃，并且可以用燃油節(jié)省來平衡直接的增速需求。
然后，在增速處運(yùn)行列車31(方塊104)。為了獲得快速通過運(yùn) 行的最大益處，列車31可以在路線上所允許的最大速度下運(yùn)行。備 選地，當(dāng)調(diào)用快速通過功能時(shí)，不論是否完成再計(jì)劃，都可以或者手 動(dòng)地或者通過中部運(yùn)動(dòng)計(jì)劃器立刻把列車31加速到軌道段所允許的 最大速度。這最小化了延遲。當(dāng)列車31已經(jīng)通過需要高速的位置時(shí)，取消快速通過功能或 模式。如果列車31要繼續(xù)，那么根據(jù)所計(jì)算的旅程計(jì)劃返回到正常 的速度運(yùn)行(見方塊106)。在一些情形中，在完全停止時(shí)終止快速通過 運(yùn)行。換句話說，快速通過功能將導(dǎo)致列車31維持較大的速度，然 后相對(duì)快速地停止，而不是以較低的減速"滑行"到停車站，如果使用 旅程最優(yōu)化系統(tǒng)，那么這將是一種情形。如果已經(jīng)手動(dòng)調(diào)用快速通過模式，那么通過驅(qū)動(dòng)器再次觸碰按 鈕、把系統(tǒng)切換到正常運(yùn)行可以取消該模式。備選地，旅程最優(yōu)化系 統(tǒng)可以在確定列車31的后部已經(jīng)通過目標(biāo)位置或以其它方式識(shí)別鐵 路基礎(chǔ)設(shè)施的資格特征(qualifying feature)之后自動(dòng)地恢復(fù)正常的運(yùn) 行。資格特征的一些實(shí)例包括岔口、在坡度處的公路交叉口和在坡度 處的鐵路交叉口 。如果通過中部計(jì)劃器或通過路點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器輸入已經(jīng) 調(diào)用了快速通過模式，那么在列車31已經(jīng)通過那些路點(diǎn)時(shí)可以取消 該模式?？梢詮牧熊嚨那安课恢煤涂傮w列車長度推斷出列車31的后部 的位置，或者它可以直接由已知類型的列車尾部單元(未圖示)來提供， 該單元把列車的后部位置報(bào)告到列車31的頭部或外部詢問裝置。
—般地，也可以把本文中所提出的實(shí)施例中的任何一個(gè)實(shí)施例
18應(yīng)用到車輛上，而不只是列車上。前述內(nèi)容已經(jīng)描述了用于快速移動(dòng)列車穿過特定位置的系統(tǒng) 和方法。盡管已經(jīng)描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例，但是對(duì)本領(lǐng)域中的那
些技術(shù)人員而言顯而易見的是，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況 下能夠做出對(duì)本發(fā)明的各種修改。因此，提供本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的 前述描述和用于實(shí)行本發(fā)明的最佳模式僅僅是出于例證的目的而不 是出于限制的目的。
權(quán)利要求
1.一種用于運(yùn)行列車或其它車輛(31)的方法，其包括使用由所述車輛(31)所承載的處理器(44)，產(chǎn)生計(jì)算得到的旅程分布圖，以便基本上最優(yōu)化所述車輛(31)的依賴于多個(gè)運(yùn)行變量的運(yùn)行參數(shù)；在由所述旅程分布圖所確定的速度下沿著路線運(yùn)行所述車輛(31)；識(shí)別在所述車輛(31)前方的目標(biāo)位置，其中如果所述車輛(31)按照所述旅程分布圖運(yùn)行，那么該目標(biāo)位置將不能在所希望的時(shí)間中被通過；以及在明顯快于由所述旅程分布圖所確定的通過速度下運(yùn)行所述車輛(31)，直到通過所述目標(biāo)位置為止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步 包括當(dāng)經(jīng)過所述目標(biāo)位置時(shí)，把所述車輛(31)返回到根據(jù)所述旅程分 布圖的運(yùn)行中。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述運(yùn)行參數(shù)是 所述車輛(31)的燃油使用。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，由所述車輛(31) 外部的計(jì)劃中心(10)來識(shí)別所述目標(biāo)位置且把所述目標(biāo)位置傳遞到所 述處理器(44)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，從所述車輛(31) 上把所述目標(biāo)位置輸入到所述處理器(44)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，直接響應(yīng)來自所 述車輛(31)上的控制輸入而把所述車輛(31)加速到所述通過速度。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述處理器(44): 確定經(jīng)過所述目標(biāo)位置的時(shí)間；和當(dāng)經(jīng)過所述目標(biāo)位置時(shí)，自動(dòng)把所述車輛(31)返回到按照所述旅程分布圖的運(yùn)行中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在識(shí)別所述目標(biāo) 位置的步驟之后，所述處理器(44)產(chǎn)生新的旅程分布圖，其中所述新 的旅程分布圖被計(jì)算以最小化到所述目標(biāo)位置的行進(jìn)時(shí)間。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在所述處理器(44) 產(chǎn)生所述新的旅程分布圖的同時(shí)所述車輛(31)立即加速到所述通過速 度。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述處理器(44): 確定經(jīng)過所述目標(biāo)位置的時(shí)間；和當(dāng)經(jīng)過所述目標(biāo)位置時(shí)，自動(dòng)把所述車輛(31)返回到按照所述旅 程分布圖的運(yùn)行中。
全文摘要
一種用于運(yùn)行列車或其它車輛(31)的方法，其包括使用由列車(31)所承載的處理器(44)，產(chǎn)生所計(jì)算的列車分布圖以便基本上最優(yōu)化列車(31)的依賴于多個(gè)運(yùn)行變量的運(yùn)行參數(shù)；在由旅程分布圖所確定的速度下沿著路線運(yùn)行列車(31)；識(shí)別在列車(31)前方的目標(biāo)位置，如果列車(31)按照旅程分布圖運(yùn)行，那么該列車(31)將不能在所希望的時(shí)間中通過；以及在明顯快于由旅程分布圖所確定的通過速度下運(yùn)行列車(31)，直到通過目標(biāo)位置為止。還提供一種用于實(shí)施該方法的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
文檔編號(hào)B61L27/00GK101554879SQ20091013436
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2009年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月8日
發(fā)明者A·K·庫馬, G·R·沙菲爾, J·F·諾夫辛格 申請(qǐng)人:通用電氣公司