Система и способ для оптимизации параметров множества железнодорожных транспортных средств, действующих в железнодорожных сетях с множеством пересечений

Система и способ для оптимизации параметров множества железнодорожных транспортных средств, действующих в железнодорожных сетях с множеством пересечений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Область применения изобретения относится к работе железнодорожных транспортных средств, например поездов, и, в частности, к оптимизации параметров, например рабочих параметров поезда, экономии топлива, сокращения выбросов и времени прибытия, множества поездов, действующих в железнодорожной сети с пересечениями.

Уровень техники

Локомотив является сложной системой с многочисленными подсистемами, причем каждая подсистема взаимосвязана с другими подсистемами. Машинист находится на локомотиве, чтобы обеспечивать правильную работу локомотива и связанной с ним нагрузкой грузовых вагонов. Помимо обеспечения правильной работы локомотива, машинист также отвечает за определение рабочих скоростей поезда и за ограничение сил приемлемыми значениями в поезде, часть которого составляют локомотивы. Для осуществления этой функции машинист, в общем случае, должен иметь большой опыт вождения локомотива по указанной местности с различными вагонными сцепками. Эта информация должна согласоваться с прогнозируемыми рабочими скоростями, которые могут изменяться с изменением положения поезда вдоль пути. Кроме того, машинист также отвечает за то, чтобы внутрипоездные силы оставались в допустимых пределах.

На основании конкретного рейса поезда обычно обеспечивают совокупность локомотивов для приведения в движение поезда, в зависимости от доступной мощности и истории поездок. Это приводит к большому разнообразию в доступной мощности локомотива для отдельного поезда. Кроме того, для особо важных поездов, например Z-поездов, обычно обеспечивается резервная мощность, обычно в виде резервных локомотивов, на случай отказа оборудования и для обеспечения того, что поезд придет в пункт назначения вовремя.

Управляя поездом, машинист поезда обычно устанавливает одну и ту же позицию регулятора на основании предыдущих рейсов аналогичного поезда по тому же пути, что, в свою очередь, приводит к большой изменчивости в расходе топлива, поскольку поезда не полностью идентичны. Таким образом, обычно машинист не может управлять локомотивами таким образом, чтобы расход топлива был минимальным в каждой поездке. Это нелегкая задача, поскольку, например, размер и нагрузка поезда изменяются, а локомотивы и их характеристики расхода топлива/выбросов отличаются.

Обычно, после того, как поезд сформирован и покидает сортировочную станцию или депо, динамика поезда, например зависимость экономии топлива от скорости, максимальное ускорение и состояние пути, а также возможности пути, в общем случае, известны поезду и бригаде. Однако поезд действует в сети железнодорожных путей, где множество поездов движется одновременно, и где пути в сети железнодорожных путей пересекаются и/или поезда должны следовать встречным/обходным путем по маршруту. Информация сети, например время прибытия, планирование новых поездов и бригад, а также общая работоспособность сети известна на центральном пункте, или в нескольких местах, например в диспетчерском центре, но не на поезде. Желательно объединить информацию о поездах местного сообщения с информацией глобальной сети для определения оптимизированной работы системы для каждого поезда в железнодорожной сети. С этой целью, в железнодорожной сети, машинисты будут пользоваться оптимизированной экономией топлива и/или сокращением выбросов и временем прибытия для всей сети множества пересекающихся путей и поездов.

Краткое описание изобретения

Иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения раскрывает систему, способ и компьютерный программный код для оптимизации параметров, в порядке примера, но не ограничения, экономии топлива, сокращения выбросов и времени прибытия множества поездов, действующих в железнодорожной сети с перекрытиями. С этой целью раскрыт способ связывания, в железнодорожной сети, по меньшей мере, одного из параметров поезда, экономии топлива, сокращения выбросов и нагрузки с информацией сети, позволяющий вносить коррективы в эффективность сети с течением времени, в то время как поезд выполняет рейс. Способ включает в себя этапы, на которых делят рейс поезда на множество участков с общими точками пересечения. На другом этапе вычисляют рабочие параметры поезда на основании других поездов в железнодорожной сети для определения оптимизированных параметров на определенном участке. Оптимизированные параметры сравнивают с текущими рабочими параметрами. Еще на одном этапе изменяют текущие рабочие параметры поезда в соответствии с оптимизированными рабочими параметрами для, по меньшей мере, одного из текущего участка пути и следующего участка пути.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления создана система для связывания параметров поезда, экономии топлива и нагрузки с информацией сети, позволяющая вносить коррективы в эффективность сети с течением времени. Система включает в себя сетевой оптимизатор, который определяет оптимальные рабочие состояния для совокупности поездов в железнодорожной сети на участках рейса каждого поезда. Дополнительно раскрыта система беспроводной связи для обеспечения связи между сетевым оптимизатором и поездом. Также раскрыта система сбора данных, которая выдает на сетевой оптимизатор рабочие состояния поезда.

Согласно другому варианту осуществления предложен компьютерный программный код для связывания рабочих параметров поезда, экономии топлива и нагрузки с информацией сети, позволяющий вносить коррективы в эффективность сети с течением времени. Компьютерный программный код включает в себя компьютерный программный модуль для деления рейса поезда на множество участков с общими точками пересечения. Также имеется компьютерный программный модуль для вычисления рабочих параметров поезда на основании других поездов в железнодорожной сети для определения оптимизированных параметров на определенном участке. Дополнительно имеется компьютерный программный модуль для сравнения оптимизированных параметров с текущими рабочими параметрами. Также используется компьютерный программный модуль для изменения текущих рабочих параметров поезда в соответствии с оптимизированными рабочими параметрами для текущего участка и/или следующего участка.

Согласно другому иллюстративному варианту осуществления предложен способ оптимизации работы поезда с использованием сетевого оптимизатора и бортового оптимизатора движения. Способ включает в себя этап, на котором обеспечивают для поезда первоначальный набор параметров поезда от сетевого оптимизатора, этап, на котором движут поезд на протяжении рейса, и этап, на котором сообщают рабочие состояния поезда сетевому оптимизатору по мере того, как поезд выполняет рейс. Также предусмотрен этап, на котором, сравнивают на поезде рабочие состояния поезда в реальном времени с параметрами поезда, обеспечиваемыми сетевым оптимизатором. Если параметры поезда, установленные сетевым оптимизатором, превышают ограничения, реализованные на поезде, на другом этапе игнорируют параметры поезда, обеспеченные сетевым оптимизатором.

В железнодорожной сети, кроме того, предложен способ оптимизации работы железнодорожных транспортных средств в железнодорожной сети, имеющей совокупность путей, некоторые из которых пересекаются с другими путями в сети. Способ включает в себя этап, на котором определяют задачу рейса для каждого железнодорожного транспортного средства в начале каждого соответствующего рейса. Предусмотрен другой этап, на котором определяют оптимизированный план поездки для каждого железнодорожного транспортного средства на основании задачи рейса. Каждый соответствующий план поездки регулируют в ходе движения на основании, по меньшей мере, одного из соответствующих рабочих параметров железнодорожного транспортного средства и других железнодорожных транспортных средств вблизи другого железнодорожного транспортного средства.

Краткое описание чертежей

Более конкретное описание вариантов осуществления настоящего изобретения приведено посредством ссылки на конкретные варианты его осуществления, которые показаны на прилагаемых чертежах. С учетом того, что эти чертежи иллюстрируют лишь типичные варианты осуществления настоящего изобретения и, поэтому, не призваны ограничивать его объем, изобретение будет описано и объяснено с дополнительной конкретизацией и детализацией с использованием прилагаемых чертежей, на которых:

фиг.1 - иллюстративная логическая блок-схема одного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - упрощенная модель поезда, которую можно применять;

фиг.3 - иллюстративный вариант осуществления элементов настоящего изобретения;

фиг.4 - иллюстративный вариант осуществления кривой расхода топлива/времени движения;

фиг.5 - иллюстративный вариант осуществления разбиения на участки для планирования поездки;

фиг.6 - иллюстративный вариант осуществления примера разбиения;

фиг.7 - иллюстративная логическая блок-схема одного варианта осуществления настоящего изобретения;

фиг.8 - иллюстрация динамического дисплея для использования машинистом;

фиг.9 - другая иллюстрация динамического дисплея для использования машинистом;

фиг.10 - еще одна иллюстрация динамического дисплея для использования машинистом;

фиг.11 - иллюстративный вариант осуществления сети железнодорожных путей;

фиг.12 - другой иллюстративный вариант осуществления сети железнодорожных путей;

фиг.13 - иллюстративная логическая блок-схема способа связывания определенных параметров с информацией сети;

фиг.14 - иллюстративная логическая блок-схема способа связывания определенных параметров с информацией сети;

фиг.15 - блок-схема иллюстративных элементов, которые могут входить в состав системы для оптимизации работы поезда в сети железнодорожных путей; и

фиг.16 - логическая блок-схема способа оптимизации работы совокупности железнодорожных транспортных средств в железнодорожной сети.

Подробное описание настоящего изобретения

Перейдем к более подробному рассмотрению вариантов осуществления изобретения, согласно аспектам настоящего изобретения, примеры которых показаны на прилагаемых чертежах. По возможности, одинаковые ссылочные позиции на разных чертежах используются для обозначения одинаковых или сходных деталей.

Иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения решают проблемы, присущие уровню техники, за счет создания системы, способа и компьютерно-реализуемого способа, например компьютерного программного кода, для повышения общей экономии топлива поезда за счет оптимизации снабжения поезда мощностью. Настоящее изобретение также применимо к локомотивной сцепке, работающей в режиме распределенной подачи мощности. Специалистам в данной области техники очевидно, что устройство, например система обработки данных, включающее в себя ЦП, память, устройство ввода/вывода, средство хранения программ, шину обмена данными и другие необходимые компоненты, можно запрограммировать или иначе приспособить для реализации способа согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Такая система включает в себя соответствующее программное средство для выполнения способов согласно этим вариантам осуществления.

Кроме того, изделие производства, например записанный диск или другой аналогичный компьютерный программный продукт, для использования с системой обработки данных, включает в себя носитель данных и записанную на нем программу, предписывающую системе обработки данных выполнять способы настоящего изобретения. Такие устройство и изделия производства также отвечают сущности и объему настоящего изобретения.

В широком смысле, задачей настоящего изобретения является повышение экономии топлива и/или сокращение выбросов поезда, работающего на пути с множеством участков, который является частью железнодорожной сети с пересечениями. Для облегчения понимания настоящего изобретения они описаны ниже со ссылкой на конкретные варианты реализации. Изобретение описано в общем контексте компьютерно-выполняемых инструкций, например программных модулей, выполняемых компьютером. В общем случае программные модули включают в себя процедуры, программы, объекты, компоненты, структуры данных и т.д., которые выполняют конкретные задачи или реализуют те или иные абстрактные типы данных. Например, программное обеспечение, лежащее в основе иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, может быть написано на разных языках, для использования с разными платформами обработки данных. В нижеследующем описании примеры настоящего изобретения описаны применительно к веб-порталу, который использует веб-браузер. Однако очевидно, что принципы, лежащие в основе иллюстративных вариантов осуществления настоящего изобретения, можно реализовать посредством других типов компьютерного программного обеспечения.

Кроме того, специалистам в данной области техники очевидно, что варианты осуществления изобретения можно осуществлять на практике с другими конфигурациями компьютерной системы, включающими в себя карманные устройства, многопроцессорные системы, бытовую электронику на базе микропроцессора или с возможностью программирования, миникомпьютеры, универсальные компьютеры и т.п. Варианты осуществления также можно осуществлять на практике в распределенной вычислительной среде, где задания выполняются удаленными устройствами обработки, которые связаны друг с другом сетью связи. В распределенной вычислительной среде программные модули могут размещаться как на локальных, так и на удаленных компьютерных носителях, включающих в себя запоминающие устройства. Эти локальные и удаленные вычислительные среды могут содержаться целиком в локомотиве или в соседних локомотивах сцепки, или вне поезда, в придорожных или центральных службах, причем предусмотрена беспроводная связь между вычислительными средами.

В этом документе используется термин локомотивная сцепка. Термин локомотивная сцепка означает один или несколько локомотивов подряд, соединенных друг с другом для обеспечения движущей и/или тормозящей способности. Локомотивы соединены друг с другом так, что между локомотивами нет вагонов поезда. Поезд может содержать одну или несколько локомотивных сцепок. В частности, может иметь место головная сцепка и одна или несколько удаленных сцепок, например первая удаленная сцепка посередине последовательности вагонов и другая удаленная сцепка в хвосте поезда. Каждая локомотивная сцепка может иметь первый или головной локомотив и один или несколько хвостовых локомотивов. Следует понимать, что головная сцепка может располагаться в любом месте поезда. В частности, несмотря на то, что первый локомотив обычно рассматривается как головной локомотив, специалистам в данной области техники очевидно, что первый локомотив в многолокомотивной сцепке может физически располагаться в физически хвостовом положении. Хотя локомотивная сцепка обычно рассматривается как последовательные локомотивы, специалистам в данной области техники очевидно, что группу локомотивов также можно считать сцепкой даже при наличии, по меньшей мере, одного вагона, разделяющего локомотивы, например, когда локомотивная сцепка предназначена для работы в режиме распределенной подачи мощности, в котором команды ускорения и торможения передаются от головного локомотива на удаленные локомотивы по каналу радиосвязи или физическому кабелю. По этой причине термин локомотивная сцепка не следует считать ограничивающим фактором при рассмотрении множества локомотивов в одном и том же поезде.

Перейдем к описанию вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. Варианты осуществления изобретения можно реализовать по-разному, в том числе в виде системы (включающей в себя компьютерную систему обработки), способа (включающего в себя компьютеризированный способ), устройства, компьютерно-считываемого носителя, компьютерного программного продукта, графического интерфейса пользователя, включающего в себя веб-портал или структуру данных, физически воплощенного в компьютерно-считываемой памяти. Ниже рассмотрено несколько вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг.1 представлена иллюстративная логическая блок-схема настоящего изобретения. Показано, что команды поступают в соответствии с планированием поездки либо на борту, либо из удаленного положения, например диспетчерского центра 10. Такая входная информация включает в себя, но без ограничения, положение поезда, состав сцепки (например, модели локомотивов), характеристику тяговой мощности локомотива для передачи тяги локомотива, расход топлива как функция выходной мощности, характеристики охлаждения, назначенный маршрут поездки (эффективный уклон пути и кривизна как функция железнодорожного знака или компонент "эффективного уклона", отражающий кривизну, согласно стандартным железнодорожным принципам), состав и нагрузку вагонов (включая эффективные коэффициенты сопротивления), нужные параметры движения, включающие в себя, но без ограничения, начальные время и положение, конечное положение, время движения, идентификацию бригады (пользователя и/или машиниста), время истечения рабочей смены и маршрут поездки.

Эти данные могут поступать на локомотив 42 согласно различным методам и процессам, в порядке примера, но не ограничения, посредством ручного ввода машиниста в локомотив 42 через бортовой дисплей, обращения к устройству хранения данных, например ПЗУ, жесткому диску и/или флэш-карте или передачи информации по беспроводному каналу связи из центрального или придорожного положения 41, например, путевого сигнального устройства и/или придорожного устройства, на локомотив 42. Характеристики нагрузки локомотива 42 и поезда 31 (например, сопротивление) также могут изменяться на протяжении маршрута (например, в зависимости от высоты, температуры воздуха и состояния рельсов и вагонов), что приводит к обновлению плана, отражающему такие изменения согласно любым рассмотренным выше способам. Обновленные данные, которые влияют на процесс оптимизации движения, могут поступать согласно любым описанным выше способам и методам и/или посредством автономного сбора данных состояния локомотива/поезда в реальном времени. Такие обновления включают в себя, например, изменения характеристик локомотива или поезда, зарегистрированные оборудованием мониторинга на локомотиве 42 или вне его.

Путевая сигнальная система определяет допустимую скорость поезда. Существует много типов путевых сигнальных систем и правил эксплуатации, связанных с каждым из сигналов. Например, некоторые сигналы имеют единичный свет (включаемый/отключаемый), некоторые сигналы имеют единичную линзу с множественными цветами, и некоторые сигналы имеют множественные световые сигналы и цвета. Эти сигналы могут указывать, что путь свободен, и что поезд может следовать на максимальной допустимой скорости. Они также могут указывать необходимость снижения скорости или остановки. Это снижение скорости может быть необходимо осуществлять незамедлительно или в определенном положении (например, до следующего сигнала или пересечения).

Состояние сигнала передается на поезд и/или машинисту различными средствами. Некоторые системы имеют схемы на пути и воспринимающие катушки индуктивности на локомотивах. Другие системы имеют беспроводные системы связи. Сигнальные системы также могут требовать, чтобы машинист визуально наблюдал сигнал и предпринимал соответствующие действия.

Сигнальная система может взаимодействовать с бортовой сигнальной системой и регулировать скорость локомотива согласно вводам и соответствующим правилам эксплуатации. Для сигнальных систем, требующих, чтобы машинист визуально наблюдал состояние сигнала, на экране машиниста представлены соответствующие варианты сигнала, которые машинист должен вводить на основании положения поезда. Тип сигнальных систем и правил эксплуатации, как функция положения, может храниться в бортовой базе 63 данных.

На основании данных спецификации, вводимых в иллюстративный вариант осуществления настоящего изобретения, вычисляется оптимальный план, который минимизирует расход топлива и/или генерацию выбросов с учетом предельной скорости вдоль маршрута и нужных начального и конечного времени для создания профиля 12 поездки. Профиль содержит регулировки оптимальной скорости и мощности (позиции регулятора), которым должен следовать поезд, выраженные как функция расстояния и/или времени от начала движения, эксплуатационные ограничения поезда, включающие в себя, но без ограничения, регулировки максимальной мощности в соответствии с позицией регулятора и торможения, предельные скорости как функция положения и предполагаемые расход топлива и генерацию выбросов. Согласно иллюстративному варианту осуществления значение позиции регулятора выбирается для получения решения на переключение регулятора примерно через каждые 10-30 секунд. Специалистам в данной области техники очевидно, что решения на переключение регулятора можно получать с более длинными или более короткими интервалами, если необходимо и/или желательно следовать оптимальному профилю скорости. В более широком смысле, специалистам в данной области техники очевидно, что профили обеспечивают регулировки мощности для поезда, на уровне поездов, на уровне сцепок и/или на уровне отдельных локомотивов. Используемое здесь понятие мощности содержит тормозную мощность, движущую мощность и мощность пневматических тормозов. Согласно другому предпочтительному варианту осуществления вместо работы с традиционными дискретными позициями регулятора мощности настоящее изобретение определяет нужную регулировку мощности из непрерывного диапазона регулировок мощности, для оптимизации профиля скорости. Таким образом, например, если оптимальный профиль указывает позицию регулятора 6.8 вместо позиции регулятора 7, локомотив 42 работает на 6.8. Благодаря таким промежуточным регулировкам мощности можно обеспечить дополнительный выигрыш в эффективности, что описано ниже.

Процедура вычисления оптимального профиля может включать в себя разнообразные способы расчета последовательности подачи мощности, которая движет поезд 31, для минимизации расхода топлива и/или выбросов при условии эксплуатационных ограничений и ограничений, налагаемых расписанием, для локомотива, которые приведены ниже. В ряде случаев оптимальный профиль может быть, по существу, аналогичен ранее определенному профилю в силу схожести конфигураций поезда, маршрута и условий окружающей среды. В этих случаях может быть достаточно извлечь предварительно определенный режим управления из базы 63 данных и управлять поездом в соответствии с ним. В отсутствие предыдущего плана способы вычисления нового плана включают в себя, но без ограничения, прямое вычисление оптимального профиля с использованием моделей на основе дифференциальных уравнений, которые аппроксимируют физику движения поезда. Согласно этому процессу определяется количественная целевая функция, причем функция обычно содержит взвешенную сумму (интеграл) модельных переменных, которые соответствуют скорости расхода топлива и генерации выбросов плюс член, наказывающий за чрезмерное переключение регулятора.

Формула оптимального управления устанавливается для минимизации количественной целевой функции при условии ограничений, включающих в себя, но без ограничения, регулировки предельной скорости и минимальной и максимальной мощности (положения регулятора). В зависимости от задач планирования в любое время задача может ставиться гибко, чтобы минимизировать топливо при условии ограничений на выбросы и предельные скорости, или чтобы минимизировать выбросы, при условии ограничений на расход топлива и время прибытия. Можно также поставить целью, например, минимизировать суммарное время движения без ограничений на совокупные выбросы или расход топлива, когда такое смягчение ограничений разрешено или необходимо для рейса.

В этом документе представлены иллюстративные уравнения и целевые функции для минимизации расхода топлива локомотива. Эти уравнения и функции приведены исключительно в порядке примера, поскольку другие уравнения и целевые функции можно применять для оптимизации расхода топлива или для оптимизации других рабочих параметров локомотива/поезда.

Математически, задачу, подлежащую решению, можно поставить более точно. Основные физические процессы выражаются следующим образом:

где x - положение поезда, v - скорость поезда, t - время (в милях, милях в час и минутах или часах, соответственно) и u - входная команда позиции регулятора (мощности). Кроме того, D обозначает расстояние, которое необходимо преодолеть, T _f - нужное время прибытия на расстоянии D вдоль пути, T _e - тяговое усилие, развиваемое локомотивной сцепкой, G _a - гравитационное сопротивление, которое зависит от длины поезда, состава поезда и местности, в которой находится поезд, и R - чистое сопротивление, зависящее от скорости, комбинации локомотивной сцепки и поезда. Также можно задать начальную и конечную скорости, но, без потери общности, здесь они заданы равными нулю (поезд стоит в начале и конце поездки). Модель легко модифицировать, включая в нее другие динамические факторы, например задержку между переключением регулятора, u, изменением тягового или тормозящего усилия. С использованием этой модели устанавливается формула оптимального управления для минимизации количественной целевой функции при условии ограничений, включающих в себя, но без ограничения, предельные скорости и минимальную и максимальную регулировки мощности (положения регулятора). В зависимости от задачи планирования в любое время задача может быть задана гибко для минимизации расхода топлива при условии ограничений на выбросы и предельных скоростей, или для минимизации выбросов, при условии ограничений на расход топлива и время прибытия.

Также можно задать целью, например, минимизацию суммарного времени движения без ограничений на совокупные выбросы или расход топлива в случае, когда такое ослабление ограничений разрешено или необходимо для рейса. Все эти рабочие характеристики можно выразить как линейную комбинацию любых из следующих величин:

1. - Минимизация суммарного расхода топлива

2. - Минимизация времени движения

3. - Минимизация переключения регулятора (кусочно-постоянный ввод)

4. - Минимизация переключения регулятора (непрерывный ввод)

5. Замена топливного члена F в (1) членом, соответствующим выработке выбросов. Например, для выбросов - минимизация совокупных выбросов. В этом уравнении E - количество выбросов в граммах на лошадиную силу-час (г/л.с.-ч) для каждой позиции регулятора (или регулировки мощности). Кроме того, можно производить минимизацию взвешенной суммы топлива и выбросов.

Таким образом, широко используемая иллюстративная целевая функция имеет вид:

(OP)

Коэффициенты линейной комбинации зависят от важности (веса), присвоенной каждому члену. Заметим, что в уравнении (OP), u (t) - оптимизирующая переменная, т.е. непрерывная позиция регулятора. Если требуется дискретная позиция регулятора, например для более старых локомотивов, решение уравнения (OP) дискретизируется, что может приводить к снижению экономии топлива. Отыскание решения минимального времени (α₁ задан равным нулю и α₂ задан равным нулю или относительно малой величиной) используется для нахождения нижней границы достижимого времени движения (T _f=T _fmin). В этом случае u (t) и T _f являются оптимизирующими переменными. Предпочтительный вариант осуществления предусматривает решение уравнения (OP) для различных значений T _f при T _f >T _fmin с α₃ заданным равным нулю. В этом последнем случае T _f рассматривается как ограничение.

Для тех, кто знаком с решениями таких задач оптимизации, могут потребоваться граничные условия, например, для предельной скорости вдоль пути:

или, если целью является достижение минимального времени, должно выполняться граничное условие, например полный расход топлива должен быть меньше объема топливного бака, например, в виде:

где W _F - топливо, оставшееся в баке на момент T _f. Специалистам в данной области техники очевидно, что уравнение (OP) можно представить в других формах, и что вышеприведенная версия является иллюстративным уравнением для использования согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.

Функция оптимизации может включать в себя экономию топлива или выбросы, или комбинацию экономии топлива и выбросов. Заметим, что, согласно раскрытому ниже, выбросы могут иметь разные типы и также могут взвешиваться.

Под выбросами в контексте настоящего изобретения в общем случае подразумевается совокупная генерация выбросов в виде выбросов оксидов азота (NO_x), углеводородных выбросов (HC), выбросов угарного газа (CO) и/или выбросов твердых частиц (PM). Требования к выбросам могут быть заданы в виде максимального значения выбросов NO_x, выбросов HC, выбросов CO и/или выбросов PM. Другие ограничения по выбросам могут включать в себя максимальное значение электромагнитного излучения, например предельный выход радиочастотной (RF) мощности, измеряемый в ваттах, на соответствующих частотах, излучаемых локомотивом. Еще одной формой выбросов является шум, производимый локомотивом, обычно измеряемый в децибелах (дБ). Требования к выбросам могут изменяться в зависимости от времени суток, времени года и/или атмосферных условий, например погоды или уровня загрязненности атмосферы. Известно, что требования к выбросам могут изменяться географически по железнодорожной системе. Например, рабочая область, например город или штат, может иметь указанные требования к выбросам, и соседняя рабочая область может иметь другие требования к выбросам, например меньшее количество допустимых выбросов или более высокую плату, взимаемую за данный уровень выбросов. Соответственно, профиль выбросов для определенной географической области можно регулировать так, чтобы он включал в себя максимальные значения выбросов для каждого вида выбросов, подчиняющегося законодательству, включенного в профиль, для удовлетворения заранее определенным требованиям к выбросам, установленным в этой области. Обычно, для локомотива, эти параметры выбросов определяются мощностью (позицией регулятора), условиями окружающей среды, способом управления двигателем и т.д.

Конструкция каждого локомотива должна соответствовать требованиям правительственных учреждений (в порядке примера, но не ограничения, Агентства по охране окружающей среды (EPA), Международного железнодорожного союза (UIC), и т.д.) и/или предписанным стандартам для выбросов, определяемых торможением, и, таким образом, при оптимизации выбросов согласно иллюстративному варианту осуществления настоящего изобретения, это будут совокупные выбросы рейса, на которые в настоящее время нет технических условий. Работа локомотива согласно оптимизированному плану поездки в любое время согласуется с федеральными мандатами EPA, UIC, и т.д. Если основной задачей в ходе поездки является сокращение выбросов, формула оптимального управления, уравнение (OP), видоизменяется с учетом этого требования к поездке. Принципиальная изменчивость процесса оптимизации состоит в том, что любые или все требования к поездке могут изменяться в зависимости от географической области или рейса. Например, для поезда с высоким приоритетом минимальное время может быть единственным требованием на одном маршруте в силу приоритета поезда. В другом примере выбросы могут изменяться от состояния к состоянию вдоль запланированного маршрута поезда.

Для решения результирующей задачи оптимизации, согласно иллюстративному варианту осуществления, настоящее изобретение предусматривает преобразование динамической задачи оптимизации управления во временном измерении в эквивалентную статическую задачу математического программирования с N искомыми переменными, где число 'N' зависит от частоты, с которой перемещают рычаги регулятора и тормоза, и от продолжительности поездки. Для типичных задач N может составлять тысячи. Согласно иллюстративному варианту осуществления поезд движется по 172-мильному участку пути на юго-западе США. С использованием настоящего изобретения можно реализовать иллюстративный 7,6% расход топлива по сравнению с поездкой, определенной и выполняемой согласно аспектам настоящего изобретения, в отличие от поездки, где положение регулятора/скорость определяет машинист согласно стандартной практике. Повышенная экономия реализуется благодаря оптимизации, достигаемой с использованием иллюстративного варианта осуществления настоящего изобретения, который позволяет вырабатывать стратегию управления, отличающуюся как более низкими потерями на сопротивление, так и малыми или отсутствующими потерями на торможение по сравнению с планом поездки машиниста.

Чтобы сделать вышеописанную оптимизацию вычислительно пригодной, можно применять упрощенную модель поезда, например, показанную на фиг.2 и представленную рассмотренными выше уравнениями. Принципиальное улучшение оптимального профиля достигается за счет вывода более подробной модели с генерацией оптимальной последовательностью подачи мощности, для проверки, нарушаются ли какие-либо тепловые, электрические и механические ограничения, что приводит к изменению профиля скорости в зависимости от расстояния, которому можно следовать, которого можно добиться без повреждения оборудования локомотива или поезда, т.е. удовлетворяя дополнительно налагаемым ограничениям, например тепловым или электрическим ограничениям на локомотив и внутрипоездные силы.

Согласно фиг.1, когда поездка начинается 12, команды подачи мощности генерируются 14 для начала исполнения плана. В зависимости от рабочих настроек иллюстративного варианта осуществления настоящего изобретения одна команда предписывает локомотиву выполнять оптимизированную команду подачи мощности 16 для достижения оптимальной скорости. Один вариант осуществления предусматривает получение информации фактической скорости и мощности от локомотивной сцепки поезда 18. В силу общих приближений в моделях, используемых для оптимизации, получается вычисление по замкнутому циклу корректировок оптимизированной мощности для следования нужной оптимальной скорости. Такие корректировки эксплуатационных ограничений поезда могут производиться автоматически или машинистом, который всегда имеет полный контроль над поездом.

В ряде случаев модель, используемая для оптимизации, может значительно отличаться от фактического поезда. Это может происходить по многим причинам, включая, но без ограничения, дополнительные погрузочно-разгрузочные операции, поломки локомотивов в пути, ошибки в первоначальной базе 63 данных и ошибки машиниста при вводе данных. По этим причинам система мониторинга использует данные поезда в реальном времени для оценивания параметров локомотива и/или поезда в реальном времени 20. Оцененные параметры сравниваются с предполагаемыми параметрами при первоначальном создании 22 поездки. На основании любых различий между предполагаемыми и оцененными значениями, поезду можно повторно планировать 24. Обычно поездка повторно планируется, если новый пл