用於管理移動車輛排放的系統和方法

2023-05-26 16:54:01 2

專利名稱：用於管理移動車輛排放的系統和方法
技術領域：
本發明一般性地涉及對移動車輛排放(emission)的控制。
背景技術：
現代鐵路機車是包含多個操控系統的複雜車輛，這些操控系統包含依照大量輸入變量進行的複雜的計算機化控制。一個典型的電動鐵路機車由與對應驅動軸相連接的多個交流或者直流牽引電機推進，驅動電機的電能來自由車載柴油發動機供應的電能。
機車以不同的配置裝配，以滿足由鐵路服務的一個或者多個對應的排放要求。應該認識到，在幹線進行牽引的操控需求和調車場操作的需求是有很大不同的。例如，調度機車通常移動相對少的車，以低速運動經過平坦地段，而幹線牽引機車必須能夠以相對高的速度牽引列車穿過地形變化大的地域。此外調度機車可以有大量的空閒時間，而幹線機車必須長時間以高功率工作。
鐵路排放要求受到包含客戶需求，天氣，設備可用性，人力的可用性，政府調控等多種變量影響，並且經常使得鐵路調度員無法為特定的排放任務調配最佳匹配的機車。例如，即使一個與將列車從點A移動到點B一樣簡單的單個任務，可能包含根據列車軌道的地形而變化很大的的排放要求，例如，沿著鐵路軌道不同的地點有不同的政府排放調控。結果，一個起初被按照適合最初的預定任務的配置裝配的機車，在被置於另一個不同任務中時，將提供非最優配置，並且，通常調度員最多能做到提供表現好的折衷能力的機車以便滿足一個範圍內的不同(通常是競爭的)任務需求。


圖1是包含配置輸入的機車控制系統的結構圖。
圖2是描述圖1中機車的兩個配置模式的控制系統輸入和輸出之間的關係表。
圖3是依照本發明一個方面的機車控制系統的結構圖。
圖4是實現了可選控制由機車產生的牽引力水平的本發明特點的的列車的示意圖。
圖5是將具有可選可控牽引力機車的牽引力作為機車速度的函數的示例圖。
圖6是為機車提供可選擇牽引力控制的控制器的結構圖。
圖7是一個示例性牽引力處理器的結構圖。
圖8是依照本發明一個實施例，按照機車位置的函數操作機車的描述圖。
具體實施例方式
本發明的申請揭示了通過相對於地址位置控制機車發動機的排放，較傳統技術，對鐵路操作的管理(諸如排放監督和排放信用貿易)有所提高。圖1是機車10的控制系統的結構圖，機車可以在多個配置之一下工作，以便更好地將機車10與特定任務相匹配。在此處使用的術語「配置」描述機車的整個操作簡檔，包含重要操作特性，和機車的操控系統被按照操作輸入進行控制的方式。機車的配置可以包含如下性能變量，如機車發動機峰值輸出等級，節流閥檔位(thrott1enotch)設置和生成全功率的百分比之間的相關性，引擎排放曲線，聲音排放，電磁排放，使用的牽引電機個數，燃料經濟性能，附著力極限，操作員控制的組織、表達和功能，通信協議，輔助功能等等。
機車的操控系統包含多個終端使用設備12，14，16，18，20。終端使用設備可以包含燃料泵，閥，燈，半導體設備，開關，電機，壓縮機，電阻網格，用於混合動力機車的能量存儲電池等。這些終端使用設備是相應的機車操控系統的一部分，諸如燃料系統，發動機冷卻系統，剎車系統，診斷系統，操作員控制面板等。終端使用設備可以包含位於在機車以外的元件，諸如，例如不在機車上的規劃或者匯報單元。諸如處理器22的計算設備，執行存儲在存儲器24中的操作指令，用於通過終端使用設備控制信號13，15，17，19，21來控制終端使用設備。多個操作輸入設備26，28，30，32與處理器22相互通信，提供對應的多個輸入信號27，29，31，33給處理器。輸入設備可以是傳感器、系統或者其他主要位於機車上的組件，並且在有些實施例中，這些設備不在機車上。存儲的指令被進行編程，以使得終端使用設備按照操作輸入以預定方式受控。因此，由處理器22執行的指令作為將輸入信號27，29，31，33的集合轉換為輸出信號13，15，17，19，21的集合的變換函數。
在先前技術的機車中，依照機車的配置，每種可能的操作輸入狀態集合和終端使用設備的對應控制模式之間的關係(也就是由計算設備實現的變換函數)是固定的。對比而言，圖1中的機車10包含與連接到處理器的操作輸入設備(26，28，30，32)不相同的配置輸入設備34，其用於生成配置輸入信號35，配置輸入信號35具有至少兩個狀態集合併且與輸入信號(27，29，31，33)不同。圖1的計算設備22包含可執行指令，該指令允許在操作輸入狀態的至少一個可能集合(也就是，27，29，31，33的值的一個集合)與終端使用設備的對應控制模式(也就是13，15，17，19，21的值的集合)之間的關係，依照配置輸入信號35的值進行變化。換句話說，處理器22可以配置為按照兩個或多個不同的變換函數來操作，並且該變換函數的選擇依照配置輸入信號35。因此，可以提供具有兩個或者多個不同配置的機車10，諸如兩個或者多個不同的排放簡檔。注意，圖1示出配置輸入設備34是在機車10上的，但是，虛線意味著描述一個配置輸入設備34可以位於機車10之外的實施例，配置輸入信號35通過合適的通信鏈路，諸如列車線路或者無線通信，提供給機車10。
這個概念在圖2的表中進行描述，其中，為兩個不同的配置輸入狀態集合示出兩個不同操作模式。當配置輸入35具有高值H並且四個操作輸入27，29，31，33分別具有值1，1，0，0時，處理器22將實現第一個變換函數，來生成分別具有值1，0，1，0和1的輸出信號13，15，17，19，21以控制五個終端使用設備。這個關係與機車的第一個配置相一致，諸如當在第一個排放限制下操作。相反，當配置輸入35具有一個低值L，並且四個操作輸入27，29，31，33分別具有相同值1，1，0，0，處理器22將實現第二個變換函數，生成分別具有值1，1，1，0，0的輸出信號13，15，17，19，21，從而以與第一個模式中不同的方式控制五個終端使用設備。這個關係與機車的第二個配置相一致，諸如當在第一個排放限制下操作，與第一個配置不同。在這兩個模式之間提供給終端使用設備12，14，16，18，20的控制信號中的不同，允許機車依照配置輸入變量以兩個不同的方式被配置。在本領域中的技術人員將了解，在圖1和2中描述的所使用的控制系統和變量狀態是僅為舉例說明的目的，並且是特別簡化的。現代機車實施例可能實際包含成百上千個這樣的輸入和輸出(包含多於一個配置輸入變量)，並且包含模擬、數字、神經網絡和/或模糊邏輯電路。處理部分可以在機車之外完成，並通信發送到在機車上的設備進行進一步處理或者直接對終端使用設備進行控制。而且，處理器22可以被配置為提供輸入信號36給確認輸入設備34，諸如來自用於修正輸入行為的學習功能的反饋。在一個實施例中，一個時間序列無限多項式泰勒函數可以用於對傳感器功能的修正。由處理器22實現的學習功能可以進一步以第一個配置中的第一個方式和第二個配置中的第二個方式進行學習。分布式的學習功能可以在機車上實時地實現，旨在提供較先前技術中設備性能的改善。
舉例來說，模糊邏輯控制器(FLC)可以是基於知識的系統，在其中，機車操作員、機車工程師的知識或者從機車車隊(fleet)中獲得的知識已被用於綜合成該機車的閉環控制器。這樣的FLC典型地來源於知識獲取過程，但是，可以從自組織控制結構中自動地綜合形成。將認識到，由於由FLC進行處理時使用的控制法則的不同粒度等級，由FLC使用的機車傳感器可以較由傳統非模糊控制器使用的傳感器成本較低和有較低的精度。而且將進一步認識到，可以在機車中使用模糊邏輯來依照推理規則集合，基於模擬特性的一個或者多個輸入，作出決定並且提供測量和/或控制輸出。模糊邏輯能夠在輸入數據是不完備和/或不一致的環境中作出「最佳猜測」決定。可以設想FLC能夠使機車車隊的所有者可以對任意給定的應用定製機車操作。機車參數可以被存儲在一個合適的存儲器中，並且控制功能可以實現在控制邏輯中。因此，所有者可以方便地更新在計算機上的信息或者下載更新了的機車參數給單獨的機車。可以利用可攜式接收器/發送器通過通信鏈路給機車控制器傳輸信息。進一步可以設想，用戶可以使用可配置的模糊邏輯控制器，其可以是針對通用目的的，還具有可以依照機車的類型和/或機車應用方便地調整的功能。例如，模糊邏輯控制器的核心結構對於各種機車應用可以是實際相同的。但是，模糊邏輯成員函數和/或模糊邏輯規則的應用專有的定義可以作為一組參數輸入到控制器，這樣模糊邏輯控制器在不改變實際模糊邏輯的情況下可編程可重新配置。在一個示範實施例中，體現了本發明特點的可配置的機車可以包含模糊邏輯處理器，該模糊邏輯處理器配置用於在給定配置模式中生成一個或者多個變換函數或者將輸入信號與輸出控制命令相關聯的可執行指令。為了滿足讀者對關於模糊邏輯控制器一般背景信息的需求，參考題為「自動列車處理控制器」的U.S.專利No.6,760,712,題為「用於模糊邏輯控制器的規則庫彙編」的U.S.專利No.6,078,911，和題為「具有包含可編程和可重新配置的模糊邏輯控制器的可編程參數的家用電子控制系統」的U.S.專利No.5,647,231，這些專利的每一個與本發明是同一個受讓人。
舉例來說，神經網絡控制器可以包含至少一個用於生成一個或者多個估計的變換函數的神經網絡估計器。典型地，神經網絡估計器可以被耦合來接收來自多個傳感器(例如，速度，排放，檔位等級，牽引力傳感器等)的所選擇的傳感的機車操作參數，以生成可以被耦合到傳動器系統的估計變換函數。在另外一個例子中，除傳感參數之外，神經網絡估計器能夠被耦合來接收來自處理器的輸入，該處理器生成經過計算的機車操作參數(例如，來自其他神經網絡，模糊邏輯控制器或者編程在控制器處理器中的機車模塊)。
神經網絡估計器可以是一個非線性估計器，通過訓練來映射所選擇範圍的輸入信號，生成隨著輸入信號變化的想要的輸出參數。神經網絡估計器可以典型地包含一個輸入神經元層和至少第一個隱神經元層。多個隱神經元層，例如通過第n個隱神經元層，可以耦合在一起，並且第n個隱神經元層耦合到輸出神經元層。舉例來說，偏置裝置(例如提供穩定的、可確定的功率等級的電源或任意其他合適的偏置設備)可以被耦合到神經網絡估計器中的每一個神經元層，以提供調節控制器變換函數的方式，例如，用於層中各神經元的擠壓(squashing)函數或者非線性特性的函數。將信號從每一層傳遞到下一層的過程，可以通過對經由神經元的每一個信號應用對應的權重(與各相應的神經元相關)來實現。每一層的對應權重可以使用在本領域中技術人員易於理解的技術，在訓練序列中確定。例如，在神經網絡的訓練中，輸入信號的規定模式可以被順序地並且重複地應用，已知存在與其相對應的輸出信號規定模式。可以將由神經網絡生成的與每一個規定的輸入信號模式相對應的輸出信號的模式與規定的輸出信號模式進行比較，以生成誤差信號，誤差信號可以被用於調整權重，多次重複該輸入信號的模式，或者直至誤差信號被檢測為可以忽略的值為止。然後，可以利用序列中下一個模式集合進行訓練。在廣泛的訓練中，對模式序列的訓練可以循環。在一個示範實施例中，體現本發明特點的可配置的機車可以包含神經網絡處理器，其用於(例如經過一個訓練周期或者序列)調整將輸入信號與輸出控制指令相關聯的一個或者多個變換函數或者可執行指令。為了滿足讀者對關於神經網絡控制器一般背景信息的需求，參考題為「用於在神經網絡層中逼近S型響應的數字電路」U.S.專利No.5,167,008和題為「具有用於估計燃氣輪機內部循環參數的神經網絡的控制器」的U.S.專利No.5,857,321,這些的每一個與本發明是相同受讓人。
應認識到可以使用最優控制技術作為設計多變量機車控制器的工具。應該認識到，得到一個全方位真正的「最優」的設計是不現實的，因為在實際實現中達到部分最優設計就被認為是成功。例如，可以設想，這樣的設計將協調使用所有的輸入、輸出和控制變量，並且將被組織來確保機車控制器的穩定，該控制器可以邏輯地改變(例如，重新配置)來滿足機車所需性能目標的集合。在一個示範實施例中，最優控制技術可以是有吸引力的，因為這樣的技術可以很容易地處理多輸入系統並且允許設計者為控制法則矩陣快速確定合適的候選值。如本領域中技術人員所認識的，通常用於執行給定控制策略的所有可能的系統狀態不完全可用。例如，安裝用於傳感每一個可能的機車狀態的傳感器是不實際的，也不是必須的，因為，可以提供估計器來估計任意缺失狀態而不是傳感或者測量每一個可能的機車狀態。在一個示範實施例中，可以使用最優估計技術作為與機車控制器聯合使用的多變量機車估計器的設計工具。一個最優估計技術的例子可以是時變最優估計解，在本領域中通常稱為「卡爾曼(Kalman)濾波器」。在本例子中，實質上最優估計解由回歸加權最小方差求解給出。為了滿足讀者對關於多樣控制技術一般背景信息的需求，參考題為「動態系統的數字控制」的教科書，由Gene F.Franklin和J.David Powell所著，第二版1981，Addison-Wesley出版公司出版並所有版權。
在本發明的一個實施例中，配置輸入信號35可以響應機車10的地理位置。機車的位置可以使用合適的輸入設備34(諸如全球定位系統GPS或者無線路旁自動電子識別AEI標籤)來確定。可選擇地，配置輸入信號35可以是機車健康狀況的表示，諸如可以源自車載設備或者車外設備，包含診斷和/或控制系統。可選擇地，配置輸入可以對應於操作員輸入，諸如當配置輸入設備34是操作員控制的需要具有密碼或者鑰匙才能夠使用的開關、計算機滑鼠、觸控螢幕、鍵盤、身份識別卡讀卡器、條形碼讀卡器等。除了位於機車上的操作員以外，機車配置還受到來自機車附近位置諸如鐵路控制塔的影響，或者來自諸如遠離機車的遠程數據中心或者調度辦公室的影響。在一個實施例中，指示車組(consist)的一個機車健康狀況的信號被用於對該車組中第二個機車進行重新配置；例如，當第一個機車的最大功率生成能力下降時，第二個機車可以被配置為更高的峰值功率等級來補償第一個機車造成的功率損失。在另外一個實施例中，指示排放極限的信號可以從中央排放控制中心接收到，並且可以用於配置車輛在其排放極限內運行。配置輸入可選擇地包含改變模擬或者數位訊號的設備；例如，改變、增加或者刪除消息，改變消息序列，或者偏移傳感器信號來使得機車10在不同的配置中工作。
在另一個實施例中，配置輸入可以響應操作員輸入。例如，機車操作員可以在識別到機車進入了具有不同配置需要的不同區域後，完成不同的配置，諸如通過識別裡程標記或者其他鐵路邊的標識物、不同區域邊界的指示牌等。在另一個實施例中，用於改變配置的配置輸入可以基於機車離不同操作區域的距離被預先編程。例如，操作員可以輸入機車先前位置距離不同操作區域的距離。隨後，基於傳感到所運行的距離，機車可以在運行到到達該不同區域的距離時自動地改變其操作配置。
圖8示出了用於響應於位於軌道816沿線的發送應答器814a，814b，814c中所編碼的信息來控制機車操作狀態的系統810，操作狀態諸如排放參數。例如，發送應答器814a，814b，814c可以定位在預先確定的邊界815a，815b，815c，以便在機車812通過邊界815a，815b，815c時識別出邊界。發送應答器814a，814b，814c，諸如AEI標籤(商業上可以得到，例如，從Transcor公司得到)可以被定位在軌道816的道基中的一個位置上，在此位置上機車操作狀況需要得到控制。發送應答器814可以附著在位於鐵路貨場區域的入口處的枕木818上，來限制機車812的速度。機車812可以裝配發送應答器(transponder)閱讀器820，在機車812沿著軌道816運行時，讀出編碼在所經過的每一個發送應答器814a，814b，814c中的信息。儘管下文描述閱讀器820定位在機車812上，但是，應該理解閱讀器820可以被安裝在列車的任意車廂或者機車上。在某些例子中，機車812在沒有連接任意車廂或者另一個機車的情況下運行，並且，因此機車812自身此時組成列車。閱讀器820可以被配置來提供從發送應答器814a，814b，814c讀出的控制信息，來控制列車機車，或者發給遠程的控制操作員。
在一個實施例中，閱讀器820可以發射由發送應答器814b接收的無線射頻(RF)激活信號822。激活信號822提供給發送應答器814b足夠的能量，來允許發送應答器814b發射發送應答器信號824返回給閱讀器820。發送應答器信號824通常可以是具有與激活信號822不同頻率的RF信號。發送應答器也可以由其他合適的電源來供電，諸如電池，太陽能電源，或者與電源連接的電線。通常，閱讀器必須位於距離發送應答器合適的檢測距離內，例如，在10英尺內，來接收發送應答器信號824。相應地，發送應答器可能需要間距距離大於這個檢測距離來防止發送應答器之間的幹擾。也可以使用每一個發送應答器與閱讀器通信的唯一的標識符允許發送應答器具有更近的間距。
閱讀器820與在車上的控制系統830進行通信，諸如控制機車812的機車控制單元(LCU)。在讀取了發送應答器之後，閱讀器820將發送應答器信號824中編碼的控制信息提供給車上的控制系統830，以控制機車812的操作參數。機車812隨後可以維持這些相同的操作參數直至經過另一個發送應答器814c，並且接收到新的控制信息。從每一個發送應答器814a，814b，814c接收到的控制信息可以直接提供給在車上的控制系統830，用於對機車812的自動控制。
在本發明的一個方面，兩個或者更多的順序定位的發送應答器可以被配置來依照機車相對於發送應答器運動的方向提供控制信息。例如，發送應答器814a可以包含一對定位在邊界815a的發送應答器，依照機車812沿著鐵路運行方向，諸如，機車12是進入或者離開由邊界815確定的區域817，來提供控制信息對機車操作參數進行控制。邊界可以包含在需要不同排放簡檔的兩個狀態之間的狀態線。當機車812通過例如在某個方向經過發送應答器對，檢測到離開一個狀態並且進入相鄰狀態時，機車812可以被命令依照其已經剛剛進入的狀態的需要，轉變排放參數。本發明的另一個方面中，閱讀器820可以被安裝在機車812作為一員的列車的不同機車或者車廂上。例如，受控機車812可以是列車車組中的一員，其中所述不同的機車也是車組中的一員。不同的機車檢測其自身位置並且傳送位置信息給機車812，用於依照由不同機車提供的位置信息控制機車812的排放。
機車性能的一個或者多個特點可以被改變，來響應於配置輸入中的變化改變機車配置。在一個實施例中，機車可以響應於配置輸入的改變，被從第一個馬力等級配置為第二個馬力等級。考慮一個例子，此處稅務局徵稅依照機車的大小/功率等級增加。如果鐵路需要5000馬力機車來驅動列車經過此該稅務局的區域，但是僅有能用的6000馬力機車來完成這個任務，此時，6000馬力機車能夠被配置為5000馬力模式來完成這個任務，旨在規避對多餘稅款的支付。在配置中的這個改變可以響應於作為配置輸入變量的操作員選擇來實現，或者可選擇地，響應於機車接近相關地理區域所對應的配置輸入，自動完成。峰值功率等級配置的變化可以包含由處理器執行的指令，其改變機車的節流閥和/或燃料傳送系統中終端使用設備的響應。依照至少一個節流閥檔位設置傳送的發動機功率輸出在兩個配置之間變化。這點可以例如通過包括可由計算設備執行的指令來實現，該指令在配置輸入具有第一個值的時候，在節流閥輸入設備中識別X檔位設置(通常有8個功率檔位設置可用)，並且在當配置輸入具有第二個值時，在節流輸入設備中識別不同於X的檔位設置。在典型的北美機車中，節流閥將功率的範圍分為1到8個檔位，所有8個檔位設置可以在第一個(6000馬力)配置中被識別。在第二個(5000馬力)配置中，諸如用於非北美機車，可以具有15個檔位設置，節流閥控制系統將識別檔位15輸入，但是維持檔位15的終端使用設備輸出與前面的檔位8的終端使用設備輸出是相同的。因此，完全相同的操作輸入變量值的集合(例如，節流閥設置為檔位8)將生成兩個不同的終端使用設備控制輸出值集合(例如，燃料噴射閥激活時序)作為配置輸入值相應改變的結果。可選擇地，在第一個配置中，燃料系統可以給柴油發動機所有X缸(典型的8，12或者16缸)提供燃料，而在第二個配置中，燃料可以提供給少於X個缸，因此，完成峰值發動機功率輸出的削減。
本發明另一個實施例可以改變機車中加電的牽引電機的數目，或者牽引電機的功率等級設置。在第一個配置中，車上的每一個牽引電機均可以被加電，諸如用於正常開放路段負荷牽引任務。在第二個配置中，少於全部的牽引電機被加電。這可以使用由計算設備執行的指令來完成，以允許在配置輸入具有第一個值時對機車的X個牽引電機加電；在配置輸入具有第二個值時，對機車的少於X個牽引電機加電。相似地，工作的牽引電機的功率等級可以依照配置輸入變量而變化。
本發明可以被使用於由多個機車連接在一起來牽引列車的機車這組中。車組中的所有機車典型地由來自領頭機車的單個工程師進行控制，尾隨的機車與領頭機車進行通信，並且響應該工程師的輸入。每一個機車展示出最大黏著極限，也就是說，在車輪將要滑動之前，能夠加載到機車車輪上的功率數量。如果所有機車不是相同型號的，並且因此不全具有相同的黏著極限，如果領頭機車具有較尾隨機車更高的黏著極限，將發生不受控的車輪滑動的狀況。一個實施例包含由計算設備執行的可執行指令，當配置輸入具有第一個值時，來操作機車引擎低於第一個黏著極限；在配置輸入具有第二個值時，操作機車引擎低於第二個黏著極限，該第二個黏著極限低於第一個黏著極限。在這個方式中，具有較尾隨機車更高的黏著極限的領頭機車可以被配置作為具有與尾隨機車相同黏著極限的樣子來操作，因此，消除相關的有問題的車輪滑動。配置輸入信號35可以響應於列車中另一個機車的任意操作參數。例如，指示尾隨機車的功率等級或者健康狀況的信號可以作為配置輸入信號35，以便依照該信號35將領頭機車重新配置為相應的峰值功率等級。
機車控制系統可以被編程，依照預定的任務優先級集合進行響應。例如，用於快速負載機車的任務優先級可以是維持需要的功率輸出，旨在確保能夠維持所需的列車速度，使得能夠滿足快速傳遞時刻表。在這樣作的時候，將可能導致過多的磨損，過多的排放或者其他不合適的影響。例如，如果柴油發動機的一個缸變得不起作用了，預定的任務優先級將決定機車控制系統是否將提供附加的燃料給工作的缸來彌補不起作用的缸。這樣作可能導致發動機超過排放極限或者可能導致發動機過度磨損。
對於非快速服務的機車，任務優先級可以在所有時刻在排放極限或者在所需的燃料消耗極限等內進行操作。對於這樣的非快速服務，當一個發動機缸變得不起作用時，任務優先級可以簡單地允許峰值發動機輸出下降。本發明可以用來允許單個機車依照配置輸入的值的變化，從任務優先級第一集合重新配置為任務優先級第二集合。這樣的變化可能包含對多個終端使用設備輸出響應的修改，包含診斷和報警系統。這些改變對於先前技術的機車是不可行的，並且因而任務優先級有時基於可用的機車的選擇折衷。本發明給鐵路調度員在匹配任務需求和可用設備時，提供附加的靈活性。
在另一個實施例中，操作員接口設備的配置可以依照配置輸入變量進行改變。例如，不同的所有者或者操作者可以使用不同的管理和/或技術方案，諸如，不同的排放簡檔，不同操作員訓練簡檔，使用簡檔，牽引力簡檔，分布電源技術，受控牽引力(CTE)簡檔，無線通信頻率等，其可以反映在諸如觸控螢幕輸入設備的操作員接口設備上。當試圖操作本領域先前技術的機車在多於一個鐵路運行時，如果機車配置與鐵路運行模式不協調時，將遇到問題。一個簡單的例子是鐵路沿著鐵路線對裡程進行標記的方式，有些鐵路使用數字，有些鐵路使用字母。另外一個例子是鐵路配置在其列車車組的多個機車之間進行無線通信的方式。藉助本發明，機車可以包含合適的硬體和軟體在多個鐵路合理的發揮作用，依照諸如操作員選擇這樣的配置輸入變量，激活針對特殊鐵路的合理配置。操作員輸入可以包含操作員身份，諸如通過從鍵盤鍵入操作員身份識別碼，在讀卡機前晃動身份識別卡等方式。操作員身份可以在特定操作員具有合理授權的那些模式中，作配置輸入變量使用，例如，自動地限制功率級別，運行的地理區域，或者機車接口設備的配置。
如本發明的另一個實施例，計算設備22可以按照排放簡檔的函數來控制機車的一個或者多個操作，該排放簡檔響應於配置輸入值。排放簡檔可以是描述和定義機車功率輸出所需的排放性能的操作簡檔。例如，排放簡檔可以包含一個或者多個排放要求，諸如最大可允許的排放值。排放要求可以設置氮氧化物(NOx)的排放、碳氫化合物排放(HC)、一氧化碳(CO)排放和/或微粒物質(PM)排放的最大值。其他排放限制可以包含電磁排放的最大值，諸如機車發出的對應的頻率的射頻(RF)功率輸出的限制，以瓦特來計量。排放要求可以依照一天的時間，一年內的時間，和/或諸如天氣和大氣的汙染等級的大氣條件而變化的。眾所周知，排放規則在跨越鐵路系統時是依照地理位置而變化的。例如，運行區域諸如一個城市或者州可以具有特定的排放目標，並且相鄰的區域可以具有不同的允許排放目標，例如，具有較低的允許排放量，或者在給定的排放等級上有較高的收費。相應地，某個地理區域的排放簡檔可以定製來包含對於每一種受管制的排放具有最大排放值，包含在簡檔以內，滿足該區域預定的排放目標。
如果路線穿越多個具有不同排放要求的區域，針對任務選擇機車是複雜的事情。在其他實施例中，排放簡檔或者排放目標/特性可以被定義為一天中時間，天氣，日排放等級/分類，列車牽引重量，車組配置，移動計劃，鐵路狀況，機車服役期或類型，和/或鐵路系統操作員的商業目標的函數。運行機車的排放參數可以與針對特別區域內的排放簡檔進行對比。
由計算設備22執行的過程用於決定是否需要對機車的一個或者多個操作特性進行調整。排放簡檔可以與氣體的、液體的、或者固體的燃燒副產品、聲音能量排放、反射排放(諸如由用於反射或者吸收電磁能的設備提供的)、震動排放，和/或諸如無線電、紅外和可見光的排放等電磁能量排放相關聯。例如，如果受監視的排放參數是柴油發動機的化學或者氣體輸出，並且檢測到它高於排放目標的規定，計算設備可以執行指令來控制發動機/燃料系統終端使用設備，諸如改變發動機時序或者燃料傳送時間表或者旨在減少由發動機生成的排放的其它控制。其他校正行為可以包含關閉發動機，調整在車組或者列車中機車的分配，調整列車的一個或者多個移動計劃，改變發動機冷卻，改變發動機負載或者牽引力，變化發動機速度，使用混合能源進行驅動，或者存儲混合能源到能量存儲系統中。進行這樣的行為旨在實現特定機車的排放特性，或者可以在系統級的或者子系統上的基礎上進行這樣的行為，以便由鐵路系統操作員在一個或者多個運行區域內運行機車車組和列車達到排放目標。
在一個實施例中，本發明提供一種用於依照諸如機車所在位置的配置輸入變量35，管理一個或者多個機車的排放配置的方法和設備。例如，如果第一個運行區域是需要特定排放特性的排放控制區域，當位置配置輸入具有第一個值時，計算設備22依照滿足該目標的第一個排放簡檔，管理機車的操作(也就是，控制輸出13，15，17，19，21)。當配置輸入35依照機車移動進入具有不同排放目標的第二個運行區域而改變值時，計算設備依照不同的排放簡檔控制機車的操作，也就是說，針對輸入值27，29，31，33的相同集合的至少一個不同的控制輸出值13，15，17，19，21。
在如圖3所示的本發明的一個方面中，機車控制系統100可以包含與計算機處理器102相耦合的排放特性監視器123，並且監視機車排出的排放，諸如氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和顆粒物。系統100還可以包含與計算機處理器102相耦合的排放操作參數監視器502，用於監視指示排放簡檔的機車運行參數。排放操作參數監視器502可以進一步包含燃料噴射空氣溫度傳感器504，燃料噴射時序傳感器506，和燃料噴射壓力傳感器508來監視這些對應的參數。已知這些參數可以被用於計算受監視的發動機的排放等級。在另一個方面中，可以監視由機車產生的馬力(或者等同的功率測量諸如兆瓦-小時)和機車的速度，例如，在某些時間(諸如每0.1小時)和/或在某些位置分別地由功率傳感器510和速度傳感器512進行。已知，這樣的馬力和速度信息可以被用於計算機車在這些信息被記錄的時間段內的排放簡檔。排放簡檔可以與位置信息相關聯，當生成排放簡檔時，指示出機車的位置。其他參數，諸如燃料使用和發動機排氣特性可以相應地被例如，燃料使用傳感器和發動機排氣特性傳感器進行監視。
機車控制系統100與中央排放監視系統514進行通信。中央排放監視系統514可以與中央排放監視資料庫516相耦合，諸如在美國專利No 6,301,531和6,263,265中描述的用於監視機車參數的中央資料庫。中央排放監視資料庫516可以具有安全的可訪問性，例如，通過網際網路518。中央排放監視系統514可以接收來自一個或者多個機車的通過安全通信鏈路142的排放信息，跟蹤相應的受監視的機車的排放。在本發明的一個方面，由每一個機車提供的排放信息可以被存儲在資料庫516中，作為本地存儲在機車的存儲設備中的替代或補充。信息可以被提供給中央排放監視系統514作為已獲得的信息，或者信息可以被從機車基於周期進行上傳。
有利地的是，系統100提供當在不同地域中在不同排放簡檔配置內(諸如在Tier II NOx的限制內)運行機車的能力。系統100可以被配置為不需要操作員輸入而自動操作將機車轉換為不同排放簡檔配置。系統可以被編程以限制在轉換到不同排放簡檔配置時對機車性能的中斷。系統100提供記錄和維持機車進入和離開預定區域的日期和時間的記錄，和/或不同系統操作參數的記錄(例如，指示由發動機產生的排放的參數)的能力。存儲器104可以用於記錄在每一個可用的操作模式中機車操作的(例如，由時鐘時間、消耗的燃料、位置等進行測量的)部分，諸如可以有利於隨後的報稅、記帳或者車隊管理目的。
此外，不需要對發動機控制硬體進行更改。當配置輸入設備34(也就是位置確定設備114)功能失常時，系統100可以指導機車恢復到默認的排放簡檔，或者，可以使用最後一次已知的配置輸入的排放簡檔。數據可以冗餘地進行存儲或者備份，並且以周期間隔加上時間戳。機車配置可以響應源自不在車上的中央排放監視系統514的配置輸入信號35進行更改，諸如，當用於車隊或者用於特定機車100的排放數據需要或者允許該機車的排放簡檔中發生變化時。或者，機車配置可以依照操作員輸入，諸如通過觸控螢幕設備127的輸入進行變化。
在本發明的一個方面，所存儲的每一個機車的排放信息對於管理徵稅機構(諸如徵稅機構或者環境管理機構)是可用的，來驗證當機車或者機車車隊在某區域內運行時排放的遵守情況。可以提供機車在其通過預定區域的邊界時，和/或機車在該區域內運行的時間段內的排放信息。例如，某一個州可能要求機車在該州的邊界內運行的時候維持某排放簡檔，並且可以要求匯報每一個機車的排放信息。系統100允許通過網際網路簡單地提供這樣的匯報並且該匯報對於該州的管理機構是可用的。
在另一個實施例中，可以測量一個車隊中多個移動車輛的排放，並且將相關測量排放數據傳送給中央資料庫。隨後可以相對於車隊排放要求處理所接收到的數據。接收到的數據可以被用於生成用於依照排放要求運行該車隊的指令。隨後該運行指令可以被傳送給車隊中至少一個移動車輛。在一個實施例中，運行指令可以包含調整排放輸出的指令。在另一個實施例中，可以測量每一個移動車輛的實際排放與對每一個移動車輛的對應排放要求的對比，來計算在實際排放和對應的排放要求之間的差異。隨後，可以在該車隊中對這些差異求和，以確定車隊是否遵守車隊排放要求。多個排放要求可以在車隊運行過的對應的多個地理區域起作用。相應地，可以依照針對對應的機車運行的地理區域的起作用的相應排放要求，對數據進行處理。
收集到的排放信息可以被用於規劃在排放受控區域內運行的目標，其允許以最大允許的排放等級以下的排放等級進行運行，累積排放「信用」。例如，由在最大允許排放以下運行產生的排放信用可以被累積並且用於彌補對那些在高於最大允許等級上運行的其他機車的估計的處罰，使得車隊整體的排放在該區域內可以平均滿足排放要求。為了規劃的目的，如果信用積累過度，機車可以被安排在產生超過最大允許級別的排放的燃料更充足的模式下運行，直到積累的信用被用完。在一個實施例中，信用可在不同區域內的不同鐵路系統中交易，諸如在不同的州和不同國家。在另一個方面，排放信息可以被用於在具有相關排放要求的地理區域內運行的相同機車的排放信用交易。例如，在一個運行區域內下降一個等級，機車可以被控制具有低於在該區域最大允許排放等級的排放。在此時間內，排放信用將增加，並且這些信用可以用於抵消當排放參數允許超過最大值，諸如當機車爬升一個等級時的操作。相應地，當在該區域內，機車的平均排放可以得到管理，使得其平均排放滿足與該區域相關的排放要求。
一個使用車組中的多個機車的列車的示範實施例將在此處參考圖4-7進行描述。每個機車的車上推進系統控制器610(PSC)依照牽引力控制信號作出響應，牽引力控制信號依照利用機車通信設備612(例如，涉及商用LOCOTROL分布式電源通信設備)從與遠程車組616相關的領頭機車614傳送的無線通信命令而生成。舉例來說，車組616顯示為由遠程機車(remote locomotive)620和尾隨機車(traillocomotive)622組成。應認識到，本發明不限於所顯示的車組排列，因為可以依照特定的列車用途來提供許多其他的車組排列。如下文將描述的那樣，可以用合適的控制算法配置每個機車的各車上控制器，諸如分布式電源控制器(DPC)624，主要機車控制器626(CAX)，PSC控制器和通信設備，以便在接收到配置輸入信號的時候，可選擇地限制車組中的每一個機車提供的牽引力。
在一個示範實施例中，當接收到配置輸入信號，機車控制器指導一對機車列車電纜(諸如電纜T/L618和T/L619)加載電壓(高)來將該機車的總牽引力限制為低於機車最初設計所提供的值。如圖5所示，在一個示範實施例中，機車可以被選擇性地限制為所有六個輪軸牽引力約為110,000磅，而不是正常的180,000磅牽引力。在示範實施例中，通信設備可以被配置為經由遠程機車上的DPC控制器為所述列車電纜加載電壓，來啟動受限的牽引力(TE)運行模式。在一個示範實施例中，PSC控制器610將檢測何時兩個列車電纜都是激活的，並且將這個狀況解釋為用於受限牽引力操作的指令。隨後，一個降低牽引力的指令將施加到相應的牽引電機控制器(TMC)628上，如圖6中所示。或者，領頭機車的牽引力可以相對於遠程機車增加，來在LOCOTROL分布式電源列車中的領頭和遠程機車之間生成牽引力差。這個差有助於當列車遇到彎曲並且起伏的軌道狀況時，保持列車中負載不均衡的車輛在列車軌道上。
為了遠程機車降低牽引力，該機車將最初決定是否被裝配(例如，通過硬體、軟體或者兩者)在降低的牽引力模式下工作，並且提供信號給其他機車，指示它裝備了可選擇的牽引力功能。相似地，道路號碼可以從指示該單元裝備了可選牽引力的道路號碼列表中選出。在一個示範實施例中，合適的控制器可以監視機車的道路號碼和/或可選牽引力功能信號的存在與否，來確定該機車是否被裝配在降低牽引力模式下工作。在分布式電源鏈路時間，操作員將在全部牽引力或者降低牽引力的模式中進行選擇。如果選擇了降低牽引力模式，在領頭機車上的分布式電源單元將發出指導遠程DPC在降低牽引力模式下工作的配置輸入信號。假設遠程分布式電源單元被配置用於降低的牽引力操作，遠程車載的DPC控制器624將此時對列車電纜加載電壓，諸如列車電纜618和619(兩個列車電纜可以冗餘使用)。在一個示範實施例中，當車組616中的每一個機車在檢測到這些列車電纜中的一個或者兩個均被加載電壓的時候，也就是它們接收到合適的配置輸入信號，將以降低牽引力運行。裝備了在降低牽引力下運行的能力的遠程單元可以為了安全的原因，默認該運行模式。當檢測到兩個列車電纜618和列車電纜619均被卸載電壓，遠程單元將返回到正常牽引力等級。例如，當操作員選擇了全牽引力操作模式並且遠程單元從領頭單元接收到指令以全牽引力模式進行工作，並且列車電纜618和619均被卸載電壓時，將發生這樣的事情。
在一個示範實施例中，機車控制器被配置來限制牽引力，不必要由機車傳遞的馬力。這點允許在更高的列車速度實現正常性能。如上所建議，可以為了提供冗餘的、安全的連接而使用兩個列車電纜。在本領域中技術人員將認識到，許多通信技術包含無線通信技術可以被用於與所需的操作模式進行通信。
在操作中，受控牽引力(CTE)是在分布式電源模式中，可以選擇性地降低可被用為推力機車或者拉力機車或者兩者的機車的牽引力的功能。可以預期的是，配置了CTE能力的一個或者多個機車可以依照例如登記噸位被置於列車的後部，並且由裝備了分布式電源設備，諸如LOCOTROL分布式電源設備的領頭機車所控制。進一步預期的是，如果使用了一個或者更多的推力機車，它們中的每一個將是裝備了CTE的，並且在頭部終端的控制單元可以是任意的裝備DP的單元。例如，假設AC4400CTE機車在分布式電源模式中用於推力應用，其牽引力可以選擇地由在11mph速度時的145,000磅降低到11mph速度時的110,000磅。牽引力的降低將實際上重新配置ACT4400CTE機車，使之在牽引力方面等同與一個Dash-9機車，並且因此，有利地使得這樣的AC機車適用於諸如DP推/拉運貨列車的應用，這些列車被用於重型牽引應用和較輕的牽引應用中。因此，在本發明的一個方面中，機車車組的用戶能夠混合和匹配機車的牽引力與任意給定列車的實際需要，而不需要非要等待能夠傳送所需牽引力的合適機車型號可用。因此，用戶將能夠在多種應用中使用諸如ACT4400CTE機車，包括使用較低額定的機車(從機車牽引能力角度看)的應用而不必非等到較低額定機車可用。因此，本發明的特點允許機車車隊的用戶高效地增加這個車隊操作的通用性。
圖7是幫助理解本發明操作特點的基本結構圖。如圖7中所示，牽引力處理器650包含檔位處理器652，其配置用於生成與提供給處理器652的對應檔位命令相一致的牽引力。牽引力限制器654被配置為使用，例如存儲在存儲器656中的牽引力限制值對牽引力進行限制。在操作中，在列車電纜TL618和TL619激活時，牽引力處理器將每個監視檔位內的其總的牽引力參考值限制在受限牽引力操作的所需數量內。牽引力參考值可以此時基於每個軸的性能能力，被合理地分布(例如，使用標準最優化技術)給每一個輪軸。每一個軸和處理器實際上包含一個閉環機制，該機制連續地處理反饋性能數據，這些數據隨後被用於對每個軸牽引力的重新分布，以最佳實現牽引力參考值。將認識到，如果軸的能力由於諸如不好的鐵軌狀況、熱限制或者馬力限制而下降，即使利用對其他軸牽引力的最優重分布的情況下，也可能達不到該參考值。通過可以被顯示在一個合適的顯示單元的匯總消息，操作員可以被告知操作的受限牽引力模式。匯總消息可以提供指示是否允許牽引力降低的指示，諸如「TELimitedTE Reduction Enable」(「TE受限允許TE降低」)。
本發明還能夠使用包含計算機軟體、固件、硬體或者任意的組合的計算機編程或者工程技術來實現，或者其中技術效果是用於如上所述提供監視和控制機車發動機排放的子集合。任意具有計算機可讀取的代碼方式的這樣效果的程序，可以被實現或者提供在一個或者多個計算機可讀介質中，諸如存儲器24，從而成為電腦程式產品，也就是依照本發明的一件產品。計算機可讀介質可以是，例如固定(硬)盤，軟盤，光碟，磁帶，半導體存儲器諸如只讀存儲器(ROM)等，或者任意的發送/接收介質，諸如網際網路或者其他通信網絡或者鏈路。可以通過直接從一個介質執行代碼，將代碼從一個介質拷貝到另一個介質，或者在網絡上傳輸該代碼，來製造或使用包含該計算機代碼的製作產品。本發明可以包含一個或多個處理系統，諸如中央處理單元(CPU)，存儲器，存儲設備，通信鏈路和設備，伺服器，I/O設備，或者一個或多個處理系統的任意子組件，包含軟體、固件、硬體或者其任意的組合或子集合，這些如在權利要求中所述實現本發明。可以從鍵盤，滑鼠，筆，語音，觸控螢幕，開關或者任意其他人類可以輸入數據的裝置，包含通過諸如應用程式的其他程序，來接收用戶的輸入。計算機科學領域中的技術人員將能夠簡單地將創建的具有通用目的的軟體或者特定目的的計算機硬體組合，來生成實現本發明的方法的計算機系統或子系統。
可以在不偏離本發明範圍的情況下，在上述示範實施例中進行各種的變化。上述描述和附圖旨在舉例說明而不是進行限制。例如，本發明描述為實現在機車中，但是可以預想相似的系統和功能用於任意非高速路車輛、海洋交通工具、或者利用類似於該機車的電動驅動系統的靜止發電單元。此外，本發明可以被用於任意的運動資產，諸如，汽車，卡車，或者公共汽車，來管理這些移動資產的排放。進一步應該理解的是，此處描述的步驟不應解釋為必須以所述或所示的特定順序執行。還應該理解的是，本發明可以應用附加的或者替換的步驟。
權利要求
1.一種用於監視和控制機車發動機排放的系統，包含用於確定機車的地理位置的位置確定單元；用於存儲多個預定的發動機排放簡檔的存儲器，針對多個地理位置中的每一個有一個簡檔；與該存儲器進行通信的處理器，用於訪問用於所確定的機車位置的發動機排放簡檔，和依照對應的發動機排放簡檔和發動機操作參數生成發動機控制命令；在機車上的控制單元，用於依照發動機控制命令控制機車的操作，以便依照相應的排放簡檔限制發動機排放的產生；用於監視指示由發動機產生的排放的機車排放參數的值的監視單元，和；存儲器，用於存儲機車的排放參數值和當發動機排放受監視時的至少一個時間和機車位置。
2.依照權利要求1的系統，進一步包含用於傳輸不在機車上的排放參數值的通信接口；和遠離機車的中央監視系統，用於接收通過通信接口傳輸的排放參數值。
3.依照權利要求1的系統，其中所述監視單元包含選自由發動機入口空氣溫度傳感器、燃料噴射時序傳感器、燃料噴射壓力傳感器和傳感發動機排氣特性傳感器組成的傳感器組中的傳感器。
4.依照權利要求1的系統，其中所述監視單元包含發動機功率傳感器；發動機速度傳感器；和燃料使用傳感器。
5.一種用於監視機車發動機排放的方法確定機車位置；按照機車位置的一個函數確定機車的排放簡檔；依照該排放簡檔控制機車的操作；依照該排放簡檔監視機車排放參數值；和存儲排放參數值。
6.依照權利要求5的方法，進一步包含提供排放參數值給不在機車上的中央監視系統。
7.依照權利要求6中的方法，進一步包含在中央監視系統基於排放參數值確定是否遵從排放簡檔。
8.依照權利要求7的方法，進一步包含在中央監視系統分配排放信用給低於由排放簡檔所要求的最小值的排放參數值。
9.一種管理在至少兩個運行區域內移動的機車的操作的方法，該機車具有至少兩個操作的排放簡檔，機車運行通過的路徑包含至少兩個運行區域，每個運行區域具有至少一個與之相關聯的排放簡檔，並且一個運行區域的排放簡檔不同於第二個區域，此方法包含監視機車的位置，確定其運行區域；按照所確定運行區域和相關聯排放簡檔的一個函數來控制機車的操作，該排放簡檔包含基於其關於排放控制區域的位置對機車操作的限制；和存儲與該機車在該運行區域中的操作相關的機車排放參數值。
10.依照權利要求9的方法，進一步包含在該機車上存儲排放參數值；並且周期地下載所存儲的排放值。
11.依照權利要求9的方法，進一步包含計算發動機排放速率。
12.依照權利要求9的方法，進一步包含計算在機車位於預定地理區域中的時間內，發動機排放的量。
13.依照權利要求9的方法，其中所述機車是相似機車的車隊中的一個機車，此方法進一步包含計算在所選擇的時間間隔內，位於預定區域內的該車隊的每一個機車的發動機排放量。
14.依照權利要求13的方法，進一步包含控制每一個機車進入、離開和在預定的運行區域內運行的操作，使得每一個機車的發動機排放量不超過預定限制。
15.依照權利要求9的方法，其中，監視包含機車操作員識別機車從一個運行區域到第二個區域的運動。
16.依照權利要求15的方法，其中，控制包含操作員響應於機車從一個運行區域到第二個區域的運動來控制機車的操作。
17.一種包含用於監視機車發動機排放的程序指令的計算機可讀介質，該計算機可讀介質包含用於確定機車位置的電腦程式代碼；用於按照機車位置的函數，來確定機車排放簡檔的電腦程式代碼；用於依照排放簡檔控制機車操作的電腦程式代碼；用於依照排放簡檔監視機車排放參數值的電腦程式代碼；用於存儲排放參數值的電腦程式代碼。
全文摘要
一種可在兩個或者更多個不同配置下工作的機車(10)，配置中的改變是依照配置輸入信號(35)的響應。一個機車配置由終端使用設備控制信號(13)的集合表示，這些控制信號由機車控制系統(22)按照操作輸入值(27)的相應集合生成。對於給定的操作輸入值集合，第一個終端使用設備控制信號集合在配置輸入具有第一個值時生成，並且，第二個終端使用設備控制信號集合在配置輸入具有第二個值時生成。配置輸入變量對應於與機車位置相關的排放簡檔。與排放簡檔對應的機車排放參數被監視，並且存儲在存儲設備(例如，104)中。
文檔編號B61L25/02GK101027211SQ200580032262
公開日2007年8月29日 申請日期2005年7月21日 優先權日2004年7月23日
發明者A·K·庫馬, S·M·佩爾科夫斯基, M·B·克雷林, G·P·佩爾託寧, J·基斯, D·M·巴勒斯蒂, W·道姆, B·C·亨德裡克森, G·J·小赫斯, G·R·謝菲爾, D·F·沃爾夫, L·M·希爾, S·A·克爾納 申請人:通用電氣公司