专利名称：用于改进列车操纵及燃料消耗的系统和方法
技术领域：
本发明涉及机车运行，并且更具体而言，涉及一种用于在遭遇轨道地形 变化时自主地改进列车操纵及燃料消耗的系统和方法。
背景技术：
取决于列车操作员的经验水平、敬业精神、以及甚至在特定日子的感觉，
铁路列车的操纵在操作员之间有区别，于是导致了在列车使用(mission)燃 料燃烧率上的不同以及列车效力(force)上的不同。例如， 一个具有敬业精 神并且注意力敏锐的熟练操作员对铁路轨道更加熟悉，并且从而在列车遭遇 到坡度和转弯变化之前就预期到这些地形变化并且根据预期的变化使列车 慢下来(减速)或快起来(加速)。与不熟悉轨道的操作员相比，这导致列 车较为平稳地的运行以及燃烧较少的使用燃料。
虽然目前存在用于辅助列车操作员将燃烧使用燃料最小化的系统，但是 这样的系统通常需要相应的操纵性能数据用于稍后的处理以辅助确定如何 最好地将燃烧使用燃料最小化。而且，相信这样的系统从远离列车的地方执 行大多数处理以在机车的其它行驶期间使用。这样的系统通常不能够在列车 开动时处理将诸如天气这样的其它外部因素考虑在内的实时数据。
发明内容
为此，需要一种系统、方法和软件代码，用以当列车接近轨道状况中的 变化时使得能够在车上对列车的速度进行估计和确定，然后这样的信息被用 来调整列车速度以改进燃料效率和列车操纵。在优选实施例中，本发明集涉 及一种自学习和自动校正系统。在另一个优选实施例中，通过自学习，可能
需要操作员的交互来实现本发明。因此，本发明公开了一种方法、系统和计 算机软件，用于控制具有机车组合的铁路列车的运行以提高机车组合燃料效 率，该机车组合包含一个或多个铁路机车。所述方法包含在机车组合上基 于测量响应于机车组合动力设置的列车的移动来计算正在由该机车组合移
动的所述列车的负载。所述方法还包括在机车组合上确定列车的当前位置。 在所述列车到达轨道状况的变化之前在机车组合上验证该轨道状况中的变
化，也是所述方法教导的部分。所述方法还包括当所述列车接近所述轨道 状况中的变化时，在机车组合上基于所计算的所述列车的负载对机车组合动 力设置进行调整以将机车组合燃料消耗最优化。
所述系统包含定位设备；轨道概貌数据库，其包含有关铁路轨道的地 形和地势的数据；处理器，其包含用于计算所述列车的负载的算法和前馈算 法，该前馈算法用于基于所述所计算的负载以及即将来临的铁路轨道的地形 和地势来确定至少所述列车的加速度或减速度中的一个。在机车组合上确定 所述轨道状况中的变化，.并且当列车接近该轨道状况中的变化时，基于所计 算的列车的负载对机车组合动力设置进行调整以将机车组合燃料消耗最优 化。
所述计算机软件代码包含软件模块，用于基于测量响应于机车组合动 力设置的列车的移动来计算正在被该机车组合移动的列车的负载。还提供了 用于在列车到达轨道状况中的变化之前确定即将来临的轨道状况的软件模 块。所述软件代码还具有软件模块，用于基于所计算的负载和即将来临的 轨道状况中的变化，计算至少所述列车的加速度或减速度中的一个以将燃料 消耗最优化。
其技术效果是提供软件代码，其能够处理关于列车的数据及使用该信 息，以通过在列车到达铁路轨道变化之前调整列车速度，以改进燃料效率和 列车操纵。
通过结合附图阅读以下对本发明的详细描述，本发明的特征和优点将变 得清楚，附图中
图1是以本发明的示范性部件的机车的形式公开的框图； 图2是本发明的示范性步骤的一般性综述的框图； 图3是示出了机车的燃料对功率的示范性值的图表； 图4是示出了本发明的示范性步骤的流程图；和 图5是示出了本发明的示范性软件代码元的流程图。
具体实施例方式
参照附图，现在将描述本发明的示范性实施例。在详细描述具体的系统 和方法之前，应当注意到，本发明主要在于组件和与其相关的步骤的新组合。 因此，通过附图中的传统元素表示了系统和方法步骤，仅示出了那些与本发 明相关的具体细节，从而不会由于结构上的细节而模糊了本公开，这些对这 里的描述有益的细节对本领域的技术人员将是很清楚的。此外，这里所采用 的措辞和术语是为了描述的目的而不应当净皮;〖见为限制。为此，以单数形式使
用的术语也应当被理解为包括好像是以其复数形式陈述似的术语。此推论也 应当应用于相反的情况。例如，术语"发明"的使用应当还被解释为指代术 语"多个发明"，而术语"多个发明"的使用也应当被解释为指代术语"发
明'，。
自始至终使用对机车的 一般性引用。本发明可被应用于所有类型的机 车、包括柴油机车、电动机车、或混合系统，但不局限于此，该混合系统包 括柴油-电动机车、柴油-液压机车、液压-电动机车系统，但不局限于此。同 样地，由于可以基于机车的类型使用各种传动系统，诸如但不限于机械传动
和液压传动，所以术语"动力设置(power setting )"被一般性使用。基于驱 动系统和机车的类型，本领域的技术人员会认识到，与其它类型的驱动和机 车相区别地设置机车的速度。
图l是机车5的示范性图示。在铁路列车中， 一个或多个机车5可以是 列车的部分，其中，机车被视为一个组合(consist )。图l还示出了本发明的 示范性部件的框图表示。通过如所示被设置在单个机车5上那样，可以将这
件不全被设置在一辆汽车或机车5中。换句话说，这些部件可以被设置在列 车的若千部分中并且被连接以便仍然执行本发明的功能。
如图1进一步所示，定位设备(position-determining device) 12#皮提供 在列车上。该设备被连接到处理器14。提供轨道概貌(trackpofile )数据库 16并连接到处理器14。轨道概貌数据库16包括诸如关于铁路轨道17的地 形和地势(contour)数据这样的信息。存储设备26被附在处理器14上。存 储设备26被提供用于临时性地或长期地存储由处理器14所提供和/或计算的 数据，该数据在列车的当前运行期间使用或在稍后的运行期间使用。列车运 行采集设备30也被提供在列车上并且被连接到处理器14。采集设备30可操
作用于确定列车的档速(notchspeed)(呼叫)、牵引动力、制动管(brake pipe ) 设置、速度、燃料耗能设置、以及加速度和减速度，但不限于此。所采集的 信息可被下面所讨论的算法20、 21、 28利用以便在对列车加速或减速时帮 助确〗呆更加准确的定时。
处理器具有许多由处理器14进行处理的算法20、 21、 28。 一个算法20 被提供用于计算列车的负载。另一个算法21是前馈算法，该算法根据即将 来临的铁路轨道的地形和地势基于所计算的负载来确定列车的加速度或减 速度。可用的第三算法28可以是一个用于确定所计算的负载值的准确度的 算法。这可以通过计算列车的第二负载值和基于第二次计算的第一计算负载 值来实现。上面所讨论的算法中所使用的技术的示例包括、但不局限于时间 相关和时变的泰勒级数展开(Taylor series expansion )。本领域的技术人员还 将看出，可以使用利用卡尔曼滤波器(Kalman filter)的算法，因为它们支 持对过去、现在、以及甚至将来状态的估计，即使是在建模系统的精确特征 未知的情况下也是如此。
在一个示范性实施例中，对负载进行假定和/或负载是可用的，然后基于 存储在存储设备26中的先前数据使用第三算法28进行计算，所述数据包括 列车穿行特定长度的铁路轨道n时的时间和地点。将第二次计算与原始负
载值进行比较，并且相应地调整用于进一步计算的实际负载。在另一个示范 性实施例中，将歹'J车的出发时间(start time )和出发地点(start location )与 该列车已经穿行的给定地点进行比较。取出该信息并将属于(pertainto)在 该时间段期间机车5的动力设置的信息包括在内，计算负载。将该负载值与 本发明已经使用的原始负载值进行比较，并且相应地调整本发明所使用的负 载值。
图2是包含本发明的示范性步骤的示范块的一般性综述的框图。通过采 集设备30采集来自列车(列车数据)40，具体而言来自机车组合的信息。 必须确定列车的位置(列车位置)42 。可以经由跟踪系统(track system )、 和/或经由该组合中的其它机车，通过车载GPS系统、属于机车控制系统的 一部分的驶过英里计数器来确定位置，但不限于此。轨道44的地图被提供 以便验证列车的位置。地图可以包括、但不局限于诸如向上的坡度、向下的 坡度、转弯、乡村/城市/住宅位置(是否可能施加了特定的速度限制)这样 的信息。
可以使用一种算法或若干算法来计算燃料燃烧率46。基于列车负载和列 车位置来计算燃料燃烧率。所采集的数据与列车位置相关。在一个示范性实 施例中，基于档速和列车穿行给定长度的轨道的时间来计算列车负载。在另 一个示范性实施例中，使用档速和牵引动力相对坡度和摩擦力的变化，可以 计算列车负载的近似值。在基于轨道状况采集了列车速度和牵引动力并将其 用于确定列车负载的情况下，还对列车行驶摩擦力和列车转弯摩擦力进行确 定。在另一个实施例中，轨道参数未知，结合机车每马力的燃料消耗率
(Specific Fuel Consumption, SFC)—起，利用摩擦力和风力、在动力模式 期间消耗的燃料、以及由此造成的列车速度变化来计算列车负载。在图3中 提供了示出了机车5的相对马力35和SFC 37的燃料的典型示范性值33的 表格。该图表31还基于机车的档速对这些值进行验证。基于铁路轨道中的 即将来临的(pending)变化使用所得的负载计算结果来确定加速和减速。最 好是，在初始加速期间计算初始负载估计值并且该估计值被用作任务最优化 的初始l命入。
所得的计算结果被提供给机车控制系统48以便在列车接近某一轨道地 带时控制列车将如何执行。通过近似，列车可以是正在接近轨道状况中的变 化、正在遭遇轨道状况中的变化、和/或已经遭遇了轨道状况中的变化。具体 而言，将所进行的计算与实际任务特性进行比较。基于计算结果和列车位置， 或者列车的速度保持不变、或者施加制动以使列车减速，或者列车被加速50 。
为了进一步辅助确定合适的加速度或减速度，列车上还有天气采集设备 25。该设备包括天气采集装置以确定列车正在经历的当前天气状况以及甚至 列车即将穿行的轨道上的天气状况。这样的天气状况包括风况、雨、和雪， 但不局限于此。
在另一个优选实施例中，从在遥远位置处的调度员将天气状况转播到列 车，所述遥远位置诸如但不限于列车站。在又一个优选实施例中，天气状况 被下载，诸如通过无线因特网连接。在另一个优选实施例中，在列车上放置 的本地照相机可以提供天气的可视图像，其中，用户就可以输入特定于正在 经历的天气的类型的数据和/或命令。在另一个优选实施例中，可以采用任意 数量的上述方法。天气状况数据被提供给处理器，其中，前馈算法使用该数 据以更加准确地计算机车组合的加速度或减速度。
图4是示出了用于提高燃料效率的本发明的示范性步骤的流程图。如图
所示，必须执行列车的负载的计算，步骤52。这可以基于测量响应于机车组
合的动力设置的列车的移动来进行计算。必须确定列车的当前位置，步骤5 4 。
当列车正在移动时，必须在列车到达轨道位置的变化之前验证轨道状况的变
化，步骤56。如上所述，轨道状况这样的变化包括向上的坡度、向下的坡度、 转弯、以及乡村/城市/住宅位置，但不局限于此。当列车接近轨道状况的变 化时，基于所计算的列车的负载调整机车组合动力设置以将燃料消耗最优 化，步骤58。在优选实施例中，在列车上执行所有这些功能。
图5是示出了在列车具有至少一个计算机在机车或机车组合上的情况下 用于提高铁路列车的燃料效率的本发明的示范性软件代码元的流程图。因 此，本领域的技术人员将看出，该软件代码不需要存在于一个计算机中，而 是不同的代码可以是多个计算机的一部分，该多个计算机联网在一起以提供 相同的终端结果，就好像在其中提供了所有代码的一个计算机一样。而且， 本领域的技术人员将看出，虽然示出了三个模块，这些模块可以被分成多个 模块和/或合并为更少的模块。
一个软件模块60被提供用于基于测量响应于机车组合的动力设置的列 车的移动来计算列车的负载。另一个软件模块62在列车到达轨道状况中的 变化之前确定即将来临的轨道状况。第三软件模块64基于所计算的负载和 即将来临的轨道状况的变化，为列车确定加速度或减速度以将燃料消耗最优 化。
尽管已经在目前被视为优选实施例的内容中对本发明进行了描述，但是 对本领域的技术人员来说，很明显可以进行许多变化和修改。因此，意在使 本发明不局限于具体的示范性实施例，而是在所附的权利要求的全部精神和 范围内对本发明进行理解。
权利要求
1.一种控制具有机车组合的铁路列车的运行以提高机车组合燃料效率的方法，所述机车组合包含一个或多个铁路机车，该方法包含a)在所述机车组合上基于测量响应于机车组合动力设置的列车的移动来计算正在由该机车组合移动的所述列车的负载；b)在所述机车组合上确定所述列车的当前位置；c)在所述列车到达轨道状况中的变化之前在所述机车组合上验证该轨道状况中的变化；以及d)当所述列车接近所述轨道状况中的变化时，在所述机车组合上基于所计算的所述列车的负载对机车组合动力设置进行调整以将机车组合燃料消耗最优化。
2. 如权利要求l所述的方法，其中所述测量所述列车的移动包括确定 至少所述列车的位置、列车速度、和列车加速度中的变化中的一个。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述验证所述轨道的状况包含确定 至少轨道倾斜、轨道弯曲或铁路摩擦特性中的一个。
4. 如权利要求1所述的方法，其中，所述计算所述列车的负载还基于在
5. 如权利要求1所述的方法，其中所述列车动力设置是机车发动机设置。
6. 如权利要求1所述的方法，其中所述机车包含至少柴油机车、电动机 车、柴油-电动机车、柴油-液压机车、或液压-电动机车中的一个。
7. 如权利要求5所述的方法，其中基于所述机车所使用的传动的类型来 设置所述机车动力设置。
8. 如权利要求7所述的方法，其中所述传动的类型包含至少机械传动和 液压传动中的一种。
9. 如权利要求1所述的方法，其中所述机车具有牵引电动机以驱动机车 的车轮，并且所述机车动力设置是被传送到牵引电动机的动力的电力设置。
10. 如权利要求1所述的方法，其中为列车假设初始列车负载，并且将 所计算的列车负载用于提高在调整该组合动力设置中所使用的列车负载测量的准确度。
11. 如权利要求1所述的方法，其中计算所述列车的负载包含利用全球 定位设备来确定至少所述列车的位置、所述列车速度和所述列车加速度中的 一个。
12. 如权利要求l所述的方法，还包含确定天气状况，并且基于所述天 气状况调整所述机车组合的动力设置以将燃料消耗最优化。
13. 如权利要求12所述的方法，其中所述天气状况包含至少下列其中之 一环境天气状况和该环境状况对所述轨道的影响。
14. 如权利要求1所述的方法，还包含确定通过基于测量响应于机车组 合动力设置的所述列车的移动第二次计算该列车的负载所计算的负载的准 确度。
15. 如权利要求14所述的方法，其中确定所述所计算的负载的准确度还 包含计算所述列车的第二负载并且将其与所述第一次计算的负载相比较。
16. 如权利要求15所述的方法，其中基于所述第二负载来调整所述所计 算的负载。
17. 如权利要求12所述的方法，还包含使用多个全球定位设备来确定在 计算所述列车的负载中所使用的列车的长度。
18. 如权利要求l所述的方法，还包含采集列车运行数据以用于调整所 述列车的速度。
19. 一种用于提高铁路列车的燃料效率的系统，其被设置在具有机车组 合的铁路列车上，所述机车组合包含一个或多个铁路机车，该系统包含定位设备；轨道概貌数据库，其包含有关铁路轨道的地形和地势的数据；处理器，其包含用于计算所述列车的负载的算法和前馈算法，该前馈算法用于基于所述所计算的负载以及即将来临的铁路轨道的地形和地势来确定至少所述列车的加速度和减速度中的一个；以及其中，在机车组合上确定所迷轨道状况中的变化，并且当所述列车接近该轨道状况中的变化时，基于所计算的所述列车的负载对所述机车组合动力设置进行调整以将机车组合燃料消耗最优化。
20. 如权利要求19所述的系统，其中所述用于计算所述列车的负载的算 法包含至少下列其中之一利用所述列车的出发时间和出发地点、所述列车 的当前位置和所述轨道的状况的组合；或者列车速度的組合，所述列车在特定动力设置的情况下以该速度移动。
21. 如权利要求19所述的系统，还包含天气采集设备，用于确定天气状况。
22. 如权利要求21所述的系统，其中所述前馈算法还包含将天气状况因 子分解以确定至少加速度和减速度中的一个。
23. 如权利要求19所述的系统，还包含存储设备，其被连接到所述处理器。
24. 如权利要求22所述的系统，还包含第三算法，用以通过基于存储 在所述存储设备中的先前数据计算所述列车的第二负载来确定所计算的负 载值的准确度，该数据包括当所述列车已经穿行先前行驶过的轨道长度时的 时间和位置。
25. 如权利要求24所述的系统，其中所述第三算法还包含通过计算所述 列车的第二负载并且将其与所述第一次计算的负载相比较来确定所计算的 负载值的准确度。
26. 如权利要求19所述的系统，还包含列车运行采集设备，其被可操作 地连接到所述处理器。
27. 如权利要求26所述的系统，其中来自所述采集设备的数据被用于基 于所述所计算的负载以及即将来临的铁路轨道的地形和地势来确定至少所 述列车的加速度和减速度中的一个。
28. 如权利要求19所述的系统，其中所述定位设备确定至少所述列车的 位置、列车速度、和列车加速度中的变化中的一个。
29. 如权利要求19所述的系统，其中所述定位设备利用全球定位设备。
30. 如权利要求19所述的系统，其中有关铁路轨道的地形和地势的数据 还包含至少轨道倾斜、轨道弯曲或轨道摩擦力特性中的 一个。
31. 如权利要求19所述的系统，其中为列车假设初始列车负载，并且将 所计算的列车负载用于提高在调整机车组合动力设置中所使用的列车负载 测量的准确度。
32. 如权利要求19所述的系统，其中至少所述算法或所述前馈算法中的 一个包含至少时间相关和时变的泰勒级数展开计算或卡尔曼滤波器中的一个。
33. —种计算机软件代码，用于提高具有机车组合的铁路列车的燃料效率，所述机车组合包含一个或多个用于提高机车组合燃料效率的铁路机车以及至少一个在所述机车组合上的计算机，该软件代码包含a) 计算机软件模块，用于基于测量响应于机车组合动力设置的所述列车的移动来计算正在被该机车组合移动的所述列车的负载；b) 计算机软件模块，用于在所述列车到达轨道状况中的变化之前确定即将来临的轨道状况；以及c) 计算机软件模块，用于基于所计算的负载和即将来临的轨道状况中的变化，计算至少所述列车的加速度和减速度中的一个以将燃料消耗最优化。
34. 如权利要求33所述的计算机软件代码，其中用于计算负载的计算机软件模块和用于确定轨道状况的计算机软件模块中的至少一个在执行各自计算时还包含用于将天气状况因子分解的代码。
35. 如权利要求33所述的计算机软件代码，还包含计算机软件模块，用于至少下列其中之一 当所述列车到达所述即将来临的轨道状况中的变化时，基于所计算的所述列车的加速度将所述列车加速以最优化燃料消耗；当所述列车到达所述即将来临的轨道状况中的变化时，基于所计算的所述列车的减速度将所述列车减速以最优化燃料消耗。
36. 如权利要求33所述的计算机软件代码，还包含计算机软件模块，用于通过具有用以计算所述列车的第二负载的代码来确定所述所计算的负载的准确度、将所述第二负载与所述第一负载相比较、并且基于所述第二负载调整所述第一负载。
37. 如权利要求33所述的计算机软件代码，其中所述用于计算至少加速度或减速度其中之一的计算机软件模块还包含将所述列车的运行状况用到确定至少加速度和减速度其中之一时的代码。
38. 如权利要求33所述的计算机软件代码，还包含计算机软件模块，用于为所述列车假设初始列车负载并且利用在调整所述机车组合动力设置中使用的所计算的列车负载来提高所述列车负载的测量的准确度。
39. 如权利要求33所述的计算机软件代码，还包含至少时间相关且时变的泰勒级数展开计算或卡尔曼滤波器中的一个。
全文摘要
一种控制具有机车组合的铁路列车的运行以提高机车组合的燃料效率的方法，所述机车组合包含一个或多个铁路机车。该方法包括在机车组合上基于测量响应于机车组合动力设置的列车的移动来计算正在由机车组合移动的列车的负载，在机车组合上确定列车的当前位置，在列车到达轨道状况中的变化之前在机车组合上验证轨道状况中的变化，并且当列车接近轨道状况中的变化时，在机车组合上基于所计算的列车的负载对机车组合动力设置进行调整以将机车组合燃料消耗最优化。
文档编号B61C17/12GK101208231SQ200680020596
公开日2008年6月25日 申请日期2006年6月7日 优先权日2005年6月8日
发明者丹尼尔·巴利斯蒂, 格伦·R·谢弗, 沃尔夫冈·多姆 申请人:通用电气公司