JP2008543631A - 列車の操作と燃料消費量を向上させるシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 １つ以上の鉄道機関車からなる機関車編成を有する鉄道列車の運転を制御して、機関車編成の燃料効率を向上させる方法を提供する。
【解決手段】 該方法は、機関車編成の車内で、機関車編成の出力設定に応じた列車の移動の計測に基づいて、機関車編成によって移動する列車の荷重を計算するステップと、機関車編成の車内で、列車の現在位置を測定するステップと、機関車編成の車内で、線路の状況の変化を列車が線路状況の変化に到達する前に特定するステップと、機関車編成の車内で、機関車編成の出力設定を調整して、列車が線路状況の変化に接近したときに、列車の計算された荷重に基づいて機関車編成の燃料消費量を最適化するステップとを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は機関車の運転に関し、より詳細には、線路の地形変化に直面した際に列車の操作と燃料消費量を自律的に向上させるシステムおよび方法に関する。

列車運転手の経験や献身の度合いや当日の感情などによって、鉄道列車の操作は運転手間で異なり、さらに列車の力の差だけでなく、列車のミッション燃料燃焼率の差も生じる。例えば、献身的で非常に用心深い熟練した運転手は鉄道線路により精通しているため、勾配やカーブの変化を列車がこのような線路変化に直面する前に予測して、変化を見込んで列車の速度を落としたり（減速）、速度を上げたり（加速）するであろう。このことにより、線路に精通していない運転手に比べて、列車の運転がより円滑になるとともに、ミッション燃料の燃焼がより少なくなる。

現在のシステムは列車運転手を支援してミッション燃料の燃焼を最小限に抑えるべく存在しているが、そのようなシステムは一般的に、ミッション燃料の燃焼を最も少なくする方法を決定するのに役立つように、操作性能データの記録が後の処理のために必要とされる。さらに、そのようなシステムは、他の機関車の走行中は使用される列車から離れて処理の大部分を実行するものだと考えられる。そのようなシステムは通常、列車の運転中は天候等の他の外部要因を把握してリアルタイムデータを処理することができない。
米国特許第６，１４４，９０１号公報 米国特許第６，４３４，４５２号公報 米国公開特許第２００４／０１３３３１５Ａ１号公報

このため、線路状況の変化に接近したときに列車の速度を車内で評価および決定することのできるシステム、方法およびソフトウェアコードが必要とされており、そのような情報を使用して列車速度を調整して、燃料効率と列車の操作を向上させる。

好適な実施形態では、本発明は自己学習および自動補正システムを対象としている。別の好適な実施形態では、自己学習はするものの、本発明を実施するのに運転手の対話が要求される可能性がある。したがって、本発明は１つ以上の鉄道機関車からなる機関車編成を有する鉄道列車の運転を制御して、機関車編成の燃料効率を向上させる方法、システムおよびコンピュータソフトウェアを開示する。該方法は、機関車編成の車内で、機関車編成の出力設定に応じた列車の移動の計測に基づいて、機関車編成によって移動する前記列車の荷重を計算する。該方法はさらに、機関車編成の車内で、列車の現在位置を測定する。機関車編成の車内で、前記線路の状況の変化を前記列車が線路状況の前記変化に到達する前に特定することも、教示の方法の一環である。該方法はまた、機関車編成の車内で、機関車編成の出力設定を調整して、前記列車が線路状況の前記変化に接近したときに、前記列車の前記計算された荷重に基づいて機関車編成の燃料消費量を最適化する。

該システムは、位置測定装置と；鉄道線路に関する地形および外形データからなる線路断面データベースと；前記列車の荷重を計算するアルゴリズムと、前記計算された荷重と間近に迫った鉄道線路の地形および外形に基づいて前記列車の加速率または減速率の少なくとも一方を決定するフィードフォワードアルゴリズムとからなるプロセッサとを有する。線路の状況の変化が機関車編成の車内で決定され、機関車編成の出力設定を調整して、列車が線路状況の変化に接近したときに列車の計算された荷重に基づいて機関車編成の燃料消費量を最適化する。

該コンピュータソフトウェアコードは、機関車編成の出力設定に応じた列車の移動の計測に基づいて、機関車編成によって移動する列車の荷重を計算するためのソフトウェアモジュールを有する。列車が線路状況の変化に到達する前に、間近に迫った線路の状況を測定するためのソフトウェアモジュールも提供される。該ソフトウェアコードはまた、前記列車の加速率または減速率の少なくとも一方を計算して、計算された荷重と間近に迫った線路状況の変化に基づいて燃料消費量を最適化するためのソフトウェアモジュールを有する。

技術的効果は、列車に関するデータを処理し、情報を使用することのできるソフトウェアコードを提供して、鉄道線路の変化に到達する前に列車速度を調整することによって、燃料効率と列車の操作を向上させることである。

本発明の特徴および利点は、以下の発明の詳細な説明を添付図面と併せて読むことによって明らかとなるであろう。

図面を参照して、本発明の例示的実施形態を以下に説明する。特定のシステムおよび方法を詳細に説明する前に、本発明が主として構成要素とそれに関連するステップの新しい組み合わせに属するものだと気づかれたい。したがって、該システムおよび方法のステップは、図面では従来の要素によって表されており、当業者には容易に理解できるであろう本明細書に記載の説明の利点を有する構造細部の開示を不明瞭にすることのないように、本発明に関するそれらの具体的な詳細のみが示されている。さらに、本明細書で採用される語法および専門用語は説明するためのものであり、限定するものだと見なすべきではない。このため、単数形で使用される用語も複数形で記載された用語を含むように読むものとする。この論法は、逆の場合も当てはまるものとする。例えば、用語「発明（単数）」の使用は用語「発明（複数）」も意味するように解釈することができる一方、用語「発明（複数）」の使用は用語「発明（単数）」を意味するように解釈することもできる。

全体を通しては、機関車が一般参照として使用される。本発明は、ディーゼルシステム、電気システム、およびこれらに限定されないがディーゼル電気、液体式ディーゼル、電気油圧式を含むハイブリッドシステムを含むが、これらに限定されないあらゆるタイプの機関車に適用することができる。同様に、機関車のタイプに基づいて例えば機械駆動や油圧駆動だがこれらに限らないさまざまな駆動方式を使用することができるので、出力設定という用語の使用は総称的に用いられる。機関車の駆動方式やタイプに基づいて、機関車の速度が他のタイプの駆動方式や機関車と異なって定められることを当業者は認識する。

図１は、機関車５の例示的な図である。鉄道列車では、１つ以上の機関車５が列車の一部を成し、その機関車を列車編成と見なすことができる。図１はさらに、本発明の例示的要素のブロック図表示を示す。これらの要素は単独の機関車５に設置されるように示されているが、列車の他の部分や機関車編成の他の機関車に設置することができる。単独の車両すなわち機関車５にすべての要素を設置しないことも可能である。つまり、要素を列車の複数の部分に設置して、本発明の機能をそのまま実行するように接続することができる。

図１にさらに示されるように、位置測定装置１２が列車に設けられる。この装置は、プロセッサ１４に接続される。線路断面データベース１６も設けられ、これもプロセッサ１４に接続される。線路断面データベース１６は、鉄道線路１７に関する地形および外形データなどの情報を含む。記憶装置２６は、プロセッサ１４に取り付けられる。記憶装置２６は、プロセッサ１４によって提供および／または計算されたデータを一時的または長期的に記憶するために設けられて、そのデータを列車の現在行っている運転中または後の運転の際に使用する。列車運転収集装置３０も列車に設けられ、プロセッサ１４に接続される。収集装置３０は、これらに限定されないが、列車のノッチ速度（コール）、牽引力、ブレーキ管設定、速度、燃料消費量出力設定、加速および減速率などを決定するように機能する。収集された情報は後述するアルゴリズム２０、２１、２８によって使用することができ、列車を加速または減速する際のより正確なタイミングを保証する助けとなる。

プロセッサは、プロセッサ１４で処理される多くのアルゴリズム２０、２１、２８を有する。１つのアルゴリズム２０は、列車の荷重を計算するために提供される。別のアルゴリズム２１は、間近に迫った鉄道線路の地形および外形を考慮して計算された荷重に基づいて、列車の加速率または減速率を決定するフィードフォワードアルゴリズムである。利用可能な第３のアルゴリズム２８は、計算された荷重値の精度を測定するためのものであり得る。これは、列車の第２の荷重値と第２の計算に基づいて計算された第１の荷重値を計算することによって達成することができる。上述のアルゴリズムで使用される技法の例としては、これに限定されないが時間依存および時間変化テイラー級数展開が挙げられる。当業者は、カルマンフィルタを利用するアルゴリズムが、モデルシステムの正確な性質が知られていない場合であっても、過去、現在、さらに未来の状態の推定をサポートするものであるので、それを使用することができることにも気づくであろう。

１つの例示的実施形態では、荷重が推測され、かつ／または利用可能であり、列車が特定の長さの鉄道線路１７を通り過ぎた際の時間と場所を含む、記憶装置２６に記憶された以前のデータに基づいてこの第３のアルゴリズム２８を使用して計算が行われる。第２の計算は元の荷重値と比較され、さらなる計算に使用される実際の荷重がそれに応じて調整される。別の例示的実施形態では、列車の出発時刻と出発地が、列車が既に通った所定の場所と比較される。この情報を取得し、その期間の機関車５の出力設定に関する情報を取り込むことによって、荷重が計算される。この荷重値は本発明によって既に使用されている元の荷重値と比較され、本発明によって使用される荷重値はそれに応じて調整される。

図２は、本発明の例示的ステップを含む例示的なブロックの概要のブロック図である。特に機関車編成である列車からの情報（列車データ）４０は、収集装置３０で収集される。列車の位置（列車位置）４２を測定する必要がある。位置はこれらに限定されないが、車載ＧＰＳシステムで、機関車制御システムの一部を成す経過マイルカウンターで、追跡システムを介して、および／または列車編成の他の機関車を介して測定することができる。列車の位置が特定できるように、線路４４のマップが提供される。このマップは、例えば上り勾配、下り勾配、カーブ、地方／都市／住宅地（特定の速度制限が適用されるかどうか）などの情報を含むがこれらに限定されない。

１つのアルゴリズム、または複数のアルゴリズムを使用して、燃料燃焼率４６を計算する。燃料燃焼率は、列車荷重と列車位置に基づいて計算される。収集されたデータは、列車位置と関連付けられる。１つの例示的実施形態では、列車荷重はノッチ速度と、列車が所定の長さの線路を通った時間に基づいて計算される。別の例示的実施形態では、ノッチ速度と、勾配や摩擦に対する牽引力の変化を使用して、列車荷重の近似値を計算することができる。列車の走行摩擦や列車のカーブ摩擦も測定され、列車速度や牽引力が線路状況に基づいて収集されて、列車荷重を測定するために使用される。線路パラメータが知られていない別の実施形態では、摩擦力や風力、作動モード中に消費される全燃料およびその結果の列車速度変化を、機関車の馬力当たりの燃料消費率（ＳＦＣ）と併せて使用して、列車荷重を計算する。図３に、機関車５の馬力３５およびＳＦＣ３７に対する燃料３３の代表的かつ例示的な値を示す表が提供される。この表３１はまた、機関車のノッチ速度に基づいてこれらの値を特定する。得られた荷重計算を使用して、鉄道線路の差し迫った変化に基づいた加速および減速を決定する。好ましくは、初期荷重評価は初期加速中に計算され、ミッション最適化用の初期入力として使用される。

得られた計算は機関車制御システム４８に提供されて、列車が特定の線路地形に接近した際に列車が取る行動を制御する。最も近づくと、列車は線路状況の変化に接近しているか、線路状況の変化に直面しているか、かつ／または線路状況の変化に既に直面した可能性がある。具体的には、行われた計算は実際のミッション性能と比較される。計算と列車位置に基づいて、列車の速度を一定に保つか、ブレーキをかけて列車を減速するか、列車を加速する（５０）。

正確な加速または減速率の決定をさらに支援するために、天候収集装置２５も列車の中にある。この装置は天候収集器を含んでおり、列車が体験する現在の気象条件や、列車が間もなく通る線路の気象条件さえも測定する。そのような気象条件には、風況、雨および雪などが含まれるがこれらに限定されない。

別の好適な実施形態では、気象条件は、例えば列車車庫であるがこれに限定されない遠隔地の配車係から列車に伝えられる。さらに別の好適な実施形態では、気象条件は無線インターネット接続などでダウンロードされる。別の好適な実施形態では、列車に設置された局所カメラが天候の視像を提供することができ、その結果、ユーザは目の当たりにした天候の種類に特有のデータおよび／またはコマンドを入力することができる。別の好適な実施形態では、上述したあらゆる手法を利用する。気象条件データがプロセッサに提供され、フィードフォワードアルゴリズムがこのデータを使用して機関車編成の加速または減速率をより正確に計算する。

図４は、燃料効率を向上させるための本発明の例示的ステップを示す流れ図である。示されたように、列車の荷重の計算をステップ５２で実行しなければならない。これは、機関車編成の出力設定に応じた列車の移動の計測に基づいて計算することができる。列車の現在位置は、ステップ５４で測定しなければならない。列車は移動しているので、列車が線路状況の変化に到達する前に、ステップ５６で線路状況の変化を特定しなければならない。上述したように、そのような線路状況の変化には、これらに限定されないが、上り勾配、下り勾配、カーブ、および地方／都市／住宅地などが含まれる。機関車編成の出力設定は、列車が線路状況の変化に接近したときに列車の計算された荷重に基づいて、ステップ５８で燃料消費量を最適化するように調整される。好適な実施形態では、これらの機能のすべてが列車の中で実行される。

図５は、鉄道列車の燃料効率を向上させるための本発明の例示的なソフトウェアコード要素を示す流れ図であり、列車は機関車または機関車編成上に少なくとも１つのコンピュータを有する。したがって、当業者は、ソフトウェアコードは単独のコンピュータ内にある必要はないが、さまざまなコードがネットワーク接続された複数のコンピュータの一部を成して、単独のコンピュータ内にすべてのコードが提供された単独のコンピュータと同様の最終結果が得られることに気づくであろう。さらに、当業者は、３つのモジュールが示されているが、これらのモジュールはより多くのモジュールに分割および／またはより少ないモジュールに結合することができることに気づくであろう。

１つのソフトウェアモジュール６０が、機関車編成の出力設定に応じた列車の移動の計測に基づいて列車の荷重を計算するために提供される。別のソフトウェアモジュール６２は、列車が線路状況の変化に到達する前に間近に迫った線路の状況を測定する。第３のソフトウェアモジュール６４は、計算された荷重と間近に迫った線路状況の変化に基づいて燃料消費量を最適化するために、列車の加速または減速率を決定する。

本発明は現時点で好適な実施形態だと考えられるものを説明したが、多くの変形や修正が当業者には明らかとなるであろう。したがって、本発明は特定の例示的実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項のすべての精神および範囲内にあるものだと解釈されることを目的としている。

本発明の例示的要素の機関車で開示されたブロック図である。 本発明の例示的ステップの概要のブロック図である。 機関車の出力に対する燃料の例示的値を示す表である。 本発明の例示的ステップを示す流れ図である。 本発明の例示的なソフトウェアコード要素を示す流れ図である。

Claims (39)

1. １つ以上の鉄道機関車からなる機関車編成を有する鉄道列車の運転を制御して、機関車編成の燃料効率を向上させる方法であって、
   ａ）機関車編成の車内で、機関車編成の出力設定に応じた列車の移動の計測に基づいて、機関車編成によって移動する前記列車の荷重を計算するステップと、
   ｂ）機関車編成の車内で、列車の現在位置を測定するステップと、
   ｃ）機関車編成の車内で、前記線路の状況の変化を前記列車が線路状況の前記変化に到達する前に特定するステップと、
   ｄ）機関車編成の車内で、機関車編成の出力設定を調整して、前記列車が線路状況の前記変化に接近したときに、前記列車の前記計算された荷重に基づいて機関車編成の燃料消費量を最適化するステップとからなる、
   前記方法。
2. 列車の移動を計測する前記ステップが、列車の位置、列車速度および列車加速の変化の少なくとも１つを測定することである、請求項１に記載の方法。
3. 前記線路の状況を特定する前記ステップが、線路傾斜、線路曲率またはレール摩擦特性の少なくとも１つを特定することである、請求項１に記載の方法。
4. 列車の荷重を計算する前記ステップがさらに、荷重測定の間に列車が通る線路の線路状況に基づいている、請求項１に記載の方法。
5. 機関車の出力設定が機関車のエンジン設定である、請求項１に記載の方法。
6. 機関車が、ディーゼル機関車、電気機関車、ディーゼル電気機関車、液体式ディーゼル機関車または電気油圧式機関車の少なくとも１つである、請求項１に記載の方法。
7. 機関車の出力設定が、機関車によって使用される駆動方式に基づいて定められる、請求項５に記載の方法。
8. 駆動方式が、機械駆動または油圧駆動の少なくとも一方である、請求項７に記載の方法。
9. 機関車が機関車の車輪を駆動するための主電動機を有しており、機関車の出力設定は主電動機に伝達される出力の電力設定である、請求項１に記載の方法。
10. 列車の初期の列車荷重が推測され、計算された列車荷重を使用して、列車編成の出力設定の調整に使用される列車荷重の計測の精度を向上させる、請求項１に記載の方法。
11. 前記列車の荷重を計算するステップが、全地球測位装置を利用して列車の前記位置、列車速度および列車加速の少なくとも１つを測定することである、請求項１に記載の方法。
12. さらに、気象条件を決定し、前記機関車編成の出力設定を調整して、前記気象条件に基づいて燃料消費量を最適化する、請求項１に記載の方法。
13. 前記気象条件が、周囲の気象条件および前記線路に対する前記周囲の気象条件の影響の少なくとも一方である、請求項１２に記載の方法。
14. さらに、機関車編成の出力設定に応じた列車の移動の計測に基づいて二度目に列車の荷重を計算することによって、前記計算された荷重の精度を測定する、請求項１に記載の方法。
15. 前記計算された荷重の精度を計測する前記ステップがさらに、前記列車の第２の荷重を計算して、前記第１の計算された荷重と比較することである、請求項１４に記載の方法。
16. 前記計算された荷重が、前記第２の荷重に基づいて調整される、請求項１５に記載の方法。
17. さらに、複数の全地球測位装置を使用して、前記列車の前記荷重の計算に使用される前記列車の長さを測定する、請求項１２に記載の方法。
18. さらに、前記列車の速度の調整で使用する列車の運転データを収集する、請求項１に記載の方法。
19. １つ以上の鉄道機関車からなる機関車編成を有する鉄道列車に設置される鉄道列車の燃料効率を向上させるシステムであって、
    位置測定装置と；
    鉄道線路に関する地形および外形データからなる線路断面データベースと；
    前記列車の荷重を計算するアルゴリズムと、前記計算された荷重と間近に迫った鉄道線路の地形および外形に基づいて前記列車の加速率または減速率の少なくとも一方を決定するフィードフォワードアルゴリズムを有するプロセッサとからなる前記システムにおいて、
    線路の状況の前記変化が機関車編成の車内で測定され、機関車編成の出力設定を調整して、列車が線路状況の変化に接近したときに列車の計算された荷重に基づいて機関車編成の燃料消費量を最適化する、
    前記システム。
20. 前記列車の荷重を計算する前記アルゴリズムが、前記列車の出発時刻と出発地、前記列車の現在位置および前記線路の状況の利用の組み合わせか、または前記列車が特定の出力設定の際に移動する列車速度の組み合わせの少なくとも一方である、請求項１９に記載のシステム。
21. さらに、気象条件を測定するための天候収集装置を有する、請求項１９に記載のシステム。
22. 前記フィードフォワードアルゴリズムがさらに、気象条件を考慮して、加速率または減速率の少なくとも一方を決定する、請求項２１に記載のシステム。
23. さらに、プロセッサに接続される記憶装置を有する、請求項１９に記載のシステム。
24. さらに、前記列車が以前に通った線路の長さを通り過ぎた際の時間と場所を含む、前記記憶装置に記憶された以前のデータに基づいて前記列車の第２の荷重を計算することによって、計算された荷重値の精度を測定するための第３のアルゴリズムを有する、請求項２２に記載のシステム。
25. 前記第３のアルゴリズムがさらに、前記列車の第２の荷重を計算して、前記第１の計算された荷重と比較することによって、計算された荷重値の精度を測定する、請求項２４に記載のシステム。
26. さらに、プロセッサに機能的に接続される列車運転収集装置を有する、請求項１９に記載のシステム。
27. 前記収集装置からのデータを使用して、前記計算された荷重と、間近に迫った鉄道線路の地形および外形に基づいて前記列車の加速率または減速率の少なくとも一方を決定する、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記位置測定装置が、列車の位置、列車速度および列車加速の変化の少なくとも１つを測定する、請求項１９に記載のシステム。
29. 前記位置測定装置が全地球測位装置を利用する、請求項１９に記載のシステム。
30. 鉄道線路に関する地形および外形データがさらに、線路傾斜、線路曲率またはレール摩擦特性の少なくとも１つである、請求項１９に記載のシステム。
31. 列車の初期の列車荷重が推測され、計算された列車荷重を使用して、列車編成の出力設定の調整に使用される列車荷重の計測の精度を向上させる、請求項１９に記載のシステム。
32. アルゴリズムまたはフィードフォワードアルゴリズムの少なくとも一方が、時間依存および時間変化テイラー級数展開計算またはカルマンフィルタの少なくとも一方である、請求項１９に記載のシステム。
33. 機関車編成の燃料効率を向上させるために１つ以上の鉄道機関車からなる機関車編成と、機関車編成上の少なくとも１つのコンピュータとを有する鉄道列車の燃料効率を向上させるためのコンピュータソフトウェアコードであって、
    ａ）機関車編成の出力設定に応じた列車の移動の計測に基づいて、機関車編成によって移動する列車の荷重を計算するためのコンピュータ用ソフトウェアモジュールと、
    ｂ）列車が線路状況の変化に到達する前に間近に迫った線路の状況を測定するためのコンピュータ用ソフトウェアモジュールと、
    ｃ）前記列車の加速率または減速率の少なくとも一方を計算して、計算された荷重と間近に迫った線路状況の変化に基づいて燃料消費量を最適化するためのコンピュータ用ソフトウェアモジュールとからなる、
    前記コンピュータソフトウェアコード。
34. 荷重を計算するためのコンピュータ用ソフトウェアモジュールまたは間近に迫った線路の状況を測定するためのソフトウェアモジュールの少なくとも一方がさらに、それぞれの計算を実行する際に気象条件を考慮するためのコードを有する、請求項３３に記載のコンピュータソフトウェアコード。
35. さらに、前記列車の計算された加速率に基づいて前記列車を加速して、前記列車が前記間近に迫った線路状況の変化に到達したときに燃料消費量を最適化するか、または前記列車の計算された減速率に基づいて前記列車を減速して、前記列車が前記間近に迫った線路状況の変化に到達したときに燃料消費量を最適化するためのコンピュータ用ソフトウェアモジュールを有する、請求項３３に記載のコンピュータソフトウェアコード。
36. さらに、前記列車の第２の荷重を計算するためのコードを有することによって前記計算された荷重の精度を測定し、前記第２の荷重を前記第１の荷重と比較し、前記第２の荷重に基づいて前記第１の荷重を調整するためのコンピュータ用ソフトウェアモジュールを有する、請求項３３に記載のコンピュータソフトウェアコード。
37. 加速率または減速率の少なくとも一方を計算するための前記コンピュータ用ソフトウェアモジュールがさらに、加速率または減速率の少なくとも一方の決定に前記列車の運転条件を利用するためのコードを有する、請求項３３に記載のコンピュータソフトウェアコード。
38. さらに、列車の初期の列車荷重を推測し、列車編成の出力設定の調整に使用される計算された列車荷重を使用して列車荷重の計測の精度を向上させるためのコンピュータ用ソフトウェアモジュールを有する、請求項３３に記載のコンピュータソフトウェアコード。
39. さらに、時間依存および時間変化テイラー級数展開計算またはカルマンフィルタの少なくとも一方を有する、請求項３３に記載のコンピュータソフトウェアコード。

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