DE69535279T2

DE69535279T2 - Planungsanlage und -verfahren

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Publication number: DE69535279T2
Application number: DE69535279T
Authority: DE
Inventors: L. William Palm Bay MATHESON; M. Paul Indialantic JULICH; S. Michael W. Melbourne CRONE; A. Douglas Melbourne THOMAE; V. Thu W. Melbourne VU; Scott M. Melbourne WILLS
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1994-09-01
Filing date: 1995-08-29
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2015-08-30
Also published as: CA2198855A1; CN1064908C; ZA957360B; EP0782521A1; PL319030A1; DE69535279D1; US6154735A; JPH10505036A; BR9509462A; CA2198855C; ATE343503T1; CN1162290A; AU712538B2; KR970706162A; WO1996006766A1; US5794172A; US5623413A; AU3374695A; EP0782521B1; EP1764280A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Zeitplanung der Bewegung mehrerer Einheiten durch ein komplexes Bewegungsbestimmungssystem und in der offenbarten Ausführungsform die Zeitplanung der Bewegung von Güterzügen durch eine Bahnanlage. Ein solches System ist zum Beispiel im US-Patent 5.177.684 offenbart.
Die heutigen Gütereisenbahnen bestehen aus drei primären Bestandteilen: (1) eine Bahninfrastruktur, die Gleise, Weichen, ein Kommunikationssystem und ein Steuerungssystem einschließt; (2) ein Fahrzeugpark, der Lokomotiven und Eisenbahnwagen einschließt; und (3) Personal (oder Zugpersonal), das die Eisenbahn bedient und wartet. Im allgemeinen wird jeder dieser Bestandteile mittels eines hochentwickelten Zeitplans eingesetzt, der Menschen, Lokomotiven und Eisenbahnwagen den verschiedenen Gleisabschnitten zuweist und es ihnen ermöglicht, sich so über dieses Gleis zu bewegen, daß Zusammenstöße vermieden werden und die Bahnanlage Güter zu verschiedenen Bestimmungsorten befördern kann. Eine grundlegende Einschränkung des gegenwärtigen Systems besteht in dem Mangel an tatsächlicher Steuerung der Bewegung der Züge.
Im allgemeinen werden in gegenwärtig betriebenen Systemen die Züge indirekt im groben Sinne gesteuert, und zwar unter Nutzung der Dienste eines Streckenfahrdienstleiters, der in regelmäßigen Abständen auf dem Gleis Signale setzt. Die eigentliche Steuerung des Zugs ist jedoch dem Lokomotivführer überlassen, der den Zug bedient. Da die Einhaltung des Zeitplans in großen Teilen das Vorrecht der Lokomotivführer ist, ist es schwierig, einen sehr genauen Zeitplan zu wahren. Als ein Ergebnis davon wird gegenwärtig geschätzt, daß die durchschnittliche Auslastung der Lokomotiven in den Vereinigten Staaten bei unter 50% liegt. Wenn eine bessere Auslastung dieser Anlagegüter gelingt, nimmt die Gesamtkostenrentabilität der Bahnanlage entsprechend zu.
Ein weiterer Grund für die bisherige nicht sehr hohe Genauigkeit der Zugzeitpläne besteht in der Schwierigkeit der Einbeziehung all der Faktoren, die die Bewegung des Zugs beeinflussen, beim Versuch der Erstellung eines Zeitplans. Zu diesen Schwierigkeiten gehört die komplizierte Einbeziehung der Bestimmung der Wirkungen physikalischer Grenzen von Leistung und Masse, der Geschwindigkeitsbegrenzungen, der Einschränkungen aufgrund des Signalsy stems und der Einschränkungen aufgrund der sicheren Zughandhabungspraktiken in den Zeitplan, wobei diese Praktiken jene Praktiken einschließen, die mit der die Instabilität der Zugstruktur und somit Entgleisungen vermeidenden Leistungszuführung und -bremsung verknüpft sind.
Es gibt zwei bedeutende Vorteile, die mit einer genauen Zeitplanung verknüpft wären: (1) Eine genaue Zeitplanung würde eine bessere Nutzung der Ressourcen und die damit verknüpfte Steigerung der Gesamtdurchsatzleistung (optimale Abstände zwischen den Zügen und optimale Zusammenstellung der Züge zur Bildung eines nahezu ununterbrochenen Verkehrsflusses) und (2) die sehr genaue Vorhersage der Ankunftszeiten von Züge an ihren Bestimmungsorten ermöglichen.
Diese Ankunftszeit im Eisenbahnwesen wird oft als „Betriebszuverlässigkeit" bezeichnet und hat selbst eine zweifache Wirkung: (1) Sie bietet dem Kunden Gewißheit hinsichtlich der genauen Ankunftszeit seiner Fracht an ihrem Bestimmungsort. (2) Für Zwischenpunkte entlang der Zugwege ermöglicht sie eine weitaus effizientere Planung dieser Endpunktressourcen.
Wenn der Endpunkt eines bestimmten Wagenlaufs zum Beispiel ein Übergabebahnhof ist und dem Rangierleiter die Zugankunftsreihenfolge und -zeiten vorher bekannt sind, so kann er den Bahnhof für die Aufnahme dieser Züge einrichten und sicherstellen, daß die geeigneten Ausweichgleise zur günstigen Aufnahme dieser Züge und dieser Wagenabschnitte (oder Wagenblöcke) zur Verfügung stehen. Dagegen führen ungeplante oder lose geplante Systeme dazu, daß die Züge in einer etwas zufälligen Reihenfolge auf einem Übergabebahnhof ankommen, was den Rangierleiter daran hindert, die konkreten Ausweichgleise, Wagenläufe und Ausrüstungen einzurichten, die erforderlich sind, um die Wagen optimal zu rangieren, die für den nächsten Wagenlauf über diesen Übergabebahnhof hinaus auszuwählen sind.
Entsprechend nimmt, wenn der Endpunkt ein Hafen ist, wo Entladegerät beteiligt ist, und das Entladen der Fracht aus dem Zug und ihre Weiterleitung zu Schiffen eine Reihe von für die Fracht zu planenden Ressourcen erfordert, die Bedeutung der Kenntnis der Ankunftszeit und -reihenfolge bei der Erreichung einer effizienten Nutzung der Ausrüstungen und Einrichtungen des Bahnhofs enorm zu.
Um die vorliegende Erfindung völlig verstehen zu können, ist es hilfreich, einige der Faktoren zu verstehen, die die Effizienz von Transportanlagen nach dem Stand der Technik, insbesondere von Bahnanlagen, hemmen. Gegenwärtig verkehren Züge zwischen vielen Endpunkten, wobei sie im allgemeinen die Güter Anderer von einem Endpunkt zu einem anderen transportieren. Züge können auch leere Wagen zum Zwecke der Wiederbeladung zu einem Endpunkt zurücktransportieren und Gerät oder Personal zum Zwecke von Wartungsarbeiten entlang der Eisenbahnlinie befördern. Oft benutzen Güterzüge und Personenzüge dasselbe Gleis.
Im Güterverkehr heutiger Eisenbahnen gibt es oft fahrplanmäßig verkehrende Züge zwischen verschiedenen Bahnhöfen. Die Zusammensetzung der Züge ist jedoch von Fahrt zu Fahrt sehr unterschiedlich. Außerdem sind Länge, Masse und Betriebsmerkmale der Güterzüge sehr unterschiedlich, da die Beförderungsbedürfnisse der Kunden zwischen den verschiedenen Bahnhöfen und das verwendete Gerät oft sehr unterschiedlich sind. Güterzüge sind auch ad hoc betreibbar, um die wechselnden Beförderungsbedürfnisse der Zugkunden zu befriedigen. Entsprechend gibt es von Tag zu Tag beträchtliche Änderungen des Zeitplans und der Zusammensetzung von Güterzügen, die in einer speziellen Bahnanlage verkehren.
Zur Befriedigung der beträchtlich schwankenden Bedürfnisse hinsichtlich der Güterbeförderung per Bahn haben Bahnanlagen im allgemeinen eine feste Anzahl von Ressourcen. So hat zum Beispiel jede einzelne Bahnanlage im allgemeinen ein Gleissignalwegenetz, eine begrenzte Anzahl von Lokomotiven, eine begrenzte Anzahl von Zugbesatzungen und andere ähnliche Bahnanlageneinschränkungen, die zur Befriedigung der schwankenden Kundenbedürfnisse einsetzbar sind.
Die Schwierigkeiten der Befriedigung der Kundenbedürfnisse hinsichtlich einer Güterbahnanlage werden oft noch durch die Tatsache erhöht, daß viele Bahnanlagen lange Gleisbettabschnitte haben, in denen nur ein Hauptgleis verlegt ist. Da die Bahnanlage im allgemeinen entlang solcher eingleisigen Streckenabschnitte Zugverkehr in beiden Richtungen zu betreiben hat, muß die Bahnanlage versuchen, eine Zeitplanung, bei der zwei Züge dasselbe Gleis gleichzeitig belegen, zu vermeiden und Systeme und Prozesse zur Identifikation solcher Möglichkeiten von Zusammenstößen und zur Ergreifung von Maßnahmen zu deren Vermeidung installieren.
Entsprechend kann sich, wenn Züge auf einer eingleisigen Strecke fahren, ein relativ schneller Zug einem relativ langsameren Zug, der in die gleiche Richtung fährt, von hinten nähern. Im allgemeinen muß die Bahnanlage sowohl versuchen, solche Züge so zu planen, daß der schnellere Zug die Möglichkeit zum Überholen des langsameren Zugs hat, als auch während des Betriebs der Züge jede Situation identifizieren, in der sich ein Zug einem Zusammenstoß mit dem hinteren Teil eines anderen Zugs nähert.
Die Bahnanlage regelt Situationen, in denen sich zwei Züge frontal oder bei einem Überholvorgang treffen, oft unter Verwendung von relativ kurzen Gleisabschnitten oder „Ausweichgleisen", auf die ein oder mehrere Züge vom Hauptgleis umleitbar sind, während ein anderer Zug vorbeifährt. Nachdem der Zug auf dem Hauptgleis sicher vorbeigefahren ist, kann der umgeleitete Zug die Erlaubnis zur Weiterfahrt auf dem Hauptgleis erhalten. Im Eisenbahnwesen werden solche Situationen als „Begegnen und Passieren" bezeichnet. Es ist klar, daß Vorgänge des Begegnens und Passierens die Fähigkeit eines Zugs zur Einhaltung eines bestimmten Zeitplans beträchtlich vermindern können.
Wie 1 zeigt, kann eine allgemeine Anlage zur Regelung von Situationen des Begegnens und Passierens ein Hauptgleis 10 und ein Ausweichgleis 20, das selektiv mittels Weichen 22 genutzt wird, einschließen. Die Weichen sind manuell bedienbar oder durch einen zentralen Steuerungspunkt für jeden Gleisabschnitt, im allgemeinen als HÄUSCHEN 24 bekannt, fernbedienbar. Das HÄUSCHEN 24 kann Signale von Gleissensoren 26 empfangen, die die Anwesenheit eines Zugs auf einem Gleisabschnitt anzeigen. Die Bahnanlage kann auch Signalanzeigen 28 einschließen, die beleuchtete Lampenanlagen sind, die dem Lokomotivführer eines bestimmten Zugs anzeigen, ob die Gleisabschnitte unmittelbar vor dem Zug und der nächste Abschnitt darüber hinaus verkehrsfrei sind oder nicht. Typischerweise wird bei heutigen Bahnanlagen der Betrieb der Signalanzeigen 28 primär durch Gleissensoren 26 und eine geeignete elektronische Steuerlogik im HÄUSCHEN 24 gesteuert.
Im allgemeinen funktionieren Zugerfassungssensoren 26 über eine Gleislänge, die lediglich eine halbe Meile, aber auch mehr als zwei Meilen betragen kann. In Längsrichtung benachbarte Gleisabschnitte werden zur Bildung von separaten Segmenten voneinander getrennt, indem das Gleis für ein kurzes Stück (in der Größenordnung von einem Viertelzoll) unterbrochen und optional ein elektrischer Isolator in der Lücke zwischen den Segmenten plaziert wird. Auf diese Weise ist jedes Gleissegment von in Längsrichtung benachbarten Segmenten elektrisch isoliert.
Zwischen den beiden Schienen eines Gleises herrscht eine Spannungsdifferenz. Wenn ein Zug anwesend ist, dienen die Metallräder und -achsen des Zugs als Stromleiter, der eine Schiene des Gleises mit der anderen Schiene elektrisch verbindet bzw. kurzschließt. Dieser elektrische Zustand ist durch den Gleissensor 26 abfühlbar und dem HÄUSCHEN 24 anzeigbar.
Bei heutigen Anlagen werden die Gleissensoren 26 zwischen Steuerungspunkten (zum Beispiel Weichen) oft in dem an das HÄUSCHEN 24 gesendeten Signal durch inklusives ODER verknüpft. Somit kann das HÄUSCHEN 24 bestimmen, ob ein Gleisblock zwischen Steuerungspunkten belegt ist, aber eventuell nicht in der Lage sein, das Segment bzw. die Segmente innerhalb dieses Gleisblocks zu bestimmen, auf dem bzw. denen sich der Zug befindet.
Das HÄUSCHEN 24 kann Informationen über verschiedene der Zustände, die ihr von den verschiedenen Sensoren gemeldet werden, über eine Codeleitung 32 an eine Betriebsleitzentrale 30 senden. Die heutigen Anlagen gewährleisten, wie oben beschrieben, eine sichere Trennung zwischen den Zügen, solange der Lokomotivführer die Lichtsignale der Signalanzeigen 28 beachtet.
Eine bekannte Schwierigkeit bei heutigen Bahnanlagen (zum Beispiel Anlage in 1) besteht im Mangel an Informationen darüber, wo genau sich Züge gerade auf dem Gleis befinden. In einer Situation des Begegnens und Passierens muß einer der beteiligten Züge zum Beispiel auf das Ausweichgleis 20 rangiert werden. Dieses Rangieren auf das Ausweichgleis 20 muß mit einem ausreichenden Zeitvorlauf erfolgen, so daß sich der auf das Ausweichgleis rangierte Zug ausreichend lange auf dem Ausweichgleis befindet, um einen Sicherheitsabstand vor dem Passieren des anderen Zugs zu gewährleisten. Der Sicherheitsabstand hängt notwendigerweise mit der Genauigkeit zusammen, mit der die Orte bekannt sind, an denen sich die beiden sich begegnenden Züge jeweils befinden. Wenn zum Beispiel bekannt ist, daß sich ein Zug, der mit einer Geschwindigkeit von 30 Meilen pro Stunde fährt, irgendwo in einem 20 Meilen langen Gleisblock befindet, kann es notwendig sein, einen Gegenzug mindestens 40 Minuten lang auf einem Ausweichgleis abzustellen, um das Passieren des anderen Zugs abzuwarten.
Zur Verbesserung dieser Situation ist ein System nach dem Stand der Technik mit der Bezeichnung Advanced Train Control System (ATCS) (Fortgeschrittenes Zugsteuerungssystem) entwickelt worden, das Transponder, Lokomotivabfrager und Funkverkehr einschließt. Im ATCS-System befinden sich Transponder zwischen den oder in der Nähe der Schienen der Gleise an verschiedenen Punkten entlang des Gleises, und zwar sowohl zwischen Steuerungspunkten (zum Beispiel Weichen) als auch außerhalb der Steuerungspunkte. Abfrager im Inneren einer Lokomotive aktivieren einen Transponder durch das Aussenden eines Signals, das durch den Transponder erfaßt wird. Jeder Transponder enthält eine eindeutige Identifikation, die zurück an die Lokomotive übertragen wird, während sich die Lokomotive und der Transponder nahe beieinander befinden. Die Identifikationsinformationen sind dann an einen Lokomotivbordrechner und über ein Kommunikationssystem 34 zurück an die Betriebsleitzentrale 30 übertragbar. Zwischen dem Passieren aufeinanderfolgender Transponder kann der Lokomotivbordrechner Signale von seinem Wegstreckenzähler zur Berechnung der ungefähren Position der Lokomotive verwenden.
Es ist zu beachten, daß bei einem solchen System der Fehler des Wegstreckenzählers eine Unsicherheit hinsichtlich der Position des Zugs auf dem Gleis darstellt. Diese Unsicherheit nimmt zu, während sich der Zug von einem Transponder zu einem anderen bewegt, und wird im wesentlichen auf Null gestellt, wenn der Zug den nächsten Transponder passiert. Indem Transponder ausreichend nahe beieinander angeordnet werden, läßt sich die Genauigkeit der Zugpositionsinformationen hinreichend gut bestimmen. Natürlich kann die Anordnung von Transpondern entlang der gesamten Bahnanlage die Wartungskosten wesentlich erhöhen, da die Transponder relativ empfindliche elektronische Elemente in einer rauen Umgebung sind. Außerdem nimmt beim Ausfall eines Transponders der Fehler des Wegstreckenzählers weiter zu, wodurch die Kenntnis der Zugposition noch unsicherer wird.
Die Ergebnisse des Begegnungs-Passier-Systems in einer Bahnanlage, bei der (a) die Zugposition innerhalb der Anlage nicht genau bekannt ist und (b) die Lokomotivführer weitgehend nach ihrem eigenen Ermessen fahren, sind durch „Fadenlinien" graphisch darstellbar, die für gewöhnlich von heutigen Bahnanlagen verwendet werden, um die Effizienz von ausgeführten Zeitplänen zu planen und zu überprüfen.
Wie 2 zeigt, stellt eine Fadenlinie die Zeit entlang der einen Achse und Streckenmeilen oder Bahnhöfe entlang der anderen Achse dar. Das Netz in 2 erstreckt sich zum Beispiel von 5 Uhr morgens an einem ersten Tag bis 11 Uhr vormittags am folgenden Tag und stellt die Bewegung entlang eines Gleises dar, das Alpha und Rome miteinander verbindet, wobei sich dazwischen 15 andere Steuerungspunkte befinden. Innerhalb des durch Zeit und Meilen gebildeten Netzes sind die Bewegungen von Zügen dargestellt. Wenn sich Züge in eine Richtung, zum Beispiel von Rome in Richtung Alpha bewegen, erscheint die Fadenlinie für einen Zug als rechte Diagonale.
Züge, die ihre Fahrt in der entgegengesetzten Richtung beginnen, also von Alpha nach Rome, erscheinen als linke diagonale Fadenlinie. Wo ein Zug auf ein Ausweichgleis rangiert werden muß, um das Passieren eines anderen Zugs abzuwarten, wird die Fadenlinie waagerecht, da die Zeit vergeht, ohne daß sich der auf dem Ausweichgleis stehende Zug bewegt. So stand zum Beispiel Zug 11 in Bravo fast zwei Stunden lang auf dem Ausweichgleis und wartete das Passieren der Züge 99 und B2 ab. Entsprechend stand Zug 88 zweimal auf dem Ausweichgleis, einmal in Bravo, um das Passieren von Zug F6 abzuwarten, und ein zweites Mal in Echo, um das Passieren von Zug G7 abzuwarten.
Wie aus dem Fadendiagramm in 2 hervorgeht, kann ein Zug einen beträchtlichen Zeitraum auf Ausweichgleisen verbringen. So verbrachte zum Beispiel Zug 88 fast zwei Stunden einer fünfstündigen Fahrt auf Ausweichgleisen.
Wenn die Zugposition entlang des Gleises mit zunehmender Genauigkeit bestimmbar ist, ist die Notwendigkeit, daß Züge auf Ausweichgleisen über einen langen Zeitraum auf einen ihnen begegnenden Zug warten, beträchtlich verringerbar. Unter Bezugnahme auf 2 ist zum Beispiel zu beachten, daß Zug 88 in Echo mehr als eine Stunde auf dem Ausweichgleis stand, bevor Zug G7 passierte. Bei einer genaueren Kenntnis der Positionen der Züge hätte Zug 88 seine Fahrt auf dem Gleis vielleicht bis zum Ausweichgleis in Hotel fortsetzen können, wo es möglich gewesen wäre, ihn kurz auf dem Ausweichgleis das Passieren von Zug G7 abwarten zu lassen. Eine solche Reduzierung der Dauer des Aufenthalts auf Ausweichgleisen würde einer Reduzierung der für jede einzelne Fahrt benötigten Gesamtzeit gleichkommen, was eine höhere Durchsatzleistung der Bahnanlage ermöglichen und die Kosten für Lokomotivstillstand, Zugbesatzungen und andere zeitabhängige Faktoren verringern würde.
Bei den heutigen Bahnanlagen gibt es oft nur eine geringe aktive Steuerung der Fahrt des Zugs, während dieser sich zwischen Bahnhöfen bewegt. Oft wird einem Lokomotivführer die Befugnis übertragen, lediglich zu einem nächsten Steuerungspunkt zu fahren, und der Lokomotivführer handelt nach seinem Ermessen, seiner Erfahrung und anderen subjektiven Faktoren, um den Zug bis zu dem Punkt zu bewegen, an dem seine Befugnis endet. Oft läßt der Gesamtzeitplan, der bei solchen Zügen verwendet wird, die Tatsache außer acht, daß der Zug für eine bestimmte Zeit auf dem Ausweichgleis stehen kann. Das heißt, daß die Begegnungs- und Passiersituationen nicht im Gesamtzeitplan berücksichtig wurden.
Ohne Begegnungs- und Passiersituationen ausdrücklich zu planen, regelten Bahnanlagen nach dem Stand der Technik Begegnungs- und Passiersituationen im allgemeinen auf einer Adhoc-Basis, so wie sie sich gerade ergaben. Dabei wurde das Können des Streckenfahrdienstleiters genutzt, um eine potentielle Begegnungs- und Passiersituation zu erkennen, zu beurteilen, welches Ausweichgleis für das Passierenlassen der Züge verwendet werden sollte, und die geeigneten Weichen und Signale zu stellen, um entsprechend seiner Analyse zu handeln. Da der Streckenfahrdienstleiter, wie oben erläutert, Zugpositionsdaten hatte, die nicht besonders genau waren, stellte der Streckenfahrdienstleiter unter Umständen einen Zug aus Vorsicht vorzeitig auf einem Ausweichgleis ab, wodurch man unnötig lange auf das Passieren des anderen Zugs warten mußte.
Außerdem steuert der Streckenfahrdienstleiter im allgemeinen nur einen Abschnitt der Bahnanlage, und seine Entscheidung, welcher Zug auf ein Ausweichgleis zu rangieren und welches Ausweichgleis zu verwenden ist, mag für die einzelne aktuelle Begegnungssituation richtig sein. Jedoch kann diese „richtige" Entscheidung gravierende Probleme verursachen, da der nunmehr verspätete Zug während seiner Weiterfahrt, die durch andere Streckenfahrdienstleiter gesteuert wird, anderen Zügen begegnet.
Im allgemeinen war die gesamte Bahnanlage nach dem Stand der Technik wegen der ungenauen Kenntnis der Zugpositionen entlang des Gleises und wegen des beträchtlichen Ermessensspielraums der Lokomotivführer, die die Geschwindigkeiten ihrer Züge bei der Fahrt entlang der Gleise festlegten, zu gering ausgelastet. Ganz gleich, wie gut ein bestimmtes System von Zügen geplant ist – der Zeitplan ist in heutigen Systemen wegen der schwankenden Leistungen der verschiedenen Züge nicht einzuhalten.
Zeitplanungssysteme nach dem Stand der Technik versuchten im allgemeinen, Züge gemäß der Art und Weise des Betriebs der Bahnanlage zu planen. Somit war der Zeitplan, mit eini gen Ausnahmen, nur durch „grobe" Daten bestimmt und ließ die spezifischen Eigenschaften der Züge, für die gerade ein Zeitplan erstellt wurde, und die genauen Einzelheiten der Besonderheiten des Gleises, auf das sich die Zeitplanung der Züge erstreckte, außer acht.
Da Systemzeitplaner im allgemeinen nur zur Bereitstellung eines ungefähren Zeitplans zur Lenkung des Streckenfahrdienstleiters des Zugs eingesetzt wurden, erkannten Zeitplanungssysteme nach dem Stand der Technik im allgemeinen keine konfliktverursachenden Fälle der Gleisnutzung, wodurch es dem regionalen Streckenfahrdienstleiter überlassen war, solche Konflikte während des Zugbetriebs aufzulösen.
Wünschenswert ist ein Zeitplan, der alle Elemente oder Ressourcen einschließt, die erforderlich sind, um die Bewegung des Zugs zu ermöglichen. Diese Ressourcen reichen von der Zuweisung von Personal, Lokomotiven und Eisenbahnwagen, der Festlegung von Fahrstraßen, der Festlegung, welche Ausweichgleise für welche Züge zu verwenden sind, bis hin zur genauen Zusammenstellung von Zügen, so daß die Kapazitäten der Hauptstrecken mit geeigneter Geschwindigkeit auslastbar sind.
Nach dem Stand der Technik waren jedoch einige Schwierigkeiten mit diesen Arten von Zeitplänen verknüpft. Diese Schwierigkeiten fielen in mehrere Kategorien: (1) der immense Rechenbedarf bei der sehr genauen Zeitplanung all dieser Ressourcen; (2) die Unfähigkeit zur Vorhersage der tatsächlichen Dynamik des Zugs und seiner Bewegung, die zur sicheren Bewegung eines Zugs über einen bestimmten Gleisabschnitt erforderlich wäre; und (3) die praktisch unmögliche Einhaltung eines genauen Zeitplans, da die Zugbesatzung oder direkt das Lokomotivteilsystem keine Anweisungen erhielten, durch deren Befolgung sie bzw. es einen aufgestellten genauen Zeitplan hätte einhalten können. Die Zugbewegung in heutigen Anlagen ist im allgemeinen das Vorrecht des Lokomotivführers, der den Zug fährt, wobei natürlich die Einschränkungen des Signalsystems gelten, das teilweise durch den Streckenfahrdienstleiter und teilweise durch die Belegung des Gleises durch andere Züge gesteuert wird.
Frühere Versuche der Ausführung einer systemweiten Optimierungsfunktion, die einen sehr genauen Zeitplan beschleunigten. Solche Versuche sind nicht erfolgreich gewesen, und zwar teilweise aufgrund des untragbar hohen Rechenbedarfs bei der Analyse der vielen Variablen. Tatsächlich kann, wenn man die Dimensionen des Problems in Betracht zieht, die Anzahl der Permutationen der Lösungen, die möglich sind, extrem groß sein. Folglich sind erschöpfende Suchalgorithmen zur Auffindung einer besten Lösung unpraktisch, und statistische Suchalgorithmen sind bei Problemen dieses Ausmaßes im allgemeinen nicht wirkungsvoll gewesen.
ÜBERBLICK ÜBER DIE VORLIEGENDE ERFINDUNG
Ein erster Schritt zur Bereitstellung eines Präzisionssteuerungssystems ist die Verwendung eines Optimierzeitplaners, der alle Aspekte der Bahnanlage plant, und zwar unter Berücksichtigung der Gesetze der Physik, der Politik der Eisenbahn, der Arbeitsvorschriften des Personals, der tatsächlichen Vertragsbedingungen der Verträge mit den verschiedenen Kunden und aller Randbedingungen (constraints), die für die mögliche Lösung bzw. den möglichen Zeitplan maßgebend sind. Diese Randbedingungen können zum Beispiel solche Dinge wie externen Verkehr (in den USA meistens Personenverkehr), die Arbeitszeiten einiger Einrichtungen, Gleiswartungsarbeiten, Arbeitsvorschriften usw. einschließen.
Die Kombination all dieser Randbedingungen zusammen mit einem Gütefaktor, im Falle der Einwirkung durch einen geeigneten Optimierzeitplaner, führt zu einem Zeitplan, der einen Gütefaktor maximiert. Der am häufigsten verwendete Gütefaktor sind die Gesamtsystemkosten. In diesem Fall besteht die optimalste Lösung in der Lösung mit den geringsten Kosten.
Da die Randbedingungen eines solchen Systems variabel sind (das heißt, sich wahrscheinlich von Tag zu Tag ändern), ist die vorliegende Erfindung so strukturierbar, daß sie die Verwendung neuer Randbedingungen oder neuer Vertragsbedingungen erleichtert. Wenn zum Beispiel gerade erst ein Vertrag unterzeichnet worden ist, der eine Strafklausel eines bestimmten Ausmaßes für verspätete Lieferungen einschließt, sollte ein Optimierzeitplaner diese Strafe berücksichtigen und nur dann zulassen, daß sie wirksam wird, wenn das die Option mit den geringeren Kosten unter den verschiedenen verfügbaren Zeitplanungsoptionen wird.
Nach der Festlegung eines Zeitplans legt die vorliegende Erfindung einen Bewegungsplan fest, der den Zeitplan auf realisierbare und effiziente Weise ausführt. Als nächsten Schritt integriert die vorliegende Erfindung die sehr feine Struktur, die zur tatsächlichen Steuerung der Bewegung des Zugs notwendig ist, in den Zeitplan. Eine solche Feinstruktur kann die namentliche Zuweisung von Personal sowie die Zuweisung spezifischer Lokomotiven nach der Nummer einschließen und kann die Festlegung der genauen Zeit oder der genauen Entfernung während einer Zeitdauer der Bewegung der Züge im Schienennetz einschließen. Diese genaue Bewegung der Züge kann alle Einzelheiten der Zughandhabung, Leistungspegel, Kurven, Gradienten und Wind- und Wetterbedingungen einschließen, so daß der Zug in der Lage ist, dem Bewegungsplan tatsächlich im Detail zu folgen.
Schließlich liefert die vorliegende Erfindung den Bewegungsplan an die Personen oder Vorrichtungen, die den Bewegungsplan zur Bedienung und Wartung der Bahnanlage verwenden. In einer Ausführungsform ist der Bewegungsplan lediglich an das Fahrdienstleitungspersonal als Anleitung für seine manuelle Zugabfertigung und Steuerung von Gleiskräften lieferbar. In einer anderen Ausführungsform ist der Bewegungsplan an die Lokomotiven lieferbar, so daß er durch den Lokomotivführer oder automatisch durch schaltbare Betätigung auf der Lokomotive implementierbar ist.
Zwar ergibt sich ein besonderer Nutzen bei Güterbahnanlagen, doch sollte beachtet werden, daß das System und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auch über ein Bahnnetz hinaus anwendbar sind. Das offenbarte System und das offenbarte Verfahren sind als Transportsystem betrachtbar, bei dem im allgemeinen die Variablen gleichzeitig und nicht hintereinander gelöst werden. Nur mit einer solchen gleichzeitigen Lösung ist es möglich, der Optimalität nahezukommen.
Ein anderer Faktor, der die Gesamteffizienz der Bahnanlage, insbesondere die Kapazität der gegebenen Bahnanlage, beeinflußt, ist der Mindestabstand zwischen den Zügen und die relative Geschwindigkeit der Züge. Nach dem Stand der Technik ist das Konzept des Betriebs mit einem beweglichen Block vorgeschlagen worden, wobei ein beweglicher Block aus einem Schutzabstand bzw. einer verbotenen Zone besteht, die den Zug und eine Strecke vor jedem Zug, die ungefähr mit dem Anhalteweg dieses Zugs verknüpft ist, einschließt. Dieses Konzept eliminiert den festen Abstand, der mit den gegenwärtigen Signalsystemen mit festem Block verknüpft ist.
Jedoch ist die Komplexität eines beweglichen Blocks schwer realisierbar gewesen, da der Anhalteweg eines Zugs eine Funktion vieler Faktoren ist, einschließlich der Masse des Zugs, der Geschwindigkeit des Zugs, des Gradienten, der Bremseigenschaften des Zugs und der Umweltbedingungen. Ein Vorteil der Fähigkeit zur Planung einschließlich einer ausführlichen Bewertung und Analyse der Dynamik der Zugbewegung besteht darin, daß der Anhalteweg eines spezifischen Zugs ein natürliches Nebenprodukt ist. Die Verwendung dieser Präzisions zugsteuerung erlaubt die Berechnung des Schutzabstandes des beweglichen Blocks und macht es möglich, daß die Abstände zwischen Zügen so eng sind, wie es deren Anhaltewege zulassen. Das Endergebnis ist eine beträchtliche Steigerung der Gesamtdurchsatzleistung eines bestimmten Schienenkorridors.
Das hierin offenbarte Zugbewegungsplanungssystem ist hierarchischer Natur, wobei das Problem zur Durchführung des anfänglichen Optimierungsprozesses auf eine relativ hohe Ebene abstrahiert und dann die resultierende Ablauflösung auf eine weniger abstrakte geringere Ebene zur weiteren Optimierung abgebildet wird. Dieser hierarchische Prozeß bedeutet, daß der Lösungsraum, in dem die Suche erfolgt, sich stets verringert, wenn zusätzliche Einzelheiten in die Suche nach einer Lösung einbezogen werden. Außerdem erfolgt auf all diesen Ebenen eine statistische Verarbeitung zur Minimierung der Gesamtrechenlast, wodurch der Gesamtprozeß unter dem Aspekt des Rechenaufwands implementierbar wird.
Ein Expertensystem ist als Manager dieser Prozesse verwendet worden, und das Expertensystem ist auch das Werkzeug, mittels dessen verschiedene Randbedingungen für die Lösungsmenge festgelegt werden. So ist zum Beispiel die Bewegung eines Personenzugs in einem Netz zu einer vorgegebenen Zeit als eine der Randbedingungen des Lösungsraums einstellbar, und andere Züge werden auf optimale Weise um diese Randbedingung herumbewegt. In einem anderen Beispiel ist die Zeitplanung der Arbeit, die an einem bestimmten Gleisabschnitt zu einer bestimmten Zeit zu verrichten ist, als eine Randbedingung des Lösungsraum einstellbar, und Züge sind auf optimale Weise um diese Randbedingung herum bewegbar.
Die Verwendung eines Expertensystems dieser Kapazität ermöglicht es dem Benutzer, die Regeln bereitzustellen, die in den Lösungsprozeß Eingang finden sollen. Folglich sind alle Änderungen, von einer Änderung der Arbeitsvorschriften bis zu einer Vertragsänderung, dadurch integrierbar, daß einfach eine Regelmenge geschrieben oder geändert wird.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein zuzulassen, daß während des Optimierungsprozesses die Zeitplanung von Tätigkeiten erfolgt, die normalerweise durch feste Randbedingungen ausgeschlossen sind. Zum Beispiel könnte die Tätigkeit der Eisenbahnwartung als vorgeplante Randbedingung betrachtet werden, um die herum der Zugzeitplan bewegt werden sollte. Andererseits kann die in die Regelbasis aufgenommene Randbedingung darin bestehen, daß auf einem bestimmten Gleisabschnitt eine bestimmte Anzahl von Stunden der Wartungs tätigkeit zu leisten ist und daß die Kosten, die für diese Tätigkeit pro Stunde anfallen, nachts höher liegen als tagsüber. Unter diesen Bedingungen kann dem Zeitplaner erlaubt werden, eine Zeitplanung dieser Tätigkeit im Einklang mit der Zeitplanung der Bewegung der Züge vorzunehmen, so daß die Gesamtbetriebskosten minimiert werden.
Ein sehr wichtiger Aspekt der Verwendung einer Präzisionszeitplanung ist die Fähigkeit zur Handhabung von Ausnahmen, wenn diese auftreten. Das häufigste Problem bei festen Zeitplänen, die weit im voraus aufgestellt werden, besteht darin, daß Anomalien auftreten, die dazu führen, daß Elemente des Netzes nicht mehr dem Zeitplan entsprechen. Diese nicht mehr dem Zeitplan entsprechenden Elemente pflanzen sich durch das System fort und führen dazu, daß andere Elemente auch nicht mehr dem Zeitplan entsprechen. So kann zum Beispiel die verspätete Ankunft eines Zugs, die bei einer Fahrt auftritt, dazu führen, daß eine Lokomotive für eine geplante zweite Fahrt nicht zur Verfügung steht, und die Verspätung bei der zweiten Fahrt führt wiederum dazu, daß die Lokomotive für eine dritte Fahrt nicht zur Verfügung steht. Somit sind Fortpflanzungseffekte üblich.
Ein Schlüsselelement des global zeitlich geplanten Systems mit Feinsteuerung gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß es Anomalien, wenn diese auftreten, fortwährend überwacht und eine Änderung des Zeitplans zuläßt, um das Vorhandensein dieser Anomalien zu kompensieren.
Diese Fähigkeit zur Handhabung von Ausnahmen beginnt mit der Meldung der Anomalie an ein Ausnahmen handhabendes logisches Element, das bestimmt, auf welcher Ebene die Anomalie auflösbar ist. So könnte zum Beispiel ein bestimmter Zug, der über eine vorgegebene Toleranz hinaus von seinem Plan abgewichen ist, eine Anomalie sein, die einfach durch geringe Änderungen bei den angrenzenden Zügen korrigierbar wäre. Andererseits würde eine Anomalie größeren Ausmaßes, zum Beispiel eine Entgleisung, die ein bestimmtes Gleis in Unordnung gebracht hat, eine Änderung der Zeitplanung in großem Umfang, einschließlich der Verwendung alternativer Fahrstraßen, verursachen. Eine solche Änderung der Zeitplanung in großem Umfang würde auf eine globale bzw. systemweite Planungsebene gehoben werden, was eine Reoptimierung des Plans um diese größere Anomalie herum gestatten würde.
Es gibt einen zeitlichen Aspekt dieser Tätigkeit der Änderung der Zeitplanung dahingehend, daß die gemeldete Anomalie aus Sicherheitsgründen sofort bearbeitet werden muß. Dann muß sie zur kurzfristigen Optimierung bearbeitet werden, und anschließend kann sie zum Zwecke der globalen Änderung der Zeitplanung bearbeitet werden. Somit kann die Auflösung der Anomalie bzw. der Prozeß der Handhabung von Ausnahmen auf verschiedenen Ebenen eines hierarchischen Planungssystems in zeitlicher Abfolge einbezogen sein, bis die Anomalie vollständig aufgelöst ist.
In der bestehenden Situation besteht die häufigste Wirkung einer Anomalie in gegenwärtigen Systemen in der Unwirksammachung großer Abschnitte eines vorgegebenen Zeitplans. Im allgemeinen werden in der Güterbahnbranche größere Störungen des Zeitplans frühestens nach 24 Stunden behoben. Unglücklicherweise treten Anomalien sehr häufig auf, wobei einige von ihnen lediglich darin bestehen, daß in einem Verbund von drei Lokomotiven eine Lokomotive ausfällt, wodurch diesem Zug zwei Drittel seiner geplanten Leistung zu Verfügung stehen. Anomalien können auch einfach nur darin bestehen, daß der Lokomotivführer keine Anstrengungen zur Einhaltung des Zeitplans unternommen hat oder nicht dazu in der Lage gewesen ist. Ungeachtet ihrer Ursachen treten sie sehr häufig auf, was dazu führt, daß die meisten Gütereisenbahnen keine enge Kopplung an vorgegebene Zeitpläne aufrechterhalten. Die Einhaltung von Zeitplänen ist oft so schlecht, daß Zugbesatzungen ausgetauscht werden müssen, um außerplanmäßige Halte zu verhindern, die auf die Überschreitung der maximal zulässigen Arbeitszeit durch Zugbesatzungen zurückzuführen sind.
Im Optimierungsprozeß ist es wichtig, den Gesamtumfang dessen zu verstehen, was zur tatsächlichen Erreichung der Mindestbetriebskosten notwendig ist. Sehr oft basieren Optimierungspläne auf dem Prioritätskonzept, bei dem bestimmten Elementen des Betriebs (bestimmte Züge oder bestimmte Lieferungstypen) eine höhere Priorität als anderen zugemessen wird, da sie als zeitkritischer angesehen werden.
In einem echten Optimierungsverfahren sollte der Gedanke der Priorität per se implizit, aber nicht explizit sein. Der Grund dafür ist, daß ein bestimmter Zug, obwohl er eine hohe Priorität in dem Sinne hat, daß er einen äußersten Termin einhalten muß (oder die Auswirkungen der Nichteinhaltung eines äußersten Termins beträchtlich sind), vielleicht keinen zusätzlichen Ertrag generiert, wenn er frühzeitig ankommt. Eine frühzeitige Ankunft mag, mit anderen Worten, kein Vorteil sein, aber eine Verspätung könnte beträchtliche negative Auswirkungen haben. In einem echten Kostenoptimierungsplan muß die Priorität ausgewogen sein, und die Prioritätsfunktion muß innerhalb der Randbedingung „Komme nicht zu spät!" verzögert sein.
Eines der Grundprinzipien der Optimierung besteht darin, daß mit jedem Element der Operation Inkrementalkosten in den Kriterien, die gerade optimiert werden, verknüpft sind. Inkrementalkosten können Kraftstoffkosten, Personalkosten pro Stunde, Lokomotivnutzungskosten pro Stunde oder das Produkt aus den Lokomotivnutzungskosten pro Stunde einerseits und der von den Lokomotiven zurückgelegten Strecke andererseits sein. Der tatsächliche Inkrementalkostenfaktor sollte in den Optimierungsplan Eingang finden, und zwar einschließlich Strafen.
Der Plan muß Nichtlinearitäten in den Inkrementalkosten einschließen, um die Tatsache zu berücksichtigen, daß an bestimmten Punkten im Lieferzeitplan die tatsächlichen Kosten entweder als Stufenfunktion oder steil ansteigen. Ein Beispiel dafür, daß eine frühzeitige Lieferung nicht mit einem Vorteil verknüpft ist, wäre der Fall, daß die Nichtlieferung einer bestimmten Fracht eine feste Strafe von 1000 Dollar nach sich ziehen könnte, wenn nicht pünktlich geliefert wird, und zusätzlich ein Überliegegeld von 1000 Dollar pro Stunde, wenn das dazu führt, daß ein Schiff im Hafen bleiben muß.
Ein echter Optimierungsplan ist ein solcher, bei dem mit den Variablen einschließlich der Zuweisung von Ressourcen so jongliert wird, daß die Gesamtkosten minimiert werden. Ein Beispiel wären zwei Züge, die auf einer Strecke einem Bestimmungsort entgegenfahren, wobei der eine Zug vier Stunden und der andere eine halbe Stunde verspätet ist und für beide Züge eine beträchtliche, aber feste Strafe für eine verspätete Ankunft gilt. Die logische Lösung wäre, hinsichtlich des vier Stunden verspäteten Zugs nichts zu unternehmen, da dieser seinen Zeitplan ohnehin nie einhalten könnte, und dem eine halbe Stunde verspäteten Zug jede Gelegenheit zu geben, die halbe Stunde wieder aufzuholen und die Strafe für eine verspätete Ankunft zu vermeiden. In einem solchen Szenario kann dem vier Stunden verspäteten Zug eine viel geringere Priorität zugemessen werden als einem Schüttgüterzug, da bei dem Schüttgüterzug vielleicht mehr Ressourcen verwendet werden.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt die Steuerung durch die globale oder Gesamtoptimierung der Kosten und nicht durch vorgegebene Prioritäten, wobei Prioritäten nur als Kostenfaktoren verwendet werden. Die Gesamtkosten schließen die Betriebskosten, zum Beispiel für Kraftstoff und Nutzung des Fahrzeugparks, sowie die durch Vertragsbedingungen und -verpflichtungen verursachten Lieferkosten ein. Nur wenn alle diese Kostenfaktoren berück sichtigt werden, ist die Erstellung eines echten Mindestkostenplans möglich. In den bekannten Systemen nach dem Stand der Technik ist kein solcher Plan möglich, da kein Verfahren zur Verfügung steht, das die mit jeder der Entscheidungen verknüpften Inkrementalkosten tatsächlich berechnet. Als Ergebnis dessen werden oft suboptimale Pläne auf der Grundlage der Intuition von Streckenfahrdienstleitern und Planern erstellt.
Teilauflistung der Aufgaben
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Schwächen bekannter Systeme zu beseitigen und ein neuartiges System und Verfahren zur Zeitplanung der Bewegung einer Anzahl von Objekten durch ein Mehrwegeliefersystem bereitzustellen.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren zur Optimierung der Bewegung einer Anzahl von Objekten durch ein Mehrwegeliefersystem bereitzustellen.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren bereitzustellen, in denen ein ausführlicher Bewegungsplan an die Steuerung eines Liefersystems gebunden ist.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren zum zeitplangemäßen Betreiben eines Liefersystems bereitzustellen, so daß die Abweichung vom Zeitplan, wann immer diese auch auftritt, minimiert wird.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren zur Regelung der Bewegung von Beförderern in einem Liefersystem bereitzustellen, so daß lokale Konflikte so aufgelöst werden, daß dabei die Wirkungen einer solchen Auflösung auf das gesamte System berücksichtigt werden.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren bereitzustellen, in denen Konflikte bei der Verwendung von Systemressourcen dadurch reduziert werden, daß die Dauer solcher Konflikte geregelt wird.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren bereitzustellen, in denen Konflikte bei der Verwendung von Ressourcen dadurch reduziert werden, daß die Verwendung solcher Ressourcen genau zeitlich geplant und betrieben wird.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren bereitzustellen, in denen die Verzögerungen in einem Liefersystem durch die Bereitstellung eines ausführlichen und realisierbaren Bewegungsplans und die Bereitstellung eines Mittels zur Ausführung des ausführlichen und realisierbaren Plans reduziert werden.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren zur Bereitstellung eines Plans für die Bewegung einer Anzahl von Objekten durch ein Mehrwegeliefersystem bereitzustellen, der durch die Objekte, die bewegt werden, physisch erreichbar ist und der folglich zur Steuerung der Bewegung dieser Objekte verwendbar ist.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren zur Bereitstellung eines Plans für die Bewegung einer Anzahl von Objekten durch ein Mehrwegeliefersystem bereitzustellen, in dem die Objekte, die bewegt werden, in Zeitintervalle zur Verarbeitung umgewandelt werden.
Unter einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung für eine Optimierung bereit, die unterschiedliche Abstraktionsebenen in den Stufen der Ablaufzeitplanung und Feinplanung verwendet.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren zur Optimierung bereitzustellen, wobei die Menge der Einzelheiten der Bewegung, die optimiert wird, im umgekehrten Verhältnis zum Lösungsraum steht.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren für eine Optimierung bereitzustellen, die eine regelbasierte Inferenzmaschine zur Bereitstellung von Randbedingungen für eine randbedingungsbasierte Inferenzmaschine verwendet.
Es ist noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren für eine Optimierung bereitzustellen, die die Kombination aus regelbasierten und randbedingungsbasierten Inferenzmaschinen bei der Entwicklung eines Bewegungsplans verwendet, wobei die weitere Optimierung mittels einer prozedurbasierten Inferenzmaschine erfolgt.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges System und Verfahren zur Optimierung unter Berücksichtigung sowohl der Betriebs- als auch der Lieferkosten bereitzustellen.
Unter einem anderen Aspekt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein neuartiges Modell und Verfahren für eine Modellierung bereitzustellen, die zu unterschiedlichen Abstraktionsschichten fähig ist.
Unter einem anderen Aspekt ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Rechner und ein neuartiges Verfahren für eine Berechnung bereitzustellen, die Simulated-Annealing-Verfahren und Branch-and-Bound-Verfahren bei der Entwicklung von Lösungen für Rechenaufgaben kombiniert.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuartigen Rechner und ein neuartiges Verfahren zur Berechnung mit intelligenter Fokussierung von Simulated-Annealing-Prozessen bereitzustellen.
Gemäß einem Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein System, das die Merkmale von Anspruch 9 umfaßt.
Im allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Gütereisenbahn bereit, wobei die Eisenbahn sowohl regelmäßig als auch unregelmäßig betrieben wird und eine vorgegebene Gleislage hat, über die der Betrieb durch mehrere Güterzüge bereitgestellt wird, wobei das Verfahren (a) die Festlegung eines Bewegungsplans, gemäß dem sich die Züge entlang der Gleislage bewegen, wobei die Festlegung eine Bewegung der Wirkung von Gleisparametern auf die Bewegung der Züge umfaßt, und (b) die Steuerung der Züge mit dem Ziel, daß diese sich gemäß dem festgelegten Bewegungsplan entlang der Gleislage bewegen, umfaßt.
Vorzugsweise umfaßt die Steuerung der Züge die Übertragung von Feinzugsteuersignalen an die Züge. Vorzugsweise umfaßt die Festlegung des Bewegungsplans außerdem eine Bewertung der Wirkungen eines oder mehrerer der folgenden Parameter auf die Bewegung der Züge: Zuggröße, Zugladung, Zugbestandteile, Wetterbedingungen und Gleisbedingungen.
Die Festlegung des Bewegungsplans kann außerdem eine Bewertung der Wirkungen von Zughandhabungsrandbedingungen auf die Bewegung der Züge umfassen, wobei die Steuerung der Züge eine Steuerung mit beweglichem Block verwenden kann. Die Steuerung kann außerdem automatisch durch den Zug erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform schließt die Festlegung des Bewegungsplans die Zeitplanung von Bahnhofsausrüstungen und/oder die Zeitplanung der Erfordernisse von Streckenwartungsarbeiten ein. Auch kann die Steuerung der Züge eine Bewertung von Zughandhabungsrandbedingungen, die auf die Zugbewegung einwirken, umfassen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Bewegungsplan durch die Festlegung eines Zeitplans mittels statistischer Daten, die sich auf die Spitzenzugbewegung beziehen, und die Verfeinerung des Zeitplans durch die Simulation tatsächlicher Züge festgelegt. Bei der Festlegung und Verfeinerung des Zeitplans ist eine Optimierung implementierbar. Es wird ins Auge gefaßt, daß dieser Bewegungsplan für weniger als ein Prozent der geplanten Zeit erreichbar ist.
Als Alternative dazu ist der Bewegungsplan festlegbar durch: Festlegung der mit jeder für die Zugbewegung notwendigen Tätigkeit verknüpften Zeitintervalle; Gruppierung der Zeitintervalle, so daß relativ große Gruppen entstehen, zur Optimierung der Zugbewegung; Umgruppierung der Zeitintervalle, so daß relativ kleinere Gruppen entstehen, zur Optimierung der Zugbewegung, wenn die Optimierung mittels der großen Gruppen von Zeitintervallen unerreichbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn der Bewegungsplan durch die Kombination aus regelbasierten und randbedingungsbasierten Inferenzmaschinen festgelegt wird. Die regelbasierte Inferenzmaschine kann Randbedingungen für die randbedingungsbasierte Inferenzmaschine bereitstellen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Bewegungsplan bereit, der sowohl Betriebs- als auch Lieferkosten optimieren kann. Der Bewegungsplan ist mittels unterschiedlicher Abstraktionsebenen eines physikalischen Modells festlegbar. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch eine Groboptimierung durch Simulated-Annealing-Verfahren und eine Feinoptimierung durch Branch-and-Bound-Verfahren umfassen.
Im allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung auch ein System zur genauen Steuerung der Bewegung mehrerer Züge in einem Gleisnetz gemäß einem vorgegebenen Bewegungsplan bereit, umfassend: Mittel zur Bestimmung der Position jedes Zugs entlang des Gleises; Mittel zur Bewertung, inwieweit jeder Zug den vorgegebenen Bewegungsplan einhält; Mittel zur Festlegung der Anpassungen, die hinsichtlich eines Zugs, der den vorgegebenen Bewegungsplan nicht einhält, erforderlich sind, wobei diese Mittel Mittel zur Bestimmung der Wirkung der Topologie des Gleises auf die Anpassungen umfassen; und Mittel zum Kommunizieren der Anpassungen an jeden Zug.
In dem System umfassen die Mittel zur Bestimmung der Position jedes Zugs vorzugsweise eine Bewertung der Anpassung, die für die asymptotische Annäherung an den vorgegebenen Bewegungsplan erforderlich ist. Die Anpassungen sind durch jeden Zug, der die Anpassungen erhält, automatisch implementierbar. Außerdem umfassen die Anpassungen vorzugsweise Feinzugsteuersignale, und das System umfaßt an Bord der Züge befindliche Mittel zur Anzeige der Feinsteuersignale. Es ist auch vorteilhaft, wenn die Züge die durch die Feinsteuersignale dargestellten Funktionen automatisch ausführen.
Die Mittel zur Bewertung der Zeitplaneinhaltung können eine Steuerung mit beweglichem Block umfassen.
In der bevorzugten Ausführungsform umfassen die Anpassungen eine geplante Trajektorie. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Züge automatisch Feinsteuersignale generieren, die sich auf die geplanten Trajektorien beziehen.
Schließlich sind sich fern von diesen Zügen befindliche Mittel zur Umgehung der Steuerung der Züge bereitstellbar.
Die vorliegende Erfindung stellt auch eine alternative Ausführungsform des Systems zur Steuerung der Bewegung eines Zugs gemäß einem vorgegebenen Bewegungsplan bereit, umfassend: Mittel zur fortlaufenden Bestimmung der Position des Zugs; Mittel, die zu jedem Zeitpunkt die Position des Zugs im Vergleich zum vorgegebenen Bewegungsplan bewerten; und Mittel zur Anpassung der Geschwindigkeit des Zugs als Reaktion auf die Bewertungsmittel.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zur fortlaufenden Bestimmung ein erdsatellitengestütztes Geoortungssystem und einen Gleispositions-Meßwertumformer.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur einen vorgegebenen Zeitraum umfassenden Planung der Ressourcen-Nutzung in einer Güterbahnanlage zur Reduzierung der Kosten des Plans bereit, wobei der Zeitplan, der sich auf Spitzenzugbewegungen beziehende statistische Daten verwendet, festgelegt wird. Auch wird der Zeitplan mittels Simulation von tatsächlichen Zügen verfeinert, um einen Bewegungsplan festzulegen. Als Alternative dazu kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen: Entwicklung eines strategischen Zeitplans der Zugbewegung auf der Grundlage einer Optimierung der Kosten für vorgeschlagene Zeitpläne unter gelockerten Randbedingungen; und Entwicklung eines ausführlichen Bewegungsplans auf der Grundlage einer Optimierung innerhalb einer vorgegebenen Toleranz der Kosten des Zeitplans.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Zeitplanung mehrerer Fahrten bereit, umfassend die folgenden Schritte: Identifikation der für jede gewünschte Fahrt erforderlichen Tätigkeiten und Hinzufügung ihrer Kosten; Identifikation von verfügbaren Ressourcen; Zuweisung von Ressourcen an jede Tätigkeit; Umwandlung jeder Tätigkeit in ein Zeitintervall; Gruppierung von Zeitintervallen zur Bildung der gewünschten Fahrten; und Zeitplanung vollständiger Fahrten und Meldung des Zeitplans.
Das Verfahren kann die folgenden weiteren Schritte umfassen: Unterteilung der Fahrten in kleinere Segmente, wenn die Zeitplanung vollständiger Fahrten nicht möglich ist; und Zeitplanung von Segmenten und Meldung des Zeitplans. Das Verfahren meldet vorzugsweise den besten Zeitplan mit allen identifizierten Konflikten.
Vorzugsweise berücksichtigt das obenerwähnte Verfahren zur Zeitplanung mehrerer Fahrten Zugtätigkeitswirkungen, wenn es Tätigkeiten in Zeitintervalle umwandelt. Bei der Anstrebung eines Zeitplans wird zugelassen, daß sich die Zeitintervallgruppen in vorgegebenen Beträgen überlappen, und/oder die Zeitintervallgruppen werden als feste Blöcke behandelt. Als Alternative dazu werden die Zeitintervallgruppen bei der Anstrebung eines Zeitplans als bewegliche Blöcke behandelt.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Unterstützung eines Streckenfahrdienstleiters bei der Steuerung der Implementierung eines Bewegungsplans von Anweisungen über ein System bereit, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellung eines Zeitplans der zu implementierenden Anweisungen; Identifikation der Position von Ressourcen, die für die Implementierung jeder Anweisung notwendig sind; Bereitstellung eines ausführlichen Modells des Systems, über das der Zeitplan implementiert werden soll; Simulation des Zeitplans am Modell zur Auflösung aller Konflikte im Zeitplan. Andererseits kann ein Verfahren zur Steigerung der Effizienz der Bewegung mehrerer Züge, deren Zeitplan so gestaltet ist, daß sie sich konfliktfrei über eine Gleisanlage bewegen, die folgenden Schritte umfassen: Entwicklung eines Bewegungsplans, der durch die Züge erreichbar ist; und Steuerung der Bewegung der Züge, um die Bewegung der Züge mit dem Bewegungsplan in Übereinstimmung zu bringen.
Ein Verfahren zur Bewegung mehrerer Züge über eine Gleisanlage ist verbesserbar, wenn die Steuerung des Zugs in bestimmten Gleisabschnitten auf der Ebene der Anlage und nicht auf der Ebene lokaler Abschnitte erreicht wird. Zusätzlich ist ein Verfahren zur Bewegung mehrerer Züge über eine Gleisanlage, die mehrere Bereiche enthält, entwickelbar, in dem die Bewegung der Züge umfassend auf der Ebene der Anlage und nicht einzeln in den verschiedenen Bereichen innerhalb der Anlage geplant wird.
Erfindungsgemäß umfaßt ein Verfahren zur Steuerung eines auf einem Gleis fahrenden Zugs vorzugsweise die folgenden Schritte: Kommunizieren einer geplanten Trajektorie an einen Zug; Festlegung von Fahrhebel- und Bremseneinstellungen, die sich auf die geplante Trajektorie beziehen; Steuerung des Zugs gemäß den Einstellungen; und mehrmalige Wiederholung der Schritte des Festlegens und Steuerns.
Der Schritt des Festlegens kann sich auf Zughandhabungsrandbedingungen und/oder Gleisparameter beziehen. Ein Controller, der sich fern des Zugs befindet, kann den Steuerungsschritt umgehen, wobei der Controller Gleisparameter und/oder Zughandhabungsrandbedingungen verwendet um festzulegen, ob eine Umgehung erfolgen soll.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird eine geplante Trajektorie unter Bezugnahme auf Gleisparameter oder auf den Anhalteweg des Zugs und die Unklarheit über die Position des Zugs auf dem Gleis festgelegt. Die geplante Trajektorie sollte enden, wenn sich der Zug in einer sicheren Position auf dem Gleis befindet und/oder wenn der Zug angehalten hat. Der Schritt des Kommunizierens einer geplanten Trajektorie an den Zug wird vorzugsweise mit einer neuen geplanten Trajektorie wiederholt, bevor der Zug das Ende der ersten geplanten Trajektorie erreicht hat.
Die vorliegende Erfindung faßt auch ein Verfahren zur Steuerung mehrerer Züge, die sich in einem Gleisnetz bewegen, ins Auge, umfassend die folgenden Schritte: Festlegung eines Zeitplans zum Betreiben der Züge auf dem Gleis; Generierung von geplanten Trajektorien für jeden Zug gemäß dem festgelegten Zeitplan; Kommunizieren einer geplanten Trajektorie an einen Zug; Festlegung von Fahrhebel- und Bremseneinstellungen, die sich auf die geplante Trajektorie beziehen; Steuerung des Zugs gemäß den Einstellungen; und mehrmalige Wiederholung der letzten beiden Schritte.
Auch in diesem Verfahren wird der Schritt des Kommunizierens einer geplanten Trajektorie mit einer neuen geplanten Trajektorie wiederholt, bevor der Zug das Ende der ersten oder der vorhergehenden geplanten Trajektorie erreicht hat. Die Einstellungen sind auf der Grundlage von Gleisparametern und/oder Zughandhabungsrandbedingungen festlegbar.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein System zur Steuerung mehrerer Züge, die sich in einem Gleisnetz bewegen, bereit, umfassend: Mittel zur Festlegung eines Zeitplans zum Betreiben der Züge auf dem Gleis; Mittel zur Generierung von geplanten Trajektorien für jeden Zug gemäß dem festgelegten Zeitplan; Mittel zum Kommunizieren einer geplanten Trajektorie an einen Zug; Mittel zur Festlegung von Fahrhebel- und Bremseneinstellungen, die sich auf die geplante Trajektorie beziehen; und Mittel zur Steuerung des Zugs gemäß den Einstellungen.
Gemäß einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein System zur einen vorgegebenen Zeitraum umfassenden Planung der Ressourcen-Nutzung in einer Güterbahnanlage zur Reduzierung der Kosten des Plans bereit, umfassend: Mittel zur Entwicklung eines strategischen Zeitplans der Zugbewegung auf der Grundlage einer Optimierung der Kosten für vorgeschlagene Zeitpläne unter gelockerten Randbedingungen; und Mittel zur Entwicklung eines ausführlichen Bewegungsplans auf der Grundlage einer Optimierung innerhalb einer vorgegebenen Toleranz der Kosten des Zeitplans.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein System zur Zeitplanung mehrerer Fahrten bereit, umfassend: Mittel zur Identifikation der für jede gewünschte Fahrt erforderlichen Tätigkeiten und Hinzufügung ihrer Kosten; Mittel zur Identifikation von verfügbaren Ressourcen; Mittel zur Zuweisung von Ressourcen an jede Tätigkeit; Mittel zur Umwandlung jeder Tätigkeit in ein Zeitintervall; Mittel zur Gruppierung von Zeitintervallen zur Bildung der gewünschten Fahrten; und Mittel zur Zeitplanung vollständiger Fahrten und Meldung des Zeitplans.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein System zum Betreiben einer Gütereisenbahn bereit, wobei die Eisenbahn sowohl regelmäßig als auch unregelmäßig betrieben wird und eine vorgegebene Gleislage hat, über die der Betrieb durch mehrere Güterzüge bereitgestellt wird, umfassend: Mittel zur Festlegung eines Bewegungsplans, gemäß dem sich die Züge entlang der Gleislage bewegen, wobei die Mittel zur Festlegung Mittel zur Bewertung der Wirkungen von Gleisparametern auf die Bewegung der Züge umfassen; und Mittel zur Steuerung der Züge mit dem Ziel, daß diese sich gemäß dem festgelegten Bewegungsplan entlang der Gleislage bewegen.
Im obigen System können die Mittel zur Festlegung des Bewegungsplans Mittel zur Bewertung der Wirkungen eines oder mehrerer der folgenden Parameter auf die Bewegung der Züge umfassen: Zuggröße, Zugladung, Zugbestandteile, Wetterbedingungen und Gleisbedingungen. Es kann außerdem Mittel zur Bewertung der Wirkungen von Zughandhabungsrandbedingungen auf die Bewegung der Züge umfassen. Die Mittel können außerdem Mittel zur Festlegung eines Zeitplans mittels statistischer Daten, die sich auf die Spitzenzugbewegung beziehen, und Mittel zur Verfeinerung des Zeitplans durch die Simulation tatsächlicher Züge umfassen. Sowohl die Mittel zur Festlegung eines Zeitplans als auch die Mittel zur Verfeinerung des Zeitplans können Mittel zur Optimierung einschließen.
In einer weiteren Ausführungsform umfaßt das Mittel zur Festlegung eines Bewegungsplans außerdem Mittel zur Festlegung der mit jeder für die Zugbewegung notwendigen Tätigkeit verknüpften Zeitintervalle; Mittel zur Gruppierung der Zeitintervalle, so daß relativ große Gruppen entstehen, zur Optimierung der Zugbewegung; und Mittel zur Umgruppierung der Zeitintervalle, so daß relativ kleinere Gruppen entstehen, zur Optimierung der Zugbewegung, wenn die Optimierung mittels der großen Gruppen von Zeitintervallen unerreichbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Planung der Bewegung mehrerer Ressourcen durch ein Mehrwegesystem bereit, umfassend die folgenden Schritte: Entwicklung eines strategischen Zeitplans der Ressourcenbewegung innerhalb von vorgegebenen Toleranzen; und Entwicklung eines Bewegungsplans innerhalb der Toleranzen des strategischen Zeitplans. In diesem Verfahren sind der Zeitplan und/oder der Bewegungsplan optimierbar. Die Optimierung des Zeitplans ist unter relativ gelockerten Randbedingungen entwickelbar, und die Optimierung des Bewegungsplans wird dann unter relativ strengeren Randbedingungen entwickelt.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Unterstützung eines Streckenfahrdienstleiters bei der Steuerung der Implementierung eines Zeitplans von Anweisungen über ein System bereit, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellung des Zeitplans von zu implementierenden Anweisungen; Identifikation der Position von Ressourcen, die für die Implementierung jeder Anweisung notwendig sind; Bereitstellung eines ausführlichen Modells des Systems, über das der Zeitplan implementiert werden soll; Simulation des Zeitplans am Modell bis zur Entdeckung eines Konflikts; und Anzeige des Konflikts.
Außerdem sind alternative Auflösungen des Konflikts festleg- und identifizierbar. Wenn Konflikte aufgelöst sind, ist die Meldung der Auflösung möglich. Die Auflösung ist mittels Branch-and-Bound-Verfahren durchführbar.
Das Verfahren zur Unterstützung eines Streckenfahrdienstleiters kann auch die folgenden Schritte umfassen: Identifikation der Lieferkosten; Identifikation der Betriebskosten jeder der Ressourcen als eine Funktion der Zeit; und Optimierung der Konfliktauflösung als eine Funktion der Kosten.
Die vorliegende Erfindung umfaßt außerdem ein Verfahren zur Unterstützung eines Streckenfahrdienstleiters bei der Implementierung eines Zeitplans, einschließend die folgenden Schritte: Lieferung eines Zeitplans und eines Bewegungsplans zur Implementierung des Zeitplans an den Streckenfahrdienstleiter, bevor der Streckenfahrdienstleiter den Zeitplan implementiert.
Außerdem wird ein Verfahren zur Planung der Implementierung eines Anweisungszeitplans über ein System ins Auge gefaßt, das die folgenden Schritte umfaßt: Bereitstellung des zu implementierenden Anweisungszeitplans; Identifikation der Ressourcen und der Position von Ressourcen, die für die Implementierung jeder Anweisung notwendig sind; Bereitstellung eines ausführlichen Modells des Systems, über das der Zeitplan implementiert werden soll; Simulation des Zeitplans am Modell zur Identifikation und Auflösung von Konflikten; und Anzeige des Plans.
Das Verfahren kann außerdem die folgenden Schritte einschließen: Identifikation der Lieferkosten; Identifikation der Betriebskosten jeder der Ressourcen als eine Funktion der Zeit; und Optimierung der Konfliktauflösung als eine Funktion der Kosten. Die Optimierung ist mittels Branch-and-Bound-Verfahren durchführbar.
Außerdem kann das Modell die Systemtopologie, Handhabungsregeln, Schaltabstände, die Steuermechanik (feste oder bewegliche Blöcke) und Ressourcenmerkmale berücksichtigen.
Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Planung der Bewegung mehrerer Ressourcen durch ein Mehrwegesystem bereit, umfassend die folgenden Schritte: Entwicklung eines Zeitplans zur Ressourcenbewegung mittels der Kombination aus einer regelbasierten Inferenzmaschine und einer randbedingungsbasierten Inferenzmaschine; Lieferung des Zeitplans und von Kostendaten, die sich auf die bewegliche Ressource beziehen, an eine prozedurbasierte Inferenzmaschine zur Optimierung des Zeitplans in einen Bewegungsplan; und Anzeige des modifizierten Bewegungsplans.
In dem Verfahren erfordert die Anzeige des von der prozedurbasierten Inferenzmaschine stammenden Bewegungsplans die vorherige Genehmigung durch die regelbasierte Inferenzmaschine.
Vorzugsweise sind die Daten der beweglichen Ressource statistisch bei der Entwicklung des Zeitplans und simuliert bei der Entwicklung des Bewegungsplans.
Außerdem ist dasselbe Systemmodell bei der Entwicklung des Zeitplans und des Bewegungsplans verwendbar, wobei das Systemmodell bei der Verwendung zur Entwicklung des Zeitplans eine höhere Abstraktionsebene hat als bei der Verwendung zur Entwicklung des Bewegungsplans.
Das Verfahren zur Planung der Bewegung kann den Bewegungsplan entweder (i) zur Anzeige bereitstellen, (ii) den regelbasierten Inferenzmaschinen zur erneuten Zeitplanung durch die Lockerung einer Regel übergeben oder (iii) der randbedingungsbasierten Inferenzmaschine zur erneuten Zeitplanung durch die Lockerung einer Randbedingung übergeben.
Die Erfindung stellt auch bereit:
ein Verfahren zur Optimierung eines Bewegungsplans durch die Zusammenschaltung von regelbasierten, randbedingungsbasierten und prozedurbasierten Inferenzmaschinen;
ein Planungsverfahren, umfassend die folgenden Schritte: Entwicklung eines strategischen Zeitplans unter Optimierung mit gelockerten Randbedingungen; und Entwicklung eines Plans unter Optimierung mit engen Randbedingungen;
ein Verfahren zur Unterstützung eines Streckenfahrdienstleiters bei der Steuerung der Implementierung eines Bewegungsplans von Anweisungen über ein System, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellung eines Zeitplans der zu implementierenden Anweisungen; Identifikation der Position von Ressourcen, die für die Implementierung jeder Anweisung notwendig sind; Bereitstellung eines ausführlichen Modells des Systems, über das der Zeitplan implementiert werden soll; Simulation des Zeitplans am Modell zur Auflösung aller Konflikte im Zeitplan; und
ein Verfahren zur Steigerung der Effizienz der Bewegung mehrerer Züge, deren Zeitplan so gestaltet ist, daß sie sich konfliktfrei über eine Gleisanlage bewegen, durch die folgenden Schritte: Entwicklung eines Bewegungsplans, der durch die Züge erreichbar ist; und Steue rung der Bewegung der Züge, um die Bewegung der Züge mit dem Bewegungsplan in Übereinstimmung zu bringen.
Die Erfindung stellt außerdem bereit:
ein System zur Planung der Bewegung mehrerer Ressourcen durch ein Mehrwegesystem, umfassend: Mittel zur Entwicklung eines Zeitplans zur Ressourcenbewegung mittels der Kombination aus einer regelbasierten Inferenzmaschine und einer randbedingungsbasierten Inferenzmaschine; Mittel zur Lieferung des Zeitplans und von Kostendaten, die sich auf die beweglichen Ressourcen beziehen, an eine prozedurbasierte Inferenzmaschine zur Optimierung des Zeitplans in einen Bewegungsplan; und Mittel zur Anzeige des modifizierten Bewegungsplans;
ein System zur Unterstützung eines Streckenfahrdienstleiters bei der Steuerung der Implementierung eines Bewegungsplans von Anweisungen über ein System, umfassend: Mittel zur Bereitstellung eines Zeitplans der zu implementierenden Anweisungen; Mittel zur Identifikation der Position von Ressourcen, die für die Implementierung jeder Anweisung notwendig sind; ein ausführliches Modell des Systems, über das der Zeitplan implementiert werden soll; und Mittel zur Simulation des Zeitplans am Modell zur Auflösung aller Konflikte im Zeitplan; und
ein Verfahren zur Zeitplanung der Ausführung einer Mehrzahl von Anweisungen, die sich auf die Ressourcen-Nutzung beziehen, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellung einer regelbasierten Inferenzmaschine; Lieferung einer Regelmenge an die regelbasierte Inferenzmaschine; Lieferung von Ressourcen-Verfügbarkeitsprofilen und Ressourcen-Betriebskostenprofilen an die regelbasierte Inferenzmaschine; Generierung einer Randbedingungsmenge in der regelbasierten Inferenzmaschine aus den an sie gelieferten Regeln und Profilen; Bereitstellung einer randbedingungsbasierten Inferenzmaschine; Lieferung der durch die regelbasierte Inferenzmaschine generierten Randbedingungen als Sequentialisierungsrandbedingungen an die randbedingungsbasierte Inferenzmaschine; und Generierung eines Zeitplans in der randbedingungsbasierten Inferenzmaschine aus den an sie gelieferten Sequentialisierungsrandbedingungen.
In den obigen Verfahren können sich die Regeln auf die Politik, die Ressourcenkompatibilität, Standardbetriebsverfahren, die Abbildung von Anweisungen auf die für die Ausführung der Anweisungen notwendigen Tätigkeiten und die Abbildung von Anweisungen auf Ressourcen und Konfliktauflösung beziehen. Vorzugsweise werden vor der Generierung des Zeitplans zusätzliche Randbedingungen selektiv an die randbedingungsbasierte Maschine geliefert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Zeitplanung der Anweisungen, die sich auf die Nutzung mehrerer Ressourcen über einen Zeitraum in einem einzelnen System beziehen, die folgenden Schritte: Bereitstellung von Daten, die sich beziehen auf: (i) die Tätigkeiten, die für die Ausführung jeder der Anweisungen erforderlich sind, (ii) Lieferkosten, die mit jeder der gewünschten Anweisungen verknüpft sind, (iii) ausgewählte Randbedingungen, und (iv) die Ressourcenverfügbarkeit; Bestimmung der möglichen Zuweisung von verfügbaren Ressourcen an jede der identifizierten Tätigkeiten als eine Funktion des Ressourcenleistungsvermögens; Umwandlung der zugewiesenen Tätigkeiten in Zeitintervalle; Gruppierung der Zeitintervalle zur Bildung von vollständigen Anweisungen; Anstrebung der Zeitplanung von vollständigen Anweisungen unter Erfüllung sämtlicher Randbedingungen; wenn Zeitplanung vollständiger Anweisungen möglich ist, Anpassung der Anweisungen innerhalb der Randbedingungen als eine Funktion der Lieferkosten und Meldung des Zeitplans; wenn Zeitplanung vollständiger Anweisungen nicht gelingt, Unterteilung mindestens einer der vollständigen Anweisungen in kleinere Gruppen von Zeitintervallen; Anstrebung der Zeitplanung der unterteilten Anweisungen unter Erfüllung sämtlicher Randbedingungen; wenn Zeitplanung der unterteilten Anweisungen gelingt, Anpassung der Gruppen von Zeitintervallen innerhalb der Randbedingungen als eine Funktion der Lieferkosten und Meldung des Zeitplans; und wenn Zeitplanung der unterteilten Anweisungen nicht gelingt, Meldung des Zeitplans mit den identifizierten Konflikten.
Das Verfahren kann die folgenden weiteren Schritte einschließen: Bereitstellung von Daten, die sich auf die Betriebskosten, die mit jeder der Ressourcen verknüpft sind, beziehen, als eine Funktion der Zeit; und Zuweisung der verfügbaren Ressourcen an die Tätigkeiten, um die Betriebskosten der Ressourcen zu minimieren.
In einer Ausführungsform ist das System eine Bahnanlage, wobei die Ressourcen Eisenbahnlokomotiven und -wagen, Verladeeinrichtungen und Gleisabschnitte einschließlich der Position für eine mögliche Einfügung von Zeitlücken sind.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Zeitplanung mehrerer Fahrten durch ein Mehrwegesystem bereit, umfassend die folgenden Schritte: Identifikation der für jede gewünschte Fahrt erforderlichen Tätigkeiten und Hinzufügung ihrer Kosten; Identifikation von verfügbaren Ressourcen; Zuweisung von Ressourcen an jede Tätigkeit; Umwandlung jeder Tätigkeit in ein Zeitintervall; Gruppierung von Zeitintervallen zur Bildung der gewünschten Fahrten; und Zeitplanung vollständiger Fahrten und Meldung des Zeitplans.
Das Verfahren kann die folgenden weiteren Schritte einschließen: Unterteilung der Fahrten in kleinere Segmente, wenn die Zeitplanung vollständiger Fahrten nicht möglich ist; Zeitplanung von Segmenten und Meldung des Zeitplans. Außerdem kann es den weiteren Schritt des Meldens des besten Zeitplans mit allen identifizierten Konflikten umfassen.
Im Zeitplanungsverfahren sollten die Tätigkeiten des Umwandelns in Zeitintervalle die Berücksichtigung von Zugtätigkeitswirkungen einschließen. Außerdem kann es zulässig sein, daß sich die Zeitintervallgruppen in vorgegebenen Beträgen überlappen. Optional werden die Zeitintervallgruppen bei der Anstrebung eines Zeitplans als feste Blöcke behandelt. Als Alternative dazu werden die Zeitintervallgruppen bei der Anstrebung eines Zeitplans als bewegliche Blöcke behandelt.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Entwicklung eines Zeitplans mittels einer regelbasierten Inferenzmaschine zur Bereitstellung von Randbedingungseingaben für eine randbedingungsbasierte Inferenzmaschine bereit.
Schließlich faßt die vorliegende Erfindung ein System zur Zeitplanung von Anweisungen, die sich auf die Nutzung mehrerer Ressourcen über einen Zeitraum in einem einzelnen System beziehen, ins Auge, umfassend: Mittel zur Bereitstellung von Daten, die sich beziehen auf: (i) die Tätigkeiten, die für die Ausführung jeder der Anweisungen erforderlich sind, (ii) Lieferkosten, die mit jeder der gewünschten Anweisungen verknüpft sind, (iii) ausgewählte Randbedingungen, und (iv) die Ressourcenverfügbarkeit; Mittel zur Bestimmung der möglichen Zuweisung von verfügbaren Ressourcen an jede der identifizierten Tätigkeiten als eine Funktion des Ressourcenleistungsvermögens; Mittel zur Umwandlung der zugewiesenen Tätigkeiten in Zeitintervalle; Mittel zur Gruppierung der Zeitintervalle zur Bildung von vollständigen Anweisungen; Mittel zur Anstrebung der Zeitplanung von vollständigen Anweisungen unter Erfüllung sämtlicher Randbedingungen; wenn Zeitplanung vollständiger Anweisungen möglich ist, Mittel zur Anpassung der Anweisungen innerhalb der Randbedingungen als eine Funktion der Lieferkosten und Meldung des Zeitplans; wenn Zeitplanung vollständiger Anweisungen nicht gelingt, Mittel zur Unterteilung mindestens einer der vollständigen Anweisungen in kleinere Gruppen von Zeitintervallen; Mittel zur Anstrebung der Zeitplanung der unterteilten Anweisungen unter Erfüllung sämtlicher Randbedingungen; wenn Zeitplanung der unterteilten Anweisungen gelingt, Mittel zur Anpassung der Gruppen von Zeitintervallen innerhalb der Randbedingungen als eine Funktion der Lieferkosten und Meldung des Zeitplans; und wenn Zeitplanung der unterteilten Anweisungen nicht gelingt, Mittel zur Meldung des Zeitplans mit den identifizierten Konflikten.
Nicht zuletzt umfaßt ein Verfahren zur Optimierung der Bewegung mehrerer Objekte durch ein Mehrwegesystem die folgenden Schritte: Abstraktion eines Modells des Systems auf eine relativ hohe Ebene; Optimierung der Bewegung mehrerer Objekte durch das System zur Bereitstellung eines groben Zeitplans; Abstraktion des Modells des Systems auf eine relativ geringe Ebene; und Optimierung der Bewegung derselben mehreren Objekte durch das System innerhalb der Randbedingungen des ersten Zeitplans zur Bereitstellung eines feineren Zeitplans; wodurch die Optimierung hierarchischer Natur ist, so daß sich der Lösungsraum, in dem die Suche nach der Optimierung erfolgt, verringert, wenn zusätzliche Einzelheiten in das Modell einbezogen werden.
Das obenerwähnte Verfahren zur Planung über einen vorgegebenen Zeitraum schließt vorzugsweise die folgenden weiteren Schritte ein: Kommunizieren des Bewegungsplans an einen Zug; Festlegung von Fahrhebel- und Bremseneinstellungen, die sich auf den Plan beziehen; Steuerung des Zugs gemäß den Einstellungen; und mehrmalige Wiederholung der letzten beiden Schritte. Der Schritt des Festlegens kann sich auf Zughandhabungsrandbedingungen und/oder Gleisparameter beziehen. Außerdem kann die selektive Umgehung des Steuerungsschritts durch einen Controller, der sich fern des Zugs befindet, vorgesehen sein. Der Plan ist unter Bezugnahme auf Gleisparameter und/oder unter Bezugnahme auf den Anhalteweg des Zugs und die Unklarheit über die Position des Zugs auf dem Gleis festlegbar. Der Plan endet zum Beispiel dann, wenn sich der Zug in einer sicheren Position auf dem Gleis befindet. Der Schritt des Kommunizierens wird vorzugsweise mit einem neuen Plan wiederholt, bevor der Zug das Ende des ersten Plans erreicht hat.
Jedes der obenerwähnten Verfahren schließt vorzugsweise die folgenden weiteren Schritte ein: Kommunizieren des ausführlichen Bewegungsplans an einen Zug; Festlegung von Fahrhebel- und Bremseneinstellungen, die sich auf den Plan beziehen; und Steuerung des Zugs gemäß den Einstellungen.
Diese und viele andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, beim Studium der Ansprüche, der beigefügten Zeichnungen und der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ohne weiteres offenbaren.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm der Systeme nach dem Stand der Technik.
2 ist eine bildliche Darstellung einer Fadenlinie nach dem Stand der Technik, die bei der Zeitplanung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems verwendet wird.
3 ist ein Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Systems.
4 ist ein Blockschaltbild des systemweiten Planers oder Anweisungszeitplaners von 3.
5 ist ein Systemablaufdiagramm der Implementierung des Ressourcen-Zeitplaners von 4 in einer COPES-Shell.
6 ist ein Blockschaltbild des Bewegungsplanerabschnitts des Planers/Abfertigers von 3.
7 ist ein Blockschaltbild des physikalischen Modells von 6.
8 ist eine schematische Darstellung der Funktionsweise des Systems.
9 ist eine bildliche Darstellung der Mehrebenen-Abstraktion des dreidimensionalen Modells von 6.
10 ist ein Blockschaltbild des Zug-Controllers von 3, der in einer Lokomotive verwendbar ist.
11 ist ein Blockschaltbild eines Abschnitts des Zug-Controllers von 10.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINES ZEITPLANUNGSSYSTEMS FÜR EINE GÜTEREISENBAHN
Viele Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Kontext eines Zeitplanungssystems für eine Gütereisenbahn verständlich, und bevorzugte Ausführungsformen der verschiedenen Bestandteile der Erfindung und ihrer Wirkungsweise sind untenstehend in einem solchen Kontext beschrieben.
Gesamtsysem
Wie 3 zeigt, kann ein erfindungsgemäßes System zur Zugzeitplanung und Zugsteuerung einen systemweiten Planer oder Anweisungszeitplaner 200, einen Planer/Abfertiger 204, einen Sicherheitsgewährleister 206 und einen Zug-Controller 208 einschließen.
Allgemein ausgedrückt, und wie unten noch weiter erklärt, ist der systemweite Planer 200 für die Gesamtsystemplanung bei der Zuweisung der verschiedenen Ressourcen des Systems zur optimalen Erfüllung der Anforderungen an das System verantwortlich. Der systemweite Planer 200 entwickelt einen groben Zeitplan für die Verwendung der verschiedenen Ressourcen und leitet diesen Zeitplan an den Planer/Abfertiger 204 weiter. Der Planer/Abfertiger 204 empfängt den groben Zeitplan vom systemweiten Planer 200 und legt, wie unten noch weiter erklärt, einen ausführlichen Zeitplan der Ressourcen fest, der als Bewegungsplan bezeichnet wird. Der Bewegungsplan ist dann durch den Abfertigungsabschnitt des Planers/Abfertigers 204 verwendbar, um letztendlich an den Zug-Controller 208 an Bord der Lokomotive der gesteuerten Züge übertragen zu werden.
Der durch den Planer/Abfertiger 204 entwickelte Bewegungsplan ist durch einen Sicherheitsgewährleister 206 überprüfbar, um zu verifizieren, daß die durch den Planer/Abfertiger befoh lenen Bewegungen nicht dazu führen, daß irgendein Zug des Systems in eine gefährliche Situation gebracht wird.
Wie 3 auch zeigt, kann der Planer/Abfertiger 204 auch geeignete Befehlssignale für die verschiedenen Gleiselemente 210 (zum Beispiel Weichen) generieren, um die Bahnanlage so zu konfigurieren, wie das für die Ausführung des Bewegungsplans in einer automatisierten Ausführungsform in einem erfindungsgemäßen System erforderlich ist. Ebenso wie die Bewegungsplansignale sind auch die Signale an die Gleiselemente 210 durch den Sicherheitsgewährleister 206 auf ihre Sicherheit hin überprüfbar.
Informationen über die Position des Zugs und die Einstellungen der Gleiselemente sind an den Planer/Abfertiger zurücksendbar.
Falls der Planer/Abfertiger 204 nicht in der Lage ist, einen Zeitplan für alle erforderlichen Dienste im Zeitplan zu entwickeln, oder falls ein Zug nicht in der Lage ist, einen solchen Zeitplan einzuhalten, werden Ausnahmen den Kommunikationsweg hinauf zurückgeleitet, um bedarfsgerecht durch die nächsthöhere Ebene behandelt zu werden.
Es sei erwähnt, daß auf jeder Ebene des Systems in 3 das System die Wirkung der Größe (Masse) und Leistung des Zugs und der verschiedenen Gleisparameter und Zughandhabungsrandbedingungen auf die Zeitplanung und den Bewegungsprozeß berücksichtigt. Gleisparameter schließen jene physikalischen Eigenschaften eines bestimmten Gleises ein, die die Geschwindigkeit beeinflussen, mit der der Zug das Gleis durchfahren kann, und die die Änderungsrate der Geschwindigkeit oder der Leistung beeinflussen, die auftritt, während ein bestimmter Zug das Gleis entlangfährt. Diese Parameter schließen zum Beispiel den Gradienten, die Krümmung und die Böschung des Gleises und die Bedingungen der Gleislagerung und der Schienen ein. Durch die Generierung eines Zeitplans, der solche Gleisparameter berücksichtigt, ist der systemweite Planer 200 in der Lage, einen groben Zeitplan zu generieren, der mit hoher Wahrscheinlichkeit während der ausführlichen Planung des Planers/Abfertigers 204 erfolgreich implementiert wird. Ebenso gewährleistet die Verwendung solcher Gleisparameter durch den Planer/Abfertiger 204, daß der entwickelte Bewegungsplan realistisch und durch den tatsächlichen Zug sicher und genau einzuhalten ist.
Entsprechend können alle Ebenen des Systems innerhalb ihrer Festlegung eines groben Zeitplans, eines Bewegungsplans und der Befehle, die zur Steuerung des Zugs verwendet werden, Zughandhabungsrandbedingungen einschließen. Zughandhabungsrandbedingungen schließen empirische und andere Faktoren ein, durch die bekannt und akzeptiert ist, daß Züge betrieben werden sollten. Diese Randbedingungen schließen Bremsverfahren und Überlegungen zum Überfahren von Weichen ein, um Entgleisungen zu vermeiden.
So wird zum Beispiel ein langer Zug, der gerade den Scheitelpunkt einer Steigung erklommen hat, als „gestreckt" betrachtet, da alle seine Kupplungen zwischen den Wagen gestreckt bzw. gespannt sind. Wenn der vordere Teil des Zugs auf der gegenüberliegenden Seite des Scheitelpunkts in den abschüssigen Streckenabschnitt eintritt, neigen die Wagen auf der abschüssigen Strecke dazu, zusammengedrückt zu werden, wenn die Lokomotive abgebremst wird, und es kann gefährlich sein, Widerstandsbremsen zu betätigen (also das Bremssystem, das nur an der Lokomotive arbeitet). Da die Kupplungen zwischen den Wagen zusammengedrückt werden, da jeder Wagen durch die vor ihm befindlichen Wagen abgebremst wird, ist die Neigung des Zugs zur Verwindung ein bekannter Grund für Entgleisungen. Solche Zughandhabungsrandbedingungen können je nach Größe und Typ des Zugs variieren und werden auf jeder Ebene des Systems berücksichtigt.
Der Planer/Abfertiger 204 in 3 umfaßt zwei Prozesse: eine Planer-/Abfertigungsfunktion und einen Bewegungsplaner. Die Planer-/Abfertigungsfunktion ist für die Bewegung eines Zugs von seiner Abfertigung (also seiner frühesten Abfahrtszeit) bis zu seiner Ankunft an seinem Bestimmungsort (Hafen, Bergwerk, Rangierbahnhof oder Bahnhof) verantwortlich. Der Bewegungsplaner (weiter unten im Zusammenhang mit 4 ausführlich beschrieben) nimmt den groben Zeitplan, der zu Beginn durch den systemweiten Planer oder Anweisungszeitplaner 200 festgelegt wurde, und generiert einen ausführlichen Bewegungsplan unter Verwendung der Einzelheiten der physikalischen Attribute, der Gleisparameter und der Zughandhabungsrandbedingungen.
Der Bewegungsplan ist ein zeitlicher Verlauf der Position der Züge durch den gesamten Plan und berücksichtigt die physikalischen Kräfte, deren Auftreten während der tatsächlichen Ausführung des Plans erwartet wird. So berücksichtigt zum Beispiel der Bewegungsplaner die Trägheit des Zugs und die Gleisparameter usw., um einen Bewegungsplan bereitzustellen, in dem die Tatsache berücksichtigt ist, daß der Zug nicht sofort seine gewünschte Geschwindigkeit erreicht.
Somit berücksichtigt der Bewegungsplaner die Geschwindigkeitsänderungen und/oder die zeitlichen Wirkungen der verschiedenen Randbedingungen über das spezifische Gleis hinweg, für das die Züge geplant werden. Wenn der Bewegungsplaner zum Beispiel festlegt, daß ein bestimmter Zug auf ein Ausweichgleis geleitet wird, berücksichtigt der Bewegungsplaner die Tatsache, daß der Zug in Vorbereitung des Rangiervorgangs seine Geschwindigkeit möglicherweise etwas verringern muß, und daß insbesondere dann, wenn der Zug auf dem Ausweichgleis angehalten wird, die anschließende Beschleunigung nicht sofort erfolgt, sondern gemäß dem Gewicht der Lokomotive, der Gleisadhäsion, dem Gewicht des Zugs, dem Gradienten und der Krümmung über einen begrenzten Zeitraum hinweg an Geschwindigkeit zunimmt. Auf diese Weise generiert der Bewegungsplaner die genaue Trajektorie, von der erwartet wird, daß der Zug ihr folgt.
Dieser ausführliche Bewegungsplan sollte Systemen nach dem Stand der Technik gegenübergestellt werden, in denen Pläne im besten Fall unter Bezugnahme auf einen durchschnittlichen Zeitraum generiert werden, den gleichartige Züge für das Durchfahren derselben Gleisabschnitte benötigt haben oder von dem erwartet wird, daß gleichartige Züge ihn dafür benötigen. Zwar können, durchschnittlich gesehen, die Mittelwerte der Simulationen nach dem Stand der Technik ziemlich genau sein, doch setzen sie typischerweise Eigenschaften voraus, die bei der Bewegung eines tatsächlichen Zugs unmöglich zu erreichen sind.
Die Modelle nach dem Stand der Technik können zum Beispiel die Fahrt zwischen zwei Abschnitten als eine diese beiden Abschnitte umfassende Durchschnittsgeschwindigkeit modellieren. Wenn der Generierung des Bewegungsplans einfach nur die Durchschnittsgeschwindigkeit zugrunde liegt, ist der Bewegungsplan hinsichtlich der Antizipation der Zugtrajektorie ungenau, weil die Durchschnittsgeschwindigkeit im Modell nicht sofort durch den tatsächlichen Zug erreichbar ist. Wenn eine solche Durchschnittsgeschwindigkeit bei der Generierung eines Bewegungsplans verwendet wird, kann der Zug einen solchen Plan nicht wirklich implementieren und sind solche Pläne für die Zugsteuerung nicht verwendbar.
Im Gegensatz zum Stand der Technik berücksichtigt die vorliegende Erfindung nicht einfach die Durchschnittsgeschwindigkeiten zwischen Punkten, sondern andere Faktoren, die die Zuggeschwindigkeit und die auf dem Weg zu verschiedenen Punkten zwischen den Enden des Abschnitts vergehende Zeit beeinflussen. Auf diese Weise weiß der erfindungsgemäße Bewegungsplaner nicht nur genau, wann ein Zug das Ende eines bestimmten Abschnitts erreichen wird, sondern auch, wo sich der Zug zu jedem gegebenen Zeitpunkt auf dem Weg zwischen den Enden eines solchen Abschnitts befinden sollte. Da der Bewegungsplaner weiß, wann genau ein durch ihn gesteuerter Zug sich an einer bestimmten Einrichtung (zum Beispiel ein Ausweichgleis oder ein alternatives Gleis) befinden wird, kann er Situationen des Begegnens und Passierens zeitlich genauer planen, als das gemäß dem Stand der Technik erfolgt.
Im Bewegungsplaner in 4 sind entweder Regeln fester Blöcke oder beweglicher Blöcke verwendbar. Regeln fester Blöcke spiegeln die Segmentierung von Gleisen in feste Blöcke oder Abschnitte wider. Gemäß dem Stand der Technik wurde im allgemeinen die Blockgröße so eingestellt, daß sie dem Anhalteweg entsprach, den der am langsamsten anhaltende Zug benötigte. Bei hintereinander fahrenden Zügen wurde ein nachfolgender Zug in einem Abstand hinter dem vorausfahrenden Zug gehalten, der mindestens einem Vielfachen der Länge des festen Blocks entsprach. Typischerweise wurde der Abstand zwischen einem nachfolgenden Zug und dem vorausfahrenden Zug so festgelegt, daß er Vielfachen der Größe eines festen Blocks entsprach. Da das erfindungsgemäße System eine sehr genaue Steuerung verwendet, die genau an die Fähigkeiten und die Dynamik der spezifischen Züge, die gehandhabt werden, angepaßt ist, sind geringere Abstände zwischen Zügen möglich als in den Systemen, die mit einem festen Block arbeiten, da sie so einstellbar sind, daß sie den tatsächlichen Bremsweg der spezifischen Züge widerspiegeln. Somit basiert das erfindungsgemäße System nicht auf einem Bremsplan, der sich am ungünstigsten Fall, der möglich ist, orientiert, und die Durchsatzleistung der Bahnanlage wird dadurch verbessert.
Wie 3 auch zeigt, wird der durch den Bewegungsplaner in 4 generierte Bewegungsplan durch den Planer/Abfertiger 204 zur Steuerung des Zugbetriebs verwendet. In einer Ausführungsform sind selektive Abschnitte des Bewegungsplans anzeigbar, um Bedienungspersonal bei der Zugabfertigung und bei der korrekten Konfigurierung der verschiedenen Gleiselemente (Weichen, Signale usw.) nach den Vorgaben des Bewegungsplans zu unterstützen. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Planer/Abfertiger 204 den Bewegungsplan über die Kommunikationsinfrastruktur automatisch abfertigen, um die geeigneten Abschnitte des Bewegungsplans an die Zug-Controller 208, die sich an Bord der Lokomotiven befinden, zu senden und um die verschiedenen Gleiselemente aus der Ferne zu steuern.
Sowohl die Bewegungsplansignale als auch die Signale zur Steuerung der Gleiskräfte sind unabhängig durch den Sicherheitsgewährleister 206 auf ihre Sicherheit hin überprüfbar, wobei der Sicherheitsgewährleister 206 unabhängig und ohne Rücksicht auf den Zeitplan bestätigt, daß die einzelnen angewiesenen Bewegungen und Einstellungen der Gleiskräfte sicher und angemessen sind. Der Sicherheitsgewährleister kann jeder auf geeignete Weise programmierte Rechner sein, insbesondere ein Rechner mit eingebauter Hardware-Redundanz, um die Möglichkeit eines Einzelfehlers auszuschließen.
Es ist wichtig, die enge Verbindung zwischen der durch den Planer/Abfertiger 204 festgelegten Bewegungsplantrajektorie und der durch den Zug-Controller 208 implementierten Zugbewegung zu beachten. Wenn die durch den Planer/Abfertiger 204 geplante Trajektorie nicht ausführlich genug wäre (einschließlich solcher Faktoren wie Trägheitsgleisparameter und Zughandhabung), wäre der Zug-Controller 208 nicht zur Implementierung des Plans in der Lage und es wäre zu erwarten, daß er den Planer/Abfertiger mit Ausnahmemeldungen überschwemmt.
Anweisungszeitplaner
Nun soll auf den in 4 dargestellten systemweiten Planer oder Anweisungszeitplaner 200 Bezug genommen werden. Dieser kann in der regelbasierten Inferenzmaschine oberhalb der Strichlinie 340 einen Planungsumfangsermittler 304, einen Tätigkeitsidentifizierer 310, einen Kandidatenressourcen-Ermittler 314, einen Zugtätigkeitswirkungsberechner 318 und einen Zeitintervallumwandler einschließen. Der Anweisungszeitplaner 200 kann auch eine randbedingungsbasierte Inferenzmaschine einschließen, die einen Intervallgruppierer 324 und einen Ressourcen-Zeitplaner 330 umfaßt. Eine Anzeige 334 und ein Terminal für andere Ausgabegeräte (nicht gezeigt) können in einem Benutzerbereich bereitgestellt sein.
Wie 4 zeigt, ist eine an einen Planungsumfangsermittler 304 gerichtete neue Anforderung für Zugdienste über ein Eingabe-Terminal 302 eingebbar. Die Anforderung kann irgendeine Anfrage nach Zugdiensten sein und einen Ausgangspunkt, eine früheste Abholzeit am Ausgangspunkt, den Zielpunkt, den Zeitpunkt der spätesten Lieferung am Zielpunkt (nach welchem Strafen fällig werden), eine Kostenfunktion, die die für eine verspätete Lieferung zu zahlende Strafe und/oder einen Leistungsanreiz für eine frühzeitigere Lieferung bestimmt, und alle anderen Informationen, die für die Klasse der Anforderung relevant sind, einschließen.
Eine Anforderung kann in Form einer Anfrage nach der Beförderung eines spezifisch beladenen Zugs von Punkt A nach Punkt B, nach der Durchführung einer Hin- und Rückfahrt zwischen zwei Punkten, nach der Durchführung einer Reihe von Hin- und Rückfahrten mit nicht-spezifizierten Zügen, nach der Zeitplanung einer Wartungsperiode für einen spezifischen Gleisabschnitt oder andere Gleisausrüstungen usw. auftreten. Somit kann ein Auftrag zur Abholung von Kohle von einem Bergwerk und ihrer Beförderung zu einem Hafen eine oder mehrere Fahrten in Anspruch nehmen, wobei jede Fahrt eine Zugressource, eine Folge von Gleisressourcen, Verladeressourcen im Bergwerk und eine Entladeressource im Hafen erfordert. Die Folge von Gleisressourcen ist natürlich von der Auswahl einer Fahrstraße abhängig, wenn alternative Fahrstraßen zur Verfügung stehen.
Der Planungsumfangsermittler 304 empfängt auch über ein Eingabe-Terminal 306 die auf die verfügbaren Ressourcen bezogenen Daten. Eine Ressource kann jedes zeitlich planbare Objekt sein und zum Beispiel eine Lokomotive, einen Güterwagen, einen vollständigen Zug, Bahnhofsausrüstungen (zum Beispiel ein Verlade- oder Entladegerät), Gleisabschnitte und jeden damit verknüpften festen oder beweglichen Block oder Ausrüstungen für die Wartung von Gleisen oder Zügen darstellen.
Der Planungsumfangsermittler 304 kann auch alle Zeitplanausnahmen über ein Eingabe-Terminal 308 empfangen. Eine Zeitplanausnahme kann jedes vorher zeitlich geplante Ereignis sein, das nicht innerhalb einer spezifizierten Zeitintervallabweichung vom Zeitplan eintritt, und kann eine erneute Planung in Übereinstimmung mit der Unternehmenspolitik erfordern.
Der Planungsumfangsermittler 304 kann auch jeden externen Verkehr, der in den Plan einzubeziehen ist, empfangen. Externer Verkehr ist jeder Verkehr, der nicht der Zeitplanung durch den Bewegungsplaner unterliegt, zum Beispiel bereits vorher zeitlich geplanter Verkehr. Eine Ausnahme im Zusammenhang mit einem externen Zeitplan kann für die typische Eisenbahngüteranlage zum Beispiel der unangetastete Zeitplan eines Personenzugs sein, der in derselben Bahnanlage gilt.
Der Planungsumfangsermittler 304 kann jede geeignete herkömmliche Vorrichtung sein, vorzugsweise ein angemessen programmierter Universalrechner oder ein Spezialrechner mit der Fähigkeit zur Analyse der verfügbaren Daten zur Generierung der Anweisungen, nach denen die Zeitplanung zu erfolgen hat.
Der Planungsumfangsermittler 304 liefert über ein Terminal 312 Befehle an eine Einrichtung zur Tätigkeitsidentifikation und -abfolgesteuerung 310, und die Einrichtung zur Tätigkeitsidentifikation und -abfolgesteuerung 310 liefert eine Tätigkeitsliste an den Kandidatenressourcen-Ermittler 314.
Eine Tätigkeit ist ein Ereignis, das die Zuweisung einer oder mehrerer Ressourcen für einen bestimmten Zeitraum erfordert. Eine Tätigkeit kann zum Beispiel das Beladen eines Zugs mit Schüttgut sein, was die Zuweisung eines Zugs, die Zuweisung von Verladegerät oder die Zuweisung von Gleisen am Verladepunkt und in dessen Nähe erfordert, und zwar jeweils für einen bestimmten Zeitraum in Abhängigkeit von der Zugkapazität und den Eigenschaften des Verladegeräts.
Die Einrichtung zur Tätigkeitsidentifikation und -abfolgesteuerung 310 wiederum liefert eine Liste der verfügbaren Ressourcen von Terminal 306, die in der Lage sind, die identifizierte Tätigkeit in der notwendigen zeitlichen Abfolge auszuführen. Die Einrichtung zur Tätigkeitsidentifikation und -abfolgesteuerung 310 kann jeder auf geeignete Weise programmierte Universal- oder Spezialrechner mit Zugang zu den benötigten Daten sein.
Die Liste der Kandidatenressourcen von der Einrichtung zur Tätigkeitsidentifikation und -abfolgesteuerung 310 ist über das Terminal 316 sowohl an den Zugtätigkeitswirkungsberechner 318 als auch an den Zeitintervallumwandler 320 lieferbar. Der Zugtätigkeitswirkungsberechner 318 sendet auch, wie weiter unten beschrieben, ein Eingangssignal an einen Zeitintervallumwandler 320. Der Zugtätigkeitswirkungsberechner 318 kann jeder geeignete herkömmliche, auf geeignete Weise programmierte Universal- oder Spezialrechner sein, der aus auf die Zugzusammensetzung bezogenen Daten die Wirkungen ableiten kann, die das Gelände, über das der Zug fährt, auf den Zug hat. Die Wirkungen des Geländes auf die Beschleunigung und Geschwindigkeitsabnahme des Zugs sind dabei von besonderer, wenn auch nicht von aus schließlicher Bedeutung. Der Berechner erhält über ein Terminal 321 den Datenbestand vom physikalischen Modell der 7 und 8.
Der Zeitintervallumwandler 320 kann gleichfalls ein geeigneter herkömmlicher Universal- oder Spezialrechner sein, der jede der Kandidatenressourcen in ein Zeitintervall umwandeln kann, das Zugtätigkeitswirkungen berücksichtigt.
Das Ausgangssignal des Zeitintervallumwandlers 320 ist über ein Terminal 322 an den Intervallgruppierer 324 lieferbar. Der Intervallgruppierer 324 empfängt auch über ein Terminal 326 die Befehle des Planungsumfangsermittlers 304. Das Ausgangssignal des Intervallgruppierers wird als Gruppe von Zeitintervallen über ein Terminal 328 an einen Zeitplaner 330 gesendet.
Der Intervallgruppierer 324 kann jeder geeignete herkömmliche Universal- oder Spezialrechner sein, der die Gesamtzeit berechnen kann, die mit der Durchführung jeder Fahrt unter Verwendung der Kandidatenressourcen verknüpft ist.
Der Ressourcen-Zeitplaner 330, der die Intervallgruppen empfängt, empfängt auch über ein Eingabe-Terminal 332 Daten, die auf das Leistungsmaß bezogen sind, nach dem Zeitpläne bewertet werden. Außerdem empfängt der Zeitplaner 330 ein Signal vom Planungsumfangsermittler 304, das die für den Zeitplanungsprozeß zur Verfügung stehenden Ressourcen angibt. Das Ausgangssignal des Zeitplaners 330 wird über ein Terminal 336 an jede geeignete herkömmliche Anzeige 334 und an jedes andere Benutzergerät (nicht gezeigt) gesendet. Das Ausgangssignal des Zeitplaners 330 ist der Zeitplan, der, wie weiter unten erörtert, auch an den Planungsumfangsermittler 304 zurückgeführt wird.
Der Ressourcen-Zeitplaner 330 kann jeder geeignete herkömmliche Universal- oder Spezialrechner sein, der die Bewegung der verschiedenen Züge über die Gleisanlage mit einem hohen Optimierungsgrad zeitlich planen kann. Jedoch ist es wünschenswert, daß der Ressourcen-Zeitplaner 330, wie weiter unten ausführlicher im Zusammenhang mit 5 erörtert, ein solcher Zeitplaner ist, der die wohlbekannten Simulated-Annealing-Verfahren verwendet, um sich der optimalen Lösung zu nähern.
Während des Betriebs ermittelt der Planungsumfangsermittler 304 den Umfang der durchzuführenden Planung aus neuen Anforderungen und/oder Zeitplanausnahmen. Bei neuen Anforderungen verwendet der Planungsumfangsermittler 304 eine Regelmenge, die durch Standardbetriebsverfahren, die Unternehmenspolitik usw. bestimmt ist, sowie den vom Zeitplaner 330 stammenden aktuellen Zeitplan und die aktuell zeitlich geplanten Zugbewegungen oder Wartungstätigkeiten zur Ermittlung der Tätigkeiten, deren zeitliche Planung infrage kommt. Jeder externe Verkehr muß bei der Ermittlung des Umfangs der durchzuführenden Planung ebenfalls berücksichtigt werden.
Durch die Einschränkung der Planung sind die Entstehung von Verwirrung unter dem Personal und die inhärente Ineffizienz, die durch ständige Zeitplanwechsel verursacht wird, sowie die Ineffizienz, die aus Änderungen an laufenden oder bevorstehenden Tätigkeiten entsteht, vermeidbar.
Die Anweisungen des Planungsumfangsermittlers 304 werden durch die Einrichtung zur Tätigkeitsidentifikation und -abfolgesteuerung 310 empfangen und zur Generierung einer Tätigkeitsliste verwendet. Für jede Anweisung wird eine Liste der Tätigkeiten identifiziert, die zur Ausführung der Anweisung erforderlich sind. Die Tätigkeitsliste beinhaltet die Reihenfolge der Gleisabschnitte (also die Fahrstraße), die zur Ausführung der Anweisung durchlaufen werden müssen. Die Auswahl der Fahrstraße kann auf einer Kostenanalyse, auf der vorher festgelegten Unternehmenspolitik oder auf Standardbetriebsverfahren basieren. Die Tätigkeitsliste ist natürlich sequentiell angeordnet, so daß sie eine sequentielle Liste aller Tätigkeiten darstellt, die bei der Ausführung der zeitlich zu planenden Anweisung auszuführen sind.
Die Tätigkeitsliste wird an den Kandidatenressourcen-Ermittler 314 geliefert. Für jede in der Tätigkeitsliste verzeichnete Ressource wird die Möglichkeit, eine solche Ressource der spezifizierten Tätigkeit zuzuweisen, analysiert, und es wird eine Auswahl der Fahrzeugparkressourcen getroffen, die typischerweise auf Einschränkungen des Fahrzeugparks oder auf der Unternehmenspolitik basiert. So ist es zum Beispiel an einem bestimmten Bestimmungsort, zum Beispiel in einem Hafen für den Kohletransport, vielleicht nicht möglich, bestimmte Fahrzeugtypen zu entladen. Ebenso ist ein bestimmter Zugtyp mit einer spezifizierten Lokomotivleistung vielleicht nicht in der Lage, den mit der ausgewählten Fahrstraße verknüpften Gradienten ohne Heißlaufen der Maschine oder Stehenbleiben infolge von Überlastung zu bewältigen.
Diese aufgelisteten Ressourcen, die Kandidaten für jede in der Tätigkeitsliste verzeichnete Tätigkeit sind, sind als Kandidatenressourcen an den Zugtätigkeitswirkungsberechner 318 und den Zeitintervallumwandler 320 lieferbar. Somit dient der Kandidatenressourcen-Ermittler 314 zur Einschränkung der potentiellen Zuweisung von Fahrzeugen und/oder anderen Ressourcen an die Tätigkeiten, zu deren Ausführung er die Kapazität hat.
Der Zugtätigkeitswirkungsberechner 318 und der Zeitintervallumwandler 320 berechnen zusammen die für die Fertigstellung der Tätigkeit notwendige Zeit für jede in der empfangenen Tätigkeitsliste verzeichnete Tätigkeit und für jede Kandidatenressource. Für die Bewegung eines Zugs (beladen oder entladen) über eine Folge von Gleisabschnitten kann diese Berechnung durch einen handelsüblichen Zugleistungsberechner (zum Beispiel Modell AAR TEM) erfolgen.
Aufgaben des Ver- und Entladens sind berechenbar, indem die Kapazität eines Zugs durch eine konstante Verlade- bzw. Entladegeschwindigkeit des im Bahnhof befindlichen Geräts geteilt wird. Diese Geschwindigkeit kann variabel sein, wobei in einem solchen Fall die Zeitberechnung die nichtlinearen Eigenschaften des Geräts berücksichtigen muß. Im Prozeß des Verladens/Entladens sollte zusätzliche Zeit vorgesehen sein, um die Positionierung des Zugs am Verlade- bzw. Entladegerät zu berücksichtigen. Die für jede Tätigkeit auf der Tätigkeitsliste berechnete Zeit wird für Zugtätigkeitswirkungen für jeden alternativen Ressourcen-Kandidaten angepaßt, und die Zeitintervallinformationen werden an den Zeitintervallumwandler 320 geliefert.
Der Zeitintervallumwandler 320 übersetzt die Folge der Tätigkeiten auf der Tätigkeitsliste in eine Folge von Zeitintervallen. Das erfolgt unter Verwendung der vom Zugtätigkeitswirkungsberechner 318 stammenden Daten für jede durch den Kandidatenressourcen-Ermittler 314 identifizierte Tätigkeit. Falls für die Ausführung irgendeiner Tätigkeit alternative Ressourcen zur Verfügung stehen, werden alle alternativen Zeitintervalle für jede Tätigkeit berechnet. Bestimmte Arten von Tätigkeiten, zum Beispiel Wartungstätigkeiten, werden mit einem extern spezifizierten Fertigstellungszeitintervall versehen und müssen somit nicht berechnet werden. Der Zeitintervallumwandler 320 leitet eine Liste von Zeitintervallen, die hinsichtlich der Ressourcen und der Zeit gruppiert sind, an den Intervallgruppierer 324 weiter.
Der Intervallgruppierer 324 empfängt die Liste der gruppierten Intervalle vom Zeitintervallumwandler 320. Der Intervallgruppierer 324 empfängt auch die Anweisungen vom Planungsumfangsermittler 304 und gruppiert die zur Ausführung der Anweisungen notwendigen Zeitintervalle in logischer Folge. Für Fahrten stellt der Intervallgruppierer 324 die zur Durchführung der gesamten Fahrt erforderlichen Zeitintervalle bereit, gibt aber an, welche Zeitintervalle, falls notwendig, durch die Anwesenheit von Lücken in kleinere Intervalle unterteilbar sind.
Lücken stellen die Zeiträume dar, deren Vergehen zwischen der Beendigung eines Zeitintervalls und der Einleitung des nächsten Zeitintervalls in der Gruppe zulässig ist. Eine Lücke kann das Vorhandensein eines Ausweichgleises oder einer anderen Kapazität zur ein Zeitintervall andauernden Aufnahme eines Zugs, um zum Beispiel einen zweiten Zug passieren zu lassen, sein. Jedes Zeitintervall, auf das unmittelbar eine Lücke folgt (die zum Beispiel mit der Bewegung eines Zugs über einen Gleisabschnitt zu einem Ausweichgleis verknüpft ist), kann man als „lückenfähiges Zeitintervall" bezeichnen. Die durch diesen Prozeß bestimmten Intervallgruppen werden als Intervallgruppen an den Ressourcen-Zeitplaner 330 weitergeleitet.
Die Intervallgruppen werden an den Ressourcen-Zeitplaner 330 weitergeleitet, der auch eine Liste der für die Zeitplanung zur Verfügung stehenden Ressourcen vom Planungsumfangsermittler 304 empfing. Leistungsmaße, die sich auf die durch den Kunden gestellten Anforderungen beziehen, werden auch bereitgestellt, um eine weiter unten beschriebene Kostenbewertung des Zeitplans zu gestatten. Der Ressourcen-Zeitplaner 330 führt somit eine Suche nach einem Zeitplan durch, der die Ressourcenverfügbarkeits-Randbedingungen und die internen Randbedingungen erfüllt und die Leistungsmaße minimiert.
Wie bereits angedeutet, können verschiedene geeignete herkömmliche Verfahren der Suche nach einem akzeptablen Zeitplan dienen, wobei jedoch das weiter oben erörterte Simulated-Annealing-Verfahren das bevorzugte Verfahren ist. Wenn aufgrund der Länge der Gruppenzeitintervalle kein akzeptabler Zeitplan verfügbar ist, werden die Intervallgruppen an den Intervallgruppierer 324 zurückgesendet, um sie an den Lücken in kleinere Gruppen unterteilen zu lassen. Nach ihrer Unterteilung ist es möglich, sie an den Ressourcen-Zeitplaner 330 zurückzusenden und den Zeitplanungsprozeß zu wiederholen. Dieser Zeitplanungsprozeß setzt sich mit immer kleineren Zeitintervallen fort, bis die Intervallgruppen nicht weiter unterteilbar sind, da in keiner Zeitintervallgruppe noch lückenfähige Zeitintervalle vorhanden sind.
Immer dann, wenn der Ressourcen-Zeitplaner 330 einen Zeitplan bereitstellen kann, der die für ihn geltenden Randbedingungen erfüllt, wird dieser Zeitplan an die Anzeigeeinheit 334 sowie an alle anderen ausgewählten Benutzermittel, die an das Terminal 336 angeschlossen sind, weitergeleitet. Dieser Zeitplan wird auch auf den Planungsumfangsermittler 304 als Teil seines Datenbestands angewendet, wo die noch fertigzustellenden Bestandteile des Zeitplans bei der Festlegung der weiteren Planung als Zeitplanausnahmen behandelt werden.
Falls der Ressourcen-Zeitplaner 330 keinen Zeitplan bereitstellen kann, der alle Randbedingungen erfüllt, wird der beste verfügbare Zeitplan gemeldet und gleichzeitig angezeigt, daß der Zeitplan unaufgelöste Konflikte beinhaltet. Es werden Informationen über die am Konflikt beteiligten Ressourcen und Tätigkeiten identifiziert.
Die Anzeige 334 zeigt den resultierenden Zeitplan auf bequeme Weise an, damit der Benutzer ihn studieren kann. Eine verbreitete Anzeige ist ein Standardfadendiagramm, wie es von den Eisenbahnen verwendet wird und zum Beispiel in 2 weiter oben dargestellt ist.
Es ist zu beachten, daß die Bestandteile im Abschnitt des Anweisungszeitplaners 200 von 3 oberhalb der waagerechten Strichlinie 340 in 4 Bestandteile eines regelbasierten Systems (regelbasierte Inferenzmaschine) sind, das die Randbedingungen bereitstellt, die auf den Ressourcen-Zeitplaner 330 und den Intervallgruppierer 324 angewendet werden. Unter einem Aspekt der Erfindung werden sowohl regelbasierte als auch randbedingungsbasierte Systeme zur Anweisungszeitplanung verwendet. Durch diese Kombination von Inferenzmaschinen wird eine ungewöhnliche Effizienz bei der Berechnung des Zeitplans erreicht.
Der Ressourcen-Zeitplaner 330 führt eine global optimierte Zeitplanung von Zugressourcen mittels einer Abstraktion von Zugbewegungen und Ressourcen durch. Die Wahl einer Ressourcen-Abstraktion, die zu einer realisierbaren Lösung fast in Echtzeit führt, ist der Schlüssel zur Reduzierung des Suchraums, den der Bewegungsplaner bei der Entwicklung eines ausführlichen Bewegungsplans benötigt.
Vorzugsweise wird der Ressourcen-Zeitplaner 330 in der von der Firma Harns Corporation entwickelten COPES-Shell (COPES = COnstraint Propagation Expert System – Randbedingungspropagations-Expertensystem) implementiert. Diese Shell stellt eine virtuelle Maschine zur Entwicklung verteilter Algorithmen bereit, die auf einer einzigen Maschine implementierbar oder über eine beliebige Zahl von Maschinen in einer TCP/IP-Umgebung verteilbar sind. Diese Maschine stellt eine Randbedingungspropagations-Inferenzumgebung mit eingebauten Kommunikationsfähigkeiten und einer eindeutigen Fähigkeit zur diskreten Simulation bereit. Sie ist aus der Beschreibung auf der Goddard-Konferenz über Raumfahrtanwendungen von Künstlicher Intelligenz 1993 (Seite 59) wohlbekannt.
Ein Vorteil der Entwicklung des Ressourcen-Zeitplaners 330 gemäß COPES besteht darin, daß er asynchrone Anfragen vom Planungsumfangsermittler 304 empfangen und (a) den Zeitplanungsprozeß stoppen und die bis zu diesem Zeitpunkt gefundene beste Lösung zurücksenden kann oder (b) den aktuellen Zeitplanungsprozeß abbrechen und eine neue Zeitplanungsanfrage auf der Grundlage von jüngsten Systemänderungen (zum Beispiel Abweichungen von zeitlich geplanten Tätigkeiten) starten kann.
Der in 5 gezeigte Ressourcen-Zeitplaner 330 ist ein UNIX-Prozeß, der Ressourcen zeitlich so plant, daß eine Menge von Anforderungen für Zugdienste auf eine solche Weise erfüllt wird, daß eine Menge von benutzerdefinierten Randbedingungen erfüllt wird. Mehrere Anforderungen sind stapelweise oder sequentiell zeitlich planbar. Wie bereits angedeutet, hat eine Anforderung auch ein Zeitintervall, während dem der Dienst bereitzustellen ist, und eine Kostenfunktion, die die für eine verspätete Lieferung zu zahlende Strafe und/oder den Leistungsanreiz für eine frühzeitige Lieferung bestimmt. Sobald die Ressourcen ausgewählt sind, sind die Tätigkeitslisten durch die Einbeziehung der in den Ressourcen-Nutzungsdaten erfaßten Zugwirkungen in eine Folge von Zeitintervallen umwandelbar, und diese Intervalle sind dann gruppierbar. Diese Zeitintervallgruppen sind dann mittels einer neuartigen Suchprozedur, die als Focused Simulated Annealing bezeichnet wird, relativ zueinander bewegbar, um die Randbedingungen zu erfüllen und eine Lösung mit den geringsten Kosten zu erhalten.
Focused Simulated Annealing ist eine verteilte Version von Simulated Annealing, geschrieben in COPES. Sie folgt der traditionellen Richtung von Simulated Annealing bei der Zufallsgenerierung von Bewegungsoperatoren mit einer Energiefunktion, die zu minimieren ist.

A. Die Generierung potentieller Bewegungen über Randbedingungen ist zufällig und verteilt.
B. Während der Optimierung sind in frühen Phasen einige ungünstige Bewegungen erlaubt.
C. Mit abnehmender „Temperatur" sind weniger ungünstige Bewegungen erlaubt.
D. In den Endphasen sind nur günstige Bewegungen erlaubt.

Die Variablen schließen die Anfangstemperatur und die Anzahl der Temperaturverringerungsschritte ein. Für jeden Temperaturverringerungsschritt gehören dazu auch die Anzahl der Rekonfigurationen, die Anzahl der Erfolge und die Anzahl der Versuche.
Was diesen Lösungsweg von traditionellen Simulated-Annealing-Verfahren unterscheidet, ist seine Fähigkeit zur intelligenten Fokussierung seiner Aufmerksamkeit auf kritische Bereiche. In der Frühphase der Suche beschränkt sich dieser Fokus auf bestimmte Leitinformationen, die vom Planer stammen, zum Beispiel die Wahrscheinlichkeit des Grads der Randbedingung der Lösung zusammen mit Zielen wie der Mindestausweichgleisnutzung oder der frühesten Lieferung usw. Diese Informationen werden im Focused-Simulated-Annealing-Verfahren verwendet, um festzulegen, ob während des Suchprozesses bestimmte Bewegungsoperatoren zu verwenden sind, und wenn ja, wie oft sie relativ zu anderen Operatoren zu zünden sind. Die Generierung von Bewegungsoperatoren ist daher, obgleich immer noch zufällig, zielgerichteter als bei der Verwendung von traditionellen Simulated-Annealing-Verfahren.
Focused Simulated Annealing wird dadurch verteilt, daß Randbedingungsroutinen, die mit jeder Fahrt verbunden sind, erlaubt wird, selbständig darüber Entscheidungen zu treffen, wie nützlich eine Modifizierung der aktuellen Fahrt (zum Beispiel Startzeit, zugewiesene Ausrüstungen) für die Gesamtsituation wäre. Jede Routine kann die Modifizierung ihrer verknüpften Fahrt auf Zufallsbasis zeitlich planen, wobei der Zeitbereich eine Variable ist, die die Bedeutung der nächsten Bewegung der Fahrt widerspiegelt. So zeigt zum Beispiel ein größerer Zeitbereich eine geringere Bedeutung an.
Der Ressourcen-Zeitplaner 330 verwendet eine dynamische, verteilte, robuste und effiziente Simulated-Annealing-Version, die in der COPES-Shell geschrieben ist. Sie ist dynamisch dahingehend, daß ihr Verhalten steuerbar ist durch Parameter, die der systemweite Planer mit Zeitplanungsanfragen übermittelt (zum Beispiel Überliegegeld in Form einer polynomischen Kostenfunktion), durch in der COPES-Datenbank definierte Parameter und durch Informationen, die dem Zeitplanungsproblem selbst innewohnen. Sie ist ein verteilter Algorithmus dahingehend, daß Zugfahrten COPES-Klassenobjekte sind, an die jeweils Randbedingungsob jekte gebunden sind, die unabhängig voneinander zünden. Die somit hergeleitete Lösung muß unabhängiger von der Problemdomain sein als bei sequentielleren Algorithmen und ist somit ein robusterer Lösungsweg. Sie ist eine effiziente Implementierung dahingehend, daß sie eine kompakte Darstellung aller erforderlichen Ressourcen als COPES-Objekte mit Verfügbarkeitsprofilen und einer Zeitlogik, die diese Verfügbarkeitsprofile beim Hinzufügen oder Entfernen einer Fahrt effizient handhabt, verwendet. Die Zeitlogik berücksichtigt auch Randbedingungen, zum Beispiel Abstände beweglicher Blöcke. Globale Kosten einer solchen Bewegung werden als Nebenwirkung modifiziert.
5 veranschaulicht die Funktionsweise von Focused Simulated Annealing in COPES im Ressourcen-Zeitplaner 330 von 4. Nun soll auf 5 Bezug genommen werden, wo ein randbedingungsbasierter Systemfluß eines solchen Ressourcen-Zeitplaners veranschaulicht ist. Die fettgedruckten Namen in den Ovalen (zum Beispiel op_resource_usage) sind die Randbedingungsroutinen. Sie sind nicht auf die Verkleinerung des Suchraums beschränkt, sondern können auch Lösungen generieren. Sie werden nur dann durch die COPES-Inferenzmaschine gezündet, wenn eine Klassenvariable, an die sie gebunden sind, modifiziert wird. Die Namen in den rechteckigen Kästen (zum Beispiel resource_usage) sind Klassenobjekte mit Zustandsvariablen, die im Interesse der Klarheit nicht gezeigt werden. Von einigen Klassenobjekte, zum Beispiel Anforderungen (orders) oder Fahrten (trips), gibt es mehrere Instanzen. Jede Fahrtinstanz, zum Beispiel „trip0_state", besteht eigentlich aus Fahrtzustandsvariablen und Klassenobjekten des Typs trip_resource, die die Abfolge der zur Beendigung der Fahrt notwendigen Ressourcen bestimmen. Jede Anforderung besteht aus einer ausreichenden Anzahl von Fahrten, um die Anforderung zu erfüllen. Randbedingungen sind an jede Fahrt gebunden und sind die primären Bewegungsoperatoren zur Erkundung des Suchraums.
Der Zeitintervallumwandler fragt beim Ressourcen-Zeitplaner 330 wegen eines Zeitplans an. Die Randbedingung server_io zündet und bewegt diese Anfrage in die Schnittstellenzustandsklasse, die bewirkt, daß die Randbedingung op_resource_usage zündet. Diese Randbedingung speichert die vorgenerierten Ressourcen-Nutzungszeiten (vom Zeitintervallumwandler) für jeden Zugtyp unter Verwendung jeder Ressource. Sie speichert auch Informationen über Ausweichmöglichkeiten zwischen zwei Gleisabschnitten.
Anfragen nach einer Zeitplanung werden nun über die Meldung op_capacity_request empfangen. Diese Meldung enthält Informationen über die Anforderung (wie bereits beschrieben), Suchziele und Randbedingungen. Die Randbedingung op_capacity_request generiert Anforderungsklassenobjekte für jede Anforderung und eine ausreichende Anzahl von Zugfahrten, um jede Anforderung zu erfüllen. Sie fordert die Randbedingung control_search über das Klassenobjekt search_state dazu auf, den Focused-Simulated-Annealing-Prozeß zu beginnen.
Die Randbedingung control_search initialisiert die Such- und Annealing-Parameter und schafft die Voraussetzungen für die Suche der ersten Phase. Sie aktiviert alle ausgewählten Fahrtrandbedingungen und plant sie zeitlich auf Zufallsbasis für die Zündung. Der Zeitplan für die Zündung ist eine Warteschlange aus diskreten Ereignissen, die durch die zeitlich geplante Modifizierung von Klassenvariablen in COPES widergespiegelt wird. Wenn jeder Bewegungsoperator gezündet wird, überprüft er, ob einer der Simulated-Annealing-Parameter anzeigt, daß eine Änderung erforderlich ist. Wenn eine Änderung erforderlich ist, benachrichtigt der Operator die Randbedingung control_temperature, die dann die Temperatur absenkt und Suchparameter für die nächste Temperatur reinitialisiert.
Am Ende der ersten Phase startet control_search einen weiteren Annealing-Durchgang mit der halben Anzahl von Versuchen, die bei jeder Temperatur erlaubt sind, wobei keine höheren Energiestufen während dieser Phase erlaubt sind. Da die Suche in einer angemessenen globalen optimalen Umgebung erfolgt, ist es dann wünschenswert, den Fokus auf bessere lokale Lösungen zu richten. Nach Beendigung der letzten Phase wird ein zielgerichteter Suchprozeß durchgeführt, um den Zeitplan weiter zu verfeinern und ihn, falls gewünscht, zu komprimieren.
Falls der Ressourcen-Zeitplaner keinen Zeitplan finden kann, der die Randbedingungen erfüllt, legt er den bestmöglichen Zeitplan vor, und zwar zusammen mit einer Angabe darüber, daß eine Ausnahme aufgetreten ist, und mit der Identität der an der Ausnahme beteiligten Ressourcen und Tätigkeiten.
Die Bewegungsoperatoren, die die eigentliche Suche durchführen, sind weiter unten beschrieben. Jeder von ihnen ist eine Instanz der Randbedingungsroutine, die an eine Instanz einer Fahrtklasse gebunden ist. Das Verhalten der Bewegungsoperatoren variiert in Abhängigkeit von der Phase der Suche, den Zielen der Suche und davon, mit welcher Wahrscheinlichkeit sie die Lösung verbessern. Bei geringeren Temperaturen reduzieren die Bewegungsoperatoren move_trip und mod_gap den Startzeitbereich, den sie für die verbundene Fahrt in Betracht ziehen. Das verlagert den Schwerpunkt bei geringeren Temperaturen von der globalen auf die lokale Ebene. Der Operator change_equipment wird nur gezündet, wenn bei einer geringen Temperatur ermittelt wird, daß die Zugausrüstungen in ihrer aktuellen Zuweisung mit zu vielen Randbedingungen versehen sind. Der Operator move_group wird nur am Ende der ersten Phase und bei Anzeige einer durch enge Randbedingungen gekennzeichneten Situation gezündet.
Bei geringeren Temperaturen in der letzten Phase ermitteln die Operatoren move_trip und mod_gap, mit welcher Wahrscheinlichkeit sie zur Suche beitragen sollen, indem sie nach einer übermäßigen Nutzung von Verfügbarkeitsprofilen suchen, die ihre Ressourcen-Nutzung beschreiben. Wenn eine solche übermäßige Nutzung festgestellt wird, planen sich die Operatoren zeitlich so, daß sie auf Zufallsbasis zünden, aber in einem kürzeren Zeitabstand als anderenfalls. Das Konzept der Energie ist eine gewichtete Kombination aus Ressourcen-Ausnahmen, Betriebskosten und Zielen, zum Beispiel früheste Lieferung. Die Energiefunktion legt mehr Gewicht auf die kritischsten Ressourcen (zum Beispiel Bergwerk, Züge).
Es werden die folgenden Bewegungsoperatoren im bevorzugten System verwendet:

A. move_trip ist eine Randbedingung, die eine Fahrt bewegt, was alle Fahrtressourcen einschließt und Zeitplanungsrandbedingungen und Kosten berücksichtigt. Sie bewegt die Fahrt zurück, wenn die Kosten nicht günstiger sind. Jedoch wird zu Beginn des Simulated-Annealing-Prozesses in Abhängigkeit von der Temperatur und der Orakel-Entscheidung zugelassen, daß die Kosten ungünstiger sind, wodurch Lösungen vermieden werden, die lokale Minima darstellen.
B. swap_trip ist eine Randbedingung, die zwei Fahrten vertauscht, was alle Fahrtressourcen einschließt und Zeitplanungsrandbedingungen und Kosten berücksichtigt. Sie bewegt die Fahrten zurück, wenn die Kosten nicht günstiger sind.
C. mod_gap ist eine Randbedingung, die das Konzept einer Zeitplanung mit einem Prozent Pufferzeit verwendet, um zu versuchen, zur Konfliktminimierung Lücken in die Ressourcen-Nutzung einzufügen. Diese Lücken können sich nur an Stellen mit Ausweichgleisen befinden, wodurch eine abstrakte Ausweichfähigkeit bereitgestellt wird. Diese Randbedingung versucht, die Anzahl der eingefügten Lücken zu minimieren.
D. change_equipment ist eine Randbedingung, die dieser Fahrt einen anderen Zugtyp zuweist, wenn Züge mit zu vielen Randbedingungen versehen sind.
E. move_group ist eine Randbedingung, die eine Gruppe von Fahrten bewegt, um die für die Zeitplanung zur Verfügung stehende Zeit auszunutzen. Ohne diese Randbedingung würde ein enger Zeitplan ungenutzte Zeitlücken zwischen Zuggruppen aufweisen.

Aus dem Vorerwähnten wird deutlich, daß der Ressourcen-Zeitplaner 330 die Zeitplanung der Züge durch die Abstraktion sowohl der Zugbewegung als auch der Ressourcen global optimiert. Die Verwendung von Focused Simulated Annealing in COPES fokussiert die Aufmerksamkeit auf die kritischen Bereiche. Die Generierung von Bewegungsoperatoren ist zwar zufällig, aber zielgerichteter dadurch, daß den mit jeder Fahrt verbundenen Randbedingungen erlaubt wird, Entscheidungen über die Nützlichkeit von Modifizierungen für die globale Lösung zu treffen.
Bewegugsplaner
Wie das Systemblockschaltbild in 3 zeigt, liefert der Anweisungszeitplaner 200 die Zeitplaninformationen an den Planer/Abfertiger 204, von dem ein Abschnitt, nämlich der Bewegungsplaner 202, ausführlicher in 6 dargestellt ist.
Nun soll auf 6 Bezug genommen werden, wo der Bewegungsplaner einen Bewegungsplaner-Initialisierer 400, einen Bewegungsplaner-Ausführer 402, ein physikalisches Modell 404 (vorzugsweise eine selbständige Einheit wie in 8), eine Anzeige, einen Auflösungsoptionen-Identifizierer 408 und einen Konfliktauflöser 410 umfaßt.
Der Bewegungsplaner-Initialisierer 400 empfängt den Zeitplan vom Anweisungszeitplaner 200 von 3 durch den Planer/Abfertiger 204. Der Bewegungsplaner-Initialisierer 400 empfängt auch Informationen über den Zustand des Systems aus irgendeiner geeigneten herkömmlichen externen Quelle, im allgemeinen von der Abfertigungsfunktion des Planers/Abfertigers 204. Diese Informationen sind aus verschiedenen Quellen entwickelbar, zum Beispiel das in 10 dargestellte Geoortungssystem oder herkömmliche Gleissensoren zur Bestimmung der Position von Zügen im System.
Der Zeitplan und die Daten über den Zustand der Bahnanlage werden zusammen mit der Definition jedes Zugs und seines Ausgangspunkts zur Initialisierung des Bewegungsplaners verwendet. Die Definition eines Zugs kann alle relevanten Daten einschließen, zum Beispiel Anzahl und Typ der Lokomotiven, Anzahl und Typ der Wagen und das Gewicht jedes der Wagen. Der Ausgangspunkt jedes Zugs schließt die Position des Zugs in der Anlage, seine Richtung auf dem Gleis und seine Geschwindigkeit ein. Für jeden der Züge schließt der Zeitplan mindestens den Ausgangspunkt, eine Abfahrtszeit vom Ausgangspunkt und einen Zielpunkt ein. Diese Daten stellen einen „Zustandsvektor" dar, der zusammen mit einem Zeitintervall an den Bewegungsplaner-Ausführer 402 geliefert wird, wobei dieses Zeitintervall den Zeitraum, über den der Bewegungsplaner 202 Zugbewegungen planen sollte, angibt.
Der Bewegungsplaner-Initialisierer 400 kann jeder angemessen programmierte Universal- oder Spezialrechner sein.
Der Bewegungsplaner-Ausführer 402 empfängt den Zeitplan und Daten über den Zustand der Anlage vom Bewegungsplaner-Initialisierer 400 und ist zur Zweiwege-Kommunikation mit dem physikalischen Modell 404 und dem Auflösungsoptionen-Identifizierer 408 verbunden. Der Bewegungsplaner-Ausführer 402 empfängt auch Informationen vom Konfliktauflöser 410 und liefert über ein Terminal 406 Informationen an die Planungs-/Abfertigungsfunktion.
Der Bewegungsplaner-Ausführer kann jeder angemessen programmierte Universal- oder Spezialrechner sein.
Der Bewegungsplaner-Ausführer 402 empfängt den Zustandsvektor und zeichnet ihn auf und verwendet die Dienste des physikalischen Modells 404, um die Zeit inkrementell weiterzustellen, bis (a) das physikalische Modell 404 einen Zugkonflikt meldet, (b) eine bestimmte Anhaltebedingung auftritt oder (c) das Simulations-Zeitintervall erreicht wurde.
Wenn durch das physikalische Modell 404 ein Zugkonflikt gemeldet wird, wird der Zustandsvektor zum Zeitpunkt des Konflikts gespeichert und der Konflikt zusammen mit den Daten, die den zeitlichen Verlauf der Bewegung der Züge melden, durch den Bewegungspla ner-Ausführer 402 gemeldet. Als Alternative oder zusätzlich dazu werden das Vorhandensein des entdeckten Konflikts und Hintergrundinformationen, die sich auf ihn beziehen, durch das physikalische Modell 404 an den Konfliktauflöser 410 gemeldet.
Das physikalische Modell 404 folgt der Bewegung des Zugs, sobald dieses vom Bewegungsplaner-Ausführer 402 mit Daten versorgt wurde, welche den anfänglichen Zustand, die Anhaltebedingung und das zeitlich vorwärts bewegte Intervall identifizieren.
Der Auflösungsoptionen-Identifizierer 408 empfängt die Nachricht über einen Konflikt vom Bewegungsplaner-Ausführer 402 und identifiziert die Optionen, die für die Auflösung des Konflikts zur Verfügung stehen.
Der Konfliktauflöser 410 empfängt die identifizierten Optionen vom Auflösungsoptionen-Identifizierer 408 und führt eine Analyse auf der Grundlage der Leistungsmaßdaten aus, die vom Terminal 332 des Anweisungszeitplaners 200 (siehe 4) empfangen wurden. Diese Bewertung erfolgt durch die Simulation jeder Option und die Berechnung des verknüpften Leistungsmaßes oder Gütefaktors.
Wenn eine „lokale Optimierung" gewünscht wird, wird dieses „beste" Ergebnis an den Bewegungsplaner-Ausführer 402 gemeldet, um dem Abfertiger angezeigt zu werden, und/oder der Bewegungsplan wird so revidiert, daß er den alternativen Pfad einbezieht, falls das anwendbar ist, und die Simulation mittels des physikalischen Modells 404 wird beginnend mit dem anfänglichen Zustand oder einem anderen aufgezeichneten Zustand wiederholt. Eine lokale Optimierung ist für einen großen prozentualen Anteil von Szenarien zufriedenstellend, wenn der durch den Anweisungszeitplaner 200 von 3 bereitgestellte Zeitplan bei der Spezifizierung der Abfertigungszeiten hinreichend intelligent gewesen ist. Wenn die Abfertigungszeiten nicht sorgfältig spezifiziert sind, kann eine lokale Optimierung zu einem „Blockieren" führen, das heißt, zu einem Zustand, in dem Konflikte nicht mehr auflösbar ist. Ein Blockieren tritt auf, weil die Auflösung eines Konflikts zu einer anderen Menge von Konflikten fuhrt oder die Alternativen für deren Auflösung einschränkt.
Eine „globale Optimierung" ist mittels verschiedener Optimierungsverfahren durchführbar, vorzugsweise mittels einer Version des wohlbekannten „Branch-and-Bound"-Verfahrens zum Durchsuchen eines Baums von alternativen Lösungen. Gemäß dem Branch-and-Bound- Verfahren wird jeder Konflikt als Verzweigungspunkt an einem Entscheidungsbaum modelliert. Wenn die Simulation voranschreitet und Konflikte aufgelöst werden, wählt das Suchverfahren die Alternative mit den geringsten Kosten und führt die Simulation fort. Die Kosten der Alternativen werden ebenso wie der Zustand des Systems für jeden Konfliktpunkt gespeichert. Es ist möglich, daß die Wahl der Lösung mit den geringsten Kosten unter den Alternativen nicht zur optimalen Gesamtlösung führt. Das Branch-and-Bound-Verfahren macht es möglich, daß sich die Suche im Baum zurückbewegt und frühere Entscheidungen zurückzieht, um eine Lösung mit geringeren Kosten zu finden oder ein Blockieren zu vermeiden.
Es ist wünschenswert, daß der am Abfertiger-Terminal 406 zur Verfügung stehende Bewegungsplan eine geeignete herkömmliche Anzeige einschließt, um die Bewegung der Züge bis zum Auftreten eines Konflikts anzuzeigen und um den zeitlichen Verlauf, der zu dem Konflikt führt, in graphischer Form zur Interpretation und Auflösung durch eine Bedienungsperson darzustellen.
Außerdem sind die vom optionalen Auflösungsoptionen-Identifizierer 408 stammenden Daten dem Bediener anzeigbar, um ihn bei der manuellen Auflösung des Konflikts zu unterstützen. Neben den Optionen und den mit jeder Option verknüpften Kosten kann der Konfliktauflöser 410 einen Vorschlag hinsichtlich der Konfliktauflösung liefern, und dieser Vorschlag ist dem Bediener auch anzeigbar.
Der Zeitplanungsprozeß
Die Interaktion von regelbasierten und randbedingungsbasierten Systemen im Anweisungszeitplaner von 4 und Bewegungsplaner von 6 wird leichter verständlich, wenn auf das in 8 dargestellte System Bezug genommen wird.
Es ist wohlbekannt, daß eine Randbedingung eine Grenze des Werts eines Objekts ist. Die in dieser Beschreibung berücksichtigten Randbedingungen fallen im allgemeinen in drei Kategorien: jene zeitlichen Randbedingungen, die der Aufgabe der Erfüllung der Anweisung innewohnen, jene Randbedingungen, die der Eisenbahnstruktur innewohnen, und jene Randbedingungen, die explizit durch den Benutzer spezifiziert sind.
Anweisungsrandbedingungen schließen den sequentiellen Charakter der Tätigkeiten ein, der auf der Tatsache beruht, daß ein Zug nicht von einem Punkt zu einem anderen springen kann, ohne einige Zwischenabschnitte zu durchlaufen. Um zum Beispiel Kohle an einem Bergwerk aufzunehmen, muß ein Zug erst die Gleisabschnitte vom Ausgangspunkt des Zugs bis zum Zielbergwerk in der richtigen Reihenfolge durchlaufen, bevor er den Gleisabschnitt am Bergwerk und die Verladeeinrichtungen des Bergwerks durchlaufen kann.
Auch der Eisenbahnstruktur wohnen Randbedingungen inne. Solche Randbedingungen schließen lückenfähige Elemente (Ausweichgleise, die sich zwischen Abschnitten befinden) und Eingleis-/Mehrgleis-Konfigurationen ein. Es kann auch eine breite Palette von benutzerdefinierten Randbedingungen eingeschlossen sein. Diese Randbedingungen sind im allgemeinen zeitliche Randbedingungen, die danach streben, den Ressourcen-Zeitplaner 330 daran zu hindern, bestimmte Ressourcen über bestimmte Zeiträume hinweg zeitlich zu planen.
Ein Beispiel für eine solche Randbedingung ist ein Bergwerk, in dem die Zeit für das Verladen von Kohle eingeschränkt, das Verladen zum Beispiel nur bei Tageslicht möglich ist. Eine solche Randbedingung würde durch die Beschränkung der Ressourcenverfügbarkeit auf ein spezifiziertes Intervall einbezogen werden. Ein anderes Beispiel für eine solche Randbedingung sind Ressourcen, zum Beispiel Gleise oder Lokomotiven, die wegen Wartungsarbeiten während eines spezifizierten Zeitintervalls außer Betrieb sind. Noch ein anderes Beispiel ist ein Zug, der nicht durch den Zeitplaner gesteuert wird, zum Beispiel ein Personenzug, der durch ein Objekt, das sich außerhalb des Güterzugzeitplaners befindet, zeitlich geplant wird. Durch die geeignete Bestimmung der Ressourcenverfügbarkeitszeiten ist es möglich, all diese Randbedingungen einzuschließen.
Der regelbasierte Prozeß wandelt Anweisungen in eine Form um, die sich für eine Randbedingungspropagationslösung eignet, und beschränkt den Suchraum durch die Eliminierung bestimmter Kandidatenlösungen auf der Grundlage einer Regelmenge, die u.a. die Unternehmenspolitik, Standardbetriebsverfahren und Erfahrungsfaktoren einschließt. Der randbedingungsbasierte Prozeß löst das Problem des Bewegens von Zeitintervallen zur Maximierung des extern bereitgestellten Leistungsmaßes bei gleichzeitiger Erfüllung aller Randbedingungen. Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein Zeitplan für den Zugbetrieb, der einen global optimierten Zeitplan für den Zugbetrieb, Wartungstätigkeiten und Bahnhofsausrüstungen einschließt.
Wie 8 zeigt, ist jeder der Prozesse als asynchroner UNIX-Prozeß mit Interprozeßkommunikation zwischen den beiden Prozessen implementierbar, die mittels einer wohlbekannten Client/Server-Beziehung auf der Grundlage von UNIX-Sockets implementiert wird.
Falls das prozedurale Mittel bereitgestellt ist, erfolgt die Implementierung auch als ein oder mehrere asynchrone UNIX-Prozesse. Diese Prozesse kommunizieren mittels einer wohlbekannten Client/Server-Interprozeßkommunikation. Das prozedurale Mittel wird zur Verfeinerung des Zeitplans zur Einbeziehung von Einzelheiten der Bahnanlage verwendet. Das erfolgt durch die Simulation des Betriebs der Eisenbahn, die Identifikation der Konflikte im Zeitplan, die sich aus der im randbedingungsbasierten Prozeß verwendeten Ebene der Modellabstraktion ergeben, und die Anpassung des Zeitplans zur Eliminierung jener Konflikte bei gleichzeitiger Maximierung des Leistungsmaßes.
Sobald das erreicht ist, wird der durch die Verfeinerung des Zeitplans erhaltene Bewegungsplan an den regelbasierten Prozessor zurückgesendet. Falls aus irgendeinem Grund alle Konflikte nicht auflösbar sind, wird der Bewegungsplan mit deutlicher Kennzeichnung des Konflikts an den regelbasierten Prozessor zurückgesendet. Der regelbasierte Prozessor prüft den Bewegungsplan auf der Grundlage einer Regelmenge, die die Unternehmenspolitik beschreibt, und sendet den Bewegungsplan, wenn dieser zufriedenstellend ist, an den Abfertiger, damit er dort angezeigt oder bei der weiter unten beschriebenen Steuerung der passenden Züge verwendet wird.
Auch die weitere Funktionsweise des erfindungsgemäßen Systems geht aus 8 hervor, wo Anforderungen, die Identifikation des externen Verkehrs, Zeitplanausnahmen und eine Identifikation der verfügbaren Ressourcen als eine Funktion der Zeit zur Erfüllung der Anforderung durch eine Benutzeroberfläche 500 empfangen werden. Eine Zeitplanausnahme ist eine vorhergesagte Nichteinhaltung eines bestimmten Zeitplans, was die erneute Zeitplanung der beteiligten Ressource und möglicherweise anderer betroffener Ressourcen erfordert. Externer Verkehr ist solcher Verkehr, der bereits vorher zeitlich geplant wurde und durch das System nicht veränderbar ist. Anforderungen können stapelweise oder nacheinander über einen bestimmten Zeitraum eintreffen.
Die Benutzeroberfläche 500 übersetzt diese Daten in „Fakten" und macht sie im regelbasierten Prozeß geltend. Der Benutzer kann auch bestimmte Regeln in der Regeldatenbank hinzufügen, entfernen oder ändern, um die Unternehmenspolitik und andere Erfahrungsfaktoren, die sich im Verlauf der Zeit ändern können, einzubeziehen.
Die Benutzeroberfläche 500 liefert Daten an ein regelbasiertes Expertensystem 502. Es stehen verschiedene Expertensystemwerkzeuge zur Verfügung, um die Geltendmachung und Verarbeitung der Fakten durch eine regelbasierte Inferenzmaschine gemäß den in der Regeldatenbank enthaltenen Regeln zu ermöglichen. Die bevorzugte Implementierung ist das durch das Johnson Space Flight Center der NASA entwickelte C-Language Integrated Production System (CLIPS), da dieses sich leicht in ein System einbetten läßt und einen objektorientierten Lösungsweg unterstützt, der mit dem randbedingungsbasierten Element kompatibel ist.
Die Funktionen dieses Expertensystems sind durch eine Menge von Regeln festgelegt, die sich in mehrere Kategorien einteilen lassen. Anforderungsspezifische Regeln schließen solche Regeln ein, die die Reihenfolge der zur Erfüllung einer Anforderung notwendigen Tätigkeiten einschließlich der mit ihnen verknüpften Ressourcen identifizieren und der Anforderung eine Struktur geben, die durch die randbedingungsbasierte Inferenzmaschine interpretierbar ist.
Anforderungsspezifische Regeln schließen auch solche Regeln ein, die den Umfang festlegen, in dem die Zeitplanung erfolgt, falls ein früherer Zeitplan existiert. So kann zum Beispiel die Unternehmenspolitik vorschreiben, daß Fahrten, die zeitlich so geplant sind, daß sie innerhalb eines spezifizierten Zeitraums beginnen, bei Erhalt einer neuen Anforderung nicht erneut zeitlich geplant werden, aber im Falle von unvorhergesehenen Verzögerungen, die den bestehenden Zeitplan stark beeinflussen, erneut zeitlich geplant werden dürfen. Diese Regeln sind modifizierbar, wenn neue Arten von Dienstleistungen, die Unternehmenspolitik, Standardbetriebsverfahren oder Erfahrungsfaktoren für die Handhabung von Anforderungen geändert werden.
Zu einer zweiten Kategorie gehören Regeln, die von der Benutzeroberfläche 500 Verfügbarkeitsinformationen empfangen und diese Regeln so verarbeiten, daß sie eine Form annehmen, die sich für die Anwendung auf den randbedingungsbasierten Prozeß eignet. Die Verfügbarkeit wird modifiziert, um externen Verkehr, Lokomotiven, die aufgrund von Reparatur- oder Wartungsarbeiten außer Betrieb sind, Gleise, die außer Betrieb sind, oder andere Faktoren, die die Verfügbarkeitsprofile beeinflussen, zu berücksichtigen.
Zu einer dritten Regelkategorie gehören Regeln, die den Suchraum für den randbedingungsbasierten Prozeß einschränken. Es werden Regeln bereitgestellt, um die Fahrstraße festzulegen, die zur Erfüllung der Anforderung zu durchlaufen ist. Bei vielen größeren Eisenbahnen gibt es mehrere mögliche Pfade zum Bewegen eines Zugs von einem Punkt zu einem anderen. Diese Regelmenge wählt auf der Grundlage von Prinzipien der Physik, spezifizierten Leistungsmaßen, Standardbetriebsverfahren und Erfahrungsfaktoren den optimalen Pfad aus. Züge, die eine Anforderung aufgrund von Lokomotivleistungs- oder Bahnhofsausrüstungsbeschränkungen nicht erfüllen können, werden außer acht gelassen.
Zu einer vierten Regelkategorie gehören jene Regeln, die den Zeitplan bewerten, der durch den randbedingungsbasierten Prozeß zurückgesendet wurde, und führen entweder die Anforderungen dem randbedingungsbasierten Prozeß nach der Lockerung einiger Randbedingungen erneut zu, führen den Zeitplan dem prozeduralen Mittel (falls verfügbar) zu oder melden dem Benutzer über die Benutzeroberfläche 500, daß die Anfrage mit zu vielen Randbedingungen versehen ist und nicht zeitlich planbar ist. Falls der prozedurale Prozeß bereitgestellt ist, gehören zu einer fünften Regelkategorie jene Regeln, die den Zeitplan bewerten und bestimmen, ob er erneut geplant werden sollte, das heißt, ob keine Konflikte bestehen, ob er aus Sicht der Unternehmenspolitik akzeptabel ist und ob er vollständig ist.
Wenn die Implementierung des Bewegungsplans für die tatsächlichen Züge ins Auge gefaßt wird, gehören zu einer sechsten Kategorie jene Regeln, die eine Meldung über Abweichungen der Züge vom Bewegungsplans empfangen und bestimmen, ob eine erneute Zeitplanung vorgenommen werden sollte oder nicht und ob die erneute Zeitplanung durch die Anpassung des Bewegungsplans oder des Zeitplans erfolgen sollte.
Eine Anfrage nach zeitlicher Planung einer Anforderung von einem Zeitplaner-Client 504 ist über den Client-Server 508 dem randbedingungsbasierten Expertensystem 510 zur Zeitplanung zuführbar. Nach Erhalt eines Zeitplans, der unaufgelöste Konflikte enthält, vom Zeitplaner-Client 504 legt das regelbasierte Expertensystem 502 die zu ergreifenden Maßnahmen fest. In Abhängigkeit von den Regeln können diese Maßnahmen eine erneute Zeitplanung einschließen oder der Zeitplan ist, wenn der ungelöste Konflikt gering ist, dem prozeduralen Mittel (falls verfügbar) zuführbar, um den Zeitplan im Verlauf der Verfeinerung in den ausführlichen Bewegungsplan aufzulösen.
Der Zeitplan ist an eine Abfertiger-Terminal/Anzeige-Einheit 506 weiterleitbar, wenn er einem Bediener (zum Beispiel Streckenfahrdienstleiter) oder der automatisierten Fahrdienstleitung angezeigt werden soll. Wenn der prozedurale Prozeß 516 zur Verfügung steht, ist der Zeitplan zusammen mit einem Leistungsmaß über den Bewegungsplaner-Client 512 dorthin zur Verfeinerung weiterleitbar.
Der Zeitplaner-Client 504 kann eine Zeitplananfrage vom regelbasierten Expertensystem 502 empfangen, diese in eine für den Zeitplaner-Server 508 verständliche Struktur übersetzen und sie dem Zeitplaner-Server 508 zuführen. Diese Zeitplananfrage kann eine oder mehrere Anforderungen einschließen. Wie bereits beschrieben, kann eine Anforderung solche Informationen enthalten wie zum Beispiel die Gesamtwarenmenge (wenn die Anforderung eine Schüttgutlieferung betrifft), die frühestmögliche Abholzeit, den spätestmöglichen Liefertermin und ein Leistungsmaß, das Strafen für eine verspätete Lieferung und/oder Leistungsanreize für eine frühzeitige Lieferung widerspiegelt. Außerdem kann die Anforderung die für die Erfüllung der Anforderung notwendigen Tätigkeiten und die für die Erfüllung der Anforderung geeigneten Ressourcentypen (zum Beispiel Züge) widerspiegeln.
Außerdem kann eine Anforderung einen Parameter, der ein Prozent der Höchstgeschwindigkeit darstellt, und einen Parameter, der ein Prozent Pufferzeit darstellt, einschließen. Der Parameter, der ein Prozent der Höchstgeschwindigkeit darstellt, zeigt an, daß der Zeitplan so gestaltet werden sollte, daß sich die Züge unterhalb der maximalen Geschwindigkeit bewegen, wodurch der Bewegungsplaner einen größeren Spielraum bei der Erfüllung des resultierenden Zeitplans erhält. Das eine Prozent Pufferzeit stellt einen begrenzten Puffer bereit, innerhalb dem der Bewegungsplaner die Zugfahrten bewegen kann, um die Einhaltung des Gesamtzeitplans zu gewährleisten.
In der Rückwärtsrichtung empfängt der Zeitplaner-Client 504 den Zeitplan vom randbedingungsbasierten System 510 über den Zeitplaner-Server 508 und übersetzt ihn in einen Fakt, dessen Geltendmachung im regelbasierten Expertensystem 502 möglich ist.
Der Zeitplaner-Server 508 empfängt eine Anforderung in der oben beschriebenen Form und übersetzt sie in eine Form, die mit dem randbedingungsbasierten Expertensystem 510 kompatibel ist. Er übersetzt auch den durch das randbedingungsbasierte Expertensystem 510 produzierten Zeitplan in eine Form, die mit dem Zeitplaner-Client 504 kompatibel ist. Der Zeitplaner-Server 508 und der Zeitplaner-Client 504 kommunizieren mittels Client/Server-Interprozeßkommunikation, die auf dem Fachgebiet wohlbekannt ist.
Das Randbedingungspropagations-Expertensystem 510 erfüllt eine Menge von Randbedingungen, die eine durch den Zeitplaner-Server 508 geltend gemachte Anforderung beschreiben. Durch die geeignete Bestimmung der Ressourcenverfügbarkeitszeiten ist es möglich, all diese Randbedingungen einzuschließen.
Durch den Benutzer spezifizierte Randbedingungen schließen zum Beispiel solche Ressourcen ein wie Gleise oder Lokomotiven, die wegen Wartungsarbeiten außer Betrieb sind, und Züge, die sich nicht im Zuständigkeitsbereich des Zeitplaners befinden, zum Beispiel ein Amtrack-Zug, der durch ein externes Objekt zeitlich geplant wird.
Die bevorzugte Implementierung des randbedingungsbasierten Systems 510 ist das wohlbekannte Simulated-Annealing-Suchverfahren. Jedoch können für einige Anwendungen andere Suchverfahren, zum Beispiel die genetische Suche, geeignet sein.
Simulated Annealing ist mittels einer Randbedingungspropagations-Shell implementierbar, die auf dem Waltz-Algorithmus basiert (beschrieben zum Beispiel in „Understanding Line Drawings of Scenes with Shadows," The Psychology of Computer Vision", herausgegeben von P. Winston, McGraw-Hill, New York, 1975).
Die Fähigkeit zur Übersetzung der Folge der Tätigkeiten auf der Tätigkeitsliste in eine Folge von Zeitintervallen ist durch einen handelsüblichen Zugleistungsberechner bereitstellbar. Als Alternative dazu sind ein anwendungsspezifischer Prozeß auf der Grundlage der Davis-Gleichungen für Zugbewegungen oder geeignete herkömmliche Mittel dazu verwendbar, die Zeit zu schätzen, die eine Ressource zur Fertigstellung einer spezifizierten Tätigkeit benötigt. Falls für die Ausführung einer Tätigkeit alternative Ressourcen zur Verfügung stehen, werden alternative Intervalle für jede Tätigkeit bestimmt. Somit ist eine Liste von Intervallen produzierbar, die hinsichtlich der Ressourcen und der Zeit gruppiert sind.
Intervalle werden auf logische Weise gruppiert, und zwar typischerweise anfänglich auf der Grundlage vollständiger Zugfahrten, falls das für eine bestimmte Anforderung relevant ist.
Die Planung erfolgt anfänglich mit den Gruppen. Dann erfolgt eine Unterteilung in lückenfähige Intervalle zur Fortsetzung des Suchprozesses. Ein lückenfähiges Intervall ist ein Intervall in einer Gruppe, nach dem eine Lücke zugelassen wird, bevor das nächste Intervall in der Gruppe beginnt. Diese Darstellung wird verwendet, um das Vorhandensein eines Ausweichgleises oder einer anderen Fähigkeit zur ein Zeitintervall andauernden Aufnahme eines Zugs, während ein anderer Zug passiert, darzustellen. Bereitgestellt wird die Fähigkeit zum Empfang der Intervallgruppen, von ressourcenverfügbaren Intervallen und von Leistungsmaßen und zur Durchführung einer Suche nach einem Zeitplan, der (a) die Ressourcenverfügbarkeits-Randbedingungen und (b) die Intervallrandbedingungen erfüllt und (c) die Leistungsmaße minimiert.
Wenn der Suchalgorithmus seine Suche beendet und keine Lösung gefunden hat, werden die Intervallgruppen weiter unterteilt bzw. mit Lücken versehen, die Intervalle neu gruppiert und die Suche dann unter Verwendung der kleineren Zeitintervalle fortgesetzt. Nach Beendigung der Suche mit den kleinsten Intervallen wird der resultierende Bewegungsplan an den Zeitplaner-Server 508 weitergeleitet, um an das regelbasierte System zurückgesendet zu werden. Falls keine der Randbedingungen erfüllbar ist, wird der Bewegungsplan zusammen mit einer Anzeige, daß der Zeitplan Konflikte beinhaltet, und der Identifikation der am Konflikt beteiligten Ressourcen und Tätigkeiten zurückgesendet.
Es ist wünschenswert, eine Anzeige 506 bereitzustellen, um den resultierenden Bewegungsplan anzuzeigen, damit der Benutzer ihn studieren kann. Zur Anzeige des Plans sind verschiedene Mittel verwendbar. Ein verbreiteter Lösungsweg ist ein Standardfadendiagramm, wie es von den Eisenbahnen verwendet wird. Wie in 2 dargestellt ist, ist die Fadenlinie eine Linienzeichnung, in der für jeden Zug die Position auf dem Gleis als eine Funktion der Zeit graphisch dargestellt ist.
Es ist ein Bewegungsplaner-Client 512 bereitgestellt, um den Zeitplan in die Form einer Planungsanfrage zu übersetzen, die mit dem Bewegungsplaner-Server 514 kompatibel ist. Nach Beendigung der Bewegungsplanung durch das prozedurale System 516 wird der vom Bewe gungsplaner-Server 514 stammende Bewegungsplan empfangen und in eine Form übersetzt, die mit dem regelbasierten Expertensystem 502 kompatibel ist.
Der Bewegungsplaner-Server 514 übersetzt die Bewegungsplanungsanfrage in eine Form, die mit dem prozeduralen System 516 kompatibel ist. Der Server 514 übersetzt auch den vom prozeduralen System 516 stammenden Bewegungsplan in eine Form, die für den Bewegungsplaner-Server 514 verständlich ist. Der Bewegungsplaner-Client und der Bewegungsplaner-Server 514 kommunizieren mittels herkömmlicher Interprozeßkommunikation.
Das prozedurale System 516 empfängt den Zeitplan und einen Zustand der Bahnanlage (Position der Züge) aus einer externen Quelle und initialisiert eine Simulationsfähigkeit mit der Definition aller Züge und ihrer Ausgangspunkte. Die Definition eines Zugs schließt Anzahl und Typ der Lokomotiven, Anzahl und Typ der Wagen und das Gewicht der Wagen ein. Die Position jedes Zugs schließt die Position des Zugs, seine Richtung auf dem Gleis und seine Geschwindigkeit ein. Die Bewegungen aller zeitlich geplanten Züge werden simuliert, bis ein Zugkonflikt auftritt, eine spezifizierte Anhaltebedingung auftritt oder das Simulations-Zeitintervall erreicht wurde.
Wenn ein Zugkonflikt auftritt, wird der Zustandsvektor zum Zeitpunkt des Konflikts aufgezeichnet und werden die für die Konfliktauflösung zur Verfügung stehenden Optionen bestimmt. Wenn kein Konflikt auftritt, ist der Bewegungsplan vollständig und wird dem Bewegungsplaner-Server 514 gemeldet, um an das regelbasierte System weitergeleitet und durch die Planungs-/Abfertigungsfunktion ausgeführt zu werden.
Die für die Konfliktauflösung zur Verfügung stehenden Optionen sind aufzählbar. Konflikte sind als Situationen des „Begegnens", „Passierens", „Einfädelns" oder „Kreuzens" klassifizierbar. Die Konfliktauflösungsoptionen schließen das Bewegen eines der Züge auf ein alternatives Gleis zum Abwarten des Passierens des nicht gleichzeitig zulässigen Zugs ein. Auch ist die Abfahrt eines Zugs von seinem Ausgangspunkt oder von einem anderen Punkt, an dem er angehalten wurde, so lange verzögerbar, bis der Weg frei ist. Noch eine andere Option besteht darin, einen der Züge an einem Punkt auf seinem Weg anzuhalten, um dem anderen Zug zu gestatten, sich auf ein alternatives Gleis zu bewegen. Die Identifikation von Alternativgleisoptionen und Optionen zum Anhalten entlang einer Fahrstraße werden aufgezählt, und zwar beginnend mit jenen Optionen, die dem Ort des Konflikts am nächsten liegen.
Einer der Vorteile des vorliegenden Systems besteht in der Bewertung der Optionen und der Auswahl derjenigen Option, die zum besten Leistungsmaß fuhrt. Die beste Leistung wird durch ein Leistungsmaß bestimmt, das durch das regelbasierte System bereitgestellt wird. Die Bewertung jeder Option erfolgt durch die Simulation jeder Option und die Berechnung des verknüpften Leistungsmaßes. Wenn eine „lokale Optimierung" erfolgt, wird der Bewegungsplan so revidiert, daß er den besten alternativen Pfad einbezieht, falls das anwendbar ist, und die Simulation wird an den nächstgelegenen Punkt hinter dem Punkt, an dem die am Konflikt beteiligten Züge auf ein alternatives Gleis fuhren, zurückbewegt. Eine lokale Optimierung ist für einen großen prozentualen Anteil von Szenarien zufriedenstellend, da die vorhergehende Zeitplanungsoperation eine globale Optimierung durchführt. Eine globale Optimierung ist mittels verschiedener Optimierungsverfahren durchführbar.
Es ist wünschenswert, zum Durchsuchen eines Baums von alternativen Lösungen eine Version des wohlbekannten „Branch-and-Bound"-Verfahrens zu verwenden. Gemäß dem Branch-and-Bound-Verfahren wird jeder Konflikt als Verzweigungspunkt an einem Entscheidungsbaum modelliert. Wenn die Simulation voranschreitet und Konflikte aufgelöst werden, wählt das Suchverfahren die Alternative mit den geringsten Kosten und führt die Simulation fort. Es ist möglich, die Kosten der Alternativen aufzuzeichnen, und es ist möglich, den Zustand des Systems periodisch aufzuzeichnen. Es ist möglich, daß die Wahl der Lösung mit den geringsten Kosten unter den Alternativen nicht zur optimalen Gesamtlösung führt. Das Branch-and-Bound-Verfahren macht es möglich, daß sich die Suche im Baum zurückbewegt und frühere Entscheidungen zurückzieht, um eine Lösung mit geringeren Kosten zu finden.
Das Physikalische Modell
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines physikalischen Modells der Topologie der Bahnanlage auf mehreren Abstraktionsebenen im Verlauf des Planungsprozesses. Die Topologie einer Bahnanlage ist durch mehrere Ebenen der Komplexität darstellbar. Das ermöglicht nicht nur das Modellieren hochkomplexer Systeme, sondern auch das Verbergen von Komplexitätsebenen, wenn eine solche Komplexität ein Hindernis für die effiziente Nutzung des Modells darstellt.
Wie 9 zeigt, besteht ein objektorientiertes Bahntopologiemodell vorzugsweise aus drei grundlegenden Elementen, das heißt, aus Knoten, Abschnitten und Verbindungsgliedern. Ein Abschnitt wird verwendet, um ein Streckenstück darzustellen, das ein- oder mehrgleisig sein kann und aus einer geordneten Sammlung von Fragmenten besteht. Ein Fragment ist ein Gleisstück mit einem konstanten Gradienten, einer konstanten Krümmung, einer konstanten Geschwindigkeitsbegrenzung und Länge.
Ein Knoten kann ein komplexes Objekt darstellen und selbst eine innere Struktur beinhalten, die aus Knoten, Abschnitten und Verbindungsgliedern besteht. Verbindungsglieder werden an jedem Ende eines Abschnitts verwendet, um einen Abschnitt mit einem Knoten zu verbinden, und Knoten können eine beliebige Anzahl von Verbindungsgliedern besitzen. Jedes Topologieelement ist mit einem eindeutigen Systemidentifizierer versehen, um die Identifikation eines Orts durch Bezugnahme auf den Systemidentifizierer zu ermöglichen.
Auf der höchsten Ebene ist ein Schienennetz als ein Knoten dargestellt. Dieser Schienennetzknoten enthält eine Struktur, die wiederum als eine Menge von Knoten, die durch Abschnitte verbunden sind, darstellbar ist. Diese erste Komplexitätsebene modelliert ein Schienennetz als eine Menge von Gleisabschnitten, die Knoten verbinden, die grobe Objekte wie zum Beispiel Häfen, Bergwerke, Rangierbahnhöfe, Ausweichgleise, Gleisverbindungen, Gabelungen, Einmündungen und Verzweigungspunkte darstellen. Bei einfachen Gleisstrukturen, zum Beispiel Weichen und Anschlußstellen, kann dieser Grad an Einzelheiten den maximalen Grad an Einzelheiten darstellen. Bei komplexeren Gleisstrukturen, zum Beispiel Rangierbahnhöfe, sind weitere Komplexitätsebenen hinzufügbar, bis das gesamte Schienennetz ausführlich modelliert ist.
Wie 9A zeigt, kann der Knoten 900 an einem Ende eines Abschnitts ein Ausweichgleis 902 oder eine Weiche 904 sein. Der Knoten 906 kann einen vollständigen Hafen mit mehreren Knoten darstellen.
Wie 9B zeigt, ist die Verwendung eines oder mehrerer Knoten innerhalb eines Knotens von besonderem Nutzen, wenn es um die Entwicklung von unterschiedlichen Abstraktionsgraden bei so etwas Einfachem wie Gleisabschnitten geht.
Die Position eines Zugs in einem Gleisnetz wird durch die Position der Spitze des Zugs angezeigt. Die Spitze des Zugs wird durch den Abschnittsidentifizierer und einen Abstand von dem am Abschnitt befindlichen Verbindungsglied lokalisiert. Außerdem sind die Richtung des Zugs und die Länge des Zugs zur Lokalisierung des restlichen Teils des Zugs verwendbar.
Nun soll auf 7 Bezug genommen werden, wo Daten, die sich auf die Position, die Richtung und die Länge eines Zugs beziehen, zur Berechnung des Widerstands des Zugs verwendbar sind, wobei der Gradient und die Krümmung des Gleisfragments, auf dem sich der Zug befindet, die Zuggeschwindigkeit und andere Zugparameter berücksichtigt werden.
Die Streckenführung von einem Punkt zu einem anderen im System ist mittels eines beliebigen Netzstreckenführungs-Algorithmus berechenbar. Der wohlbekannte SPF-Algorithmus (Shortest Path First- kürzester Pfad zuerst) wird häufig verwendet. Der Algorithmus muß jedoch nicht die Entfernung als Leistungsmaß zur Berechnung der Pfadlänge verwenden, und komplexere Leistungsmaße, die zum Beispiel Gradienten einbeziehen, sind oft von Nutzen.
Die Merkmale des Fahrzeugparks der Eisenbahn sind in einer herkömmlichen Ressourcen-Datenbank 800 speicherbar. Das schließt die physikalischen und Leistungsdaten zu jeder Lokomotive, ihren Typ, ihr Gewicht, ihre Länge, ihre Querschnittsfläche, ihre Leistung in PS, die Anzahl ihrer Achsen und die Stromlinienkoeffizienten (sowohl als führende als auch als nachfolgende Lokomotive) ein. Für jeden Wagen sind der Typ, das Leergewicht, die Länge, die Querschnittsfläche, das Gewicht im beladenen Zustand, die Anzahl der Achsen und der Stromlinienkoeffizienten bereitstellbar. Einheitszüge sind ebenfalls in der Datenbank definiert, und zwar mit einem Identifizierer, der Zuggeschwindigkeitsbegrenzung, einer Liste der Lokomotivtypen und einer Liste der Wagentypen. Diese Ressourcen-Datenbank ist in Tabellenform, als komplexe Datenstruktur oder mittels einer beliebigen handelsüblichen Datenbank implementierbar.
Die definierten Zugobjekte sind durch das System hindurch propagierbar, und zwar gemäß durch die Simulations-Manager-Unterstützung 802 bereitgestellten Zugbewegungsanfragen. Alle Zugbewegungen stehen im Einklang mit den Gleichungen der Physik, den grundlegenden Zughandhabungsprinzipien und den wohlbekannten Zugsteuerungsregeln. Die durch die Simulations-Manager-Unterstützung bereitgestellte Fahrstraße jedes Zugs kann aus einer ge ordneten Liste von Fragmenten vom Ausgangs- zum Zielpunkt jeder Zugfahrt bestehen, wobei die Zugrichtung in jedem Fragment ebenfalls angezeigt ist.
Die Bewegung der Züge entlang des Gleises wird durch einfache physikalische Gleichungen geregelt, um die Zugbeschleunigung zu berechnen. Die Anfangsbeschleunigung des Zugs ist durch die Adhäsion der Schienen und das Gewicht der Lokomotive größenbeschränkt. Außerdem kann die Beschleunigung einiger leistungsstarker Lokomotiven durch die Kraft beschränkt sein, die zum Abkuppeln des Zugs führen würde.
Es ist wünschenswert, daß die Zughandhabungsregeln dem Zug in Abhängigkeit von der verfügbaren Zugkraft der Lokomotiven, der maximalen Zugkraft an den Schienen und der Abkupplungskraft die maximale Beschleunigung gestatten. Diese Werte sind typischerweise so eingestellt, daß sie geringfügig unter den tatsächlichen Beträgen liegen, um einem Lokomotivführer die vorsichtige Handhabung des Zugs zu gestatten. Sobald die planmäßige Geschwindigkeit oder die Geschwindigkeitsbegrenzung (falls diese geringer ist) erreicht ist, wird die Zugkraft des Zugs so eingestellt, daß sie genau dem Widerstand des Zugs entspricht, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten.
Eine Bremsung des Zugs erfolgt, um den Zug anzuhalten, um die Geschwindigkeit auf eine geringere Geschwindigkeitsbegrenzung abzusenken, um eine gegenseitige Behinderung mit einem anderen Zug zu vermeiden oder als Reaktion auf ein Signal und um eine sichere Geschwindigkeit an einem Gradienten aufrechtzuerhalten. Es gibt viele Verfahren zum Modellieren der Zugbremsung. Die Fähigkeit zum Antizipieren von Situationen, in denen gebremst werden muß, wird dadurch bereitgestellt, daß das vorausliegende Gleis nach sich ändernden Geschwindigkeitsbegrenzungen, anderen Zügen oder Signalen abgesucht wird.
Es sind drei Mittel zur Steuerung eines Zugs bereitgestellt, um mehrere Züge konfliktfrei im Netz zu bewegen. Diese Steuerungsverfahren sind folgende: „keine Steuerung", „Steuerung mit beweglichem Block" und „Steuerung mit festem Block". Das Verfahren, bei dem keine Steuerung erfolgt, wird zum Bewegen eines einzelnen Zugs durch das Netz verwendet. Der Zug bewegt sich ohne Rücksicht auf das Signalsystem oder die Anwesenheit anderer Züge durch das Netz. Dieses Verfahren ist von Nutzen bei der Berechnung von Daten hinsichtlich der ungehinderten Fahrzeit eines spezifischen Zugs über einen Gleisabschnitt zur Verwendung bei der Erstellung des Zeitplans.
Beim Steuerungsverfahren mit festem Block prüft ein Zug das Eisenbahnsignalmodell zu jedem Zeitintervall, um festzustellen, ob ein Signal für den Zug sichtbar ist, und wenn ja, ob das Signal anzeigt, daß der Zug weiterfahren, seine Geschwindigkeit reduzieren oder anhalten sollte. Spezifische Regeln im Signalsystem hängen von der jeweils modellierten Eisenbahn ab. Das Steuerungsverhalten, das vom Eisenbahnsignalmodell angezeigt wird, hebt alle anderen Geschwindigkeitsbegrenzungen auf.
Die Steuerung mit beweglichem Block basiert auf der Festlegung einer verbotenen Zone, die mit jedem Zug verknüpft ist. Die verbotene Zone eines Zugs schließt den Zug und ein Gleisstück vor dem Zug und entlang der Fahrstraße des Zugs ein, das in seiner Länge dem Anhalteweg des Zugs, zuzüglich eines Zuschlags bei unklarer Position des Zugs, entspricht. Der Anhalteweg hängt natürlich von der Geschwindigkeit des Zugs, dem Gradienten, dem Gleisadhäsionskoeffizienten und dem Gewicht des Zugs ab. Das erfordert, daß jeder Zug die Position der verbotenen Zone anderer Züge überwacht, um zu gewährleisten, daß in seine verbotene Zone keine verbotene Zone eines anderen Zugs eindringt. Um einen solchen Vorfall zu vermeiden, werden Bremsenhandhabungsregeln angewendet, um zu gewährleisten, daß der Zug seine Geschwindigkeit auf angemessene Weise verringert, um einen Konflikt zu vermeiden.
Während die Züge zeitlich in Inkrementen vorwärtsbewegt werden, werden die Positionen der Züge relativ zu den spezifizierten Anhaltebedingungen überwacht. Wenn eine Anhaltebedingung auftritt, hört die zeitliche Vorwärtsbewegung auf, und die Ergebnisse einschließlich eines zeitlichen Verlaufs des Pfads der Züge werden gemeldet.
Falls zwischen Zügen Konflikte (zum Beispiel die Berührung zwischen zwei verbotenen Zonen) auftreten, hört die zeitliche Vorwärtsbewegung auf, und die Ergebnisse werden zusammen mit dem Konflikttyp, den beteiligten Zügen und der Position an die Simulations-Manager-Unterstützung 802 zurückgesendet, um die Auflösung von Konflikten durch einen externen Prozeß zu unterstützen.
Es ist ein Signalsystem modellierbar, das auf herkömmlichen Festblocksignalen basiert. Signalblöcke werden definiert und zu den bei der Mehrebenen-Modellierung der Schienentopologie verwendeten Fragmentgleisstrukturen in Beziehung gesetzt. Wenn die Spitze eines Zugs ein Fragment belegt, das mit einem Signalblock verknüpft ist, wechselt der Status des Blocks von „nicht belegt" zu „belegt". Wenn das Ende eines Zugs alle Fragmente innerhalb eines Blocks verlassen hat, wird der Status des Blocks in „nicht belegt" geändert. Die Beziehung des Blockstatus zu den Signalen ist durch eine Menge von unternehmensspezifischen Eisenbahnregeln bestimmt, die zu einer genormten Menge gehören. Informationen zu diesen Regeln sind aus Veröffentlichungen der American Association of Railroads (Amerikanischer Eisenbahnverband) und aus anderen Quellen beziehbar. Die automatische Blocksignalgebung (ABS) ist wohlbekannt und als veranschaulichende Implementierung verwendbar.
Es gibt zwei Klassen von Reaktionen, die auftreten, wenn ein Zug in einen Signalblock einfährt oder diesen verläßt, das heißt, die Steuerung von nachfolgenden Zügen und die Steuerung von Gegenzügen. Bei nachfolgenden Zügen, und unter der Voraussetzung eines typischen Vierebenen-Signalsystems, schaltet das Signal am Punkt der Einfahrt in den Block auf „Halt" für Züge, die dem ersten Zug folgen. Es trifft Regel 292 zu, die ein Anhalten eines nachfolgenden Zugs vorschreibt. Dieser Signalzustand hält an, bis das Ende des ersten Zugs den Block verlassen hat. Zu diesem Zeitpunkt wird das Signal auf „Eingeschränkte Geschwindigkeit" geschaltet, und zwar gemäß Regel 285, die vorschreibt, daß ein nachfolgender Zug mit eingeschränkter Geschwindigkeit weiterfährt und sich auf das Anhalten am nächsten Block vorbereitet. Wenn der erste Zug den nächsten vorausliegenden Block verläßt, wird das Signal auf „Gelb über Grün" geschaltet, und zwar gemäß Regel 282, die vorschreibt, daß sich ein Zug dem nächsten Signal mit eingeschränkter Geschwindigkeit nähert. Wenn der Zug schließlich den dritten vor dem Signal liegenden Block verläßt, schaltet das Signal auf „Frei", und zwar gemäß Regel 281, die zuläßt, daß der Zug gemäß allen gültigen Geschwindigkeitsbegrenzungen weiterfährt.
In vielen Systemen wird das Vierebenen-Signalsystem durch zwei senkrecht mit Zwischenraum angeordnete Lichter mit folgenden Bedeutungen implementiert: Rot über Rot heißt „Halt"; Gelb über Rot heißt „Eingeschränkte Geschwindigkeit"; Gelb über Grün heißt „Mittlere Geschwindigkeit"; Grün über Grün heißt „Frei".
Die Signale sind auch für Gegenzüge setzbar. Diese Signale müssen gemäß der Gleistopologie gesetzt werden, um zu verhindern, daß Gegenzüge auf einen Gleisabschnitt ohne alternatives Gleis fahren, wenn sich ein Gegenzug im selben Gleisblock befindet. Das Ausmaß, in dem ein Zug, der in einen Block einfährt, das Setzen von Gegensignalen verursacht, ist im Signalsystem für jeden Signalblock bestimmt.
Der Zustand der Signale ist auf Verlangen an die Zugbewegungsmittel übermittelbar und wird in jedem Simulationsintervall auf der Grundlage der durch die Zugbewegung gemeldeten Position der Züge aktualisiert.
Es ist ein Simulationsunterstützungs-Manager bereitgestellt, um die Ressourcen-Datenbank, die Mehrebenen-Modellierung der Schienentopologie, das Eisenbahnsignalmodell und die Zugbewegung als Reaktion auf eine externe Anfrage nach Durchführung einer Simulation zu initialisieren. Die Anfrage nach Durchführung einer Simulation schließt die Simulationszeit, den Zeitplan, die Fahrstraße, die Zeit, das Inkrement, die Züge und ihre Positionen und eine Liste mit zeitlich geplanten Tätigkeiten ein. Ein extern bereitgestellter Zeitplan enthält eine Fahrstraße für jeden Zug und einen Zeitplan für jeden Zug. Der Zeitplan spezifiziert die Liste der Fragmente, über die sich der Zug hinwegbewegen wird, und die Zeit, zu der ein Zug von einem Haltepunkt auf der Fahrstraße abfährt.
Zeitlich geplante Tätigkeiten schließen die Tätigkeit „Bewege Zug zu Fragment x und halte an" ein. Somit wird eine Fähigkeit bereitgestellt, die Züge durch Erteilen eines Befehls an den Zugbewegungsabschnitt 804 von 8 bis zum nächsten Ereignis vorwärts zu bewegen und eine Rückmeldung an den anfragenden externen Prozessor zu senden. Das nächste Ereignis kann ein zeitlich geplantes Ereignis oder ein nicht zeitlich geplantes Ereignis (zum Beispiel ein Zugkonflikt) sein. Nach der Fertigstellung (ob nun verursacht durch Erreichen eines zeitlich geplanten Ereignisses oder durch ein nicht zeitlich geplantes Ereignis) werden der Verlauf der Simulation und die aufgetretene Anhaltebedingung oder Konfliktsituation an den externen Prozeß, von dem die Simulationsanfrage ausging, zurückgesendet.
Zugsteuerung
Nun soll auf 10 Bezug genommen werden. Mindestens eine der Lokomotiven, die jeden Zug im erfindungsgemäßen System antreiben, ist mit einem Zug-Controller 208 ausgestattet. Der Zug-Controller 208 empfängt den für ihn relevanten Teil des Bewegungsplans. Wie weiter unten noch ausführlicher erklärt werden wird, ist es wünschenswert, daß der Zug-Controller 208 ein Zugbewegungs-Bestimmungssystem enthält, das das Gleisdatenmodell, die Zughandhabungsrandbedingungen und die tatsächlichen Zugpositions-, Zuggeschwindigkeits-Wind- und Gleiszustandsdaten verwendet, um eine Menge von Zugbefehlen zu berechnen, die im Falle ihrer Implementierung bewirken, daß sich der Zug gemäß der im Bewegungsplan bereitgestellten Trajektorie bewegt. Die durch das Zugbewegungs-Bestimmungssystem festgelegten Befehle sind auf einer Anzeige 220 im Führerstand der Lokomotive anzeigbar, um durch den Lokomotivführer ausgeführt zu werden, oder wären als Alternative dazu für die direkte halbautomatische Zugsteuerung durch herkömmliche Aktivierungen 222 geeignet, könnten also die Leistungseinstellungen und das Bremsen direkt steuern, wobei die Möglichkeit einer Umgehung durch den Lokomotivführer vorgesehen sein kann, wenn das gewünscht ist.
Zum Zwecke der Bewertung seines Vorrückens auf der Trajektorie des Bewegungsplans kann der Zug-Controller 208 mit einem satellitengestützten Positionsbestimmungssystem, zum Beispiel dem Global Positioning System (GPS), 226 ausgestattet sein und Signale von einem Abschnitt des weiter oben erörterten Gleismeßwertumformer-Systems empfangen. Die Verwendung des satellitengestützten Positionsbestimmungssystems würde die meisten Meßwertumformer (bis auf diejenigen, die sich an Steuerungspunkten befinden) überflüssig machen, was die Kosten der Eisenbahnwartung beträchtlich reduzieren würde.
Im erfindungsgemäßen System werden Meßwertumformer nur an den Steuerungspunkten (zum Beispiel Weichen) benötigt, um eine eindeutige Bestätigung dahingehend zu erhalten, auf welchem Gleis von vielen nahe beieinander gelegenen parallelen Gleisen sich ein bestimmter Zug befindet oder daß ein Zug in seiner Gesamtheit auf ein Ausweichgleis gefahren ist. Die Meßwertumformer werden für diese Funktionen verwendet, da sie mit einer bestimmten Position auf einem bestimmten Gleis eindeutig identifizierbar sind, da das typische erdsatellitengestützte Positionsbestimmungssystem nur bis auf ca. 35 Fuß genau ist. Da sich innerhalb dieses Bereiches zwei parallele Gleise befinden könnten, kann das GPS-System nicht genau unterscheiden, ob ein bestimmtes Gleis durch Züge belegt ist oder nicht. Mittels dieser Kombination aus Meßwertumformern, die sich nur an Steuerungspunkten befinden, und einem erdsatellitengestützten Positionsbestimmungssystem wird der Fehler der Positionsbestimmung an der Genauigkeit des Satellitensystems (ca. 35 Fuß) gedeckelt und ist nicht den geringen Abständen zwischen Meßwertumformern abhängig.
Für die vorliegende Erfindung ist auch jedes andere geeignete Positionsbestimmungssystem verwendbar, doch ist das GPS-Meßwertumformer-System besonders geeignet, da es mit geringem Kostenaufwand zu installieren und zu warten ist und gleichzeitig hinreichend genaue Positionsinformationen bereitstellt.
Wenn der Zug mit unvorhergesehenen Bedingungen konfrontiert wird, während er sich gemäß dem Bewegungsplan entlang des Gleises bewegt, kann der Zug-Controller 208 automatisch festlegen, welche neuen Zugbefehle praktisch sind, um den Bewegungsplan sicher zu implementieren. Wenn zum Beispiel die Maschinen nicht die Menge an Leistung produzieren, die entsprechend ihrer Leistungseinstellung erwartet wird, kann der Controller die Leistung erhöhen, indem er geeignete Zugbefehle erteilt, die dann, wie weiter oben erörtert, angezeigt oder implementiert werden. Bei der Festlegung aller Einstellungen berücksichtigt der Zug-Controller 208 eine Menge von relevanten Sicherheitsregeln und -randbedingungen, Zughandhabungsrandbedingungen und Gleisparameter.
In Situationen, in denen die ungeplanten Störungen die Fähigkeit des Controllers, den Zug auf der im Bewegungsplan festgelegten Trajektorie zu halten, beeinträchtigen, kann der Zug eine Ausnahmenachricht an den Abfertigungsabschnitt der Bewegungsplanungsfunktion 202 zurücksenden. Oft ist die Übertragung einer Nachricht über eine anomale Bedingung durch den Zug-Controller 208 völlig redundant, da die Abfertigungsfunktion der Bewegungsplanungsfunktion 202 den Zustand des Systems, insbesondere im Hinblick auf den Bewegungsplan, überwacht und vielleicht bereits den Versuch unternimmt, den Bewegungsplan angesichts der neuen Informationen über den Systemzustand (das heißt, die Anomalie, mit der ein oder mehrere Züge konfrontiert worden ist/sind) umzuplanen.
Unter Bezugnahme auf 11 wird der Zug-Controller 208 hinsichtlich der Funktionen verständlich, die zur Bereitstellung der gewünschten Steuerung jedes Zugs ausführbar sind. Konkret steuert der Zug-Controller 208 an Bord jedes Zugs den Zug gemäß einem Bewegungsplan, der auf einem sehr genauen Modell einer Eisenbahn beruht.
Es wird ein vom Bewegungsplaner stammender Zugbewegungsplan empfangen, und zwar zusammen mit einem Anfangsleistungsparameter (IPP), der bei der Herleitung des Zugbewegungsplans verwendet wurde. Ein Anfangsleistungsparameter „1" bedeutet, daß der Zeitplan unter Verwendung der vollen Nennleistung (in PS) erstellt wurde. In der vorliegenden Erfin dung wird der IPP oft auf einen Wert von weniger als „1" eingestellt, damit ein Zug etwas Zeit aufholen kann, wenn er geringfügig hinter dem Bewegungsplan zurückgeblieben ist.
Der Bewegungsplan kann eine Fahrstraße (eine Liste von Fragmenten, über die sich der Zug hinwegbewegen wird) und die Zeit der Ankunft an jedem Steuerungspunkt entlang der Fahrstraße und die Geschwindigkeit des Zugs an diesem Punkt einschließen. Außerdem kann ein Zugbewegungsplan eine Identifikation der Gebiete enthalten, in denen die Geschwindigkeit aufgrund der antizipierten Anwesenheit anderer Züge beschränkt wird.
Wie weiter unten noch ausführlicher erklärt werden wird, kann ein Zugbewegungsplan Daten einschließen, die sich auf die Strecke bis zum nächsten Steuerungspunkt (zum Beispiel ein Punkt, an dem ein Zug zugunsten eines anderen Zugs anhalten muß) beziehen. Wie bereits erwähnt, kann der Controller 208 zusätzlich zum Bewegungsplan und dem Anfangsleistungsparameter Daten empfangen und/oder messen, die die herrschenden Wind- und Gleisbedingungen, die aktuelle Position, die aktuelle Zeit, die aktuelle Geschwindigkeit des Zugs und den Bremsleitungsdruck anzeigen.
Ein Ermittler 230 der vorhergesagten Ankunftszeit kann bereitgestellt sein, um die Bewegung des Zugs von seiner gegenwärtigen Position zum nächsten Steuerungspunkt auf dem Zugbewegungsplan vorherzusagen. Ein Leistungsparameter wird zu Anfang auf den Anfangsleistungsparameter eingestellt. Externe Quellen liefern Informationen zum aktuellen Zustand des Zugs (aktuelle Position des Zugs auf dem Gleis und seine Geschwindigkeit) und zur aktuellen Zeit. Die Fahrstraße des Zugs mit dem Leistungsparameter und den eingeschränkten Fragmenten und der aktuelle Zustand werden an das physikalische Modell 232 weitergeleitet, um eine Simulation der Bewegung des Zugs über das Gleis durchzuführen.
Das physikalische Modell 232 sendet die erwartete Ankunftszeit zurück, wobei vorausgesetzt wird, daß der Zug mit demselben Leistungsparameter weiterfährt. Das physikalische Modell 232 sendet ebenfalls eine Fahrhebel- und Bremseneinstellung für das Zeitintervall bis zum nächsten Aktualisierungszeitpunkt zurück. Die Fahrhebel- und Bremseneinstellung wird zusammen mit der erwarteten Zeit der Ankunft am nächsten Steuerungspunkt an die Anzeigemittel des Lokomotivführers weitergeleitet. Als Alternative dazu ist die Fahrhebel- und Bremseneinstellung zur Steuerung von Aktuatoren, die automatisch die Fahrhebeleinstellung durchführen, verwendbar. Die vorhergesagte Ankunftszeit und Geschwindigkeit am Bestimmungsort werden an einen Leistungsparameter-Einsteller 234 weitergeleitet.
Das physikalische Modell 232 modelliert die Bewegung eines Zugs über ein ausführliches Modell eines Gleises. Das physikalische Modell 232 hat die Fähigkeit zur Darstellung der Topologie eines Eisenbahnnetzes mit mehreren Ebenen der Komplexität. In einer Ausführungsform besteht ein objektorientiertes Bahntopologiemodell aus drei grundlegenden Elementen: Es sind Knoten, Abschnitte und Verbindungsglieder verwendbar. Wie bereits erklärt, wird ein Abschnitt verwendet, um ein Streckenstück darzustellen, das ein- oder mehrgleisig sein kann und aus einer geordneten Sammlung von Fragmenten besteht. Ein Knoten kann ein komplexes Objekt darstellen und eine innere Struktur beinhalten, die aus Knoten, Abschnitten und Verbindungsgliedern besteht, und Knoten können eine beliebige Anzahl von Verbindungsgliedern besitzen. Jedes Topologieelement ist mit einem eindeutigen Systemidentifizierer versehen, um die Identifikation eines Orts durch Bezugnahme auf den Systemidentifizierer zu ermöglichen.
Auf der niedrigsten Ebene der Einzelheiten stellt das physikalische Modell 232 ein Schienennetz als einen Knoten dar. Dieser Knoten enthält eine Struktur, die als eine Menge von Knoten, die durch Abschnitte verbunden sind, darstellbar ist. Diese erste Komplexitätsebene modelliert ein Schienennetz als eine Menge von Gleisabschnitten, die Knoten verbinden, die grobe Objekte wie zum Beispiel Häfen, Bergwerke, Rangierbahnhöfe, Ausweichgleise, Gleisverbindungen, Gabelungen, Einmündungen und Verzweigungspunkte darstellen. Bei einfachen Gleisstrukturen, zum Beispiel Weichen und Anschlußstellen, kann dieser Grad an Einzelheiten den maximalen Grad an benötigten Einzelheiten darstellen. Bei komplexeren Gleisstrukturen, zum Beispiel Rangierbahnhöfe, sind weitere Komplexitätsebenen hinzufügbar, bis das gesamte Schienennetz ausführlich modelliert ist.
Die Position eines Zugs wird durch die Position der Spitze des Zugs angezeigt. Die Spitze des Zugs wird durch den Abschnittsidentifizierer und einen Abstand von dem am Abschnitt befindlichen Verbindungsglied lokalisiert. Außerdem sind die Richtung des Zugs und die Länge des Zugs zur Lokalisierung des restlichen Teils des Zugs verwendbar.
Das physikalische Modell 232 ist auch in der Lage, ein Zugobjekt zu definieren und dieses durch das Gleisnetz hindurch zu propagieren, und zwar gemäß Zugbewegungsanfragen, die durch den Ermittler 230 der vorhergesagten Ankunftszeit oder den Leistungsparameter-Einsteller 234 bereitgestellt werden. Alle Zugbewegungen stehen im Einklang mit den Gleichungen der Physik, den Zughandhabungspraktiken und den Zugsteuerungsregeln.
Die Bewegung des Zugs entlang des Gleises im physikalischen Modell 232 wird durch einfache physikalische Gleichungen (die auf allgemein anerkannten Zugdynamikgleichungen, zum Beispiel Canadian National 1990 Equations, basieren) geregelt, um die Kräfte und somit die Zugbeschleunigung zu berechnen. Die Anfangsbeschleunigung des Zugs ist durch die Adhäsion der Schienen und das Gewicht der Lokomotive größenbeschränkt. Außerdem kann die Beschleunigung einiger leistungsstarker Lokomotiven durch die Kraft beschränkt sein, die zum Abkuppeln des Zugs führen würde.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gestatten Zughandhabungsregeln dem Zug, in Abhängigkeit vom Leistungsparameter, von der verfügbaren Zugkraft der Lokomotiven, der maximalen Zugkraft an den Schienen und der Abkupplungskraft maximal zu beschleunigen. Sobald die Geschwindigkeitsbegrenzung des Zugs oder des Gleisabschnitts (je nach dem, welche von beiden geringer ist) bestimmt ist, wird die Zugkraft des Zugs so eingestellt, daß sie genau dem Widerstand des Zugs entspricht, um die Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten.
Bei allen Bewegungen des Zugs wird darauf geachtet, daß diese im Einklang mit Signalen stehen, die aus externen Quellen empfangen werden und den Zug bei Bedarf verlangsamen oder anhalten. So werden zum Beispiel Fragmente mit eingeschränkter Geschwindigkeit, die mit dem Bewegungsplan erhalten werden, zur Reduzierung der Zuggeschwindigkeit in den Gebieten verwendet, in denen das Auftreten von Signalwirkungen antizipiert wird. Bei Verwendung eines Steuerungssystems mit beweglichem Block können externe Mittel Informationen über die Position des unmittelbar vorausliegenden Zugs und jedes anderen Zugs, der planmäßig in irgendein Fragment der Fahrstraße des Zugs eintritt, bereitstellen.
Das physikalische Modell 232 modelliert auf realistische Weise die Reduzierung der Geschwindigkeit auf eine geringere Geschwindigkeitsbegrenzung oder als Reaktion auf ein Signal und um eine sichere Geschwindigkeit an einem Gradienten aufrechtzuerhalten. Zur Modellierung der Zugbremsung sind handelsübliche oder anwendungsspezifische Bremsenhandhabungs-Algorithmen verwendbar. Informationen über den Bremsleitungsdruck sind durch beliebige geeignete externe Mittel bereitstellbar. Die Fähigkeit zum Antizipieren von Situationen, in denen gebremst werden muß, wird dadurch bereitgestellt, daß das vorausliegende Gleis nach sich ändernden Geschwindigkeitsbegrenzungen abgesucht wird, oder ist durch Signale auf der Grundlage von im voraus berechneten Bremskurven bereitstellbar. In einer Ausführungsform ist eine Fähigkeit zur Bestimmung der geeigneten Kombination aus Widerstandsbremsen, unabhängigen Bremsen und Druckluftbremsen bereitgestellt.
Während sich der Zug zeitlich in Inkrementen vorwärtsbewegt, wird die Position des Zugs relativ zur spezifizierten Anhaltebedingung (Ende der Fahrstraße) überwacht. Die zeitliche Vorwärtsbewegung hört auf, wenn die Anhaltebedingung auftritt, und die Ergebnisse einschließlich eines zeitlichen Verlaufs des Pfads des Zugs und seiner Fahrhebeleinstellungen werden an das anfragende Mittel gemeldet.
Wie aus 11 weiter hervorgeht, stellt der Leistungsparameter-Einsteller 234 den Leistungsparameter so ein, daß die pünktliche Ankunft des Zugs am Steuerungspunkt gewährleistet ist. Der Leistungsparameter-Einsteller 234 kann die vorhergesagte Ankunftszeit und Geschwindigkeit mit der erfaßten Zeit und Geschwindigkeit vergleichen und die Abweichung mit einer benutzerspezifizierten zulässigen Abweichung vom Bewegungsplan vergleichen. Wenn die Differenz aus der vorhergesagten Ankunftszeit und der zeitplanmäßigen Ankunftszeit die zulässige Abweichung überschreitet, ist der Leistungsparameter korrigierend anpaßbar. Zur Ermittlung der geeigneten Anpassung sind mehrere Simulationen des Systems durchführbar. In einer Ausführungsform werden mindestens zwei oder drei Werte des Leistungsparameters sequentiell zusammen mit der Fahrstraße und dem aktuellen Zustand an das physikalische Modell 232 geliefert. Für gewöhnlich schließt der Wertebereich des Leistungsparameters den Wert „1" ein, um zu ermitteln, ob der Zugbewegungsplan nun unmöglich ist. Wenn der Zug den Zeitplan mit einem Leistungsparameter von „1" nicht einhalten kann, meldet der Zug eine Zeitplanausnahme an den Abfertiger und bietet eine neue vorhergesagte Ankunftszeit an. Falls eine Änderung des Leistungsparameters zur Erfüllung des Zugbewegungsplans führt, wird ein neuer Leistungsparameter durch Interpolation zwischen den simulierten Werten berechnet und an den Ermittler 230 der vorhergesagten Ankunftszeit geliefert.
Die vorgeschlagenen Einstellungen der Fahrhebel, der Widerstandsbremsen, der unabhängigen Bremsen und der Druckluftbremsen sind auf der Anzeige 220 im Führerstand oder dem Lokomotivführer anzeigbar.
VORTEILE UND SCHUTZBEREICH DER ERFINDUNG
Wie ohne weiteres ersichtlich ist, sind das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren unter mehreren Aspekten vorteilhaft.
Durch die Erstellung eines ausführlichen Bewegungsplans ist eine dichtere Zeitplanung von Zügen bei einer entsprechenden Erhöhung der Systemdurchsatzleistung erreichbar.
Mittels eines Modells des physikalischen Systems und der Simulation der Bewegung des tatsächlichen Zugs durch das physikalische System hindurch anstelle der Verwendung von statistischen Mittelwerten ist ein Bewegungsplan erstellbar, der durch einen Zug realisierbar ist. Bei Verwendung des statistischen Mittelwerts der Zeit, die für das Bewegen eines Zugs von Knoten A zu Knoten B erforderlich ist, setzt die geplante Position des Zugs eine sofortige Beschleunigung und Verzögerung an allen Punkten der Fahrstraße und eine gleichbleibende mittlere Geschwindigkeit voraus. Das trifft zu, obwohl die Wirkungen der Beschleunigung und Verzögerung bei der Herleitung der statistischen Mittelwerte berücksichtigt wurden. Es ist offensichtlich, daß ein solcher Plan durch einen Zug nicht realisierbar ist, und die Abweichung des Zugs von solchen geplanten Positionen ist für die Modifizierung des Zugverhaltens nicht verwendbar. Wo jedoch der ausführliche Bewegungsplan tatsächlich durch den Zug realisierbar ist, ist jede Abweichung vom Plan zu Steuerungszwecken verwendbar.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Mehrebenen-Abstraktion des physikalischen Modells zur Erfüllung der Bedürfnisse der verschiedenen Bestandteile des Systems. So reichen zum Beispiel statistische Mittelwerte für die Generierung eines groben Zeitplans aus und führen zu beträchtlichen Rechnerressourcen-Einsparungen bei der Suche nach einer Optimierung, reichen aber für die Optimierung bei der Entwicklung eines ausführlichen Bewegungsplans nicht aus.
Die Kombination aus regelbasierten und randbedingungsbasierten Inferenzmaschinen ist besonders vorteilhaft. Ein regelbasiertes System engt die Suche nach einem optimalen Zeitplan wirksam ein und stellt die Randbedingungen für das randbedingungsbasierte System zur Fortsetzung der Suche bereit.
Im Randbedingungssystem stellt die Verwendung von Simulated-Annealing-Verfahren zur globalen Suche nach Optimalität ein rechnerisch effizientes Mittel zur zuverlässigen Erzielung einer groben Lösung bereit. Diese Lösung ermöglicht die Durchfüfrung der Feinsuche mittels Branch-and-Bound-Verfahren, wodurch die Optimierung mit den verfügbaren Rechnerressourcen möglich wird.
Außerdem wird die Optimierung beschleunigt, indem die gesamte Ressourcen-Nutzung in Zeitintervalle umgewandelt wird und Suchverfahren verwendet werden, die diese Zeitintervalle in Gruppen von wechselnder Größe gruppieren, wobei zuerst die vollständige Fahrt betrachtet wird und dann die Gruppen so weit in immer kleinere Gruppen unterteilt werden, wie das zur Auflösung von Konflikten erforderlich ist.
Ein beträchtlicher Vorteil für den Bediener einer Eisenbahn besteht auch darin, daß er beliebig Regeln schreiben kann, die sich auf solche Dinge wie Geschäftspraktiken, Arbeitsverträge und die Unternehmenspolitik beziehen. So kann eine Verfahrensweise eines Unternehmens zum Beispiel darin bestehen, die Abfahrt eines Zugs von einem Rangierbahnhof um zehn Minuten zu verzögern, wenn zu erwarten ist, daß eine spezifizierte Anzahl von zusätzlichen Wagen innerhalb dieses Zeitraums zur Verfügung stehen wird. Eine solche Verfahrensweise wird, wenn sie als geschriebene Regel vorliegt, zu einer Randbedingung des Bewegungsplans und wäre somit bei der Optimierung des Bewegungsplans automatisch berücksichtigt worden.
Es ist zu beachten, daß die durch das vorliegende System erreichte Optimierung globaler Natur ist, was bedeutet, daß sie sowohl Betriebskosten, zum Beispiel Kraftstoff und Zugbesatzungen, als auch Lieferkosten, zum Beispiel Boni und Strafen für die Lieferzeit, einschließt.
Indem man den ausführlichen Bewegungsplan an die tatsächliche Bedienung des Systems bindet, kann man sich während der Bedienung des Systems auf die Zeit, zu der Ereignisse eintreten, verlassen und Konflikte bei der Verwendung von Systemressourcen zeitlich verkürzen. Es ist zu beachten, daß die Bindung eines ausführlichen Plans an eine ausführliche Bedienung in zwei Richtungen wirkt: Die Tatsache, daß die Bedienung genau gesteuert ist, gestattet eine Feinabstimmung des Zeitplans und umgekehrt. Da die vorliegende Erfindung beide Merkmale aufweist, kann sie die Gesamtdurchsatzleistung jedes Betriebssystems beträchtlich reduzieren.
Das erfindungsgemäße System gestattet die Auflösung von Konflikten unter dem Aspekt einer Gesamtoptimierung. Somit wird zum Beispiel eine Betriebsentscheidung hinsichtlich der Verwendung eines Wirtschaftsguts, die nach dem Stand der Technik lokal getroffen wurde, bezüglich der Minimierung der Gesamtbetriebskosten getroffen. Im Falle der beispielhaften Bahnanlage, um ein weiteres Beispiel zu nennen, werden Entscheidungen darüber, welcher von zwei Zügen ausweichen sollte, während der andere passieren darf, hinsichtlich der Auswirkungen auf die Systemebenen getroffen. Somit ist es vermeidbar, eine Entscheidung zu treffen, nach der ein Zug nicht auf ein Ausweichgleis bewegt wird, weil er auf lokaler Ebene zehn Minuten sparen könnte, aber letztendlich nachgeschaltete Züge eine weitaus größere Anzahl von Minuten aufhält.
Da die Zughandhabung im physikalischen Modell eingeschlossen ist, verhindert die Verwendung von tatsächlichen Bremskurven für den spezifischen Zug und für das spezifische Gleis anstelle der Verwendung von statistischen Szenarios, die sich am ungünstigsten Fall orientieren, einen großen Teil der unnötigen erzwungenen Sicherheitshalte, die bei der Verwendung von bestehenden Erzwingungseinrichtungen üblich sind. Die Verwendung der Simulation des tatsächlichen Zugs verkürzt auch den aus Sicherheitsgründen erforderlichen Abstand zwischen Zügen und führt somit zu einer beträchtlichen Verbesserung der Durchsatzleistung des Systems.
Zwar ist es für die Erfindung nicht notwendig, doch kann die Verwendung der vorliegenden Erfindung in Bahnanlagen viele der wartungsintensiven Bestandteile des Bahnsteuerungssystems teilweise oder völlig überflüssig machen. So kann zum Beispiel eine Eisenbahn bei voller Implementierung der Erfindung das aufwendige Gleissignalsystem abschaffen oder wesentlich reduzieren. Viele der lokalen Elemente der Bahnanlage, einschließlich des Bedienungspersonals solcher lokalen Bestandteile, sind eliminier- oder reduzierbar.
Zwar sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, doch versteht sich, daß die beschriebenen Ausführungsformen nur veranschaulichender Natur sind und der Schutzbereich der Erfindung ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein soll. Wie ohne weiteres ersichtlich ist, sind das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren unter mehreren Aspekten vorteilhaft.

Claims

System zum Planen und Steuern der Bewegung mehrerer Züge in einem Frachtschienensystem mittels einer regelbasierten Inferenz-Engine, um Randbedingungen für eine Randbedingungsbasierte Inferenz-Engine vorzusehen, um einen Zeitplan für den Zugbetrieb zu erhalten, mit: einer regelbasierten Inferenz-Engine einschließlich eines Planungsumfang-Ermittlers (304), einer Einrichtung zur Tätigkeitsidentifikation und -abfolgesteuerung (310), eines Kandidatenressourcen-Ermittlers (314), eines Zugtätigkeitswirkungs-Berechners (318) und eines Zeitintervall-Umwandlers (320); und einer Randbedingungsbasierten Inferenz-Engine einschließlich eines Abschnitt-Gruppierers (324), und eines Ressourcenzeitplaners (330), wobei der Planungsumfang-Ermittler (304) einen neuen Auftrag für Zugdienste und auf die verfügbaren Ressourcen bezogene Daten sowie Zeitplanausnahmen empfängt, und Aufträge an die Einrichtung zur Tätigkeitsidentifikation und -abfolgesteuerung (310) liefert; die Einrichtung zur Tätigkeitsidentifikation und -abfolgesteuerung (310) eine Tätigkeitsliste an den Kandidatenressourcen-Ermittler (314) liefert; der Kandidatenressourcen-Ermittler (314) eine Liste von Kandidatenressourcen an den Zugtätigkeitswirkungs-Berechner (318) und den Zeitintervall-Umwandler (320) vorsieht; der Zugtätigkeitswirkungs-Berechner (318) eine Eingabe für den Zeitintervall-Umwandler (320) vorsieht, die das Ergebnis der Zugtätigkeit wiedergibt, die mit den Kandidatenressourcen verknüpft ist; der Zeitintervall-Umwandler (320) die mit der Tätigkeitsliste verknüpften Kandidatenressourcen in eine Folge von Zeitintervallen übersetzt und die Zeitintervalle an den Zeitabschnitts-Gruppierer (324) liefert, wobei der Zeitintervall-Gruppierer (324) ferner die Aufträge von dem Planungsumfang-Ermittler (304) empfängt; der Ressourcen-Zeitplaner (330) ein Ausgangssignal von dem Zeitintervall-Gruppierer (324) als eine Gruppe von Zeitintervallen sowie ein Signal von dem Planungsumfang-Ermittler (304) empfängt, welches die für den Zeitplanungsprozeß zur Verfügung stehenden Ressourcen angibt; wobei das Ausgangssignal des Ressourcen-Zeitplaners (330) ein Bewegungsplan ist, der an den Planungsumfang-Ermittler (304) zurückgeführt wird, wobei der Bewegungsplan an einen Zugcontroller (208) kommuniziert wird, um die Fahrhebel- und Bremseneinstellungen automatisch festzulegen und den Zug gemäß der Einstellungen zu steuern, wobei die Einstellungen einem Zugbediener oder Steuerungsaktuatoren angegeben werden, die automatisch die entsprechenden Einstellungen durchführen.
System nach Anspruch 1, wobei der Planungsumfang-Ermittler (304) ferner externen Verkehr empfängt, der in dem Bewegungsplan mitberücksichtigt werden muß.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Planungsumfang-Ermittler (304) einer Menge von Regeln sowie den von dem Ressourcenzeitplaner (330) stammenden aktuellen Zeitplan verwendet, um die zeitlich zu planenden Tätigkeiten zu ermitteln.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Tätigkeitsliste eine Folge von Gleisabschnitten umfaßt, die in dem Bewegungsplan durchlaufen werden müssen.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Zugtätigkeitswirkungs-Berechner (318) und der Zeitintervall-Umwandler (320) zusammen für jede in der Tätigkeitsliste aufgestellte Tätigkeit die Zeit berechnen, die zur Fertigstellung der Tätigkeit notwendig ist.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Zeitintervall-Umwandler (320) eine Liste von Zeitintervallen an den Zeitintervallgruppierer (324) leitet, die hinsichtlich der Ressourcen und der Zeit gruppiert sind.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Zeitintervallgruppierer (324) die Zeitintervalle gruppiert, die notwendig sind, um den Bewegungsplan in logischer Folge zu erfüllen.
System nach einem der vorangegangenen Ansprüche, das ferner einen Bewegungsplaninitiator (400), der einen Zeitplan und/oder Information über den Zustand des Zugsystems empfängt, um den Bewegungsplaner zu initialisieren, einen Bewegungsplan-Ausführer (402), der den Zeitplan und/oder die Zustandsinformation von dem Bewegungsplan-Initialisierer (400) empfängt, ein physikalisches Modell (404), das von dem Bewegungsplan-Ausführer (402) mit Daten versehen wird, die der Bewegung des Zugs folgen und Zugkonflikte melden, einen Auflösungsoptionen-Identifizierer (408), der von dem Bewegungsplan-Ausführer (402) eine Nachricht über einen Konflikt empfängt und die Optionen für dessen Auflösung identifiziert, einen Konfliktauflöser (410), der von dem Auflösungsoptionen-Identifizierer (408) die identifizierten Optionen erhält und eine Analyse basierend auf den gemessenen Leistungsfähigkeitsdaten ausführt, die von einem Auftragszeitplaner (200) empfangen wurden, und eine Anzeige umfaßt, die mit dem physikalischen Modell (404) verbunden ist und die Bewegung des Zugs anzeigt.
System nach Anspruch 8, wobei der Bewegungsplanungs-Ausführer (402) von dem Bewegungsplanungs-Initialisierer (400) einen Zeitplan und Daten über den Zustand des Systems empfängt und mit dem physikalischen Model (404) und dem Auflösungsoptionen-Identifizierer (408) zur Zweiwege-Kommunikation verbunden ist.
System nach Anspruch 9, wobei der Bewegungsplanungs-Ausführer (402) ferner Informationen von dem Konfliktauflöser (410) empfängt.
System nach einem der Ansprüche 8-10, wobei der Bewegungsplanungs-Ausführer (402) einen Zustandsvektor empfängt und aufzeichnet, und die Dienste des physikalischen Modells (404) verwendet, um die Zeit inkrementell weiterzustellen, bis (a) das physikalische Modell (404) einen Zugkonflikt meldet, (b) eine bestimmte Anhalte-Randbedingung auftritt, oder (c) ein Simulations-Zeitintervall erreicht wurde.
System nach einem der Ansprüche 8-11, wobei das physikalische Modell (404) der Bewegung des Zugs folgt, sobald dieses von dem Bewegungsplanungs-Ausführer (402) mit Daten versorgt wurde, welche den anfänglichen Zustand, die AnhalteRandbedingung und das weitergestellte Zeit-Intervall identifizieren.
System nach einem der Ansprüche 8-12, wobei der Konfliktauflöser (410) die gekennzeichneten Optionen von dem Auflösungsoptionen-Identifizierer (408) empfängt und eine Analyse basierend auf den Leistungsmaßdaten ausführt, die von einem Befehls-Zeitplaner (200) empfangen wurden.