многоуровневая система и способ оптимизации работы железнодорожного транспорта

Формула изобретения

1. Многоуровневая система управления системой (50) железнодорожного транспорта и ее рабочими компонентами, причем система (50) железнодорожного транспорта содержит

первый процессор (202), ассоциированный с уровнем (100) инфраструктуры железных дорог и предназначенный для управления работой инфраструктуры железных дорог, функционирующей на уровне (100) инфраструктуры железных дорог,

второй процессор (502), ассоциированный с уровнем (200) сети железнодорожных путей и предназначенный для управления работой сети железнодорожных путей на уровне (200) сети железнодорожных путей, причем упомянутый уровень (100) инфраструктуры железных дорог содержит один или более уровней (200) сети железнодорожных путей,

третий процессор (1002), ассоциированный с уровнем (300) поезда и предназначенный для управления работой поезда, функционирующего на уровне (300) поезда, причем упомянутый уровень (200) сети железнодорожных путей содержит один или более уровней (300) поезда,

четвертый процессор (1202), ассоциированный с уровнем (400) состава и предназначенный для управления работой состава поезда на уровне (400) состава, при этом упомянутый уровень поезда содержит один или более уровней (400) состава, и

пятый процессор (1502), ассоциированный с уровнем (500) локомотива и предназначенный для управления работой локомотива на уровне (500) локомотива, при этом упомянутый уровень (400) состава содержит один или более уровней (500) локомотива,

причем каждый процессор (202, 502, 1002, 1202, 1502), ассоциированный с каждым уровнем (100, 200, 300, 400, 500), выполнен с возможностью предоставления процессору, ассоциированному с по меньшей мере одним другим уровнем, рабочих параметров, которые задают рабочие характеристики и данные, связанные с уровнем, с которым он ассоциирован, и

каждый процессор (202, 502, 1002, 1202, 1502) оптимизирует работу на ассоциированном с ним уровне (100, 200, 300, 400, 500) и работает во взаимодействии с процессором, ассоциированным с по меньшей мере одним другим уровнем, для оптимизации работы системы (50) железнодорожного транспорта на всех уровнях (100, 200, 300, 400, 500) системы (50) железнодорожного транспорта на основе параметра оптимизации.

2. Система по п.1, в которой

первый процессор (202), ассоциированный с уровнем (100) инфраструктуры железных дорог, принимает одно или более из данных (206) инфраструктуры железных дорог, данных (208) сети железнодорожных путей и данных (210) поезда и управляет работой инфраструктуры железных дорог в пределах уровня (100) инфраструктуры железных дорог, по меньшей мере частично, на принятых данных,

второй процессор (502), ассоциированный с уровнем (200) сети железнодорожных путей, принимает одно или более из данных (506) инфраструктуры железных дорог, данных (508) сети железнодорожных путей и данных (510) поезда и управляет работой сети железнодорожных путей в пределах уровня (200) сети железнодорожных путей по меньшей мере частично на основе принятых данных,

третий процессор (1002), ассоциированный с уровнем (300) поезда, принимает одно или более из данных (1006) инфраструктуры железных дорог, данных (1008) сети железнодорожных путей, данных (1010) поезда и данных (1012) состава и управляет работой поезда в пределах уровня (300) поезда, по меньшей мере частично, на основе принятых данных,

четвертый процессор (1202), ассоциированный с уровнем (400) состава, принимает одно или более из данных (1210) поезда, данных (1212) состава и данных (1214) локомотива и управляет работой состава в пределах уровня (400) состава, по меньшей мере частично, на основе принятых данных,

пятый процессор (1502), ассоциированный с уровнем (500) локомотива, принимает одно или более из данных (1512) уровня состава и данных (1514) уровня локомотива и управляет работой локомотива в пределах уровня (500) локомотива, по меньшей мере частично, на основе принятых данных.

3. Система для управления системой (50) железнодорожного транспорта, организованной во множестве иерархических уровней, причем система (50) железнодорожного транспорта содержит первый процессор, ассоциативно связанный с первым уровнем системы железнодорожного транспорта; и второй процессор, ассоциативно связанный со вторым уровнем системы железнодорожного транспорта; причем первый процессор обеспечивает второй процессор рабочими параметрами первого уровня, определяющими рабочие характеристики и данные первого уровня, а второй процессор обеспечивает первый процессор рабочими параметрами второго уровня, определяющими рабочие характеристики и данные второго уровня; причем каждый процессор выполнен с возможностью оптимизации работы на его соответствующем уровне, основываясь на рабочих параметрах первого уровня и данных, и на рабочих параметрах второго уровня и данных, в зависимости от оптимизирования параметра оптимизации системы железнодорожного транспорта.

4. Система по п.3, в которой параметр оптимизации системы отражает одно или более из использования топлива, экономической оценки времени доставки груза, перевозимого по системе железных дорог, заранее заданных изменений условий, степени изменения условий и степени изменения одного условия относительно другого условия.

5. Система по п.3, в которой оптимизация работы на первом уровне и оптимизация работы на втором уровне содержат идентифицикацию ключевых рабочих ограничений и данных на одном из первого и второго уровней и передачу этих ограничений и данных на другой из первого и второго уровней для оптимизации производительности на этом другом уровне.

6. Способ оптимизации работы системы (50) железнодорожного транспорта, имеющей первый и второй иерархические уровни, содержащий этапы, на которых передают рабочий параметр первого уровня, который задает рабочие характеристики первого уровня, с процессора первого уровня на процессор второго уровня, передают рабочий параметр второго уровня, который задает рабочие характеристики второго уровня, с процессора второго уровня на процессор первого уровня, оптимизируют на одном или на обоих процессорах первого и второго уровней работу системы по комбинации первого уровня и второго уровня на основе параметра оптимизации системы, оптимизируют на процессоре первого уровня работу на первом уровне на основе параметра оптимизации первого уровня и частично на основе параметра оптимизации системы и рабочих параметрах первого и второго уровней; и оптимизируют на процессоре второго уровня работу на втором уровне на основе параметра оптимизации второго уровня и частично на основе параметра оптимизации системы и рабочих параметрах первого и второго уровней.

7. Способ по п.6, в котором параметр оптимизации первого уровня, параметр оптимизации второго уровня и параметр оптимизации системы являются общим параметром оптимизации.

8. Способ по п.7, в котором общий параметр оптимизации отражает одно или более из использования топлива, экономической оценки времени доставки груза, перевозимого по системе железных дорог, заранее заданных изменений условий, степени изменения условий и степени изменения одного условия относительно другого условия.

9. Способ по п.6, в котором рабочие параметры предоставляют с одного процессора на другой через заранее заданные интервалы времени.

10. Способ по п.6, в котором этап оптимизации работы системы по комбинации первого уровня и второго уровня на основе параметра оптимизации содержит этап, на котором идентифицируют ключевые рабочие ограничения и данные на одном из процессоров первого и второго уровней и передают эти ограничения и данные на другой из процессоров первого и второго уровней для оптимизации производительности на уровне другого процессора.

11. Система для управления системой железнодорожного транспорта и ее рабочими компонентами, имеющей иерархические первый и второй уровни, причем система содержит процессор первого уровня, включающий в себя рабочие параметры первого уровня, задающие рабочие характеристики и данные первого уровня, и процессор второго уровня, включающий в себя рабочие параметры второго уровня и предназначенный для оптимизации работы на втором уровне, причем рабочие параметры второго уровня отражают изменения в рабочих характеристиках и данных второго уровня, и упомянутый процессор второго уровня предоставляет процессору первого уровня оптимизированные рабочие параметры второго уровня.

12. Система по п.11, в которой упомянутая оптимизация работы на втором уровне является функцией оптимизирования параметра оптимизации системы железнодорожного транспорта.

13. Система по п.12, в которой параметр оптимизации системы отражает одно или более из изменения использования топлива, изменения экономической оценки времени доставки груза, перевозимого по системе железных дорог, степени изменения рабочих параметров второго уровня, степени изменения по отношению ко времени и степени изменения одного условия относительно другого условия.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к оптимизированной работе железнодорожного транспорта и, в частности, к системе и способу эксплуатации железнодорожного транспорта с помощью многоуровневого системного подхода.

Предшествующий уровень техники

Железнодорожные сообщения являются сложными системами, в которых каждый компонент взаимосвязан с другими компонентами в пределах системы. Ранее были сделаны попытки по оптимизации работы отдельного компонента или группы компонентов железнодорожной системы, как, например, локомотива, в плане конкретной рабочей характеристики, такой как потребление топлива, что является основным показателем эксплуатационных затрат системы железнодорожного транспорта. Некоторые оценки показывают, что потребление топлива занимает второе место по стоимости эксплуатационных затрат системы железнодорожного транспорта, уступая лишь затратам на рабочую силу.

Например, патент США № 6144901 предлагает оптимизацию работы поезда по некоторому количеству рабочих параметров, включая потребление топлива. Однако оптимизация эффективности отдельного поезда, который является только одним компонентом более сложной системы, включающей в себя, например, сеть железнодорожных путей, другие поезда, бригады, сортировочные станции, пункты отправления и пункты назначения, может не соответствовать оптимизации в масштабе системы. Оптимизация эффективности только одного составляющего элемента системы (даже если это может быть важным компонентом, такой как поезд) в действительности может привести к увеличению затрат в масштабе системы, потому что данный подход предшествующего уровня техники не учитывает взаимодействия и влияния на другие компоненты и на общую эффективность системы железнодорожного транспорта. В качестве одного примера оптимизация на уровне поезда исключает потенциальную эффективность локомотива в пределах отдельного поезда, которая может быть учтена, если бы была возможность оптимизировать производительность локомотивов по отдельности.

Одна система и способ планирования в системе сети железнодорожных путей раскрыт в патенте США № 5794172. Планировщики движения, такие как описаны в данном документе, в основном сфокусированы на перемещении поездов по сети путей на основе целевой бизнес-функции (ЦФБ, BOF), задаваемой железнодорожной компанией, и не обязательно на основе необходимости оптимизации производительности или конкретного параметра производительности, такого как потребление топлива. Дополнительно планировщик движения не распространяет оптимизацию ни до еще в меньшей степени состава или локомотива, ни до сервисного обслуживания железной дороги и работ по ее технической поддержке, которые планируются для сервисного обслуживания поездов или локомотивов.

Таким образом, согласно предыдущему уровню техники не известны посылы того, что оптимизация работы системы железнодорожного транспорта требует многоуровневого подхода, включающего в себя сбор ключевых данных на каждом уровне и обмен данными с другими уровнями системы.

Краткое описание сущности изобретения

Одним аспектом настоящего изобретения является создание многоуровневой системы для управления системой железнодорожного транспорта и ее рабочими компонентами, причем данная система железнодорожного транспорта включает в себя первый уровень, предназначенный для оптимизации работы в пределах первого уровня, который содержит рабочие параметры первого уровня, которые задают рабочие характеристики и данные первого уровня, и второй уровень, предназначенный для оптимизации работы в пределах второго уровня, который содержит рабочие параметры второго уровня, которые задают рабочие характеристики и данные второго уровня. Рабочие параметры первого уровня предоставляются первым уровнем второму уровню, а рабочие параметры второго уровня предоставляются вторым уровнем первому уровню, так что оптимизация работы на первом уровне и оптимизация работы на втором уровне каждая является функцией оптимизирования параметра оптимизации системы.

Еще один аспект настоящего изобретения заключается в создании способа оптимизации работы системы железнодорожного транспорта, которая содержит первый и второй уровни, содержащего передачу от первого уровня ко второму уровню рабочего параметра первого уровня, который задает рабочие характеристики первого уровня; передачу от второго уровня к первому уровню рабочего параметра второго уровня, который задает рабочие характеристики второго уровня, оптимизацию работы системы по комбинации первого уровня и второго уровня на основе параметра оптимизации системы: оптимизацию работы в пределах первого уровня на основе параметра оптимизации первого уровня и частично на основе параметра оптимизации системы; и оптимизацию работы в пределах второго уровня на основе параметра оптимизации второго уровня и частично на основе параметра оптимизации системы.

Другим аспектом настоящего изобретения является создание способа и системы для многоуровневой оптимизации работы железнодорожного транспорта для сложной системы железных дорог, согласно которым определяют ключевые рабочие ограничения и данные на каждом уровне, передают эти ограничения и данные на соседние уровни и оптимизируют производительность на каждом уровне на основе упомянутых данных и ограничений соседних уровней.

Аспекты настоящего изобретения дополнительно включают в себя определение и передачу обновленных планов, и мониторинг и передачу соответствия этим планам на множестве уровней системы.

Аспекты настоящего изобретения дополнительно включают оптимизацию производительности на уровне инфраструктуры железных дорог, на уровне сети железнодорожных путей, на уровне отдельного поезда в пределах этой сети, на уровне состава в пределах поезда и на уровне отдельного локомотива в составе.

Аспекты настоящего изобретения дополнительно включают в себя оптимизацию производительности на уровне инфраструктуры железных дорог для обеспечения сервисного обслуживания локомотивов, основывающегося скорее на условиях, а не на графике, включая и промежуточные (или краткосрочные) требования сервисного обслуживания, такие как заправка топлива и пополнение других расходных материалов в локомотиве, и долгосрочное сервисное обслуживание, такое как замена и ремонт основных рабочих компонентов локомотива, таких как тяговые моторы и двигатели.

Аспекты настоящего изобретения включают в себя оптимизацию производительности на различных уровнях в свете целевых функций компаний, работающих на железной дороге, таких как доставка в срок, надлежащее использование основных средств, минимальное потребление топлива, снижение уровня выхлопа, оптимизированные расходы на бригаду состава, время простоя, время и стоимость технического обслуживания и сниженные общие системные затраты.

Данные аспекты настоящего изобретения обеспечивают преимущества, такие как сужение разброса потребления топлива от рейса к рейсу, экономия топлива для каждого локомотива, функционирующего в пределах системы, плавное восстановление системы из режимов сбоя, устранение отказов в работе из-за отсутствия топлива, усовершенствованная логистическая схема управления запасами топлива и уменьшенная автономия бригад в принятии решений в рейсе.

Перечень фигур чертежей

Фиг.1 - графическая иллюстрация многоуровневой сущности оптимизации работы железнодорожного транспорта согласно настоящему изобретению, где уровни инфраструктуры железных дорог, сети, железнодорожных путей, локомотивного состава и отдельного локомотива показаны в контексте их расположения относительно друг друга.

Фиг.2 - графическое изображение уровня инфраструктуры железных дорог, иллюстрирующее входные и выходные данные процессора инфраструктуры на данном уровне.

Фиг.3 - схематическое подробное изображение оптимизированной работы по сервисному обслуживанию на уровне инфраструктуры.

Фиг.4 - схематическое подробное изображение оптимизированной работы по дозаправке на уровне инфраструктуры.

Фиг.5 - схематическое изображение уровня сети железнодорожных путей, показывающее его взаимоотношение с вышерасположенным уровнем инфраструктуры железной дороги и нижерасположенным уровнем поезда ниже его.

Фиг.6 - подробное схематическое изображение уровня сети железнодорожных путей с входными и выходными данными процессора на данном уровне.

Фиг.7 - схематическое изображение, иллюстрирующее входные данные и выходные данные существующего планировщика движения на уровне поезда.

Фиг.8 - схема переработанного процессора уровня сети железнодорожных путей для оптимизации дополнительных параметров использования топлива.

Фиг.9 - пара линейных диаграмм, из которых первая диаграмма является исходным планом движения, сделанным без учета оптимизации работы, а вторая диаграмма является модифицированным планом, оптимизированным для сниженного потребления топлива.

Фиг.10 - схематическое изображение уровня поезда, показывающее его взаимоотношения со связанными с ним уровнями.

Фиг.11 - схема, подробно показывающая входные и выходные данные процессора уровня поезда.

Фиг.12 - схематическое изображение уровня состава, показывающее его взаимоотношения со связанными с ним уровнями.

Фиг.13 - схема, подробно показывающая входные и выходные данные процессора уровня состава.

Фиг.14 - график, иллюстрирующий использование топлива как функцию запланированного времени при различных режимах работы на уровне состава.

Фиг.15 - схематическое изображение уровня локомотива, показывающее его взаимоотношение с уровнем состава.

Фиг.16 - схема, подробно показывающая входные и выходные данные процессора уровня локомотива.

Фиг.17 - график, показывающий использование топлива как функцию запланированного времени работы при различных режимах работы на уровне локомотива.

Фиг.18 - график, показывающий эффективность топлива на уровне локомотива, измеренную как использование топлива на единицу энергии, как функцию количества энергии, сгенерированной на уровне локомотива для различных режимов работы.

Фиг.19 - график, показывающий различные потери электрической системы как функцию напряжения вставки постоянного тока на уровне локомотива.

Фиг.20 - график, показывающий потребление топлива как функцию скорости двигателя на уровне локомотива.

Фиг.21 - схема подсистемы управления энергией гибридного локомотива, имеющего функциональные возможности внутренней регенерации и запасания энергии, предназначенного и функционирующего для оптимизации топлива.

Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения настоящего изобретения

На Фиг.1 проиллюстрирована многоуровневая сущность системы 50 железнодорожного транспорта. Как показано, система включает в себя от самого верхнего уровня до самого нижнего уровня: уровень 100 инфраструктуры железных дорог, уровень 200 сети железнодорожных путей, уровень 300 поезда, уровень 400 состава и уровень 500 локомотива. Как описано далее, каждый уровень обладает своими собственными уникальными рабочими характеристиками, ограничениями, ключевыми рабочими параметрами и логическую схему оптимизации. Кроме того, каждый уровень взаимодействует определенным образом со связанными с ним уровнями, при этом происходит обмен различными данными на каждой границе раздела между уровнями так, что уровни могут совместно работать для всесторонней оптимизации всей системы 50 железнодорожного транспорта. Способ оптимизации системы 50 железнодорожного транспорта один и тот же, если рассматривать вверх от уровня 500 локомотива или вниз от уровня 100 инфраструктуры железных дорог. Для облегчения понимания последний подход будет показан сверху вниз соответственно.

Уровень инфраструктуры железных дорог

Оптимизация системы 50 железнодорожного транспорта на уровне 100 инфраструктуры железных дорог показана на Фиг. 1-4. Как показано на Фиг.1, уровни системы 50 многоуровневой работы железнодорожного транспорта и способ включают в себя, сверху вниз, уровень 100 инфраструктуры железных дорог, уровень 200 сети железнодорожных путей, уровень 300 поезда, уровень 400 состава и уровень 500 локомотива. Уровень 100 инфраструктуры железных дорог включает в себя нижерасположенные уровни сети 200 железнодорожных путей, поезда 300, состава 400 и 500 локомотива. Дополнительно уровень 100 инфраструктуры содержит другие внутренние особенности и функции, которые не показаны, такие как сервисные станции, заправочные станции, придорожное оборудование, железнодорожные парки, поездные бригады, пункты назначения, погрузочное оборудование (часто упоминаемое как погрузчики), разгрузочное оборудование (часто упоминаемое как разгрузчики) и доступ к данным, которые воздействуют на инфраструктуру, таким как правила работы железных дорог, погодные условия, состояние путей, целевые бизнес-функции (включая расходы, такие как штрафы за отсрочки и повреждения на маршруте, и вознаграждения за своевременную доставку), природные катаклизмы и законодательные требования правительства. Эти особенности и функции содержатся на уровне 100 инфраструктуры железных дорог. Большая часть уровня 100 инфраструктуры железных дорог имеет постоянную основу (или, по меньшей мере, достаточно долгосрочную основу). Компоненты инфраструктуры, такие как расположение придорожного оборудования, заправочные станции и сервисные станции, не изменяются по направлению движения любого заданного поезда. Однако доступность этих компонентов в режиме реального времени может варьироваться в зависимости от доступности, времени суток и использования другими системами. Эти особенности уровня 100 инфраструктуры железных дорог выступают в роли возможностей или ресурсов и ограничений в отношении работы системы 50 железнодорожного транспорта на других уровнях. Однако другие аспекты уровня 100 инфраструктуры полезных дорог предназначены для обслуживания других уровней системы 50 железнодорожного транспорта, таких как сети железнодорожных путей, поезда, составы или локомотивы, каждый из которых может быть оптимизирован как функция многоуровневого критерия оптимизации, например, такого как общее количество топлива, дозаправки, выхлоп, управление ресурсами и т.д.

Фиг.2 показывает схему оптимизации уровня 100 инфраструктуры железных дорог. Показан уровень 100 инфраструктуры железных дорог и процессор 202 уровня инфраструктуры, взаимодействующий с уровнем 200 путей и уровнем 300 поезда для получения данных с этих уровней, а также от самого уровня 100 инфраструктуры железных дорог, для выработки команд и/или предоставления данных на уровень 200 сети железнодорожных путей и уровень 300 поезда, и для оптимизации работы в пределах уровня 100 инфраструктуры железных дорог.

Как показано на Фиг.3, процессором 202 инфраструктуры может быть компьютер, содержащий память 302, машинные команды 304, включающие в себя алгоритмы оптимизации и т.д. Уровень 100 инфраструктуры включает в себя, например, обслуживание поездов и локомотивов, например, на станциях технического обслуживания для оптимизации этих сервисных операций, уровень 100 инфраструктуры принимает данные 206 инфраструктуры, такие как расположение станций, функциональные возможности станций (как статические характеристики, например, количество сервисных боксов, а также динамические характеристики, например, доступность боксов, бригады сервисного обслуживания и наличие запасных частей), затраты на станцию (такие как почасовые ставки, показатели простоя), и ранее обозначенные данные, такие как погодные условия, стихийное бедствие и целевые бизнес-функции. Уровень инфраструктуры также принимает данные 208 уровня сети железнодорожных путей, такие как текущий график поездов системы для запланированного прибытия и отправления железнодорожного оборудования на сервисных станциях, доступность замещающих мощностей (т.e. заменяющих локомотивов) на станции и запланированное обслуживание. Дополнительно уровень инфраструктуры принимает данные 210 уровня поезда, такие как текущие функциональные возможности поездов в системах, в частности, данные технического состояния, которые могут потребовать дополнительного сервисного обслуживания, основывающегося на условиях (в противоположность основывающегося на графике), текущее расположение, скорость и маршрут поездов, и требования ожидаемого сервисного обслуживания, когда поезд прибывает. Процессор 202 инфраструктуры обрабатывает эти входные данные и оптимизирует работу уровня 100 инфраструктуры железных дорог посредством выдачи рабочих предписаний или других инструкций сервисным станциям для обслуживания конкретных поездов, как обозначено в блоке 226, которые включают в себя инструкции для подготовки к работе, подлежащей исполнению, например составление графика работы боксов, бригад рабочих, инструментов и заказ запасных частей. От уровня 100 инфраструктуры также поступают инструкции, которые используются системами нижерасположенных уровней. Например, команды 228 сети путей выдаются для предоставления данных для пересмотра плана движения поездов, исходя их плана сервисного обслуживания, сообщения в депо сервисного плана, например пересоставление поезда, и обеспечения альтернативных мощностей в виде заменяющего локомотива. Команды 230 поезда выдаются на уровень 300 поезда так, чтобы работа определенных поездов, которые нуждаются в сервисном обслуживании, могла быть ограничена или для обеспечения инструкции сервисного обслуживания на месте, которые являются функциями плана сервисного обслуживания.

Как один пример операций уровня 100 инфраструктуры, Фиг. 4 показывает оптимизированную дозаправку 400 уровня инфраструктуры. Это частный пример оптимизированного сервисного обслуживания на уровне 100 инфраструктуры. Данные 406 инфраструктуры, введенные на уровень 100 инфраструктуры для оптимизации дозаправки, соответствуют параметрам заправки топливом. Они включают в себя расположения дозаправочных площадок (которые включают в себя большие станции сервисного обслуживания, а также заправочные станции, и даже передвижные сервисы, где могут размещаться заправочные грузовики) и общие затраты на топливо, которые содержат не только прямую цену за галлон топлива, но также простой основных средств и бригад, затраты на управление запасами, налоги, непроизводственные издержки и требования к окружающей среде. Входные данные 408 уровня сети железнодорожных путей включают в себя расходы по изменению графика поездов в общем плане движения для обеспечения дозаправки или снижения скорости, если не произошла дозаправка, а также топографический анализ путей по ходу поездов, так как это имеет основное воздействие на расход топлива. Входные данные 410 уровня поезда включают в себя текущее расположение и скорость, уровень топлива и данные об интенсивности использования топлива (которые могут быть использованы для определения дальности перемещения локомотива), а также конфигурацию состава, чтобы можно было рассматривать альтернативные режимы выработки энергии локомотива. График поездов, а также вес поезда, груз и длина являются существенными показателями для планирования скорости расхода топлива. Выходные данные уровня 100 инфраструктуры, соответствующего оптимальной дозаправке, включают в себя оптимизацию заправочных площадок в плане инструкций на заправку для каждого конкретного поезда, а также в плане того, что ожидается в течение некоторого периода времени в отношении топливных запасов. Другие выходные данные включают в себя командные данные 428 для уровня 200 сети железнодорожных путей для пересмотра плана движения и команды 430 уровня поезда для инструкций на заправку на заправочной площадке, включая графики, а также функциональные ограничения для поезда, такие как максимальная интенсивность использования топлива, в то время как поезд направляется на станцию заправки.

Оптимизация работы инфраструктуры железных дорог не является статическим процессом, а является довольно динамическим процессом, который необходимо пересматривать через регулярные запланированные интервалы (например, каждые 30 минут) или по мере того, как значимые события возникают, и о них сообщается на уровень 100 инфраструктуры (такие как отказ тормозов поезда и проблемы на сервисной станции). Обмен данными в пределах уровня 100 инфраструктуры и с другими уровнями может осуществляться в режиме реального времени или почти в режиме реального времени для обеспечения прохождения ключевой информации, необходимой для соблюдения плана сервисного обслуживания и распространения его на другие уровни. Дополнительно информация может сохраняться для последующего анализа тенденций или идентификации или анализа характеристик производительности, взаимодействий конкретного уровня с другими уровнями или идентификации конкретных проблем с оборудованием.

Уровень сети железнодорожных путей

В пределах рабочих планов инфраструктуры железных дорог оптимизация уровня 200 сети железнодорожных путей осуществляется, как показано на Фиг. 5 и 6. Уровень 200 сети железнодорожных путей включает в себя не только схему путей, но также и планы движения различных поездов по этой схеме путей. Фиг. 5 показывает взаимодействие уровня 200 сети железнодорожных путей с вышерасположенным уровнем 100 инфраструктуры железных дорог и отдельными поездами ниже него. Как показано, уровень 200 сети железнодорожных путей принимает входные данные от уровня 100 инфраструктуры и уровня 300 поезда, а также данные (или обратную связь) в пределах уровня 200 сети железнодорожных путей. Как показано на Фиг.6, процессор 502 уровня сети железнодорожных путей может являться компьютером, содержащим память 602, машинные команды 604, включающие в себя алгоритмы оптимизации и т.д. Как показано на Фиг.6, данные 506 уровня инфраструктуры включают в себя информацию относительно погодных условий, железнодорожных депо, замещающих мощностей, сервисных станций и планов, пунктов отправления и назначения. Данные 508 сети железнодорожных путей включают в себя информацию относительно существующего графика движения поездов, целевых бизнес-функций и ограничений сети (таких как ограничения функционирования определенных участков пути). Входные данные 510 уровня поезда содержат информацию относительно положения локомотива и его скорости, текущих функциональных возможностей (степени исправности), требуемого сервисного обслуживания, эксплуатационных ограничений, структуры железнодорожного состава, веса поезда и его длины.

Фиг.6 также показывает выходные данные уровня 200 сети железнодорожных путей, которые включают в себя данные 526, посланные на уровень инфраструктуры, команды 530 для поездов и инструкции 528 по оптимизации для самого уровня 200 сети железнодорожных путей. Данные 526, посланные на уровень 100 инфраструктуры, включают в себя требования к придорожному оборудованию, требования к депо, нужды сервисных станций и планируемую деятельность пунктов отправления и назначения. Команды 530 для поезда включают в себя график для каждого поезда и эксплуатационные ограничения на маршруте, а оптимизация 528 сети железнодорожных путей включает в себя пересмотр графика поездов системы.

Как в случае с уровнем 100 инфраструктуры, график (или расписание движения) сети 200 железнодорожных путей пересматривается через определенные интервалы или при возникновении существенных событий. Обмен входными и выходными критическими данными и командами может осуществляться в режиме реального времени для соблюдения выполнения соответствующих планов в действительности.

В качестве примера существующий планировщик движения описан в патенте США № 5794172. Такая система включает в себя систему автоматизированного проектирования (CAD) предшествующего уровня техники, которая содержит планировщик движения системы распределения энергии для составления подробного расписания движения для каждого локомотива и осуществление связи с локомотивом. Более подробно такой планировщик движения планирует перемещение поездов по сети железнодорожных путей с заданным периодом планирования, таким как 8 часов. Планировщик движения пытается оптимизировать Целевую Бизнес-Функцию (ЦФБ) уровня сети железнодорожных путей, что является суммой ЦФБ отдельных поездов на уровнях поезда уровня сети железнодорожных путей. ЦФБ каждого поезда связана с пунктом назначения поезда. Она также может быть привязана к любой точке маршрута отдельного поезда. В предшествующем уровне техники каждый поезд имеет единственную ЦФБ для каждого цикла планирования на территории планирования. Дополнительно каждая система сети путей может содержать дискретное число территорий планирования. Например, система сети путей может содержать 7 территорий планирования. По существу, поезд, который пересечет N территорий, будет иметь N ЦФБ в любой момент времени. ЦФБ обеспечивает средства сравнения качества двух планов движения.

В процессе расчета плана движения каждого поезда каждый час планировщик движения сравнивает тысячи альтернативных планов. Проблема уровня сети путей в высокой степени ограничена физическим размещением пути, эксплуатационными ограничениями пути или поезда, функциональными возможностями поездов и конфликтующими требованиями на ресурсы. Время, необходимое для расчета плана движения для поддержания динамичного характера работы железной дороги, является основным ограничением. По этой причине предположение о данных о производительности поезда делается на основе предварительно рассчитанных и сохраненных данных в зависимости от состава поезда, состояния путей и графика поезда. Процедура, применяемая планировщиком движения, рассчитывает минимальное время прогона для графика поезда посредством моделирования непересекающегося движения поезда по путям с остановками и простоями для осуществления работ. Этот процесс захватывает время прогона по каждому сегменту пути и альтернативному сегменту пути по траектории движения поезда. Временной запас планирования, например, процентная доля времени прогона, затем добавляется к прогнозируемому времени прогона поезда, и временной запас и применяется для формирования плана движения.

Один такой планировщик движения предшествующего уровня техники показан на Фиг. 20, где поезд (и, таким образом, уровень поезда, уровень состава, уровень локомотива/двигателя) имеет оптимальную скорость Sl вдоль кривой 2002 скорость/потребление топлива, что приводит к снижению потребления топлива в нижней части 2004 кривой 2002. Обычные скорости поезда превышают оптимальную скорость Fl поезда, так что снижение средних скоростей поезда обычно приводит к сниженному потреблению топлива.

Фиг. 7 и 8 показывают подробно вариант воплощения настоящего изобретения и его преимущества в планировании движения уровня 200 сети путей. Фиг. 7 показывает пример планировщика 700 движения для анализа рабочих параметров для оптимизирования плана движения поезда с целью оптимизации использования топлива. Планировщик 702 движения принимает входные данные от уровня 300 поезда. Планировщик движения 702 согласно варианту воплощения по Фиг.7 принимает и анализирует сообщения для планировщика 702 движения от внешних источников 712 относительно пунктов заправки и Целевых Бизнес-Функций (ЦФБ) 710, включая временной запас планирования, как указано выше. Канал 706 связи с оптимизаторами 704 топлива для поездов на уровне 300 поезда предоставляется для передачи последнего варианта плана движения каждому из поездов на уровне 300 поезда. В предыдущем уровне техники планировщик движения пытался минимизировать задержки для встреч и разъездов. Наоборот, система в соответствии с одним вариантом воплощения настоящего изобретения устраняет эти задержки как возможность для оптимизации топлива на различных уровнях.

Фиг.8 показывает планировщик движения для анализа дополнительных рабочих параметров, помимо тех, которые показаны на Фиг.7 для оптимизирования оптимизации топлива. Средство управления (менеджер) 802 топливом сети обеспечивает уровень 200 сети путей функциональностью для оптимизирования использования топлива в пределах уровня 200 сети путей на основе Целевой Бизнес-Функции 810 (ЦФБ) каждого из поездов на уровне 300 поезда, производительности 812 двигателей поездов и локомотивов, включая эти поезда, данных 804 о заторах и весовых коэффициентов 808 топлива. Планировщик движения на уровне сети путей принимает входные данные 708 от оптимизатора 704 уровня поезда и от менеджера 802 топлива сети. Например, уровень 200 поезда обеспечивает планировщик 702 движения данными 708 о поломке двигателя и уменьшении лошадиных сил. Планировщик 702 движения передает план 706 движения на уровень 200 поезда, а данные 804 о заторах - менеджеру 802 топлива сети. Уровень 200 поезда предоставляет данные 812 производительности двигателя менеджеру 802 топлива сети. Планировщик 702 движения на уровне сети путей задействует Целевую Бизнес-Функцию (ЦФБ) для каждого поезда, временной запас планирования и пункты 806 дозаправки и данные 708 о повреждении двигателя и уменьшении лошадиных сил для развития и модифицирования плана движения для конкретного поезда на уровне 200 поезда.

Как описано выше, планировщик 702 движения согласно варианту воплощения по Фиг.8 включает в себя модуль 802 менеджера топлива сети или оптимизатор топлива, который отслеживает данные производительности для отдельных поездов и подает входные данные на планировщик движения для внедрения информации оптимизации топлива в план движения. Этот модуль 802 определяет расположения дозаправки на основе оцененного использования топлива, а также затрат на топливо. Весовой коэффициент затрат на топливо представляет параметрическое уравновешивание затрат на топливо (как прямых, так и косвенных) по отношению к графику. Это уравновешивание рассматривается в сочетании с затором, ожидаемым по траектории движения поезда. Замедление поезда для оптимизации топлива на уровне поезда может увеличить заторы на уровне сети путей посредством задержки других поездов, особенно на сильно загруженных участках. Модуль 802 менеджера топлива сети непосредственно взаимодействует с планировщиком 702 движения в пределах уровня 200 сети путей для установки временного запаса планирования (величина резервного времени в плане до ощутимого влияния на движение других поездов) для каждого поезда и изменяет план 706 движения для возможности установки планируемого временного запаса планирования отдельного поезда, с более продолжительными временными запасами планирования и более короткими встречами и разъездами, чем обычно для получения усовершенствованной оптимизации топлива.

Дополнительное усовершенствование устанавливает более высокий временной запас планирования для поездов, которые оборудованы оптимизатором 704 топлива и график которых не является критическим. Это обеспечивает экономию для местных поездов и поездов, проходящих по мало загруженным путям. Это приводит к согласованию с планировщиком 702 движения для установки временного запаса планирования для поезда и изменение плана 706 движения для возможности устанавливать временной запас планирования для отдельных поездов.

Фиг.9 показывает характерный набор линейных графиков для запланированного движения (план 706 движения) двух поездов (т.e. поезда A и B), идущих в противоположных направлениях по одним путям. Таким образом, необходимо, чтобы поезда встречались и разъезжались у ветки 906. Прерывистая линия показывает положение поезда как функцию времени движения для поездов, причем линия A показывает перемещение поезда A от его отправления из первоначального пункта 902 рядом с верхней частью графика до его конечного пункта 904 рядом с нижней частью графика и перемещение поезда B из его первоначального пункта 908 в нижней части графика до его конечного пункта 910 в верхней части графика. "Первоначальный план" 900, как показано первой прерывистой линией на Фиг.9, формируется исключительно с целью минимизации времени, необходимого для осуществления перемещений поезда. Эта прерывистая линия показывает, что поезд A входит на ветку 906, что представлено горизонтальным линейным сегментом 906, в момент времени t_l, так чтобы обеспечить разъезд с поездом B. Поезд A останавливается и стоит на ветке 906 с момента t₁ до t₂. Поезд B, как показано линией 908-910, поддерживает постоянную скорость от 908 до 910. Верхняя загнутая линия 909 и изогнутое пунктирное продолжение 911 показывают самое быстрое перемещение, которое может осуществить поезд A. "Модифицированный план" 950, как показано прерывистой линией на правой стороне Фиг.9, был сформирован при рассмотрении оптимизации топлива. Он требует, чтобы поезд A перемещался быстрее (более крутой наклон линии 918-912 от t₁ до t ₄) так, чтобы достичь второй и более удаленной ветки 912, хотя и в некоторый более поздний момент времени t₄ , например t₄ наступает позже, чем t₁. Модифицированный план также требует, чтобы поезд B замедлял скорость перемещения в момент t₃ с тем, чтобы пройти у второй ветки 912. Модифицированный план снижает время простоя поезда A до t₅-t₄ по сравнению с первоначальным t₂-t₁ и снижает скорость поезда B, начиная с момента t₃, для обеспечения возможности оптимизации топлива на уровне 300 поезда, как показано посредством комбинации двух конкретных поездов, при соблюдении плана движения уровня сети путей на или приблизительно на его раннем уровне производительности.

Входные данные для планировщика 702 движения уровня сети путей также включают в себя расположение заправочных станций, стоимость топлива ($/галлон на станцию и стоимость времени на заправку или так называемый "стоимостный штраф"), эффективность двигателя, как показано наклоном, соответствующим изменению использования топлива при изменении количества лошадиных сил (например, наклон, определяемый использования топлива/ лошадиных сил), эффективность топлива, как показано наклоном, соответствующим изменению использования топлива при изменении скорости или времени, ухудшение показателей мощности локомотива при низком содержании топлива или без топлива, факторы сцепления колес (снег, дождь, песок, моющие средства, смазочные материалы), уровень топлива для локомотивов в поездах и планируемый уровень топлива поезда.

Функциональность уровня сети железнодорожных путей, задаваемая планировщиком 702 движения, включает в себя определение необходимой мощности состава как функции скорости при текущих и проектных рабочих условиях и определение потребления топлива как функции мощности, типа локомотива и сети путей. Определения планировщика 702 движения могут быть для локомотивов, для состава или для поезда, которые будут содержать надлежащую нагрузку. Определение может быть функцией чувствительности изменения топлива при изменении мощности ( Топлива/ лошадиных сил (л.с.)) и/или изменения мощности в л.с. по скорости ( л.с./ Скорость). Планировщик 702 движения дополнительно определяет динамическую компенсацию расхода топлива (как показано выше) по причине температурных переходов (туннели и т.д.) и ограничений по причине сцепления, таких как тяговое усилие при низкой скорости или уклон дороги, что может ухудшить прогнозирование движения, например ожидаемой скорости. Планировщик 702 движения может предсказать текущий бестопливный диапазон, основываясь на рабочем предположении, что мощность поддерживается на текущем уровне, или предположении относительно будущего пути. Наконец, об обнаружении параметров, которые изменились значительно, может быть сообщено планировщику 702 движения и, как результат, может потребоваться такое действие, как изменение плана движения. Эти действия могут быть автоматическими функциями, которые осуществляются непрерывно, периодически или совершаются на базе исключительных ситуаций, например, для определения переходов или планируемых условий нехватки топлива.

Преимущества такой работы уровня 200 системы путей позволяют планировщику 702 движения учитывать использование топлива при оптимизации плана движения без относительно деталей на уровне состава, для планирования расхода топлива как функции мощности и скорости, а при помощи интеграции определять ожидаемое требуемое общее количество топлива для плана движения. Дополнительно планировщик 702 движения может спрогнозировать степень срыва графика и при необходимости сделать корректирующие установки для плана движения. Это может содержать задержку в отправке поездов с сортировочной станции или направление поездов по другому маршруту для ослабления заторов на основной линии. Уровень 200 сети путей также обеспечит возможность приведения динамического состояния топлива состава к определению дозаправки при самой первой возможности, включая учет потери мощности, когда один локомотив в составе выходит из строя или вынужден работать при сниженной мощности. Уровень сети 200 путей также позволит определить (на уровне локомотива или состава) оптимальные обновления в отношении плана движения. Эти добавленные данные оптимизации снижают мониторинг и обработку сигналов, необходимые для плана движения или автоматизированных процессов диспетчеризации.

Выходные данные плана движения с уровня 200 сети путей указывают, где и когда остановится для заправки, количество заправляемого топлива, верхний и нижний скоростные пределы поезда, время/скорость на станции назначения и время, выделенное для заправки.

Уровень поезда

На Фиг. 10 и 11 показана работа уровня поезда и взаимоотношения между уровнем 300 поезда и другими уровнями. Процессор 1002 уровня поезда может содержать память 1102 и машинные команды 1104, содержащие алгоритмы оптимизации и т.д. В то время как уровень 300 поезда может содержать длинный поезд с распределенными составами, каждый состав с несколькими локомотивами и с определенным количеством вагонов между составами, уровень 300 поезда может быть любой конфигурации, включая более сложные или значительно более простые конфигурации. Например, поезд может быть образован единственным составом с локомотивом или единственным составом с несколькими локомотивами в голове поезда, причем и та, и другая конфигурация упрощает уровни взаимодействия и объем данных, передаваемых от уровня 300 поезда к уровню 400 состава и далее к уровню 500 локомотива. В самом простом случае единственный локомотив без вагонов может образовывать поезд. В этом случае уровень 300 поезда, уровень 400 состава и уровень 500 локомотива совпадают. В таком случае процессор уровня поезда, процессор уровня состава и процессор уровня локомотива может состоять из одного, двух или трех процессоров.

Используя для описания более сложную конфигурацию поезда, далее входные данные на уровне 300 поезда, как показано на Фиг. 10 и 11, включают в себя данные 1006 инфраструктуры, данные 1008 сети железнодорожных путей, данные 1010 поезда, включая обратную связь от поезда, и данные 1012 уровня состава. Выходные данные уровня поезда включают в себя данные, отправленные на уровень 1026 инфраструктуры и на уровень 1028 сети путей, оптимизацию в пределах уровня 1030 поезда и команды на уровень 1032 состава. Входные данные 1006 уровня инфраструктуры железных дорог включают в себя погодные условия, придорожное оборудование, сервисные станции и информацию о пунктах отправления/назначения. Входные данные 1008 уровня сети путей включают в себя системный график поездов, ограничения сети и топографию путей. Входные данные 1010 поезда включают в себя нагрузку, длину, текущую способность торможения и мощность, степень исправности поезда и рабочие ограничения. Входные данные 1012 состава включают в себя количество и положения составов в поезде, количество локомотивов в составе и возможность распределенного управления мощностью в составе. Входные данные на уровень 300 поезда от источников, кроме уровня 400 состава локомотива, включают в себя следующее данные: положение головы и хвоста поезда (EOT), ожидаемая топография путей впереди и придорожное оборудование, план движения, погода (ветер, влажность, снег) и управление сцеплением (трением).

Входные данные на уровень 300 поезда от уровня 400 состава обычно являются объединенной информацией, полученной от локомотивов и потенциально от нагруженных вагонов. Эти данные содержат текущие рабочие условия, текущий статус оборудования, функциональные возможности оборудования, статус топлива, интенсивность потребления топлива, степень исправности состава, информацию оптимизации для текущего плана, информацию оптимизации для оптимизации плана.

Текущие условия эксплуатации для состава могут содержать действующее общее тяговое усилие (ТУ), усилие динамического торможения, усилие пневматического торможения, общую мощность, скорость и интенсивность потребления топлива. Это может быть получено посредством консолидации всей информации от состава на уровне 400 состава, который включает в себя локомотивы на уровне 500 локомотива в составе и другое оборудование в составе. Текущий статус оборудования содержит характеристики локомотивов, расположение локомотивов и нагрузки в составе. Характеристики узлов могут быть получены от каждого уровня 400 состава и каждого уровня 500 локомотива, включая ухудшения характеристик по причине сцепления/условий окружающей среды. Это может быть получено от уровня 400 состава или непосредственно от уровня 500 локомотива. Такое положение локомотивов может определяться частично информацией поездной магистрали, измерением положения с помощью системы GPS и задержкой во времени при измерении давления пневматического торможения. Нагрузка может быть определена посредством тягового усилия (ТУ), усилия торможения (УТ), скорости и профиля пути.

Функциональные возможности оборудования могут содержать характеристики локомотивов в составе, включая максимальное тяговое усилие (ТУмакс), максимальное усилие торможения (УТмакс), лошадиные силы (ЛС), динамическое торможение в ЛС и показатели сцепления (адгезионные показатели). Статус топлива, например текущее и прогнозируемое количество топлива в каждом локомотиве, рассчитывается для каждого локомотива на основе данных о текущем уровне топлива и прогнозируемом потреблении топлива для плана эксплуатации. Уровень 400 состава объединяет эту информацию по каждому локомотиву и посылает общий запас хода и, возможно, уровни топлива/статус на известные пункты заправки. Он также может отправлять информацию, где этот показатель может стать критичным. Например, в одном локомотиве в составе может закончиться топливо и тем не менее поезд может ехать к следующей заправочной станции, если хватит мощности в составе, чтобы доехать до этого пункта. Точно также данные о статусе других расходных материалов, но не топлива, таких как песок, модификаторы трения и т.д., сообщаются и объединяются на уровне 400 состава. Они также рассчитываются на основе текущего уровня и прогнозируемого потребления на основе погоды, путевых условий, нагрузки и текущего плана. Уровень поезда объединяет эту информацию и отправляет общий запас хода и, возможно, уровни расхода/статус на известные пункты сервисного обслуживания. Он также может передавать эту информацию туда, где этот вопрос может стать критичным. Например, если ограниченная сцеплением операция, требующая песок, не ожидается при эксплуатации, сервисное обслуживание оборудования для песка может быть не критичным.

О степени исправности состава может быть сообщено, и она может содержать информацию о поломке, снижении производительности и необходимости технического обслуживания. Может передаваться информация оптимизации для текущего плана. Например, она может содержать оптимизацию топлива на уровне 400 состава или уровне 500 локомотива. Для оптимизации топлива, как показано на Фиг.14, данные и информация для оптимизации топлива уровня состава представлены наклоном и формой линии между рабочими точками 1408 и 1410. Кроме того, информация оптимизации для оптимизации плана может содержать данные и информацию, как показано между рабочими точками 1408 и 1412, как видно на Фиг. 14, для уровня 400 состава.

Также, как показано на Фиг. 11, выходные данные 1026, переданные с уровня 300 поезда на уровень 100 инфраструктуры, содержат информацию относительно положения, направления и скорости поезда, технической исправности поезда, эксплуатационного снижения производительности поезда по причине технического состояния, необходимости сервисного обслуживания, как краткосрочного, связанного с расходными материалами, так и долгосрочного, связанного с необходимостью ремонта системы или оборудования. Данные 1028, передаваемые с уровня 300 поезда на уровень 200 сети железнодорожных путей, содержат данные о положении поезда, направлении и скорости, уровнях топлива, характеристиках и использовании и характеристиках поезда, таких как мощность, динамическое торможение и управление трением. Оптимизация производительности на уровне 300 поезда содержит распределение мощности по составам в пределах уровня поезда, распределение нагрузки динамического торможения на уровни составов в пределах уровня поезда и пневматического торможения для вагонов в пределах уровня поезда, и сцепление колес составов и железнодорожных вагонов. Выходные команды для уровня 400 состава включают в себя информацию о скорости двигателя и выработке энергии, динамическом торможении и сцеплении колес/путей для каждого состава. Выходные команды с уровня 300 поезда на уровень 400 состава содержат информацию о мощности каждого состава, динамическом торможении, пневматическом торможении для всего состава, общем тяговом усилии (ТУ), управлении сцеплением путей, например, посредством применения песка/смазочных веществ, план охлаждения двигателя и план гибридного двигателя. В качестве примера такой план гибридного двигателя показан более подробно на Фиг. 21.

Уровень состава

Фиг. 12 и 13 показывают для уровня состава взаимоотношения и обмен данными с другими уровнями. Процессор 1202 уровня состава содержит память 1302 и команды 1304 процессора, которые включают в себя алгоритмы оптимизации и т.д. Как показано на Фиг. 12, входные данные на уровень состава, как показано на уровне 400 состава с алгоритмами оптимизации, содержат данные 1210 от уровня 300 поезда, данные 1214 от уровня 500 локомотива и данные 1212 от уровня 400 состава. Выходные данные содержат данные 1230 для уровня 300 поезда, команды 1234 для уровня 500 локомотива и оптимизацию 232 на уровне 400 состава.

В качестве входных данных уровень 300 поезда передает данные 1210, связанные с нагрузкой поезда, длиной поезда, текущей производительностью поезда, эксплуатационными ограничениями и данными от одного или более составов на уровне 300 поезда. Информация 1210, переданная с уровня 500 локомотива на уровень 400 состава, может содержать текущие рабочие условия и текущий статус оборудования. Текущие условия эксплуатации локомотива содержат данные, которые подаются на уровень состава для определения общей производительности состава. Это может быть использовано для обратной связи с оператором или системой управления железной дороги. Они также могут быть использованы для оптимизации состава. Эти данные могут включать в себя:

1. Тяговое усилие (ТУ) (прокрутка двигателя и динамическое торможение). Оно рассчитывается на основе силы тока/напряжения, характеристик двигателя, передаточного числа, диаметра колеса и т.д. Как вариант, оно может быть рассчитано в зависимости от аппаратуры упряжной тяги или динамики поезда при известной информации о поезде и путях.

2. Мощность в лошадиных силах (ЛС). Она рассчитывается на основе характеристик генератора тока/напряжения. Она также может быть рассчитана на основе информации о силе тока/напряжении тягового двигателя или от других средств, таких как тяговое усилие и скорость локомотива или скорость двигателя или скорость потока топлива.

3. Установку метки дросселя.

4. Уровни пневматического торможения.

5. Применение модификатора трения, например согласование во времени, тип/количество/расположение модификаторов трения, например песка и воды.

Текущий статус оборудования локомотива может содержать данные, дополнительно к одному из упомянутых выше пунктов от 1 до 5, для оптимизации состава и для обратной связи с уровнем поезда и для поддержки уровня сети железнодорожных путей. Они включают в себя:

Температуру оборудования, такого как двигатель, тяговый электродвигатель, преобразователь, система динамического торможения и т.д.

Показатель резервной мощности оборудования в определенный момент времени, который может применяться при определении того, когда надо передавать энергию от одного локомотива к другому.

Функциональные возможности оборудования как показатель резервной мощности. Это может включать в себя доступные лошадиные силы двигателя (принимая во внимание условия окружающей среды, функциональные возможности двигателя и его охлаждения), доступное тяговое усилие/усилие торможения (принимая во внимание состояние путей/рельсов, рабочие параметры оборудования, функциональные возможности оборудования) и функциональные возможности управления трением (и усилители трения, и уменьшители трения).

Уровень топлива/скорость потока топлива

Количество оставшегося топлива может быть использовано для определения, когда надо передавать энергию от одного локомотива к другому. Емкость топливного бака вместе с количеством оставшегося топлива может использоваться уровнем поезда и поддерживать уровень сети железнодорожных путей для принятия решения в отношении стратегии дозаправки. Эта информация также может быть использована для управления тяговым усилием (ТУ), ограниченного сцеплением. Например, если впереди находится критическая область ограниченного сцепления, может быть запланировано заполнение топливного бака для обеспечения заправки топлива прежде, чем состав достигнет данной области. Другим вариантом оптимизации является сохранение большего количества топлива в локомотивах, чем тот вес, который может перерабатываться в полезное тяговое усилие. Например, буксировочный локомотив, как правило, имеет лучшие рельсы и может более эффективно перерабатывать вес в тяговое усилие при условии, что электроника вала/двигателя/питания не ограничена (относительно вышеупомянутого уровня функциональных возможностей оборудования). Скорость потока топлива может применяться для общей оптимизации маршрута. Существует много типов датчиков уровня топлива. В настоящее время также применяются датчики потока топлива. Однако возможно оценить скорость потока топлива на основе уже известных/измеренных показателей для локомотива. В одном примере поступившее топливо за такт двигателя (мм³ /шаг) можно умножить на число тактов/сек (функция количества оборотов в минуту) и на число цилиндров для определения скорости потока топлива. Это может быть дополнительно компенсировано интенсивностью возврата топлива, которая является функцией количества оборотов в минуту двигателя и окружающих условий. Другой способ рассчитать скорость потока топлива основан на моделях, использующих тяговые ЛС, вспомогательные ЛС и оценку потерь/эффективности. Имеющееся топливо и/или скорость потока могут использоваться для получения баланса во всех локомотивах (при необходимости, с подходящим взвешиванием). Это также может применяться для предписания большего использования локомотива с наиболее эффективным потреблением топлива, как предпочтение менее эффективным локомотивам (в рамках ограничения, связанного с доступностью топлива).

Уровень топлива/расходных материалов

Доступный запас хода по имеющемуся топливу (или любому другому расходному веществу) является другой частью информации. Это рассчитывается на основе текущего уровня топлива и прогнозируемого потребления топлива на основе плана и информации об эффективности топлива, доступных внутренним образом. Как вариант, это может быть логически выведено из моделей для каждого элемента оборудования или из прошлой производительности с поправкой на внешние условия, либо на основе комбинации этих двух факторов.

Уровень модификатора трения

Информация относительно количества и возможностей модификаторов трения может применяться для оптимизации стратегии распределения (перенос от одного локомотива к другому). Эта информация также может использоваться уровнями сети железнодорожных путей и инфраструктуры для определения стратегии пополнения.

Деградация эффективности/износ оборудования

Информация о совокупном использовании локомотива может использоваться, чтобы убедиться в том, что один локомотив не изношен излишне. Примеры этого могут содержать общую энергию, вырабатываемую двигателем, температурный профиль системы динамического торможения и т.д. Это также может обеспечить возможность такой работы локомотива, при которой некоторые компоненты изнашиваются в большей степени, если они все равно предназначены для проверки/замены.

Положение локомотива

Положение и/или направление локомотива может применяться для рассмотрения распределения энергии на основе таких факторов, как сцепление, вождение поезда, шум и вибрация.

Степень исправности локомотива

Степень исправности локомотива содержит текущее состояние локомотива и его ключевых подсистем. Эта информация может быть использована для оптимизации уровня состава и уровнями сети путей и инфраструктуры для планирования технического обслуживания/сервиса. Данные о степени исправности содержат информацию о повреждении компонентов относительно повреждений, которые не ухудшают текущую работу локомотива, таких как компоненты с одной осью на электрическом локомотиве переменного тока, которые не снижают показатель лошадиных сил локомотива, информацию об износе подсистем, такую как соответствующие жаре внешние условия, а вода в двигателе не полностью нагревается, информация о техническом обслуживании, такая как информация о несоответствии диаметра колеса и потенциальных снижениях показателей, например, из-за частично забитых фильтров.

Информация о взаимосвязях рабочих параметров или условий может быть задана взаимосвязь с одним или более рабочими параметрами или условиями. Например, фиг.17 показывает тип информации о взаимосвязи на уровне локомотива, которая может быть разработана, чем иллюстрируется и/или задается взаимосвязь между использованием топлива и временем для конкретного плана движения, как показано линией 1402. Данная информация о взаимосвязи может быть отправлена с уровня 500 локомотива на уровень 400 состава. Она может содержать следующее:

Наклон 1704 в момент времени, соответствующий текущему рабочему плану (снижение потребления топлива на единицу времени, например, в галлонах/сек). Этот параметр дает величину снижения потребления топлива на каждую единицу времени увеличения времени движения.

Увеличение потребления топлива между планом 1710 самого быстрого движения и текущим планом 1706. Эта величина соответствует разнице в потреблении топлива между точками F ₃ и F₁, как показано на Фиг.17.

Снижение потребления топлива между оптимальным планом 1712 и текущим планом 1706. Это значение соответствует разнице в потреблении топлива между точками F_l и F₄ на Фиг. 17.

Снижение потребления топлива между назначенным планом и текущим планом. Эта величина соответствует разнице в потреблении топлива между точками F_l и F₂ на Фиг. 17.

Общее количество топлива как функция совокупности временного профиля (включая запас хода).

Информация о любых других расходных материалах.

Для оптимизации на уровне 400 состава могут быть проведены многократные оценки по замкнутому контуру уровнем состава и каждым из локомотивов или уровней локомотива. Среди входных данных уровня состава на уровне состава содержатся входные данные оператора, входные данные ожидаемых потребностей и информация оптимизации локомотива и обратной связи.

Поток информации и источники информации в пределах уровня состава включают в себя:

6. Входные данные оператора.

7. Входные данные плана движения.

8. Информацию о путях.

9. Входные данные датчиков/моделей.

10. Входные сигналы от локомотивов/грузовых вагонов.

11. Оптимизацию состава.

12. Команды и информацию для каждого локомотива в составе.

13. Информационный поток для поезда и оптимизации движения.

14. Общий статус/степень исправности и другая информация о составе и локомотивах в составе.

Уровень 400 локомотива использует информацию от/о каждом локомотиве в составе для оптимизации работы уровня состава, для обеспечения обратной связи с уровнем 300 поезда и для обеспечения инструкций на уровне 500 локомотива. Она содержит текущие условия работы, потенциальное повышение эффективности топлива, возможное для текущего момента работы, потенциальные изменения в работе на основе совокупности параметров и технического состояния локомотива.

Существует три категории функций, осуществляемых уровнем 400 состава и соответствующим процессором 1202 уровня состава для оптимизации производительности состава.

Внутренняя оптимизация состава, оптимизация движения состава и управление и контроль состава

Функции/алгоритмы внутренней оптимизации оптимизируют потребление топлива в составе посредством управления работой различного оборудования внутри состава, например командами дросселя состава, командами торможения, командами модификатора трения, командами прогнозирования. Это может быть сделано на основе текущей потребности и учитывая будущие потребности. Оптимизация производительности уровня состава содержит распределение энергии и динамического торможения по локомотивам в составе, а также применение усилителей и преобразователей трения в точках вдоль состава для управления трением. Функции и алгоритмы оптимизации движения состава помогают оптимизировать работу поезда и/или работу плана движения. Функции управления/мониторинга состава помогают контроллерам железной дороги данными относительно текущей работы и статуса состава и локомотивов/нагрузки в составе, состояния расходных материалов и другой информацией обеспечивать на железной дороге техническое обслуживание состава/локомотивов/путей.

Оптимизация уровня 400 состава предназначена для оптимизации текущей работы состава. Для оптимизации состава, дополнительно к перечисленной выше информации, также от локомотива может быть отправлена другая информация. Например, для оптимизации топлива взаимосвязь топливо/ЛС (мера эффективности топлива) и лошадиные силы (ЛС), как показано на Фиг. 18 линией 1802, может поступать от каждого локомотива на контроллер 1202 уровня состава. Один пример этой взаимосвязи показан на Фиг. 18. Со ссылкой на Фиг. 18 данные также могут содержать один или более следующих значений:

Наклон 1804 топливо/ЛС как функция ЛС при текущей рабочей мощности в л.с. Этот показатель обеспечивает меру увеличение интенсивности потребления топлива при увеличении мощности в л.с.

Максимальная мощность в л.с. 1808 и интенсивность потребления топлива увеличивается соответственно этой мощности в л.с.

Информация о наиболее эффективных рабочих моментах 1812. Она включает в себя мощность и изменение интенсивности потребления топлива для работы в данный момент.

Полный расход топлива как функция мощности в л.с.

Время обновления и количество информации может определяться на основе типа и сложности оптимизации. Например, обновление может быть выполнено на основе значительных изменений. Они включают в себя степень изменения меток, большое изменение скорости или изменения состояния оборудования, включая поломки или изменения рабочего режима, или значительные изменения топлива/ЛС, например вариации в 5 процентов. Способы оптимизации содержат отправку только наклона (см. выше) в текущий рабочий момент, которая может быть осуществлена при низкой частоте передачи данных, например, один раз в секунду. Другим способом является однократная отправка пунктов a, b и c, а затем отправление обновлений только когда происходят изменения. Другим вариантом является однократная отправка только пункта d и обновление только показателей, которые меняются периодически, например, один раз в секунду.

Оптимизация в пределах состава в составе учитывает факторы, такие как эффективность топлива, наличие расходных материалов и состояние оборудования /подсистем. Например, если текущая потребность составляет 50% мощности в л.с. для всего состава (в составах предшествующего уровня все локомотивы одной и той же мощности, здесь 50% мощности в л.с. для каждого), более эффективной может быть работа некоторых локомотивов с мощностью, меньшей 50%-ного уровня мощности в л.с., и других локомотивов с мощностью, большей 50%-ного уровня мощности в л.с., так, чтобы общая энергия, вырабатываемая составом, равнялась запросу оператора. В этом случае локомотивы более высокой эффективности будут работать при более высокой мощности в л.с., чем локомотивы с более низкой мощностью. Такое распределение мощности в л.с. может быть получено при помощи различных способов оптимизации на основе мощности в л.с. как функции информации об интенсивности потребления топлива, полученной от каждого локомотива. Например, для малых изменений распределения мощности в л.с. может применяться наклон функции мощности в л.с. как функция интенсивности потребления топлива. Такое распределение мощности в л.с. может модифицироваться для достижения других целевых функций или для учета других ограничений, таких как управление поездом/тяговые усилия на сцепке на основе данных обратной связи от локомотивов. Например, если в одном из локомотивов мало топлива, может быть необходимо снизить его нагрузку для того, чтобы сохранить топливо, если этот локомотив должен вырабатывать большое количество энергии (мощность в л.с./час) перед дозаправкой, даже если этот локомотив является наиболее эффективным.

Другая входная информация от каждого локомотива на уровне 500 локомотива может подаваться на уровень 400 состава. Эта другая информация с уровня локомотива включает в себя:

Затраты на техническое обслуживание. Они в свою очередь включают в себя расходы на регулярное/запланированное техническое обслуживание по причине износа и поломок, который зависит от мощности в л.с. ($/кВтч) или увеличения тягового усилия.

Переходные функциональные возможности

Они могут быть выражены в терминах функциональных возможностей непрерывной работы локомотива и постоянной времени перехода и выигрыша от перехода.

Эффективность топлива в каждый момент работы

Наклон в каждый момент работы. Этот параметр показывает величину увеличения интенсивности потребления топлива на увеличение мощности в л.с.

Максимальная мощность в л.с. в каждый момент работы и увеличение интенсивности потребления топлива, соответствующее этой мощности в л.с.

Информация о наиболее эффективном рабочем моменте в каждый момент работы. Она содержит мощность в л.с. и изменение интенсивности потребления топлива для работы в данный момент.

Общий расход топлива в зависимости от кривой мощности в л.с. в каждый момент времени.

Уровень топлива (и других расходных материалов) на основе текущего уровня топлива и плана и проектной интенсивности скорости потребления топлива.

Если известна полная информация профиля, общая оптимизация состава учитывает общее израсходованное количество топлива и расходных материалов. Другие весовые коэффициенты, которые могут быть учтены, содержат стоимость технического обслуживания локомотива, переходную мощность и вопросы, такие как управление поездом и ограниченная сцеплением работа. Дополнительно, если форма использования топлива уровня состава как функция времени, как показано на Фиг. 14, изменяется значительно по причине ее переходного характера (например, температура электрического оборудования, такого как тяговые двигатели, генераторы или элементы памяти), то эту кривую необходимо сформировать вновь для различных потенциальных распределений мощности для текущего плана. Подобно предыдущему разделу данные могут отправляться периодически или однократно вначале с посылкой обновлений, как только происходит существенное изменение.

Как и входные данные для планов движения, информация оптимизации может обрабатываться на уровне 400 состава. Информация может передаваться с уровня 500 локомотива для комбинирования на уровне состава с другой информацией или объединения с данными другого уровня локомотива для использования уровнем 200 сети железнодорожных путей. Например, для оптимизации топлива информация о потреблении топлива как функция планового времени, например времени достижения пункта назначения или промежуточной точки типа встречи или разъезда, может передаваться от каждого локомотива на контроллер 1202 состава.

Для иллюстрации одного варианта воплощения процесса оптимизации на уровне 400 состава Фиг. 14 показывает уровень состава как функцию использования топлива во времени. Линия, обозначенная 1402, отображает зависимость использования топлива от времени на уровне состава для состава, в отношении которого имеется график его движения от точки A в точку B (не показано). Фиг.14 показывает потребление топлива как функцию времени. Уклон линии 1404 показывает потребление топлива во времени при текущем графике, полученного поездом. Точка 1406 соответствует текущей работе, точка 1408 соответствует максимальному выделенному времени, точка 1410 соответствует лучшему показанному времени, а точка 1412 соответствует наиболее эффективной в плане топлива работе. При текущем плане, он израсходует определенное количество топлива и прибудет туда по истечении определенного времени t₁. Также предполагается, что между точками A и B поезд на уровне состава должен работать без относительно других поездов в системе, пока он не достигнет своего пункта назначения в пределах времени, выделенного на это в текущий момент, например t₂. Оптимизация проводится в автономном режиме в поезде для достижения точки B.

Как указано выше, выходные данные уровня 400 состава содержат данные для уровня 300 поезда, команды и сигналы управления для уровня 500 локомотива, а также внутреннюю оптимизацию уровня 400 состава. Выходные данные 1230 уровня состава на уровень поезда содержат данные, связанные со степенью исправности состава, требованиями по сервисному обслуживанию состава, мощностью состава, усилием торможения состава, уровнем топлива и расходом топлива составом. В одном варианте воплощения уровень состава посылает следующие типы дополнительной информации для применения на уровне 300 поезда для оптимизации уровня поезда. Только для оптимизации топлива информация о потреблении топлива как функция планового времени (время для достижения пункта назначения или промежуточной точки типа встречи или разъезда) может поступать от каждого состава на контроллер поезда/железной дороги. На Фиг.14 изображен один вариант воплощения настоящего изобретения для оптимизации топлива и показан и идентифицирован тип информации и взаимосвязи между использованием топлива и временем, которая может быть отправлена уровнем состава на уровень поезда. Как показано на Фиг. 14, она содержит один или более элементов, перечисленных ниже.

Наклон 1404 в текущий рабочий плановый момент времени (снижение потребления топлива на единицу времени: галлонов/сек). Этот параметр дает величину снижения потребления топлива для каждой единицы увеличения времени.

Увеличение потребления топлива между наиболее быстрым планом и текущим планом. Это значение соответствует разнице в потреблении топлива между точками 1410 и 1406.

Снижение потребления топлива между наилучшим и текущим планом. Эта величина соответствует разнице в потреблении топлива между точками 1406 и 1412 (см. Фиг.14).

Снижение потребления топлива между назначенным планом и текущим планом. Это значение соответствует разнице в потреблении топлива между точками 1406 и 1408 (см. Фиг.14).

Общее использование топлива как функция временного профиля, показано на Фиг. 14 линией 1402.

Как показано на Фиг.13, уровень 400 состава передает выходные команды на уровень 500 локомотива о текущей скорости двигателя, и выработке энергии, и ожидаемых потребностях. Динамическое торможение и требования мощности в л.с. также передаются на уровень локомотива. Сигналы/команды от уровня состава на уровень локомотива или локомотиву в пределах уровня состава содержат рабочие команды, команды модифицирования адгезии и упреждающие сигналы управления.

Рабочие команды могут содержать установки для каждого локомотива, тяговое усилие/усилие динамического торможения, подлежащее генерированию для каждого из локомотивов, уровни пневматического торможения поезда (которые могут быть расширены до пневматического торможения отдельного вагона, если применяются электронные пневматические тормоза и когда выбираются отдельные вагоны/группы вагонов) и независимые уровни пневматического торможения на каждом локомотиве. Команды модифицирования адгезии передаются на уровень локомотива или вагоны (например, у задней части локомотива) для распределения увеличивающего трение материала (такого как песок, вода, снежные реагенты) для улучшения сцепления локомотива или буксировочных локомотивов или для его использования другим составом, использующим те же самые пути. Подобным образом также посылаются команды распределения уменьшающего трение материала. Команды содержат тип и количество материала, подлежащего распределению вместе с местом и продолжительностью распределения материала. Учреждающие сигналы управления содержат действия, выполняемые отдельными локомотивами на уровне локомотива для оптимизации всего маршрута. Они содержат предварительное охлаждение двигателя и/или электрического оборудования, чтобы улучшить краткосрочный показатель или пройти через трудные внешние условия впереди. Может осуществляться даже предварительное нагревание (например, если воде/маслу необходимо иметь заданную температуру для полной нагрузки двигателя). Подобные команды могут быть посланы на уровень локомотива и/или тендеры хранения комбинированных локомотивов, как показано на Фиг.21, для регулирования количества накопленной энергии в ожидании цикла потребности впереди.

Временные характеристики обновлений, отправляемых к и от уровня состава, и объем информации может быть определен на основе типа и сложности оптимизации. Например, обновление может иметь место в заранее заданный момент времени, в регулярным образом запланированные моменты времени или когда происходят значительные перемены. Эти перемены могут включать в себя: значительные изменения состояния оборудования (например, поломка локомотива), или изменения рабочего режима, такие как ухудшение работы по причине ограничений адгезии, или значительные изменения по топливу, мощности в л.с., или изменения графика, например, при изменении мощности в л.с. на 5 процентов. Существует множество способов оптимизации на основе этих параметров и функций. Например, только наклон (см. пункт а ниже) использования топлива как функции времени в текущий момент работы может передаваться, и это может происходить с низкой частотой, такой как один раз каждые 5 минут. Другой способ - это однократно отправить пункты a, b и c и далее отправлять только обновления, если происходит изменение. Согласно еще одному варианту можно однократно только пункт d сразу и обновлять только показатели, которые изменяются периодически, например, один раз каждые 5 минут.

Как указано выше, при упрощенных вариантах конфигураций поезда, например, для состава с одним локомотивом и/или поезда с одним локомотивом взаимоотношение и интенсивность обмена данными между уровнем 300 поезда, уровнем 400 состава и уровнем 500 локомотива становятся менее сложными, и в некоторых вариантах воплощениях, разделенных на менее, чем три отдельно функционирующих уровня или процессора, при возможности работы всех трех уровней при одном функциональном уровне или процессоре.

Уровень локомотива

На Фиг.15 и 16 показана взаимосвязь уровня 500 локомотива с уровнем 400 состава и оптимизация внутренней работы локомотива при помощи команд для различных подсистем локомотива. Уровень локомотива содержит процессор 1502 с алгоритмами оптимизации, которые могут быть в форме памяти 1602 и команд 1604 обработки данных и т.д. Входные данные уровня локомотива содержат данные 1512 уровня состава и данные 1514 от уровня локомотива (включая обратную связь с локомотивом). Выходные данные с уровня локомотива включают в себя данные 1532 для уровня состава и оптимизацию данных 1534 производительности на уровне локомотива. Как показано на Фиг. 16, входные данные 1512 от уровня состава содержат команду тягового усилия, скорость двигателя локомотива и выработку мощности в л.с., динамическое торможение, параметры управления трением и ожидаемые требования в отношении двигателя и системы тяги. Входные данные 1514 от уровня локомотива включают в себя степень исправности локомотива, измеренную мощность в л.с., уровень топлива, использование топлива, измеренное тяговое усилие и запасенную электрическую энергию. Последняя применяется для вариантов воплощений, использующих технологию гибридных транспортных средств, как показано здесь и далее со ссылкой на гибридное транспортное средство по Фиг.21. Выходные данные 1532 на уровень состава включают в себя степень исправности локомотива, управление трением, установки меток и использование, уровень и класс топлива. Команды 1534 оптимизации локомотива для подсистем локомотива включают в себя скорость двигателя для двигателя, охлаждение двигателя для системы охлаждения для двигателя, напряжение вставки постоянного тока для инвертеров, команды вращающего момента для тяговых двигателей и заряд электрической энергии и потребление от системы накопления электрической энергии гибридных локомотивов. Два других типа входных данных включают в себя входные данные оператора и входные данные ожидаемых потребностей.

Информационный поток и источники информации на уровне 500 локомотива содержат:

a. Входные данные оператора.

b. Входные данные плана движения.

c. Информацию о путях.

d. Входные данные датчиков/моделей.

e. Внутреннюю оптимизацию.

f. Информационный поток для оптимизации состава и движения.

g. Общее состояние/степень исправности и другую информацию для консолидации состава и для оптимизации/планирования железной дороги.

Три категории функций, осуществляемых уровнем локомотива, включают в себя функции/алгоритмы внутренней оптимизации, функции/алгоритмы оптимизации движения локомотива и управление/мониторинг локомотива. Функции/алгоритмы внутренней оптимизации оптимизируют потребление топлива локомотива посредством управления работой различного оборудования внутри локомотива, например двигателя, генератора и тягового двигателя. Это может быть сделано на основе текущей потребности и за счет принятия во внимание будущей потребности. Функции и/или алгоритмы оптимизации движения локомотива помогают в оптимизации работы состава и/или осуществлении плана движения. Функции управления/мониторинга локомотива помогают составу и контроллерам железной дороги в обеспечении данными по текущей работе и состоянию локомотива, состоянию расходных материалов и другой информации для помощи железной дороге в технической поддержке локомотива и путей.

На основе ограничений, налагаемых на уровне локомотива, рабочие параметры, которые могут быть оптимизированы, включают в себя скорость двигателя, напряжение вставки постоянного тока, распределение крутящего момента и источник энергии.

Для заданной команды мощности в л.с. существует определенная скорость двигателя, которая обеспечивает оптимальную эффективность топлива. Существует минимальная скорость, ниже которой дизельный двигатель не может поддерживать потребность в мощности. При этой скорости двигателя сгорание топлива не происходит наиболее эффективным образом. По мере увеличения скорости двигателя эффективность топлива повышается. Однако потери, например, на трение и сопротивление воздуха увеличиваются и, следовательно, можно получить оптимальную скорость, когда общие потери двигателя минимальны. Это потребление топлива в зависимости от скорости двигателя показано на Фиг.20, где кривая 2002 показывает общий уровень производительности локомотива, и точка 2004 соответствует оптимальной производительности для потребления топлива в зависимости от скорости.

Напряжение вставки постоянного тока на локомотиве переменного тока определяет постоянный ток вставки для данного уровня мощности. Как правило, это напряжение определяет магнитные потери в генераторе и тяговых двигателях. Некоторые из этих потерь показаны на Фиг.19. Напряжение также определяет потери от переключений в энергетических электронных устройствах и амортизаторах. Это также определяет потери в устройствах, применяемых для получения возбуждения поля генератора. С другой стороны, ток определяет I²r потери в генераторе, тяговых двигателях и энергетических кабелях. Ток также определяет потери на электропроводность в энергетических полупроводниковых устройствах. Напряжение вставки постоянного тока можно варьировать так, чтобы сумма всех потерь была минимальной. Например, как показано на Фиг. 19, потери генератора от тока в зависимости от напряжения вставки постоянного тока показаны линией 1902, потери магнитного сердечника генератора от напряжения вставки постоянного тока показаны линией 1906 и потери тока в двигателе в зависимости от напряжения вставки постоянного тока показаны линией 1904, которая по существу оптимизирована у линии 1908 напряжения V₁ вставки постоянного тока.

Для особой потребности мощности в л.с. распределение мощности (распределение крутящего момента) на шесть тяговых валов одного варианта воплощения локомотива может быть оптимизировано для эффективности топлива. Потери в каждом тяговом двигателе, даже если он производит тот же самый крутящий момент или мощность в л.с., могут отличаться из-за проскальзывания колес, разницы в диаметре колес, разницы рабочей температуры и разницы характеристик двигателя. Следовательно, распределение мощности между осями может быть использовано для минимизации потерь. Некоторые оси даже могут быть отключены для исключения электрических потерь в тяговых двигателях и связанных с ними энергетических электронных устройствах.

В локомотивах с дополнительными источниками энергии, например гибридных локомотивах, как показано на Фиг. 21, выбор оптимального источника энергии и соответствующего количества энергии, взятого от каждого источника (таким образом, что суммарная доставленная энергия является такой же, что и требовал оператор), определяет эффективность топлива. Однако работой локомотива можно управлять для получения показателя работы с лучшей эффективностью топлива в любой момент времени.

Для составов или локомотивов, оборудованных системами управления трением, величина трения, действующего на нагруженные вагоны (особенно на высоких скоростях), может быть снижена посредством нанесения снижающих трение материалов на рельсы за локомотивом. Это снижает потребление топлива, поскольку тяговое усилие, необходимое для перемещения такого груза, было снижено. Количество и согласование во времени этого распределения может быть дополнительно оптимизировано на основе информации о путях и характеристиках нагрузки.

Комбинация двух и более из упомянутых выше переменных (скорости двигателя, напряжения вставки постоянного тока и распределения крутящего момента) вместе со вспомогательными показателями, такими как охлаждение двигателя и оборудования, могут быть оптимизированы. Например, максимальное доступное напряжение вставки постоянного тока определяется скоростью двигателя и, следовательно, возможно увеличить скорость двигателя выше оптимальной (принимая во внимание только двигатель) для получения более высокого напряжения, что приводит к получению оптимальных рабочих показателей.

Существуют другие возможности для оптимизации, когда известны общие рабочие совокупные параметры. Например, могут быть использованы показатели и операции, такие как охлаждение локомотива, запасание энергии для гибридных двигателей, а также управляющие трением материалы. Степень требуемого охлаждения может регулироваться на основе ожидаемой потребности. Например, если впереди будет большая потребность в тяговом усилии по причине высокого уклона, тяговые двигатели могут охлаждаться заранее для увеличения их краткосрочных (термических) режимов, которые потребуются для получения высокого тягового усилия. Подобным образом, если впереди будет туннель, то двигатель и другие компоненты могут быть предварительно охлаждены для обеспечения усовершенствования работы в туннеле. Наоборот, если далее предвидится небольшая потребность, то охлаждение может быть остановлено (или снижено) для получения выгоды от нагретой массы, которая находится в устройстве охлаждения двигателя и электрическом оборудовании, например в генераторах, тяговых двигателях, энергетических электронных компонентах.

В гибридном транспортном средстве количество энергии в Гибридном Транспортном Средстве, которая должна быть передана в и из системы запасания энергии, может быть оптимизировано на основе потребности, которая будет запрашиваться позже. Например, если впереди предполагается большой участок динамического торможения, то вся энергия в системе сохранения может использоваться в данный момент (вместо энергии двигателя) так, чтобы не было запасенной энергии в начале области динамического торможения (таким образом, что бы максимальная энергия могла быть получена обратно при работе в области динамического торможения). Подобным образом, если в будущем предполагается ожидаемая потребность в большом количестве энергии, запасенная энергия может быть увеличена для дальнейшего использования.

Количество и продолжительность распределения увеличивающего трение материала (например, песка) может быть уменьшена, если соответствующие характеристики оборудования не требуются впереди по ходу. Степень мощности буксировочного вала/тягового усилия может быть увеличена для достижения максимально доступного сцепления без нанесения увеличивающих трение средств.

Существуют и другие объекты для оптимизации, отличные от топлива. Например, другим объектом могут быть выхлопы, особенно в городах или усиленно контролируемых областях. В таких областях можно снизить выхлопы (дым, оксид азота и т.д.) и согласовать другие показатели, например эффективность топлива. Еще одним объектом может быть слышимый шум. Еще одним объектом является сохранение расходных материалов при определенных ограничениях. Например, в определенных местах может быть прекращено распределение песка или модификаторов трения. Эти зависящие от конкретного местоположения объекты оптимизации могут быть основаны на информации о текущем положении (полученной из входных данных оператора, входных данных путей, GPS/информации о путях вместе с информацией о географической области). Все эти факторы рассматриваются как для текущей потребности, так и для оптимизации для общего плана работы.

Локомотив гибридного типа

На Фиг. 21 показан уровень 2100 локомотива гибридного типа с подсистемой 2116 запасания энергии. Подсистема 2112 управления энергией управляет подсистемой 2116 запасания энергии и различными компонентами локомотива, такими как дизельный двигатель 2102, генератор 2104, выпрямитель 2106, механически приводимые вспомогательные нагрузки 2108 и электрические вспомогательные нагрузки 2110, которые генерируют и/или используют электрическую энергию. Эта подсистема 2112 управления предназначена для направления доступной электрической энергии, такой как энергия, вырабатываемая тяговыми двигателями при динамическом торможении, или избыток энергии от двигателя и генератора, к подсистеме 2116 запасания энергии, и для высвобождения этой запасенной электрической энергии в пределах состава для помощи двигательной установке локомотива во время операций мониторинга.

Чтобы осуществить это, подсистема 2112 управления энергией сообщается с дизельным двигателем 2102, генератором 2104, преобразователями и контроллерами 2120 и 2140 для тяговых двигателей 2122 и 2142 и интерфейсом 2126 подсистемы запасания энергии.

Как описано выше, локомотив гибридного типа обеспечивает дополнительные возможности для оптимизации производительности уровня 500 локомотива (и, таким образом, уровня состава и поезда). В некоторых отношениях это позволяет отделить текущую производительность двигателя от текущих энергетических потребностей локомотива для прокрутки двигателя с тем, чтобы позволить оптимизировать работу двигателя не только для текущих условий работы, но также с учетом ожидания дальнейшей топографии и рабочих требований. Как показано на Фиг.21, данные 2114 локомотива, такие как ожидаемая потребность, ожидаемые возможности запасания энергии, скорость и положение, являются входными данными для подсистемы 2112 управления энергией уровня локомотива. Подсистема 2112 управления энергией принимает данные от и выдает инструкции средствам управления и системе 2102 дизельного двигателя и генератору, средствам управления и системам 2104 и 2106 генератора и выпрямителя соответственно. Подсистема 2112 управления энергией обеспечивает управление системой 2128 запасания энергии, инвертерами и контроллерами тяговых двигателей 2120 и 2140, сеточными резисторами 2124 торможения.

При описании элементов настоящего изобретения или его варианта (вариантов) воплощения слова "один", "этот" и "упомянутый" подразумевают, что существуют один или более элементов. Термин "включающий в себя", "содержащий" и "имеющий" подразумевают то, что могут быть дополнительные элементы, отличные от перечисленных.

Специалисты в данной области техники заметят, что порядок выполнения или осуществления способов, проиллюстрированных и описанных здесь, не является существенным, если это не оговорено отдельно. Таким образом, следует понимать, что аспекты и этапы способов могут быть осуществлены в любом порядке, если это не оговорено отдельно, и что способы могут включать в себя больше или меньше аспектов или этапов, чем описано здесь.

В то время как были показаны и описаны различные варианты воплощения настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что можно сделать множество изменений и модификаций, не отклоняясь от идеи настоящего изобретения и не выходя за рамки его объема. Поскольку в описанных конструкциях может быть выполнено множество различных изменений не выходя за рамки объема настоящего изобретения, следует отметить, что все содержащееся в приведенном выше описании или показанное на прилагаемых чертежах следует понимать в иллюстративном, а не в ограничивающем смысле.