Система и способ оптимизации движения поезда

Система и способ оптимизации движения поезда

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка является продолжением предварительной патентной заявки US №60/894006, и является частичным продолжением патентной заявки US №11/385354, поданной 20 марта 2006 г.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к оптимизации работы поезда и, в частности, к мониторингу и контролю работы поезда для повышения эффективности с учетом ограничений, налагаемых расписанием.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Системы с дизельным приводом в порядке примера, но не ограничения, немагистральные локомотивы, морские дизельные силовые установки, стационарная система с дизельным приводом и железнодорожные транспортные средства, или поезда, обычно приводятся в движение дизельной силовой установкой. В отношении железнодорожного транспортного средства, дизельная силовая установка является частью, по меньшей мере, одного локомотива, и поезд дополнительно включает в себя совокупность вагонов, например, грузовые вагоны. Обычно предусмотрено более одного локомотива, причем локомотивы образуют локомотивную сцепку. Локомотив является сложной системой с многочисленными подсистемами, причем каждая подсистема взаимосвязана с другими подсистемами.

Машинист находится на локомотиве, чтобы гарантировать правильную работу локомотива и связанную с ним нагрузку 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 Фиг.11 изображена блок-схема известного уровня техники, представляющая современный подход к управлению железнодорожным транспортным средством. Машинист 649 управляет железнодорожным транспортным средством 653, вручную перемещая рычаг главного регулятора 651 в определенное положение. Хотя показан главный регулятор, специалистам в данной области техники очевидно, что вместо главного регулятора 651 можно использовать другие устройства управления системой. Таким образом, термин главный регулятор не предусматривает ограничения. Машинист 649 определяет положение или позицию главного регулятора 651 на основании совокупности факторов, включающих в себя, но без ограничения, текущую скорость, нужную скорость, требования к выбросам, тяговое усилие, нужную мощность, информацию, поступающую извне, и т.д.

Однако, даже располагая информацией, обеспечивающей безопасную работу, машинист обычно не может управлять локомотивом таким образом, чтобы расход топлива был минимален в каждой поездке. Другие факторы, которые нужно учитывать, могут включать в себя выбросы, условия окружающей среды машиниста, например, шум/вибрацию, взвешенную комбинацию расхода топлива и выбросов, и т.д. Это нелегкая задача, поскольку, например, размер и нагрузка поезда изменяются, локомотивы и их характеристики расхода топлива/выбросов отличаются, и условия погоды и движения также изменяются. Машинист может более эффективно управлять поездом, если он имеет средство для определения оптимального режима управления поездом на данный день, удовлетворяющего требуемому расписанию (времени прибытия) и, в то же время, обеспечивающего минимальный расход топлива, невзирая на источники изменений.

Аналогично, владельцы и/или машинисты немагистральных локомотивов, морских дизельных силовых установок и/или стационарных систем с дизельным приводом оценят финансовые выгоды, обеспечиваемые этой системой с дизельным приводом за счет оптимизации экономии топлива и выбросов, которая позволяет одновременно сокращать общий расход топлива и минимизировать выбросы, в то же время, удовлетворяя эксплуатационным ограничениям, в порядке примера, но не ограничения, ограничениям на время выполнения рейса.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы поезда путем сокращения общего расхода топлива и минимизации выбросов.

Варианты осуществления настоящего изобретения раскрывают систему управления для эксплуатации системы с дизельным приводом, имеющей, по меньшей мере, одну дизельную силовую установку. Система включает в себя оптимизатор рейса, который определяет, по меньшей мере, один регулирующий параметр, используемый дизельной силовой установкой. Также раскрыт преобразователь, который обеспечивает прием, по меньшей мере, одного сигнала информации, подлежащей использованию дизельной силовой установкой, и преобразования информации в воспринимаемый сигнал. Дополнительно раскрыт датчик для сбора, по меньшей мере, одних рабочих данных от системы с дизельным приводом, связанный с оптимизатором рейса. Предусмотрена система связи для обеспечения замкнутой схемы управления между оптимизатором рейса, преобразователем и датчиком.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предложен способ управления работой системы с дизельным приводом, имеющей, по меньшей мере, одну дизельную силовую установку. Способ включает в себя этап, на котором определяют, по меньшей мере, один из оптимизированных регулирующих параметров для дизельной силовой установки. На другом этапе преобразуют, по меньшей мере, один оптимизированный регулирующий параметр в распознаваемый входной сигнал для дизельной силовой установки. На следующем этапе определяют, по меньшей мере, один сигнал рабочего состояния системы с дизельным приводом при применении, по меньшей мере, одного оптимизированного регулирующего параметра. На еще одном этапе передают в замкнутой схеме управления на оптимизатор, по меньшей мере, один сигнал рабочего состояния, так что, по меньшей мере, сигнал рабочего состояния используется для дополнительной оптимизации, по меньшей мере, одного регулирующего параметра.

Еще один вариант осуществления раскрывает компьютерный программный продукт для эксплуатации системы с дизельным приводом, имеющей компьютер и, по меньшей мере, одну дизельную силовую установку. Компьютерный программный продукт содержит компьютерный программный модуль для определения, по меньшей мере, одного регулирующего параметра для дизельной силовой установки, и компьютерный программный модуль для преобразования, по меньшей мере, одного регулирующего параметра в распознаваемый входной сигнал для дизельной силовой установки. Дополнительно раскрыт компьютерный программный модуль для определения, по меньшей мере, одного рабочего состояния системы с дизельным приводом при применении, по меньшей мере, одного регулирующего параметра. Также раскрыт компьютерный программный модуль для передачи в замкнутой схеме управления на оптимизатор, по меньшей мере, одного рабочего состояния, благодаря чему, по меньшей мере, рабочее состояние используется для дополнительной оптимизации, по меньшей мере, одного регулирующего параметра.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Более конкретное описание вариантов осуществления настоящего изобретения приведено посредством ссылки на конкретные варианты его осуществления, которые показаны на прилагаемых чертежах, на которых:

Фиг.1 изображает логическую блок-схему одного варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 - упрощенную модель поезда, которую можно применять, согласно изобретению;

Фиг.3 - вариант осуществления элементов настоящего изобретения, согласно изобретению;

Фиг.4 - вариант осуществления кривой расхода топлива/времени движения, согласно изобретению;

Фиг.5 - вариант разбиения на участки для планирования поездки, согласно изобретению;

Фиг.6 - вариант осуществления примера разбиения, согласно изобретению;

Фиг.7 - логическую блок-схему одного варианта осуществления настоящего изобретения, согласно изобретению;

Фиг.8 - динамический дисплей для использования машинистом, согласно изобретению;

Фиг.9 - другой вариант динамического дисплея для использования машинистом, согласно изобретению;

Фиг.10 - еще один вариант динамического дисплея для использования машинистом, согласно изобретению;

Фиг.11 - блок-схему, согласно уровню техники, представляющую современный подход к управлению железнодорожным транспортным средством;

Фиг.12 - вариант осуществления системы с замкнутой схемой для эксплуатации железнодорожного транспортного средства, согласно изобретению;

Фиг.13 - замкнутую схему, объединенную с главным регулятором, согласно изобретению;

Фиг.14 - вариант осуществления системы с замкнутой схемой для эксплуатации железнодорожного транспортного средства, объединенной с другой подсистемой ввода для эксплуатации железнодорожного транспортного средства, согласно изобретению;

Фиг.15 - другой вариант осуществления главного регулятора как части системы управления с замкнутой схемой, согласно изобретению; и

Фиг.16 - логическую блок-схему способа эксплуатации железнодорожного транспортного средства с замкнутой схемой управления, согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Хотя иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения описаны в отношении железнодорожных транспортных средств, в частности, поездов и локомотивов, имеющих дизельные двигатели, варианты осуществления настоящего изобретения применимы к другим случаям, в порядке примера, но без ограничения, немагистральным локомотивам, морским судам и стационарным устройствам, в которых может использоваться дизельный двигатель. По этой причине, при рассмотрении указанной задачи, она включает в себя задачу или требование к реализации системой с дизельным приводом. Таким образом, применительно к железнодорожным, морским или немагистральным транспортным средствам, оно может относиться к движению системы из текущего положения в пункт назначения. В случае стационарных применений, в порядке примера, но не ограничения, стационарной энергетической станции или сети стационарных энергетических станций, указанная задача может относиться к величине мощности (например, МВт/ч) или другому параметру или требованию, которому должна удовлетворять система с дизельным приводом. Аналогично, рабочее состояние дизельной силовой установки может включать в себя один или несколько параметров, из группы, состоящей из скорости, нагрузки, расхода топлива, затрат времени и т.д.

В одном примере, относящемся к морским судам, совокупность буксиров может работать совместно для перемещения одного и того же крупного судна, причем действия всех буксиров скоординированы по времени для выполнения задачи перемещения крупного судна. В другом примере, единичное морское судно может иметь совокупность двигателей. Немагистральное транспортное средство (OHV) может предусматривать парк транспортных средств, которые имеют одну и ту же задачу перемещения по земле, из положения A в положение B, причем действия всех OHV скоординированы по времени для выполнения задачи. В отношении стационарной энергетической станции, несколько станций могут быть сгруппированы вместе для коллективной выработки мощности для конкретного/ой места и/или цели. Согласно другому варианту осуществления, предусмотрена единичная станция, но с совокупностью генераторов, образующих единичную станцию.

Варианты осуществления настоящего изобретения решают проблемы уровня техники, за счет обеспечения системы, способа и компьютерно-реализуемого способа, например, компьютерного программного продукта, для определения и реализации стратегии управления и/или эксплуатации. В отношении локомотивов, иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения также применимы, когда локомотивная сцепка работает 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, хранилище программ, шину обмена данными и другие необходимые компоненты, можно запрограммировать или иначе приспособить для реализации способа согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Такая система включает в себя соответствующее программное средство для выполнения способов согласно этим вариантам осуществления.

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 изобретения является определение и реализация стратегии управления и/или эксплуатации системы с дизельным приводом для улучшения, по меньшей мере, определенных параметров, необходимых согласно объективным критериям эксплуатации, в то же время, удовлетворяя расписанию и скоростным ограничениям. 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 вариантов осуществления настоящего изобретения, можно реализовать посредством других типов компьютерного программного обеспечения.

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

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 иметь в своем составе более одной сцепки. 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. Хотя локомотивная сцепка обычно рассматривается как последовательные локомотивы, специалистам в данной области техники очевидно, что группу локомотивов также можно считать сцепкой даже при наличии, по меньшей мере, одного вагона, разделяющего локомотивы, например, когда локомотивная сцепка предназначена для работы в режиме распределенной подачи мощности, в котором команды ускорения и торможения передаются от головного локомотива на удаленные локомотивы по каналу радиосвязи или физическому кабелю. По этой причине, термин локомотивная сцепка не следует считать ограничивающим фактором при рассмотрении множественных локомотивов в одном и том же поезде.

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 логическая блок-схема настоящего изобретения. Показано, что инструкции 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 данных 63.

На основании данных спецификации, вводимых в 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 поездки 12. 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, регулирования максимальной мощности в соответствии с позицией регулятора и торможения, предельные скорости как функция положения и предполагаемые расход топлива и генерацию выбросов. 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 регулирование 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 данных 63 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 данном описании 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 - позиция 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:

- Минимизация суммарного расхода топлива

- Минимизация времени движения

- Минимизация переключения регулятора (кусочно-постоянный ввод)

- Минимизация переключения регулятора (непрерывный ввод)

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

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 и α₂, заданы равным нулю) используется для нахождения нижней границы, предпочтительный вариант осуществления предусматривает решение уравнения (OP) для различных значений T_f при α₃ заданном равным нулю. 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.

Под выбросами в контексте настоящего изобретения в общем случае подразумевается совокупная генерация выбросов в виде оксидов азота (NO_x), несгоревших углеводородов и твердых частиц. Конструкция каждого локомотива должна соответствовать стандартам выбросов EPA, 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 со стандартами выбросов EPA. 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 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.

Когда поездка начинается 12 (Фиг.1), команды подачи мощности генерируются 14 для начала выполнения 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 данных 63 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, поездку можно повторно планировать 24. Обычно поездка повторно планируется, если новый план позволяет обеспечить значительную экономию.

Другие причины, почему поездка может быть повторно запланирована, включают в себя директивы из удаленного положения, например, от диспетчера, и/или запрос машиниста на изменение требований в соответствии с глобальными задачами планирования движения. Такие глобальные задачи планирования движения могут включать в себя, но без ограничения, графики других поездов, время, необходимое на рассеяние выхлопных газов в туннеле, операции обслуживания и т.д. Еще одной причиной может быть отказ бортового компонента. Стратегии повторного планирования можно группировать в возрастающие и основные корректировки в зависимости от серьезности нарушения, что рассмотрено более подробно ниже. В общем случае, «новый» план нужно выводить из вышеописанного решения задачи оптимизации уравнение (OP), но зачастую можно находить более быстрые приближенные решения, которые описаны здесь.

В ходе работы, локомотив 42 непрерывно отслеживает эффективность системы и непрерывно обновляет план поездки на основании фактической измеренной эффективности всякий раз, когда такое обновление повышает характеристики поездки. Расчеты повторного планирования можно производить целиком на локомотиве или полностью или частично в удаленном положении, например, в диспетчерской службе или придорожных устройствах обработки, где беспроводная технология позволяет передавать новый план на локомотив 42. Один вариант осуществления настоящего изобретения также предполагает генерацию тенденций эффективности для генерации данных локомотивного парка, ка