JP5469462B2 - 複数の動力分散方式の機関車を含む列車のために鉄道列車の運転を最適化するための方法および装置 - Google Patents

Description

発明のこの実施形態は、列車の運転を最適化することに関し、より具体的にはスケジュールの制約を満足しながら効率を向上するように列車の運転を監視および制御することによって、複数の動力分散方式の機関車のコンシストを含む列車のために列車の運転を最適化することに関する。

本願は、参照により本明細書に援用される２００６年３月２０日に出願され、出願番号１１／３８５，３５４を割り当てられた「Ｔｒｉｐ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ａ Ｔｒａｉｎ」と題された米国特許出願の利益を主張する一部継続出願である。

機関車は各サブシステムがその他のサブシステムと相互に依存している多数のサブシステムを用いた複雑なシステムである。機関車に乗車しているオペレータは、所望の目的地への安全なおよび適時の到着を保証するために、牽引力および制動力をかけて機関車の速度およびその機関車の鉄道車両の荷重を制御する。速度の制御は、列車内の力を許容限界内に維持し、それによって過大な自連力および列車破損の可能性を防止するためにも実行されなければならない。この機能を実行し、軌道上の列車の位置と共に変わる可能性がある定められた運転速度に従うために、概して、オペレータは、様々な鉄道車両のコンシストを用いて特定の地形上で機関車を運転することの幅広い経験を持っていなければならない。

しかし、たとえ安全な運転を保証するのに十分な知識および経験を持っていたとしても、概して、オペレータは運行中に燃料消費（またはその他の運転特性、例えば排気）を最小化するように機関車を運転することはできない。例えば、排気の制限、機関車の燃料／排気の特性、鉄道車両の大きさおよび荷重、天候、交通の状態、および機関車の運転パラメータを含む複数の運転の要素が燃料消費に影響を与える。オペレータは、性能に影響を与える多数の変動する要素にかかわらず要求されたスケジュール（到着時間）を守り、最小の燃料の量を使用（または別の運転パラメータを最適化）しながら運行中に性能を最適化する制御情報を与えられる場合、（牽引力および制動力の適用を通じて）列車をより効果的および効率的に運転することができる。したがって、適用をアドバイスする装置またはプロセスの指導（または制御）の下でオペレータが列車を運転することが望ましい。

図１および２に示される動力分散方式の列車８は、列車のコンシスト内に空間的に分かれた関係で分散された機関車１４〜１８を含む。機関車１４および１５を含む先頭の機関車のコンシスト１２Ａに加えて、列車８は１つまたは複数の追加的な機関車のコンシスト（リモートのコンシストと呼ばれ、そのリモートのコンシストの機関車はリモートユニットまたはリモートの機関車と呼ばれる）１２Ｂおよび１２Ｃを含む。リモートユニットのコンシスト１２Ｂはリモートの機関車１６および１７を含み、リモートユニットのコンシスト１２Ｃはリモートの機関車１８を含む。動力分散方式の列車は、列車の先頭以外の位置で牽引力および制動力をかけることによって列車の運転および操作を向上することができる。

リモートのコンシスト１２Ｂおよび１２Ｃの機関車は、先頭の本務ユニット１４によって発行され、通信システム１０を介して搬送される命令によって制御される。そのような命令は、例えば、リモートユニットに制動力または牽引力をかけるように指示することができる。動力分散通信システムと呼ばれる通信システム１０は、本務ユニットの命令に対するリモートユニットの応答、リモートユニットの警告状態メッセージ、およびリモートユニットの運転パラメータデータも搬送する。リモートユニットの伝送は、技術者に注意を促すために先頭の本務ユニット１４に送信される。概して、動力分散通信システムは、列車が本務コンシストと４つものリモートのコンシストとにさらに分割されることを可能にし、それぞれのリモートのコンシストは先頭のコンシストから独立に制御可能である。

通信システム１０を介して搬送される様々なメッセージの種類、内容、および形式は、参照により本明細書に援用される両方とも「Ｒａｉｌｒｏａｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」と題された所有者が共通の米国特許第５，０３９，０３８号および同第４，５８２，５８０号に記載されている。

２両以上の機関車を含むリモートのコンシストに関して、リモートのコンシスト１２Ｂに対する機関車１６などのコンシストの機関車のうちの１両は、リモートのコンシストの本務ユニットと呼ばれる。リモートのコンシストの本務ユニット１６は、本務ユニット１４からの命令およびメッセージを受信し、要求されたように命令およびメッセージを実行し、相互接続ケーブル１９（引通し線またはＭＵ（総括）線と呼ばれる）を介して接続された機関車１７に対応する命令およびメッセージを発行する。本務ユニット１４は、２両の機関車を接続するＭＵ線１９を介して命令を発行することによって接続された機関車１５の運転も制御する。

通信システム１０は、先頭の本務ユニット１４と、司令センタ、機関車監視および診断センタ、操車場、荷積み／荷下ろし設備、ならびに沿線の機器などの地上の場所との間の通信を提供する。例えば、リモートのコンシスト１２Ｂおよび１２Ｃは、先頭の本務ユニット１４（図１）または管制塔４０（図２）のいずれかから制御されることができる。

図１および２のシステムの間の唯一の違いは、図１の本務ユニット１４からの命令およびメッセージの発行が図２の管制塔４０によって置き換えられることであることを理解されたい。概して、管制塔４０は本務ユニット１４と通信し、そしてまたその本務機関車１４はＭＵ線１７によって機関車１５に接続され、通信システム１０によってリモートのコンシスト１２Ｂおよび１２Ｃに接続される。

図１および２の動力分散方式の列車８は、本務コンシスト１２Ａとリモートのコンシスト１２Ｂ／１２Ｃの間に置かれる複数の鉄道車両２０をさらに含む。図１および２に示されたコンシスト１２Ａ〜１２Ｃおよび鉄道車両２０の構成は、本発明がその他の機関車／鉄道車両の構成に適用されることができるので単に例示的であるに過ぎない。

鉄道車両２０は、ブレーキパイプ２２内の圧力降下に応答して鉄道車両の空気ブレーキをかけ、ブレーキパイプ２２内の圧力が上昇すると空気ブレーキを放す空気ブレーキシステム（図１および２には図示されていない）を含む。ブレーキパイプ２２は、本務ユニット１４およびリモートユニット１６〜１８内の個々の空気ブレーキ制御２４によって指定された空気圧力の変化を伝えるために列車の全長に渡って走る。

いくつかの応用において、非車載のリピータ２６が、通信システム１０を介して本務ユニット１４とリモートのコンシスト１２Ｂおよび１２Ｃの間の通信信号を中継するために列車８の無線通信距離内に配置される。

機関車１４〜１８のそれぞれ、非車載のリピータ２６、および管制塔４０は、通信システム１０を介して通信信号を受信および送信するためのアンテナ２９を用いて動作可能なトランシーバ２８を含む。本務ユニット１４内のトランシーバ２８は、本務ユニット１４からリモートのコンシスト１２Ｂおよび１２Ｃへの命令およびメッセージを生成および発行し、それらのリモートのコンシスト１２Ｂおよび１２Ｃからの応答メッセージを受信するための本務コントローラ３０に関連付けられる。本務ユニット１４内の牽引および制動制御のオペレータの制御に応答して本務コントローラ３０内で命令が生成される。各機関車１５〜１８および非車載のリピータ２６は、受信信号を処理し、受信信号に応答するための、ならびに応答メッセージ、警告、および命令を発行するためのリモートコントローラ３２を含む。
米国特許第５，０３９，０３８号 米国特許第４，５８２，５８０号

一実施形態によれば、本発明は、軌道に沿った運行中に本務駆動ユニットおよび非本務駆動ユニットを含む鉄道輸送手段を運転するためのシステムを含む。

システムは、輸送手段の位置または現在の運行の開始からの時間を判定するための第１の要素と、第１の要素から情報を受信するように動作可能なプロセッサと、情報にアクセスして、輸送手段、本務ユニット、および非本務ユニットのうちの１つまたは複数に関する１つまたは複数の運転基準に従って本務ユニットおよび非本務ユニットのうちの一方または両方の性能を最適化する運行計画を生成する、プロセッサ内に具現化されたアルゴリズムとを含む。

別の実施形態によれば、本発明は、軌道に沿った運行中に本務ユニットおよび非本務ユニットを含む鉄道輸送手段を運転するための方法を含む。方法は、輸送手段の運転パラメータおよび運転の制約を判定することと、本務ユニットおよび非本務ユニットの性能を別々に最適化する輸送手段に対する運行計画を生成するために運転パラメータおよび運転の制約に従ってアルゴリズムを実行することとを含み、運行計画の実行は本務ユニットおよび非本務ユニットの独立した制御を可能にする。

さらに別の実施形態によれば、本発明は経路に沿った運行中にコンピュータプロセッサ、本務ユニット、および非本務ユニットを含む鉄道輸送手段を運転するためのコンピュータソフトウェアコードを含む。コンピュータソフトウェアコードは、輸送手段の運転パラメータおよび運転の制約を判定するためのソフトウェアモジュールと、本務ユニットおよび非本務ユニットの性能を独立して最適化する輸送手段に対する運行計画を生成するために運転パラメータおよび運転の制約に従ってアルゴリズムを実行するためのソフトウェアモジュールとを含み、運行計画の実行は本務ユニットおよび非本務ユニットの独立した制御を可能にする。

本発明の実施形態のより具体的な説明が、添付の図面において図示される本発明の特定の実施形態を参照することによってなされる。これらの図面は本発明の典型的な実施形態のみを示し、したがって本発明の範囲の限定とみなされてはならないという理解の下で、本発明の態様が添付の図面の使用を通じてさらなる具体性および詳細によって示され、説明される。

ここで、本発明に合致する実施形態に対する参照が詳細になされ、本発明の例が添付の図面に図示される。可能なときはいつでも、図面を通じて使用される同じ参照番号は同一のまたは同様の部分を指す。

本発明の態様は、スケジュールおよび速度の制約を満足しながら特定の目的の運転パラメータを改善するために列車の運転を（直接的にか、または提案されたオペレータの処置を通じてかのいずれかで）監視および制御することによって、機関車のコンシストおよび複数の鉄道車両を含む列車の運転方針を決定および実行するためのシステム、方法、およびコンピュータで実装された方法を提供することによって当技術分野におけるいくつかの問題を解決する。本発明の実施形態は、動力分散方式の列車と呼ばれる、複数の機関車のコンシストを含む列車にも適用可能である。

当業者は、ＣＰＵ、メモリ、Ｉ／Ｏ、プログラム記憶装置、接続バス、およびその他の適切なコンポーネントを含むデータ処理システムなどの装置が本発明実施形態の方法の実施を容易にするようにプログラムされるか、またはそうでなければ設計されることができることを認識するであろう。そのようなシステムは、本発明の方法を実行するための適切なプログラム手段を含む。

別の実施形態では、データ処理システムと共に使用するための事前記録ディスクまたはその他の同様のコンピュータプログラム製品などの製品は、本発明の方法の実施を容易にするようにデータ処理システムに指示するための記憶媒体およびその記憶媒体上に記録されたプログラムを含む。そのような装置および製品も本発明の実施形態の精神および範囲の内に入る。

大まかに言って、本発明の実施形態は、スケジュールおよび速度の制約を満足しながら特定の目的の運転パラメータを改善するために列車の運転方針を決定および実行するための方法、装置、およびプログラムを教示する。本発明の理解を容易にするために、以降、本発明が本発明の特定の実装を参照して説明される。本実施形態が、コンピュータによって実行されるプログラムモジュールなどのコンピュータが実行可能な命令との全般的な関連で説明される。概して、プログラムモジュールは、特定のタスクを実行するか、または特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造などを含む。例えば、本発明実施形態の基礎をなすソフトウェアプログラムは、様々な処理プラットフォームと共に使用するために様々な言語でコーディングされることができる。以下に続く説明において、本発明の実施形態の例が、ウェブブラウザを使用するウェブポータルとの関連で説明される。しかし、本実施形態の基礎をなす原理はその他の種類のコンピュータソフトウェア技術を用いて実装されることもできることが理解されるであろう。

さらに、当業者は、本実施形態がハンドヘルドデバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサベースのまたはプログラム可能な家庭用電化製品、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含むその他のコンピュータシステム構成を用いて実施されることができることを理解するであろう。本発明は、通信ネットワークを介して接続されたリモートの処理デバイスによってタスクが実行される分散コンピューティング環境において実施されることもできる。分散コンピューティング環境においては、プログラムモジュールは、メモリ記憶装置を含むローカルのコンピュータ記憶媒体およびリモートのコンピュータ記憶媒体の両方に配置されることができる。これらのローカルのおよびリモートのコンピューティング環境は、機関車内、もしくはコンシスト内の隣接する機関車内に完全に含まれることができるか、またはコンピューティング環境間の無線通信が提供される車外の沿線もしくは中央オフィスにあることができる。

用語「機関車のコンシスト」は、図１の機関車のコンシスト１２Ａ、１２Ｂ、および１２Ｃのような、機関車の間に鉄道車両を持たないモータリングおよび／または制動能力を提供するために一緒に接続された連続する１両または複数の機関車を意味する。列車は、機関車のコンシスト１２Ａ、１２Ｂ、および１２Ｃのような１つまたは複数の機関車のコンシストを含むことができる。具体的には、（コンシスト１２Ａのような）本務コンシストと、一連の鉄道車両に沿った中間にある（リモートのコンシスト１２Ｂのような）第１のリモートのコンシスト、および列車の末尾の位置にある（リモートのコンシスト１２Ｃのような）別のリモートのコンシストなどの１つまたは複数のリモートのコンシストとが存在する可能性がある。それぞれの機関車のコンシストは、（コンシスト１２Ａの本務ユニット機関車１４およびリモートのコンシスト１２Ｂの本務ユニット機関車１６のような）第１のまたは本務機関車と、（コンシスト１２Ａの機関車１５およびリモートのコンシストの機関車１７のような）１両または複数の補助機関車とを有することができる。

コンシストは通常接続された連続する機関車とみなされるが、当業者は、スロットルおよび制動命令が通信システム１０によって本務機関車からリモートの機関車に中継される上述のような動力分散運転用にコンシストが構成されるときのように、たとえ少なくとも１両の鉄道車両がそれらの機関車を分けても機関車の一群がやはりコンシストとして認識され得ることを容易に認識するであろう。この目的のために、用語「機関車のコンシスト」は、同じ列車内の複数の機関車を検討するときに限定的な要素とみなされるべきでない。

ここで図面を参照して本発明の実施形態が説明される。これらの実施形態は、システム（コンピュータ処理システムを含む）、方法（コンピュータ化された方法を含む）、装置、コンピュータ可読媒体、コンピュータプログラム製品、ウェブポータルを含むグラフィカルユーザインターフェース、またはコンピュータ可読メモリ内に実在するように定着されたデータ構造を含む多数のやり方で実装されることができる。本発明のいくつかの実施形態が以下で検討される。

図３は、本発明の一実施形態のフローチャートの例示的な図を示す。示されるように、命令は、車内か、または指令センタ１１０などのリモートの場所からのいずれかの、運行を計画することに固有の入力である。そのような入力情報は、列車の位置と、コンシストの組成（機関車の型式など）と、機関車の牽引力伝達の機関車の牽引力性能と、出力動力の関数としてのエンジン燃料の消費と、冷却特性と、意図される運行ルート（距離標、または標準的な鉄道のやり方に従った曲率を反映するための「有効な勾配」の構成要素の関数としての有効な軌道の勾配および曲率）と、（有効な抵抗係数を含む）車両の構造および荷重と、出発時間および出発地、終着地、走行時間、乗務員（ユーザおよび／またはオペレータ）の識別情報、乗務員のシフト終了時間、ならびに運行経路を含むがこれらに限定されない所望の運行のパラメータとを含むがこれらに限定されない。

このデータは、車載のディスプレイを介した機関車１４２への手動オペレータ入力、ハードカード、ハードドライブ、および／もしくはＵＳＢなどのデータ記憶装置に接続すること、または軌道信号デバイスおよび／もしくは沿線のデバイスなどの中央のおよび沿線の場所１４１から機関車１４２に無線通信チャネルを介して情報を送信することなどであるがこれらに限定されない種々の技術およびプロセスに従って機関車１４２に提供されることができる（図３参照）。機関車１４２および列車１３１の負荷特性（例えば、抵抗）も（例えば、高度、外気温度、ならびにレールおよび鉄道車両の状態によって）経路上で変わる可能性があり、上述の方法のうちのいずれかに従ってそのような変化を反映するために計画の更新を引き起こすことができる。計画最適化プロセスに影響を与える更新データは、上述の方法および技術のうちのいずれかによって、ならびに／または機関車／列車の状態のリアルタイムの自律的な収集によって供給されることができる。そのような更新は、例えば、（１両もしくは複数の）機関車１４２に搭載された、または（１両もしくは複数の）機関車１４２に搭載されていない監視機器によって検出された機関車または列車の特性の変化を含む。

軌道信号システムは特定の軌道の状態を示し、信号に接近する列車のオペレータに指示を与える。以下でより詳細に説明される信号システムは、例えば軌道のセグメント上の許容列車速度を示し、列車のオペレータに停車および走行指示を与える。信号の位置と様々な信号に関連する規則とを含む信号システムの詳細は、車載のデータベース１６３に記憶される（図９参照）。

本発明の種々の実施形態に入力された詳細データに基づいて、速度制限の制約と所望の出発および到着時間とに従った燃料の使用および／または生成される排気が、運行プロフィール１１２を生成するために計算される。プロフィールは、距離および／または運行の開始からの時間の関数として表された列車が従うための最適な速度および動力（ノッチ）設定と、最大ノッチ動力およびブレーキ設定、位置の関数としての速度制限を含むがこれらに限定されない列車の運転の制限と、予想される使用燃料および生成される排気とを含む。例示的実施形態において、ノッチ設定に関する値は、１０から３０秒毎に１回程度スロットル変更判断を得るために選択される。

当業者は、最適な速度プロフィールに従うために必要とされるおよび／または望まれる場合にスロットル変更判断がより長いまたはより短い間隔で行われることができることを容易に認識するであろう。より広い意味で、プロフィールは列車レベル、コンシストレベル、および／または個々の機関車レベルのいずれかで動力設定を列車に提供することが当業者には明らかであるに違いない。本明細書で使用されるように、動力は、制動動力、モータリング動力、および空気ブレーキ動力を含む。別の好ましい実施形態において、従来の離散的なノッチ動力設定で運転する代わりに、本発明の実施形態は、速度プロフィールを最適化するために動力設定の連続的な範囲から所望の動力設定を決定する。したがって、例えば、最適なプロフィールがノッチ設定６．８を指定する場合、ノッチ設定７の代わりに機関車１４２は６．８で運転する。そのような中間的な動力設定を可能にすることは、以下で説明されるようにさらなる効率の利益をもたらすことができる。

最適なプロフィールを計算するための手順は、以下で要約されるように機関車の運転およびスケジュールの制約に従って燃料および／または排気を最小化するように列車１３１を運転する動力シーケンスを計算するための任意の数の方法を含むことができる。いくつかの場合、最適なプロフィールは、列車の構成、経路、および環境条件の類似性のために、前に決定されたプロフィールに十分に近い可能性がある。これらの場合、前に決定された運転経路をデータベース１６３から取り出し、それに従って列車を運転すれば十分である可能性がある。

前の計画が利用できない場合、新しい計画を計算するための方法は、列車の動きの物理的過程を近似する微分方程式モデルを使用する最適なプロフィールの直接的な計算を含むがこれに限定されない。このプロセスによって、定量的目的関数が決定され、通常、この関数は、燃料消費率および生成される排気に対応するモデル変数の加重和（積分）に過度のスロットルの変動にペナルティを課すための項を足したものから成る。

最適な制御の定式化は、速度制限ならびに最大および最小動力（スロットル）設定を含むがこれらに限定されない制約に従って定量的目的関数を最小化するように確定される。いつでも計画の目的に応じて、問題は、排気および速度の制限に関する制約に従って燃料を最小化するように、または燃料の使用および到着時間に関する制約に従って排気を最小化するように設定されることができる。例えば、制約の緩和がミッションのために許可または要求される場合に総排気または燃料の使用に関する制約なしに総走行時間を最小化するという目的を設定することも可能である。

この文書を通して、例示的方程式および目的関数が、機関車の燃料消費を最小化するために示される。燃料消費を最適化するために、またはその他の機関車／列車の運転パラメータを最適化するためにその他の方程式および目的関数が使用されることができるので、これらの方程式および関数は例示のみを目的とする。

数学的に、解かれるべき問題はより正確に表されることができる。基本的な物理的過程は以下によって表される。

ここで、ｘは列車の位置であり、ｖは列車速度であり、ｔは時間であり（必要に応じて、マイル、マイル時速、および分または時間で表される）、ｕはノッチ（スロットル）命令入力である。さらに、Ｄは走行予定距離を表し、Ｔ_ｆは軌道に沿った距離Ｄへの所望の到着時間であり、Ｔ_ｅは機関車のコンシストによって生成される牽引力であり、Ｇ_ａは（列車の長さ、列車の構造、および走行地形に依存する）重力抵抗であり、Ｒは機関車のコンシストおよび列車の組合せの実速度に依存する抵抗である。初速度および最終速度も指定されることができるが、一般性を失うことなくここでは０であると（列車は運行の始めと終わりに停車していると）みなされる。モデルは、スロットルの変化ｕと結果として起こる牽引力または制動力との間の時間のずれのようなその他の力学係数を含むように容易に修正される。

全てのこれらの性能の尺度は、以下のうちの任意のものの１次結合として表されることができる。

−総燃料消費を最小化する。

−走行時間を最小化する

−ノッチの操作を最小化する（区分的に一定な入力）

−ノッチの操作を最小化する（連続的入力）
（１）の燃料の項Ｆ（・）を排気の生成に対応する項で置き換える。したがって、通常使用される代表的な目的関数は、

である。この１次結合の係数は、項のそれぞれに対して与えられる重要度（重み）によって決まる。方程式（ＯＰ）において、ｕ（ｔ）は連続的なノッチ位置である最適化変数であることに留意されたい。例えば旧式の機関車のために離散的なノッチが必要とされる場合、方程式（ＯＰ）に対する解は離散化され、このことはより少ない燃料の節約をもたらす可能性がある。最小時間の解を見つけること（α_１は０に設定され、α_２は０または比較的小さな値に設定される）が、達成可能な移動時間に関する下限（Ｔ_ｆ＝Ｔ_ｆｍｉｎ）を見つけるために使用される。この場合、ｕ（ｔ）およびＴ_ｆの両方が最適化変数である。好ましい実施形態は、α_３を０としてＴ_ｆ＞Ｔ_ｆｍｉｎであるＴ_ｆの様々な値に対して方程式（ＯＰ）を解く。この後者の場合、Ｔ_ｆは定数として扱われる。

そのような最適化問題の解法に精通している人のために、制約、例えば経路に沿った速度制限

を追加することが必要である可能性があるか、または、最小時間を目的として使用するときは、追加の制約は、終点の制約が保たれなければならず、例えば、総消費燃料が例えば

（ここでＷ_ＦはＴ_ｆにおいてタンク内に残っている燃料である）によってタンク内にある燃料より少なくなければならないことである可能性がある。当業者は、方程式（ＯＰ）がその他の形態で示されることができることと、上記の形態が本発明の実施形態において使用するための例示的な方程式であることとを容易に認識するであろう。

本発明の実施形態に関連した排気についての言及は、概して窒素酸化物（ＮＯｘ）、未燃炭化水素、および微粒子の形態で生成される累積的な排気を対象とする。設計によって、どの機関車もＥＰＡの排出基準に従わなければならず、したがって排気を最適化する本発明の実施形態において、この排気は現在ＥＰＡの規定が存在しないミッション全体の排気を指す可能性がある。最適化された運行計画に従った機関車の運転は、常にＥＰＡの排出基準に従う。

運行中の重要な目的が排気を削減することである場合、最適な制御の定式化、方程式（ＯＰ）は、この運行の目的を考慮するために修正される。最適化プロセスにおける重要な柔軟性は、運行の目的のうちのいずれかまたは全てが地理的領域またはミッションによって変わることができることである。例えば、優先度の高い列車は、列車の優先度のために１つの経路上で最小の時間が唯一の目的である可能性がある。別の例において、排気の排出は、計画された列車の経路に沿った州毎に変わることができる。

結果として得られる最適化問題を解くために、例示的実施形態において、本発明は、時間領域の動的な最適制御問題をＮ個の決定変数を有する等価で静的な数理計画問題に書き換え、ここで、数「Ｎ」はスロットルおよび制動の調整がなされる頻度と運行の継続時間とによって決まる。典型的な問題に関して、このＮは数千にもなる可能性がある。例示的実施形態において、列車が米国南西部の１７２マイルに渡って伸びた軌道を走行している。本発明の特定の態様を利用して、本発明のこれらの特徴を使用して決定され、遵守された運行を、スロットル／速度が標準的なやり方に従ってオペレータによって決定された場合の運行と比較するとき、例示的に７．６％の燃料消費が実現されることができる。改善された節約は、本発明によって提供される最適化が、オペレータ制御の運行と比較してより少ない抵抗損失とわずかなまたは全くない制動損失との両方を有する運転方針をもたらすので実現される。

上述の最適化を計算し易くするために、図４に示され、上で検討された方程式に記載されたような列車の簡素化されたモデルが使用されることができる。最適なプロフィールに対する重要な改善が、その他の熱的、電気的、および機械的制約が破られるかどうかをテストするために、生成された最適な動力シーケンスを用いるより詳細なモデルを動かすことによって生成され、機関車または列車の機器を損傷することなしに達成されることができる、すなわち機関車に関する熱的および電気的制限ならびに列車間の力などのさらなる暗黙的な制約を満足することができる走行にもっと近い速度対距離を有する修正されたプロフィールをもたらす。

再び図３を参照すると、運行が開始される（１１２）と、計画を開始するために動力命令が生成される（１１４）。本発明の種々の実施形態の運転の設定に応じて、１つの命令が、最適な速度を達成するために機関車を最適化された動力命令に従わせる（１１６）。種々の実施形態によって、本発明は、列車の機関車のコンシストから実際の速度および動力の情報を取得する（１１８）。最適化のために使用されるモデルにおける通常の近似のおかげで、最適化された動力に対する補正の閉ループの計算が、所望の最適な速度を追跡するために取得される。列車の運転の制限のそのような補正は、自動的に、または列車の根本的な制御をいつも行っているオペレータによってなされることができる。

いくつかの場合、最適化において使用されるモデルは実際の列車と大きく異なる可能性がある。これは、特別な貨物の追加または切り離し、経路内の故障した機関車、初期データベース１６３内の誤り、およびオペレータによるデータ入力の誤りを含むがこれらに限定されない多くの理由で発生する可能性がある。これらの理由のために、監視システムが、リアルタイムの列車のデータを使用してリアルタイムで機関車および／または列車のパラメータを推定する（１２０）。次に、推定パラメータが、運行が最初に作成されたときに使用された仮定のパラメータと比較される（１２２）。仮定のパラメータと推定パラメータの任意の差に基づいて運行が再計画されることができる（１２４）。概して、運行は、新しい計画をもとに著しい節約が実現されることができる場合に再計画される。

運行が再計画される可能性があるその他の理由は大域的な移動計画の目的に合致するための目的の変更の指令および／またはオペレータの要求などのリモートの場所からの指令を含む。そのような大域的な移動計画の目的は、その他の列車のスケジュール、排気をトンネルから消散させるために必要な時間、保守作業などを含む可能性があるがこれらに限定されない。別の理由は、車内でのコンポーネントの故障が原因である可能性がある。再計画に関する方針は、以下でさらに詳細に検討されるように障害の重大性に応じて付加的な調整および大幅な調整にグループ化されることができる。概して、「新しい」計画は、上述の最適化問題の方程式（ＯＰ）に対する解から導出されなければならないが、本明細書において説明されるようにより速い近似解が発見されることができることが多い。

運転中、機関車１４２はシステム効率を継続的に監視し、更新が運行性能を向上するときにはいつでも実際の測定された効率に基づいて運行計画を継続的に更新する。再計画の計算は、（１両または複数の）機関車内で全て実行されることができるか、または無線技術が新しい計画を機関車１４２に伝達することができる指令または沿線の処理設備などのリモートの場所で全てもしくは部分的に実施されることができる。本発明の様々な実施形態は、効率伝達関数に関する機関車の一団のデータを作成するための効率の傾向を生成することもできる。機関車の一団全体のデータは、最初の運行計画を決定するときに使用されることができ、複数の列車の位置を考慮するときに鉄道網全体の最適化の折り合いをつけるために使用されることができる。例えば、図６に示される走行時間と燃料の使用のトレードオフ曲線は、特定の経路上の多くの同様の列車に関して収集されたアンサンブル平均をもとに更新された現時点の同じ経路上の列車の能力を反映する。したがって、多くの機関車から図６と同様の曲線を収集する中央指令機関は、列車の全体的な動きをよりうまく調整して燃料の使用またはスループットにおけるシステム全体の利益を達成するためにその情報を使用することができる。

例えば列車が別の列車との計画された待ち合わせまたは追い越しに関して予定に遅れており、したがって遅れた時間を取り戻さなければならないとき、日常的な運転中の多くの事象が、同じ運行目的を維持する新しいまたは修正された運行計画を含む新しいまたは修正された計画の生成を動機付ける可能性がある。機関車の実際の速度、動力、および位置を使用して、計画された到着時間が現在推定（予測）される到着時間と比較される（２５）。これらの時間の差と（指令またはオペレータによって検出または変更された）パラメータの差とに基づいて計画が調整される（１２６）。この調整は、計画からの逸脱を処理するための鉄道会社の方針に応じて自動的に行われることができるか、または車上のオペレータおよび指令が計画を戻すための最良のアプローチを連帯して決定するときに手動で行われることができる。計画が更新されるが、到着時間などであるがこれに限定されない当初の目的が同じままであるときにはいつでも、追加的変更、例えば常に当初の計画に復帰することの実現可能性に影響を与える可能性がある新しい将来の速度制限の変更が同時に考慮されることができる。そのような場合、元の運行計画が維持されることができない、または換言すると列車が元の運行計画の目的を達成することができない場合、本明細書において検討されるように（１つまたは複数の）その他の運行計画がオペレータ、リモートの設備、および／もしくは指令に提示されることができる。

再計画は、当初の目的を変更することが望ましいときにもなされることができる。そのような再計画は、決まった予め計画されたときに行われることができるか、オペレータもしくは指令の裁量で手動で行われることができるか、またはそのような列車の運転の制限などの既定の制限が超えられたときに自律的に行われることができるかのいずれかである。例えば、現在の計画の実行が３０分などの指定された閾値を超えるだけ遅れている場合、本発明の実施形態は運行を再計画して、上述のようにより多くの燃料消費と引き換えに遅れに対処することができるか、またはできるとしたときに遅れた時間が取り戻されることができる程度（すなわち、残りの最小時間は何か、もしくは時間の制約内で節約されることができる最大の燃料）をオペレータおよび指令に知らせることができる。再計画に関するその他の誘因は、消費燃料、あるいは到着時間、機器の故障および／もしくは機器の一時的な不調（過度に高い温度、もしくは過度に低い温度での運転など）による馬力の損失、ならびに／または想定された列車の荷重におけるような全体の設定の誤りの検出を含むがこれらに限定されない動力コンシストの調子に基づいて想定されることもできる。すなわち、変化が現在の運行に関する機関車の性能の低下を反映する場合、これらは、最適化プロセスに使用されるモデルおよび／または方程式に盛り込まれることができる。

計画の目的の変更は、１つの列車に関する計画が別の列車の能力を損なう事象を調整して、例えば指令オフィスが要求される異なるレベルで目的および調整を達成する必要性からも生じる可能性がある。例えば、待ち合わせおよび追い越しの調整が、列車同士の通信を通じてさらに最適化されることができる。したがって、例として、オペレータがそのオペレータが待ち合わせおよび／または追い越しのための場所への到着がスケジュールよりも遅れていることを知っている場合、もう一方の列車からの通信が遅れている列車のオペレータ（および／または指令）に助言することができる。オペレータは、列車の運行計画を再計算するために予測される遅れた到着に関する情報を入力することができる。種々の実施形態によれば、本発明は、万一スケジューリングされた待ち合わせおよび／または追い越し時間の制約が満たされない可能性がありそうな場合にどの列車が速度を落とすべきか、または速度を上げるべきかを指令が決定することを可能にするために高レベルまたは鉄道網レベルで使用されることもできる。本明細書において検討されるように、これは、各列車がその列車の計画の目的をどのように変更すべきかを優先順位付けするために列車がデータを指令に送信することによって遂行される。選択は、状況に応じてスケジュールまたは燃料の節約の利点のいずれかに基づいてなされることができる。

手動または自動で開始された再計画のいずれに関しても、本発明は、２つ以上の運行計画をオペレータに提示することができる。例示的実施形態において、本発明はオペレータに異なるプロフィールを提示し、オペレータが到着時間を選択し、さらに対応する燃料および／または排気の影響を理解することを可能にする。そのような情報は、同様の検討のために指令に単なる選択肢のリストとしてか、または図６に示されたような複数のトレードオフ曲線としてかのいずれかで提供されることもできる。

一実施形態において、本発明は、現在の計画におよび／または将来の計画のためにのいずれかで組み込まれることができる列車または動力コンシストの重要な変更を学習し、それらの重要な変更に適合する能力を含む。例えば、上で検討された誘因のうちの１つは馬力の損失である。馬力の損失の後か、運行を開始するときのいずれかに時間の経過と共に馬力を上げるとき、いつ所望の馬力が達成されるのかを決定するために遷移ロジックが利用される。この情報は、後で万一馬力の損失が再び起こった場合に将来の運行かまたは現在の運行のいずれかを最適化するのに使用するために機関車のデータベース１６１に保存されることができる。

図５は、本発明の要素の例示的実施形態を示す。列車１３１の位置を判定するためのロケータ要素１３０が提供される。ロケータ要素１３０は、列車１３１の位置を判定するＧＰＳセンサ、またはセンサシステムを含む。そのようなその他のシステムの例は、無線周波数積載物自動認識（ＲＦ ＡＥＩ）タグなどの沿線のデバイス、指令、および／または映像ベース判定を含むことができるがこれらに限定されない。別のシステムは、機関車に搭載された（１つまたは複数の）タコメータ、および基準点からの距離の計算を使用することができる。既に検討されたように、無線通信システム１４７が、列車間の、および／または指令などのリモートの場所との通信を可能にするために提供されることもできる。走行位置についての情報が通信システムを介してその他の列車から転送されることもできる。

軌道特徴付け要素１３３は軌道についての情報、主として勾配および高度および曲率の情報を提供する。軌道特徴付け要素１３３は、車載の軌道完全性データベース１３６を含むことができる。センサ１３８が、機関車のコンシスト１４２によって加えられる牽引力４０、機関車のコンシスト１４２のスロットの設定、機関車のコンシスト１４２の構成情報、機関車のコンシスト１４２の速度、個々の機関車の構成情報、個々の機関車の能力などを測定するために使用される。例示的実施形態において、機関車のコンシスト１４２の構成情報はセンサ１３８を使用せずに取り込まれることができるが、上で検討されたようにその他のアプローチによって入力される。さらに、コンシスト内の機関車の調子が考慮されることもできる。例えば、コンシスト内の１両の機関車が動力ノッチレベル５を超えて運転することができない場合、この情報は運行計画を最適化するときに使用される。

ロケータ要素からの情報は、列車１３１の適切な到着時間を決定するために使用されることもできる。例えば、軌道１３４に沿って目的地に向かって移動している列車１３１があり、その列車１３１の後ろに続く列車がなく、当該列車が満足すべき決まった到着期限を持たない場合、無線周波数積載物自動認識（ＲＦ ＡＥＩ）タグ、指令、および／または映像ベース判定を含むがこれらに限定されないロケータ要素が、列車１３１の正確な位置を判定するために使用されることができる。さらに、これらの信号システムからの入力が、列車の速度を調整するために使用されることができる。以下で検討される車載の軌道データベースと、ＧＰＳなどのロケータ要素とを使用して、本発明の実施形態は、所与の機関車の位置における信号システムの状態を反映するためにオペレータのインターフェースを調整することができる。信号の状態が前もって制限速度を示す状況において、プランナは、燃料消費を節約するために列車を減速させることを選択することができる。

ロケータ要素１３０からの情報は、計画の目的を目的地への距離の関数として変更するために使用されることもできる。例えば、経路に沿った混雑についての避けがたい不確実性のために、経路の初めの方の部分における「より速い」時間の目的が、統計的に後で発生する遅延に対する防護措置として使用されることができる。特定の運行に関してそのような遅延が発生しない場合、行程の後の方の部分における目的は、前に蓄えられた組み込まれた余分な時間を利用し、それによっていくらかの燃料効率を回復するために修正されることができる。同様の方針が、排気制限の目的、例えば都市部に接近する際に適用する排気制約に関して実施される可能性がある。

防護方針の一例として、運行がニューヨークからシカゴまで計画される場合、システムは、運行の初めか、または運行の中間か、または運行の終わりのいずれかにおいて列車を遅く運転するオプションを提供する可能性がある。本発明の実施形態は、天候条件、軌道の保守などであるがこれらに限定されない未知の制約が運行中に発生し、明らかになる可能性があるので運行の終わりにより遅い運転を可能にするように運行計画を最適化する。別の考えとして、以前から混雑している地域が知られている場合、計画は、そのような地域の周辺での運転の柔軟性を増加させるためのオプションを用いて作成される。したがって、一実施形態において、本発明は、時間／距離の関数としての重み付け／ペナルティを課すことを将来の考慮に入れることもでき、および／または知られている／過去の経験に基づいて考慮することもできる。当業者は、天候条件、軌道の条件、軌道上のその他の列車などを考慮に入れるためのそのような計画および再計画が運行中いつでも考慮に入れられることができ、運行計画がそれに従って調整されることを容易に認識するであろう。

図５は、本発明の実施形態の一部であることができるその他の要素をさらに開示する。プロセッサ１４４は、ロケータ要素１３０、軌道特徴付け要素１３３、およびセンサ１３８からの情報を受け取るように動作する。アルゴリズム１４６がプロセッサ１４４内で動作する。アルゴリズム１４６は、本明細書で説明するように機関車１４２、列車１３１、軌道１３４、およびミッションの目的を含むパラメータに基づいて最適化された運行計画を計算する。例示的実施形態において、運行計画は、アルゴリズムに提供されている簡素化の仮定を用いて適用可能な物理的過程から導出された非線形微分方程式の解として、列車１３１が軌道１３４に沿って移動するときの列車の振る舞いに関するモデルに基づいて確立される。アルゴリズム１４６は、ロケータ要素１３０、軌道特徴付け要素１３３、および／またはセンサ１３８からの情報にアクセスして、機関車のコンシスト１４２の燃料消費を最小化し、機関車のコンシスト１４２の排気を最小化し、所望の運行時間を定め、および／または機関車のコンシスト１４２上での適切な乗務員の稼働時間を保証する運行計画を作成する。例示的実施形態において、運転士、またはコントローラ要素１５１も提供される。本明細書において検討されるように、コントローラ要素１５１は、列車が運行計画に従うときに列車を制御することができる。本明細書でさらに検討される例示的実施形態において、コントローラ要素１５１は、自律的に列車運転の判断を行う。別の例示的実施形態において、オペレータは、自分の裁量で列車に運行計画に従うかまたはそれから外れるように指示することに関与する可能性がある。

本発明の一実施形態において、運行計画は計画が実行されているときにリアルタイムで修正可能である。これは、計画最適化アルゴリズムの複雑性のために、長距離の運行のための最初の計画を作成することを含む。運行プロフィールの全長が所与の距離を超えるとき、アルゴリズム４６が、ミッションを中間地点に分割することによってミッションを分割するために使用されることができる。単一のアルゴリズム１４６のみが検討されるが、当業者は、２つ以上のアルゴリズムが使用されることができることと、そのような複数のアルゴリズムが運行計画を生成するために結びつけられることとを容易に認識するであろう。

運行の中間地点は、対向する交通との待ち合わせのための、もしくは現在の列車の後ろの列車による追い越しのための単線の側線、操車場の側線、車両が追加および切り離しされる引込線、および計画された保守作業の場所などであるがこれらに限定されない列車１３１が停車する理に適った場所を含むことができる。そのような中間地点において、列車１３１は、スケジューリングされた時間にその場所にいるか、停車されているか、または指定範囲内の速度で移動しているように要求されることができる。中間地点における到着から出発までの期間は停車時間と呼ばれる。

例示的実施形態において、本発明は、長い運行を体系的なプロセスに従ってより小さなセグメントに分けることができる。各セグメントは、長さが幾分任意的であることができるが、概して、停車もしくは著しい速度制限などの無理のない場所において、またはその他の経路との合流点を規定する重要な中間地点もしくは距離標において選択される。このようにして選択された部分またはセグメントが与えられると、運転プロフィールが、図６に示されたような独立変数とみなされる走行時間の関数として軌道の各セグメントに対して生成される。各セグメントに関連する使用燃料／走行時間のトレードオフが、列車１３１が軌道のそのセグメントに到達する前に計算されることができる。したがって、全体的な運行計画が、各セグメントに対して生成された運転プロフィールから生成されることができる。一実施形態において、本発明は、必要とされる総運行時間が満足され、全てのセグメントに渡る総消費燃料が最小化されるように運行の全てのセグメントに走行時間を最適に分散する。例示的な３つのセグメントの運行が図８に開示され、以下で検討される。しかし、当業者は、複数のセグメントが検討されるが、運行計画が完全な運行を表す単一のセグメントから成ることができることを認識するであろう。

図６は、燃料使用／走行時間曲線の例示的実施形態を示す。上述のように、そのような曲線１５０は、各セグメントに対して様々な走行時間に関する最適な運行プロフィールを計算するときに生成される。すなわち、所与の走行時間１５１に対して、使用燃料１５２は、上述のように計算された詳細な運転プロフィールの結果である。各セグメントに対する走行時間が割り当てられると、動力／速度計画が、既に計算された解から各セグメントに対して決定される。速度制限の変更をなどであるがこれに限定されないセグメント間の任意の中間地点の速度の制約が存在する場合、それらは最適な運行プロフィールの生成中に調和させられる。速度の制約が単一のセグメント内でのみ変わる場合、燃料使用／走行時間曲線１５０は、変更されるセグメントのみに対して再計算される必要がある。このプロセスは、運行のより多くの部分またはセグメントを再計算するために必要とされる時間を削減する。機関車のコンシストまたは列車が経路に沿って大きく変わる（例えば機関車を失うこと、または鉄道車両の追加もしくは切り離し）場合、全ての後続のセグメントに対する運転プロフィールは再計算され、曲線１５０の新しい場合を生成しなければならない。そのとき、これらの新しい曲線１５０は、残りの運行を計画するための新しいスケジュールの目的と共に使用される。

運行計画が上で検討されたように生成されると、速度および動力対距離の曲線が、列車が要求される運行時間で最小の燃料および／または排気で目的地に到着することを可能にする。運行計画を実行するためのいくつかの技術が存在する。以下により詳細に提供されるように、指導モードの１つの例示的実施形態において、本発明はオペレータに制御情報を表示する。オペレータは当該情報に従って、最適な運行計画により決定されたように要求される動力および速度を達成する。したがって、このモードにおいて、オペレータは列車の運転に使用するための運転の提案を提供される。別の例示的実施形態において、列車を加速するための、または一定速度を維持するための制御動作が本発明によって実行される。しかし、列車１３１が減速されなければならないとき、オペレータはブレーキシステム１５２を制御することによってブレーキをかける責任を負う。別の例示的実施形態において、本発明は、所望の速度−距離の経路に従うために必要とされるように動力および制動動作を命じる。

変動する向かい風および／または追い風によって引き起こされる列車の荷重の変動などであるがこれに限定されない事象を説明するためにプロフィール内の動力制御シーケンスを修正するためにフィードバック制御方針が使用される。別のそのような誤差は、最適化された運行計画における想定と比較されたときの列車の質量および／または抵抗などであるがこれらに限定されない列車のパラメータの誤差によって引き起こされる可能性がある。第３の種類の誤差は、軌道データベース１３６内の不正確な情報によって起こる可能性がある。別の起こりうる誤差は、機関車のエンジン、主電動機のサーマルディレーション（ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｒａｔｉｏｎ）、および／またはその他の要素によるモデリングされていない性能の差異を含む可能性がある。フィードバック制御方針は、位置の関数としての実際の速度を所望の最適なプロフィールの速度と比較する。この差に基づいて、最適な動力プロフィールに対する修正が、実際の速度を最適なプロフィールに近付けるために加えられる。安定した統制を保証するために、閉ループの性能安定性を保証するためにフィードバック速度をフィルタリングして動力の修正にする補償アルゴリズムが提供されることができる。補償は、性能目標を達成するために制御システム設計の分野に精通した者によって使用される標準的な動的補償を含むことができる。

本発明の実施形態は、鉄道の運転における例外ではなく規則である、運行の目的の変更に対処するための最も単純な、ひいては最も高速な手段を可能にする。経路に沿って停車場が存在する地点Ａから地点Ｂへの燃料が最適な運行を決定するための、およびいったん運行が始まったときに運行の残りの部分のために運行を更新するための例示的実施形態において、準最適な分解方法が最適な運行プロフィールを発見するために使用されることができる。モデリング方法を使用して、計算方法は、停車場があるときに全ての速度制限および機関車の能力の制約を満たすために特定の走行時間ならびに初期および最終速度を有する運行計画を発見することができる。以下の検討は燃料の使用を最適化することを対象とするが、以下の検討は、排気、スケジュール、乗務員の快適さ、および荷重の影響などであるがこれらに限定されないその他の要素を最適化するために適用されることもできる。方法は、最初に運行計画を作成することに使用されることができ、より重要なことに、運行を開始した後で目的の変更に適合することに使用されることができる。

本明細書において検討されるように、本発明の態様は、図７に示される例示的なフローチャートに示されるような、および図８に詳細に示される例示的３セグメントの例のような設定を使用することができる。示されるように、運行は、２つ以上のセグメントＴ１、Ｔ２、およびＴ３に分けられることができる。しかし、本明細書において検討されるように、運行を単一のセグメントとみなすことが可能である。本明細書において検討されるように、セグメントの境界は等しい長さのセグメントをもたらさない可能性がある。その代わりに、セグメントはふさわしいまたはミッションに固有の境界を使用する。最適な運行計画が各セグメントに対して予め計算される。燃料の使用対運行時間が満たされるべき運行の目的である場合、燃料対運行時間曲線が各セグメントに対して生成される。本明細書において検討されるように、曲線はその他の要素に基づくことができ、それらの要素は運行計画を用いて満たされるべき目的である。運行時間が決定されているパラメータであるとき、全体的な運行時間の制約を満たしながら各セグメントに対する運行時間が計算される。

図８は、例示的３セグメントの２００マイルの運行に対する速度制限１９７を示す。さらに示されているのは、２００マイルの運行に渡る勾配の変化１９８である。走行時間に渡って運行の各セグメントに対する使用された燃料の曲線を示す組み合わされたグラフ１９９も示される。

上述の最適な制御の設定を使用して、この計算方法は、停車場があるときに全ての速度制限および機関車の能力の制約を満たすために特定の走行時間ならびに初期および最終速度を有する運行計画を発見することができる。以下の詳細な検討は燃料の使用を最適化することを対象とするが、以下の詳細な検討は、排気などであるがこれに限定されない、本明細書において検討されるその他の要素を最適化するために適用されることもできる。本方法は、停車場での所望の停車時間に対応することができ、例えば、側線に入る、または側線を通過するための時間が重要である単線の運転において必要とされ得る場所への最も早い到着および場所からの最も早い出発に関する制約を考慮する。

本発明の実施形態は時間Ｔ内に走行される距離Ｄ_０からＤ_Ｍまでの燃料が最適な運行を発見し、ここでＭ−１個の中間の停車場がＤ_１，．．．，Ｄ_Ｍ−１にあり、これらの停車場の到着および出発時間が以下の式によって制約される。

ここで、

、および

は、それぞれｉ番目の停車場における出発、到着、および最小停車時間である。燃料の最適性が停車時間を最小化することを含み、したがって、上の第２の不等式を消去する

であると仮定する。それぞれのｉ＝１，．．．，Ｍに対して、走行時間ｔ（

）の間のＤ_ｉ−１からＤ_ｉまでの燃料が最適な運行が分かると仮定する。

はこの運行に対応する燃料の使用であるとする。Ｄ_ｊ−１からＤ_ｊまでの走行時間がＴ_ｊと表される場合、Ｄ_ｉへの到着時間は以下の式によって与えられる。

ここで、

は０と定められる。そのとき、走行時間Ｔの間のＤ_０からＤ_Ｍまでの燃料が最適な運行は、

を制約条件

の下で最小化するＴ_ｉ（ｉ＝１，．．．，Ｍ）を発見することによって得られる。

いったん運行が実施中になると、問題は、運行が進むが、しかし燃料が最適な解に従うことを変動が妨げるときに、（元は時間Ｔ内のＤ_０からＤ_Ｍまでの）運行の残りの部分に関する燃料が最適な解を再決定することである。現在の距離および速度をそれぞれｘおよびｖとし、ここで

である。また、運行の開始からの現在の時間をｔ_ａｃｔとする。そのとき、Ｄ_Ｍへの元の到着時間を維持するｘからＤ_Ｍまでの運行の残りの部分に関する燃料が最適な解は、

を制約条件

の下で最小化する

を発見することによって得られる。ここで、

は、ｘにおける初期速度をｖとして時間ｔ内に走行されるｘからＤ_ｉまでの最適な運行の使用燃料である。

上で検討されたように、より効率的な再計画を可能にする例示的なプロセスは、分割されたセグメントから停車場間の運行に関する最適な解を構築する。走行時間Ｔ_ｉのＤ_ｉ−１からＤ_ｉまでの運行に関して、１組の中間点

を選択する。Ｄ_ｉ０＝Ｄ_ｉ−１および

とする。そのとき、Ｄ_ｉ−１からＤ_ｉまでの最適な運行に関する燃料の使用を以下のように表す。

ここで、

は、初期速度および最終速度をｖ_{ｉ，ｊ−１}およびｖ_ｉｊとして時間ｔ内に走行されるＤ_{ｉ，ｊ−１}からＤ_ｉｊまでの最適な運行に関する燃料の使用である。さらに、ｔ_ｉｊは距離Ｄ_ｉｊに対応する最適な運行の時間である。定義より

。列車はＤ_ｉ０および

において停車されるので、

である。

上記式は、関数Ｆ_ｉ（ｔ）が、初めに関数

を決定し、次に、

を制約条件

の下で最小化する

および

を発見することによって代替的に決定されることを可能にする。（例えば、速度制限または待ち合わせ地点で）Ｄ_ｉｊを選択することによって

が最小化されることができ、したがって、ｆ_ｉｊ（）が知られている必要がある値域を最小化することができる。

上述の分割に基づいて、上述のアプローチよりもより簡素な準最適再計画アプローチは、再計画を列車が距離の地点

にいる時間に制限する。地点Ｄ_ｉｊにおいて、Ｄ_ｉｊからＤ_Ｍまでの新しい最適な運行は、

を制約条件

の下で最小化し、ここで、

である

、および

を発見することによって決定されることができる。

距離の地点Ｄ_ｉが到達されるまで

の再計算を待つことによってさらなる簡素化が得られる。このように、Ｄ_ｉ−１とＤ_ｉの間の地点Ｄ_ｉｊにおいて、上記の最小化は

で実行されることのみを必要とする。Ｔ_ｉは、Ｄ_ｉ−１からＤ_ｉｊまでの計画されたよりも長い任意の実際の走行時間に対処するために必要に応じて増加される。この増加は、可能であれば距離の地点Ｄ_ｉにおける

の再計算によって後で補償される。

上で開示された閉ループの構成に関して、地点Ａから地点Ｂまで列車１３１を動かすために必要とされる総入力エネルギーは、４つの構成要素、具体的には、地点Ａと地点Ｂの間の運動エネルギーの差と、地点Ａと地点Ｂの間の位置エネルギーの差と、摩擦およびその他の抵抗損失によるエネルギー損失と、ブレーキをかけることによって消散するエネルギーとの合計によって構成される。開始および終了速度が同じ（例えば、静止）であると仮定すると第１の構成要素は０である。さらに、第２の構成要素は運転方針とは無関係である。したがって、後の２つの構成要素の合計を最小化すれば十分である。

一定の速度プロフィールに従うことは抵抗損失を最小化する。また、一定の速度プロフィールに従うことは、一定速度を保つために制動が必要とされないときは総エネルギー入力を最小化する。しかし、一定速度を保つために制動が必要とされる場合、単に一定速度を保つために制動をかけることは、大抵、ブレーキによって消散されたエネルギーを補充する必要があるので総必要エネルギーを増加させる。速度の変動を減らすことによって、制動によって生じる抵抗損失の結果的な減少によるオフセットよりも追加的なブレーキ損失が大きい場合に何らかの制動が実際に総エネルギー使用を減少させる可能性があり得る。

上述の事象の収集から再計画を完了した後で、新しい最適なノッチ／速度計画は、本明細書において説明される閉ループ制御を使用して守られることができる。しかし、場合によっては、上述のセグメント分解計画を実行する十分な時間がない可能性があり、特に、尊重されなければならない重要な速度制限が存在するときは別のやり方が好まれ得る。本発明の態様は、「スマートクルーズ制御」と呼ばれるアルゴリズムを用いてこれを遂行する。スマートクルーズ制御アルゴリズムは、既知の地形上で列車１３１を運転するためのエネルギー効率の良い（したがって、燃料効率の良い）準最適な指示を運行中に生成するための効率的なプロセスである。このアルゴリズムは、常に軌道１３４に沿った列車１３１の位置の知識と、軌道の勾配および曲率対位置の知識とを仮定する。方法は列車１３１の運動に関する質点モデルを利用し、この質点モデルのパラメータは、上述の列車の運動のオンライン計測から適応的に推定されることができる。

スマートクルーズ制御アルゴリズムは、３つの主な構成要素、具体的には、速度制限の引き下げのエネルギー効率の良いガイドとして働く修正された速度制限プロフィールと、速度の変動の最小化と制動のバランスを取るように試みる理想的スロットルまたはダイナミックブレーキ設定プロフィールと、実際のパラメータと比較されるときのモデルリングされたパラメータの不一致を補償するための速度フィードバックループを使用する、後の２つの構成要素を組み合わせてノッチ命令を生成するためのメカニズムとを有する。スマートクルーズ制御は、アクティブ制動なしの（すなわち、運転士が信号を送られ、必要な制動を行うと想定される）本発明の実施形態、またはアクティブ制動を提供する変形形態において指針に対処することができる。

ダイナミックブレーキを制御しないクルーズ制御アルゴリズムに関して、３つの例示的な構成要素は、速度制限の削減のエネルギー効率の良いガイドとして働く修正された速度制限プロフィール、オペレータにいつ制動が作動されるべきであるかを知らせる通知信号、速度の変動を最小化することとオペレータに制動をかけるように通知することとのバランスを取るように試みる理想的スロットルプロフィール、実際のパラメータに対するモデルパラメータの不一致を補償するためのフィードバックループを使用するメカニズムである。

本発明の一実施形態は、列車１３１の重要なパラメータ値を特定するためのアプローチを含む。例えば、列車の質量を推定することに関して、時間の経過と共に生じる可能性がある誤差を検出するためにカルマンフィルタおよび逐次最小自乗アプローチが利用されることができる。

図９は、本発明の例示的なフローチャートを示す。既に検討されたように、指令センタ１６０などのリモートの設備がフローチャートのステップによる使用のための情報を提供することができる。示されるように、そのような情報は実行制御要素１６２に提供される。さらに実行制御要素１６２に供給されるのは、機関車モデリング情報データベース１６３、軌道の勾配情報および速度制限情報などであるがこれらに限定されない軌道情報データベース１３６、列車の重量および抵抗係数などであるがこれらに限定されない推定された列車のパラメータ、ならびに燃料レート推定器１６４からの燃料レートテーブルである。実行制御要素１６２は、図３により詳細に開示されたプランナ１１２に情報を供給する。運行計画が計算されてしまうと、計画は、運転アドバイザ、運転士、またはコントローラ要素１５１に供給される。運行計画は、実行制御要素１６２がその他の新しいデータが提供されたときに運行を比較することができるように実行制御要素１６２にも供給される。

上で検討されたように、運転アドバイザ１５１はノッチ動力を予め決められたノッチ設定または最適な連続的ノッチ動力値のいずれかに自動的に設定することができる。速度命令を機関車１３１に供給することに加えて、オペレータがプランナが推奨した内容を見ることができるようにディスプレイ１６８が提供される。オペレータは制御盤１６９も利用できる。制御盤１６９を通じて、オペレータは、推奨されたノッチ動力を適用するかどうかを判断することができる。この目的のために、オペレータは、目的のまたは推奨された動力を制限することができる。すなわち、いつでも、オペレータは、運行計画が列車１３１を減速することを推奨する場合に制動をかけるかどうかを判断することを含めて、機関車のコンシストの運転の動力設定について最終的な権限を常に有する。例えば、暗い地域内を運転する場合、または沿線の機器からの情報が情報を列車に電子的に送信することができず、代わりにオペレータが沿線の機器からの視覚的な信号を見る場合、オペレータは、軌道データベースに含まれる情報、および沿線の機器からの視覚的な信号に基づいて命令を入力する。列車１３１がどのように機能しているかに基づいて、燃料の測定に関する情報が燃料レート推定器１６４に供給される。概して燃料流量の直接測定は機関車のコンシストにおいては利用できないので、運行中のある時点までの消費燃料に関する全ての情報、および最適な計画に従った場合の将来の予測が、最適な計画の作成に使用されたモデルなどの較正された物理的過程のモデルを使用する。例えば、そのような予測は、使用された累積の燃料を導出するための測定された総馬力と知られている燃料の特性との使用を含むことができるがこれに限定されない。

列車１３１は、上で検討されたようにＧＰＳセンサなどのロケータデバイス１３０も有する。情報が列車パラメータ推定器１６５に供給される。そのような情報は、ＧＰＳセンサのデータ、牽引力／制動力データ、制動状態データ、速度、および速度データの任意の変化を含むことができるがこれらに限定されない。勾配に関する情報および速度制限の情報と共に、列車の重量および抵抗係数の情報が実行制御要素１６２に供給される。

本発明の実施形態は、最適化の計画および閉ループ制御の実行の全体を通じて、連続的に変更可能な動力の使用を可能にすることもできる。従来の機関車において、概して動力は８つの離散的なレベルに量子化される。現在の機関車は、上述の最適化方法に組み込まれることができる馬力の連続的な変化を実現することができる。連続的な動力を用いて、機関車１４２は、例えば副次的負荷および動力伝送損失を最小化すること、ならびに最適な効率のエンジン馬力の領域を微調整することによって、または排気の余裕が増加する点まで運転条件をさらに最適化することができる。例は、冷却システムの損失を最小化すること、交流発電機の電圧を調整すること、エンジン回転数を調整すること、および駆動軸の数を減らすことを含むがこれらに限定されない。さらに、機関車１４２は、車載の軌道データベース３６と予測された性能要件とを使用して、目的の燃料消費／排気のために最適な効率を提供するために副次的負荷および動力伝送損失を最小化することができる。例は、平らな地形上でいくつかの駆動軸を削減すること、およびトンネルに進入する前に機関車のエンジンを予め冷却することを含むがこれらに限定されない。

一実施形態では、本発明は、車載の軌道データベース１３６と予測された性能とを使用して、列車が坂および／またはトンネルに近付くときにその列車が十分な速度を有することを保証することなどのために機関車の性能を調整することもできる。例えば、これは、方程式（ＯＰ）を解いて生成される最適な計画の生成の一部になる、特定の位置における速度の制約として表されることができる。さらに、一実施形態は、牽引力ランプレート（ｒａｍｐ ｒａｔｅｓ）、最大制動力ランプレートなどであるがこれらに限定されない列車操作規則を組み込むことができる。これらは、最適な運行プロフィールに関する定式化に直接組み込まれることができるか、または代替的に、動力の適用を制御して目的の速度を達成するために使用される閉ループレギュレータに組み込まれることができる。

好ましい実施形態において、本発明は、列車のコンシストの本務機関車にのみ搭載される。たとえ一実施形態において本発明がデータ、または列車内のその他の機関車とのインタラクションに依存しないとしても、本発明の例示的実施形態は、（両方とも譲受人によって所有され、両方とも参照によって援用される）米国特許第６，６９１，９５７号および米国特許出願第１０／４２９，５９６号に開示されたコンシストマネージャ機能、および／または効率を向上するためのコンシストオプティマイザ機能に統合されることができる。複数の列車とのインタラクションは、本明細書に記載の２つの「独立に最適化された」列車を調整する指令の例によって示されるように妨げられない。

コンシストマネージャを利用する列車において、機関車のコンシスト内の本務機関車は、そのコンシスト内のその他の機関車とは異なるノッチ動力設定で運転することができる。コンシスト内のその他の機関車は同じノッチ動力設定で運転する。一実施形態において、本発明は、コンシスト内の機関車に関する異なるノッチ動力設定を命じるためにコンシストマネージャと連係して利用されることができる。このように、この実施形態に基づいて、コンシストマネージャが機関車のコンシストを２つのグループ、本務機関車および補助ユニットに分割するので、本務機関車は特定のノッチ動力で運転するように命令されることができ、補助機関車は異なるノッチ動力で運転するように命令されることができ、それぞれの補助機関車は必ずしも同じノッチ動力で運転しない。

同様に、コンシストオプティマイザが機関車のコンシストと共に使用されるとき、一実施形態において、本発明は、機関車のコンシスト内のそれぞれの機関車に対するノッチ動力を決定するためにコンシストオプティマイザと連係して使用されることができる。例えば、運行計画が機関車のコンシストに対してノッチ動力設定４を推奨すると仮定する。列車の位置に基づいて、コンシストオプティマイザは、この情報を使用してコンシスト内のそれぞれの機関車に対してノッチ動力設定を決定することができる。この実装において、列車内通信チャネル上でノッチ動力設定を設定する効率が向上される。さらに、この構成の実装は動力分散通信システムを利用して実行されることができる。

本発明の実施形態は、図１および２に示され、上で説明されたような動力分散方式の列車と共に使用されることができる。本発明の教示がないとき、動力分散方式の列車は、通常または独立モードで運転されることができる。通常モードにおいて、本務コンシスト１２Ａの本務ユニット１４のオペレータは、機関車のコンシスト１２Ａ、１２Ｂ、および１２Ｃのそれぞれに同じノッチ動力で運転するように、または本務機関車１４によって適用されるのと同じ制動力を適用するように命令する。本務コンシスト１２Ａの本務機関車１４がノッチＮ８でのモータリングを命じる場合、全てのその他の機関車１５〜１８は、本務機関車１４から通信システム１０を介して送信された信号によってノッチＮ８でモータリングするように命令される。

独立モードにおいて、動力分散方式の列車は、通信システムが設定されるときにオペレータによって２つの独立した機関車のコンシストのグループ、すなわち、前方のグループおよび後方のグループに分離される。例えば、機関車のコンシスト１２Ａは前方のグループとして構成され、機関車のコンシスト１２Ｂおよび１２Ｃは後方のグループとして構成される。前方のグループおよび後方のグループのそれぞれは異なる運転を命じられることができる。例えば、列車が山頂に達するとき、（山の下り斜面上の）本務コンシスト１２Ａ内の前方のグループの機関車１４および１５は、前方のグループが勾配を下るにつれて次第に低くなるノッチ設定（おそらく制動設定を含む）を命じられる。（山の上り斜面上の）リモートのコンシスト１２Ｂおよび１２Ｃ内の後方のグループの機関車１６、１７、および１８は、列車の最後尾が山の頂上に達するまでモータリングモードのままである。列車の前方のグループおよび後方のグループへの分割と、２つのグループの差動制御とは、鉄道車両および機関車を接続する機械的な連結器にかかる牽引力を最小化することができる。従来技術によれば、独立モードの動力分散方式の列車は、前方のグループの機関車と後方のグループの機関車とを本務機関車内のディスプレイを介して手動で指揮するようにオペレータに要求する。

（本明細書の他の場所で説明されるように）計画のモデル、列車の設定情報（設定中にオペレータによって、または運行オプティマイザの一実施形態によって自動的に決定されることができる列車内の各機関車の性能能力および位置を含む）、車載の軌道データベース情報、運転規則、位置判定システム、リアルタイム閉ループ動力／ブレーキ制御、センサフィードバックなどに基づいた物理的過程を使用して、本発明の運行オプティマイザシステムの一実施形態は、最適な列車の運転を達成するために各機関車１４〜１８に関する最適な運転を決定する。最適化された運行計画に応じて、運行オプティマイザは、同じ機関車のコンシスト内であるにせよ、異なる機関車のコンシスト内であるにせよ各機関車を独立に制御することによって動力分散方式の列車を制御する。したがって、動力分散方式の列車に適用されるとき、運行オプティマイザは、より詳細な列車の制御を提供し、列車の性能を個々の機関車のレベルまで最適化する。機関車が分離され、前方のグループおよび後方のグループに従って制御される従来技術の動力分散方式の列車とは異なり、本発明の態様による個々の機関車の独立した運行オプティマイザの制御は、列車を複数のコンシストに分離する（ここで、特定の機関車を一緒にグループ化すること、または各機関車を独立に制御することを選択することによって、独立に制御される機関車の数は、最大で列車内の機関車の総数までの任意の数を含むことができる）。したがって、列車および列車の個々の機関車の性能が、例えば燃料消費を改善するように制御されることができる。

運行オプティマイザおよび／または本務ユニットのオペレータは、それぞれの個々の機関車または１つもしくは複数の機関車のコンシストにそれぞれの個々の機関車の性能を最適化するために異なるノッチおよび／または制動設定で運転するように命令することができる。言うまでもなく、望まれる場合には、全ての機関車が同じノッチ動力またはブレーキ設定で運転されることができる。ノッチ動力または制動設定は、それぞれのリモートの機関車における実行のために分散通信システム１０を介してリモートの機関車１５〜１８に伝達される。したがって、運行オプティマイザの概念の動力分散方式の列車への適用は、列車内の力の削減と、列車内の力の管理の簡素化と、停止距離の改善された制御と、各機関車に関するより最適な性能とを含む列車の運転および制御を改善するために列車がより小さな制御部分に分離される（複数の個々に制御されるが結合された列車を生成する）ことを可能にする。さらに、より長いおよび／またはより重い列車が、機関車が独立したおよび個々の制御に従うとき、より良好におよびより安全に制御されることができる。

列車の運転パラメータは列車内の機関車の位置と機関車の間の鉄道車両の数とによって影響を受けるので、機関車の独立した制御は、列車の性能および制御に対するこれらの要素の影響を減らす。運行オプティマイザは、通信システム１０を介して送信された好適な命令によってリモートの機関車のうちの１両または複数のノッチ位置を上げるかまたは下げることによって列車の加速および減速も制御し、経済性、列車の構成の柔軟性、列車の力の削減、列車の大きさの増加などを促進する。

独立した機関車の制御は、運行最適化アルゴリズムによる使用のためのさらなる自由度も提供する。したがって、列車内の力に関するさらなる目的または制約は、最適化のための性能関数に組み込まれることができる。

ダイナミックブレーキモデムリンクが、最適化された運行制御情報を列車の各機関車に提供するために使用されることもできる。このリンクは、列車の機関車を接続する引通し線によって搬送されるＤＣ電圧に課されるシリアル高周波数通信信号である。モデムは、１両または複数のリモートの機関車におけるダイナミックブレーキの適用を示す信号を本務機関車のオペレータに搬送する。

運行オプティマイザのこの実施形態によって、燃料消費と、生成される排気と、砂の制御と、牽引力および制動力の適用と、空気ブレーキの適用とを含む種々の列車運転パラメータが最適化されることができる。コンシスト内の機関車の位置および制御と機関車の間の列車内の車両の数とによって制約される列車の長さ、列車内の力の制限、および停止距離も最適化されることができる。したがって、実施形態は、鉄道がより長いおよび／またはより重い列車を走らせることを可能にし、燃料および砂のコストなどのコストによって測られるより優れた性能をもたらす。増加された列車の長さは、列車の操作特性を犠牲にすることなく鉄道網のスループットを増やす。

さらに、その他の実施形態に関して検討されるように、本発明は動力分散方式の列車に適用されるとき、コンシスト内の各機関車が異なる制御運転を必要とする可能性がある前のまたは予測される踏切、勾配の変化、接近してくる側線、接近してくる車両基地構内、および接近してくる燃料補給所に基づいた継続的な修正および再計画のために使用されることができる。例えば、列車が坂を越えている場合、本務機関車は制動モードになる可能性がある一方、坂の頂上に到達していないリモートの機関車はモータリング状態に留まる必要がある可能性がある。

図１０、１１、および１２は、オペレータによる使用のための動的なディスプレイの例示的な図を示す。図８は、提供される運行プロフィール１７２を示す。プロフィール内に、機関車の位置１７３が提供される。列車の長さ２０５および列車内の車両の数２０６など情報が提供される。軌道の勾配２０７と、橋の位置２０９を含むカーブおよび沿線要素２０８と、列車の速度２１０とに関する要素も提供される。ディスプレイ１６８は、オペレータがそのような情報を見て、さらに列車が経路に沿ったどこにいるのかを見ることを可能にする。踏切２１２、信号２１４、速度の変化２１６、陸標２１８、および目的地２２０などの場所への距離および／または推定到着時間に関する情報が提供される。到着時間管理ツール２２５も、ユーザが運行中に実現される燃料の節約を判定することを可能にするために提供される。オペレータは、到着時間を変え（２２７）、この変更が燃料の節約にどのように影響するかを見る能力を有する。本明細書において検討されるように、当業者は、燃料の節約が管理ツールによって吟味されることができる唯１つの目的の例示的例であることを認識するであろう。したがって、見られているパラメータに応じて、本明細書において検討されるその他のパラメータが、オペレータが見ることができる管理ツールを用いて見られ、評価されることができる。オペレータは、乗務員が列車を運転している時間についての情報も提供される。例示的実施形態において、時間および距離の情報は特定の事象および／もしくは場所までの時間および／もしくは距離のいずれかとして示されることができるか、または時間および距離の情報は総経過時間を提供することができる。

図１１に示されるように、例示的なディスプレイは、コンシストデータ２３０、事象および状況の図２３２、到着時間管理ツール２３４、およびアクションキー２３６についての情報を提供する。上で検討された同様の情報がこのディスプレイにおいても提供される。このディスプレイ１６８は、オペレータが本発明の制御の特徴を再計画および取り消しする（２４０）ことを可能にするためのアクションキー２３８も提供する。

図１２は、ディスプレイの別の例示的実施形態を示す。空気ブレーキの状態１７２、デジタルのはめ込み表示を伴うアナログ速度計１７４、および重量ポンドを単位とする牽引力（またはＤＣ機関車に関するトラクションアンプ）についての情報を含む現在の機関車の典型的な情報が見られる。インジケータ１４は、実行中の計画における現在の最適な速度と、ｍｐｈ／分で表される表示を捕捉するための加速度計の図とを示す。最適な計画の実行のための重要な新しいデータは、最適な速度およびノッチ設定対距離の現在の履歴と比較されたこれらの変数を用いた起伏のある細長い図１７６を含むスクリーンの中央にある。この例示的実施形態において、列車の位置はロケータ要素を使用して導出される。示されるように、位置は、列車がその列車の最終目的地、絶対位置、最初の目的地、中間地点、および／またはオペレータの入力からどのくらい離れているかを特定することによって提供される。

細長いグラフは、手動制御において有益な、最適な計画に従うために必要とされる速度の変化に関する予測を提供し、自動制御中は計画対実際を監視する。本明細書において検討されるように、指導モードのときなどに、オペレータは、本発明の実施形態によって提案されたノッチまたは速度のいずれかに従うことができる。縦棒は、細長いグラフの下にデジタル表示もされる所望のおよび実際のノッチの図を与える。連続的なノッチ動力が利用されるとき、上で検討されたように、ディスプレイは単純に最も近い離散的で等価な値に丸められ、ディスプレイはアナログの等価なまたは百分率のまたは実際の馬力／牽引力が表示されるようにアナログディスプレイであることができる。

運行の状態に関する重要な情報がスクリーン上に表示され、本務機関車、列車に沿ったその他の場所、または列車の長さに渡る平均のいずれかによって列車が直面している現在の勾配を示す（１８８）。また、計画における累積の走行距離１９０と、累積の使用燃料１９２と、計画されている次の停車場の場所または計画されている次の停車場までの距離１９４と、次の停車場への現在のおよび推定の到着時間１９６とが明らかにされる。ディスプレイ１６８は、利用可能な計算された計画を用いて目的地までの最大のあり得る時間も示す。より遅い到着が必要とされる場合、再計画が実行される。差分計画データは、現在の最適な計画より進んだまたは遅れた燃料およびスケジュールに関する状態を示す。負の数値は計画と比較してより少ない燃料またはより早いことを意味し、正の数値は計画と比較してより多い燃料または遅れを意味する。概して、これらのパラメータは逆方向のトレードオフがある（燃料を節約するために速度を落とすことは列車の遅れをもたらし、その逆もある）。

いつも、これらのディスプレイ１６８は、オペレータに現在実施されている運転計画に関する運行状態のスナップショットを与える。このディスプレイは、この情報をオペレータおよび／または指令に表示／伝達する多くのその他のやり方が存在するので例示のみを目的とする。この目的で、上で開示された情報の任意のその他の項目が、開示されたディスプレイと異なるディスプレイを提供するためにディスプレイに追加されることができる。

本発明の異なる実施形態に含まれることができるその他の特徴は、データログおよびレポートの生成を含むがこれに限定されない。この情報は列車に記憶され、非車載のシステムにダウンロードされることができる。ダウンロードは、手動および／または無線伝送を介して行われることができる。この情報は、機関車のディスプレイを介してオペレータによって見られることができる可能性もある。データは、オペレータの入力、動作可能なタイムシステム、節約された燃料、列車の機関車の間の燃料の不均衡、正しい経路からそれた列車の行程、およびＧＰＳセンサの不調などのシステム診断の問題などであるがこれらに限定されない情報を含むことができる。

運行計画は許容可能な乗務員の稼働時間も考慮に入れることができるので、本発明の実施形態は運行が計画されるときにそのような情報を考慮に入れることができる。例えば、乗務員が稼働できる最大時間が８時間である場合、運行は、新しい乗務員が現在の乗務員と交代するための停車場所を含むように作成されることができる。そのような指定された停車場所は、操車場、待ち合わせ／追い越しの場所などを含むことができるがこれらに限定されない。運行が進むにつれて運行時間が超過される可能性がある場合、本発明は、オペレータによって決定されたようにその他の基準を満たすためにオペレータによって解除されることができる。最終的には、高い荷重、低い速度、列車の伸張の状態などであるがこれらに限定されない列車の運転条件にかかわらず、オペレータが、列車の安全な速度および／または運転条件を命令するために管理を続ける。

本発明の態様を使用して、列車は複数の異なる運転の概念で運転することができる。１つの運転の概念において、本発明は、推進力およびダイナミックブレーキを命じるための命令を提供する。オペレータは全てのその他の列車の機能を扱う。別の運転の概念において、本発明は、推進力のみを命じるための命令を提供する。オペレータはダイナミックブレーキと全てのその他の列車の機能とを扱う。さらに別の運転の概念において、本発明は、推進力、ダイナミックブレーキ、および空気ブレーキの適用を命じるための命令を提供する。オペレータは全てのその他の列車の機能を扱う。

本発明は、関心のある近付いてくるもの、または本発明の予測ロジック、最適化された運行計画に対する継続的な修正および再計画、軌道データベースなどの取られるべき対処をオペレータに知らせることもできる。オペレータは、近付いてくる踏切、信号、勾配の変化、ブレーキアクション、側線、操車場、燃料補給所などを知らされることもできる。これらの通知は、聴覚的におよび／またはオペレータのインターフェースを通じて行われることができる。

具体的には計画のモデル、列車の設定情報、車載の軌道データベース、車載の運転規則、位置判定システム、リアルタイム閉ループ動力／ブレーキ制御、およびセンサフィードバックに基づいた物理的過程を使用して、システムは必要とされる対処をオペレータに提示するおよび／または知らせる。通知は視覚的および／または可聴的であることができる。例は、機関車の警笛および／またはベルを作動させるようにオペレータに要求する踏切と、機関車の警笛またはベルを作動させるようにオペレータに要求しない「音を立てない」踏切とを知らせることを含む。

別の例示的実施形態において、上で検討された計画モデル、列車の設定情報、車載の軌道データベース、車載の運転規則、位置判定システム、リアルタイム閉動力／ブレーキ制御、およびセンサフィードバックに基づいた物理的過程を使用して、本発明は、図１１に示されたようにオペレータが列車が様々な場所にいつ到着するかを見ることを可能にする情報（例えば、ディスプレイ上の計器）をオペレータに提示することができる。システムは、オペレータが運行計画（目標到着時間）を調整することを可能にする。この情報（実際の推定到着時間、または車外で導出するために必要とされる情報）は、指令または指令システムが目標到着時間を調整することを可能にするために指令センタに伝達されることもできる。これは、システムが適切な目的の関数に対して迅速に調整および最適化を行うこと（例えば、速度と燃料使用の折り合いを付けること）を可能にする。

本発明の種々の実施形態の記載の説明は、最良の形態を含むこれらの実施形態を開示するための、およびさらに当業者が本発明の実施形態を作製および使用することを可能にするための例を使用する。これらの実施形態の特許性のある範囲は特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の例を含むことができる。そのようなその他の例は、それらの例が特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造的要素を有する場合、またはそれらの例が特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的に差がない構造的要素を含む場合は特許請求の範囲の範囲内にあるように意図される。例えば、機関車および鉄道車両を含む列車が運転する鉄道網との関連で説明されたが、本発明の教示は、都市間列車、大量旅客輸送手段、シャトル、および市街電車を含むがこれらに限定されないその他の鉄道ならびに軌道に基づくシステムおよび乗り物に適用されることもできる。

本発明の技術が適用されることができる動力分散方式の鉄道列車を示す図である。 本発明の技術が適用されることができる動力分散方式の鉄道列車を示す図である。 本発明のフローチャートの例示的な図である。 使用されることができる列車の簡素化されたモデルを示す図である。 本発明の要素の例示的実施形態を示す図である。 燃料使用／走行時間曲線の例示的実施形態を示す図である。 運行計画のためのセグメント分解の例示的実施形態を示す図である。 セグメント分割の例示的実施形態を示す図である。 本発明の例示的なフローチャートである。 オペレータによる使用のための動的なディスプレイの例示的な図である。 オペレータによる使用のための動的なディスプレイの別の例示的な図である。 オペレータによる使用のための動的なディスプレイの別の例示的な図である。

Claims (2)

1. 軌道に沿った運行中に本務駆動ユニットおよび非本務駆動ユニットを含む鉄道輸送手段を運転するためのシステムであって、
   前記輸送手段の位置または現在の運行の開始からの時間を判定するための第１の要素と、
   前記第１の要素から情報を受信するように動作可能なプロセッサと、
   前記情報にアクセスして、前記輸送手段、前記本務ユニット、および前記非本務ユニットのうちの１つまたは複数に関する１つまたは複数の運転基準に従って前記本務ユニットおよび前記非本務ユニットのうちの一方または両方の性能を最適化する運行計画を生成する、前記プロセッサ内に具現化されたアルゴリズムと、
   を備え、
   前記輸送手段は列車を含み、前記本務ユニットは本務機関車を含み、前記非本務ユニットはリモートの機関車を含み、
   前記システムは、前記本務機関車と前記リモートの機関車の間の１両または複数の鉄道車両をさらに含み、
   前記運行計画は、前記輸送手段に関するパラメータと、前記輸送手段が運行する経路と、前記輸送手段によって実行されるミッションの目的とに基いて決定され、
   前記運行計画は、他の速度にしたがって走行したときと比べて、前記輸送手段による運行中の排出および消費燃料のうちの少なくとも１つが低減するように、前記輸送手段が走行するための指定速度を規定し、
   前記指定速度は、運行中の距離および時間のうちの少なくとも１つに基づいて表され、
   前記運行計画の前記指定速度に基づいて、前記本務駆動ユニットおよび前記非本務駆動ユニットの出力設定を決定し、
   前記出力設定は前記運行計画の前記指定速度で前記運行手段が走行するように決定され、
   前記運行計画の１つ以上の前記指定速度において、前記本務駆動ユニットの対する出力設定が前記非本務駆動ユニットの出力設定と異なる、
   ことを特徴とする、システム。
2. 前記運行計画は、前記本務ユニットおよび前記非本務ユニットに対する牽引力の適用および制動力の適用を含む請求項１に記載のシステム。
   

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