专利名称：用于机动系统的优化的燃料效率、排放量和任务性能的方法
技术领域：
本发明涉及机动系统(powered system),例如列车、越野车辆、海上船只、运输车辆、农用车辆和/或固定的机动系统等，并且更加具体地涉及用于柴油机动系统的优化的燃料效率和排放量(emission output)的方法。
背景技术：
一些机动系统(例如，但不限于，越野车辆、海上船只、固定的功率产生设备(power generation plant)、例如运输公共汽车、农用车辆和列车和其他轨道车辆系统等运输车辆)由一个或多个柴油机单元(例如，发动机)和/或电力单元(例如，交流发电机和/或电池系统)提供动力。关于列车和其他轨道车辆系统，列车典型地包括一个或多个机车和多个轨道车，例如货车。每个机车由一个或多个柴油内燃机提供动力。在一些配置中， 每个发动机驱动交流发电机或发电机用于发电，该电力用于驱动一个或多个操作式连接到用于移动/牵引目的的机车车轴的DC或AC牵引电动机。在任何情况下，机车是具有许多子系统的复杂系统，其中每个子系统与其他子系统相互依存。操作员通常在机车上以保证机车的正确运行，并且当存在机车编组时，操作员通常在领头机车上。机车“编组”是在操作列车中一起被控制的一组机车。除了保证机车或机车编组的正确运行外，操作员还负责确定列车的运行速度和列车内的力。为了执行该功能，操作员一般必须具有在指定的地形上操作机车和各种列车的丰富经验。需要该知识以遵守可规定的运行参数，例如可随着列车沿轨道的位置变化的速度、排放以及等等。此外，操作员还负责保证列车钩力(in-train force)保持在可接受极限内。在海洋应用中，操作员通常在海洋船只上以保证船只的正确运行，并且当存在船只编组时，操作员通常在领头船只上。如与上文引用的机车的示例，船只编组是在执行组合任务中一起运行的一组船只。除了保证船只或船只编组的正确运行外，操作员还负责确定编组的运行速度和在编组内的力，例如在链接的船只之间的力。为了执行该功能，操作员一般必须具有在指定的航道上操作船只和各种编组的丰富经验。需要该知识以遵守可规定的运行速度和可随着船只沿任务的位置变化的其他任务参数。此外，操作员还负责保证任务力和位置保持在可接受极限内。在多个柴油机动系统(其可位于例如单个船只、其他车辆、功率产生设备或功率产生设备集合或组上)的情况下，操作员通常指挥整个系统以保证系统或系统编组的正确运行。如一般限定，“系统编组”是在执行任务中一起运行的一组机动系统。除了保证单个系统或系统编组的正确运行外，操作员还负责确定系统集合的运行参数和在该集合内的力。为了执行该功能，操作员一般必须具有在指定空间和任务上操作系统和各种集合的丰富经验。需要该知识以遵守可随着系统集合沿着路线、任务等的位置变化的可规定的运行参数和速度。此外，操作员还负责保证集合内的力保持在可接受极限内。然而，关于机车，即使具有保证安全运行的知识，操作员通常不能操作机车使得燃料消耗和排放对每个行程都最小化。例如，必须考虑的其他因素可包括排放量、像噪声/震动的操作员的环境状况、燃料消耗和排放量的加权组合等。这很难做到，因为(作为示例)列车的大小和载荷发生变化，机车和它们的燃料/排放特性不同，并且天气和交通状况发
生变化。基于特定的列车任务，当建造列车时，常规做法是在列车组成中提供一系列机车以向列车提供动力，其部分基于具有变化的功率的可用机车和行驶行程任务历史。这典型地引起对于个体列车可用的机车功率的大的变化。另外，对于关键的列车，例如Z-列车，典型地提供后备动力(典型地后备机车)来为设备故障的事件作准备并且保证列车准时到达它的目的地。此外，当建造列车时，机车排放量通常通过建立基于当机车空闲时列车中的机车、的总排放量的加权平均值确定。这些平均值预计低于当列车空闲时的某个排放量。然而，典型地，没有进一步做出当列车空闲时关于实际排放量的确定。从而，虽然建立的计算方法可表明排放量是可接受的，现实中机车可排放比计算的多的排放。当操作列车时，列车操作员典型地要求当操作该列车时相同的级位设置(notchsetting)，其进而可引起燃料消耗和/或排放量(例如但不限于，NOxXO2等)的大的变化，其取决于为列车提供动力的机车的数量。从而，操作员通常不能操作机车使得燃料消耗和排放量最小化(对每个行程)，因为列车的大小和载荷发生变化，并且机车和它们的动力可用性可能根据型号类型而变化。列车拥有者通常拥有多列列车，其中列车在铁路轨道网络上运行。由于铁路轨道网络内的多列列车的同时行驶的综合，其中还必须考虑关于列车运行的调度问题，列车拥有者将从最优化燃料效率和排放量以节省整体燃料消耗，同时最小化多列列车的排放量并且满足任务行程时间限制的方法中受益。同样，越野车辆、运输车辆、农用车辆、海洋船只和/或固定机动系统的拥有者和/或操作员将认识到当这些柴油机动系统展现出优化的燃料效率、排放量、队列效率(fleetefficiency)和任务参数性能以节省整体燃料消耗同时最小化排放量并且满足运行限制(例如但不限于任务时间限制)时实现的财务效益。
发明内容
本发明的实施例公开用于操作具有至少一个主功率产生单元的机动系统(例如，轨道车辆、海洋船只、越野车辆等)的系统、方法和计算机软件代码。方法提供用于评估主功率产生单元的运行特性。该运行特性与关于任务目标的指定值比较。该运行特性可调节以满足该任务目标。公开可在处理器中操作的和可在计算机可读介质上存储的计算机软件代码，其具有用于评估主功率产生单元的运行特性的计算机软件模块。提供计算机软件模块用于将主功率产生单元的运行特性与关于任务目标的指定值比较。还公开的是用于自主调节运行特性以满足该任务目标的计算机软件模块。在另一个示范性实施例中，方法包括向机动系统提供优化的任务计划，可人工应用该计划。该优化的任务计划响应于正在执行的人工任务计划而重新计划。当该人工任务计划偏离该优化计划超过预定量时，调节该人工任务计划。
在另一个示范性实施例中，方法包括执行具有优化任务计划的任务。该任务用优化任务计划自主执行。输入装置配置并且提供成当任务进行中时允许在预定范围内人工微调(调节)任务的至少一个特性。在另一个示范性实施例中，方法包括基于人工执行的任务计划执行任务。人工执行的任务计划当在进行中时用包含在优化任务计划中的信息来微调。
在另一个示范性实施例中，方法包括提供优化的任务计划。与任务计划关联的至少第一特性人工控制。与任务计划关联的至少第二特性自主控制。该优化的任务计划根据人工控制的特性自主调节。
上文简短描述的本发明的更具体的说明将参照在附图中图示的其的特定实施例提供。理解这些图仅描绘本发明的典型实施例并且因此不考虑为它的范围的限制，本发明的示范性实施例将通过使用附图用另外的特征和细节描述和说明，其中图I是根据本发明的实施例的描绘行程优化的方法的流程图；图2描绘可连同本发明的实施例使用的列车的简化的数学模型；图3是轨道系统的示意图；图4描绘燃料使用/行驶时间曲线的示范性实施例；图5描绘用于行程计划的分割分解的示范性实施例；图6描绘用于行程计划的分割分解的另一个示范性实施例；图7是描绘用于行程优化的方法和系统的另一个示范性实施例的示意图和流程图；图8描绘用于由操作员使用的动态显示的示范性实施例；图9描绘用于由操作员使用的动态显示的另一个示范性实施例；图10描绘用于由操作员使用的动态显示的另一个示范性实施例；图11描绘具有多列列车的铁路轨道网络的示范性实施例；图12是根据本发明的另外的实施例的用于通过优化的列车动力组成提高列车的燃料效率的方法的流程图；图13描绘包括在用于优化的列车动力组成的系统中的示范性元件的框图；图14描绘用于确定柴油机动系统的燃料效率和排放的传递函数的框图；图15是描绘用于确定具有至少一个柴油为燃料的功率产生单元的柴油机动系统的配置的方法的示范性实施例的流程图；图16描绘用于操作轨道车辆的闭环系统的示范性实施例；图17描绘与主控制单元结合的图16的闭环系统；图18描绘用于操作与轨道车辆的另一个输入运行子系统结合的轨道车辆的闭环系统的示范性实施例；图19描绘具有可命令主控制器操作的转换器的闭环系统的另一个示范性实施例；图20描绘闭环系统的另一个示范性实施例；图21是示出当操作员输入可包括在决策环中时的行程优化方法的示范性实施例的流程图；图22是图示行程优化方法的示范性实施例的流程图，其中操作员界面对于操作员是可利用的以微调优化的任务计划；图23是图示行程优化方法的示范性实施例的流程图，其中优化器可修改操作员的任务计划；图24是图示行程优化方法的示范性实施例的流程图，其中部分任务至少在行程优化器和另一个实体之间分配； 图25是示出用于操作机动系统的方法的示范性实施例的流程图；图26是示出用于在闭环过程中操作轨道车辆的方法的示范性实施例的流程图；图27描绘速度对时间图表的实施例，其将当前运行与排放优化运行比较；图28描绘与给定的级位水平(notch level)比较的调制图形；图29是示出用于确定柴油机动系统的配置的方法的示范性实施例的流程图；图30描绘用于最小化排放量的系统；图31描绘用于最小化来自柴油机动系统的排放量的系统；图32描绘用于操作具有至少一个柴油为燃料的功率产生单元的柴油机动系统的方法；图33描绘用于操作具有至少一个柴油为燃料的功率产生单元的柴油机动系统的示范性系统的框图；和图34是图示用于通过优化的动力组成提高机动系统的燃料效率的方法的示范性实施例的流程图。
具体实施例方式现在将详细参考与本发明一致的实施例，其的示例在附图中图示。在任何可能的地方，整个附图中使用的相同的标号指相同的或相似的部件。虽然本发明的示范性实施例关于轨道车辆或铁路运输系统、特定地具有柴油机的列车和机车来描述，本发明的示范性实施例也可用于其他用途，例如但不限于越野车辆、海洋船只、固定单元、以及农用车辆、运输公共汽车，其每个可使用至少一个柴油机或柴油内燃机。为此，当讨论指定的任务时，这包括要由柴油机动系统执行的任务或要求。因此，关于铁路、海洋、运输车辆、农用车辆或越野车辆应用，这可指系统从当前位置到目的地的移动。在固定应用情况下，例如但不限于固定功率产生站或功率产生站的网络，指定的任务可指要由柴油机动系统满足的瓦数(例如，MW/hr)或其他参数或要求。同样地，柴油为燃料的功率产生单元的运行状况可包括速度、载荷、加燃料值、计时等中的一个或多个。此外，虽然公开柴油机动系统，本领域内技术人员将容易认识到本发明的实施例也可与非柴油机动系统一起使用，例如但不限于天然气机动系统、生物柴油机动系统、电机动系统等。此外，如本文公开的，这样的非柴油机动系统以及柴油机动系统可包括多个发动机、其他动力源和/或另外的动力源或能量存储装置，例如但不限于电池源、电压源(例如但不限于电容器)、化学源、基于压力的源(例如但不限于弹簧(spring)和/或液压膨胀)、电流源(例如但不限于电感器)、惯性源(例如但不限于飞轮装置)、基于重力的动力源和/或基于热的动力源。
在牵涉海洋船只的一个示范性示例中，多个拖船可一起运行，其中所有都移动相同较大的船只，其中每个拖船及时链接以完成移动较大船只的任务。在另一个示范性示例中，单个海洋船只可具有多个发动机。越野车辆(OHV)可牵涉具有在地上从位置“A”移动到位置“B”的相同任务的一队车辆，其中每个ORV及时链接以完成任务。关于固定功率产生站，多个站可聚集在一起，共同为特定位置和/或目的产生功率。在另一个示范性实施例中，提供单个站，但具有多个组成该单个站的功率产生装置(generator)。在牵涉机车车辆的一个示范性示例中，多个柴油机动系统可一起运行，其中所有都移动相同较大的载荷，其中每个系统及时链接以完成移动较大的载荷的任务。在另一个示范性实施例中，机车车辆可具有多个柴油机动系统。本发明的示范性实施例通过提供用于通过优化的动力组成提高整体燃料效率和排放的系统、方法和计算机实现方法(例如计算机软件代码等)解决本领域内的问题。关于机车，当机车编组采用分布式动力操作时，本发明的示范性实施例也是可操作的。
本领域内技术人员将认识到例如包括CPU、存储器、I/O、程序存储装置、连接总线和其他适当的部件的数据处理系统等设备，可以程序化或另外设计成便于本发明的方法的实践。这样的系统将包括适当的程序装置用于执行本发明的方法。并且，用于与数据处理系统一起使用的制造的物品(例如预先记录的磁盘或其他相似的计算机程序产品等)可以包括记录在其上用于指导数据处理系统以便于本发明的方法的实践的存储介质和程序装置。这样的设备和制造的物品也落在本发明的精神和范围内。广义来说，技术效果是为了满足柴油机动系统的任务目标通过调节机动系统的选择的运行特性运行柴油机动系统(具有至少一个柴油为燃料的动力产生单元)或其他机动系统。为了便于对本发明的示范性实施例的理解，在下文中参照其的特定实现描述。本发明的示范性实施例可在计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块等，其由例如但不限于计算机的任何装置执行，设计成接收数据、通常以高速执行规定的数学和/或逻辑运算，其中这样的运算的结果可或可不显示。一般地，程序模块包括例程、程序、对象、部件、数据结构等，其执行特定的任务或实现特定的抽象数据类型。例如，构成本发明的示范性实施例的基础的软件程序可以采用不同的编程语言编码，用于与不同的装置或平台一起使用。在接着的说明中，本发明的示例可在采用网页浏览器的web入口的上下文中描述。然而将意识到构成本发明的示范性实施例的基础的原理也可以用其他类型的计算机软件技术实现。此外，本领域内技术人员将认识到本发明的示范性实施例可与其他计算机系统配置一起实践，其包括手持装置、多处理器系统、基于微处理器的或可编程消费电子设备、小型计算机、大型计算机等。本发明的示范性实施例可在分布式计算环境中实践，其中任务由通过通信网络链接的远程处理装置执行。在分布式计算环境中，程序模块可位于包括存储器存储装置的本地和远程计算机存储介质两者中。这些本地和远程计算环境可整体包含在机车内、或编组中的相邻机车内、或在车外其中使用无线通信的路边或中心站中。术语机车“编组”在整个本文件中使用。机车编组可描述为具有连续地连接在一起的一个或多个机车以便提供开动和/或制动能力。机车连接在一起，其中没有列车车厢在机车之间。该列车在它的构成中可具有多个机车编组。具体地，可以有领头编组和一个或多个远端编组，例如在一列车中间和在列车的末端的另一个远端编组等。每个机车编组可具有第一机车和尾部机车。虽然第一机车通常示为领头机车，本领域内技术人员将容易认识到在多机车编组中的第一机车可在物理上位于物理上尾部位置。并且，尽管机车编组通常示为连续的机车，本领域内技术人员将容易认识到即使当一个或多个轨道车分开这些机车时，例如当机车编组配置用于分布式动力运行时，该一组机车可也是编组，其中油门和制动命令通过无线电链路或物理电缆从领头机车中继到远端列车。为此，当论述在相同列车内的多个机车时，术语“机车编组”不应该理解为限制因素。编组还可能可应用于包括海洋船只、越野车辆和/或固定功率产生设备的其他柴油机动系统，其一起运行以便提供开动、功率产生和/或制动能力。因此，即使“机车编组”在本文中使用，该术语还可应用于其他柴油机动系统。相似地，可存在子编组。例如，柴油机动系统可具有多个柴油为燃料的功率产生单元。例如，功率产生设备可具有多个柴油电力单元，其中优化可处于子编组级。同样地，机车可具有多个柴油动力单元。现在参照附图，将描述本发明的实施例。本发明的示范性实施例可以采用许多方 式实现，包括作为系统(包括计算机处理系统)、方法(包括计算机化方法)、设备、计算机可读介质、计算机程序产品、图形用户界面，其包括web入口或实体固定在计算机可读存储器中的数据结构。本发明的若干实施例在下文论述。图I描绘用于行程优化的方法的示范性实施例的流程图。图3和7示出包括配置成执行图I中示出的方法的行程优化器系统的机动系统(例如，列车)的各种元件。如图示的，指令是在远程位置上或来自远程位置(例如调度中心10等)的对于计划行程特定的输入。这样的输入信息包括但不限于列车位置、编组说明(例如机车型号等)、机车功率说明、机车牵引传输的性能、发动机燃料消耗(作为输出功率的函数)、冷却特性、计划的行程路线(作为里程碑的函数的有效轨道坡度和曲率或“有效坡度”分量用以反映遵循标准铁路实践的曲率)，由车厢组成代表的列车和载荷连同有效阻力系数，行程期望的参数，其包括但不限于出发时间和位置、结束位置、期望的行驶时间、机务人员(用户和/或操作员)身份、机务人员轮班到期时间和路线。该数据可采用许多方式提供给机车42 (参见图3和7)，例如但不限于操作员人工通过车载显示器将该数据输入机车42、插入包含该数据的例如硬卡和/或USB闪存盘等存储装置进入在机车上的插座和通过无线通信从例如轨道信令装置和/或路边装置等中心或路边位置41传送该信息到机车42。机车42和列车31载荷特性(例如，阻力)还可在路线上变化(例如随海拔、环境温度和轨道与轨道-车厢的状况)，并且计划可通过上文论述的任意方法和/或通过机车/列车状况的实时自主采集按需要更新以反映这样的变化。这包括例如通过监测在机车42上或车外的设备而检测到的机车或列车特性中的变化。该轨道信号系统确定列车的可允许的速度。存在许多类型的轨道信号系统和与信号中的每个关联的运行规则。例如，一些信号具有单个灯(开/关)，一些信号具有多个颜色的单个透镜，并且一些信号具有多个灯和颜色。这些信号可以指示轨道是畅通的并且列车可以最大可允许的速度行进。它们还可以指示要求减速或停止。该减速可必须立刻完成，或在某个位置(例如，在下一个信号或十字路口之前)。该信号状态通过各种手段传送给列车和/或操作员。一些系统具有在轨道中的电路和在机车上的感应拾取线圈。其他系统具有无线通信系统。信号系统还可以要求操作员在视觉上检查信号并且采取适当的动作。该信令系统可与车载信号系统联接并且根据输入和适当的运行规则调节机车速度。对于要求操作员在视觉上检查信号状态的信号系统，操作员屏幕将呈现适当的信号选项供操作员基于列车的位置输入。作为位置的函数的信号系统的类型和运行规则可存储在车载数据库63中。基于输入行程优化器系统的规范数据，计算具有期望的出发和结束时间、沿路线最小化受速度极限约束的燃料使用和/或产生的排放的最佳计划以产生行程概况12。该概况包含列车将遵循的最佳速度和功率(级位)设置，其表达为距离和/或时间的函数，并且这样的列车运行极限包括但不限于最大级位功率和制动设置，和作为位置的函数的速度极限以及预期使用的燃料和产生的排放。在示范性实施例中，级位设置的值选择以获得大约每10至30秒一次的油门(throttle)变化决策。本领域内技术人员将容易认识到可以更长或更短的持续时间发生油门变化决策(如果这是为了遵循最佳速度概况所需要和/或期 望的话)。在更广阔的意义上，轮廓向列车提供处于列车级别、编组级别和/或个体列车级别的功率设置对于本领域内技术人员将是明显的。功率包括制动功率、开动功率和空气制动功率。在另一个实施例中，代替以传统的分立级位功率设置运行，可选择确定为对于选择的概况最佳的连续功率设置。从而，例如，如果代替以级位设置7运行(假定例如6、7、8等的分立级位设置)，最佳概况指定6. 8的级位设置，机车42可以以6. 8运行。允许这样的中间功率设置可带来如下文描述的附加效率效益。用于计算最佳概况的程序可以是许多用于计算功率序列的方法，该功率序列驱动列车31以最小化受到机车运行和时间表约束的燃料和/或排放，如下文总结的。在一些情况下，由于列车配置、路线和环境状况的相似性，要求的最佳概况可能充分接近之前确定的一个。在这些情况下，在数据库63内查找驾驶轨线并且尝试遵循它可是足够的。当没有之前计算的计划合适时，计算新的计划的方法包括但不限于使用微分方程模型(其近似列车运动物理学)直接计算最佳概况。该设置牵涉定量目标函数的选择，通常为对应于排放产生和燃料消耗的速率的模型变量的加权和(积分)加上用于处罚过度油门变化的项。最佳控制公式设置以最小化受到包括但不限于速度极限和最小与最大功率(油门)设置和最大累积和瞬时排放的约束的定量目标函数。取决于在任意时间的计划目标，问题可灵活地实施以最小化受到对排放和速度极限的约束的燃料，或最小化受到对燃料使用和到达时间的约束的排放。建立例如在无总排放或燃料使用约束的情况(其中对于该任务将允许或要求这样放开约束)下最小化总行驶时间的目标也是可能的。在整个本文件中示范性方程和目标函数提供用于最小化机车燃料消耗。这些方程和函数仅用于说明同时其他方程和目标函数可以采用以优化燃料消耗或优化其他机车/列车运行参数。数学上，要解决的问题可更精确地陈述。基本物理通过如下表达— = v; X(O) = o_o;x(r,) = Z) dt— = Te{u, v) - Ga (X) 一 R{y)-, v(0) = 0.0; v(Tf) = 0.0 dt其中X是列车的位置，v是它的速度并且t是时间(视情况采用英里、英里每小时和分钟或小时)并且u是级位(油门)命令输入。另外，D指示要行驶的距离，Tf是沿轨道在距离D的期望到达时间，Te是由机车编组产生的牵引力，Ga是取决于列车长度、列车组成和列车位于的地形的重力阻力，并且R是机车编组和列车组合的净速度依赖阻力。还可以指定初始和最终速度，但这里不失一般性地取为零(例如，列车在起点和终点停止)。最终，模型容易修改为包括其他重要的动力学，例如油门u的变化之间的滞后和所得的牵引力或制动。使用该模型，最佳控制公式设置为最小化受到包括但不限于速度极限和最小与最大功率(油门)设置的约束的定量目标函数。取决于在任意时间的计划目标，问题可灵活地设置以最小化受到对排放和速度极限的约束的燃料，或最小化受到对燃料使用和到达时间的约束的排放。实现例如在无总排放或燃料使用约束的情况(其中对于该任务将允许或要求这样放开约束)下最小化总行驶时间的目标也是可能的。所有这些性能测量可以表达为下列中的任意的线性组合
权利要求
1.一种用于操作具有至少ー个功率产生单元的至少ー个机动系统的方法(300)，所述方法包括 提供(301)待人工应用的优化的任务计划； 响应于正实施的人工任务计划重新计划(302)所述优化的任务计划；以及 当所述人工任务计划偏离所述优化的任务计划超过预定量时调节(303)所述人工任务计划。
2.如权利要求I所述的方法(300)，其中重新计划所述优化的任务计划进ー步包括实施闭环控制技术以重新计划所述优化的任务计划。
3.一种用于操作具有至少ー个功率产生单元的至少ー个机动系统的方法(305)，所述方法包括 根据优化的任务计划自主执行(306)任务；以及 当所述任务在进行中时，通过配置成用于所述任务计划的至少ー个特性的人工输入和微调的输入装置来在预定范围内人工微调所述任务计划的至少ー个特性(307)。
4.如权利要求3所述的方法(305)，进ー步包括在所述任务计划微调后重新优化(308)所述任务计划。
5.如权利要求3所述的方法(305)，进ー步包括在特定时间段之后和当微调所述任务计划的至少ー个特性而达到特定判据时之后至少其中之ー时，调节(309)所述任务以对应于优化的任务计划。
6.如权利要求3所述的方法(305)，其中自主执行所述任务包括实现闭环控制技术以自主执行所述任务。
全文摘要
用于操作具有至少一个柴油为燃料的功率产生单元的柴油机动系统的方法(800)，所述方法包括评估柴油机动系统的运行特性(802)，比较该运行特性与满足任务目标的指定值(804)，以及采用根据反馈原理运行的闭环控制系统调节运行特性以对应于指定值以满足任务目标(806)。
文档编号B61L3/00GK102700567SQ201210161080
公开日2012年10月3日 申请日期2009年1月23日 优先权日2008年2月7日
发明者A·K·库马, D·迪沙姆, E·迪伦, E·霍尔, G·R·沙菲尔, R·普里穆斯, S·J·格雷, W·道姆 申请人:通用电气公司