专利名称：分布式火车智能系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及分布式动力系统，更具体的说，涉及智能分布式动力系统。
背景技术：
所述分布式动力系统通常包括主机车，该主机车设置节流阀/制动器并将 信息传送给从属机车从而设置它们的节流阀/制动器。一种早期的系统在授予
Southard等人的美国专利3,380,399中公开。在授予Nickles等人的美国专利 4,344,364中公开了远程机车接收主机车的节流阀指令并且做出相应修改以 节省火车组件中的燃料的能力。在授予Roselli等人的美国专利5,570,284中 描述了远程机车传回诊断信息的能力。在授予Nickles等人的美国专利 6,144,901与授予Montgomery等人的美国专利5,950,967中说明了根据主从 单元的拓朴结构和位置，在古並开』 元发送。
发明内容
本发明的系统中每节机车包括推进系统和制动系统；在机车之间通讯的 发送接收器；和用来感知机车运行状况的传感器。处理器接收感知到的运行 状况，将包括感知到的运行状况的信息传送给其他机车，并且根据感知到的 运行状况、预选标准和从其他机车接收到的信息来确定推进或者制动值/指 令，并且输出推进或制动值/指令。
所述处理器可以根据感知到的运行状况、预选标准和从其他机车接收的 感知到的信息确定并作为信息的一部分向其他机车传送初始推进或者制动 值；并且所述处理器根据感知到的运行状况、预选标准和从其他机车接收到 的信息确定最终推进或者制动值/指令。
本发明控制每节机车推进和制动系统的方法包括接收感知到的机车运 行状况；向其他机车传送包括感知到的运行状况的信息；根据感知到的运行
状况、预选标准和从其他机车接收到的信息确定推进或者制动值/指令；并且 使用所述推进或制动值/指令控制所述推进和制动系统；
确定推进或者制动值/指令包括根据感知到的运行状况、预选标准和从其 他机车接收的感知到的运行状况确定并且作为^f言息的一部分向其他机车传 送初始推进或者制动值；和根据感知到的运行状况、预选标准和从其他机车 接收到的信息确定最终推进或者制动值/指令。
本发明的系统包括位于每节机车上的推进系统和制动系统；用于在机车
之间进行通讯的发送接收器；位置确定设备和4^迹拓朴结构存贮器。处理器
利用机车当前和预测位置的拓朴结构和预选标准确定并作为信息向其他机
车传送初始推进或制动值，根据所述初始值和/人其他;f几车接收的信息确定最 终推进或制动值/指令，并且输出该最终推进或制动值/指令。
本发明所述的系统包括感知运行状况的传感器，并且处理器接收感知到 的运行状况信息并且作为包括所述感知到的运行状况的信息将所述感知到 的运行状况传送给其他机车。所述处理器根据感知到的运行状况、预选标准、 拓朴结构和从其他机车接收到的信息来确定初始推进或制动值和最终推进 或制动值其中之一。
本发明控制每节机车推进和制动系统的方法包括确定机车当前和预测 位置的拓朴结构；利用机车当前和预测位置的拓朴结构和预选标准确定初始 推进或者制动值并且作为信息传送给其他机车；根据所述初始值和从其他机 车接收的信息确定最终推进或制动值/指令；利用所述推进或制动值/指令控 制推进和制动系统；
本发明所述的方法包括作为信息接收和传送感知到的所述机车运行状 况；并且根据感知到的运行状况、预选标准、拓朴结构和从其他机车接收到 的信息来确定初始推进或制动值/指令和最终-惟进或制动值/指令其中之一。
在结合附图考虑时，本发明其他的目的、优点和新颖特征将从以下的详 细描述中体现出来。
图l是火车简图，该火车使用了本发明所述的火车内部通讯网络系统；
图2是根据本发明原理的机车辅助显示器和事件记录器系统的系统部件 的方块图3是本发明所述方法的一种实施例的流程图； 图4是本发明所述方法的另一实施例的流程图。
具体实施例方式
如图1所示，在一列包含多节车厢20的火车10内，火车10包含多节 机车11、 14、 16、 18和19。机车11和14组成组件A,机车16和18组成 组件B，机车19组成组件C。其中一节机车被指定为引导机车，其他机车被 设计为牵引机车和/或远程机车。在工业领域，如果机车ll是引导机车，则 机车16和19为远程机车而机车14和18作为牵引机车。
在如图l所示的火车中，机车ll， 16和19将使用可以独立产生决策的 主导(LEADER)系统。由于14连接到11,所以能直接从11接收控制信号。 类似的，即使18没有互连上作为多单元组件的16,它同样可以从16接收到 信号或者装备有LEADER系统。作为选择，所有的机车ll， 14, 16， 18和 19本身都可以安装LEADER设备型系统。
引导机车，即配有司机进行控制的机车，向远程机车传送指令和控制信 号。LEADER机车和远程机车都会向他们的牵引机车传送指令和控制信号。 通常，引导机车与远程机车通过无线电进行通讯而通过导线与牵引机车进行 通讯。指令和控制信号包括，例如，设置方向控制，设置节流阀，设置动力 制动，设置操作模式，联锁动力制动，还有打开和关闭各种辅助功能。牵引 机车将状态信息或者异常信息传送回引导机车。状态信息包括机车标识、操 作模式和牵引制动力。异常信息包括各种故障，例如车轮打滑、机车警报指 示器、错误的制动压力、主油箱压力低、节流阀设置等等。
每节机车都包含用来传送和接收信息的发送接收器。虽然针对机车之 间，或者即使不是在全部机车之间，但至少也机车组件之间进行无线电频率 通讯，说明了优选实例，但是可以将同样的原理应用在导线通讯上，此时在 其上可以实现多重通讯。这样，例如如果导线通过才几车11, 14， 16, 18和 车厢20贯穿火车，且机车形成了一个网络而车厢形成另一个网络，则同样 的方法可以用来实现任一个网络内的专用通讯。
LEADER系统的数学模型，监控参数并且基于当前火车能源状态进行计 算来实时显示火车动态参数。LEADER系统的强大之处在于它提供信息的能 力，这种能力可以使得机组人员更好地控制火车，减小能量损失。因过度制
动导致的能量损耗表示燃料在徒劳地消耗。传送到火车货物上的能量对装载 的货物、装备和铁轨都意味着潜在的损害。这两种现象都不希望出现，并且
纽约Air Brake Corporation公司的LEADER系统可以解决它们。虽然可以使 用LEADER系统来描述本发明的系统和方法，但其他功能相同的处理器和 系统也可以通过编程来执行本发明所述的方法。
LEADER系统由若干有特定职责的子系统组成。图2显示了 LEADER 系统的通用架构。该LEADER系统的用户界面是实时显示器，该显示器显 示了如美国专利6,144,901中的图5所示的火车目前状态的图像和数值，该 专利通过引用方式包含在本文中。在引导机车，引导组件的牵引机车和远程 组件的机车之间建立无线电通讯，用来报告实施LEADER计算所必要的来 自这些机车每一节的必要参数。组件信息通过实时显示器上的键盘输入，或 者通过有线通讯源(笔记本电脑或可移动存储器)输入，或者经由路旁的无 电线通信设备输入。从车轮运动传感器和全球定位系统(GPS)确定机车位 置。输入输出汇集器收集了 LEADER算法计算所必须的所有各种不同机车 参数并且将其报告给LEADER计算机。LEADER处理器是使用实时操作系 统(RTOS)的高吞吐量计算机，执行LEADER算法所要求的计算并且实时 更新显示器。所有这些子系统共同形成了 LEADER系统。
LEADER火车的每节机车至少需要输入输出汇集器，该输入输出汇集器 具有与首端(headend)通讯的能力。只有引导机车才需要LEADER处理器 和显示器。调谐算法可以减少每节机车对输入输出汇集器的需求。
LEADER系统有三种运行模式，每种模式都建立在前一种模式之上。这 三种模式促使LEADER系统从被动地向机车司机提供信息的实时显示器(单 信息模式)转变为LEADER系统，该LEADER系统就如何更好地操纵火车 向机车司机提供建议(司机辅助模式)；并且最终转变成一种控制系统，该 控制系统可以发布指令从而以最佳方式控制机车(巡航控制模式)。
在单信息模式下，机车司机要制定全部决策并且只通过手工方式启动各 种不同的控制系统。LEADER系统向司机提供目前他/她无法获得的信息， 从而管理各种机车控制系统。在司机辅助模式下，LEADER系统确定并且显 示最优的机车动力制动节流阀设置和机车与车厢制动控制设置。这些设置由 首端机车确定，用在首端机车和远程控制的机车上。这些推荐设置或期望设 置显示给机车司机以便司机可以选择以手工方式启动不同的控制器以实现
这些设置。在巡航控制模式下，LEADER系统推导出的设置用来自动控制 机车动力和制动系统，每节车厢的火车制动系统和影响火车运动的辅助系 统。机车司机作为运行监督者，具有手工超控巡航控制的能力。巡航控制同 样也可以由LEADER系统和铁路中央交通控制中心之间的通讯链路产生。
LEADER系统的发展早在20多年前努力创造火车动态分析器(TDA ) 的时候就已经开始了，即用来预测火车内部作用力的计算机数学模型。美国 专利4,041,283描述了嵌入TDA的火车动态建模技术和算法。
就经典LEADER系统的分布式控制来说，处理过程集中在单独的引导 机车上。尽管其他的机车也有可能有处理器，但这些处理器从属于引导机车。
模式下，LEADER系统处理器从集中的引导处理器节点向其他机车发布指令 和并在本地驱动。
在本发明所述的方法和系统中，LEADER系统处理流程可以分布在所述 火车的一些机车或者所有机车上，每节机车都有处理节点，用来和所述火车 其他机车上的处理节点进行通讯。这个构架创造了一个对等结构的处理器， 而不是一种主/从结构。这种在两个处理节点之间的通讯有两个目的。第一个 目的是聚拢并且收集其所需要的描述每节机车运行状态和运行状况的数据。 每个分布式处理节点使用所有机车的状态信息来达成控制方案'以最好地满 足火车的运动目标。每个处理节点可以在本地促动达成其控制方案所需的指 令。该处理节点可以与其他达成控制方案的节点进行通讯。这些节点可以将 其在本地发现的解决方案与其他对等节点的解决方案相比较并且集体表决 支持或反对这种方案。表决之后，节点将会相互通知是否达成一致。如果没 有达成一致，处理器将会被操作员自动重新启动或者由操作员超控。
该系统本身区别于经典系统的地方在于，通过使每节机车在充分理解火 车行为的基础上，达到本地控制方案来优化性能，从而将火车控制方案集中。 该系统进一步使得每个控制节点将其解决方案与火车上其他节点的解决方 案相比较，就火车总体控制策略达成一致。每个处理节点将会知道操作目标 集合，包括加权标准(时间，燃料，动力等等)和约束极限(火车内作用力， 速度限制，失速速度等)。每个处理节点都会采用调谐算法来将LEADER系 统的火车动态模型与当前环境相匹配。调谐算法在美国专利申请公开 2004-0093196-A1中已经进行了描述，该申请通过引用方式包含在本文内。
本发明的系统中每节机车包括推进系统和制动系统；在机车之间进行通 讯的发送接收器；和用来感知机车运行状况的传感器。处理器执行图3说明 的方法。处理器在步骤20接收感知到的运行状况信息。然后在步骤22将包 含感知到的运行状况的信息传送给其他机车。在步骤24根据感知到的运行 状况、预选标准和从其他机车接收到的信息来确定推进或制动值/指令。在步 骤26输出推进或制动值/指令。这有可能是输出到显示器，用于操作员进行 控制，或者输出以自动控制推进或制动系统。引导机车可以运行在所有3种 模式(单信息模式，司机辅助模式，巡航控制模式)下，其他机车只可以运 行在巡航控制模式，并因此发出指令。这样，在本发明的系统中，每节机车 可以根据其自身和其他机车所收集到的信息独立做出决策。
图4说明了图3所示方法的一个改进方法。在适当的情况下，使用同样 的附图标记。处理器在步骤20中接收感知到的运行状况信息。该处理器在 步骤28中，确定机车当前位置和预测位置的轨道位置和拓朴结构。在步骤 24A中，处理器根据感知到的运行状况信息、预选标准和机车当前位置和预 测位置的轨道拓朴结构来确定初始推进或者制动值信息。处理器在步骤22A 中将包括感知到的运行状况的信息和/或初始推进或制动值传送给其他机车。 在步骤24B中，根据感知到的运行状况信息、预选标准和从其他机车接收到 的信息来确定最终推进和制动值/指令。该推进或制动值/指令在步骤26输 出。
在步骤24A中，初始推进或制动值仅仅与预选标准一起使用感知到的运 行状况或机车当前位置和预测位置的轨迹拓朴结构。如步骤^B所示'在步 骤24A中确定初始推进或制动值之前，运行状况信息可以传送到其他机车 上，然后可以用来确定初始值。
尽管已经对本发明进行了详细的描述和说明，然而应该清楚地理解这些 内容仅作为说明和示例，而并不作为限制。本发明的范围仅由以下权利要求 书限定。
权利要求
1. 一种具有至少两节机车的火车，每节机车包括推进系统和制动系统；用于在机车之间进行通讯的发送接收器；用于感知机车运行状况的传感器；和处理器，该处理器接收感知到的运行状况，将包括感知到的运行状况的信息传送给其他机车，根据感知到的运行状况、预选标准和从其他机车接收到的信息来确定推进或者制动值，并且输出推进或制动值或者指令。
2. 如权利要求1所述的火车，其特征在于，所述处理器根据感知到的运 行状况、预选标准和从其他机车接收到的信息确定初始制动或制动值并作为 所述信息的一部分将所述初始推进或制动值传送给其他机车，并且所述处理 器根据感知到的运行状况、预选标准和从其他机车接收到的信息确定最终推 进或者制动值或指令。
3. 如权利要求2所述的火车，其特征在于，在确定最终推进或者制动值 指令之前，所述处理器会将所述初始推进或者制动值与从其他机车接收到的
4. 如权利要求1所述的火车，其特征在于，每节机车包括位置确定设备， 所述处理器将所述位置作为所述信息的一部分传送给其他机车，并且根据感 知到的运行状况、预选标准、确定的位置和从其他机车接收到的信息来确定 所述推进或者制动值或指令。
5. 如权利要求1所述的火车，其特征在于，每节机车包括位置确定设备 和轨迹拓朴结构存贝i器，所述处理器利用机车当前和预测位置的拓朴结构来 确定所述推进或者制动值或指令。
6. 如权利要求1所述的火车，其特征在于，所述处理器将所述推进或者 制动值或指令作为控制输入而输出到所述推进和制动系统。
7. 如权利要求l所述的火车，其特征在于，每节机车包括显示器，所述 处理器将所述推进或制动值输出到所述显示器。
8. 如权利要求l所述的火车，其特征在于，所述两节机车被至少一节非 动力车厢分开。
9. 如权利要求1所述的火车，其特征在于，所述运行状况包括下列各项中的一项或多项速度、耦合力、松弛作用、推进设置和制动设置。
10. 如权利要求l所述的火车，其特征在于，所述处理器包括用来确定推进或者制动值或指令的火车动力模型程序，并且使用所述初始火车参数估 计火车运行状况，所述处理器将感知到的运行状况与所述估计运行状况相比 较，并且基于比较结果根据需要调整火车参数。
11. 在包含至少两节机车的火车中， 一种控制每节机车推进和制动系统的方法，包括接收感知到的所述机车的运行状况；将包括所述感知到的运行状况的信息传送给其他机车；根据感知到的运行状况、预选标准和从其他机车接收到的信息确定推进或者制动指令；使用所述推进或制动指令控制推进和制动系统；
12. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，确定所述推进或制动指令 包括根据感知到的运行状况、预选标准和从其他机车接收的感知到的运行状 况来确定初始推进和制动值并将所述初始推进和制动值作为所述信息的一 部分传送给其他机车；并且根据感知到的运行状况、预选标准和从其他机车 接收到的信息确定最终推进或者制动指令。
13. 如权利要求12所述的方法，包括在决定最终推进或制动指令前， 将其初始推进或制动值与从其他机车接收到的初始推进或制动值相比较并确定是否存在异常。
14. 如权利要求11所述的方法，包括确定机车的位置和机车当前和预侧 位置的拓朴结构；并且使用感知到的运行状况、预选标准、已确定的机车当 前和预测位置的拓朴结构以及从其他机车接收到的信息来确定所述推进或 者制动指令。
15. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，每节机车包括用于已确定 的推进或制动值的显示器；并且其中 一 节机车的操作员使用显示出的所述推 进或制动指令控制所述推进和制动系统。
16. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述两节机车被至少一节 非动力车厢分开。
17. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述运行状况包括下列各 项中的一项或多项速度、耦合力、松弛作用、推进设置和制动设置。
18. 如权利要求11所述的方法，其特征在于，使用火车动力模型程序确定所述推进或制动指令并且使用所述初始火车参数估计火车运行状况；并且包括将所述感知的运行状况和所述估计的运行状况相比较并基于比较结果 根据需要对所述初始火车参数进行调整。
19. 一种具有至少两节机车的火车，每节机车包括 4体进系统和制动系统；用于在机车之间进行通讯的发送接收器； 位置确定社别和轨迹拓朴结构存贮器；和处理器，所述处理器根据机车当前和预测位置的拓朴结构和预选标准 确定初始推进或制动值并且作为信息将所述初始推进或制动值传送给其他 机车；根据所述初始值和从其他机车接收到的信息确定最终推进或制动值或 指令；并且输出所述最终推进或制动值或指令。
20. 如权利要求19所述的火车，包括用来感知运行状况的传感器，并且 所述处理器接收感知到的运行状况，并将包括所述感知到的运行状况的信息 传送给其他机车，并且所述处理器根据感知到的运行状况、预选标准、拓朴 结构和从其他机车接收到的信息来确定所述初始推进或制动值或指令和所 述最终推进或制动值或指令其中之一。
21. 在包含至少两节机车的火车中， 一种控制每节机车推进和制动系统 的方法，包^^:确定机车当前和预测位置的拓朴结构；利用所述机车当前和预测位置的拓朴结构和预选标准确定初始推进或 者制动值并且作为信息传送给其他机车；根据所述初始指令和从其他机车接收到的信息确定最终推进或制动值；和使用所述推进或制动指令控制所述推进和制动系统。
22. 如权利要求21所述的系统，包括接收感知到的机车运行状况和作为 信息传送所述感知到的运行状况；并且根据所述感知到的运行状况、预选标 准、拓朴结构和从其他机车接收到的信息来确定所述初始推进或制动值或指 令和所述最终推进或制动值或指令其中之一 。
全文摘要
一种系统和方法，在每节机车上包括推进系统和制动系统；用于在机车之间进行通讯的发送接收机；和用来感知机车运行状况的传感器。处理器接收感知到的运行状况，将包括感知到的运行状况的信息传送给其他机车，根据感知到运行状况、预选标准和从其他机车接收到的信息来确定推进或者制动值或指令，并且输出所述推进或制动值或指令。本发明所述的系统中，每节机车可以包括位置确定设备和轨迹拓扑结构存储器；并且所述处理器确定利用机车当前和预测位置的拓扑结构和预选标准确定初始推进或制动值，并将所述初始推进或制动值作为信息传送给其他机车，根据所述初始值和从其他机车接收的信息确定最终突进或制动值或指令，并输出所述最终推进或制动值。
文档编号B60T8/34GK101378939SQ200780004361
公开日2009年3月4日 申请日期2007年1月3日 优先权日2006年2月13日
发明者迈克尔·J·霍索恩, 马歇尔·G·贝克 申请人:纽约气闸公司