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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft die Optimierung eines Kraftsystems und die Überwachung
und Steuerung des Fahrzeugbetriebs, um die Effizienz zu verbessern
und dabei gleichzeitig Randbedingungen seitens des Fahrplans zu
genügen.
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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Lokomotiven
und andere Kraftsysteme sind komplexe Systeme mit zahlreichen Untersystemen,
wobei jedes Untersystem von anderen Untersystemen unabhängig ist.
Ein Führer
befindet sich an Bord einer Lokomotive, um die ordnungsgemäße Betriebsweise
der Lokomotive und ihrer zugehörigen
Last der Güterwagen sicherzustellen.
Zusätzlich
zur Sicherung eines ordnungsgemäßen Betriebs
der Lokomotive ist der Führer
ferner für
die Bestimmung der Betriebsgeschwindigkeiten des Zuges und der Kräfte innerhalb
des Zuges, von dem die Lokomotiven einen Teil bilden, verantwortlich.
Um diese Aufgabe zu erfüllen,
muss der Führer
allgemein eine umfangreiche Erfahrung mit dem Führen der Lokomotive und verschiedener
Züge über das
bestimmte Gelände
haben. Dieses Wissen wird benötigt,
um die vorgebbaren Betriebsgeschwindigkeiten einzuhalten, die mit
der Zugposition entlang der Strecke variieren können. Darüber hinaus ist der Führer ferner
dafür verantwortlich,
dass sichergestellt ist, dass Kräfte
in dem Zug innerhalb zulässiger
Grenzen bleiben.
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Selbst
mit dem Wissen, um einen sicheren Betrieb sicherzustellen, kann
der Führer
jedoch die Lokomotive gewöhnlich
nicht derart betreiben, dass der Kraftstoffverbrauch für jede Reise
minimiert wird. Andere Faktoren, die berücksichtigt werden müssen, können z.
B. Emissionsausstoß,
Umgebungsbedingungen des Führers,
wie Geräusch/Vibration,
eine gewichtete Kombination aus Kraftstoffverbrauch und Emissionsausstoß, etc.,
enthalten. Dies ist schwierig zu machen, weil, als ein Beispiel,
die Größe und Beladung
von Zügen variieren,
Lokomotiven und ihre Kraftstoff-/Emissionseigenschaften unterschiedlich
sind und Wetter- und Verkehrsbedingungen variieren. Die Führer könnten einen
Zug effizienter betreiben, wenn sie mit einer Einrichtung versehen
werden würden,
um die beste Möglichkeit
zum Antreiben des Zugs an einem gegebenen Tag zu bestimmen, um einen
erforderlichen Fahrplan (eine Ankunftszeit) einzuhalten und dabei
die geringstmögliche Menge
an Kraftstoff einzusetzen, trotz der Quellen der Variabilität.
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Ein
Verfahren zur Bestimmung der besten Art und Weise, um ein geländetaugliches
Fahrzeug oder ein Wasserfahrzeug anzutreiben oder ein stationäres Kraftwerk
zu betreiben, ist in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
2007/0225878 mit dem Titel „Trip
Optimization System and Method for a Train” (”Reiseoptimierungssystem und
-verfahren für
einen Zug”)
beschrieben, die auf die Anmelderin der vorliegenden Erfindung lautet.
Während
das darin beschriebene Verfahren für eine optimale Planung vor
dem Reisebeginn und ständige
Aktualisierungen sorgt, besteht ein Bedarf nach einer Optimierung
des Fahrzeugbetriebs in Gegenwart von dynamischen Ereignissen während einer
Reise.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Diese
und weitere Unzulänglichkeiten
des Standes der Technik werden durch die vorliegende Erfindung angegangen,
die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Kraftsystemsbetriebs
in Abhängigkeit
von dem Auftreten dynamischer Ereignisse liefert. In einer Ausführungsform
werden Zug- oder Fahrzeugverkehrssteuerobjekte, wie beispielsweise
Signale und Schalter, zu dynamisch bestimmbaren Geschwindigkeitszielen
für ein
automatisches System zum Betreiben eines Zugs oder Fahrzeugs oder
ein Gas-Kraftstoff-Optimierungssystem. An diesen Zielen zugelassene Änderungen
der Geschwindigkeit lösen eine
Umplanung des Geschwindigkeitsprofils aus, und der Zug wird anschließend derart
gesteuert, dass er sich innerhalb konfigurierbarer Randbedingungen
dem Ziel annähert.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern des Betriebs
eines Kraftsystems, das wenigstens eine Verbrennungsantriebseinheit
aufweist, geschaffen. Das Verfahren enthält: (a) Identifizieren mehrerer
diskreter potentieller dynamischer Ereignisse; (b) für jedes
potentielle dynamische Ereignis, Berechnen eines Optimierungsprofils,
das Leistungseinstellungen für
das Kraftsystem beschreibt, die befolgt werden sollen, um wenigstens
einen Betriebsparameter der wenigstens einen Antriebseinheit zu
optimieren; (c) Auswahl eines der Optimierungsprofile auf der Basis
des potentiellen dynamischen Ereignisses mit der höchsten momentanen
Wahrscheinlichkeit; und (d) Betreiben des Systems entsprechend dem
ausgewählten
Optimierungsprofil.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Steuerungssystem zum Betreiben
eines Kraftsystems geschaffen, das wenigstens eine Verbrennungsantriebseinheit
aufweist, wobei das Steuerungssystem enthält: (a) wenigstens einen Sensor,
der betrieben werden kann, um Signale zu erzeugen, die für wenigstens einen
Betriebsparameter des Kraftsystems kennzeichnend sind; (b) einen
Kommunikationskanal, der betrieben werden kann, um externe Informationen
kennzeichnende Daten zu dem Steuerungssystem zu liefern; und (c)
einen Prozessor, der mit dem wenigstens einen Sensor und dem Kommunikationskanal
gekoppelt ist, wobei der Prozessor programmiert ist, um: (i) mehrere
diskrete potentielle dynamische Ereignisse zu identifizieren; (ii)
für jedes
potentielle dynamische Ereignis ein Optimierungsprofil zu berechnen,
das Leistungseinstellungen für
das Kraftsystem beschreibt, die befolgt werden sollen, um wenigstens
einen Betriebsparameter der wenigstens einen Antriebseinheit zu
optimieren; und (iii) einen der Optimierungsprofile auf der Basis
des potentiellen dynamischen Ereignisses mit der höchsten momentanen
Wahrscheinlichkeit auszuwählen.
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Es
sollte verstanden werden, dass die Prinzipien der vorliegenden Erfindung
in weitem Sinne auf jedes beliebige Kraftsystem anwendbar sind,
das eine Antriebseinheit enthält,
die verwendet wird, um Antriebsleistung zu einer anderen Komponente
in einem Fahrzeug oder System zu liefern. Zu nicht beschränkenden
Beispielen von Kraftsystemen gehören
Züge oder
andere Schienenfahrzeuge, geländetaugliche
Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge und stationäre Kraftwerke, worin eine zeitveränderliche
Optimierung durchgeführt
wird und sich die Optimierungsziele ändern können. In dem hierin verwendeten
Sinne umfasst der Ausdruck „geländetaugliches
Fahrzeug” Fahrzeuge,
wie beispielsweise Muldenkipper oder andere Bau- oder Baggerfahrzeuge,
landwirtschaftliche Fahrzeuge und dergleichen. Die Optimierungsprinzipien
und dynamische Steuerungsveränderungen,
wie sie hierin beschrieben sind, können auf einem Systemniveau
für einen
elektrischen oder magnetischen Antrieb, mechanischen Antrieb und
einen Luft- oder Flüssigmediumdruck
basierten Antrieb angewandt werden. In dem hierin verwendeten Sinne
um fasst der Ausdruck „Antriebseinheit” (bzw. „Krafteinheit”) im weiten
Sinne Vorrichtungen, wie beispielsweise Verbrennungskraftmaschinen
(z. B. Dieselantriebsmotoren), batterie- oder kondensatorbasierte
Speichersysteme, Oberleitungs- oder Stromschienenquellen, durch
Windkraft angetriebene Generatorsysteme, durch Wellenkraft oder
Wasserkraft angetriebene Generatorsysteme, durch Photovoltaikenergie
angetriebene Generatorsysteme, durch Infrarotenergie angetriebene
Generatorsysteme und dergleichen. Die Antriebseinheit kann sich
intern oder extern in Bezug auf das Kraftsystem befinden. Zum Beispiel
kann eine externe Antriebseinheit ein passives oder aktives Fahrzeug
auf einer Führungsbahn
bewegen. Beispiele sind Magnetschwebebahnen, seilbetriebene Straßenbahnen
und Standseilbahnen, Fördersysteme
und Luftschlauchsysteme. Demgemäß ist es
verständlich,
dass in der nachfolgenden Beschreibung Bezugnahmen auf Züge oder
Lokomotiven lediglich veranschaulichende Beispiele bilden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung kann am besten verstanden werden, indem auf die folgende
Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungsfiguren Bezug
genommen wird, in denen zeigen:
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1 eine
schematisierte Ansicht eines Zugs, der eine Vorrichtung zur Ausführung eines
Beispiels des Verfahrens gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält;
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2 ein
Blockschaltbild, das die Funktionskomponenten einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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3 ein
Blockschaltbild, das ein Zugsteuerungsverfahren gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
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4 ein
Flussdiagramm, das ein Optimierungsverfahren gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen, in denen identische Bezugszeichen überall in
den verschiedenen Ansichten die gleichen Elemente bezeichnen, sind
nachstehend beispielhafte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Erfindung kann auf vielfältige Weise
realisiert werden, einschließlich
als ein System (einschließlich
eines Computerverarbeitungssystems), ein Verfahren (einschließlich eines
Computer gestützten
Verfahrens), eine Vorrichtung, ein Computer lesbares Medium, ein
Computerprogrammprodukt, eine graphische Bedienoberfläche, einschließlich eines
Webportals, oder eine Datenstruktur, die konkret in einem Computer
lesbaren Speicher fixiert ist. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
sind nachstehend beschrieben.
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1 zeigt
einen beispielhaften Zug 31, auf den das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung angewandt werden kann. Obwohl dies aus Gründen der
Darstellungsübersichtlichkeit
nicht veranschaulicht ist, versteht es sich, dass der Zug 31 eine
Verbrennungsantriebseinheit enthält,
die betrieben werden kann, um auf eine bekannte Weise Antriebsleistung
zu einer oder mehreren weiteren Komponenten des Zugs 31 zu
liefern. Zum Beispiel kann diese die Zugräder über ein mechanisches Getriebe
antreiben. Gewöhnlich
würde die Antriebseinheit
durch einen oder mehrere Diesel-Motoren gebildet sein, die in der
Lokomotivengruppe 42 montiert und mit einem oder mehreren
Generatoren gekoppelt sind. Die Generatoren sind wiederum mit einem elektrischen
Energiespeichersystem (z. B. Batterien) und/oder elektrischen Fahrmotoren
an den Zugrädern verbunden.
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Es
ist ein Positionsgeberelement 30 vorgesehen, um eine Position
des Zugs 31 zu bestimmen. Das Positionsgeberelement 30 kann
ein mit einem globalen Positionierungssystem 35 ver bundener
Sensor oder ein System von Sensoren sein, die einen Lagerort des
Zugs 31 bestimmen. Beispiele für weitere Systeme können einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
Vorrichtungen am Straßenrand,
wie beispielsweise Etiketten zur automatischen Hochfrequenz-Identifizierung
von Ausrüstungen
(RF-AEI-Tags), Abfertigungs- und/oder Videobestimmung, enthalten.
Ein weiteres System kann das (die) Tachometer an Bord einer Lokomotive
und Streckenberechnungen von einem Referenzpunkt aus enthalten.
Es kann auch ein drahtloses Kommunikationssystem 47 vorgesehen
sein, um Kommunikationsverbindungen zwischen Zügen und/oder mit einer entfernten
Stelle, wie beispielsweise einem Zugabfertigungsleiter, zu ermöglichen.
Informationen über
Reisepositionen können
auch von anderen Zügen übermittelt
werden.
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Ein
Streckencharakterisierungselement 33 liefert Informationen über eine
Strecke, in erster Linie Gefälle-
und Steigungs- sowie Krümmungsinformationen.
Das Streckencharakterisierungselement 33 kann eine bordeigene
Streckenintegritätsdatenbank 36 enthalten.
Sensoren oder Datengeneratoren 38 werden verwendet, um
eine Antriebskraft 40, wie sie durch die Lokomotivengruppe 42 geliefert
wird, eine Gaseinstellung der Lokomotivengruppe 42, Konfigurationsinformationen
der Lokomotivengruppe 42, Geschwindigkeit der Lokomotivengruppe 42,
individuelle Lokomotivenkonfiguration, individuelle Leistungsfähigkeit
der Lokomotive, etc., zu messen oder zu schätzen. In einer beispielhaften
Ausführungsform
können
Konfigurationsinformationen der Lokomotivengruppe 42 geladen
werden, ohne einen Sensor 38 einzusetzen, sondern indem
sie durch andere Methoden, wie oben beschrieben, eingegeben werden.
Außerdem
kann der Einsatzzustand der Lokomotiven in der Gruppe ebenfalls
berücksichtigt
werden. Es ist zu verstehen, dass der Sensor oder Antriebskraft-Datengenerator
in diskreter Form vorliegen kann oder den erforderlichen Wert auf
der Basis von Daten von ande ren Fahrzeugparametern ableiten kann.
Zum Beispiel kann die Antriebskraft durch Messen der durch die Antriebsmaschine
verbrauchten Kraftstoffmenge und Subtrahieren der durch jede an
diese angeschlossene Hilfsvorrichtung genutzten Leistung abgeleitet
werden.
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1 offenbart
ferner weitere Elemente, die ein Teil einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung bilden können.
Es ist ein Prozessor 44 vorgesehen, der betrieben werden
kann, um Informationen von dem Positionsgeberelement 30,
dem Streckencharakterisierungselement 33 und den Sensoren 38 zu
empfangen. Ein Algorithmus 46 läuft innerhalb des Prozessors 44 ab.
Der Algorithmus 46 wird verwendet, um einen optimierten
Fahrplan auf der Basis von Parametern zu berechnen, die die Lokomotive 42,
den Zug 31, die Strecke 34 und Aufgaben des Einsatzes
umfassen, wie vorstehend beschrieben. In einer beispielhaften Ausführungsform
wird der Fahrplan auf der Basis von Modellen für das Zugverhalten, während sich
der Zug 31 entlang der Strecke 34 bewegt, als
eine Lösung
von nichtlinearen Differentialgleichungen errichtet, die aus der Physik
mit vereinfachenden Annahmen, die in dem Algorithmus vorgesehen
werden, hergeleitet werden. Der Algorithmus 46 hat Zugriff
auf die Informationen von dem Positionsgeberelement 30,
dem Streckencharakterisierungselement 33 und/oder den Sensoren 38,
um einen Fahrplan zu schaffen, der den Kraftstoffverbrauch einer
Lokomotivengruppe 42 minimiert, Emissionen einer Lokomotivengruppe 42 minimiert,
eine gewünschte Streckenzeit
festlegt und/oder die richtige Arbeitszeit der Mannschaft an Bord
der Lokomotivengruppe 42 sicherstellt. In einer beispielhaften
Ausführungsform
ist ferner ein Fahrer, Fahrerberater und/oder Steuerungselement 51 vorgesehen.
Wie hierin erläutert,
wird das Steuerungselement 51 verwendet, um den Zug zu
steuern, während
dieser dem Fahrplan folgt. In einer beispielhaften Ausführungsform,
wie sie hierin weiter beschrieben ist, nimmt das Steuerungselement 51 Entscheidungen
in Bezug auf den Zugbetrieb autonom vor. In einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform
kann ein Fahrer oder Führer
mit dem Führen
des Zugs befasst sein, um den Fahrplan zu befolgen.
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2 zeigt
eine schematisierte Darstellung der Funktionselemente einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Eine entfernte Einrichtung, wie beispielsweise
ein Zugabfertigungsleiter 60 (siehe auch 1)
kann Informationen zu dem Zug 31 liefern. Wie veranschaulicht,
werden derartige Informationen zu einem leitenden Steuerelement 62 geliefert.
Ferner werden zu dem leitenden Steuerelement 62 Informationen von
einer Lokomotivenmodellierungs-Informationsdatenbank 63 („Lokomotivenmodelle”), Informationen
von einer Streckendatenbank 36 („Segmentdatenbank”), wie
beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Streckensteigungsinformationen
und Geschwindigkeitsbegrenzungsinformationen, geschätzte Zugparameter,
wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Zuggewicht und Widerstandsbeiwerte,
sowie Kraftstoffverbrauchstabellen von einer Kraftstoffverbrauchs-Schätzeinrichtung 64 geliefert.
Das leitende Steuerelement 62 liefert Informationen zu
einem Planer 12, der in größeren Einzelheiten in 3 offenbart
ist, um einen Fahrplan vorzubereiten. (Wie verstanden werden sollte,
kann der Planer 12 den Prozessor 44 und den Algorithmus 46, wie
sie in 1 veranschaulicht sind, aufweisen oder einen Teil
derselben bilden.) Sobald der Fahrplan berechnet worden ist, wird
der Plan zu einem Fahrberater, Fahrer oder dem Steuerungselement 51 geliefert.
Der Fahrplan wird ferner zu dem leitenden Steuerelement 62 geliefert,
so dass dieses die Reise vergleichen kann, wenn weitere neue Daten
geliefert werden.
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Wie
oben erläutert,
kann der Fahrberater oder das Steuerungselement 51 automatisch
eine Stufenleistung, entweder eine im Voraus festgelegte Stufeneinstellung
oder eine optimale kontinuierliche Stufenleistung, festlegen. Zusätzlich zu
der Lieferung eines Geschwindigkeitsbefehls an die Lokomotive 31 ist
in dem Falle eines Fahrberaters 51, der auf der Basis des
Fahrplans zu befolgende Steuerungseinstellungen für den Führer empfiehlt,
eine Anzeige 68 vorgesehen, so dass der Führer sehen
kann, was der Planer 12 empfohlen hat. Der Führer hat
ferner Zugriff auf ein Bedienfeld 69. Über das Bedienfeld 69 kann
der Führer
entscheiden, ob die empfohlene Leistungsstufe anzuwenden ist. Zu
diesem Zweck kann der Führer
eine beabsichtigte oder empfohlene Leistung begrenzen. Das heißt, zu jeder
Zeit hat der Führer
stets die letzte Verfügungsgewalt
darüber,
mit welcher Leistungseinstellung die Lokomotivengruppe arbeiten
wird. Dies umfasst die Entscheidung, ob ein Bremsen anzuwenden ist,
falls der Fahrplan eine Verlangsamung des Zugs 31 empfiehlt.
Im Falle eines Betriebs auf einem dunklen Gelände (z. B. einem Streckenabschnitt
ohne Signale) oder wenn Informationen von einer Ausrüstung am
Wegrand nicht in elektronischer Weise als Information zu einem Zug übermittelt
werden können
und stattdessen der Führer
visuelle Signale von der Wegerandausrüstung sieht, gibt der Führer beispielsweise
Befehle auf der Basis von Informationen, die in der Streckendatenbank
enthalten sind, und visuellen Signalen von der Wegerandausrüstung ein.
Basierend darauf, wie der Zug 31 funktioniert, werden Informationen
in Bezug auf eine Kraftstoffmessung zu der Kraftstoffverbrauchsschätzeinrichtung 64 geliefert.
Da in einer Lokomotivengruppe eine unmittelbare Messung des Kraftstoffdurchsatzes
gewöhnlich
nicht zur Verfügung
steht, werden alle Informationen über den soweit während einer
Reise verbrauchten Kraftstoff und Projektionen in die Zukunft nach
optimalen Plänen
unter Verwendung kalibrierter physikalischer Modelle erhalten bzw.
vorgenommen, wie beispielsweise derjenigen, die bei der Entwicklung
der optimalen Pläne
eingesetzt werden. Solche Vorhersagen können beispielsweise, jedoch
nicht darauf beschränkt,
die Verwendung der gemessenen Bruttoleistung und bekannter Kraftstoffcharakteristika
enthalten, um den kumulierten verbrauchten Kraftstoff herzuleiten.
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Der
auf die oben beschriebene Weise ausgerüstete Zug 31 kann
entsprechend einer Reiseplanung und einem Optimierungsverfahren
betrieben werden, wie es in der oben erwähnten US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
2007/0225878 beschrieben ist. Ein Beispiel für ein derartiges Verfahren
ist in 3 veranschaulicht. Instruktionen werden spezifisch
zur Planung einer Reise entweder an Bord oder von einer entfernten
Stelle, wie beispielsweise einer Abfertigungsleitstelle 10,
eingegeben. Derartige eingegebene Informationen enthalten, ohne
darauf beschränkt
zu sein, Zugposition, Gruppen- bzw. Bestandsbeschreibung (beispielsweise
Lokomotivenmodelle), Lokomotivenleistungsbeschreibung, Leistungsverhalten
der Lokomotivenkraftübertragung,
Motorkraftstoffverbrauch als Funktion der Ausgangsleistung, Kühleigenschaften,
die beabsichtigte Reiseroute (die effektive Reisesteigung und -krümmung als
Funktion der Meilensteine oder eine Komponente der „effektiven
Steigung”,
die die Krümmung
nach standardgemäßen Eisenbahnpraktiken
wiedergibt), den Zug, der durch die Fahrzeugaufmachung und Beladung
gemeinsam mit den effektiven Widerstandskoeffizienten repräsentiert
ist, gewünschte
Parameter der Reise, einschließlich,
jedoch nicht darauf beschränkt,
der Startzeit und -position, der Endposition, der gewünschten
Reisezeit, der Identifikation der Besatzung (Nutzer und/oder Führer), Restzeit
bis zum Mannschaftswechsel, und die Route.
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Diese
Daten können
zu der Lokomotive 42 auf vielfältige Art und Weise geliefert
werden, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, durch
einen Führer,
der diese Daten über
eine Anzeige an Bord in die Lokomotive 42 manuell eingibt,
durch Einführen
einer Speichervorrichtung, wie bei spielsweise einer Festplattenkarte
und/oder eines USB-Laufwerks,
das die Daten enthält,
in eine Buchse an Bord der Lokomotive, und durch Übertragung
der Informationen über
eine drahtlose Kommunikation von einer Zentrale oder einer wegerandseitigen
Stelle 41, wie beispielsweise einer Streckensignalisiervorrichtung
und/oder einer Wegerandvorrichtung, zu der Lokomotive 42.
Die Lasteigenschaften der Lokomotive 42 und des Zugs 31 (z.
B. Luftwiderstand) können
sich auch im Laufe der Route, z. B. mit der Höhe, der Umgebungstemperatur
und dem Zustand der Schienen und Triebwagen, verändern. Die Effizienz des Fahrzeugs
ist auch durch weitere externe Faktoren, wie beispielsweise in einem
Tunnel angetroffene Luftdifferenzdrücke, beeinflusst. Der Plan
kann aktualisiert werden, um derartige Veränderungen wiederzugeben, wie
dies durch jedes der vorstehend beschriebenen Verfahren und/oder
durch autonome Erfassung von Lokomotiven-/Zugbedingungen erforderlich
sein kann. Dies enthält
z. B. Veränderungen
der Lokomotiven- oder Zugeigenschaften, wie sie durch eine Überwachungsausrüstung an
oder außer
Bord der Lokomotive(n) 42 erfasst werden.
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Das
Streckensignalsystem bestimmt die zulässige Geschwindigkeit des Zugs.
Es gibt verschiedene Arten von Streckensignalsystemen und den Betriebsregeln,
die mit jedem der Signale verbunden sind. Zum Beispiel haben einige
Signale ein einzelnes Licht (ein/aus), während einige Signale eine einzelne
Linse mit mehreren Farben aufweisen und einige Signale mehrere Lichter
und Farben aufweisen. Diese Signale können anzeigen, dass die Strecke
frei ist und der Zug mit der maximal zulässigen Geschwindigkeit fortfahren
kann. Sie können
auch anzeigen, dass eine reduzierte Geschwindigkeit oder ein Stopp
erforderlich ist. Diese reduzierte Geschwindigkeit muss gegebenenfalls
sofort oder an einer bestimmten Stelle (z. B. vor dem nächsten Signal
oder der nächsten
Kreuzung) erreicht werden.
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Der
Signalzustand wird über
verschiedene Mittel zu dem Zug und/oder Führer übermittelt. Einige Systeme
haben Schaltungen auf der Strecke und induktive Sondenspulen an
den Lokomotiven. Andere Systeme haben drahtlose Kommunikationssysteme.
Die Signalsysteme können
auch von dem Führer
verlangen, dass er das Signal in visueller Weise überprüft und die
geeigneten Maßnahmen
ergreift.
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Das
Signalisierungssystem kann über
eine Schnittstelle mit dem Signalsystem an Bord verbunden sein und
die Lokomotivengeschwindigkeit entsprechend den Eingaben und den
geeigneten Betriebsregeln anpassen. Bei Signalsystemen, die es erfordern,
dass der Führer
den Signalzustand visuell überprüft, präsentiert der
Führerbildschirm
die geeigneten Signaloptionen, die der Führer eingeben kann, auf der
Basis der Zugposition. Die Art der Signalsysteme und Betriebsregeln,
als Funktion der Position, können
in einer bordeigenen Datenbank 63 gespeichert sein.
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Auf
der Basis der in den Reiseplaner 12 eingegebenen Spezifikationsdaten
wird ein optimaler Plan, der den Kraftstoffverbrauch und/oder die
erzeugten Emissionen minimiert, in Abhängigkeit von den Geschwindigkeitsgrenzbeschränkungen
entlang der Route mit den gewünschten
Start- und Endzeiten berechnet, um ein Reiseprofil oder einen Reiseplan
zu erzeugen. Das Profil enthält
die optimalen Geschwindigkeits- und Leistungs(stufen)einstellungen,
die der Zug befolgen soll, ausgedrückt als Funktion der Entfernung
und/oder Zeit, und derartige Zugbetriebsgrenzwerte, zu denen einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
die maximale Leistungsstufe und Bremseinstellungen und die Geschwindigkeitsgrenzen
als Funktion der Position sowie der Erwartungswert des verbrauchten
Kraftstoffs und der erzeugten Emissionen gehören. In einer beispielhaften Ausführungsform
ist der Wert für
die Stufeneinstellung ausgewählt, um
in etwa einmal pro 10 bis 30 Sekunden Entscheidungen über Gaseinstellungsänderungen
zu erhalten. Fachleute auf dem Gebiet werden ohne weiteres erkennen,
dass die Gaseinstellungsänderungsentscheidungen
nach einer längeren
oder kürzeren
Dauer erfolgen können,
wenn dies erforderlich und/oder erwünscht ist, um einem optimalen
Geschwindigkeitsprofil zu folgen. In einem weiteren Sinne sollte
es für
Fachleute offensichtlich sein, dass das Profil Leistungseinstellungen
für den
Zug entweder an dem Zugniveau, dem Gruppenniveau und/oder dem einzelnen
Zugniveau liefert. Der Ausdruck „Leistung” umfasst Bremsleistung, Antriebsleistung
und/oder Luftbremsenleistung. In einer weiteren Ausführungsform
wird anstelle eines Betriebs mit den herkömmlichen diskreten Schaltstufenleistungseinstellungen
eine kontinuierliche Leistungseinstellung, die für das gewählte Profil als optimal ermittelt wird,
ausgewählt.
Auf diese Weise kann beispielsweise in dem Fall, dass ein optimales
Profil eine Stufeneinstellung von 6,8 spezifiziert, anstatt eines
Betriebs bei der Stufeneinstellung 7 die Lokomotive 42 bei
6,8 arbeiten. Das Zulassen derartiger Zwischenwerte der Leistungseinstellungen
kann weitere Effizienzvorteile hervorbringen, wie dies nachstehend
beschrieben ist.
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Die
Prozedur, die verwendet wird, um das optimale Profil zu berechnen,
kann durch eine beliebige Anzahl von Verfahren zur Berechnung einer
Leistungssequenz gebildet sein, die den Zug 31 antreibt,
um Kraftstoff und/oder Emissionen in Abhängigkeit von Betriebs- und
Fahrplanbeschränkungen
der Lokomotive zu minimieren, wie dies nachstehend kurz zusammengefasst
ist. In einigen Fällen
kann das erforderliche optimale Profil infolge der Ähnlichkeit
der Zugkonfiguration, Routen- und Umgebungsbedingungen nahe genug
an einem früher
bestimmten Profil liegen. In diesen Fällen kann es ausreichend sein,
die Antriebskurve in einer Datenbank 43 nachzusehen und
zu versuchen, dieser zu folgen. Wenn kein früher berechneter Plan ge eignet
ist, enthalten Verfahren zur Berechnung eines neuen einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
eine direkte Berechnung des optimalen Profils unter Verwendung von
Differentialgleichungsmodellen, die die Zugbewegungsphysik annähern. Die
Einrichtung umfasst eine Auswahl einer quantitativen Zielfunktion,
die gewöhnlich eine
gewichtete Summe (ein gewichtetes Integral) von Modellvariablen
ist, die einer Kraftstoffverbrauchsrate und Emissionserzeugung entsprechen,
zuzüglich
eines Ausdrucks, um eine übermäßige Gaseinstellungsvariation
zu bestrafen.
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Es
wird eine optimalen Steuerungsformulierung eingerichtet, um die
quantitative Zielfunktion in Abhängigkeit
von Randbedingungen zu minimieren, zu denen einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
Geschwindigkeitsgrenzwerte sowie minimale und maximale Leistungseinstellungen
(Gaseinstellungen) gehören. Abhängig von
den Planungszielen in jedem Zeitpunkt kann das Problem flexibel
implementiert werden, um den Kraftstoffverbrauch in Abhängigkeit
von Randbedingungen hinsichtlich der Emissionen und Geschwindigkeitsgrenzen
zu minimieren oder um Emissionen in Abhängigkeit von Randbedingungen
hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Ankunftszeit zu minimieren.
Es ist auch möglich,
beispielsweise ein Ziel zu implementieren, um die gesamte Reisezeit
ohne Randbedingungen hinsichtlich der gesamten Emissionsmenge oder
des Kraftstoffverbrauchs zu minimieren, wenn eine derartige Lockerung
von Randbedingungen für
den Einsatz zugelassen oder erforderlich sein würde.
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Mathematisch
kann das Problem genauer angegeben werden. Die Grundphysik wird
ausgedrückt durch: dxdt = v:x(0) = 0.0:x(Tf)
= D dvdt = Te(u, v) – Ga(x) – R(v);
v(0) = 0.0:v(Tf) = 0.0
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Hier
stellt x die Position des Zugs, v seine Geschwindigkeit und t die
Zeit (in Meilen, Meilen pro Stunde und in Minuten oder Stunden,
wie geeignet) dar, und u ist die Stufen(Gas)einstellungs-Befehlseingabe.
Ferner bezeichnet D die zu reisende Strecke, Tf die
gewünschte
Ankunftszeit im Abstand von D entlang der Strecke, Te die
Antriebskraft, die durch die Lokomotivengruppe erzeugt wird, Ga den gravitationsbedingten Widerstand, der
von der Zuglänge,
der Zugaufmachung und dem Gelände,
auf dem sich der Zug befindet, abhängig ist, und R ist die Nettogeschwindigkeit,
die von dem Luftwiderstand der Lokomotivengruppen- und Zugkombination
abhängig
ist. Die Anfangs- und Endgeschwindigkeiten können auch spezifiziert werden,
werden jedoch ohne Beschränkung
der Allgemeinheit hier zu null angenommen (z. B. angehaltener Zug
zu Beginn und am Ende). Schließlich
wird das Modell leicht modifiziert, um eine weitere wichtige Dynamik,
wie beispielsweise die Verzögerung
zwischen einer Änderung
der Gaseinstellung, u, und der resultierenden Antriebskraft oder Bremskraft,
aufnehmen. Mit diesem Modell ist eine optimale Steuerungsformulierung
eingerichtet, um die quantitative Zielfunktion in Abhängigkeit
von Randbedingungen zu minimieren, zu denen einschließlich, jedoch nicht
darauf beschränkt,
Geschwindigkeitsgrenzwerte und minimale sowie maximale Leistungs(Gas)einstellungen
gehören.
In Abhängigkeit
von den Planzielen zu jeder Zeit kann das Problem flexibel eingerichtet
werden, um den Kraftstoff in Abhängigkeit
von Randbedingungen hinsichtlich der Emissionen und Geschwindigkeitsgrenzen
zu minimieren oder die Emissionen in Abhängigkeit von Randbedingungen
hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs und der Ankunftszeit zu minimieren.
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Es
ist ferner möglich,
z. B. ein Ziel zu implementieren, um die gesamte Reisezeit ohne
Randbedingungen hinsichtlich der Gesamtmenge an Emissionen oder
des Kraftstoffverbrauchs zu minimieren, wenn eine derartige Lockerung
der Randbedingungen für
den Einsatz zugelassen oder erforderlich sein würde. All diese Leistungsmaße können als
eine Linearkombination des/der Folgenden ausgedrückt werden:
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Eine
gewöhnlich
eingesetzte und repräsentative
Zielfunktion ist somit:
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Die
Koeffizienten der Linearkombination hängen von der Wichtigkeit (der
Gewichtung) ab, die jedem der Ausdrücke gegeben wird. Es ist zu
beachten, dass in der Gleichung (OP) u(t) die Optimierungsvariable darstellt,
die die kontinuierliche Stufenposition darstellt. Wenn eine diskrete
Stufeneinstellung erforderlich ist, z. B. für ältere Lokomotiven, würde die
Lö sung
zu der Gleichung (OP) diskretisiert werden, was zu einer geringeren
Kraftstoffersparnis führen
kann. Das Auffinden einer minimalen zeitlichen Lösung (α1 und α2 zu
null gesetzt) wird verwendet, um eine Untergrenze für die erreichbare
Reisezeit aufzufinden (Tf = Tfmin).
In diesem Fall sind sowohl u(t) als auch Tf Optimierungsvariablen.
In einer Ausführungsform
wird die Gleichung (OP) für
verschiedene Werte von Tf mit zu null gesetztem α3 gelöst. Für diejenigen,
die mit Lösungen
zu derartigen Optimierungsproblemen vertraut sind, kann es erforderlich
sein, Randbedingungen, z. B. die Geschwindigkeitsgrenzwerte entlang
des Wegs, hinzuzufügen: 0 ≤ v ≤ SL(x)
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Oder,
wenn die minimale Zeit als das Ziel verwendet wird, dass eine Endpunkt-Randbedingung
eingehalten werden muss, z. B. die verbrauchte Kraftstoffgesamtmenge
kleiner sein muss als das, was in dem Tank ist, z. B. mittels:
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Hier
ist WF die bei Tf in
dem Tank verbleibende Kraftstoffmenge. Fachleute werden ohne weiteres
erkennen, dass die Gleichung (OP) auch in anderen Formen vorliegen
kann und dass das, was oben vorgestellt ist, eine beispielhafte
Gleichung zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Um
das resultierende Optimierungsproblem zu lösen, überträgt die vorliegende Erfindung
in einer beispielhaften Ausführungsform
ein dynamisches optimales Steuerungsproblem im Zeitbereich in ein äquivalentes
statisches mathematisches Programmierungsproblem mit N Entscheidungsvariablen,
worin die Anzahl „N” von der
Frequenz, mit der Gas- und Bremseinstellungen vorgenommen werden,
und der Dauer der Reise abhängt.
Für typische
Probleme kann dieses N in dem Tausendenbereich liegen. Zum Beispiel
wird in einer beispielhaften Ausführungsform angenommen, dass
ein Zug im Südwesten
von den Vereinigten Staaten eine Reisestrecke von 277 km (172 Meilen)
reist. Unter Verwendung von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung (z. B. des Reiseplaners 12)
kann eine beispielhafte Ersparnis des Kraftstoffverbrauchs von 7,6%
realisiert werden, wenn eine mit dem Reiseplaner 12 bestimmte
und befolgte Reise mit einer tatsächlichen Gas/Geschwindigkeits-Historie
des Fahrers verglichen wird, bei der die Reise durch einen Führer bestimmt
worden ist. Diese verbesserten Einsparungen werden verwirklicht,
weil die durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung realisierte
Optimierung eine Fahrstrategie mit sowohl wenigen widerstandsbedingten
Verlusten als auch wenig oder keinem Bremsverlust im Vergleich zu
dem Reiseplan des Führers
hervorbringt. Um die vorstehend beschriebene Optimierung rechnerisch
praktikabel zu machen, kann ein vereinfachtes mathematisches Modell des
Zugs verwendet werden.
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Erneut
bezugnehmend auf 3 werden, nachdem ein Fahrplan
erzeugt 12 und die Fahrt gestartet worden ist, Leistungsbefehle
erzeugt 14, um den Plan auf den Weg zu bringen. In Abhängigkeit
von der betriebsgemäßen Einrichtung
der vorliegenden Erfindung, wie sie implementiert ist, dient ein
Befehl für
die Lokomotive, damit diese dem optimierten Leistungsbefehl 16 folgt,
um die optimale Geschwindigkeit zu erreichen. Der Reiseplaner 12 erhält die Informationen über die
tatsächliche
Geschwindigkeit und Leistung von der Lokomotivengruppe des Zugs 18.
Infolge der unvermeidbaren Näherungen
in den für
die Optimierung verwendeten Modellen wird eine Endlosschleifen-Berechnung von Korrekturen
für die
optimierte Leistung erhalten, um die gewünschte optimale Geschwindigkeit
zu verfolgen.
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Derartige
Korrekturen der Zugbetriebsgrenzen können automatisch oder durch
den Führer,
der stets die letzte Steuerungsgewalt über den Zug hat, vorgenommen
werden.
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In
einigen Fällen
kann sich das in der Optimierung verwendete Modell wesentlich von
dem tatsächlichen
Zug unterscheiden. Dies kann aus vielen Gründen auftreten, wozu einschließlich, jedoch
nicht darauf beschränkt,
zusätzliche
Frachtaufnahmen oder Aufstellungen, Lokomotiven, die auf dem Weg
ausfallen, sowie Fehler in der anfänglichen Datenbank 63 oder
Dateneingabe durch den Führer
gehören.
Aus diesen Gründen ist
ein Überwachungssystem
im Einsatz, das Echtzeit-Zugdaten einsetzt, um Parameter der Lokomotive und/oder
des Zugs in Echtzeit zu schätzen
20. Die geschätzten
Parameter werden anschließend
mit den angenommenen Parametern verglichen, die verwendet wurden,
als die Reise anfänglich
erstellt worden ist 22. Auf der Basis irgendwelcher Unterschiede
zwischen den angenommenen und den geschätzten Werten kann die Reise
neu geplant werden 24, sollten aus einem neuen Plan hinreichend
große
Ersparnisse erwachsen.
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Weitere
Gründe,
warum eine Reise neu geplant werden kann, enthalten Direktiven von
einer entfernten Stelle, wie beispielsweise einem Abfertigungsleiter
und/oder dem Führer,
der eine Änderung
der Ziele anfordert, damit diese mit globaleren Bewegungsplanzielen
konsistent sind. Zusätzliche
globale Bewegungsplanziele können
andere Zugfahrpläne,
das Gestatten einer Ableitung von Abgasen aus einem Tunnel, Instandsetzungsmaßnahmen,
etc., enthalten, sind jedoch nicht darauf beschränkt. Ein weiterer Grund kann
von einem Ausfall einer Komponente an Bord herrühren. Strategien für eine Neuplanung
können
in Abhängigkeit
von der Ernsthaftigkeit der Störung
in inkrementelle und wichtige Anpassungen gruppiert werden. Im Allgemeinen muss
ein „neuer” Plan aus
einer Lösung
zu der oben beschriebenen Opti mierungsproblemgleichung (OP) abgeleitet
werden, wobei jedoch häufig
schnellere Näherungslösungen aufgefunden
werden können,
wie es hierin beschrieben ist.
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Im
Betrieb überwacht
die Lokomotive 42 (genauer gesagt, der Reiseplaner 12 an
der Lokomotive) fortwährend
die Systemeffizienz, und sie aktualisiert kontinuierlich den Reiseplan
auf der Basis der tatsächlichen gemessenen
Effizienz, wenn eine derartige Aktualisierung die Reiseleistung
verbessern würde.
Berechnungen für
die Neuplanung können
vollständig
innerhalb der Lokomotive(n) durchgeführt oder vollständig oder
teilweise einer entfernten Stelle übergeben werden, wie beispielsweise
einer Abfertigungsstelle oder wegseitigen Verarbeitungseinrichtungen,
wo eine drahtlose Technologie verwendet wird, um die Pläne zu der
Lokomotive 42 zu übertragen.
Es können
auch Effizienztrends erzeugt werden, die verwendet werden können, um
Lokomotiven-Flottendaten in Bezug auf Effizienzübertragungsfunktionen zu entwickeln.
Die flottenweiten Daten können
verwendet werden, wenn ein anfänglicher
Reiseplan ermittelt wird, und können
für einen
netzwerkweiten Optimierungskompromiss verwendet werden, wenn Positionen
mehrerer Züge
betrachtet werden.
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Viele
Ereignisse im täglichen
Betrieb können
zu einer Notwendigkeit führen,
einen momentan ausgeführten
Plan zu erzeugen oder zu modifizieren, wenn es erwünscht ist,
die gleichen Reiseziele zu erhalten, wenn z. B. ein Zug für ein geplantes
Treffen mit oder eine geplante Vorbeifahrt an einem anderen Zug
nicht pünktlich
ist und es erforderlich ist, Zeit aufzuholen. Unter Verwendung der
tatsächlichen
Geschwindigkeit, Leistung und Position der Lokomotive wird ein Vergleich
zwischen einer planmäßigen Ankunftszeit
und der momentan geschätzten
(vorhergesagten) Ankunftszeit vorgenommen 25. Auf der Basis einer
Differenz der Zeitpunkte sowie der Differenz der Parame ter (wie
durch den Abfertigungsleiter oder den Führer erfasst oder verändert) wird der Plan angepasst 26. Diese Anpassung
kann entsprechend einem Wunsch eines Bahnunternehmens, wie derartige
Abweichungen vom Plan behandelt werden sollten, automatisch vorgenommen
werden, oder es können
Alternativen von einer Person für
den Führer
an Bord und den Abfertigungsleiter vorgeschlagen werden, damit diese über den
besten Weg, um zurück
zum Plan zu gelangen, entscheiden. Jedes Mal, wenn ein Plan aktualisiert
wird, jedoch die ursprünglichen
Ziele (wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, die
Ankunftszeit) gleich bleiben, können
gleichzeitig weitere Veränderungen
mit berücksichtigt werden,
z. B. neue künftige
Geschwindigkeitsbegrenzungsänderungen,
die die Machbarkeit, den ursprünglichen
Plan jemals wiederherzustellen, beeinträchtigen könnten. In derartigen Fällen können, falls
der ursprüngliche
Reiseplan nicht aufrechterhalten werden kann oder in anderen Worten
der Zug nicht in der Lage ist, die Ziele des ursprünglichen
Reiseplans einzuhalten, wie hierin erläutert, ein oder mehrere andere
Reisepläne dem
Führer
und/oder einer entfernten Einrichtung oder Abfertigungsstelle präsentiert
werden.
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Eine
Neuplanung kann auch vorgenommen werden, wenn es erwünscht ist,
die ursprünglichen
Ziele zu verändern.
Eine derartige Neuplanung kann entweder zu festen vorgeplanten Zeiten,
manuell im Ermessen des Führers
oder Abfertigungsleiters oder autonom vorgenommen werden, wenn vordefinierte
Grenzwerte, wie beispielsweise Zugbetriebsgrenzwerte, überschritten
werden. Wenn sich zum Beispiel die momentane Planausführung um
mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert, von beispielsweise 30
Minuten, verspätet, kann
die vorliegende Erfindung die Reise neu planen, um die Verzögerung auf
Kosten eines gesteigerten Kraftstoffverbrauchs, wie oben beschrieben,
zu bewältigen
oder um den Führer
und Abfertigungsleiter darauf hinzuweisen, wie viel von der Zeit überhaupt
aufgeholt werden kann (d. h. welche minimale Zeit zu fahren ist,
oder über
die maximale Kraftstoffmenge, die innerhalb einer Zeitbegrenzung
eingespart werden kann). Andere Auslöser für einen neuen Plan können auch
auf der Basis des verbrauchten Kraftstoffs oder des Einsatzzustands der
Leistungsgruppe, einschließlich,
jedoch nicht darauf beschränkt,
der Ankunft, des Leistungsverlustes aufgrund des Ausfalls einer
Ausrüstung
und/oder einer vorübergehenden
Fehlfunktion einer Ausrüstung
(wie beispielsweise einem zu heißen oder zu kalten Betrieb)
und/oder einer Erfassung grober Einrichtungsfehler, wie beispielsweise
in der angenommenen Zugbeladung, in Erwägung gezogen werden. Das heißt, falls
die Veränderung
eine Beeinträchtigung
der Lokomotivenleistung für
die momentane Reise widerspiegelt, kann sie in den Modellen und/oder
Gleichungen, die in der Optimierung verwendet werden, mit berücksichtigt
werden.
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Änderungen
der Planziele können
auch von einer Notwendigkeit, Ereignisse zu koordinieren, herrühren, wenn
der Plan für
einen Zug die Fähigkeit
eines anderen Zugs, Ziele zu erfüllen,
gefährdet
und eine Entscheidung auf einer anderen Stufe, z. B. in der Abfertigungsstelle,
erforderlich ist. Zum Beispiel kann die Koordination der Treff-
und Passiervorgänge
durch Zug-zu-Zug-Kommunikationen
weiter optimiert werden. Auf diese Weise können als ein Beispiel, falls
ein Zug weiß,
dass er hinter dem Fahrplan, um eine Stelle für einen Treff- und/oder Passiervorgang
zu erreichen, zurückbleibt, Übertragungen
von dem anderen Zug den späten Zug
(und/oder die Abfertigungsstelle) benachrichtigen. Der Führer kann
anschließend
Informationen in Bezug darauf, dass er zu spät ist, in das System gemäß der vorliegenden
Erfindung eingeben, das den Reiseplan des Zugs neu berechnet. Das
System gemäß der vorliegenden
Erfindung kann auch auf einer höheren
Stufe oder Netzwerkstufe verwendet werden, um einer Abfertigungsstelle
zu ermöglichen
festzustellen, welcher Zug verlangsamen oder beschleunigen sollte,
falls eine planmäßige Treff-
und/oder Passierzeitrandbedingung nicht erfüllt werden können sollte.
Wie hierin erläutert,
wird dies bewerkstelligt, indem Züge Daten zu der Abfertigungsstelle übermitteln,
um Prioritäten
zu setzen, wie jeder Zug sein Planziel verändern sollte. Eine Auswahl könnte je
nach der Situation entweder auf dem Fahrplan oder auf den Kraftstoffeinsparvorteilen
basieren.
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Sobald
ein Fahrplan in der vorstehend erläuterten Weise erzeugt ist,
wird eine Kurve von Geschwindigkeit und Leistung im Vergleich zur
Entfernung verwendet, um einen Bestimmungsort mit minimalem Kraftstoffeinsatz
und/oder minimalen Emissionen in der erforderlichen Reisezeit zu
erreichen. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Ausführung des
Reiseplans. Wie nachstehend in größeren Einzelheiten angegeben,
werden in einer beispielhaften Ausführungsform in einem „Trainingsmodus” des Führers Informationen
für den
Führer angezeigt,
damit der Führer
ihnen folgen kann, um die benötigte
Leistung und Geschwindigkeit zu erreichen, die entsprechend dem
optimalen Reiseplan bestimmt werden. In diesem Modus enthalten die
Betriebsinformationen empfohlene Betriebsbedingungen, die der Führer verwenden
sollte. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform werden eine Beschleunigung
und eine Aufrechterhaltung einer konstanten Geschwindigkeit autonom
bewerkstelligt. Wenn jedoch der Zug 31 verlangsamt werden
muss, ist der Führer
dafür verantwortlich,
ein Bremssystem 52 anzuwenden. In einer anderen beispielhaften
Ausführungsform
werden Befehle zum Antreiben und Bremsen in der erforderlichen Weise,
um der gewünschten
Geschwindigkeits-Entfernungs-Bahn zu folgen, geliefert.
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Während der
Reise ist es unabhängig
davon, ob der Zug 31 entsprechend einem Plan betrieben
wird, der vor der Abfahrt bestimmt wird, möglich, dass der Zug 31 einem
oder mehreren dynamischen Ereignissen begegnet, deren Existenz oder
exakte Eigenschaft nicht bekannt sind, bevor die Reise gestattet
wird. Zu Beispielen für
derartige Ereignisse gehören
einschließlich,
jedoch nicht darauf beschränkt:
sich ändernde
Signalerscheinungen, vorübergehende
langsame Aufträge
(TSOs, Temporary Slow Orders), die Gegenwart anderer Züge auf der
Strecke, Fehler der Lokomotive oder einer anderen Ausrüstung, sich ändernde
Streckenbedingungen (z. B. Brückenversagen),
Entgleisungen, etc.
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Konventionell
wurden derartige Ereignisse durch einen menschlichen Eingriff durch
ein Überwachungssystem,
wie beispielsweise eine positive Zugsteuerung („PTC”, Positive Train Control)
oder einen automatisierten Zugbetrieb („ATO”, Automated Train Operation)
oder eine Kombination von diesen bewältigt. Wenn zum Beispiel der
Zug 31 einem restriktiven Signal, wie beispielsweise „Annäherung” oder gelb,
begegnet, das wegen eines bevorstehenden Blocks, der von einem anderen
Zug vereinnahmt wird, eine reduzierte Geschwindigkeit erfordert,
kann ein Zugüberwachungssystem
das Signal als ein Bremsziel identifizieren, eine Bremskurve, die
erzwungen werden soll, um das Bremsziel zu erfüllen, berechnen und anschließend die
Zugbremsen anwenden, um den Zug 31 in der erforderlichen
Weise zu verlangsamen oder anzuhalten. Dies kann zu große Kräfte innerhalb
des Zugs hervorrufen und die durch die Reiseplanung erzielten Effizienzgewinne zum
Teil zunichte machen. Alternativ kann ein menschlicher Führer das
Gas reduzieren („Auslauf”) oder
vor einem dynamischen Ziel dynamisches Bremsen anwenden, um die
Verwendung der Zugbremsen (Reibungsbremsen) zu minimieren. Dies
erfordert eine wesentliche Erfahrung des Führers und erzeugt auch eine
hohe Arbeitsbelastung des Führers
mit zugehöriger
erhöhter
Gefahr eines Führerfehlers.
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Demgemäß liefert
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Optimierung der Zugbetriebsvorgänge unter
Berücksichtigung
dynamischer Ziele. Das Basisverfahren ist in 4 beschrieben.
Zunächst
werden mehrere diskrete potentielle dynamische Ereignisse identifiziert
(Block 100). Je weiter ein Ereignis von dem Zug 31 in
Bezug auf die Entfernung oder Zeit getrennt ist, desto weniger gewiss
ist seine Auftrittswahrscheinlichkeit bekannt. Dies wird als ein ”Fernhorizont-Ereignis” bezeichnet.
Je näher
ein Ereignis sich hinsichtlich der Entfernung oder Zeit an dem Zug
befindet, desto sicherer ist seine Wahrscheinlichkeit bekannt. Dies
wird als ein ”Nahhorizont-Ereignis” bezeichnet.
Jedem Ereignis kann auf der Basis seines Status als „Nahhorizont” oder „Fernhorizont” eine Wahrscheinlichkeit
zugewiesen werden (Block 102). Als ein spezifischeres Beispiel kann
der Status eines Signals in einem nahen aufkommenden Streckenblock
einer von einer festgelegten Anzahl von Bedingungen, wie beispielsweise
frei, beschränkt
oder Stopp, sein und kann als am „Nahhorizont” betrachtet
werden, während
der Status eines Signals, das viele Blöcke vor dem Zug 31 angeordnet
ist, nicht nur von dem Status des weiteren Verkehrs weit vor dem
Zug 31 sondern auch davon abhängen kann, ob der Zug 31 den
entfernten Block durchfahren würde,
nachdem er Schalter oder andere Blöcke passiert hat. Dies würde ein ”Fernhorizont-Ereignis” sein.
Es können
herkömmliche
statistische Methoden verwendet werden, um spezifischen Ereignissen
einen Wahrscheinlichkeitswert zuzuweisen.
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Eine
Identifikation von Ereignissen kann durch Zug-zu-Zug-Kommunikationsübertragungen,
Wegrand-zu-Zug-Übertragungen,
bordeigene Sensoren, Streckenschaltungen, Steuerungssysteme der
zentralen Abfertigungsstelle oder Bewegungsplaner für den Zug
oder ausgehend von einem anderen bordeigenen System, wie beispielsweise
einem Führerstandssignal,
einer ATP (Automatic Train Protection, automatische Zugsicherung)
oder mit einer Realisierung der vorliegenden Erfindung verbundener
PTC oder dergleichen erfolgen.
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Für jedes
Ereignis wird ein optimiertes Geschwindigkeitsprofil berechnet (Block 104),
in dem die vorstehend beschriebenen Methoden in Bezug auf den Fahrplan
verwendet werden. Die Berechnung identifiziert jedes Ereignis als
ein potentielles Geschwindigkeits-/Bremsziel und verwendet eine
Kenntnis über
die momentane Position des Zugs in Bezug auf das aufkommende Ziel,
das Gewicht/die Geschwindigkeit des Zugs und die Streckentopologie,
um ein Geschwindigkeitsprofil sowohl vor als auch nach dem Ziel
zu berechnen. Ereignisse, die eine Wahrscheinlichkeit unterhalb
eines vorbestimmten Grenzwerts haben, können bei der Berechnung der
Geschwindigkeitsprofile ignoriert werden, um den Berechnungssatz
zu beschränken
und ein Überlasten
verfügbarer
Rechenresourcen zu vermeiden.
-
Das
Geschwindigkeitsprofil kann an Bord des Zugs 31 berechnet
werden, oder es kann außerhalb
des Zugs (offboard) berechnet und über einen Kommunikationskanal
zu dem Zug 31 übertragen
werden.
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Zum
Beispiel kann ein Signal in dem Block vor dem Zug 31 eine „Stopp”-Erscheinung
(z. B. ein rot-farbenes Signal) anzeigen, weil dieser von einem
anderen Zug vereinnahmt wird. Das vorliegende Verfahren würde ein
erstes Geschwindigkeitsprofil unter Einsatz einer Gasreduktion,
eines dynamischen Bremsens oder einer Kombination von diesen berechnen,
die berechnet werden, um den Zug 31 mit minimalem Einsatz
der Zugbremsen zum Halten zu bringen. Es würde ferner ein zweites Geschwindigkeitsprofil
auf der Basis der Möglichkeit
berechnet werden, dass der aufkommende Block geräumt werden könnte, was
eine Signalaktualisierung zu einer weniger restriktiven Erscheinung
ergibt, bevor ein Bremsen des Zugs erforderlich ist.
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Sobald
alle von dem durch Randbedingungen beschränkten Satz von Geschwindigkeitsprofilen
berechnet sind, wird eines der Geschwindigkeitsprofile auf der Basis
des Ereignisses mit der höchsten
momentanen Wahrscheinlichkeit ausgewählt (Block 106). Ein
Regelungsalgorithmus führt
anschließend
eine Regelung der Geschwindigkeit des sich an das Ziel annähernden
Zugs entsprechend dem gewählten
Geschwindigkeitsprofil unter Verwendung der momentanen Zugposition,
der Streckendatenbank, der Lokomotivengeschwindigkeit, der Zuglänge, des
Zuggewichts und der Gruppenleistungsfähigkeit (z. B. der Antriebsleistung und
der Bremsleistung als Funktion der Stufeneinstellung) als Eingangsgrößen. Die
Steuerung kann automatisch ablaufen. Falls sich Bedingungen verändern, wenn
der Zug 31 dem Ziel näher
kommt, kann ein anderes Geschwindigkeitsprofil verwendet werden.
Optional kann ein Führer über die
geeigneten Steuerungseinstellungen, die von Hand auszuführen sind,
unterrichtet werden.
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Ein
Geschwindigkeitsprofil ist nur ein Beispiel für ein Optimierungsprofil, das
verwendet werden kann, um die Fahrzeugleistung entsprechend der
vorliegenden Erfindung zu optimieren. Zu nicht beschränkenden Beispielen
von Parametern, die optimiert werden können, und Optimierungsprofilen,
die berechnet werden können,
gehören
Geschwindigkeit, Kraftstoffwirtschaftlichkeit, Emissionen (z. B.
Ton, gasförmige,
HF, Wärme, Kohlenstoff,
NOx, Feinstaub), Vibration, Komponenteneffizienz, wie beispielsweise
Katalysatorleistung, etc., alternative Geschwindigkeit, Veränderungen,
Kraftstoffwirtschaftlichkeiten, Lärm, Emissionen, etc., anderer Ziele
oder Kombinationen hiervon. Der Betrieb einiger Fahrzeuge kann Veränderungen
zwischen Tag- und Nachtzeit (z. B. Lärmgrenzen) auf der geografischen
Lage basierenden Emissionsbeschränkungen,
etc. unterworfen sein.
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Eine
weitere Ausführungsform
betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Betriebsvorgänge eines
Zugs, der eine oder mehrere Lokomotivengruppen aufweist, wobei jede
Lokomotivengruppe eine oder mehrere Lokomotiven aufweist. (Diese
Ausführungsform
ist auch zur Steuerung anderer Kraftsysteme mit anderen Kraft- bzw. Antriebseinheiten
anwendbar.) In dieser Ausführungsform
werden mehrere diskrete potentielle dynamische Ereignisse identifiziert,
von denen jedes eine momentane Wahrscheinlichkeit aufweist, die
diesem zugeordnet ist. (Durch „potentielles
dynamisches” Ereignis
ist ein Ereignis gemeint, das auftreten kann oder auch nicht und
das sich zeitlich/im Laufe der Zeit verändern kann. Momentane „Wahrscheinlichkeit” bezeichnet
eine Wahrscheinlichkeit zu der Zeit, zu der das Ereignis identifiziert
wird.) Für
jedes potentielle dynamische Ereignis wird ein Optimierungsprofil
berechnet, das Leistungseinstellungen (einschließlich des Bremsens) für den Zug und/oder
eine oder mehrere Lokomotiven beschreibt, die befolgt werden sollen,
um wenigstens einen Betriebsparameter des Zugs und/oder der einen
oder mehreren Lokomotiven zu optimieren, um zum Beispiel den Kraftstoffverbrauch
des Zugs zu reduzieren oder zu minimieren und/oder um durch den
Zug erzeugte Emissionen zu reduzieren oder zu minimieren. Auf der
Basis des potentiellen dynamischen Ereignisses mit der höchsten momentanen
Wahrscheinlichkeit wird eines der Optimierungsprofile zur Steuerung
des Zugs und/oder der Lokomotiven ausgewählt. Für die Berechnung jedes Optimierungsprofils
können
die folgenden Schritte ausgeführt
werden. Zuerst werden Routendaten und Zugdaten zum Beispiel von
einer Datenbank oder in sonstiger Weise empfangen. Die Routendaten
enthalten Daten, die eine oder mehrere Eigenschaften einer Strecke,
auf der der Zug entlang einer Route reisen soll, betreffen, sowie
Daten, die wenigstens eine Geschwindigkeitsbeschränkung entlang
der Route betreffen. In dieser Ausführungsform enthalten die Routendaten
ferner Daten in Bezug auf das diskrete potentielle dynamische Ereignis,
für welches
das Optimierungsprofil berechnet wird. (Die Routendaten können auch
Daten enthalten, die die anderen diskreten potentiellen dynamischen
Ereignisse betreffen.) Die Zugdaten betreffen eine oder mehrere
Eigenschaften des Zugs. Das Optimierungsprofil wird an Bord des
Zugs zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Reise des Zugs entlang
der Route erzeugt, z. B. in einem derartigen Zeitpunkt, wenn das
diskrete potentielle dynamische Ereignis identifiziert wird. Das
Optimierungsprofil wird an einem ersten Punkt entlang der Route
auf der Basis der empfangenen Daten erzeugt und deckt wenigstens
einen Abschnitt der Strecke ab, der sich bis zu einem zweiten Punkt erstreckt,
der sich weiter entfernt entlang der Route als der erste Punkt befindet.
Das Optimierungsprofil wird erzeugt, um die Gesamtheit des Abschnitts
auf der Basis und ungeachtet all der unterschiedlichen geografischen
Merkmale oder sonstigen Eigenschaften der Strecke entlang des Abschnitts,
für den
Daten zur Verfügung
stehen, erzeugt. Dadurch ist gemeint: (i) das Optimierungsprofil
berücksichtigt
all die unterschiedlichen geografischen Merkmale oder sonstigen
Eigenschaften des Streckenabschnitts, für den Daten verfügbar sind, und
(ii) das Optimierungsprofil wird ungeachtet dessen erzeugt, welche
speziellen geografischen Merkmale oder sonstigen Eigenschaften der
Strecke entlang des Abschnitts vorliegen. Somit wird unabhängig davon, welche
bekannten geografischen Merkmale oder anderen Streckeneigenschaften
entlang eines Streckenabschnitts vorliegen, ein Optimierungsprofil
für diesen
Abschnitt, für
das betreffende diskrete potentielle dynamische Ereignis erzeugt.
-
Während die
Erfindung im Zusammenhang mit ihren verschiedenen Ausführungsformen
beschrieben worden ist, werden sich für Fachleute auf dem Gebiet
viele Veränderungen
und Modifikationen erschließen. Demgemäß besteht
die Absicht, dass die Er findung nicht auf die spezielle veranschaulichende
Ausführungsform
beschränkt
sein soll.
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Zusammenfassung:
-
Ein
Verfahren zur Steuerung der Betriebsweisen eines Kraftsystems, das
wenigstens eine verbrennungsbasierte Antriebseinheit aufweist, enthält: (a)
Identifizieren mehrerer diskreter potentieller dynamischer Ereignisse;
(b) für
jedes potentielle dynamische Ereignis, Berechnen eines Optimierungsprofils,
das Leistungseinstellungen beschreibt, denen das Kraftsystem folgen
soll, um wenigstens einen Betriebsparameter der wenigstens einen
Antriebseinheit zu optimieren; (c) Auswahl eines der Optimierungsprofile
auf der Basis des potentiellen dynamischen Ereignisses mit der höchsten momentanen
Wahrscheinlichkeit; und (d) Betreiben des Systems entsprechend dem
gewählten
Optimierungsprofil.
