CN101027211A - 用于管理移动车辆排放的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种可在两个或者更多个不同配置下工作的机车(10)，配置中的改变是依照配置输入信号(35)的响应。一个机车配置由终端使用设备控制信号(13)的集合表示，这些控制信号由机车控制系统(22)按照操作输入值(27)的相应集合生成。对于给定的操作输入值集合，第一个终端使用设备控制信号集合在配置输入具有第一个值时生成，并且，第二个终端使用设备控制信号集合在配置输入具有第二个值时生成。配置输入变量对应于与机车位置相关的排放简档。与排放简档对应的机车排放参数被监视，并且存储在存储设备(例如，104)中。

Description

用于管理移动车辆排放的系统和方法

相关申请

本申请是2004年12月9日提交的题为“可配置的机车”[代理人记录摘要20LC5025]的共同待决美国专利申请11/008,708的部分延续。

本申请还是2004年5月19日提交的题为“非公干线的交通工具和控制系统”[代理人记录摘要133602]的共同待决美国专利申请10/849,314的部分延续，该共同待决申请依次要求提交日期为2003年5月22日的申请号为60/474,151的美国临时专利申请的权益。

本申请还要求2004年7月23日提交的题为“机车控制系统和方法”[代理人记录摘要158334]的申请号为60/590,853的美国临时专利申请。

这些上述申请中的每一个均被结合于此处作为参考。

技术领域

本发明一般性地涉及对移动车辆排放(emission)的控制。

背景技术

现代铁路机车是包含多个操控系统的复杂车辆，这些操控系统包含依照大量输入变量进行的复杂的计算机化控制。一个典型的电动铁路机车由与对应驱动轴相连接的多个交流或者直流牵引电机推进，驱动电机的电能来自由车载柴油发动机供应的电能。

机车以不同的配置装配，以满足由铁路服务的一个或者多个对应的排放要求。应该认识到，在干线进行牵引的操控需求和调车场操作的需求是有很大不同的。例如，调度机车通常移动相对少的车，以低速运动经过平坦地段，而干线牵引机车必须能够以相对高的速度牵引列车穿过地形变化大的地域。此外调度机车可以有大量的空闲时间，而干线机车必须长时间以高功率工作。

铁路排放要求受到包含客户需求，天气，设备可用性，人力的可用性，政府调控等多种变量影响，并且经常使得铁路调度员无法为特定的排放任务调配最佳匹配的机车。例如，即使一个与将列车从点A移动到点B一样简单的单个任务，可能包含根据列车轨道的地形而变化很大的的排放要求，例如，沿着铁路轨道不同的地点有不同的政府排放调控。结果，一个起初被按照适合最初的预定任务的配置装配的机车，在被置于另一个不同任务中时，将提供非最优配置，并且，通常调度员最多能做到提供表现好的折衷能力的机车以便满足一个范围内的不同(通常是竞争的)任务需求。

附图说明

图1是包含配置输入的机车控制系统的结构图。

图2是描述图1中机车的两个配置模式的控制系统输入和输出之间的关系表。

图3是依照本发明一个方面的机车控制系统的结构图。

图4是实现了可选控制由机车产生的牵引力水平的本发明特点的的列车的示意图。

图5是将具有可选可控牵引力机车的牵引力作为机车速度的函数的示例图。

图6是为机车提供可选择牵引力控制的控制器的结构图。

图7是一个示例性牵引力处理器的结构图。

图8是依照本发明一个实施例，按照机车位置的函数操作机车的描述图。

具体实施方式

本发明的申请揭示了通过相对于地址位置控制机车发动机的排放，较传统技术，对铁路操作的管理(诸如排放监督和排放信用贸易)有所提高。图1是机车10的控制系统的结构图，机车可以在多个配置之一下工作，以便更好地将机车10与特定任务相匹配。在此处使用的术语“配置”描述机车的整个操作简档，包含重要操作特性，和机车的操控系统被按照操作输入进行控制的方式。机车的配置可以包含如下性能变量，如机车发动机峰值输出等级，节流阀档位(thrott1enotch)设置和生成全功率的百分比之间的相关性，引擎排放曲线，声音排放，电磁排放，使用的牵引电机个数，燃料经济性能，附着力极限，操作员控制的组织、表达和功能，通信协议，辅助功能等等。

机车的操控系统包含多个终端使用设备12，14，16，18，20。终端使用设备可以包含燃料泵，阀，灯，半导体设备，开关，电机，压缩机，电阻网格，用于混合动力机车的能量存储电池等。这些终端使用设备是相应的机车操控系统的一部分，诸如燃料系统，发动机冷却系统，刹车系统，诊断系统，操作员控制面板等。终端使用设备可以包含位于在机车以外的元件，诸如，例如不在机车上的规划或者汇报单元。诸如处理器22的计算设备，执行存储在存储器24中的操作指令，用于通过终端使用设备控制信号13，15，17，19，21来控制终端使用设备。多个操作输入设备26，28，30，32与处理器22相互通信，提供对应的多个输入信号27，29，31，33给处理器。输入设备可以是传感器、系统或者其他主要位于机车上的组件，并且在有些实施例中，这些设备不在机车上。存储的指令被进行编程，以使得终端使用设备按照操作输入以预定方式受控。因此，由处理器22执行的指令作为将输入信号27，29，31，33的集合转换为输出信号13，15，17，19，21的集合的变换函数。

在先前技术的机车中，依照机车的配置，每种可能的操作输入状态集合和终端使用设备的对应控制模式之间的关系(也就是由计算设备实现的变换函数)是固定的。对比而言，图1中的机车10包含与连接到处理器的操作输入设备(26，28，30，32)不相同的配置输入设备34，其用于生成配置输入信号35，配置输入信号35具有至少两个状态集合并且与输入信号(27，29，31，33)不同。图1的计算设备22包含可执行指令，该指令允许在操作输入状态的至少一个可能集合(也就是，27，29，31，33的值的一个集合)与终端使用设备的对应控制模式(也就是13，15，17，19，21的值的集合)之间的关系，依照配置输入信号35的值进行变化。换句话说，处理器22可以配置为按照两个或多个不同的变换函数来操作，并且该变换函数的选择依照配置输入信号35。因此，可以提供具有两个或者多个不同配置的机车10，诸如两个或者多个不同的排放简档。注意，图1示出配置输入设备34是在机车10上的，但是，虚线意味着描述一个配置输入设备34可以位于机车10之外的实施例，配置输入信号35通过合适的通信链路，诸如列车线路或者无线通信，提供给机车10。

这个概念在图2的表中进行描述，其中，为两个不同的配置输入状态集合示出两个不同操作模式。当配置输入35具有高值H并且四个操作输入27，29，31，33分别具有值1，1，0，0时，处理器22将实现第一个变换函数，来生成分别具有值1，0，1，0和1的输出信号13，15，17，19，21以控制五个终端使用设备。这个关系与机车的第一个配置相一致，诸如当在第一个排放限制下操作。相反，当配置输入35具有一个低值L，并且四个操作输入27，29，31，33分别具有相同值1，1，0，0，处理器22将实现第二个变换函数，生成分别具有值1，1，1，0，0的输出信号13，15，17，19，21，从而以与第一个模式中不同的方式控制五个终端使用设备。这个关系与机车的第二个配置相一致，诸如当在第一个排放限制下操作，与第一个配置不同。在这两个模式之间提供给终端使用设备12，14，16，18，20的控制信号中的不同，允许机车依照配置输入变量以两个不同的方式被配置。在本领域中的技术人员将了解，在图1和2中描述的所使用的控制系统和变量状态是仅为举例说明的目的，并且是特别简化的。现代机车实施例可能实际包含成百上千个这样的输入和输出(包含多于一个配置输入变量)，并且包含模拟、数字、神经网络和/或模糊逻辑电路。处理部分可以在机车之外完成，并通信发送到在机车上的设备进行进一步处理或者直接对终端使用设备进行控制。而且，处理器22可以被配置为提供输入信号36给确认输入设备34，诸如来自用于修正输入行为的学习功能的反馈。在一个实施例中，一个时间序列无限多项式泰勒函数可以用于对传感器功能的修正。由处理器22实现的学习功能可以进一步以第一个配置中的第一个方式和第二个配置中的第二个方式进行学习。分布式的学习功能可以在机车上实时地实现，旨在提供较先前技术中设备性能的改善。

举例来说，模糊逻辑控制器(FLC)可以是基于知识的系统，在其中，机车操作员、机车工程师的知识或者从机车车队(fleet)中获得的知识已被用于综合成该机车的闭环控制器。这样的FLC典型地来源于知识获取过程，但是，可以从自组织控制结构中自动地综合形成。将认识到，由于由FLC进行处理时使用的控制法则的不同粒度等级，由FLC使用的机车传感器可以较由传统非模糊控制器使用的传感器成本较低和有较低的精度。而且将进一步认识到，可以在机车中使用模糊逻辑来依照推理规则集合，基于模拟特性的一个或者多个输入，作出决定并且提供测量和/或控制输出。模糊逻辑能够在输入数据是不完备和/或不一致的环境中作出“最佳猜测”决定。可以设想FLC能够使机车车队的所有者可以对任意给定的应用定制机车操作。机车参数可以被存储在一个合适的存储器中，并且控制功能可以实现在控制逻辑中。因此，所有者可以方便地更新在计算机上的信息或者下载更新了的机车参数给单独的机车。可以利用便携式接收器/发送器通过通信链路给机车控制器传输信息。进一步可以设想，用户可以使用可配置的模糊逻辑控制器，其可以是针对通用目的的，还具有可以依照机车的类型和/或机车应用方便地调整的功能。例如，模糊逻辑控制器的核心结构对于各种机车应用可以是实际相同的。但是，模糊逻辑成员函数和/或模糊逻辑规则的应用专有的定义可以作为一组参数输入到控制器，这样模糊逻辑控制器在不改变实际模糊逻辑的情况下可编程可重新配置。在一个示范实施例中，体现了本发明特点的可配置的机车可以包含模糊逻辑处理器，该模糊逻辑处理器配置用于在给定配置模式中生成一个或者多个变换函数或者将输入信号与输出控制命令相关联的可执行指令。为了满足读者对关于模糊逻辑控制器一般背景信息的需求，参考题为“自动列车处理控制器”的U.S.专利No.6,760,712,题为“用于模糊逻辑控制器的规则库汇编”的U.S.专利No.6,078,911，和题为“具有包含可编程和可重新配置的模糊逻辑控制器的可编程参数的家用电子控制系统”的U.S.专利No.5,647,231，这些专利的每一个与本发明是同一个受让人。

举例来说，神经网络控制器可以包含至少一个用于生成一个或者多个估计的变换函数的神经网络估计器。典型地，神经网络估计器可以被耦合来接收来自多个传感器(例如，速度，排放，档位等级，牵引力传感器等)的所选择的传感的机车操作参数，以生成可以被耦合到传动器系统的估计变换函数。在另外一个例子中，除传感参数之外，神经网络估计器能够被耦合来接收来自处理器的输入，该处理器生成经过计算的机车操作参数(例如，来自其他神经网络，模糊逻辑控制器或者编程在控制器处理器中的机车模块)。

神经网络估计器可以是一个非线性估计器，通过训练来映射所选择范围的输入信号，生成随着输入信号变化的想要的输出参数。神经网络估计器可以典型地包含一个输入神经元层和至少第一个隐神经元层。多个隐神经元层，例如通过第n个隐神经元层，可以耦合在一起，并且第n个隐神经元层耦合到输出神经元层。举例来说，偏置装置(例如提供稳定的、可确定的功率等级的电源或任意其他合适的偏置设备)可以被耦合到神经网络估计器中的每一个神经元层，以提供调节控制器变换函数的方式，例如，用于层中各神经元的挤压(squashing)函数或者非线性特性的函数。将信号从每一层传递到下一层的过程，可以通过对经由神经元的每一个信号应用对应的权重(与各相应的神经元相关)来实现。每一层的对应权重可以使用在本领域中技术人员易于理解的技术，在训练序列中确定。例如，在神经网络的训练中，输入信号的规定模式可以被顺序地并且重复地应用，已知存在与其相对应的输出信号规定模式。可以将由神经网络生成的与每一个规定的输入信号模式相对应的输出信号的模式与规定的输出信号模式进行比较，以生成误差信号，误差信号可以被用于调整权重，多次重复该输入信号的模式，或者直至误差信号被检测为可以忽略的值为止。然后，可以利用序列中下一个模式集合进行训练。在广泛的训练中，对模式序列的训练可以循环。在一个示范实施例中，体现本发明特点的可配置的机车可以包含神经网络处理器，其用于(例如经过一个训练周期或者序列)调整将输入信号与输出控制指令相关联的一个或者多个变换函数或者可执行指令。为了满足读者对关于神经网络控制器一般背景信息的需求，参考题为“用于在神经网络层中逼近S型响应的数字电路”U.S.专利No.5,167,008和题为“具有用于估计燃气轮机内部循环参数的神经网络的控制器”的U.S.专利No.5,857,321,这些的每一个与本发明是相同受让人。

应认识到可以使用最优控制技术作为设计多变量机车控制器的工具。应该认识到，得到一个全方位真正的“最优”的设计是不现实的，因为在实际实现中达到部分最优设计就被认为是成功。例如，可以设想，这样的设计将协调使用所有的输入、输出和控制变量，并且将被组织来确保机车控制器的稳定，该控制器可以逻辑地改变(例如，重新配置)来满足机车所需性能目标的集合。在一个示范实施例中，最优控制技术可以是有吸引力的，因为这样的技术可以很容易地处理多输入系统并且允许设计者为控制法则矩阵快速确定合适的候选值。如本领域中技术人员所认识的，通常用于执行给定控制策略的所有可能的系统状态不完全可用。例如，安装用于传感每一个可能的机车状态的传感器是不实际的，也不是必须的，因为，可以提供估计器来估计任意缺失状态而不是传感或者测量每一个可能的机车状态。在一个示范实施例中，可以使用最优估计技术作为与机车控制器联合使用的多变量机车估计器的设计工具。一个最优估计技术的例子可以是时变最优估计解，在本领域中通常称为“卡尔曼(Kalman)滤波器”。在本例子中，实质上最优估计解由回归加权最小方差求解给出。为了满足读者对关于多样控制技术一般背景信息的需求，参考题为“动态系统的数字控制”的教科书，由Gene F.Franklin和J.David Powell所著，第二版1981，Addison-Wesley出版公司出版并所有版权。

在本发明的一个实施例中，配置输入信号35可以响应机车10的地理位置。机车的位置可以使用合适的输入设备34(诸如全球定位系统GPS或者无线路旁自动电子识别AEI标签)来确定。可选择地，配置输入信号35可以是机车健康状况的表示，诸如可以源自车载设备或者车外设备，包含诊断和/或控制系统。可选择地，配置输入可以对应于操作员输入，诸如当配置输入设备34是操作员控制的需要具有密码或者钥匙才能够使用的开关、计算机鼠标、触摸屏、键盘、身份识别卡读卡器、条形码读卡器等。除了位于机车上的操作员以外，机车配置还受到来自机车附近位置诸如铁路控制塔的影响，或者来自诸如远离机车的远程数据中心或者调度办公室的影响。在一个实施例中，指示车组(consist)的一个机车健康状况的信号被用于对该车组中第二个机车进行重新配置；例如，当第一个机车的最大功率生成能力下降时，第二个机车可以被配置为更高的峰值功率等级来补偿第一个机车造成的功率损失。在另外一个实施例中，指示排放极限的信号可以从中央排放控制中心接收到，并且可以用于配置车辆在其排放极限内运行。配置输入可选择地包含改变模拟或者数字信号的设备；例如，改变、增加或者删除消息，改变消息序列，或者偏移传感器信号来使得机车10在不同的配置中工作。

在另一个实施例中，配置输入可以响应操作员输入。例如，机车操作员可以在识别到机车进入了具有不同配置需要的不同区域后，完成不同的配置，诸如通过识别里程标记或者其他铁路边的标识物、不同区域边界的指示牌等。在另一个实施例中，用于改变配置的配置输入可以基于机车离不同操作区域的距离被预先编程。例如，操作员可以输入机车先前位置距离不同操作区域的距离。随后，基于传感到所运行的距离，机车可以在运行到到达该不同区域的距离时自动地改变其操作配置。

图8示出了用于响应于位于轨道816沿线的发送应答器814a，814b，814c中所编码的信息来控制机车操作状态的系统810，操作状态诸如排放参数。例如，发送应答器814a，814b，814c可以定位在预先确定的边界815a，815b，815c，以便在机车812通过边界815a，815b，815c时识别出边界。发送应答器814a，814b，814c，诸如AEI标签(商业上可以得到，例如，从Transcor公司得到)可以被定位在轨道816的道基中的一个位置上，在此位置上机车操作状况需要得到控制。发送应答器814可以附着在位于铁路货场区域的入口处的枕木818上，来限制机车812的速度。机车812可以装配发送应答器(transponder)阅读器820，在机车812沿着轨道816运行时，读出编码在所经过的每一个发送应答器814a，814b，814c中的信息。尽管下文描述阅读器820定位在机车812上，但是，应该理解阅读器820可以被安装在列车的任意车厢或者机车上。在某些例子中，机车812在没有连接任意车厢或者另一个机车的情况下运行，并且，因此机车812自身此时组成列车。阅读器820可以被配置来提供从发送应答器814a，814b，814c读出的控制信息，来控制列车机车，或者发给远程的控制操作员。

在一个实施例中，阅读器820可以发射由发送应答器814b接收的无线射频(RF)激活信号822。激活信号822提供给发送应答器814b足够的能量，来允许发送应答器814b发射发送应答器信号824返回给阅读器820。发送应答器信号824通常可以是具有与激活信号822不同频率的RF信号。发送应答器也可以由其他合适的电源来供电，诸如电池，太阳能电源，或者与电源连接的电线。通常，阅读器必须位于距离发送应答器合适的检测距离内，例如，在10英尺内，来接收发送应答器信号824。相应地，发送应答器可能需要间距距离大于这个检测距离来防止发送应答器之间的干扰。也可以使用每一个发送应答器与阅读器通信的唯一的标识符允许发送应答器具有更近的间距。

阅读器820与在车上的控制系统830进行通信，诸如控制机车812的机车控制单元(LCU)。在读取了发送应答器之后，阅读器820将发送应答器信号824中编码的控制信息提供给车上的控制系统830，以控制机车812的操作参数。机车812随后可以维持这些相同的操作参数直至经过另一个发送应答器814c，并且接收到新的控制信息。从每一个发送应答器814a，814b，814c接收到的控制信息可以直接提供给在车上的控制系统830，用于对机车812的自动控制。

在本发明的一个方面，两个或者更多的顺序定位的发送应答器可以被配置来依照机车相对于发送应答器运动的方向提供控制信息。例如，发送应答器814a可以包含一对定位在边界815a的发送应答器，依照机车812沿着铁路运行方向，诸如，机车12是进入或者离开由边界815确定的区域817，来提供控制信息对机车操作参数进行控制。边界可以包含在需要不同排放简档的两个状态之间的状态线。当机车812通过例如在某个方向经过发送应答器对，检测到离开一个状态并且进入相邻状态时，机车812可以被命令依照其已经刚刚进入的状态的需要，转变排放参数。本发明的另一个方面中，阅读器820可以被安装在机车812作为一员的列车的不同机车或者车厢上。例如，受控机车812可以是列车车组中的一员，其中所述不同的机车也是车组中的一员。不同的机车检测其自身位置并且传送位置信息给机车812，用于依照由不同机车提供的位置信息控制机车812的排放。

机车性能的一个或者多个特点可以被改变，来响应于配置输入中的变化改变机车配置。在一个实施例中，机车可以响应于配置输入的改变，被从第一个马力等级配置为第二个马力等级。考虑一个例子，此处税务局征税依照机车的大小/功率等级增加。如果铁路需要5000马力机车来驱动列车经过此该税务局的区域，但是仅有能用的6000马力机车来完成这个任务，此时，6000马力机车能够被配置为5000马力模式来完成这个任务，旨在规避对多余税款的支付。在配置中的这个改变可以响应于作为配置输入变量的操作员选择来实现，或者可选择地，响应于机车接近相关地理区域所对应的配置输入，自动完成。峰值功率等级配置的变化可以包含由处理器执行的指令，其改变机车的节流阀和/或燃料传送系统中终端使用设备的响应。依照至少一个节流阀档位设置传送的发动机功率输出在两个配置之间变化。这点可以例如通过包括可由计算设备执行的指令来实现，该指令在配置输入具有第一个值的时候，在节流阀输入设备中识别X档位设置(通常有8个功率档位设置可用)，并且在当配置输入具有第二个值时，在节流输入设备中识别不同于X的档位设置。在典型的北美机车中，节流阀将功率的范围分为1到8个档位，所有8个档位设置可以在第一个(6000马力)配置中被识别。在第二个(5000马力)配置中，诸如用于非北美机车，可以具有15个档位设置，节流阀控制系统将识别档位15输入，但是维持档位15的终端使用设备输出与前面的档位8的终端使用设备输出是相同的。因此，完全相同的操作输入变量值的集合(例如，节流阀设置为档位8)将生成两个不同的终端使用设备控制输出值集合(例如，燃料喷射阀激活时序)作为配置输入值相应改变的结果。可选择地，在第一个配置中，燃料系统可以给柴油发动机所有X缸(典型的8，12或者16缸)提供燃料，而在第二个配置中，燃料可以提供给少于X个缸，因此，完成峰值发动机功率输出的削减。

本发明另一个实施例可以改变机车中加电的牵引电机的数目，或者牵引电机的功率等级设置。在第一个配置中，车上的每一个牵引电机均可以被加电，诸如用于正常开放路段负荷牵引任务。在第二个配置中，少于全部的牵引电机被加电。这可以使用由计算设备执行的指令来完成，以允许在配置输入具有第一个值时对机车的X个牵引电机加电；在配置输入具有第二个值时，对机车的少于X个牵引电机加电。相似地，工作的牵引电机的功率等级可以依照配置输入变量而变化。

本发明可以被使用于由多个机车连接在一起来牵引列车的机车这组中。车组中的所有机车典型地由来自领头机车的单个工程师进行控制，尾随的机车与领头机车进行通信，并且响应该工程师的输入。每一个机车展示出最大黏着极限，也就是说，在车轮将要滑动之前，能够加载到机车车轮上的功率数量。如果所有机车不是相同型号的，并且因此不全具有相同的黏着极限，如果领头机车具有较尾随机车更高的黏着极限，将发生不受控的车轮滑动的状况。一个实施例包含由计算设备执行的可执行指令，当配置输入具有第一个值时，来操作机车引擎低于第一个黏着极限；在配置输入具有第二个值时，操作机车引擎低于第二个黏着极限，该第二个黏着极限低于第一个黏着极限。在这个方式中，具有较尾随机车更高的黏着极限的领头机车可以被配置作为具有与尾随机车相同黏着极限的样子来操作，因此，消除相关的有问题的车轮滑动。配置输入信号35可以响应于列车中另一个机车的任意操作参数。例如，指示尾随机车的功率等级或者健康状况的信号可以作为配置输入信号35，以便依照该信号35将领头机车重新配置为相应的峰值功率等级。

机车控制系统可以被编程，依照预定的任务优先级集合进行响应。例如，用于快速负载机车的任务优先级可以是维持需要的功率输出，旨在确保能够维持所需的列车速度，使得能够满足快速传递时刻表。在这样作的时候，将可能导致过多的磨损，过多的排放或者其他不合适的影响。例如，如果柴油发动机的一个缸变得不起作用了，预定的任务优先级将决定机车控制系统是否将提供附加的燃料给工作的缸来弥补不起作用的缸。这样作可能导致发动机超过排放极限或者可能导致发动机过度磨损。

对于非快速服务的机车，任务优先级可以在所有时刻在排放极限或者在所需的燃料消耗极限等内进行操作。对于这样的非快速服务，当一个发动机缸变得不起作用时，任务优先级可以简单地允许峰值发动机输出下降。本发明可以用来允许单个机车依照配置输入的值的变化，从任务优先级第一集合重新配置为任务优先级第二集合。这样的变化可能包含对多个终端使用设备输出响应的修改，包含诊断和报警系统。这些改变对于先前技术的机车是不可行的，并且因而任务优先级有时基于可用的机车的选择折衷。本发明给铁路调度员在匹配任务需求和可用设备时，提供附加的灵活性。

在另一个实施例中，操作员接口设备的配置可以依照配置输入变量进行改变。例如，不同的所有者或者操作者可以使用不同的管理和/或技术方案，诸如，不同的排放简档，不同操作员训练简档，使用简档，牵引力简档，分布电源技术，受控牵引力(CTE)简档，无线通信频率等，其可以反映在诸如触摸屏输入设备的操作员接口设备上。当试图操作本领域先前技术的机车在多于一个铁路运行时，如果机车配置与铁路运行模式不协调时，将遇到问题。一个简单的例子是铁路沿着铁路线对里程进行标记的方式，有些铁路使用数字，有些铁路使用字母。另外一个例子是铁路配置在其列车车组的多个机车之间进行无线通信的方式。借助本发明，机车可以包含合适的硬件和软件在多个铁路合理的发挥作用，依照诸如操作员选择这样的配置输入变量，激活针对特殊铁路的合理配置。操作员输入可以包含操作员身份，诸如通过从键盘键入操作员身份识别码，在读卡机前晃动身份识别卡等方式。操作员身份可以在特定操作员具有合理授权的那些模式中，作配置输入变量使用，例如，自动地限制功率级别，运行的地理区域，或者机车接口设备的配置。

如本发明的另一个实施例，计算设备22可以按照排放简档的函数来控制机车的一个或者多个操作，该排放简档响应于配置输入值。排放简档可以是描述和定义机车功率输出所需的排放性能的操作简档。例如，排放简档可以包含一个或者多个排放要求，诸如最大可允许的排放值。排放要求可以设置氮氧化物(NOx)的排放、碳氢化合物排放(HC)、一氧化碳(CO)排放和/或微粒物质(PM)排放的最大值。其他排放限制可以包含电磁排放的最大值，诸如机车发出的对应的频率的射频(RF)功率输出的限制，以瓦特来计量。排放要求可以依照一天的时间，一年内的时间，和/或诸如天气和大气的污染等级的大气条件而变化的。众所周知，排放规则在跨越铁路系统时是依照地理位置而变化的。例如，运行区域诸如一个城市或者州可以具有特定的排放目标，并且相邻的区域可以具有不同的允许排放目标，例如，具有较低的允许排放量，或者在给定的排放等级上有较高的收费。相应地，某个地理区域的排放简档可以定制来包含对于每一种受管制的排放具有最大排放值，包含在简档以内，满足该区域预定的排放目标。

如果路线穿越多个具有不同排放要求的区域，针对任务选择机车是复杂的事情。在其他实施例中，排放简档或者排放目标/特性可以被定义为一天中时间，天气，日排放等级/分类，列车牵引重量，车组配置，移动计划，铁路状况，机车服役期或类型，和/或铁路系统操作员的商业目标的函数。运行机车的排放参数可以与针对特别区域内的排放简档进行对比。

由计算设备22执行的过程用于决定是否需要对机车的一个或者多个操作特性进行调整。排放简档可以与气体的、液体的、或者固体的燃烧副产品、声音能量排放、反射排放(诸如由用于反射或者吸收电磁能的设备提供的)、震动排放，和/或诸如无线电、红外和可见光的排放等电磁能量排放相关联。例如，如果受监视的排放参数是柴油发动机的化学或者气体输出，并且检测到它高于排放目标的规定，计算设备可以执行指令来控制发动机/燃料系统终端使用设备，诸如改变发动机时序或者燃料传送时间表或者旨在减少由发动机生成的排放的其它控制。其他校正行为可以包含关闭发动机，调整在车组或者列车中机车的分配，调整列车的一个或者多个移动计划，改变发动机冷却，改变发动机负载或者牵引力，变化发动机速度，使用混合能源进行驱动，或者存储混合能源到能量存储系统中。进行这样的行为旨在实现特定机车的排放特性，或者可以在系统级的或者子系统上的基础上进行这样的行为，以便由铁路系统操作员在一个或者多个运行区域内运行机车车组和列车达到排放目标。

在一个实施例中，本发明提供一种用于依照诸如机车所在位置的配置输入变量35，管理一个或者多个机车的排放配置的方法和设备。例如，如果第一个运行区域是需要特定排放特性的排放控制区域，当位置配置输入具有第一个值时，计算设备22依照满足该目标的第一个排放简档，管理机车的操作(也就是，控制输出13，15，17，19，21)。当配置输入35依照机车移动进入具有不同排放目标的第二个运行区域而改变值时，计算设备依照不同的排放简档控制机车的操作，也就是说，针对输入值27，29，31，33的相同集合的至少一个不同的控制输出值13，15，17，19，21。

在如图3所示的本发明的一个方面中，机车控制系统100可以包含与计算机处理器102相耦合的排放特性监视器123，并且监视机车排出的排放，诸如氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和颗粒物。系统100还可以包含与计算机处理器102相耦合的排放操作参数监视器502，用于监视指示排放简档的机车运行参数。排放操作参数监视器502可以进一步包含燃料喷射空气温度传感器504，燃料喷射时序传感器506，和燃料喷射压力传感器508来监视这些对应的参数。已知这些参数可以被用于计算受监视的发动机的排放等级。在另一个方面中，可以监视由机车产生的马力(或者等同的功率测量诸如兆瓦-小时)和机车的速度，例如，在某些时间(诸如每0.1小时)和/或在某些位置分别地由功率传感器510和速度传感器512进行。已知，这样的马力和速度信息可以被用于计算机车在这些信息被记录的时间段内的排放简档。排放简档可以与位置信息相关联，当生成排放简档时，指示出机车的位置。其他参数，诸如燃料使用和发动机排气特性可以相应地被例如，燃料使用传感器和发动机排气特性传感器进行监视。

机车控制系统100与中央排放监视系统514进行通信。中央排放监视系统514可以与中央排放监视数据库516相耦合，诸如在美国专利No 6,301,531和6,263,265中描述的用于监视机车参数的中央数据库。中央排放监视数据库516可以具有安全的可访问性，例如，通过因特网518。中央排放监视系统514可以接收来自一个或者多个机车的通过安全通信链路142的排放信息，跟踪相应的受监视的机车的排放。在本发明的一个方面，由每一个机车提供的排放信息可以被存储在数据库516中，作为本地存储在机车的存储设备中的替代或补充。信息可以被提供给中央排放监视系统514作为已获得的信息，或者信息可以被从机车基于周期进行上传。

有利地的是，系统100提供当在不同地域中在不同排放简档配置内(诸如在Tier II NOx的限制内)运行机车的能力。系统100可以被配置为不需要操作员输入而自动操作将机车转换为不同排放简档配置。系统可以被编程以限制在转换到不同排放简档配置时对机车性能的中断。系统100提供记录和维持机车进入和离开预定区域的日期和时间的记录，和/或不同系统操作参数的记录(例如，指示由发动机产生的排放的参数)的能力。存储器104可以用于记录在每一个可用的操作模式中机车操作的(例如，由时钟时间、消耗的燃料、位置等进行测量的)部分，诸如可以有利于随后的报税、记帐或者车队管理目的。

此外，不需要对发动机控制硬件进行更改。当配置输入设备34(也就是位置确定设备114)功能失常时，系统100可以指导机车恢复到默认的排放简档，或者，可以使用最后一次已知的配置输入的排放简档。数据可以冗余地进行存储或者备份，并且以周期间隔加上时间戳。机车配置可以响应源自不在车上的中央排放监视系统514的配置输入信号35进行更改，诸如，当用于车队或者用于特定机车100的排放数据需要或者允许该机车的排放简档中发生变化时。或者，机车配置可以依照操作员输入，诸如通过触摸屏设备127的输入进行变化。

在本发明的一个方面，所存储的每一个机车的排放信息对于管理征税机构(诸如征税机构或者环境管理机构)是可用的，来验证当机车或者机车车队在某区域内运行时排放的遵守情况。可以提供机车在其通过预定区域的边界时，和/或机车在该区域内运行的时间段内的排放信息。例如，某一个州可能要求机车在该州的边界内运行的时候维持某排放简档，并且可以要求汇报每一个机车的排放信息。系统100允许通过因特网简单地提供这样的汇报并且该汇报对于该州的管理机构是可用的。

在另一个实施例中，可以测量一个车队中多个移动车辆的排放，并且将相关测量排放数据传送给中央数据库。随后可以相对于车队排放要求处理所接收到的数据。接收到的数据可以被用于生成用于依照排放要求运行该车队的指令。随后该运行指令可以被传送给车队中至少一个移动车辆。在一个实施例中，运行指令可以包含调整排放输出的指令。在另一个实施例中，可以测量每一个移动车辆的实际排放与对每一个移动车辆的对应排放要求的对比，来计算在实际排放和对应的排放要求之间的差异。随后，可以在该车队中对这些差异求和，以确定车队是否遵守车队排放要求。多个排放要求可以在车队运行过的对应的多个地理区域起作用。相应地，可以依照针对对应的机车运行的地理区域的起作用的相应排放要求，对数据进行处理。

收集到的排放信息可以被用于规划在排放受控区域内运行的目标，其允许以最大允许的排放等级以下的排放等级进行运行，累积排放“信用”。例如，由在最大允许排放以下运行产生的排放信用可以被累积并且用于弥补对那些在高于最大允许等级上运行的其他机车的估计的处罚，使得车队整体的排放在该区域内可以平均满足排放要求。为了规划的目的，如果信用积累过度，机车可以被安排在产生超过最大允许级别的排放的燃料更充足的模式下运行，直到积累的信用被用完。在一个实施例中，信用可在不同区域内的不同铁路系统中交易，诸如在不同的州和不同国家。在另一个方面，排放信息可以被用于在具有相关排放要求的地理区域内运行的相同机车的排放信用交易。例如，在一个运行区域内下降一个等级，机车可以被控制具有低于在该区域最大允许排放等级的排放。在此时间内，排放信用将增加，并且这些信用可以用于抵消当排放参数允许超过最大值，诸如当机车爬升一个等级时的操作。相应地，当在该区域内，机车的平均排放可以得到管理，使得其平均排放满足与该区域相关的排放要求。

一个使用车组中的多个机车的列车的示范实施例将在此处参考图4-7进行描述。每个机车的车上推进系统控制器610(PSC)依照牵引力控制信号作出响应，牵引力控制信号依照利用机车通信设备612(例如，涉及商用LOCOTROL分布式电源通信设备)从与远程车组616相关的领头机车614传送的无线通信命令而生成。举例来说，车组616显示为由远程机车(remote locomotive)620和尾随机车(traillocomotive)622组成。应认识到，本发明不限于所显示的车组排列，因为可以依照特定的列车用途来提供许多其他的车组排列。如下文将描述的那样，可以用合适的控制算法配置每个机车的各车上控制器，诸如分布式电源控制器(DPC)624，主要机车控制器626(CAX)，PSC控制器和通信设备，以便在接收到配置输入信号的时候，可选择地限制车组中的每一个机车提供的牵引力。

在一个示范实施例中，当接收到配置输入信号，机车控制器指导一对机车列车电缆(诸如电缆T/L618和T/L619)加载电压(高)来将该机车的总牵引力限制为低于机车最初设计所提供的值。如图5所示，在一个示范实施例中，机车可以被选择性地限制为所有六个轮轴牵引力约为110,000磅，而不是正常的180,000磅牵引力。在示范实施例中，通信设备可以被配置为经由远程机车上的DPC控制器为所述列车电缆加载电压，来启动受限的牵引力(TE)运行模式。在一个示范实施例中，PSC控制器610将检测何时两个列车电缆都是激活的，并且将这个状况解释为用于受限牵引力操作的指令。随后，一个降低牵引力的指令将施加到相应的牵引电机控制器(TMC)628上，如图6中所示。或者，领头机车的牵引力可以相对于远程机车增加，来在LOCOTROL分布式电源列车中的领头和远程机车之间生成牵引力差。这个差有助于当列车遇到弯曲并且起伏的轨道状况时，保持列车中负载不均衡的车辆在列车轨道上。

为了远程机车降低牵引力，该机车将最初决定是否被装配(例如，通过硬件、软件或者两者)在降低的牵引力模式下工作，并且提供信号给其他机车，指示它装备了可选择的牵引力功能。相似地，道路号码可以从指示该单元装备了可选牵引力的道路号码列表中选出。在一个示范实施例中，合适的控制器可以监视机车的道路号码和/或可选牵引力功能信号的存在与否，来确定该机车是否被装配在降低牵引力模式下工作。在分布式电源链路时间，操作员将在全部牵引力或者降低牵引力的模式中进行选择。如果选择了降低牵引力模式，在领头机车上的分布式电源单元将发出指导远程DPC在降低牵引力模式下工作的配置输入信号。假设远程分布式电源单元被配置用于降低的牵引力操作，远程车载的DPC控制器624将此时对列车电缆加载电压，诸如列车电缆618和619(两个列车电缆可以冗余使用)。在一个示范实施例中，当车组616中的每一个机车在检测到这些列车电缆中的一个或者两个均被加载电压的时候，也就是它们接收到合适的配置输入信号，将以降低牵引力运行。装备了在降低牵引力下运行的能力的远程单元可以为了安全的原因，默认该运行模式。当检测到两个列车电缆618和列车电缆619均被卸载电压，远程单元将返回到正常牵引力等级。例如，当操作员选择了全牵引力操作模式并且远程单元从领头单元接收到指令以全牵引力模式进行工作，并且列车电缆618和619均被卸载电压时，将发生这样的事情。

在一个示范实施例中，机车控制器被配置来限制牵引力，不必要由机车传递的马力。这点允许在更高的列车速度实现正常性能。如上所建议，可以为了提供冗余的、安全的连接而使用两个列车电缆。在本领域中技术人员将认识到，许多通信技术包含无线通信技术可以被用于与所需的操作模式进行通信。

在操作中，受控牵引力(CTE)是在分布式电源模式中，可以选择性地降低可被用为推力机车或者拉力机车或者两者的机车的牵引力的功能。可以预期的是，配置了CTE能力的一个或者多个机车可以依照例如登记吨位被置于列车的后部，并且由装备了分布式电源设备，诸如LOCOTROL分布式电源设备的领头机车所控制。进一步预期的是，如果使用了一个或者更多的推力机车，它们中的每一个将是装备了CTE的，并且在头部终端的控制单元可以是任意的装备DP的单元。例如，假设AC4400CTE机车在分布式电源模式中用于推力应用，其牵引力可以选择地由在11mph速度时的145,000磅降低到11mph速度时的110,000磅。牵引力的降低将实际上重新配置ACT4400CTE机车，使之在牵引力方面等同与一个Dash-9机车，并且因此，有利地使得这样的AC机车适用于诸如DP推/拉运货列车的应用，这些列车被用于重型牵引应用和较轻的牵引应用中。因此，在本发明的一个方面中，机车车组的用户能够混合和匹配机车的牵引力与任意给定列车的实际需要，而不需要非要等待能够传送所需牵引力的合适机车型号可用。因此，用户将能够在多种应用中使用诸如ACT4400CTE机车，包括使用较低额定的机车(从机车牵引能力角度看)的应用而不必非等到较低额定机车可用。因此，本发明的特点允许机车车队的用户高效地增加这个车队操作的通用性。

图7是帮助理解本发明操作特点的基本结构图。如图7中所示，牵引力处理器650包含档位处理器652，其配置用于生成与提供给处理器652的对应档位命令相一致的牵引力。牵引力限制器654被配置为使用，例如存储在存储器656中的牵引力限制值对牵引力进行限制。在操作中，在列车电缆TL618和TL619激活时，牵引力处理器将每个监视档位内的其总的牵引力参考值限制在受限牵引力操作的所需数量内。牵引力参考值可以此时基于每个轴的性能能力，被合理地分布(例如，使用标准最优化技术)给每一个轮轴。每一个轴和处理器实际上包含一个闭环机制，该机制连续地处理反馈性能数据，这些数据随后被用于对每个轴牵引力的重新分布，以最佳实现牵引力参考值。将认识到，如果轴的能力由于诸如不好的铁轨状况、热限制或者马力限制而下降，即使利用对其他轴牵引力的最优重分布的情况下，也可能达不到该参考值。通过可以被显示在一个合适的显示单元的汇总消息，操作员可以被告知操作的受限牵引力模式。汇总消息可以提供指示是否允许牵引力降低的指示，诸如“TELimited：TE Reduction Enable”(“TE受限：允许TE降低”)。

本发明还能够使用包含计算机软件、固件、硬件或者任意的组合的计算机编程或者工程技术来实现，或者其中技术效果是用于如上所述提供监视和控制机车发动机排放的子集合。任意具有计算机可读取的代码方式的这样效果的程序，可以被实现或者提供在一个或者多个计算机可读介质中，诸如存储器24，从而成为计算机程序产品，也就是依照本发明的一件产品。计算机可读介质可以是，例如固定(硬)盘，软盘，光盘，磁带，半导体存储器诸如只读存储器(ROM)等，或者任意的发送/接收介质，诸如因特网或者其他通信网络或者链路。可以通过直接从一个介质执行代码，将代码从一个介质拷贝到另一个介质，或者在网络上传输该代码，来制造或使用包含该计算机代码的制作产品。本发明可以包含一个或多个处理系统，诸如中央处理单元(CPU)，存储器，存储设备，通信链路和设备，服务器，I/O设备，或者一个或多个处理系统的任意子组件，包含软件、固件、硬件或者其任意的组合或子集合，这些如在权利要求中所述实现本发明。可以从键盘，鼠标，笔，语音，触摸屏，开关或者任意其他人类可以输入数据的装置，包含通过诸如应用程序的其他程序，来接收用户的输入。计算机科学领域中的技术人员将能够简单地将创建的具有通用目的的软件或者特定目的的计算机硬件组合，来生成实现本发明的方法的计算机系统或子系统。

可以在不偏离本发明范围的情况下，在上述示范实施例中进行各种的变化。上述描述和附图旨在举例说明而不是进行限制。例如，本发明描述为实现在机车中，但是可以预想相似的系统和功能用于任意非高速路车辆、海洋交通工具、或者利用类似于该机车的电动驱动系统的静止发电单元。此外，本发明可以被用于任意的运动资产，诸如，汽车，卡车，或者公共汽车，来管理这些移动资产的排放。进一步应该理解的是，此处描述的步骤不应解释为必须以所述或所示的特定顺序执行。还应该理解的是，本发明可以应用附加的或者替换的步骤。

Claims (17)

1.一种用于监视和控制机车发动机排放的系统，包含：

用于确定机车的地理位置的位置确定单元；

用于存储多个预定的发动机排放简档的存储器，针对多个地理位置中的每一个有一个简档；

与该存储器进行通信的处理器，用于访问用于所确定的机车位置的发动机排放简档，和依照对应的发动机排放简档和发动机操作参数生成发动机控制命令；

在机车上的控制单元，用于依照发动机控制命令控制机车的操作，以便依照相应的排放简档限制发动机排放的产生；

用于监视指示由发动机产生的排放的机车排放参数的值的监视单元，和；

存储器，用于存储机车的排放参数值和当发动机排放受监视时的至少一个时间和机车位置。

2.依照权利要求1的系统，进一步包含：

用于传输不在机车上的排放参数值的通信接口；和

远离机车的中央监视系统，用于接收通过通信接口传输的排放参数值。

3.依照权利要求1的系统，其中所述监视单元包含选自由发动机入口空气温度传感器、燃料喷射时序传感器、燃料喷射压力传感器和传感发动机排气特性传感器组成的传感器组中的传感器。

4.依照权利要求1的系统，其中所述监视单元包含：

发动机功率传感器；

发动机速度传感器；和

燃料使用传感器。

5.一种用于监视机车发动机排放的方法：

确定机车位置；

按照机车位置的一个函数确定机车的排放简档；

依照该排放简档控制机车的操作；

依照该排放简档监视机车排放参数值；和

存储排放参数值。

6.依照权利要求5的方法，进一步包含提供排放参数值给不在机车上的中央监视系统。

7.依照权利要求6中的方法，进一步包含在中央监视系统基于排放参数值确定是否遵从排放简档。

8.依照权利要求7的方法，进一步包含在中央监视系统分配排放信用给低于由排放简档所要求的最小值的排放参数值。

9.一种管理在至少两个运行区域内移动的机车的操作的方法，该机车具有至少两个操作的排放简档，机车运行通过的路径包含至少两个运行区域，每个运行区域具有至少一个与之相关联的排放简档，并且一个运行区域的排放简档不同于第二个区域，此方法包含：

监视机车的位置，确定其运行区域；

按照所确定运行区域和相关联排放简档的一个函数来控制机车的操作，该排放简档包含基于其关于排放控制区域的位置对机车操作的限制；和

存储与该机车在该运行区域中的操作相关的机车排放参数值。

10.依照权利要求9的方法，进一步包含：

在该机车上存储排放参数值；并且

周期地下载所存储的排放值。

11.依照权利要求9的方法，进一步包含计算发动机排放速率。

12.依照权利要求9的方法，进一步包含计算在机车位于预定地理区域中的时间内，发动机排放的量。

13.依照权利要求9的方法，其中所述机车是相似机车的车队中的一个机车，此方法进一步包含计算在所选择的时间间隔内，位于预定区域内的该车队的每一个机车的发动机排放量。

14.依照权利要求13的方法，进一步包含控制每一个机车进入、离开和在预定的运行区域内运行的操作，使得每一个机车的发动机排放量不超过预定限制。

15.依照权利要求9的方法，其中，监视包含机车操作员识别机车从一个运行区域到第二个区域的运动。

16.依照权利要求15的方法，其中，控制包含操作员响应于机车从一个运行区域到第二个区域的运动来控制机车的操作。

17.一种包含用于监视机车发动机排放的程序指令的计算机可读介质，该计算机可读介质包含：

用于确定机车位置的计算机程序代码；

用于按照机车位置的函数，来确定机车排放简档的计算机程序代码；

用于依照排放简档控制机车操作的计算机程序代码；

用于依照排放简档监视机车排放参数值的计算机程序代码；

用于存储排放参数值的计算机程序代码。

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