專利名稱：用于基于任務計劃控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法
用于基于任務計劃控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明的實施例涉及用于控制車輛和其它動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法。
技術(shù)背景
某些動力驅(qū)動的系統(tǒng)(例如列車和其它軌道車輛、船舶、固定的以柴油為動力的 動力發(fā)生單元，以及礦用車輛、農(nóng)用車輛和其它非公路用車輛)包括作為動力源的以柴油 為燃料的單元。對于軌道車輛系統(tǒng)，以柴油為燃料的單元可為容納在機車中的柴油內(nèi)燃發(fā) 動機。機車可為列車的一部分，列車包括其它機車和多個軌道車廂，例如貨運車廂。機車是 具有許多子系統(tǒng)的復雜系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)相互依賴。
操作者通常在機車里，以確保機車的恰當操作，而且在存在機車編組(consist) 時，操作者通常在引導機車(lead locomotive)里。機車“編組”是一起被操作或受控制以 使列車運動的一組機車。除了確保機車或機車編組的恰當操作之外，操作者還負責確定列 車的操作速度和列車內(nèi)的力。為了執(zhí)行此功能，操作者一般必須具有在規(guī)定地帶操作機車 和各種列車的豐富經(jīng)驗。需要這種知識來遵從規(guī)定的操作參數(shù)，例如可沿著軌道隨列車位 置而變化的速度、排放等。另外，操作者還負責確保列車內(nèi)的力保持在可接受的極限內(nèi)。
在船舶應用中，操作者通常在船舶上，以確保船只的恰當操作，而且在存在船只編 組時，操作者通?？刂埔龑Т?。如同上述機車實例一樣，船只編組是一起被操作以執(zhí)行聯(lián) 合任務的一組船只。除了確保船只或船只編組的恰當操作之外，操作者還負責確定編組的 操作速度和編組內(nèi)的力。為了執(zhí)行此功能，操作者一般必須具有在規(guī)定水路上或在規(guī)定的 任務中操作船只和各種編組的大量的經(jīng)驗。需要這種知識來遵從規(guī)定的操作速度和可沿著 任務隨船只位置而變化的其它任務參數(shù)。另外，操作者還負責確保船只內(nèi)的力和船只間的 力以及任務位置保持在可接受的極限內(nèi)。
當操作列車時，列車操作者在操作列車時典型地需要相同的擋(notch)設(shè)置，這 繼而可造成燃料消耗和/或排放輸出(例如但不限于N0x、CO2等)的較大變化，這取決于 對列車供以動力的機車的數(shù)量。因此，操作者通常不能操作機車來使得對于各個行程來說， 燃料消耗最小化，并且排放輸出最小化，因為列車的大小和負載有所不同，而且機車和它們 的動力可用性可隨型號類型而變化。
但是，關(guān)于機車，即使具有確保安全操作的知識，操作者通常也不能操作機車而使 得各個行程的燃料消耗和排放最小化。例如，必須考慮的其它因素可包括排放輸出、諸如噪 聲/振動的操作者環(huán)境條件、燃料消耗和排放輸出的加權(quán)組合等。這是難以做到的，因為列 車的大小和負載會有所不同，機車和它們的燃料/排放特性是不同的，而且天氣和交通條 件也有所不同。
當操作者試圖優(yōu)化列車的速度時會出現(xiàn)類似的問題。盡管操作者可能擅長操作各 種列車配置，但是確保最優(yōu)化的任務速度并不是在各種列車配置上都一律可行的。另外，在 確立任務計劃時最初提供了不恰當?shù)男畔⒌那闆r下，可能會出現(xiàn)狀況。盡管不會對列車的 操作有害，但是具有不恰當?shù)男畔⒖蓪е螺^不合乎需要的性能。
列車所有者通常擁有多輛列車，其中，列車在鐵路軌道的網(wǎng)絡上操作。因為各輛列 車需要單獨的操作者，操作者技能水平在不同操作者之間各不相同，所以與確保優(yōu)化燃料 使用、排放輸出和速度以確保恰當使用網(wǎng)絡中所有資源有關(guān)的因素的數(shù)量會成指數(shù)上升。 因為在鐵路軌道的網(wǎng)絡內(nèi)同時運行的多輛列車的整合(其中，必須還要關(guān)于列車操作來考 慮時間表安排問題)，列車所有者將受益于這樣的方式實時優(yōu)化燃料效率和排放輸出，以 便節(jié)省總的燃料消耗，同時最小化多輛列車的排放輸出，并且同時符合任務行程時間約束。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例涉及一種用于控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的系統(tǒng)和方法。該方法包括在 任務計劃的期望參數(shù)為不可達到和/或超過預定義的極限時確定動力驅(qū)動的系統(tǒng)的任務 計劃，使得最優(yōu)化的燃料效率、排放輸出、車輛性能和/或動力驅(qū)動的系統(tǒng)的基礎(chǔ)和環(huán)境任 務性能得到實現(xiàn)。該方法進一步包括在產(chǎn)生任務計劃之前確認期望參數(shù)，其中，期望參數(shù)可 為不可達到和/或違背預定義的極限的。將期望參數(shù)通知該動力驅(qū)動的系統(tǒng)的操作者和/ 或遠程監(jiān)測設(shè)施。
在另一個實施例中，該方法包括產(chǎn)生任務計劃。確認任務計劃中的不可達到和/ 或超過了預定義的極限的期望參數(shù)。對以下內(nèi)容進行確定是否暫時超過了預定義的極限， 是否確認接近期望參數(shù)的可達到的參數(shù)，以及/或者是否警告操作者和/或遠程監(jiān)測設(shè)施 關(guān)于要采取的一系列措施的反饋。
本發(fā)明的其它實施例涉及一種用于通過優(yōu)化動力驅(qū)動的系統(tǒng)在任務期間所遇到 的操作模式的范圍來控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法。該方法包括確定在開始任務之前和/或 在執(zhí)行任務時動力驅(qū)動的系統(tǒng)進入至少一個操作模式的范圍的時間量。對動力驅(qū)動的系統(tǒng) 的操作者和/或遠程監(jiān)測設(shè)施提供關(guān)于動力驅(qū)動的系統(tǒng)在執(zhí)行任務時進入至少一個操作 模式的范圍和/或在開始任務之前將進入該至少一個操作模式的范圍的時間量的通知。
在另一個實施例中，該方法包括調(diào)節(jié)動力驅(qū)動的系統(tǒng)的至少一個操作參數(shù)，以逼 近期望的操作設(shè)置。該方法可進一步包括確定最小速度閾值和使用最小速度閾值來產(chǎn)生任 務計劃。
另一個實施例涉及一種用于基于目標參考速度和/或目標參考動力來確定任務 計劃的方法。該方法包括用針對整個任務和/或任務的一部分所確認的目標參考速度和/ 或目標參考動力來產(chǎn)生任務計劃。遵從和/或大致遵從目標參考速度和/或目標參考動力。
另一個實施例還涉及一種用于基于目標參考速度和/或目標參考動力來確定任 務計劃的方法。這里，該方法包括確定參考目標速度和目標參考動力。用針對整個任務和 /或任務的一部分所確定的參考目標速度和/或目標參考動力來產(chǎn)生任務計劃。操作動力 驅(qū)動的系統(tǒng)，以便提供接近參考目標速度的動力。
另一個實施例涉及一種用于最小化設(shè)有任務計劃的動力驅(qū)動的系統(tǒng)的至少一個 操作模式的范圍的方法。該方法包括產(chǎn)生原始任務計劃，以及確認在該至少一個操作模式 的范圍中的操作的時間段。確認任務計劃中的至少一個操作模式的范圍。修改任務計劃， 以在該至少一個操作模式在動力操作時段的所選擇的范圍內(nèi)的時段期間，提供該至少一個 操作模式的范圍之外的動力設(shè)置。
另一個實施例涉及一種用于控制具有第一動力發(fā)生單元和第二動力發(fā)生單元的動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法，其中，第一動力發(fā)生單元的動力設(shè)置與第二動力發(fā)生單元的動力 設(shè)置去耦。該方法包括開發(fā)不依賴于耦合動力設(shè)置的動力操作計劃，確定響應于該動力操 作計劃的動力設(shè)置，以及基于確定的動力設(shè)置來操作第一動力發(fā)生單元和/或第二動力發(fā) 生單元。


將參照附圖中示出的本發(fā)明的特定實施例來提供對以上所簡要描述的本發(fā)明的 更加具體的描述。理解到這些圖描繪了本發(fā)明的僅典型的實施例，且其因此不應視為在其 范圍上為限制性的，通過使用附圖，將用額外的特征和細節(jié)來對本發(fā)明的示例性實施例進 行描述和闡述，在圖中
圖1是顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的行程優(yōu)化方法的流程圖2描繪了可結(jié)合本發(fā)明來采用的動力驅(qū)動的系統(tǒng)的簡化數(shù)學模型；
圖3是動力驅(qū)動的系統(tǒng)的示意圖4描繪了燃料使用/行駛時間曲線的一個示例性實施例；
圖5描繪了行程規(guī)劃的分段分解的一個示例性實施例；
圖6描繪了行程規(guī)劃的分段分解的另一個示例性實施例；
圖7是顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的行程優(yōu)化方法的流程圖8描繪了用于由操作者使用的動態(tài)顯示器的一個實施例；
圖9描繪了用于由操作者使用的動態(tài)顯示器的另一個實施例；
圖10描繪了用于由操作者使用的動態(tài)顯示器的另一個實施例；
圖11描繪了具有多輛列車的鐵路軌道的網(wǎng)絡；
圖12是根據(jù)本發(fā)明的另外的實施例的、用于通過最優(yōu)化的列車動力組成來提高 列車的燃料效率的方法的流程圖13描繪了包括在用于最優(yōu)化的列車動力組成的系統(tǒng)中的示例性元件的簡圖14描繪了用于確定以柴油為動力的系統(tǒng)的燃料效率和排放的傳遞函數(shù)的簡 圖15是描繪了用于確定具有至少一個以柴油為燃料的動力發(fā)生單元的以柴油為 動力的系統(tǒng)的配置的方法的流程圖16描繪了用于操作軌道車輛的閉環(huán)系統(tǒng)的一個示例性實施例；
圖17描繪了與主控制單元結(jié)合的圖16的閉環(huán)系統(tǒng)；
圖18描繪了用于操作軌道車輛的、與軌道車輛的另一個輸入操作子系統(tǒng)結(jié)合的 閉環(huán)系統(tǒng)的一個示例性實施例；
圖19描繪了具有轉(zhuǎn)換器的閉環(huán)系統(tǒng)的另一個示例性實施例，該轉(zhuǎn)換器可支配主 控制器的操作；
圖20描繪了閉環(huán)系統(tǒng)的另一個示例性實施例；
圖21是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、示出了用于操作動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法的 流程圖22是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、示出了用于在閉環(huán)過程中操作軌道車輛的 方法的流程圖23描繪了比較當前操作與排放最優(yōu)化的操作的速度-時間的曲線圖M描繪了與給定的擋水平相比的調(diào)制型式；
圖25是示出了用于確定以柴油為動力的系統(tǒng)的配置的方法的流程圖沈描繪了用于最小化排放輸出的系統(tǒng)；
圖27描繪了用于最小化來自以柴油為動力的系統(tǒng)的排放輸出的系統(tǒng)；
圖觀描繪了用于操作具有至少一個以柴油為燃料的動力發(fā)生單元的以柴油為動 力的系統(tǒng)的方法；
圖四描繪了操作具有至少一個以柴油為燃料的動力發(fā)生單元的以柴油為動力的 系統(tǒng)的示例性系統(tǒng)的簡圖30-31是根據(jù)本發(fā)明的兩個實施例、示出了用于確定動力驅(qū)動的系統(tǒng)的任務計 劃的相應的方法的流程圖32是示出了用于確認任務計劃中為不可達到和/或超過了預定義的極限的期 望參數(shù)的方法的流程圖33是示出了用于優(yōu)化任務計劃中提供的動力驅(qū)動的系統(tǒng)的至少一個操作模式 的范圍的方法的流程圖34是示出了用于優(yōu)化任務計劃中提供的動力驅(qū)動的系統(tǒng)的至少一個操作模式 的范圍的方法的流程圖35是示出了用于基于最大速度極限和/或最小速度閾值來確定任務計劃的方 法的流程圖36是示出了用于優(yōu)化動力驅(qū)動的系統(tǒng)的任務計劃中提供的操作模式的范圍的 方法的流程圖37是示出了用于基于最大速度極限和/或最小速度閾值來確定任務計劃的方 法的流程圖38是示出了用于優(yōu)化設(shè)有任務計劃的動力驅(qū)動的系統(tǒng)的操作模式的范圍的方 法的流程圖39描繪了示出了用于提供去耦動力設(shè)置的一個示例性實施例的三維圖40描繪了示出了用于提供去耦動力設(shè)置的另一個示例性實施例的三維圖41描繪了示出了用于提供去耦動力設(shè)置的另一個示例性實施例的三維圖42描繪了示出了用于提供去耦動力設(shè)置的一個示例性實施例的流程圖；以及
圖43描繪了示出了用于提供去耦動力設(shè)置的另一個示例性實施例的流程圖。
具體實施方式
現(xiàn)在將詳細參照與本發(fā)明相符合的實施例，實施例的實例在附圖中有所說明。在 任何可行的情況下，在所有圖中使用的相同參考標號指示相同或相似的部件。
雖然關(guān)于軌道車輛或鐵路運輸系統(tǒng)(尤其是具有柴油發(fā)動機的列車和機車)來對 本發(fā)明的示例性實施例進行描述，但是本發(fā)明的示例性實施例還可應用于其它用途，例如 但不限于非公路用車輛、船舶、固定單元和其它車輛，例如農(nóng)用車輛和運輸客車，它們中的 各個均可使用至少一個柴油發(fā)動機或柴油內(nèi)燃發(fā)動機。為此，當討論規(guī)定的任務時，這就包 括待由以柴油為動力的系統(tǒng)執(zhí)行的作業(yè)或要求。因此，關(guān)于鐵路、船舶、運輸車輛、農(nóng)用車輛或非公路用車輛應用，這可指系統(tǒng)從當前位置到目的地的運動。
在固定應用的情況下，例如但不限于固定動力發(fā)生站或動力發(fā)生站的網(wǎng)絡，規(guī)定 的任務可指瓦特量(例如MW/小時)或待由以柴油為動力的系統(tǒng)滿足的其它參數(shù)或要求。 同樣，以柴油為燃料的動力發(fā)生單元的操作條件可包括速度、負載、燃料值、時間等中的一 個或多個。另外，雖然公開了以柴油為動力的系統(tǒng)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地了解，本 發(fā)明的實施例也可與以非柴油為動力的系統(tǒng)一起使用，例如但不限于以天然氣為動力的系 統(tǒng)、以生物柴油為動力的系統(tǒng)等。
另外，如本文所公開的那樣，這種以非柴油為動力的系統(tǒng)以及以柴油為動力的系 統(tǒng)可包括多個發(fā)動機、其它動力源和/或另外的動力源，例如但不限于電池源、電壓源(例 如但不限于電容器)、化學源、基于壓力的源(例如但不限于彈簧和/或液壓膨脹)、電流源 (例如但不限于電感器)、慣性源(例如但不限于飛輪裝置)、基于重力的動力源，以及/或 者基于熱的動力源。另外，動力源可在例如但不限于電動系統(tǒng)(例如機車或列車)的外部， 其中，動力由頭頂懸鏈線、第三軌道和/或磁懸浮線圈從外部提供。
在涉及船舶的一個實例中，多個拖船可一起操作，其中，所有拖船移動同一個更大 的船只，其中，各個拖船在時間上關(guān)聯(lián)，以完成移動更大的船只的任務。在另一個實例中，單 個船舶可具有多個發(fā)動機。非公路用車輛(OHV)應用可涉及具有將泥土從位置“A”移動到 位置“B”的同一任務的車隊，其中，各個OHV在時間上關(guān)聯(lián)，以完成任務。關(guān)于固定動力發(fā)生 站，多個站可組合在一起，以針對具體位置和/或目的來共同產(chǎn)生動力。在另一個示例性實 施例中，提供了單個站，但是多個發(fā)生器補償單個站。在涉及機車車輛的一個實例中，多個 以柴油為動力的系統(tǒng)可共同操作，其中，所有以柴油為動力的系統(tǒng)移動同一個更大的負載， 例如多個軌道車廂，且其中各個系統(tǒng)在時間上關(guān)聯(lián)，以完成移動更大的負載的任務。在另一 個示例性實施例中，機車車輛可具有不止一個以柴油為動力的系統(tǒng)。
本發(fā)明的示例性實施例通過這樣的方式來解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題提供用于在任 務計劃的期望參數(shù)為不可達到和/或超過了預定義的極限時確定動力驅(qū)動的系統(tǒng)的任務 計劃的系統(tǒng)、方法和計算機實現(xiàn)的方法，例如計算機軟件代碼，使得最優(yōu)化的燃料效率、排 放輸出、車輛性能和/或以柴油為動力的系統(tǒng)的基礎(chǔ)和環(huán)境任務性能得到實現(xiàn)。關(guān)于機車， 本發(fā)明的示例性實施例還可在機車編組處于分布式動力操作中時操作。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將了解，包括CPU、存儲器、I/O、程序儲存器、連接總線和其它適當 的構(gòu)件的設(shè)備(例如數(shù)據(jù)處理系統(tǒng))可編程成或以別的方式設(shè)計成有利于本發(fā)明的方法。 這種系統(tǒng)將包括用于執(zhí)行本發(fā)明的方法的適當?shù)某绦蚱骷?br> 而且，用于與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)一起使用的制造物(例如預先記錄的磁盤或其它類似 的計算機程序產(chǎn)品)可包括存儲介質(zhì)和記錄在其上的程序器件，其用于引導數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)，以有利于實踐本發(fā)明的方法。這種設(shè)備和制造物也落在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
一般地說，一種技術(shù)效果是在任務計劃的期望參數(shù)為不可達到和/或超過了預定 義的極限時確定動力驅(qū)動的系統(tǒng)的任務計劃，使得以柴油為動力的系統(tǒng)的最優(yōu)化的燃料效 率、排放輸出、車輛性能、基礎(chǔ)和環(huán)境任務性能得到實現(xiàn)。雖然在上面公開了任務計劃，但是 并不將用語“任務計劃”提供為限制。具體而言，用語“任務計劃”包括自動或自主的任務 計劃和/或規(guī)劃、手動的任務計劃和/或規(guī)劃，以及兩者的組合。
為了有利于理解本發(fā)明的示例性實施例，在后面參照本發(fā)明的具體實現(xiàn)來對本發(fā)明進行描述?？稍谟嬎銠C可執(zhí)行的指令(例如由任何裝置-例如但不限于設(shè)計成以便接收 數(shù)據(jù)、通常以高的速度執(zhí)行規(guī)定的數(shù)學和/或邏輯操作的計算機，其中，可顯示或可不顯示 這種操作的結(jié)果-執(zhí)行的程序模塊)的一般背景下對本發(fā)明的示例性實施例進行描述。一 般來說，程序模塊包括執(zhí)行特定任務或?qū)崿F(xiàn)特定的抽象數(shù)據(jù)類型的例程、程序、對象、構(gòu)件、 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。例如，可用不同的編程語言來對作為本發(fā)明的示例性實施例的基礎(chǔ)的軟件程 序進行編碼，以與不同的裝置或平臺一起作用。在以下描述中，可在采用網(wǎng)頁瀏覽器的網(wǎng)絡 門戶的背景下對本發(fā)明的實例進行描述。但是，將理解到，也可用其它類型的計算機軟件技 術(shù)來實現(xiàn)作為本發(fā)明的示例性實施例的基礎(chǔ)的原理。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可用其它計算機系統(tǒng)配置來實踐本發(fā)明的示例性 實施例，包括手持裝置、多處理器系統(tǒng)、基于微處理器的或可編程的消費者電子器件、袖珍 計算機、大型計算機等。本發(fā)明的示例性實施例還可在分布式計算環(huán)境中實踐，其中，任務 由遠程處理裝置執(zhí)行，遠程處理裝置通過通訊網(wǎng)絡鏈接。在分布式計算環(huán)境中，程序模塊可 位于本地和遠程計算機存儲介質(zhì)(包括存儲器存儲裝置)兩者中。這些本地和遠程計算環(huán) 境可完全包含在機車內(nèi)，或者在編組中的機車附近，或者為非車載的、在使用了無線通訊的 路旁或中心辦公室中。
貫穿本文檔中使用了用語“機車編組”。如本文所用，機車編組可描述成具有連接 在一起以便提供驅(qū)動和/或制動能力的連續(xù)的一個或多個機車。在許多情況下，機車是連 接在一起的，其中機車之間不存在列車車廂。列車在其組成上可具有不止一個機車編組。具 體而言，可存在引導編組和一個或多個遠程編組，例如在車廂列的中間，以及在列車的末尾 處的另一個較遠的編組。各個機車編組可具有第一機車和跟隨機車(trail locomotive) 0 盡管第一機車通常被視為引導機車，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地了解，多機車編組中的 第一機車在物理上可位于物理上尾部的位置上。
盡管機車編組通常被視為包括連續(xù)的機車，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易地了解， 即使是在一個或多個軌道車廂隔開了機車的時候，例如當機車編組配置成以便進行分布式 動力操作時，一組機車也可認為是編組，其中，調(diào)速和制動命令通過無線電鏈路或物理線纜 從引導機車轉(zhuǎn)送到遠程列車。為此，當論述同一列車內(nèi)的多個機車時，用語機車編組不應當 理解為限制因素。
如本文所公開的那樣，編組的思想也可在提到其它類型的動力驅(qū)動的系統(tǒng)時應 用，包括但不限于一起操作以便提供驅(qū)動、動力發(fā)生和/或制動能力的船舶、非公路用車輛 和/或固定式動力裝置。因此，即使在本文中關(guān)于某些說明性實施例使用了用語機車編組， 此用語也可應用于其它動力驅(qū)動的系統(tǒng)。類似地，可存在子編組。例如，以柴油為動力的系 統(tǒng)可具有不止一個以柴油為燃料的動力發(fā)生單元。例如，動力裝置可具有不止一個柴油電 力單元，其中，優(yōu)化可處于子編組的水平。同樣地，機車可具有不止一個柴油動力單元。
可在本文中使用用語“擋”。雖然擋一般理解為預先設(shè)置的調(diào)速設(shè)置，但是在本發(fā) 明的背景下，該用語定義為包括預先設(shè)置的調(diào)速設(shè)置和/或連續(xù)的分解調(diào)速應用，其中擋 是任何調(diào)速值。
現(xiàn)在參看附圖，將對本發(fā)明的實施例進行描述。本發(fā)明的示例性實施例可以以許 多方式來實現(xiàn)，包括實現(xiàn)為系統(tǒng)(包括計算機處理系統(tǒng))、方法(包括計算機化的方法)、設(shè) 備、計算機可讀介質(zhì)、計算機程序產(chǎn)品、圖形用戶接口(包括網(wǎng)絡門戶)或有形地固定在計算機可讀存儲器中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在下面對本發(fā)明的若干個實施例進行論述。
本發(fā)明的實施例涉及一種用于控制列車、其它車輛或其它動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方 法，以及實現(xiàn)用于控制列車、其它車輛或其它動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法的行程優(yōu)化器系統(tǒng)12。 (系統(tǒng)12 —般可應用來控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的任務，并且系統(tǒng)12不限于控制路上的車 輛)。
圖1是示出了用于通過行程/任務優(yōu)化來控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法的流程圖。 圖3和7顯示了動力驅(qū)動的系統(tǒng)(例如列車)的各種元件，該動力驅(qū)動的系統(tǒng)包括配置成 以便執(zhí)行圖1所示的方法的行程或任務優(yōu)化器系統(tǒng)12。如圖所示，指令是對于在車上或從 遠程位置(例如調(diào)度中心10)規(guī)劃行程而言專有的輸入。這種輸入信息包括但不限于列車 位置、編組描述(例如機車型號)、機車動力描述、機車牽引傳遞的性能、隨輸出動力而變化 的發(fā)動機燃料的消耗、冷卻特性、預期的行程路線(包括與隨里程標而變化的有效軌道坡 度和曲率和/或用以反映遵從標準鐵路實踐的曲率的“有效坡度”分量有關(guān)的信息)、由車 廂組成和負載以及有效的拖曳系數(shù)表示的列車、行程期望參數(shù)-包括但不限于啟動時間和 位置、終點位置、期望行駛時間、乘務人員(用戶和/或操作者)身份、乘務人員輪班期滿時 間和路線。
可用許多方式將這個數(shù)據(jù)提供給機車42 (見圖幻，例如但不限于操作者通過車載 顯示器將這個數(shù)據(jù)手動輸入機車42中，將包含數(shù)據(jù)的存儲器裝置(例如硬盤插件板和/或 USB閃存驅(qū)動器)插入機車上的插孔中，以及通過無線通訊將信息從中心或路旁位置41 (例 如軌道發(fā)信號裝置和/或路旁裝置)傳送到機車42。機車42和列車31負載特性(例如拖 曳)也可根據(jù)路線而改變(例如隨軌道和軌道車廂的海拔、環(huán)境溫度和條件而變化)，而且 可更新計劃，以如任何上述方法和/或機車/列車狀況的實時自主收集所需要的那樣反映 這種變化。這包括(例如)由機車42上或機車42外的監(jiān)測裝備探測到的機車或列車特性 的變化。
軌道信號系統(tǒng)確定列車的容許速度。存在許多類型的軌道信號系統(tǒng)和與各個信號 相關(guān)聯(lián)的操作規(guī)則。例如，一些信號具有單個燈(開/關(guān))，一些信號具有帶有多種顏色的 單個透鏡，而一些信號則具有多個燈和顏色。這些信號可指示軌道是暢通的且列車可以以 最大容許速度前進。它們還可指示需要減小的速度或停止?？赡苄枰⒓椿蛘咴谀硞€位置 處(例如在下一個信號或交叉口之前)實現(xiàn)這個減小的速度。
信號狀態(tài)通過各種手段傳送到列車和/或操作者。一些系統(tǒng)具有軌道中的電路和 機車上的感應式采集線圈。其它系統(tǒng)具有無線通訊系統(tǒng)。信號系統(tǒng)還可要求操作者在視覺 上檢查信號以及采取適當?shù)拇胧?br> 軌道信號系統(tǒng)可與車載信號系統(tǒng)交互，以及根據(jù)輸入和適當?shù)牟僮饕?guī)則來調(diào)節(jié)機 車速度。對于要求操作者在視覺上檢查信號狀態(tài)的信號系統(tǒng)來說，操作者屏幕將為操作者 呈現(xiàn)適當?shù)男盘栠x項，以基于列車的位置來進行輸入。隨位置而變化的操作規(guī)則和信號系 統(tǒng)的類型可存儲在車載數(shù)據(jù)庫63中。
基于輸入行程優(yōu)化器系統(tǒng)中的規(guī)范數(shù)據(jù)，計算以速度極限約束為條件，沿著路線 以期望的啟動時間和結(jié)束時間最小化燃料使用和/或產(chǎn)生的排放的最優(yōu)計劃，以產(chǎn)生行程 輪廓12a。該輪廓包含列車所遵從的最優(yōu)速度和動力(擋)設(shè)置，其表示為距離和/或時間 的函數(shù)，而且這種列車操作極限包括但不限于最大擋動力和制動設(shè)置，以及隨位置而變化的速度極限，以及期望的使用的燃料和所產(chǎn)生的排放。(因此，如應當理解的那樣，行程輪廓 是列車或其它車輛的用于實現(xiàn)或遵從行程計劃的一組或一系列控制設(shè)置)。在一個示例性 實施例中，擋設(shè)置的值選擇成以便大約每隔10秒至30秒獲得調(diào)速變化決策。本領(lǐng)域技術(shù) 人員將容易地了解，如果需要和/或期望遵從最優(yōu)速度輪廓，調(diào)速變化決策可發(fā)生在更長 或更短的持續(xù)時間里。在更寬泛的意義上來說，對本領(lǐng)域技術(shù)人員應當顯而易見的是，輪廓 為列車提供在列車級別、編組級別和/或單獨的列車級別上的動力設(shè)置。動力包括制動動 力、驅(qū)動動力和空氣制動動力。在另一個實施例中，不是以傳統(tǒng)的離散的擋動力設(shè)置操作， 而是可選擇確定為對于所選擇的輪廓來說最優(yōu)的連續(xù)的動力設(shè)置。因此，例如，如果最優(yōu)輪 廓規(guī)定為6. 8的擋設(shè)置，而非在擋設(shè)置7 (假定為例如6、7、8等的離散的擋設(shè)置)處操作， 機車42就可在6. 8處操作。允許這種中間動力設(shè)置可帶來下面所描述的額外效率的好處。
用來計算最優(yōu)輪廓的過程可為用于計算驅(qū)動列車31的動力序列以便以機車操作 和時間表(schedule)約束為條件最小化燃料和/或排放的任何數(shù)量的方法，如下面所概 述。在一些情況下，由于列車配置、路線和環(huán)境條件的相似性的原因，所需要的最優(yōu)輪廓可 足夠接近之前確定的一個最優(yōu)輪廓。在這些情況下，可能在數(shù)據(jù)庫63內(nèi)查找駕駛軌跡和試 圖遵從該軌跡就足夠了。當之前計算出的計劃都不適合時，用以計算新的計劃的方法包括 但不限于使用逼近列車的運動物理性質(zhì)的微分方程模型來直接計算最優(yōu)輪廓。設(shè)置涉及選 擇定量的目標函數(shù)，通常為對應于燃料消耗速率和排放發(fā)生速率加上懲罰(penalize)過 量調(diào)速變化的項的模型變量的加權(quán)總和(積分)。
建立最優(yōu)控制公式來以包括但不限于速度極限和最小與最大動力(調(diào)速)設(shè)置以 及最大累計和瞬時排放的約束為條件最小化量化目標函數(shù)。取決于任何時間的規(guī)劃目標， 可靈活地解決該問題，以便以排放和速度極限方面的約束為條件最小化燃料，或者以燃料 使用和到達時間方面的約束為條件最小化排放。還可行的是建立(例如)這樣的目標最 小化總行駛時間，而在對于任務而言將容許或需要約束的(這種)放寬時不約束總的排放 或燃料使用。
貫穿本文，提供示例性方程和目標函數(shù)來最小化機車燃料消耗。這些方程和函數(shù) 僅為了進行說明，因為也可采用其它方程和目標函數(shù)來最優(yōu)化燃料消耗，或者最優(yōu)化其它 機車/列車操作參數(shù)。
在數(shù)學上，可更加準確地陳述待解決的問題?；疚锢硇再|(zhì)表示成dx
= V； X(O) = 0.0； X(J) ) = D fh,
— = Te(U^v) - Ga(x) - R(V)-V(O) = 0.0; ν(7； ) = 0.0 dt
其中，χ是列車的位置，ν是列車的速度，而t是時間(如適合的那樣以英里、英里 每小時以及分鐘或小時為單位)，并且u是擋(調(diào)速)命令輸入。另外，D表示待行駛的距 離，Tf是沿著軌道在距離D處的期望到達時間，Te是由機車編組產(chǎn)生的牽引力，Ga是取決于 列車長度、列車組成和列車所位于的地帶的重力拖曳力，而R是機車編組和列車組合的依 賴于速度的凈拖曳。還可規(guī)定初始速度和最終速度，但是在不失去一般性的情況下，初始速 度和最終速度在這里取為零(例如列車在開始和結(jié)束時停止)。最后，該模型可容易地修改 成包括其它重要的動態(tài)特性，例如調(diào)速u的變化和所產(chǎn)生的牽引力或制動之間的延遲。使用此模型，建立最優(yōu)控制公式來以包括但不限于速度極限以及最小和最大動力(調(diào)速)設(shè) 置的約束為條件最小化量化目標函數(shù)。取決于任何時間的規(guī)劃目標，可靈活地提出該問題， 以便以排放和速度極限方面的約束為條件最小化燃料，或者以燃料使用和到達時間方面的 約束為條件最小化排放。
還可行的是實現(xiàn)(例如)這樣的目標最小化總行駛時間，而在對任務而言將容許 或需要約束的(這種)放寬時不約束總的排放或燃料使用。所有這些性能度量都可表示成 以下的任何的線性組合
權(quán)利要求
1.一種用于控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法，所述方法包括產(chǎn)生任務計劃；確認所述任務計劃中的期望參數(shù)，所述期望參數(shù)為下者中的至少一種情況不可達到 或超過了預定義的極限；確定是否要進行下者中的至少一個暫時超過所述預定義的極限、確認接近所述期望 參數(shù)的可達到的參數(shù)，或者警告操作者和遠程監(jiān)測設(shè)施中的至少一個關(guān)于要采取的一系列 措施的反饋；以及至少部分地基于所述任務計劃來操作所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在沒有操作者干涉的情況下使用閉環(huán)控 制實現(xiàn)來執(zhí)行下者中的至少兩個產(chǎn)生所述任務計劃、確認所述期望參數(shù)和進行確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括基于對是否暫時超 過所述預定義的極限或確認接近所述期望參數(shù)的可達到的參數(shù)中的至少一種情況作出的 確定，修改所述任務計劃。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括確定所述期望參數(shù) 是否具有硬極限和軟極限中的至少一個；以及當所述期望參數(shù)具有軟極限時，暫時超過所 述預定義的極限。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括確認所述任務計劃 中的第二期望參數(shù)和所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)的構(gòu)件的功能中的至少一個，以在所述任務計劃 中的所述期望參數(shù)為不可達到和超過預定義的極限中的至少一種情況時進行調(diào)節(jié)；以及調(diào) 節(jié)所述任務計劃中的所述第二期望參數(shù)和所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)的構(gòu)件的功能中的所述至 少一個，以實現(xiàn)所述任務計劃。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述期望參數(shù)包括與所述動力驅(qū)動的系 統(tǒng)的至少一個相關(guān)聯(lián)的至少一個特性和與根據(jù)所述任務計劃執(zhí)行的任務相關(guān)聯(lián)的參數(shù)，且 其中，所述期望參數(shù)包括下者中的至少一個調(diào)速極限、制動速率極限、任務和所述任務的 一個節(jié)段中的至少一個的起動速度、所述任務和所述任務的所述節(jié)段中的至少一個的結(jié)束 速度、所述任務和所述任務的所述節(jié)段中的至少一個的操作時間、在所述任務中的限定點 處的期望的速度設(shè)置、所述任務和所述任務的所述節(jié)段中的至少一個的起動擋設(shè)置、所述 任務和所述任務的所述節(jié)段中的至少一個的結(jié)束擋設(shè)置，以及動態(tài)制動。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，修改所述任務計劃產(chǎn)生不如原始的任務 計劃最優(yōu)化的任務計劃。
8.一種用于控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法，所述方法包括在產(chǎn)生用于控制所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)的任務計劃之前，確認所述任務計劃的期望參 數(shù)，所述期望參數(shù)可為下者中的至少一種情況不可達到以及違背了預定義的極限；以及將所述期望參數(shù)通知所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)的操作者和遠程監(jiān)測設(shè)施中的至少一個。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括確定是否進行下者中的至少一個超過所述預定義的極限和/或確認接近所述期望參 數(shù)的可達到的參數(shù)；如果確定超過所述預定義的極限，則基于對超過所述預定義的極限的確定來產(chǎn)生所述 任務計劃；如果確定確認接近所述期望參數(shù)的可達到的參數(shù)，則確認接近所述期望參數(shù)的所述可 達到的參數(shù)，并且基于接近所述期望參數(shù)的所述可達到的參數(shù)來產(chǎn)生所述任務計劃；以及基于所述任務計劃來操作所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，通知所述操作者和所述遠程監(jiān)測設(shè)施中 的所述至少一個關(guān)于是否進一步進行下者中的至少一個超過所述預定義的極限和/或確 認接近所述期望參數(shù)的可達到的參數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括允許所述操作者和 所述遠程監(jiān)測設(shè)施中的所述至少一個進行下者中的至少一個去除所述預定義的極限，使 得所述任務計劃可行，以及修改至少一個其它參數(shù)，以使所述任務計劃可行。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括確定所述期望參數(shù)是否具有硬極限或軟極限中的至少一個；如果所述期望參數(shù)具有軟極限，則暫時超過所述預定義的極限；以及如果所述期望參數(shù)具有硬極限，則在不超過所述硬極限的情況下確定接近所述期望參 數(shù)的所述可達到的參數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述期望參數(shù)包括下者中的至少一個 調(diào)速極限、制動速率極限、任務和所述任務的一個節(jié)段中的至少一個的起動速度、所述任務 和所述任務的所述節(jié)段中的至少一個的結(jié)束速度、所述任務和所述任務的所述節(jié)段中的至 少一個的操作時間、在所述任務中的限定點處的期望的速度設(shè)置、所述任務和所述任務的 所述節(jié)段中的至少一個的起動擋設(shè)置、所述任務和所述任務的所述節(jié)段中的至少一個的結(jié) 束擋設(shè)置，以及動態(tài)制動。
14.一種用于控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法，所述方法包括確定在開始任務之前和/或在執(zhí)行所述任務時動力驅(qū)動的系統(tǒng)進入至少一個操作模 式的范圍的時間量；以及將所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)在執(zhí)行所述任務時進入所述至少一個操作模式的所述范圍以 及在開始所述任務之前將會進入所述至少一個操作模式的所述范圍中的至少一種情況的 時間量通知所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)的操作者和遠程監(jiān)測設(shè)施中的至少一個。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，確定所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)在所述至少 一個操作模式的所述范圍中的所述時間量包括確定花在驅(qū)動動力模式和制動動力模式中 的至少一個中的時間量。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括調(diào)節(jié)所述動力驅(qū) 動的系統(tǒng)的至少一個操作參數(shù)，以逼近期望的操作設(shè)置；以及至少部分地基于經(jīng)調(diào)節(jié)的操 作參數(shù)來操作所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，通知所述操作者和所述遠程監(jiān)測設(shè)施 中的所述至少一個進一步包括通知所述操作者和所述遠程監(jiān)測設(shè)施中的所述至少一個調(diào) 節(jié)所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)的所述至少一個操作參數(shù)，以逼近所述期望的操作設(shè)置。
18.一種用于控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法，所述方法包括調(diào)節(jié)動力驅(qū)動的系統(tǒng)的至少一個操作參數(shù)，以逼近期望的操作設(shè)置，以便最小化在所 述動力驅(qū)動的系統(tǒng)的任務計劃中提供的至少一個操作模式的范圍；以及至少部分地基于經(jīng)調(diào)節(jié)的操作參數(shù)來操作所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少一個操作參數(shù)包括燃料消耗 率、燃料比耗和馬力中的至少一個。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述至少一個操作參數(shù)包括調(diào)節(jié) 燃料消耗率以最小化所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)的低動力操作模式。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述至少一個操作參數(shù)進一步包 括當探測到所述至少一個操作模式時，將所述至少一個操作參數(shù)自動調(diào)節(jié)到所述至少一個 操作參數(shù)的更高的值。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)所述至少一個操作參數(shù)進一步包 括自動調(diào)節(jié)所述至少一個操作參數(shù)，以及基于經(jīng)調(diào)節(jié)的操作參數(shù)來產(chǎn)生或重新計劃所述任 務計劃。
23.一種用于控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法，所述方法包括確定最小速度閾值；基于所述最小速度閾值和最大速度極限來產(chǎn)生任務計劃；以及基于所述任務計劃控制所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，確定最小速度閾值進一步包括包含下 者中的至少一個隨速度上限而變化的速度下限，以及/或者貫穿任務和任務的一部分中 的至少一個為常量值的速度下限。
25.一種用于控制動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方法，所述方法包括確定參考目標速度和目標參考動力中的至少一個；用針對整個任務和所述任務的一部分中的至少一個所確定的所述目標參考速度和所 述目標參考動力中的至少一個來產(chǎn)生任務計劃；以及操作動力驅(qū)動的系統(tǒng)，以提供接近所述參考目標速度的動力。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括建立目標速度和 目標動力中的至少一個，其中，操作所述動力驅(qū)動的系統(tǒng)進一步包括遵從所述目標速度和 目標動力中的至少一個，以提供接近所述參考目標速度的動力。
27.一種用于控制具有第一動力發(fā)生單元和第二動力發(fā)生單元的動力驅(qū)動的系統(tǒng)的方 法，所述方法包括開發(fā)獨立于所述第一動力發(fā)生單元和所述第二動力發(fā)生單元之間的耦合動力設(shè)置的 動力操作計劃；確定響應于所述動力操作計劃的動力設(shè)置；以及基于所述動力設(shè)置來操作所述第一動力發(fā)生單元和/或所述第二動力發(fā)生單元。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括確認所述動力操 作計劃的特性、參數(shù)或約束中的至少一個，其中，開發(fā)所述動力操作計劃進一步包括響應于 所述特性、所述參數(shù)或所述約束中的至少一個來開發(fā)所述動力操作計劃。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的方法，其特征在于，所述特性包括下者中的至少一個最大 動力設(shè)置、最小動力設(shè)置、燃料燃燒速率、動力設(shè)置中的最大變化、在第一動力設(shè)置和第二 動力設(shè)置之間變化的最小時間，或者期望的瞬態(tài)響應。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法進一步包括基于至少一個動 力設(shè)置限制來開發(fā)所述動力操作計劃，其中，所述至少一個動力設(shè)置限制是下者中的至少一個當前操作參數(shù)、未來的動力需求、過去的動力命令歷史、期望的動力設(shè)置的最小化的 燃料使用、期望的動力設(shè)置的排放輸出、至少兩個動力設(shè)置之間的動力的變化、至少所述第 一動力發(fā)生單元和至少所述第二動力發(fā)生單元之間的最大動力設(shè)置偏差、最大動力設(shè)置偏 移、用以改變動力設(shè)置的最小時間或期望的瞬態(tài)響應。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，確定所述動力設(shè)置進一步包括為至少 所述第一動力發(fā)生單元建立動力設(shè)置，以及為至少所述第二動力發(fā)生單元建立響應于至少 所述第一動力發(fā)生單元的動力設(shè)置和所述動力操作計劃的動力設(shè)置。
32.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，確定所述動力設(shè)置進一步包括確定獨 立于所述第一動力發(fā)生單元的動力命令的、所述第二動力發(fā)生單元的所述動力設(shè)置。
全文摘要
公開了用于基于最優(yōu)化的任務計劃來控制軌道車輛或其它動力驅(qū)動的系統(tǒng)的各種方法。一個實施例涉及用于在任務計劃的期望參數(shù)為不可達到和/或超過預定義的極限時確定動力驅(qū)動的系統(tǒng)的任務計劃的方法。該方法包括在產(chǎn)生任務計劃之前確認期望參數(shù)，其中，期望參數(shù)可為不可達到和/或違背預定義的極限的；以及將期望參數(shù)通知動力驅(qū)動的系統(tǒng)的操作者和/或遠程監(jiān)測設(shè)施。
文檔編號B61L3/00GK102036870SQ200980119041
公開日2011年4月27日 申請日期2009年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月21日
發(fā)明者A·K·庫馬, J·D·布魯克斯, R·S·錢德拉, S·蒂亞加拉詹 申請人:通用電氣公司