BRPI0706035A2

BRPI0706035A2 - método, sistema e código de programa de computador para a otimização de uma viagem com um banco de dados de trens/linhas ampliado

Info

Publication number: BRPI0706035A2
Application number: BRPI0706035-1A
Authority: BR
Inventors: Ajith Kumar; Glenn Robert Shaffer
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2011-03-15
Also published as: CA2622344A1; AU2007333518B2; JP2013189202A; WO2008073548A3; AU2007333518C1; AU2007333518A1; JP2010512267A; RU2008124977A; RU2469387C2; US8768543B2; US20070219682A1; WO2008073548A2

Abstract

Método, sistema e código de programa de computador para a otimização de uma viagem com um banco de dados de trensllinhas ampliado. Um sistema para fornecer ao menos uma entre as informações do trem ou as informações de caracterização da linha para uso na performance do trem, incluindo um primeiro elemento para determinar a localização de um trem em um trecho de linha e/ou um tempo a partir do inicio da viagem. Também é incluído um elemento de caracterização da linha para fornecer as informações do trecho da linha e um sensor para medir uma condição operacional de ao menos uma entre as locomotivas de um trem. é previsto um banco de dados para armazenar as informações sobre os trechos da linha e/ou as condições operacionais de ao menos uma das locomotivas. Também é incluído um processador para correlacionar as informações do primeiro elemento, do elemento de caracterização da linha, do sensor e/ou do banco de dados, de tal forma que o banco de dados pode ser usado para gerar um plano de viagem o qual otimiza a performance do trem de acordo com um ou mais critérios operacionais para o trem.

Description

Método, sistema e código de programa de computador para a otimização de umaviagem com um banco de dados de trens/linhas ampliado.

Este pedido de patente é uma "continuação em parte" dopedido de patente norte americano de número 11/385.354, depositado em 20 de Marçode 2006, o conteúdo do qual é aqui incorporado como referência e sua totalidade, e estábaseado no pedido de patente provisório No. 60/869.196, depositado em 8 de Dezembro 2006.

CAMPO DA INVENÇÃO

O campo da invenção se refere a um sistema e a ummétodo para a otimização das operações de trens e, mais em particular, a um sistema ea um método para aumentar e atualizar um banco de dados de trens/linhas associadocom o sistema, o método e/ou o código de programa de computador para otimizar asoperações de trens.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

As locomotivas são sistemas complexos com numerosossubsistemas, com cada subsistema sendo interdependente de outros subsistemas. Umoperador ou maquinista se encontra a bordo de uma locomotiva aplica o esforço detração ou de frenagem para controlar a velocidade da locomotiva e das cargas do vagõespara garantir uma chegada segura e em tempo no destino desejado. Para realizar estafunção e cumprir com as velocidades operacionais pré-estabelecidas que podem variarem função da localização do trem na linha, o operador em geral deve ter uma grandeexperiência em operar a locomotiva por um terreno específico com diversasconsistências de carros ferroviários, isto é, diversos números e tipos de carrosferroviários.

Contudo, mesmo com conhecimento e experiênciasuficientes para garantir uma operação segura, o operador em geral não consegueoperar a locomotiva de modo a minimizar o consumo de combustível (ou outrascaracterísticas operacionais, p. ex., as emissões) durante a viagem. Diversos fatoresoperacionais afetam o consumo de combustível, incluindo, por exemplo, os limites paraas emissões, as características de emissão/consumo das locomotivas, o tamanho e acarga dos carros ferroviários, o clima, as condições de trafego e os parâmetrosoperacionais da locomotiva. Um operador pode operar um trem de forma mais eficiente eeficaz (através da aplicação dos esforços de tração e de frenagem) quando contem asinformações de controle que otimizam a performance durante uma viagem, ao mesmotempo em que cumpre com a agenda estabelecida ou requerida (horário de chegada) eusando uma quantidade mínima do combustível (ou otimizando um outro parâmetrooperacional), a despeito das diversas variáveis que afetam a performance. Assim, édesejável que o operador opere o trem através da guia (ou controle) de um sistema ouprocesso que informa sobre a aplicação dos esforços de tração e de frenagem paraotimizar um ou mais parâmetros operacionais.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

As formas de realização de exemplo da invençãodescrevem um sistema, um método e um código de programa de computador paraaumentar e atualizar um banco de dados de trens/linhas associado a um sistema, a ummétodo e/ou a um código de programa de computador para otimizar as operações detrens. Neste sentido, é descrito um sistema para fornecer as informações do trem e/ou asinformações de caracterização da linha para uso na performance do trem. O sistemainclui um primeiro elemento para determinar ao menos um entre uma localização de umtrem em um trecho de linha e um tempo a partir do início da viagem. É ainda descrito umelemento de caracterização da linha para fornecer as informações do trecho da linha.

Também é descrito um sensor para medir uma condição operacional de ao menos umentre as locomotivas de um trem, e um banco de dados para armazenar as informaçõessobre os trechos da linha e/ou as condições operacionais de ao menos um entre aslocomotivas. É descrito um processador para correlacionar as informações do primeiroelemento, do elemento de caracterização da linha, do sensor, e do banco de dados, detal forma que o banco de dados pode ser usado para gerar um plano de viagem o qualotimiza a performance do trem de acordo com um ou mais critérios operacionais para otrem.

Em uma outra forma de realização de exemplo, é descritoum sistema para operar um trem durante uma viagem ao longo de um trecho da linha, otrem compreendendo uma ou mais consistências de locomotivas com cada consistênciade locomotivas compreendendo uma ou mais locomotivas. O sistema inclui um primeiroelemento para determinar ao menos um entre uma localização de um trem em um trechode linha e um tempo a partir do início da viagem. É ainda descrito um elemento decaracterização da linha para fornecer as informações do trecho da linha e um sensorpara medir uma condição operacional de ao menos uma entre as locomotivas. É descritoum banco de dados para armazenar as informações sobre os trechos da linha e/ou ascondições operacionais de ao menos um entre as locomotivas. É também descrito umprocessador, o qual pode ser operado de modo a receber as informações do primeiroelemento, do sensor, do elemento de caracterização da linha, do sensor e/ou do bancode dados para gerar um plano de viagem o qual otimiza a performance da locomotiva deacordo com um ou mais critérios operacionais para o trem.

Em mais uma outra forma de realização, é descrito ummétodo para operar um trem durante uma viagem ao longo de um trecho da linha, o tremcompreendendo uma ou mais consistências de locomotivas com cada consistência delocomotivas compreendendo uma ou mais locomotivas. O método inclui a etapa dedeterminar uma localização do trem na linha ou um tempo a partir do início da viagem, ea etapa de determinar as informações do trecho da linha. As duas outras etapas incluemarmazenar as informações do trecho da linha e determinar ao menos uma condiçãooperacional de ao menos uma das locomotivas. Uma outra etapa prevê a geração de umplano de viagem em resposta a ao menos um entre a localização do trem, asinformações do trecho da linha, e ao menos uma condição operacional para otimizar aperformance da locomotiva de acordo com um ou mais critérios operacionais para otrem.

Uma outra forma de realização de exemplo descreve umcódigo de programa de computador para operar um trem apresentando um processadorde computador, o código para operar o trem durante uma viagem ao longo de um trechoda linha, o trem compreendendo uma ou mais consistências de locomotivas com cadaconsistência de locomotivas compreendendo uma ou mais locomotivas. O código deprograma de computador inclui um módulo de programa para determinar uma informaçãodo trecho da linha e um módulo de programa para armazenar as informações do trechoda linha. Também é previsto um módulo de programa para determinar ao menos umacondição operacional de ao menos uma das locomotivas. O código de programa decomputador também inclui um módulo de programa para gerar um plano de viagem emresposta a ao menos um entre a localização do trem, as informações do trecho da linha,e ao menos uma condição operacional para otimizar a performance da locomotiva deacordo com um ou mais critérios operacionais para o trem.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Será ora feita uma descrição mais particularizada dainvenção descrita supra de forma sucinta, com base em referência ás formas específicasde realização desta, as quais são ilustradas nos desenhos em anexo. Compreendendoque estas figuras ilustram apenas as formas típicas de realização da invenção e,portanto, não devem ser consideradas como sendo Iimitativos do escopo, a invençãoserá ora descrita e explicada com especificidade e detalhamento adicionais através douso dos desenhos que a acompanham, nos quais:

- A figura 1 mostra uma ilustração de exemplo de um diagrama de fluxo da presenteinvenção;

- A figura 2 mostra um modelo simplificado do trem, o qual pode ser empregado;

- A figura 3 mostra uma forma de realização de exemplo dos elementos da presenteinvenção;

- A figura 4 mostra uma forma de realização de exemplo da curva entre o uso decombustível e o tempo de viagem;

- A figura 5 mostra uma forma de realização de exemplo da decomposição em trechospara um pano de viagem;A figura 6 mostra um exemplo de uma forma de realização relativa a um exemplo desegmentação;

- A figura 7 mostra um exemplo de um diagrama de fluxo da presente invenção;

- A figura 8 mostra uma ilustração de exemplo de um mostrador dinâmico para usopelo operador;

- A figura 9 mostra uma outra ilustração de exemplo de um mostrador dinâmico parauso pelo operador;

- A figura 10 mostra uma outra ilustração de exemplo de um mostrador dinâmico parauso pelo operador;

- A figura 11 mostra as características do banco de dados da linha; e

- A figura 12 mostra um diagrama de fluxo ilustrando as etapas de exemplo paraoperar um trem durante uma viagem ao longo de um trecho da linha.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

Agora será feita referência, em detalhes, às formas derealização consistentes com a invenção, exemplos das quais estão ilustradas nosdesenhos em anexo. Sempre que possível, os mesmos números de referência usadosnas diversas figuras se referem a partes iguais.

As formas de realização de exemplo da invençãosolucionam os problemas da arte através do fornecimento de um sistema, de um métodoe de um método implementado em um computador para determinar e implementar umaestratégia operacional para um trem apresentando uma consistência de locomotivas (istoé, uma pluralidade de locomotivas diretamente engatadas ou uma ou mais consistênciasde locomotivas distribuídas dentro do trem) para monitorar e para controlar as operaçõesde um trem, de modo a melhorar certos requisitos de objetivos para os parâmetros decritérios operacionais, ao mesmo tempo em que satisfaz as restrições da programação eda velocidade. Os exemplos da invenção são também aplicáveis em um trem de traçãoou potência distribuída, isto é, um trem apresentando uma ou mais consistências delocomotivas distanciadas em relação a locomotiva líder e controlável pelo operador dalocomotiva líder.

As pessoas com proficiência na arte irão perceber que umdispositivo, tal como um sistema de processamento de dados, incluindo uma CPU, umamemória, um dispositivo de entrada e saída l/O, um armazenador de programa, umbarramento de conexão e outros componentes apropriados, poderia ser programado, oude qualquer forma projetado, para permitir a realização na prática do método destainvenção. Um tal sistema poderia incluir meios apropriados de programação paraexecutar o método da invenção.

Em uma outra forma de realização, um artigo manufaturado,tal como um disco pré gravado ou outro produto de programa de computador similar,para uso em um sistema de processamento de dados, inclui um meio de armazenagem eum programa armazenado neste, de modo a direcionar o sistema de processamento dedados para permitir a realização, na prática, do método da invenção. Tais dispositivos eartigos manufaturados também recaem dentro do espírito e do escopo da invenção.

Falando de forma geral, o efeito técnico é o de identificar eimplementar uma estratégia de condução de um trem de modo a melhorar certosparâmetros operacionais objetivos, ao mesmo tempo em que satisfaz as restrições daprogramação, ou agenda, e de velocidade, sendo que o banco de dados de trem/linha éincrementado com as informações acerca do trem (normalmente da locomotiva) e dalinha. Para permitir a compreensão dos exemplos da presente invenção, está serádescrita doravante com referência as formas específicas de implementação desta.

As formas de realização de exemplo da invenção sãodescritas dentro do contexto geral das instruções executáveis por um computador, taiscomo os módulos de programa, executados por um computador. Em geral, os módulosde programa de computador incluem rotinas, programas, objetos, componentes,estruturas de dados, etc., os quais realizam tarefas em particular ou que implementamtipos particulares de dados abstratos. Por exemplo, os programas de computadorconsubstanciam as formas de realização de exemplo da invenção e podem sercodificados através de diversas linguagens, para uso em plataformas diferentes. Nadescrição que segue, os exemplos da invenção podem ser descritos dentro do contextode um portal web o qual emprega um navegador web. Contudo, poderá ser percebidoque os princípios da invenção que formam a base das formas de realização de exemploda invenção podem ser igualmente implementados através de outros tipos de tecnologiasde programação de computador.

Ainda mais, os peritos na arte irão perceber que as formasexemplificativas de realização da presente invenção podem ser realizadas, na prática,através de outras configurações de sistemas de computador, incluindo os dispositivosportáteis ou hand-held, os sistemas de microprocessadores, os dispositivos eletrônicosbaseados em microprocessadores ou programáveis pelo usuário, minicomputadores,computadores de tipo mainframe, e similares. As formas de realização de exemplo dainvenção também podem ser realizadas na prática em ambientes de computaçãodescentralizados, nos quais as tarefas são realizadas por dispositivos remotos deprocessamento e os quais estão ligados através de uma rede de comunicação. Em umambiente de computação descentralizado, os módulos do programa podem estarlocalizados em meios de armazenamento de instruções de computador, tanto locaisquanto remotos, incluindo as memórias de armazenamento. Estes ambientes decomputação, tanto locais quanto remotos, podem estar totalmente contidos dentro dalocomotiva, ou em locomotivas adjacentes à consistência, ou não embarcados nestas ásmargens da linha ou em escritórios centrais, com os quais é utilizada uma comunicaçãosem fio ou através de cabeamento.

O termo consistência de locomotivas significa uma ou maislocomotivas em sucessão, ligadas entre elas de tal forma a fornecer uma capacidademotora ou de frenagem. Um trem pode apresentar mais de uma consistência delocomotivas. Especificamente, pode existir uma consistência líder e mais de umaconsistências remotas, tal como no meio da linha de vagões e outra consistência remotaao final do trem. Cada consistência de locomotivas pode apresentar uma primeiralocomotiva e locomotiva(s) atrás desta. Apesar da primeira locomotiva ser normalmentevista como a locomotiva líder, os peritos na arte irão rapidamente perceber que aprimeira locomotiva, em uma consistência com diversas locomotivas, pode estarfisicamente disposta em uma posição fisicamente posterior. Além disto, apesar daconsistência de locomotivas ser normalmente vista como uma sucessão de locomotivas,os peritos na arte irão prontamente perceber que um grupo de consistências delocomotivas também pode ser reconhecido como uma consistência mesmo quando umcarro ou vagão separa as locomotivas, tal como quando a consistência de locomotivas éconfigurada para uma operação com tração distribuída, na qual os comandos deaceleração e de frenagem são disseminados a partir da locomotiva líder para os trensremotos através de um canal de radio ou de um cabo elétrico. Neste sentido, o termoconsistência de locomotivas não deve ser considerado como um fator Iimitativo quandoda descrição de diversas locomotivas dentro do mesmo trem.

Ora serão descritas as formas de realização da presenteinvenção, fazendo-se referência aos desenhos. As formas de realização de exemplo dainvenção podem ser implementadas de diversas formas, incluindo um sistema (o qualinclui um sistema de processamento de dados), um método (o qual inclui um métodocomputadorizado), um dispositivo, um meio passível de ser lido por um computador, umproduto na forma de um programa de computador, uma interface gráfica para com ousuário, incluindo um portal web, ou uma estrutura de dados fixada de forma tangível emuma memória passível de ser lida por um computador. Abaixo serão descritas diversasformas de realização da invenção.

A figura 1 apresenta uma ilustração de exemplo de umdiagrama de fluxo de uma forma de realização de exemplo da presente invenção. Talcomo ilustrado, as instruções são entradas ou inserções específicas para o planejamentode uma viagem tanto a bordo quanto a partir de um local remoto, tal como um centro deexpedição 10. Tais informações inseridas incluem, mas não estão limitadas a, a posiçãodo trem, a descrição da consistência (tal como os modelos das locomotivas), a descriçãoda potência da locomotiva, a performance da transmissão de tração da locomotiva, oconsumo de combustível pelo motor como uma função da potência útil transferida, asemissões do trem ou da locomotiva como uma função da velocidade pelo ajuste dapotência e das cargas dinâmicas, as características de refrigeração, a rota pretendidapara a viagem (grau de inclinação efetivo e curvatura como uma função dos marcosferroviários ou um componente de "grau de inclinação efetivo" para refletir a curvatura deacordo com o padrão para as práticas ferroviárias), o trem representado pela composiçãoe pela carga junto com os coeficientes de arrasto efetivo, os parâmetros desejados paraa viagem incluindo, mas não limitados a, o momento de início e a localização, o local dechegada, o tempo desejado de viagem, a identificação da tripulação (usuário e/ouoperador), o final do turno da tripulação e a rota.

Estes dados podem ser fornecidos para a locomotiva 42através de diversas formas, tais como, mas não limitadas a, um operador inserindo estesdados de forma manual na locomotiva 42 através de uma tela a bordo, as característicasfornecidas pelo fabricante ou pelo operador, a inserção de um dispositivo de memória talcomo um cartão rígido e/ou um drive USB contendo os dados em um receptáculo ouconector a bordo da locomotiva, e através da transmissão das informações por meio deuma comunicação sem fio, a partir de um local 41 centralizado ou às margens daferrovia, tal como um dispositivo de sinalização da linha e/ou um dispositivo marginal,para a locomotiva 42. As características de carga da locomotiva 42 e do trem 31 (p. ex.,arraste) também podem ser alteradas durante a rota (p. ex., com a altitude, atemperatura ambiente e as condições dos trilhos e dos vagões), e o plano pode seratualizado de modo a refletir tais mudanças, conforme necessário, através de qualquerum dentre os método supra descritos. Os dados atualizados que afetam o processo deotimização da viagem pode ser fornecido por qualquer um dos métodos e técnicas supradescritos e/ou por meio de uma coleta em tempo real das condições da locomotiva/trem.

Tais atualizações incluem, por exemplo, as mudanças detectadas nas características dotrem ou da locomotiva detectadas pelo equipamento de monitoramento a bordo ou nãoda locomotiva(s) 42.

Um sistema de sinalização indicar cartas condições da linhae fornece instruções para o operador do trem se aproximar do sinal. O sistema desinalização, o qual é descrito com maiores detalhes abaixo, indica, por exemplo, avelocidade permitida para um trem em um trecho da linha e fornece as instruções deparada e de avanço para o operador do trem. Os detalhes do sistema de sinalização,incluindo a localização dos sinais e as regras associadas aos diferentes sinais sãoarmazenados no banco de dados a bordo 63.

Com base na especificação dos dados de entrada nasformas de realização de exemplo da presente invenção, é calculado um plano otimizadopara produzir um perfil de viagem 12, o qual minimiza o uso de combustível e/ou asemissões produzidas, sujeito às restrições dos limites de velocidade ao longo da rota econsiderando os horários de partida e de chagada. O perfil contém a velocidadeotimizada e os ajustes de potência (marcha de trabalho) otimizados do trem que segue,expressos como uma função da distância e/ou do tempo, e os limites operacionais dotrem incluindo, mas não limitados a, os ajustes máximos para a marcha de trabalho epara a frenagem, e os limites de velocidade como uma função da localização, e oconsumo de combustível e a geração de emissões que são esperados. Em uma formade realização de exemplo, o valor do ajuste para a marcha de trabalho [notch] éselecionado de modo a se obter as decisões de mudança de aceleração a cada períodode 10 a 30 segundos.

Os peritos na arte irão prontamente perceber que asdecisões de mudança de aceleração podem acontecer em períodos maiores ou menores,se necessário e/ou desejado, de modo a seguir um perfil otimizado de velocidade. Emsentido amplo, deve ficar evidente para uma pessoa com proficiência na arte que osperfis fornecem os ajustes de potência para o trem, tanto a nível do trem quanto a nívelda consistência e/ou a nível do trem individual. A potência compreende a força defrenagem, a força motriz e a força dos freios a ar. Em uma outra forma preferida derealização, ao invés de operar, de forma tradicional, com ajustes discretos para asmarchas de trabalho, a forma de realização de exemplo da presente invenção está apta aselecionar um ajuste contínuo da potência, o qual é determinado como sendo o otimizadopara o perfil selecionado. Destarte, e por exemplo, se um perfil otimizado especifica umajuste da marcha de trabalho de 6,8, ao invés de operar com um ajuste da marcha detrabalho de 7, a locomotiva 42 pode operar em 6,8.

A possibilidade de se operar comajustes de potência intermediários pode trazer benefícios adicionais para a eficiência, talcomo descrito abaixo.

O procedimento usado para computar o perfil ótimo podeser através de qualquer um dos métodos de computação para uma seqüência depotência a qual guia o trem 31, de modo a minimizar o consumo de combustível e/ou asemissões, desde que respeitados as restrições para a locomotiva e para a programaçãoou agenda de horários, tal como sintetizado abaixo. Em alguns casos, o perfil otimizadonecessário pode ser muito próximo de um anteriormente determinado, devida asimilaridade da configuração do trem, da rota e das condições ambientais. Nestes casos,pode ser suficiente consultar o guia de trajeto dentro do banco de dados 63 e tentarsegui-lo.

Quando não existe nenhum plano previamente computado,os métodos para calcular um novo incluem, mas não estão limitados a, calculardiretamente o perfil ótimo utilizando modelos de equações diferenciais os quaisreproduzem, de forma aproximada, a movimentação física do trem. De acordo com esteprocesso, é determinada uma função quantitativa objetiva; normalmente a funçãocompreende uma soma ponderada (integral) das variáveis do modelo, as quaiscorrespondem à taxa de consumo do combustível e de geração das emissões, mais umtermo para penalizar uma variação excessiva da aceleração.

Uma fórmula otimizada de controle é acertada paraminimizar a função quantitativa objetiva que é submetida às restrições incluindo, mas nãolimitada a, os limites de velocidade e os ajustes mínimo e máximo para a potência(aceleração) e as emissões cumulativas máximas e instantâneas. Dependendo dosobjetivos do plano, a qualquer tempo, o problema pode ser ajustado de forma flexível demodo a minimizar o consumo de combustível sujeito as restrições das emissões e doslimites de velocidade, ou para minimizar as emissões sujeito às restrições de combustívele do horário de chegada. Também é possível ajustar, por exemplo, o objetivo deminimizar o tempo total de viagem sem as restrições relativas a quantidade total deemissões ou de uso de combustível, sendo que tal relaxamento das restrições poderiaser permitido ou necessário para a missão.

Por todo este documento, são apresentados exemplos deequações e de funções objetivas destinadas a minimizar o consumo de combustível dalocomotiva. Estas equações e funções tem apenas o intuito de ilustração, posto quepodem ser empregadas outras equações e funções objetivas para otimizar o consumo decombustível ou para otimizar outros parâmetros operacionais do trem/locomotiva.

O problema a ser solucionado pode ser posto maisprecisamente de forma matemática. A física básica do movimento é expressa por:

<formula>formula see original document page 10</formula>

na qual x é a posição de trem, v é a sua velocidade e t é o tempo (em milhas, milhas porhora e minutos ou horas, conforme apropriado) e u é o comando de entrada para amarcha de trabalho (aceleração). Além disto, D indica a distância a ser percorrida, Tf ohorário desejado de chegada na distância D ao longo da linha, Te é o esforço de traçãoproduzido pela consistência de locomotivas, Ga é o arraste gravitacional o qual dependedo comprimento do trem, da composição do trem e do terreno no qual o trem estálocalizado, R é o arraste dependente da velocidade efetiva [net speed] da consistência delocomotivas e da composição do trem. As velocidades iniciais e finais também podem serespecificadas, mas sem perda do caráter genérico são tidas aqui como sendo zero (tremparado no início e no final). Por fim, o modelo é prontamente modificado para incluiroutras dinâmicas importantes tais como o atraso entre uma mudança de aceleração, u, edo esforço de tração ou de frenagem resultante. Utilizando este modelo, uma fórmula decontrole otimizada é acertada para minimizar a função objetiva quantitativa sujeita asrestrições incluindo, mas não limitadas a, os limites de velocidade e os ajustes máximo emínimo da potência (aceleração). Dependendo dos objetivos do plano, a qualquer tempo,o problema pode ser ajustado de forma flexível de modo a minimizar o consumo decombustível sujeito às restrições das emissões e dos limites de velocidade, ou paraminimizar as emissões sujeito às restrições de combustível e do horário de chegada.

Também é possível acertar, por exemplo, o objetivo deminimizar o tempo total de viagem sem as restrições relativas à quantidade total deemissões ou de uso do combustível, sendo que tal relaxamento das restrições poderiaser permitido ou necessário para a missão.

Todas estas medidas de performance podem ser expressasna forma de uma combinação linear entre qualquer um dos seguintes:

<formula>formula see original document page 11</formula>

A substituição do termo do combustível F em (1) pelo termo correspondente àprodução das emissões. Por exemplo, para as emissões

<formula>formula see original document page 11</formula>

Nesta equação, E é a quantidade de emissões em gramas por cavalo vapor-hora (g/hph)para cada uma das marchas de trabalho (ou ajustes de potência). Ainda mais poderia serfeita uma minimização com base no total ponderado do combustível e das emissões.

Uma função objetiva comumente empregada erepresentativa é a seguinte:

<formula>formula see original document page 11</formula>

Os coeficientes da combinação linear dependem daimportância (peso) dado a cada um dos termos. Note-se que na equação (OP), u(t) é avariável de otimização que é a posição da marcha de trabalho contínua. Caso sejanecessária uma marcha de trabalho discreta, p. ex., para locomotivas antigas, a soluçãoda equação (OP) é tornada discreta, o que pode resultar em uma menor economia decombustível. Encontrar a solução de menor tempo ((X1 é fixado em zero ea2é fixado emzero ou em um valor relativamente pequeno) é usado para encontrar a menor ligaçãopara o tempo de possível (Tf = Tmin). Neste caso, tanto u(t) quanto Tf são as variáveis deotimização. A forma preferida de realização soluciona a equação (OP) para diversosvalores de Tf com Tf > Tfmin com a3 fixado em zero. Neste último caso, Tf é tratado comouma restrição.

Para aqueles que estão familiarizados com as soluções detais problemas de otimização, pode ser necessário adicionar restrições, p. ex., os limitesde velocidade ao longo da trajetória:

<formula>formula see original document page 12</formula>

ou quando se utiliza o tempo mínimo como o objetivo, uma tal restrição do ponto finaldeve aguardar, p. ex. o total de combustível consumido deve ser menor que aqueledentro do tanque, p. ex., por meio de:

<formula>formula see original document page 12</formula>

na qual Wf é a quantidade de combustível restante dento do tanque. Os peritos na arteirão prontamente perceber que a equação (OP) pode estar em outras formas, assimcomo o quanto apresentado supra é um exemplo de equação para uso na forma derealização de exemplo da presente invenção.

As referencias as emissões, no contexto das formas derealização de exemplo da presente invenção, de fato, são direcionadas para as emissõescumulativas produzidas na forma de emissões de óxido de nitrogênio (NOx), de emissõesde hidrocarbonetos (HC), de emissões de monóxido de carbono (CO) e/ou de emissõesde materiais particulados (PM). Um requisito em relação às emissões pode fixar um valormáximo para as emissões de NOx, de HC1 de CO e/ou de PM. Outros limites deemissões podem incluir um valor máximo para uma emissão eletromagnética, tal comoum limite para a potência útil em rádio freqüência (RF), medida em watts, pararespectivas freqüências emitidas pela locomotiva. Ainda uma outra forma de emissão é oruído produzido pela locomotiva, tipicamente medido em decibéis (dB). Um requisito emrelação à emissão pode ser variável de acordo com o horário do dia, o período do ano,e/ou das condições atmosféricas tais como o clima ou o nível de poluentes na atmosfera.

É sabido que os regulamentos relativos às emissões podem variar geograficamenteatravés do sistema ferroviário. Por exemplo, uma área operacional, tal como uma cidadeou um estado, pode apresentar padrões específicos de emissões, e uma áreaoperacional adjacente pode apresentar padrões de emissões diferentes, por exemplouma menor quantidade de permitida de emissões ou uma taxa mais alta para um dadonível de emissão.

Deste modo, um perfil de emissão para uma certa áreageográfica pode ser dimensionado de forma a incluir um valor máximo de emissão paracada emissão regulamentada, incluindo no perfil o cumprimento de um padrãopredeterminado de emissão necessário para aquela área. Tipicamente, e para umalocomotiva, estes parâmetros de emissão são determinados por, mas de forma nãolimitada a, a potência (marcha de trabalho), as condições ambientes, os método decontrole do motor, etc. Por projeto, cada locomotiva deve obedecer aos padrões deemissões do EPA, e assim, quando as emissões são otimizadas na forma de realizaçãode exemplo da presente invenção, esta será a quantidade de emissões totais da missãopara a qual não existe especificação hoje. Em qualquer momento, as operações daslocomotivas, de acordo com o plano otimizado de viagem, devem obedecer aosregulamentos federais da EPA.

Caso um objetivo chave, durante uma missão, seja o dereduzir as emissões, a fórmula de controle otimizada, equação (OP), deve ser aditada demodo a levar em consideração este objetivo da viagem. Uma flexibilização chave noajuste da otimização é o de que todos e quaisquer objetivos da viagem possam variar deacordo com a região ou com a missão. Por exemplo, para um trem de alta prioridade, umtempo mínimo pode ser o único objetivo em uma rota, devido a sua alta prioridade detrânsito. Como um outro exemplo, a geração das emissões pode variar de estado paraestado, ao longo da rota planejada para o trem.

Para solucionar o problema resultante da otimização, umaforma de realização de exemplo da presente invenção transfere o problema do controledinâmico otimizado, dentro do domínio do tempo, para um problema equivalente deprogramação de estatística matemática com N variáveis de decisões, na qual o número"N" depende da freqüência com a qual são feitos os ajustes no acelerador e nos freios,bem como a duração da viagem. Para os problemas típicos, este N pode ser de milhares.Por exemplo, e em uma forma de realização de exemplo, pode-se supor um tremviajando por uma linha direta com 172 milhas [cerca de 275 Km] pelo sudoeste dosEstados Unidos. Empregando a forma de realização de exemplo da presente invenção,uma economia de, p. ex., 7,6% no consumo de combustível pode ser conseguida quandose compara uma viagem determinada e realizada utilizando a forma de realização deexemplo da presente invenção contra o histórico real de uso da aceleração/frenagemdeterminado por um maquinista. O aumento da economia é conseguido devido ao fato deque a otimização obtida através do uso da forma de realização de exemplo da presenteinvenção produz uma estratégia de condução tanto com um menor arraste quanto comuma perda por freios menor, ou nenhuma, quando em comparação com um plano deviagem de um maquinista ou operador.

Para tornar a otimização supra descrita passível de sertratada por computador, deve ser empregado um modelo simplificado do trem, tal como oquanto ilustrado na figura 2 e nas equações supra descritas. Um refinamento chave doperfil otimizado é produzido através da condução de um modelo mais detalhado, no qualé gerada a seqüência de tração otimizada, de modo a testar se as demais restriçõestérmicas, elétricas e mecânicas são violadas, levando a um perfil modificado davelocidade pela distância que seja mais próximo a um deslocamento que pode serconseguido sem danificar a locomotiva ou os equipamentos do trem, isto é, satisfazendoas restrições adicionais implícitas tais como os limites térmicos ou elétricos da locomotivaou as forças internas aos vagões do trem.

Fazendo novamente referência a figura 1, uma vez que éiniciada 12 a viagem, são gerados os comandos de tração 14 de modo a colocar o tremem movimento. Dependendo do ajuste operacional para a forma de realização deexemplo da presente invenção, um comando é destinado a que a locomotiva siga ocomando otimizado de tração 16 de modo a atingir a velocidade otimizada. A forma derealização de exemplo da presente invenção obtém a velocidade real e as informaçõesde tração a partir da consistência 18 de locomotivas do trem. Devido as inevitáveisaproximações pelos modelos usados para a otimização, um cálculo em Ioop fechado dascorreções para a tração otimizada é obtido através do rastreamento da velocidadeotimizada desejada. Tais correções dos limites operacionais do trem podem ser feitas deforma automática ou através do operador, o qual sempre tem o comando final do trem.

Em alguns casos, o modelo usado na otimização podediferir significativamente do trem real. Isto pode acontecer por diversos motivos, incluindomas não limitado a, alocação e encaminhamento de cargas extras, locomotivas quefalham durante a rota, e a erros no banco de dados 63 inicial ou a entradas de dadoserrôneas feitas pelo operador. Por estas razões, é previsto um sistema de monitoramentoo qual se utiliza de dados em tempo real para estimar os parâmetros da locomotiva ou dotrem em tempo real 20. Os parâmetros estimados são então comparados com osparâmetros assumidos e que foram usados quando a viagem foi inicialmente criada 22.Baseado em qualquer diferença entre os valores assumidos e estimados, a viagem podeser re-planejada 24, pelo que uma economia maior pode advir do novo plano.

Tipicamente, a viagem é re-planejada se puder ser obtida uma economia significativatravés de um novo plano.

Outras razões para que uma viagem venha a ser re-planejada incluem as diretivas emitidas por uma localidade remota, tal como pelaexpedição, e/ou do operador solicitando que uma mudança nos objetivos sejaconsistente com os objetivos mais globais de planejamento dos movimentos. Osobjetivos mais globais de planejamento dos movimentos podem incluir, mas não estãolimitados a, as programações ou as agendas de outros trens, para permitir que aexaustão se dissipe de um túnel, as operações de manutenção, etc. Outra razão podeser devida a uma falha de um componente a bordo. As estratégias de re-planejamentopodem ser agrupadas em ajustes incrementais e maiores, dependendo da seriedade doproblema, tal como será descrito com maiores detalhes abaixo. Em geral, um "novo"plano deve ser derivado de uma solução da equação (OP) de otimização do problemasupra descrito, mas freqüentemente podem ser encontradas soluções aproximadas maisrápidas, como aqui descrito.

Em operação, a locomotiva 42 irá continuamente monitorara eficiência do sistema e atualizar continuamente o plano de viagem com base nasmedições reais da eficiência, sempre que uma tal atualização possa melhorar aperformance da viagem. Os cálculos para o re-planejamento da viagem podem serrealizados totalmente dentro da locomotiva(s) ou total ou parcialmente deslocados paraum local remoto, tal como as instalações de processamento marginal ou de expedição,nas quais a tecnologia sem fio é utilizada para a comunicação dos planos para alocomotiva 42. A forma de realização de exemplo da presente invenção também podegerar tendências eficientes as quais podem ser usadas para desenvolver os dados dafrota de locomotivas com relação às funções de transferência da eficiência. Os dados detoda a frota podem ser usados por ocasião da determinação do plano de viagem inicial, epodem ser usados na otimização da movimentação de toda a malha quando seconsidera a localização de diversos trens. Por exemplo, a curva relativa ao tempo dedeslocamento em relação ao uso de combustível, tal como ilustrada na figura 4, reflete acapacidade de um trem, em uma rota em particular e em um dado momento, atualizadapelo conjunto de médias capturadas para diversos trens similares na mesma rota.

Destarte, uma instalação central de expedição que coleta as curvas como as da figura 4,a partir de diversas locomotivas, poderia utilizar estas informações para coordenar, deuma forma melhor, a movimentação geral dos trens a fim de que se consiga umavantagem ao nível de todo o sistema, em relação à economia de combustível oudeslocamento.

Durante as operações diárias, diversos eventos podem levara necessidade de se gerar ou modificar o plano atualmente em execução, quando sepretende manter os mesmos objetivos da viagem, para quando um trem não se encontradentro da sua agenda em relação ao encontro ou a passagem de outro trem, e esteprecisa recuperar o tempo. Utilizando os dados atuais de velocidade, tração e localizaçãoda locomotiva, é feita uma comparação entre o horário de chegada planejado e o horáriode chegada 25 atualmente estimado (previsto). O plano 26 é ajustado com base nadiferença entre os horários, assim como na diferença entre os parâmetros (detectados oualterados pela expedição ou pelo operador). Este ajuste pode ser feito automaticamente,de acordo com a política da companhia ferroviária, em relação a como os desvios doplano devem ser tratados, ou propostas alternativas de forma manual, para o operadorembarcado ou a expedição decidirem a melhor forma de voltar ao plano. Sempre que umplano é atualizado, mas não os seus objetivos, tal como, mas não limitado ao temporestante para a chegada do mesmo, outras mudanças podem ser transformadas emfatores concorrentes, p. ex., mudanças nos novos limites de velocidade futuros, o quepoderia afetar a possibilidade de se retornar ao plano original. Em tais casos, se o planode viagem original não puder ser mantido, ou em outras palavras o trem não é capaz decumprir com os objetivos do plano de viagem original, como aqui descrito, outros planospodem ser apresentados para um operador e/ou uma instalação remota, ou expedição.

Também pode ser feito um re-planejamento quando édesejado alterar os objetivos originais. Um tal re-planejamento pode ser feito tanto emintervalos determinados de tempo, de forma manual e de acordo com adiscricionariedade do operador ou da expedição, quanto de forma autônoma quando sãoexcedidos certos limites predefinidos, tais como os limites operacionais do trem. Porexemplo, se a execução do plano atual está atrasada mais que um valor predeterminado,tal como trinta minutos, a forma de realização de exemplo da presente invenção pode re-planejar a viagem de modo acomodar o atraso às custas de um aumento do consumo decombustível, tal como supra descrito, ou para alertar o operador e a expedição sobre oquanto de tempo pode ser recomposto ao todo (isto é, qual o tempo mínimo de chegadaou qual a quantidade máxima de combustível que pode ser economizada dentro darestrição de tempo). Também podem ser previstos outros gatilhos de re-planejamentocom base no combustível consumido ou na integridade da consistência de tração,incluindo, mas não limitado a, o horário de chegada, a perda de cavalos vapor devido auma falha do equipamento e/ou a um mau funcionamento temporário do equipamento(tal como por uma operação em estado muito aquecido ou muito frio) e/ou pela detecçãode erros na inserção de dados, tal como no comprimento assumido do trem, naotimização das emissões totais, tal como ocorrido ao longo da rota e projetado para odestino final. Isto é, se a mudança se reflete de forma negativa em relação aperformance da locomotiva para o restante da viagem, esta pode ser adicionada comoum fator nos modelos e/ou nas equações usadas na otimização.

As mudanças nos objetivos dos planos também podemsurgir da necessidade de se coordenar eventos, quando o plano para um tremcompromete a capacidade de outro trem de cumprir com os objetivos e se faz necessáriauma arbitragem em um nível diferente, p. ex., pelo escritório de expedição. Por exemplo,a coordenação dos encontros e passagens ainda pode ser otimizada através dacomunicação direta de trem a trem. Assim, e como um exemplo, se um trem sabe queestá atrasado para chegar a um local de encontro e/ou de passagem, as comunicaçõesdo outro trem podem informar o trem atrasado (e/ou a expedição). O operador podeentão inserir a informação relativa ao fato de estar atrasado na forma de realização deexemplo da presente invenção, sendo que a forma de realização de exemplo da presenteinvenção irá recalcular o plano de viagem do trem. A forma de realização de exemplo dapresente invenção também pode ser utilizada em um nível mais alto, ou ao nível damalha, de modo a permitir que uma expedição determinasse qual trem deveria reduzir develocidade ou acelerar ou se uma restrição relativo a um tempo de passagem e/ou deencontro não precise ser cumprido. Como aqui descrito, isto é conseguido com trens quetransmitem dados para a expedição de modo a determinar como cada trem deve alteraro seu objetivo de plano. Uma escolha deve depender tanto da agenda quanto daeconomia de combustível, dependendo da situação.

Para os re-planejamentos iniciados de forma automática oumanual, as formas de realização de exemplo da presente invenção podem apresentarmais de um plano de viagem para o operador. Em uma forma de realização de exemplo,a presente invenção irá apresentar perfis diferentes para o operador, permitindo que ooperador selecione o horário de chegada e compreenda o impacto em relação asemissões e a economia de combustível. Tais informações também podem ser fornecidaspara a expedição para considerações similares, tanto na forma de uma lista simples comalternativas ou como uma pluralidade de curvas operacionais, tal como ilustrada na figura 4.

A forma de realização de exemplo da presente invenção tema capacidade de aprender e adaptar as mudanças chaves do trem e da consistência detração, as quais podem ser incorporadas tanto no plano atual quanto em planos futuros.

Por exemplo, um dos gatilhos descritos acima é a perda de potência. Quando daconstrução da potência em função do tempo, tanto após uma perda de potência quantono início de uma viagem, é utilizada a transição lógica para se determinar quando éconseguia a potência necessária. Esta informação pode ser salvada no banco de dados61 da locomotiva para uso na otimização tanto em viagens futuras quanto no caso deuma nova perda de potência dentro da viagem atual.

A figura 3 ilustra uma forma de realização de exemplo doselementos que podem ser parte de um exemplo do sistema. É previsto um elementoIocalizador 30 para determinar a localização do trem 31. O elemento Iocalizador 30 podeser um sensor GPS, ou um sistema de sensores, o qual determina a localização de trem31. Exemplos de tais outros sistemas incluem, mas não estão limitados a, dispositivosmarginais [ou seja, disposto a beira da linha ferroviária], tal como equipamentosautomáticos por radio freqüência de identificação de etiquetas (RF AEI), expedição e/oudeterminação por vídeo. Outros sistemas podem incluir o tacômetro a bordo de umalocomotiva e cálculos de distância a partir de um ponto de referencia. Tal compreviamente descrito, pode também ser previsto um sistema de comunicação sem fio 47para permitir as comunicações entre os trens e/ou com uma localidade remota, tal comoa expedição. As informações acerca da localização da viagem também podem sertransferidas de outros trens.

Um elemento de caracterização do trem 33 fornece asinformações acerca de uma linha, principalmente as informações de grau de inclinação ede elevação e de curvatura. O elemento de caracterização da linha 33 pode incluir umbanco de dados 36 embarcado de integridade da linha. Os sensores 38 são usados paramedir um esforço de tração 40 que está sendo aplicado pela consistência de locomotivas42, o ajuste da aceleração da consistência de locomotivas 42, as informações sobre aconfiguração da consistência de locomotivas 42, a velocidade da consistência delocomotivas 42, a configuração individual das locomotivas, a capacidade individual daslocomotivas, etc. Em uma forma de realização de exemplo, as informações deconfiguração da consistência de locomotivas 42 podem ser carregadas sem o uso de umsensor 38, mas são inseridas através de outros meios, tal como supra descrito. Além domais, também pode ser levada em consideração a saúde das locomotivas. Por exemplo,se uma locomotiva da consistência não está apta a operar acima da marcha de trabalho5, esta informação é usada quando da otimização do plano de viagem.

A informação do elemento Iocalizador também pode serusada para determinar um horário de chegada apropriado para o trem 31. Por exemplo,caso exista um trem 31 se movendo pela linha 34 na direção de um destino e nenhumtrem atrás deste, e o trem não tem um prazo determinado de chegada ligado a ele, oelemento localizador, incluindo mas não limitado a um equipamento automático por radiofreqüência de identificação de etiquetas (RF AEI), expedição e/ou determinação porvídeo, pode ser usado para gabaritar a exata localização do trem 31. Além do mais, asentradas destes sistemas de sinalização podem ser usadas para ajustar a velocidade dotrem. Utilizando a banco de dados da linha no trem, descrito abaixo, bem como oelemento localizador, tal como um GPS, uma forma de realização de exemplo dapresente invenção pode ajustar a interface do operador de modo a refletir o estado dosistema de sinalização em uma dada localização da locomotiva. Em uma situação naqual os estados do sinal indicam velocidades restritas à frente, o planejador pode elegerreduzir a velocidade do trem para reduzir o consumo de combustível.

As informações do elemento localizador 30 também podemser usadas para alterar os objetivos do planejamento como uma função da distância atéo destino final. Por exemplo, devido as inevitáveis incertezas em relação aocongestionamento na rota, podem ser empregados os objetivos mais "rápidos" naspartes iniciais da rota como uma salvaguarda contra os atrasos, que estatisticamenteacontecem posteriormente. Se isto acontecer em uma viagem em particular na qual nãoocorram atrasos, os objetivos das partes posteriores da jornada podem ser modificadosde modo a poder explorar o tempo previamente acumulado, e assim recuperar algumaeconomia de combustível. Uma estratégia similar poderia ser evocada para os objetivosrestritivos em relação às emissões, p. ex., pela aproximação de uma área urbana.

Como um exemplo de uma estratégia de salvaguarda, se éplanejada uma viagem de Nova Iorque até Chicago, o sistema pode ter a opção deoperar o trem mais vagarosamente tanto no inicio da viagem ou no meio da viagem ouao final da viagem. A forma de realização de exemplo da presente invenção iria otimizaro plano de viagem de modo a permitir uma operação mais vagarosa ao final da viagem,devido a restrições não conhecidas, tais como, mas não limitadas a, a condição dotempo, a manutenção de linhas, etc., que podem aparecer e se tornar conhecidasdurante a viagem. Como uma outra consideração, caso sejam conhecidas áreastradicionalmente congestionadas, o plano é desenvolvido com a opção de ter uma maiorflexibilidade ao redor destas regiões tradicionalmente congestionadas. Portanto, a formade realização de exemplo da presente invenção também pode levar em consideraçãoponderações/penalidades como uma função do tempo/distãncia para o futuro e/ou combase em experiências passadas/conhecidas. Os peritos na arte irão prontamenteperceber que um tal planejamento e re-planejamento, o qual leva em consideração ascondições do tempo, as condições da linha, outros trens na linha, etc., pode ser levadoem consideração a qualquer momento durante a viagem, pelo que o plano de viagem éapropriadamente ajustado.

A figura 3 ilustra ainda outros elementos que podem fazerparte da forma de realização de exemplo da presente invenção. Um processador 44operar para receber as informações do elemento Iocalizador 30, do elemento decaracterização da linha 33 e dos sensores 38. Um algoritmo 46 opera dentro doprocessador 44. O algoritmo 46 é utilizado para calcular um plano de viagem otimizadocom base nos parâmetros que envolvem a locomotiva 42, o trem 31, a linha 34 e osobjetivos da missão, tal como supra descrito. Em uma forma de realização de exemplo, éestabelecido o plano de viagem com base nos modelos do comportamento do tremconforme o tre 31 se move ao longo da linha 34 na forma de uma solução de equaçõesdiferenciais não lineares derivadas da física com pressupostos de simplificação que sãofornecidos no algoritmo. O algoritmo 46 tem acesso ás informações do elementoIocalizador 30, do elemento de caracterização da linha 33 e/ou dos sensores 38 paragerar um plano de viagem que minimiza o consumo de combustível pela consistência 42,que minimiza as emissões da consistência de locomotivas 42, que estabelece um tempode viagem desejado e/ou que assegura um tempo de trabalho apropriado da tributação aabordo da consistência de locomotivas 42. Na forma de realização de exemplo, tambémé previsto um condutor ou elemento de controle 51. Como aqui descrito, o elemento decontrole 51 é usado para controlar o trem conforme este segue o plano de viagem. Emuma forma de realização de exemplo também aqui descrita, o elemento de controle 51faz com que o trem opere a partir de decisões autônomas. Em uma outra forma derealização de exemplo, o operador pode ser envolvido na condução do trem para que este siga o plano de viagem, à sua vontade.

Em uma forma de realização de exemplo da presenteinvenção, o plano de viagem pode ser modificado, em tempo real, conforme este éexecutado. Isto inclui gerar o plano inicial quando está envolvida uma longa distância,devido à complexidade do algoritmo de otimização do plano. Quando a distância total deum perfil de viagem excede um dado valor, pode ser usado um algoritmo 46 parasegmentar a missão, sendo que a missão pode ser dividida por marcos do caminho.Apesar de ser descrito apenas um algoritmo 46, os peritos na arte irão prontamenteperceber que pode ser usado mais de um algoritmo, sendo que os algoritmos podemestar ligados entre eles.

Os marcos podem incluir os locais onde os trens 31naturalmente param, tais como, mas não limitados a, desvios laterais simples nos quaisestá agendado para acontecer, em uma linha de apenas um trilho, um encontro com umtrem que vem em direção oposta ou a ultrapassagem de um trem que vem atrás deste,ou em pátios de desvio ou nas industrias nos quais os vagões devem ser retirados ouincluídos, e em locais de serviços planejados. Em tais marcos, o trem 31 pode serinstado a estar no local dentro de um horário agendado e parar ou se mover dentro deuma faixa específica de velocidades. A duração do tempo desde a chegada até a partidanos marcos é chamada de tempo de permanecia.

Em uma forma de realização de exemplo, a presenteinvenção está apta a quebrar uma viagem longa em pequenos segmentos ou trechos deacordo com um processo sistemático. Cada trecho pode apresentar um comprimentoarbitrário, mas tipicamente é demarcado por pontos naturais tais como uma parada ouuma restrição significativa de velocidade, ou por marcos ferroviários ou pontos da linhachave os quais definem as junções com outras rotas. Dada uma partição, ou segmento,selecionado desta forma, é gerado em perfil de condução para cada trecho, como umafunção do tempo de viagem como uma variável independente, tal como o quantoilustrado na figura 4, descrito com maiores detalhes abaixo. O intercâmbio entrecombustível consumido e/ou emissões/tempo de viagem associado a cada segmentopode ser computado antes do trem 31 alcançar o trecho da linha. Um plano de viagemtotal pode ser gerado a partir dos perfis de condução gerados para cada trecho. A formade realização de exemplo da invenção distribui o tempo de viagem entre todos os trechosda viagem, de uma forma otimizada, de tal modo que o tempo de viagem requerido écumprido bem como o total de combustível consumido e/ou as emissões, em relação atodos os trechos, é tão baixa quanto possível. Um exemplo de um segmento de viagem éilustrado na figura 6 e descrito abaixo. As pessoas com proficiência na arte poderãoperceber que, apesar de serem descritos trechos os segmentos, o plano de viagem podecompreender um único trecho que representa toda a viagem.

A figura 4 ilustra uma forma de realização de exemplo deuma curva do consumo de combustível em função do tempo de viagem. Comopreviamente citado, uma tal curva 50 é gerada quando do cálculo de um perfil otimizadoda viagem para diversos tempos de viagem para cada trecho. Isto é, para um dadotempo de viagem 51, o combustível consumido 52 é o resultado de um perfil detalhadode condução, calculado tal como supra descrito. Uma vez alocados os tempos de viagempara cada trecho, é determinado um plano de tração/velocidade para cada trecho a partirdas soluções previamente computadas. Caso existam quaisquer restrições de velocidadeem locais específicos dos segmentos, tais como, mas não limitados a uma mudança nolimite de velocidade, estes são indicados durante a geração do perfil otimizado daviagem. Se as restrições de velocidade mudam apenas em um segmento, a curva 50 doconsumo de combustível em função do tempo de viagem deve ser recalculada somentepara o segmento alterado. Este processo reduz o tempo perdido para recalcular maispartes, ou trechos, da viagem. Se a consistência de locomotivas ou o trem mudamsignificativamente ao longo da rota, p. ex., pela perda de uma locomotiva ou pelainserção ou retirada de um vagão, então os perfis de condução para todos os trechossubseqüentes devem ser recalculados, gerando novas instâncias da curva 50. Estasnovas curvas 50 poderão então ser usadas junto a novos objetivos agendados paraplanejar o restante da viagem.

Uma vez gerado um plano de viagem, tal como supradescrito, o desenvolvimento da velocidade e da potência em função da distância permiteque o destino seja alcançado com um consumo de combustível e/ou emissões mínimosdentro do tempo necessário para a viagem. Existem diversas técnicas para executar oplano de viagem. Tal como esclarecido abaixo com maiores detalhes, em uma forma derealização de exemplo no modo de instrução [coaching mode], um exemplo da presenteinvenção apresenta as informações de controle para o operador. O operador segue asinformações para conseguir a potência e a velocidade necessárias tal como determinadopelo plano de viagem otimizado. Assim, e neste modo, ao operador são fornecidassugestões para uso na condução do trem. Em uma outra forma de realização deexemplo, as ações de controle para acelerar o trem ou para manter uma velocidadeconstante são realizadas pelos exemplos da presente invenção. Contudo, quando o trem31 deve reduzir de velocidade, o operador é responsável pela aplicação do sistema defreios 52. Em uma outra forma de realização de exemplo, a presente invenção comandaas ações de aceleração e de frenagem, quando necessárias, para seguir a trajetóriatrajetória em velocidade/distância.

As estratégias de controle através de retorno ou feedbacksão usadas para realizar correções na seqüência de controle da tração do perfil de modoa corrigir eventos tais como, mas não limitados a, variações na carga do trem causadaspor flutuações no fluxo de ar frontal ou no fluxo de ar de fuga ou traseiro. Um outrodentre estes tipos de erros pode ser causado por um erro nos parâmetros do trem, talcomo, mas não limitado a, a massa do trem e/ou o arraste, quando comparado com ospressupostos do plano de viagem otimizado. Um terceiro tipo de erro que pode ocorrer éem relação à informação contida no banco de dados 36 do trem. Um outro tipo de erropode envolver as diferenças de performance não modeladas devidas ao motor dalocomotiva, a degradação térmica do motor de tração e/ou a outros fatores. Asestratégias de controle através de retorno comparam a velocidade atual como umafunção da posição com a velocidade desejada no perfil otimizado. Com base nestadiferença, é realizada uma correção no perfil de tração otimizado de modo a direcionar avelocidade atual na direção do perfil otimizado. Para assegurar uma regulagem estável,pode ser previsto um algoritmo de compensação, o qual filtra as velocidades de feedbackdas correções de tração para garantir a estabilidade próxima a da performance. Acompensação pode incluir uma compensação dinâmica padrão, tal como a empregadapelos peritos na arte de projetos de sistemas de controle para alcançar os objetivos da performance.

As formas de realização de exemplo da presente invençãocapacitam os meios mais simples, e portanto mais rápidos, para acomodar as alteraçõesnos objetivos da viagem, as quais são a regra e não a exceção, nas operaçõesferroviárias. Em uma forma de realização de exemplo para se determinar uma viagemcom um consumo ótimo de combustível do ponto A ao ponto B, entre os quais existemparadas ao longo do caminho, e para atualizar a viagem para o restante da viagem umavez que já tenha sido iniciada a viagem, pode ser usado um método de decomposiçãosub otimizado para encontrar o perfil otimizado da viagem. Utilizando os métodos demodelagem, o método de cálculo pode encontrar o plano de viagem dentro do tempoespecificado da viagem bem como as velocidades inicial e final, de tal sorte a satisfazertodos os limites de velocidade e as restrições inerentes à capacidade da locomotivaquando existem paradas. Apesar da descrição seguinte estar direcionada para aotimização do consumo de combustível, esta também pode ser aplicada para otimizaroutros fatores, tais como, mas não limitados a, emissões, agenda, conforto da tripulação,e impacto na carga. O método pode ser usado no começo do desenvolvimento de umplano de viagem, e de forma mais importante para adaptar os objetivos às mudançasapós o início da viagem.

Tal como aqui descrito, as formas de realização de exemploda presente invenção podem empregar um ajuste, tal como o quanto ilustrado nodiagrama de fluxo mostrado na figura 5, e como no exemplo de 3 trechos mostrado nafigura 6. De acordo com o quanto ilustrado, uma viagem pode ser quebrada em dois outrês trechos T1, T2 e T3, e tal como aqui descrito, é possível considerar a viagem comoum único trecho. Tal como também aqui descrito, a limitação dos trechos pode resultarem trechos diferentes. Pelo contrário, os segmentos podem estar baseados em limitesespecíficos naturais ou da missão. Os planos de viagem otimizados são pré-computadospara cada trecho.

Caso o objetivo da missão a ser cumprido seja o de consumo decombustível em função do tempo, são construídos os gráficos ou curvas do consumo decombustível em função do tempo, para cada trecho. Como aqui descrito, as curvaspodem estar baseadas em outros fatores, sendo que estes fatores são objetivos a seremalcançados com o plano de viagem. Quando o tempo de viagem é o parâmetro que estásendo determinado, é calculado o tempo de viagem para cada trecho ao mesmo tempoem que é satisfeita a limitação relativa ao tempo total da viagem.

A figura 6 ilustra os limites de velocidade para um exemplode uma viagem 97 de 200 milhas [cerca de 320 Km] com três trechos. Também estãoilustradas as mudanças de grau 98 através da viagem de 200 milhas. Também émostrado um diagrama 99 ilustrando as curvas para cada trecho da viagem relativas aocombustível empregado em função do tempo de viagem.

Utilizando o ajuste otimizado de controle previamentedescrito, o presente método de computação pode encontrar o plano de viagem com otempo de viagem especificado e com as velocidades inicial e final, de modo a satisfazertodos os limites de velocidade e as limitações de capacidade da locomotiva quandoexistem paradas. Apesar da descrição detalhada que segue ser direcionada no sentidodo uso de combustível, esta também pode ser aplicada para otimizar outros fatores, talcomo aqui descrito, quais, por exemplo, as emissões. Uma flexibilidade chave é a depoder acomodar o tempo de parada desejado nas paradas e o de considerar asrestrições a chegadas e partidas mais cedo, por exemplo, em locais que apresentam asoperações em apenas uma linha férrea, quando os horários de chegada e de partida sãocríticos.

Os exemplos da presente invenção identificam uma viagemcom otimização do combustível em um percurso de Do até Dm, percorrido no tempo T,com M-1 paradas intermediárias em D1.....Dm.,, e com horários de chegada e de partida,nestas paradas, limitados por:

<formula>formula see original document page 23</formula>

na qual tarr(Di), U3p(Di) e At são a chegada, a partira e o tempo mínimo de parada na iaparada, respectivamente. Assumindo que a otimização do combustível implica naminimização do tempo de parada, então Usp(Di) = tarr(Di) + At, o que elimina a segundadesigualdade acima. Supondo que para cada /' = 1,...,M é conhecida a viagem comotimização de combustível de Dm até Dil para um tempo de deslocamento t, Tmin(i) ^ t sTmax(i)- A função Fj(t) é o uso de combustível que corresponde a esta viagem. Se o tempode viagem de Dj.! até Dj é indicado por Tjl então o horário de chegada em Di é dado por:

<formula>formula see original document page 24</formula>

na qual At0 é definido como sendo zero. A viagem com otimização de combustível de D0até Dm para um tempo de deslocamento T é então obtida encontrando-se Til /' = 1,...,M, oqual pode ser reduzido como

<formula>formula see original document page 24</formula>

desde que

<formula>formula see original document page 24</formula>

Uma vez que a viagem está em andamento, o problema é ode se re-determinar a solução para a otimização do combustível para o restante daviagem (originalmente do tempo D0 até Dm durante T) conforme a viagem é realizada,porém na qual problemas ou inconvenientes impedem que a solução de otimização decombustível seja seguida. Façamos com que a distância atual e a velocidade sejam x ev, respectivamente, sendo que Dm < x < Di. Além disto, façamos com que o tempo atual,desde o início da viagem, seja tact- Então, a solução de otimização do combustível para orestante da viagem de x até DM, a qual mantém o horário de chegada original em Dm, éobtida encontrando-se Ti T j = i + \ M

o qual pode ser reduzido como:

<formula>formula see original document page 24</formula>

desde que

<formula>formula see original document page 24</formula><formula>formula see original document page 25</formula>

na qual Fi(TnXiV) é o combustível utilizado na viagem otimizada de x até Dil percorridano tempo t, com uma velocidade inicial v em x.

Tal como supra descrito, uma forma exemplificativa depermitir um re-planejamento mais eficiente é o de construir a solução otimizada para umaviagem parada a parada para trechos particionados. Para a viagem de Dm até Dil comum tempo de percurso Til escolhe-se um conjunto de pontos intermediários Dijl j=1 ,...,Nu.Façamos Dio = Dm e DiNi = Di. Então, expressa-se o uso de combustível para a viagemotimizada de Dm. até Di como

<formula>formula see original document page 25</formula>

na qual Fij(t, Vij.!, Vij) é o combustível empregado na viagem otimizada de Diij-I até Dijlpercorrida em um tempo t, com velocidades inicial e final de Viij.-! e Vij. Além do mais, ty é otempo durante a viagem otimizada o qual corresponde à posição ou distância Dij. Pordefinição, tiNi - ti0 = Ti. Uma vez que o trem está parado em Di0 e DiNI> vi0 = viNi = 0.

A expressão acima permite que a função Fj(t) sejadeterminada, de forma alternativa, primeiramente determinando as funções F|j(.),1 ^ j <Ni, e então encontrando TijlI < j < Ni, e Vij < j s Nil o qual se reduz a

<formula>formula see original document page 25</formula>

desde que

<formula>formula see original document page 25</formula>

Através da escolha de Dij (p. ex., nas restrições de velocidade ou nos pontos deencontro), Vmax(U) - vmin(i,j) pode ser reduzido, assim reduzindo o domínio em relação aoqual FijO precisa ser conhecido.

Com base na partição supra, uma solução sub otimizada dere-planejamento mais simples que aquela supra descrita é a de se restringir o re-planejamento para as ocasiões nas quais o trem se encontra nos pontos distantes DijlI ái < M,1 á j < Ni. No ponto Dijl a nova viagem otimizada de Dij até Dm pode ser determinadaencontrando-se xik,j < k < Nil vikl j < k < Nil e xmn,i < m < M,1 s n < Nm, vmn, i < m á M,1 < n< Nm, o qual se reduz a

<formula>formula see original document page 26</formula>

desde que

<formula>formula see original document page 26</formula>

Uma outra simplificação é obtida fazendo aguardar a novacomputação de Tm,i < m < M até que seja alcançado o ponto a uma distancia Di. Destaforma, nos pontos Dij entre Dm e Dil a redução acima somente precisa ser realizada paraXikJ < k í Nil vik, j < k < Ni. Ti é incrementado, conforme necessário, para acomodarqualquer tempo de deslocamento atual, entre Dm e Di, mais longo que o planejado. Esteaumento é compensado mais tarde, se possível, através do novo cálculo de Tm,i < m á M,no ponto que dista de Di.

Com relação a configuração em Ioop fechado supradescrita, a demanda total de energia necessária para mover um trem 31 de ponto A até oponto B consiste da soma de quatro componentes, especificamente da diferença daenergia cinética entre os pontos A e B; da diferença da energia potencial entre os pontosA e B; da perda de energia devida a fricção e outras perdas de arraste; e da energiadissipada durante a aplicação dos freios. Assumindo que as velocidades inicial e finaldevem ser iguais (ps estacionárias), o primeiro componente é zero. Além do mais, osegundo componente é independente da estratégia de condução. Assim, é suficienteminimizar a soma dos dois componentes restantes.

Seguir um perfil de velocidade constante minimiza as perdaspelo arraste. Seguir um perfil de velocidade constante também minimiza a demanda totalde energia posto que os freios não são necessários para se manter uma velocidadeconstante. Porém, se os freios são necessários para se manter uma velocidadeconstante, a aplicação dos freios exatamente para se manter uma velocidade constanteirá provavelmente aumentar a energia total requerida devido à necessidade de recompora energia dissipada pelos freios. Existe a possibilidade de que uma pouco de frenagemreduza o total de energia utilizada caso a perda pela frenagem adicional seja maior que acontrapartida obtida com a redução resultante pelas perdas de arrasto causadas pelafrenagem, através da redução da variação de velocidade.

Após terminar o re-planejamento a partir da coleta deeventos supra descritos, o novo plano otimizado de velocidade/marcha de trabalho podeser seguido utilizando o controle por Ioop fechado aqui descrito. Porém, em algumassituações, quando pode não existir tempo suficiente para executar o planejamentodecomposto em trechos supra descrito, e em particular quando existem restriçõescríticas de velocidade que devem ser respeitadas, pode ser preferida uma alternativa. Asformas de realização de exemplo da presente invenção conseguem isto através de umalgoritmo referido como o "controle de cruzeiro inteligente" [smart cruise control]. Oalgoritmo do controle de cruzeiro inteligente é uma forma eficiente de gerar, durante opercurso, uma prescrição sub-otimizada de eficiência da energia (ou seja, eficiência docombustível e/ou eficiência das emissões), para conduzir o trem 31 por um terrenoconhecido. Este algoritmo assume o conhecimento sobre a posição do trem 31 ao longoda linha 34 em todos os momentos, assim como o conhecimento do grau e da curvaturada linha em função da posição. O método recai sobre um modelo massa/ponto para amovimentação do trem 31, cujos parâmetros podem ser estimados, de forma adaptada, apartir das medições on Iine do movimento do trem, tal como precedentemente descrito.

O algoritmo de controle de cruzeiro inteligente apresentatrês componentes principais, especificamente um perfil modificado do limite develocidade, o qual se presta como um guia de eficiência de energia em relação asreduções do limite de velocidade, um perfil de ajuste da aceleração ideal ou da frenagemdinâmica o qual tenta um equilíbrio entre a minimização das variações de velocidade e afrenagem; e um mecanismo para combinar os dois últimos componentes de modo aproduzir um comando para a marcha de trabalho, empregando um Ioop de retorno davelocidade para compensar as disparidades entre os parâmetros modelados quando emcomparação com os parâmetros reais. O controle de cruzeiro inteligente pode acomodarestratégias, nas formas de realização de exemplo da presente invenção, as quais nãoativam os freios (isto é, a guia é sinalizada e assumida a realizar a frenagem necessária)ou uma variante que não ativa os freios.

Com relação ao algoritmo de controle de cruzeiro inteligenteque não controla os freios dinâmicos, os três componentes de exemplo são um perfilmodificado do limite de velocidade, o qual se presta como uma guia de eficiência deenergia em relação as reduções do limite de velocidade, um sinal de notificaçãodirecionado de modo a informar ao operador quando os freios devem ser aplicados, umperfil ideal de aceleração o qual tenta obter um equilíbrio entre a minimização dasvariações de velocidade e as notificações ao operador para a aplicação dos freios, ummecanismo que emprega um Ioop de retorno, ou de feedback, para compensar asdisparidades entre os parâmetros modelados quando em comparação com osparâmetros reais.

Na forma de realização de exemplo da presente invençãotambém está incluída uma solução para identificar valores do parâmetro chave do trem31. Por exemplo, com relação a estimativa da massa do trem podem ser utilizados umfiltro Kalman, uma expansão das séries de Taylor com variação e dependência do tempo,e uma solução com recurso do último quadrado, para detectar os erros que podemaparecer durante o transcorrer do tempo.

A figura 7 ilustra um diagrama de fluxo de exemplo para aotimização a viagem. Tal como previamente descrito, uma instalação remota, tal comouma expedição 60, pode fornecer informações. Como ilustrado, tais informações sãofornecidas para um elemento de controle executivo 62. Também fornecidas para oelemento de controle executivo 62 são as informações de modelagem do banco dedados 63 da locomotiva, as informações do banco de dados da linha 36 tais como, masnão limitadas a, informações sobre os graus da linha e as informações sobre os limitesde velocidade da linha, os parâmetros estimados do trem tais como, mas não limitados a,o peso do trem e os coeficientes de arrasto, e as tabelas das taxas de consumo decombustível a partir de um avaliador das taxas 64. O elemento de controle executivo 62fornece informações para o planejador 12, o qual está descrito com maiores detalhes nafigura 1. Uma vez que tenha sido calculada a viagem, o plano é fornecido para umelemento 51 controlador ou condutor e visualizador da condução. O plano de viagemtambém pode ser fornecido para o elemento de controle executivo 62 de forma que estepode comparar a viagem quando outros novos dados sejam fornecidos.

Tal como supra descrito, o elemento de condução 51 podeajustar, de forma automática, uma marcha de trabalho, tanto um ajuste pré-estabelecidopara a marcha de trabalho quanto uma marcha de trabalho contínua otimizada. Emadição ao fornecimento de um comando de velocidade para a locomotiva 31, é fornecidoum visor 68 para que o operador possa ver qual o plano que está sendo recomendado. Ooperador também tem acesso ao painel de controle 69. Por meio do painel de controle69, o operador pode decidir se deve aplicar a marcha de trabalho recomendada. Paraesta finalidade, o operador pode limitar uma potência limite ou alvo. Isto é, a qualquertempo o operador sempre tem a decisão final em relação ao ajuste da potência com oqual a consistência de locomotivas irá operar. O plano de viagem pode ser modificado(não mostrado) com base no conhecimento das informações de sinalização e dalocalização de outros trens no sistema. Esta informação poderia ser obtida a partir desistemas de controle da posição/velocidade da malha ferroviária e pare deste pode residirforma do trem. Por exemplo, um de tais sistemas pode incluir um sistema dito ControlePositivo do Trem (PTC - Positive Train ControI), o qual é um sistema integrado deinformações, comunicação, controle e comando destinado a controlar os movimentos dotrem com segurança, precisão e eficiência. De forma similar, o operador poderia limitar apotência com base nas informações de sinalização acima. Isto inclui decidir se devem seraplicados os freios caso o plano de viagem recomende a redução da velocidade do trem31. Por exemplo, quando se opera em um território negro, ou quando um equipamentomarginal não consegue transmitir eletronicamente as informações para o trem e ao invésdo operador ter que ver os sinais visuais dos equipamentos marginais, o operador insereos comandos com base nas informações contidas no banco de dados da linha e nossinais visuais do equipamento marginal. Baseado em como o trem 31 está funcionando,as informações relativas às medições do combustível são fornecidas para o avaliador ouestimador da taxa de consumo de combustível 64. Uma vez que a medição direta dofluxo de combustível não é tipicamente possível em uma consistência de locomotivas,todas as informações sobre o combustível até então consumido durante a viagem, bemcomo as projeções para o futuro seguindo o plano otimizado, são realizadas utilizando osmodelos físicos calibrados tais como aqueles utilizados no desenvolvimento dos planosotimizados. Por exemplo, tais previsões podem incluir, mas não estão limitadas, ao usoda potência bruta medida e das características conhecidas do combustível para derivarno combustível usado de forma cumulativa.

O trem 31 também apresenta um dispositivo Iocalizador 30,tal como um sensor GPS, tal como supra descrito. As informações são fornecidas para oavaliador 65 dos parâmetros do trem. Tais informações podem incluir, mas não estãolimitadas aos dados do sensor GPS, aos dados dos marcos ferroviários, aos dados dosesforços de tração/frenagem, aos dados sobre a situação dos freios, velocidade equaisquer variações nos dados sobre a velocidade. Junto as informações relativas aograu de inclinação e as informações sobre os limites de velocidade, as informaçõesrelativas ao peso do trem e aos coeficientes de arrasto são fornecidas para o elementode controle executivo 62.

As formas de realização de exemplo da presente invençãotambém podem permitir o uso de uma potência continuamente variável para oplanejamento otimizado e para a implementação de controle em Ioop fechado. Em umalocomotiva convencional, a potência é tipicamente quantificada em oito níveis discretosou individuais. As modernas locomotivas podem conseguir uma variação contínua doscavalos-vapor, o que pode ser incorporado nos métodos de otimização previamentedescritos. Com a potência contínua, a consistência de locomotivas 42 pode otimizarainda mais as condições operacionais, p. ex., através da minimização das cargasauxiliares e das perdas na transmissão da potência, e fazer um ajuste fino dofuncionamento do motor nas regiões de eficiência otimizada, ou nos pontos das margensde emissão incrementados. Exemplos incluem, mas não estão limitados à minimizaçãodas perdas no sistema de refrigeração, ao ajuste nas tensões do alternador, ao ajuste davelocidade do motor, e na redução do numero de eixos com ação motora. Além disto, alocomotiva 42 pode utilizar o banco de dados 36 embarcado sobre a linha e os requisitosde performance disseminados para minimizar as cargas auxiliares e as perdas natransmissão da potência de modo a obter uma eficiência otimizada para o consumo decombustível/emissões objetivados. Exemplos incluem, mas não estão limitados a, reduziro número de eixos de tração em terreno plano e o pré-resfriamento do motor dalocomotiva antes de adentrar um túnel.

As formas de realização de exemplo da presente invençãotambém podem usar o banco de dados 36 embarcado da linha férrea e a performancedisseminada para ajustar a performance da locomotiva, tal como para assegurar que otrem tem uma velocidade suficiente conforme este se aproxima de uma colina ou de umtúnel. Por exemplo, esta poderia ser expressa como uma restrição de velocidade paraum local em particular, a qual se torna parte da geração do plano otimizado através dasolução da equação (OP). Em adição, as formas de realização de exemplo da presenteinvenção podem incorporar as regras de condução do trem, tais como, mas não limitadasa, taxas de aumento do esforça de tração, taxas de aumento do esforço máximo defrenagem. Estes podem ser diretamente incorporados na fórmula para o perfil de viagemotimizada, ou alternativamente incorporados no regulador em Ioop fechado usado paracontrolar a aplicação da potência de modo a se obter a velocidade objetivada.

Em uma forma preferida de realização de exemplo dapresente invenção é somente instalada na locomotiva líder da consistência delocomotivas. Apesar das formas de realização de exemplo da presente invenção nãoserem dependentes dos dados e das interações com outras locomotivas, estas podemser integradas através da funcionalidade gerenciador da consistência, tal como descritonas patentes americanas de número US 6.691.957 e US 7.021.588 (cedidas ao presentecessionário e aqui incorporadas como referência) e/ou com a funcionalidade otimizadorde consistência de modo a melhorar a eficiência. A interação com diversos trens não évetada, tal como ilustrado através do exemplo da expedição arbitrando dois trens"otimizados de forma independente" aqui descrito.

Os exemplos da presente invenção podem ser usados emconsistências nas quais as locomotivas não são contíguas, p. ex., em uma ou maislocomotivas na frente, outras no meio e na parte de trás do trem. Tais configurações sãochamadas de potência distribuída, nas quais a conexão padrão entre as locomotivas ésubstituída por um canal de rádio ou um cabo auxiliar para ligar externamente aslocomotivas. Quando se opera com potência distribuída, o operador na locomotiva líderpode controlar as funções das locomotivas remotas da consistência através de sistemasde controle, tais como um elemento de controle da potência distribuída. Em particular,quando se opera com potência distribuída, o operador pode comandar cada consistênciade locomotivas para que estas operem com níveis de potência na marcha de trabalhodiferenciados (ou uma consistência poderia estar em tração enquanto outra poderia estarfreando), sendo que cada uma na consistência de locomotivas opera com a mesmapotência da marcha de trabalho.

Os trens com sistema de tração distribuída podem seroperados de modos diferentes. Um modo é quando todas as locomotivas no tremoperam com o mesmo comando para a marcha de trabalho. Assim, se a locomotiva líderestá comandando a aplicação de N8, todas as unidades do trem serão comandadas aatuar na marcha de trabalho N8. Outro modo de operação é através do controle"independente". Neste modo, as locomotivas ou os conjuntos de locomotivas distribuídosatravés do trem podem estar operando com esforços de tração ou de frenagemdiferentes. Por exemplo, conforme um trem alcança o cume de uma montanha, aslocomotivas líderes (já na descendente da montanha) podem estar acionando os freios,enquanto que as locomotivas no meio e na parte traseira do trem (na parte ascendenteda montanha) podem estar tracionando. Isto é feito para minimizar as forças dedistensão sobre os acoplamentos mecânicos que ligam os vagões nas locomotivas.

Tradicionalmente, a operação de um sistema de tração distribuída no modo"independente" requer que o operador comande manualmente cada locomotiva remota,ou cada conjunto de locomotivas, através de uma tela na locomotiva líder. Usando omodelo de plano baseado na física, as informações de ajuste do trem, o banco de dadosda linha a bordo, a regras de operação a bordo, o sistema de determinação dalocalização, o controle de tração/frenagem em tempo real e em Ioop fechado, e o retornodos sensores, o sistema pode automaticamente operar o sistema de tração distribuída nomodo "independente".

Quando se opera na forma de tração distribuída, o operadorna locomotiva líder pode controlar as funções operacionais das locomotivas remotas nasconsistências remotas através de um sistema de controle, tal como um elemento decontrole da tração distribuída. Assim, quando se opera na forma de tração distribuída, ooperador pode comandar cada consistência de locomotivas para operar com umamarcha de trabalho diferente (ou uma consistência poderia estar tracionando enquantooutra poderia estar freando), sendo que cada locomotiva individual dentro daconsistência de locomotivas opera com a mesma marcha de trabalho. Em uma forma derealização de exemplo, com a forma de realização de exemplo da presente invençãoinstalada no trem, de preferência em comunicação com o elemento de controle da traçãodistribuída, quando é desejado um nível de potência para a marcha de trabalho para umaconsistência de locomotivas remota, tal como quando recomendado pelo plano deviagem otimizado, a forma de realização de exemplo da presente invenção irá comunicareste ajuste de potência para a consistência de locomotivas remota de modo aimplementá-lo. Como descrito abaixo, o mesmo é verdadeiro em relação a aplicação dosfreios.

Quando se opera em potência distribuída, o problema daotimização previamente descrito pode ser incrementado de modo a permitir grausadicionais de liberdade, sendo que cada uma das unidades remotas pode ser controlada,de forma independente pela unidade líder. A praticidade disto está em que podem serincorporados objetivos adicionais ou restrições, relativas as forças internas ao trem, nafunção de performance, assumindo que também é incluído o modelo que reflete asforças internas ao trem. Assim, exemplos da presente invenção podem incluir o uso dediversos controles de aceleração de modo a manejar melhor as forças internas ao trem,assim como o consumo de combustível e as emissões.

Em um trem que utiliza um gerenciador de consistência, alocomotiva líder em uma consistência de locomotivas pode operar com um ajustediferente para a potência da marcha de trabalho que o das outras locomotivas nestaconsistência. As outras locomotivas na consistência operam com o mesmo ajuste para apotência da marcha de trabalho. As formas de realização de exemplo da presenteinvenção podem ser utilizadas em conjunto com o gerenciador de consistência paracomandar os ajustes das marchas de trabalho na consistência. Assim e com base nasformas de realização de exemplo da presente invenção, uma vez que o gerenciador deconsistência divide uma consistência de locomotivas em dois grupos, locomotiva líder eunidades posteriores, a locomotiva líder será comandada de modo a operar com umacerta marcha de trabalho e as locomotivas posteriores são comandadas para operar comuma outra marcha de trabalho. Em uma forma de realização de exemplo, o elemento decontrole da potência distribuída pode ser o sistema e/ou o dispositivo no qual estaoperação está alojada.

Da mesma forma, quando um otimizador de consistência éusado em uma consistência de locomotivas, as formas de realização de exemplo dapresente invenção também podem ser usadas em conjunto com o otimizador daconsistência para determinar a potência da marcha de trabalho para cada locomotiva naconsistência de locomotivas. Por exemplo, suponha que um plano de viagem recomendeum ajuste para a marcha de trabalho de 4 para a consistência de locomotivas. Com basena localização do trem, o otimizador da consistência irá levar em conta esta informação eentão determinar o ajuste para a marcha de trabalho para cada locomotiva dentro daconsistência. Nesta implementação, ê melhorada a eficiência dos ajustes da potênciaselecionada pela marcha de trabalho em relação aos canais de comunicação internos aotrem. Além do mais, e tal como supra descrito, a implementação desta configuração podeser realizada utilizando-se o sistema de controle distribuído.

Ainda mais, e tal como previamente descrito, as formas derealização de exemplo da presente invenção podem ser utilizadas para correçõescontínuas e para o re-planejamento com relação a quando a consistência do trem utilizaos freios, com base nos itens de interesse que surgem, tais como, mas não limitados a,os cruzamentos ferroviários, as alterações na inclinação da linha, a aproximação desinaleiros, a aproximação a pátios de depósito, e a aproximação a estações dereabastecimento, nas quais cada locomotiva da consistência pode precisar de umaopção de frenagem diferenciada.

Por exemplo, se o trem está ultrapassando o pico deuma montanha, a locomotiva à frente pode ter que entrar em uma condição de frenagem,enquanto que as locomotivas remotas, que ainda não alcançaram o pico da montanha,podem ter que permanecer na condição motriz.

As figuras 8, 9 e 10 mostram exemplos de ilustrações dastelas dinâmicas para uso pelo operador. De acordo com a figura 8, é fornecido 72 umperfil de viagem. Dentro do perfil, é fornecida a localização 73 da locomotiva. Sãotambém fornecidas algumas informações tais como o comprimento do trem 105 e onúmero de carros ferroviários 106 no trem. São também fornecidos elementos relativosao grau de inclinação 107 da linha, a curvatura e os elementos marginais 108, incluindo alocalização de pontes 109, e a velocidade do trem 110. A tela 68 permite que o operadorveja tais conformações e também veja onde o trem se encontra ao longo da rota. Sãofornecidas as informações relativas à distância e/ou ao tempo estimado de chegada paraalguns locais tais como cruzamentos 112, sinais 114, mudanças de velocidade 116,marcos terrestres 118 e destinos 120. É também prevista uma ferramenta degerenciamento do tempo de chegada 125 de modo a permitir ao usuário determinar aeconomia de combustível que está sendo conseguida durante a viagem. O operador tema capacidade de alterar os horários de chegada e presenciar como isto irá afetar aeconomia de combustível. Como aqui descrito, aquelas pessoas com proficiência na arteirão perceber que a economia de combustível é apenas um exemplo de somente umobjetivo que pode ser revisto através da ferramenta de gerenciamento. Neste sentido, edependendo do parâmetro que está sendo visto, os outros parâmetros aqui descritospodem ser vistos e avaliados pela ferramenta de gerenciamento que está visível aooperador. Além disto ao operador também são fornecidas as informações relativas àquanto tempo a tripulação está operando o trem. Nas formas de realização de exemplo,as informações concernentes ao tempo e à distância tanto podem ser ilustradas deacordo com o tempo e/ou com a distância até um evento em particular e/ou umalocalização, quanto podem fornecer o tempo total transcorrido.

Tal como o quanto ilustrado na figura 9, uma tela deexemplo de fornece as informações acerca dos dados da consistência 130, e doseventos e situações geográficas 132, de uma ferramenta de gerenciamento dos horáriosde chegada 134 e das teclas de ação 136. Da mesma forma, as informações similares assupra descritas são mostradas nesta tela. A tela 68 também prevê as teclas de ação 138para permitir ao operador re-planejar, assim como desabilitar as formas de realização deexemplo da presente invenção.

A figura 10 ilustra uma outra forma de realização deexemplo de uma tela. Nesta podem ser visualizados os dados típicos de uma locomotivamoderna, incluindo a situação dos freios a ar 72, o velocímetro analógico com indicaçãodigital 74, e as informações acerca do esforço ou força de tração em libras força (ou emampéres de tração para as locomotivas elétricas DC). É fornecido um indicador 74 paramostrar a velocidade ótima atual no plano que está sendo executado, assim como umgráfico de aceleração para suplementar a leitura em mph/minuto. Os novos dadosimportantes para a execução do plano otimizado se encontram no centro da tela,incluindo um gráfico 76, de tipo com curva flutuante, com a velocidade e o ajuste damarcha de trabalho otimizados em função da distância, comparados com o histórico atualdestas variáveis. Na forma de realização de exemplo, a localização do trem é derivadautilizando o elemento localizador. Tal como ilustrado, a localização é fornecida através daidentificação de quão distante o trem se encontra em relação ao seu destino final, deuma posição absoluta, de um destino inicial, de um ponto intermediário e/ou de umaentrada do operador.

A curva fornece uma visão antecipada relativa às mudançasde velocidade necessárias para seguir o plano otimizado, as quais são úteis para ocontrole manual, e monitoram o plano em função da duração atual do controleautomático. Tal como aqui descrito, e de acordo com o modo de instrução, o operadortanto pode seguir o marcha de trabalho ou a velocidade sugerida pela forma derealização de exemplo da presente invenção. A barra vertical da uma indicação gráficadas marchas de trabalho atual e desejada, as quais também são mostradas digitalmenteabaixo da curva. Quando é utilizada uma marcha de trabalho contínua, tal como supradescrito, a tela simplesmente irá contornar o equivalente discreto mais próximo, a telapodendo ser uma tela analógica de tal forma a que seja mostrado um equivalenteanalógico ou um percentual ou o real da potência/esforço de tração.

As informações críticas sobre a situação da viagem sãomostradas na tela, e indicam o atual grau de inclinação que o trem encontra 88, tantopela locomotiva líder, por um local qualquer ao longo do trem ou como uma média emrelação ao comprimento do trem. Também são mostradas a distância até entãopercorrida do plano 90, o total acumulado de combustível usado 92, qual ou a quedistância está planejada a próxima parada 94, o horário de chegada atual e o projetado96 e o horário esperado para a próxima parada. A tela 68 também mostra o máximo detempo possível até o destino que é possível a partir dos planos computados disponíveis.Se é necessária uma chegada mais tardia, pode ser realizado um re-planejamento. Osdados do plano delta mostram a situação do combustível e a agenda à frente ou atrás doplano otimizado atual. Os números negativos indicam menos combustível ouadiantamento em comparação com o plano, os números positivos significam maiscombustível ou atraso em comparação com o plano. Tipicamente, as movimentações emdireção oposta (reduzir a velocidade para economizar o combustível causa um atraso dotrem, e vice versa).

A qualquer momento, as telas 68 dão ao operador umaposição instantânea de onde ele se encontra com relação ao plano de conduçãoatualmente instituído. Esta tela tem somente um propósito ilustrativo, visto que existemdiversas outras formas de apresentar/transmitir estas informações para o operador e/oupara a expedição. Neste sentido, as informações supra descritas podem ser mescladasde modo a fornecer uma tela diferente que as descritas.

Outras características que podem ser incluídas nas formasde realização de exemplo da presente invenção incluem, mas não estão limitadas a,permitir a geração de registros de dados e de relatórios. Estas informações podem serarmazenadas no trem e baixadas para um sistema não embarcado em algum momento.Os downloads podem acontecer por via manual e/ou através de uma transmissão semfio. Estas informações também podem ser vistas por um operador através de uma tela nalocomotiva. Os dados podem incluir informações tais como, mas não limitadas a, asentradas do operador, o tempo pelo qual o sistema está operacional, o combustíveleconomizado, o desequilíbrio da quantidade de combustível nas locomotivas do trem, ajornada do trem fora de curso, os problemas de diagnóstico do sistema tal como o maufuncionamento de um sensor GPS.

Posto que os planos devem levar em consideração o tempode trabalho permitido para a tripulação, as formas de realização de exemplo da presenteinvenção podem levar em consideração estas informações durante o planejamento daviagem. Por exemplo, caso o máximo de tempo que a tripulação possa operar seja deoito horas, então a viagem deve ser conformada de modo a incluir os locais de paradapara que uma nova tripulação possa substituir a tripulação atual. Tais locais específicosde parada podem incluir, mas não estão limitados a, os pátios ferroviários, os locais deencontro/ultrapassagem, etc. Se, conforme avança a viagem, possa ser excedido otempo de trabalho da tripulação, as formas de realização de exemplo da presenteinvenção podem ser ignoradas pelo operador para satisfazer um critério determinadopelo operador. Por fim, e a despeito das condições operacionais do trem, tais como, masnão limitadas a, carga elevada, baixa velocidade, condição de tensão interna do trem,etc., o operador permanece no controle de modo a comandar a velocidade e/ou ascondições operacionais do trem.

Utilizando as formas de realização de exemplo da presenteinvenção, o trem pode operar dentro de uma pluralidade de conceitos operacionais. Emum conceito operacional, uma forma de realização de exemplo da presente invençãopode fornecer os comandos para comandar a propulsão, os freios dinâmicos. O operadorentão realiza todas as outras funções do trem. Em um outro conceito operacional, umaforma de realização de exemplo da presente invenção pode prever os comandossomente para comandar a propulsão. O operador então realiza a frenagem dinâmica etodas as demais funções. Em mais um outro conceito operacional, uma forma derealização de exemplo da presente invenção pode prever os comandos da propulsão, dafrenagem dinâmica e da aplicação dos freios a ar. O operador então realiza todas asdemais funções do trem.

As formas de realização de exemplo da presente invençãotambém podem ser usadas para notificar o operador sobre itens que se apresentem deinteresse em relação a ações a serem tomadas, especificamente, a lógica disseminadadas formas de realização de exemplo da presente invenção as correções contínuas e ore-planejamento do plano de viagem otimizado, o banco de dados da linha, o operadorpode ser notificado da aproximação de cruzamentos, de sinais, de mudanças no grau deinclinação, da ação dos freios, de marcos marginais, de pátios ferroviários, de estaçõesde abastecimento, etc. Esta notificação pode acontecer de forma sonora e/ou através dainterface do operador.

Através especificamente do uso do modelo de planejamentobaseado no comportamento físico, nas informações de partida, no banco de dados dalinha a bordo, das regras operacionais a bordo, no sistema de determinação dalocalização, no controle dos freios/potência em Ioop fechado e em tempo real, e noretorno dos sensores, o sistema apresenta e/ou notifica ao operador as açõesnecessárias. A notificação pode ser visual ou audível. Exemplos incluem a notificação decruzamentos os que requerem que o operador ative a buzina ou o sino da locomotiva, anotificação de cruzamentos "silenciosos" que não requerem que o operador ative abuzina ou o sino da locomotiva.

Em uma outra forma de realização de exemplo, e utilizandoo modelo de planejamento baseado no comportamento físico tal como supra, asinformações de partida, o banco de dados da linha à bordo, as regras operacionais àbordo, o sistema de determinação da localização, o controle dos freios/potência em Ioopfechado e em tempo real, e o retorno dos sensores, as formas de realização de exemploda presente invenção podem apresentar ao operador as informações (p. ex., um gabaritona tela) que permite que o operador veja quando o trem irá chegar em diversos locais, talcomo ilustrado na figura 9. O sistema permite ao operador ajustar o plano de viagem(horário de chegada objetivado). Estas informações (horários de chegada atualmenteestimado ou as informações necessárias para derivar não a bordo) também podem sercomunicadas para o centro de expedição de modo a permitir ao despachante ou aosistema de despachos ajustar os horários de chegada objetivados. Isto permite que osistema ajuste rapidamente e otimize a função objetivada apropriada (por exemplo avelocidade de deslocamento e o combustível utilizado).

Com base nas informações fornecidas acima, as formas derealização de exemplo da presente invenção podem ser usadas para determinar alocalização de trem 31 na linha, etapa 18. Também pode ser conseguida a determinaçãodas características da linha, tal como através de uso do avaliador de parâmetros do trem65. Pode ser geado um plano de viagem com base na localização do trem, dascaracterísticas da linha, e das condições operacionais de ao menos uma locomotiva dotrem. Além do mais, um requisito de potência ótima pode ser comunicado ao trem, sendoque o operador do trem pode ser direcionado a uma locomotiva, a uma consistência delocomotivas e/ou a um trem, de acordo com a potência ótima, tal como através de umsistema de comunicação sem fio 47. Em um outro exemplo, ao invés de ser direcionadoao operador, o trem 31, a consistência de locomotivas 18 e/ou a locomotiva podem serautomaticamente operadas com base nos ajustes ótimos da potência.

Em adição, um método também pode envolver adeterminação do ajuste de potência, ou dos comandos de potência 14, para a locomotiva18, com base no plano de viagem. A consistência de locomotivas 18 é então operadaneste ajuste de potência. Os parâmetros operacionais do trem e/ou da consistência delocomotivas podem se coletados, tal como mas não limitado a velocidade atual do trem, oajuste atual da potência para a consistência de locomotivas, e uma localização do trem.Pelo menos um destes parâmetros pode ser comparado com o ajuste de potência com oqual a consistência de locomotivas é comandada para operar.

Em uma outra forma de realização, um método podeenvolver a determinação dos parâmetros operacionais 62 do trem e/ou da consistênciade locomotivas. Um parâmetro operacional desejado é determinado com base nosparâmetros operacionais determinados. O parâmetro determinado é comparado com oparâmetro operacional. Se é detectada uma diferença, o plano de viaem é ajustado,etapa 24.Uma outra forma de realização pode compreender ummétodo no qual é determinada uma localização do trem 31 sobre a linha 34. Também édeterminada uma característica da linha 34. O plano de viagem, ou plano de condução, édesenvolvido, ou gerado, de modo a minimizar o consumo de combustível. O plano deviagem pode ser gerado com base na localização do trem, na característica da linha e/ouna condição operacional da consistência de locomotivas 18 e/ou do trem 31. Em ummétodo similar, uma vez determinada a localização do trem sobre a linha e acaracterística da linha é conhecida, o controle da propulsão e/ou os comandos damarcha de trabalho são fornecidos de modo a minimizar o consumo de combustível.

Considerando que a descrição abaixo descreve oincremento do banco de dados realizado com relação a um otimizador de viagem, autilização do incremento do banco de dados com a otimização da viagem não precisanecessariamente acontecer. Assim, um plano de viagem otimizado não precisa seratualizado com base no banco de dados incrementado. Ao invés disto, o banco de dadosincrementado pode ser usado para planos de viagem otimizados no futuro.

Tal como supra descrito, os diversos algoritmos deotimização da viagem usam as informações (em uma forma de realização, armazenadasdentro do banco de dados 63 da figura 7) da linha e/ou do trem (aqui linha/trem) paraplanejar a viagem otimizada sobre trechos individuais da linha, coletivamente formandouma viagem otimizada do tem por uma trajetória da linha compreendendo diversostrechos de linha. Os algoritmos determinam o desenvolvimento da velocidade do trem e,em uma forma de realização em Ioop fechado, controlam o trem de acordo com estedesenvolvimento. Alternativamente, o otimizado avisa o operador do trem sobre odesenvolvimento de velocidade ótimo que é desejado durante a viagem, permitindo que ooperador controle o trem de acordo com o desenvolvimento apresentado. Contudo, ooperador pode estar ciente das condições operacionais que o motivaram a desviar dodesenvolvimento de velocidade otimizado apresentado.

De acordo com uma forma de realização de exemplo dapresente invenção, as informações de banco de dados da linha, compreendendo oselementos que caracterizam a linha, é atualizado e incorporado no processo de ajuste doplano (tal como representado pelo bloco 26 da figura 1) e/ou incorporado no processo dere-planejamento (tal como representado pelo bloco 24 da figura 1) de modo a melhoraros resultados da otimização. O plano ajustado ou o novo plano melhoram a eficiência dalocomotiva em relação ao consumo de combustível (ou outro parâmetro que é otimizadode acordo com o otimizado do plano de um exemplo da presente invenção) para seconseguir um beneficio operacional ou uma economia para o trem ou para a malhaferroviária.

As informações de caracterização da linha compreendem avelocidade permitida, as restrições de velocidade, o grau de inclinação da linha, a idadeda linha, as condições da linha, as condições do tempo, etc., ainda incluindo qualquerinformação da linha a qual afete a capacidade de propulsão da locomotiva ou que pare alocomotiva (p. ex., o coeficiente de atrito do trilho) na linha.

Os dados do trem também podem ser armazenados nobanco de dados 63. Por exemplo, o esforço, ou força, de tração e o esforço, ou força, defrenagem aplicados pelo trem conforme este se locomove através de um trecho da linhapodem ser determinados e armazenados no banco de dados 63, para uso pelo algoritmootimizador, de modo a gerar o desenvolvimento da velocidade. Por exemplo, se um tremreduz a velocidade em um local em particular na linha, devido a um problema na linha, ootimizador pode, da mesma forma, reduzir a velocidade do trem na mesma regiãodurante as viagens seguintes feitas sobre a linha afetada. O otimizador de viagem assimgera um plano que é mais realístico e de acordo com as operações reais do trem aolongo do trecho da linha. Alternativamente, o otimizador de viagem pode levar isto emconta e planejar a viagem de forma apropriada, ou pode corrigir o banco de dados dalinha para os usos futuros.

Após o problema da linha ter sido resolvido, um trem quepassa pela linha afetada irá determinar que o problema foi resolvido, atualizar os seubanco de dados de forma apropriada, e fornecer as informações atualizadas da linhapara outros trens programados para passar pelo trecho da linha e/ou para um estoquecentral remoto a partir do qual as informações atualizadas da linha podem ser usadaspara gerar os planos de viagem otimizados para os outros trens. O otimizador de viagempode então otimizar o deslocamento por sobre este trecho da linha sem a restriçãocausada pela linha danificada.

De acordo com uma forma de realização de exemplo dapresente invenção, as informações de caracterização da linha atualizadas ou maisrecentes são armazenadas no banco de dados 63 e fornecidas para o algoritmootimizador de viagem para atualizar e para melhorar a precisão do banco de dados dalinha. Por exemplo, as informações sobre a altitude da linha armazenadas no banco dedados 63 podem incluir uma medição atualizada da altitude em uma determinadaocorrência, tal como, mas não limitada a, uma distância específica como a cada milha,em cada ponto as mudanças no grau de inclinação e/ou as mudanças na curvatura dalinha a cada momento, com os valores da altitude interpolados entre dois pontos dedados de altitude sucessivos. Para melhorar a precisão das informações da altitude eevitar as estimativas interpoladas, as informações de localização de acordo com umaforma de realização de exemplo da invenção, tal como determinadas através dainformações de localização de GPS (Sistema de Posicionamento Global), incluindo tantoas localizações geográficas quanto a altitude no local, são determinadas e fornecidaspara o banco de dados 63. Estas informações podem ser coletadas em tempo realconforme o trem se desloca por um trecho da linha e atualizadas diretamente no bancode dados 63. As informações também podem ser coletadas pelo pessoal do trem(pessoal de manutenção da linha, por exemplo) e fornecidas a um estoque central paraum eventual carregamento para o banco de dados 63, ou fornecidas para qualquerbanco de dados a partir do qual o algoritmo supra descrito extrai as informações paracomputar um desenvolvimento ótimo da viagem. As informações incrementadas sobre aaltitude devem gerar um desenvolvimento da velocidade mais preciso e portanto maiseficiente, melhorando a eficiência de consumo de combustível pelo trem.

Em uma outra forma de realização de exemplo da invenção,diversos sensores montados na locomotiva, nos vagões ou no dispositivo ao final do tremdetectam estas condições relacionadas com a linha e fornecem os dados relativos ascondições detectadas para armazená-las no banco de dados 63. Por exemplo, um vídeo,ou mesmo uma câmera, montado na locomotiva coleta os dados da linha para umaanálise e interpretação posteriores. Os resultados das analises são carregados no bancode dados 63 de quaisquer trens que trafegam pelo trecho da linha.

As informações atualizadas da linha podem ser usadaslocalmente, isto é, pelo trem que coleta as informações para revisar o plano de viagemem execução em tempo real. As informações também podem ser carregadas para outrostrens ou para um estoque central para uso em conjunto com os planos de viagemotimizados para os outros trens que irão passar depois pelo trecho da linha.

As informações atualizadas fornecidas por diversos trensque passam pelo trecho da linha podem ser agregados para uso na criação de futurosplanos de viagem. Os dados agregados também podem ser analisados em relação atendências e probabilidades de condições.

Por exemplo, se as informações da linhaindicam certas condições climáticas prováveis em um intervalo te tempo específico paraum trecho especifico da linha, o processo de otimização da viagem e o algoritmo podemconsiderar os efeitos destas condições climáticas/sazonais quando da geração dosplanos de viagem para este trecho da linha durante o intervalo especifico de tempo.Apesar das condições do clima poderem diferir da condição esperada quando m trematravessa, de fato, o trecho da linha, o otimizador da viagem otimizou a maioria dasviagens sobre este trecho durante o intervalo de tempo de interesse.

Em uma outra forma de realização, o esforço de tração, oesforço de frenagem, a inércia e/ou a velocidade são usados para determinar o grau deinclinação da linha. Qualquer que seja a posição da marcha de trabalho (incluindo amarcha de trabalho na posição neutra), a taxa de mudança na velocidade do trem éafetada pelo arrasto e pelo grau de inclinação da linha. Para determinar o grau deinclinação da linha, a taxa de mudança da velocidade é determinada e comparada comataxa de mudança de velocidade esperada. Um não casamento indica que o grau deinclinação assumido para o trecho não está correto.

O não casamento pode ser confirmado por diversos trens,no tocante a precisão estatística, e para confirmar que um erro ocorreu devida a umaestimativa devido a erros dos sensores ou de outros parâmetros de interferência, talcomo vento/arraste. Qualquer desvio do quanto projetado/esperado pode significar quequalquer dos parâmetros assumidos do trem (peso, arrasto, comprimento, etc.) e ou dosparâmetros da linha (grau de inclinação, curvatura, etc.) não estão corretos. Osparâmetros do trem, se assumidos como errados, irão em geral se manifestar através daviagem, ou uma parte significativa da viagem; considerando que o não casamento entreos parâmetros da linha irão normalmente se manifestar somente nos pontos onde ocorreo não casamento. A determinação do não casamento entre os parâmetros da linha podeaumentar a performance no resto da linha ou podem ser usados para corrigir as viagensfuturas se existir um não casamento consistente. Sempre que é determinado um erro emum parâmetro do trem, este pode ser usado para o resto da viagem. Contudo, se ocoeficiente de arrasto, por exemplo, assumido para todos os trens de um tipo emparticular está errado, então os planos futuros, para quaisquer trens deste tipo, podemser corrigidos.

Um valor de inércia pode ser assumido como constanteatravés de uma viagem e, portanto, as informações de performance do trem podemconfirmar se o valor da inércia é correto, a inércia assumida sendo usada para oscálculos do grau de inclinação da linha. Por exemplo, toda a vez que existem umamudança no esforço de tração, a correspondente mudança de aceleração determina ainércia do trem (assumindo não existirem mudanças no grau de inclinação ao mesmotempo em que ocorre uma mudança no esforço de tração). Ainda mais, o efeito de umamudança no grau apresenta um efeito gradual na aceleração do trem, posto que o graumédio de inclinação dirige as mudanças na aceleração. Por exemplo, as mudanças noesforço de tração podem ser observadas a cada mudança na marcha de trabalho, e umavez que podem ser feitas diversas observações, o efeito das mudanças no grau deinclinação e no arraste podem ser levadas a média zero. Uma vez que a inércia éconhecida, o grau de inclinação pode ser determinado com base no desvio da aceleraçãoem relação a aceleração esperada, assumindo que o coeficiente de arraste não foialterado no mesmo momento. De forma similar, o valor assumido para o arraste pode sercomparado com a operação antes e após os pontos de interesse. O valor assumido parao arraste também pode ser determinado a partir de diversos outros trens que sedeslocam pelo mesmo trecho.

Em um outro exemplo, diversos trens que passam pela linhapodem de deparar com a patinação das rodas. As analises dos dados coletados podeindicar uma falha no sistema de lubrificação da linha. O otimizador de viagem pode incluira condição de deslizamento no plano de viagem. Quando o sistema de lubrificação éreparado, os outros trens que passem pela linha não irão indicar um deslizamentoexcessivo da roda e o banco de dados da linha poderá ser atualizado de formaapropriada, em resposta ao que o otimizador de viagem remove a condição do processode planejamento da viagem. De forma similar, os dados acerca das condições do tempo,as quais podem afetar o tempo de viagem, podem ser coletadas. O otimizador de viageminclui as condições do tempo em seu plano de viagem. Uma vez que as condições detempo melhorem, o banco de dados d linha pode ser atualizado, sendo que o otimizadorde viagem remove esta condição do processo de planejamento da viagem.

Para as locomotivas equipadas com um sistema dedetecção de sinais, as informações dos sinais para o blocos adiante do presente bloco dalinha também podem ser fornecidas para o otimizador de viagem. Os equipamentosmarginais também podem ser usados para determinar e fornecer informaçõesatualizadas da linha para o banco de dados 63. Por exemplo, um equipamento marginalpode determinar certas condições da linha e dos trilhos (p. ex., a temperatura dosmancais das rodas, o número de vagões no trem, o perfil da roda) e transmitir estasinformações para o trem conforme este passa pelo equipamento marginal. Umdispositivo de fim de trem pode ser equipado com sensores para determinar asinformações da linha e um dispositivo de comunicação pode fornecer as informaçõespara o banco de dados 63.

A inércia do trem, o esforço de tração aplicado pelooperador, o esforço de frenagem aplicado pelo operador, a velocidade da locomotiva, adistancia entre a locomotiva e um local conhecido, a pressão barométrica, asinformações de vídeo da câmera da locomotiva (isto é a partir de uma câmera de vídeoinstalada no trem) e as entradas feitas pelo operador em relação a trechos específicos dalinha podem ser armazenadas no banco de dados 63 e usadas pelo algoritmo otimizadorde viagem para melhorar o processo de otimização. As informações em tela podem sercoletadas de todos os trens que passam pelo trecho da linha. Cada trem pode forneceras informações coletadas para o banco de dados 63 para uso pelo otimizador de viagemque está sendo executado pelo trem.

Em adição, e de modo a permitir que outros trens quevenham a passar posteriormente pelo trecho da linha tirem vantagem destasinformações, as informações coletadas são carregadas para um banco de dados quetodos os trens acessam ou que o algoritmo otimizador de viagem acesse conforme esteelabora os planos otimizados de viagem para os trens que se deslocam pelo trecho dalinha de interesse. Apesar destas entradas adicionais não resultarem necessariamenteem uma trajetória de solução otimizada, estas irão resultar em uma trajetória maisprecisa em vista das aplicações do esforço de tração e de frenagem reais pelo operadorno trecho de linha de interesse.

Certos dados operacionais coletados do trem, tal comosupra descrito, podem ser usados diretamente pelo otimizador de viagem. Por exemplo,a altitude da linha afeta diretamente o consumo de combustível e pode ser usada oeloalgoritmo de otimização para determinar, de forma mais precisa, o consumo decombustível e assim otimizar o consumo de combustível.

Certas características da linha são calculadas a partir dosdados operacionais coletados. As características determinadas da linha são entãousadas nos algoritmos de otimização. Por exemplo, a potência medida (esforço de traçãoou posição da marcha de trabalho) e a aceleração são usadas para se determinar o graude inclinação da linha e uma localização específica no trecho da linha. O grau calculadoé então usado no algoritmo de otimização.

A figura 11 ilustra as informações de caracterização da linhaque podem ser fornecidas enquanto um trem passa pelo trecho da linha. Com oprovimento das informações adicionais, o otimizador de viagem pode descrever, deforma mais precisa, as condições que o trem irá encontrar no trecho da linha de interessee assim produzir uma trajetória de velocidade mais realista e eficientemente otimizada.

Quando o banco de dados 63 é atualizado de acordo comos diversos métodos aqui descritos, os novos dados podem ser usados pra planejarfuturas viagens pelo trecho da linha de interesse e/ou para re-planejar a viagem atual. Ore-planejamento da viagem atual pode ser especialmente importante caso exista umagrande discrepância entre um ou mais valores usados no plano de viagem inicial e umvalor posteriormente determinado para o mesmo parâmetro.

A figura 12 ilustra um diagrama de fluxo para os exemplosdas etapas para a operação de um trem durante uma viagem ao longo de um trecho dalinha. O diagrama de fluxo 200 inclui determinar as informações sobre o trecho da linhana etapa 210. A determinação é feita em relação a uma localização do trem em umalinha ou em um tempo a partir do início da viagem na etapa 220. As informações sobre otrecho da linha são armazenadas na etapa 230. Ao menos uma condição operacional deao menos uma das locomotivas é determinada na etapa 240. É criado um plano deviagem em resposta a localização do trem, as informações do trecho da linha, e de aomenos uma condição operacional para otimizar a performance da locomotiva de acordocom um ou mais critérios operacionais para o trem, na etapa 250. O sistema e/ou ométodo de otimização da viagem supra descritos podem ser usados na geração de umplano de viagem. O plano de viagem pode ser revisado com base nas informações dotrecho da linha e/ou das informações do trem coletadas durante a viagem, na etapa 260.Tal como supra descrito, este diagrama de fluxo pode ser implementado utilizando umcódigo de programa de computador.

Apesar da invenção ter sido descrita com referência a umaforma de realização de exemplo, ficará claro aos peritos na arte que podem ser feitasdiversas mudanças, omissões e/ou adições, bem como que elementos desta podem sersubstituídos por equivalentes sem com isto escapar do espírito e do escopo da invenção.Ainda mais, podem ser feitas diversas modificações de modo a adaptar um material emparticular ou uma situação em particular aos ensinamentos da invenção, sem com istoescapar do escopo desta. Portanto, pretende-se que a invenção não seja limitada pelaforma particular de realização, descrita como a melhor forma contemplada de realizaçãoda invenção, mas que a invenção deva incluir todas as formas de realização que recaemdentro do escopo das reivindicações em anexo. Além do mais, a menos que sejaespecificamente declarado, qualquer uso dos termos primeiro, segundo, etc., não indicaqualquer ordem ou importância, mas ao invés disto, os termos primeiro, segundo, etc.,são usados para distinguir um elemento de outro.

Claims

1. Sistema para fornecer ao menos uma entre informaçõesde tre ou informações de caracterização da linha para uso na performance de um trem,compreendendo:a. um primeiro elemento para determinar ao menos um entre a localização de um tremem um trecho da linha ou um tempo a partir do início da viagem;b. um elemento de caracterização da linha para fornecer as informações do trecho dalinha;c. um sensor para medir uma condição operacional de ao menos uma entre aslocomotivas de um trem;d. um banco de dados para armazenar ao menos uma entre as informações do trechoda linha ou a condição operacional de ao menos uma dentre as locomotivas; ee. um processador para correlacionar as informações do primeiro elemento, doelemento de caracterização da linha, do sensor e do banco de dados, de forma que obanco de dados pode ser usado para gerar um plano de viagem o qual otimiza aperformance do trem de acordo com um ou mais critérios operacionais do trem.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual asinformações sobre o trecho da linha compreendem ao menos uma entre uma restriçãopara a mudança de velocidade, o grau de inclinação da linha, a curvatura da linha, opadrão de tráfego no trecho da linha, a velocidade permitida, a velocidade atual, asrestrições de velocidade, a idade da linha, a condição da linha, as condições do tempo, oesforço de tração, e o esforço de frenagem.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, aindacompreendendo um elemento de comunicação para fornecer as informações do trechoda linha, não embarcado no trem, para uso pelo processador de outros trens que sedeslocam pelo trecho da linha.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, no qual oelemento de comunicação fornece ao menos uma entre as informações do trecho dalinha ou as condições operacionais para ao menos um das locomotivas para um localremoto, e sendo que no local remoto as informações do trecho da linha são usadas paragerar um plano de viagem para outros trens que se deslocam pelo trecho da linha.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, no qual oelemento de comunicação compreende um elemento de comunicação marginal parafornecer as informações do trecho da linha para outros trens através de um elemento decomunicação marginal.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, no qual asinformações do trecho da linha compreendem qualquer condição da linha que afete acapacidade de propulsão da locomotiva ou a parada da locomotiva.

7. Sistema para operar um trem durante uma viagem aolongo de um trecho de linha, o trem compreendendo uma ou mais consistências delocomotivas, com cada consistência de locomotivas compreendendo uma ou maislocomotivas, o sistema compreendendo:a. um primeiro elemento para determinar ao menos um entre a localização de um tremem um trecho da linha ou um tempo a partir do início da viagem;b. um elemento de caracterização da linha para fornecer as informações do trecho dalinha;c. um sensor para medir uma condição operacional de ao menos uma entre aslocomotivas;d. um banco de dados para armazenar ao menos uma entre as informações do trechoda linha ou a condição operacional de ao menos uma dentre as locomotivas; ee. um processador operado de modo a receber as informações de ao menos um entre oprimeiro elemento, o sensor, o elemento de caracterização da linha e o banco dedados, de forma a gerar um plano de viagem o qual otimiza a performance dalocomotiva de acordo com um ou mais critérios operacionais do trem.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual,durante a viagem, o elemento de caracterização da linha fornece ao menos uma entre asinformações atualizadas do trecho da linha ou as informações atualizadas do trem para obanco de dados.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, aindacompreendendo um elemento controlador parar conduzir, de forma autônoma, o trem emseguimento ao plano de viagem.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual umoperador conduz o trem de acordo com o plano de viagem.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual oprocessador gera um plano de viagem atualizado durante a viagem em resposta asinformações atualizadas sobre o trecho da linha.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual asinformações sobre o trecho da linha compreendem ao menos uma entre uma restriçãopara a mudança de velocidade, o grau de inclinação da linha, a curvatura da linha, opadrão de tráfego no trecho da linha, a velocidade permitida, a velocidade atual, asrestrições de velocidade, a idade da linha, a condição da linha, as condições do tempo, oesforço de tração, e o esforço de frenagem.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, aindacompreendendo um elemento de comunicação para fornecer as informações do trechoda linha, não embarcado no trem, para uso pelo processador de outros trens que sedeslocam pelo trecho da linha.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, no qual oelemento de comunicação fornece ao menos uma entre as informações do trecho dalinha ou as condições operacionais para ao menos um das locomotivas para um localremoto, e sendo que no local remoto as informações do trecho da linha são usadas paragerar um plano de viagem para outros trens que se deslocam pelo trecho da linha.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 13, no qual oelemento de comunicação compreende um elemento de comunicação marginal parafornecer as informações do trecho da linha para outros trens através de um elemento decomunicação marginal.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual asinformações do trecho da linha compreendem qualquer condição da linha que afete acapacidade de propulsão da locomotiva ou a parada da locomotiva.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual ascondições operacionais de ao menos uma das locomotivas compreendem qualquerinformação da locomotiva a qual afete a capacidade de propulsão da locomotiva ou aparada da locomotiva.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 7, no qual oelemento de caracterização da linha compreende uma câmera.

19. Método para operar um trem durante uma viagem aolongo de um trecho da linha, o trem compreendendo uma ou mais consistências delocomotivas com cada consistência de locomotiva compreendendo uma ou maislocomotivas, o método compreendendo:a. determinar uma localização do trem em um trecho da linha ou um tempo a partir doinício da viagem;b. determinar uma informação sobre o trecho da linha;c. armazenar a informação sobre o trecho da linha;d. determinar ao menos uma condição operacional de ao menos uma das locomotivas;ee. gerar um plano de viagem em resposta a ao menos uma entre a localização do trem,a informação sobre o trecho da linha, e ao menos uma entre uma condiçãooperacional para otimizar a performance da locomotiva de acordo com uma ou maiscritérios operacionais para o trem.

20. Método, de acordo com a reivindicação 19, aindacompreendendo revisar o plano de viagem durante a viagem com base em ao menosentre as informações sobre o trecho da linha e ao menos uma condição operacional deao menos uma das locomotivas, coletadas durante a viagem.

21. Método, de acordo com a reivindicação 19, aindacompreendendo revisar o plano de viagem em resposta as informações sobre o trechoda linha coletadas por outros trens que se deslocam pelo trecho da linha.

22. Método, de acordo com a reivindicação 19, no qual asinformações sobre o trecho da linha compreendem ao menos uma entre a velocidadepermitida, as restrições de velocidade, a inércia do trem, a pressão barométrica, asimagens, o grau de inclinação da linha, a idade da linha, a condição da linha, ascondições do tempo, as informações da linha que afetam a capacidade de propulsão dotrem, as informações da linha que afetam a capacidade de parada do trem, o coeficientede atrito da linha, o esforço de tração, o esforço de frenagem aplicado, a localização e aaltitude, os sinais para os blocos de linha adiante.

23. Método, de acordo com a reivindicação 19, aindacompreendendo controlar o trem de acordo com o plano de viagem.

24. Método, de acordo com a reivindicação 19, aindacompreendendo informar ao operador do trem sobre o plano de viagem, sendo que ooperador pode controlar o trem de acordo com o plano de viagem.

25. Código de programa de computador para operar umtrem, apresentando um processador de computador, o código para operar o trem duranteuma viagem ao longo de um trecho da linha, o trem compreendendo uma ou maisconsistências de locomotivas com cada consistência de locomotiva compreendendo umaou mais locomotivas, o código de programa de computador compreendendo:a. um módulo de programa para determinar uma informação sobre o trecho da linha;b. um módulo de programa para armazenar a informação sobre o trecho da linha;c. um módulo de programa para determinar ao menos uma condição operacional de aomenos uma das locomotivas; ed. um módulo de programa para gerar um plano de viagem em resposta a ao menosuma entre a localização do trem, a informação sobre o trecho da linha, e ao menosuma entre uma condição operacional para otimizar a performance da locomotiva deacordo com uma ou mais critérios operacionais para o trem.

26. Código de programa de computador, de acordo com areivindicação 25, ainda compreendendo revisar o plano de viagem durante a viagem combase em ao menos entre as informações sobre o trecho da linha e ao menos umacondição operacional de ao menos uma das locomotivas, coletadas durante a viagem.

27. Código de programa de computador, de acordo com areivindicação 25, ainda compreendendo revisar o plano de viagem em resposta asinformações sobre o trecho da linha coletadas por outros trens que se deslocam pelotrecho da linha.

28. Código de programa de computador, de acordo com areivindicação 25, no qual as informações sobre o trecho da linha compreendem aomenos uma entre a velocidade permitida, as restrições de velocidade, a inércia do trem,a pressão barométrica, as imagens, o grau de inclinação da linha, a idade da linha, acondição da linha, as condições do tempo, as informações da linha que afetam acapacidade de propulsão do trem, as informações da linha que afetam a capacidade deparada do trem, o coeficiente de atrito da linha, o esforço de tração, o esforço defrenagem aplicado, a localização e a altitude, os sinais para os blocos de linha adiante.

29. Código de programa de computador, de acordo com areivindicação 25, ainda compreendendo um módulo de código de programa paracontrolar o trem de acordo com o plano de viagem.

30. Código de programa de computador, de acordo com areivindicação 25, ainda compreendendo um módulo de código de programa para informarao operador do trem sobre o plano de viagem, sendo que o operador pode controlar otrem de acordo com o plano de viagem.