CN1882454A - 控制机车隧道条件下操作的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于控制列车(T)通过隧道的操作的方法。列车具有牵引列车的多个机车(L1－Ln)。确定前导机车相对隧道入口的位置，其为列车进入隧道还需要的时间。当列车接近隧道时，单独将机车设置为通过隧道，设置成为机车工作特性和机车当前操作条件的函数。一旦列车进入隧道，连续监控各机车的工作特性。一个或多个机车的操作要求作为隧道内条件和各机车的当前工作特性的函数进行动态改变。动态改变可保持机车有足够的组合性能，牵引列车通过隧道。当离开隧道时，通过增强热回复，使机车的全操作能力快速恢复。

Description

控制机车隧道条件下操作的方法

技术领域

本发明涉及操作牵引车厢列车的多个机车，具体地，涉及在进入限制空间，如隧道，防雪棚或其他的环境限制区，之前对机车的设置，限制空间可减少机车的燃烧空气和对机车发动机的有效冷却。本发明还涉及在通过隧道，防护棚和其他区域期间机车的操作，以及当离开隧道，防护棚或其他区域时的发动机恢复。

背景技术

参考图1A和图1B，列车T显示出包括用于牵引车厢C的列车的多个发动机或机车L1-Ln。所要求的机车数量是车厢重量的函数，车厢重量包括列车的重量和其装载的货物的吨位。图1A中，显示出机车在列车的前部连接到一起。在图1B，显示出机车位于列车长度的中间。存在两种最常用设置。与机车的设置无关，重要的是所有机车的组合牵引力足够大，在可能遇到的各种运输条件下牵引列车通过希望的路线。

一种经常影响列车操作的情况是通过限制区域，如隧道。隧道长度可从比较短变化到超过两英里长。某些路线隧道很少并且间隔很远。其他一些路线会有许多隧道且间隔非常近。隧道带来两个严重影响机车性能的问题。第一个，因隧道内的限制空间，机车柴油发动机燃烧的空气量受到很大限制。第二，隧道内的空气不能很好地流通，导致的气流减少影响了机车发动机冷却的程度。过热可损坏发动机。通常，当柴油发动机的油温到达大约230，有必要减少发动机的输出功率。这通常称作发动机功率降低。如果油温达到大约240，必须有效地使发动机脱机，使其处于怠速操作模式。

通过隧道期间，参考图1A和图1B，前导机车L1将比机车L2得到更多的空气，机车L2比后面机车得到更多的空气，依此类推。当前导机车通过隧道，其排出的废气充满隧道空间，剥夺了其余机车燃烧所需的空气量。此外，柴油发动机产生的废气带来的热量升高了隧道内温度。当隧道内的温度升高时，使得牵引机车散发的热量减少，因为发动机和大气之间的温度差减小了。结果是，这些机车的温度倾向于比前导机车的对应发动机温度更快上升。

所属领域的技术人员可认识到，上面提到的问题可严重影响货运列车，相对带有较少车厢，重量较小，并以较高速度通过隧道的客运列车，货运列车以相当低的速度(8-10mph)通过隧道。但客运列车也遇到同样的问题。

目前，对于多机车的列车操作，各机车在进入隧道之前单独进行功率降低，各机车的牵引力基于不同因素，如机车的冷却系统的能力，列车通过的海拔高度，环境空气温度以及其他因素。海拔高度很关键，因为隧道的海拔高度越高，氧气越少。环境温度的影响也很大，因为温度越低，为冷却发动机发动机传递到大气中的热量越多。

因为目前的隧道操作涉及单独设置通过隧道的发动机，因为改变机车设置必须进入隧道后进行，由于得到的氧气量，空气循环，隧道的热载荷，机车的操作是无效率的，并可出现故障。目前尚不能在进入隧道前对机车设置进行优化，然后在隧道条件下控制设置改变。另外现在还没有当机车接近隧道出口和离开隧道出口时发动机恢复的优化程序。

发明内容

简单地，本发明涉及一种系统和方法，可用于带有多个机车的列车的各个机车在列车进入限制区域前进行设置，和在列车通过限制区域期间根据遇到的条件重新设置机车，并在机车离开限制区域时促进发动机恢复。

本发明的方法涉及首先向机车提供信息，如隧道入口的位置，如果可能确定前导机车进入隧道的时间。根据本发明，所有的机车在进入隧道之前设置成通过隧道，以分配所要求的牵引力以预定方式牵引列车通过隧道。列车进入隧道后，连续监测隧道条件和各机车的操作条件，确定发动机的性能是否有重大改变。例如，如果机车开始过热，在使另一机车联机的同时可降低其功率，以便保持足够的牵引力，带动列车通过隧道。该方法设计成可动态反应隧道条件这方面的变化。当离开隧道时，本发明的方法可帮助机车快速恢复到希望的操作水平。

这个结果可极大地改进列车在进入隧道前，通过隧道期间和离开隧道后的列车操作效率。

本发明的系统和方法还用来确定什么时候机车进入隧道，即使位置信息未得到；并可响应感应的隧道内和隧道出口处的条件动态重新设置各机车。所述系统和方法可保持足够的全牵引力，使列车尽可能快速地通过隧道，当离开隧道时尽可能快地恢复机车通过隧道期间降低的功率至其全额定功率。该系统和方法可在很大的条件范围操作，包括不一定总能得到隧道入口信息，或隧道内条件不如预期，尤其是当其他列车不久前通过同一隧道，消耗了隧道内的氧气和提升了隧道内的温度。

本发明及其优选实施例的前述和其他目的、特征和优点通过阅读

下面参考附图所进行的介绍可有更清楚的了解。

附图说明

在构成说明书一部分的附图中：

图1A和1B是列车编组顺序的简图；

图2A-2C显示了接近，通过和离开隧道的列车；

图3是机车发动机的控制模式的简化框图；和

图4显示了列车编组中的机车发动机的控制器之间的联系。

所有附图中对应的标记代表对应的部件。

具体实施方式

下面的详细介绍通过示例的方式和非限制的方式说明了本发明。所作介绍使所属领域的技术人员可利用本发明，其介绍了多个实施例，各种适应，变化和不同选择，及本发明的使用，包括了目前认为实施本发明的最佳模式。

本发明涉及列车T通过隧道X，或防雪棚(未显示)或环境限制区(也未显示)。为了方便，在说明和所附权利要求中，隧道一词可视为包括防雪棚和其他环境限制区，其中的机车可缺少燃烧空气和/或冷却能力。

所述列车具有多个车头L1-Ln，如上所述。本发明的系统和方法可分为三个阶段。

首先，因为已经知道隧道形成的限制空间内的条件极大地不同于开放大气中的条件，列车编组中的机车分别在列车进入隧道前设置成通过隧道。这样就要求，如果可能，确定什么时候列车接近隧道的入口，牵引列车通过隧道所要求的预期牵引力，根据预期的隧道条件设置各机车L1-Ln的优选操作条件。

第二，当列车通过隧道时，监测隧道和机车条件。这涉及确定牵引列车通过隧道列车编组所要求的牵引力，建立隧道内各发动机的最大允许操作温度，监测隧道环境温度和隧道内的氧气。如果出现任何机车不能保持牵引列车通过隧道所要求的全牵引力，机车将动态重新设置，以保持必要的牵引力水平。

第三，当离开隧道时，希望尽快将机车恢复到其名义操作条件。这要求确定何时列车接近隧道出口，以及离开隧道后要求的牵引力。然后确定各机车的优选操作设置，以及各机车的发动机额定功率，冷却系统和牵引马达冷却要求。当到达隧道出口，各机车发动机，冷却系统和牵引马达冷却系统受到监测，加速机车恢复到希望的环境操作条件。这包括监测隧道外的环境温度和列车的海拔高度。

在第一阶段，参考图2到4，当列车T在轨道上移动时，其接收到位置信息，包括列车位置和隧道X的入口A的信息。该信息可以由多个来源提供。可来自全球定位系统(GPS)卫星S，和来自轨道旁的设备W，其提供到列车的距离信号，来自沿道路设置的距离标志L，或从耗用时间计算器或类似装置。列车可携带轨道图数据库，通过一个或多个机车上的计算机可进入数据库。数据库带有隧道信息，包括隧道长度，隧道入口和出口的海拔高度，坡度信息。此外，带有需要信息的远程数据库可通过一个或多个机车，利用传统的轨道通讯系统进行访问。除了位置、距离和时间信息，各数据库还包括如到达隧道入口时列车编组中的机车的优选设置的信息，包括各机车希望的牵引力等信息。根据到隧道入口的距离和列车速度可计算时间，使得在到达入口之前有足够的时间来完成机车设置。

当列车到达距隧道X的入口A的预定距离D时，主控制器MC(见图3)开始设置各列车机车L1-Ln为通过隧道。主控制器MC连接到所有的发动机控制器，以控制各列车发动机的操作，进入隧道前预先设置机车，当列车通过隧道时重新设置机车，当离开隧道时帮助恢复机车设置。所属领域的技术人员应知道，主控制器的执行主要通过现有控制器R中的软件，或通过单独的单元，如与控制器R1-Rn互连的PC基单元。操作中，主控制器考虑到各机车的性能，前面讨论过的环境因素，以及以希望的速度牵引给定载荷所要求的全部牵引力，列车位置和速度，海拔高度，滑动性，方向，各机车在列车编组中的位置，机车整体性能，和其他相关信息等因素。

控制器使用来自一个或多个上述来源的信息。如图3所示，各机车的发动机E受到各自控制器R的控制。各控制器R可变化发动机操作所根据的输入。其中包括机车牵引的载荷，发动机冷却系统的温度，发动机的排放水平，操作的发动机所在的海拔高度，以及环境空气温度。如图4所示，根据本发明的系统和方法，机车L1-Ln的控制器R1-Rn现在连接到一起，各机车的操作条件可与其他的机车共同考虑。控制器之间的互相连接是双向的，可通过许多方式来实现。连接方式可以是射频连接，计算机调制解调器，电话连接等。很重要的是，在隧道的预进入阶段开始时，各发动机的当前性能要尽可能准确了解。

各机车根据上面提到的各种因素单独重新设置。所属领域的技术人员应知道，各机车L1-Ln可与列车中的其他机车不同。各机车可具有不同的负荷，牵引力和最大速度，操作变化的反应时间，最大允许操作温度和压力，及发动机的冷却系统，和机车的牵引马达。其他因素包括总载荷，环境空气条件，列车所在的海拔高度，排放水平(NO_x，HC，PM)等。由于机车在进入隧道前在开放环境中操作，对燃烧所用空气量没有限制。从发动机和其冷却系统散发到大气中的热量是环境空气温度的函数，温度越高，散发的热量越少。通过综合设置所有的机车，很容易考虑到这些因素，在进入隧道之前优化机车的设置。

尽管本发明的系统和方法可利用位置信息确定前导机车L1相对隧道入口A的距离，但这个信息并不总是能得到。尽管这样，本发明的系统和方法仍可在前导机车进入隧道时动态设置列车编组中的机车。在这种情况下，进入隧道的列车首先由传感器进行探测，向前导机车的控制器R1提供信息，如感测环境空气温度的变化。温度传感器反射很陡的温度梯度，表示隧道外和隧道内有明显温度差。或者当列车进入隧道时，列车编组中的尾机车开始探测到由于前面讨论的原因冷却系统温度上升。由于缺少位置信息可排除在进入隧道前预先冷却发动机和根据操作模型设置(减少功率)一个或多个机车，根据这些感测到的变化，本发明将允许动态改变发动机操作。主控制器MC，响应控制器R1-Rn的输入，可同步设置各机车，继续通过隧道。

由于各控制器R只用于控制安装了控制器的机车的操作，各机车在进入隧道前和通过隧道期间都单独设置成隧道操作。如果机车未能适当设置，或隧道条件不如预期，机车的性能将与预期的有很大变化，导致发动机过热，过多的燃料消耗，并可能出现故障。

考虑到位置和其他相关信息，优化各机车成通过隧道，包括：尽量冷却发动机和牵引马达，以尽量减少发动机内油和水的温度，以及牵引马达温度。环境操作条件，如所提到的，将影响实现的冷却量。如前面所介绍的，因为隧道内限制空间和缺少空气流通，隧道内的温度将大大高于隧道外的环境空气温度。进入隧道X前将发动机和其牵引马达冷却到较低的操作温度(预冷却)增加了机车不过热通过隧道的可能性。改变发动机的功率也很重要。减少发动机的操作温度也可通过减少输出降低一个或多个机车的功率来实现。这包括设置机车于怠速状态，其几乎不产生牵引力。

当进入隧道T，带有三个或多个机车L的列车编组一般会遇到下面的操作限制：

首先，由于前导机车L1消耗空气，只有一部分(大约40％到60％的初始氧气可被尾机车用于燃烧。这同样又影响到前两个以后的所有机车的负载牵引能力或“1承载额”，尤其是当隧道很长时。根据本发明，通过减少前导机车相对尾机车的空气消耗量可减轻这个可能发生的问题。

接下来，前导机车产生的热废气将加热尾机车，造成空气歧管效率降低以及使冷却系统加热。这又将限制尾机车的牵引力。前面假设列车速度使得大部分，如果不是全部，的废气向后排出。对于速度超过3-9mph的列车通常会发生这种情况。

对于图1A显示的列车T，例如，可想到所有的机车L最初提供基本平衡的牵引力，但当处于隧道中间时其能力将受到影响。

前导机车L1的性能将不会受到严重影响(功率降低)，因为有足够的空气进行燃烧，并且没有循环的热废气。由于来自机车L1的热废气的流动循环，机车L2的功率将开始降低，但不是因为缺少氧气。机车L3-Ln的性能将受到缺少氧气和热废气流通的影响。

最好对列车编组中的机车牵引列车以预定方式通过隧道的牵引力进行分配。根据本发明的方法，通过主控制器MC对控制器R1发出指令，在进入隧道前保持机车L1具有最大功率输出，使一个或多个尾部机车单元(预计氧气不足的)处于怠速状态。未处于怠速的机车设置成提供最大牵引力。但是，由于一旦进入隧道将面对温度增加，其他机车的性能将下降。

对于图1A的列车，如上面所提到的，只有前导机车有足够的氧气使用，机车L1和L2设置成全牵引力，而机车L3-Ln设置成怠速状态。或者，机车设置成，当进入隧道X时，机车L1可以全牵引力操作。下一个机车L2设置成怠速状态。再下一个机车L3也设置成全牵引力操作。其余的机车L4-Ln设置成怠速。在各种情况下，前导机车L1保持全牵引力通过隧道X；而第二个操作的机车(在第一示例中是机车L2，在第二示例中是L3)降低功率，因为温度关系。所属领域的技术人员应当知道实施策略要考虑到机车在列车中的位置，以便分配所需的牵引力。位于机车之间的车厢C实际上有助于补充隧道中的氧气，以及减少隧道的温度，因为车厢提供了机车之间的空间。因此，如果图1B的列车编组中有4个机车，机车L1和L4可具有全功率，而机车L2，L3设置成怠速。因为机车L1和L4之间大量车厢形成的隧道壁冷却作用，这两个机车可保持全功率通过隧道。

重要的地方在于，本发明的特征可动态响应通过隧道X所遇到的条件改变发动机的设置。所属领域的技术人员应理解在某个位置感应到或监测的信息可推导确定另一位置的操作条件的信息。例如，如果第一示例中的机车L2的冷却温度开始增加到机车必须减少功率的数值，主控制器MC响应不同控制器R1-Rn的输入信息，可同步使机车L2处于怠速状态，从而导致机车L3从怠速状态回到全牵引功率。目前这还不能动态实现。或者，主控制器降低机车L2的功率到较低的工作水平，同时使不止一个其他怠速机车联机。此外，根据本发明的方法，这些动作可同时进行，动态响应传感的隧道内条件，预先确定相对各发动机的最大操作温度的标准。总之，本发明的系统和方法适用于三个机车或更多的列车编组。结果是保持车辆的总牵引力，足以使列车通过隧道X，各机车的设置可动态调整(作为得到和消耗的氧气、隧道长度、坡度、全载荷和隧道内环境的函数，隧道环境包括空气流，内部热发散和海拔高度)以得到该结果。

当通过出口B离开隧道T时，本发明的系统和方法可用来使所有机车恢复到希望的操作设置。可通过不同方式来确定离开隧道X。一个方式是监测列车通过隧道的速度。因为通过列车速度可知道隧道的长度，主控制器MC可容易计算出前导机车L1还有多长距离到达出口B，然后是其他机车的到达时间。另一个方式是通过前导机车从隧道内的高温进入隧道外相对冷的空气中所出现的陡温度梯度。不论如何确定，根据已知或预计的隧道外的条件，可确定各机车的牵引力。该确定包括当前的操作状态，各机车当前的牵引力和通过隧道期间是如何操作。这些确定，如应开始变化设置的时间，在车上进行。

可通过各种方式实现机车的恢复时间减少。一种方式是将列车编组内的任何怠速机车转换为全牵引力，或是在刚离开隧道时，或当机车接近出口时。例如，怠速的机车可在其怠速开始10秒钟，或在到达出口前的预定时间开始加速。在怠速或接近怠速的机车开始提高到其全牵引力的同时，这些已经在这个水平或接近这个水平下操作的机车开始降低功率。因此，如果机车L1和L2已经在其全功率下操作，机车L3已经是怠速，当机车L3到达距隧道出口B为10秒钟的点，主控制器MC指令机车开始增加操作能力，同时机车L1和L2开始降低功率。由于列车离开隧道时有限氧气不再成为关心的问题。机车L3应能够快速到达其全功率并保持。因为隧道内废气导致的热效应，使得机车有时需要数分钟(一般为3到5分钟)才能到达希望的操作水平。但是，通过到达隧道出口B之前预先增加一个或多个机车到其全功率，同时减少这些已经在全功率或接近全功率下操作的机车的功率，可缩短这些机车完全恢复的时间，并且不会严重影响机车的整体组合牵引力。

在另一示例中，机车L1降低功率通过隧道，而机车L2和L3设置成通过隧道时以全功率操作。如果通过隧道时，因为前面讨论的条件机车L3的功率要降低，本发明的系统和方法使机车L3的功率降低，使机车L1的功率上升到全功率。这样可使得机车L1在列车T离开隧道X之前达到全功率，使得列车刚离开隧道时达到全牵引力。此外，所属领域的技术人员应理解当离开隧道X时，机车L3的恢复是其热回复的函数，而不是氧气缺少的函数。

本发明的系统和方法提供了列车编组控制的灵活性，这是以前隧道操作所不具有的。此外，这是因为具有了动态响应感应的列车操作条件的能力，可根据通过隧道期间感应的机车操作条件同步重新设置列车编组中的机车；以及预计能力，允许在进入隧道前和离开隧道前适当设置机车。除了前面的示例，本发明的系统和方法可在很大的机车设置范围内操作。

本发明的系统和方法的实施可包括准备时间表，储存到主控制器，其包括涉及地理区域内所有路轨隧道的信息，例如在美国，加拿大，墨西哥等地理区域的信息。对于各隧道，隧道两端的GPS坐标可输入，以及如隧道内的坡度等信息。一旦知道列车的路线，主控制器可预先根据隧道位置信息计划机车的设置。

最后，尽管已经通过三个或更多机车的列车编组对本发明的系统和方法进行了介绍，所属领域的技术人员应当知道本发明的一部分，如进入隧道之前预先冷却机车，也可用于单个和双机车列车编组，这未脱离本发明的范围。还应当知道，这个策略还可应用于其他结构或系统，其中的操作要考虑空气流动和热发散。

总之，应当看到本发明的多个目的已实现，并得到其他优良的结果。可对上面的结构进行各种改变，这未脱离本发明的范围，希望上面介绍的或附图显示的所有内容都应视作说明性的，没有限制性的含义。

Claims (10)

1.一种按照运输计划控制带有多个机车(L1-Ln)的列车(T)通过隧道的方法，所述方法包括：

当列车接近隧道入口(A)，设置准备通过隧道的列车的至少一个选择机车的预定操作性能；

当列车通过隧道时，监测隧道内的条件和所选择机车的性能，包括所选择机车设置的操作性能作为监测的隧道内条件和所选择机车在隧道内的性能的函数进行动态改变，使得牵引力足以根据运输计划牵引列车通过隧道，并优化机车的性能；和

当列车接近隧道的出口(B)时，重新设置所选择机车的操作性能，帮助所选择机车从通过隧道的状态恢复。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，当列车接近、通过和离开隧道的同时，改变所选择机车的设置。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括确定列车相对隧道出口的位置，在机车到达隧道出口之前，设置所选择的机车从通过隧道的状态恢复。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括，在各机车到达隧道入口之前，改变各机车的操作条件为希望的操作条件。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，各机车的希望操作条件包括机车发动机的额定功率，发动机冷却系统的工作温度，机车牵引马达的冷却，和其他机车牵引力等当中至少一个。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，调整各机车的性能包括从名义操作水平减少功率输出来降低机车功率，包括设置机车于怠速转动。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过监测提供给机车的路旁距离信号，全球定位系统(GPS)向机车提供信息，访问保持在机车上的轨道图数据库，其包括隧道内预期条件的数据库；或探测当机车进入隧道时出现的环境温度变化等其中至少一种，确定列车相对隧道入口的位置和机车到达入口的时间，从而当列车接近隧道的入口时，将机车设置成通过隧道。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，监测隧道内的条件和动态改变所选择机车的工作特性还包括对其他机车的工作特性作为监测的隧道内的条件和隧道内各机车当前性能的函数进行动态改变，以便有足够的牵引力，根据运输计划牵引列车通过隧道，并优化各机车的性能。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括根据监测的条件和各机车的性能同步改变各机车的设置，包括作为氧气消耗量，气流，内部热量发散，隧道长度，坡度，全部负荷，外部热发散和海拔高度的函数，调节机车的工作特性。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当机车接近隧道的出口，重新设置选择机车的工作特性，其包括：

当列车位于隧道内，确定机车当前的操作条件；

确定列车离开隧道时机车希望的操作条件，离开隧道时帮助机车从通过隧道的状态恢复，尽快达到希望的离开隧道后设置；

确定机车到达隧道出口的时间或距离；和

当列车到达隧道出口的时间或距离内，改变机车的工作特征，达到希望的操作条件。

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