本发明的实施例涉及铁路列车操作，且更特别地涉及限制列车内的力 (in-train force)以减小列车和有轨车箱损坏的可能性。

机车是具有许多子系统的复杂系统，每个子系统与其它子系统相互依 赖。机车上的操作者施加牵引力和制动力，以控制机车的速度和关于有轨车 箱的负荷，以确保适当的操作和及时到达目的地。还必须使用速度控制以保 证列车内的力在可接受的范围内，由此避免过大的车钩力和列车断开的可能 性。为了实现这个功能和以及符合规定的营运速度，该营运速度可能随着列 车在轨道上位置的变化而变化，操作者通常必须具有大量在指定的地形上操 作具有不同的有轨车箱的机车的经验。
还可以通过列车控制系统进行列车控制，以控制列车，该系统确定各种 列车和行程参数，如牵引和制动应用的时间和量。替换地，列车控制系统建 议操作者优选的列车控制动作，而操作者依照建议的动作或依照他/她自主的 列车控制评估来进行列车控制。
列车车钩的松弛状况(两个连接的车钩之间的距离和该距离的改变)相 当大地影响列车控制。如果特定的松弛状况出现则特定的列车控制动作被允 许，而其它列车控制动作是不希望有的，因为它们可能导致列车、有轨车箱 或车钩损坏。如果列车(或列车的段)的松弛状况可被确定，预测或推断， 则可响应该状况而执行正确的列车控制动作。

在用于操作铁路系统的装置的实施例中，揭露了一种铁路系统，其包括 先导车辆组、非先导车辆组和有轨车箱。该装置包括：第一元件，其用于确 定铁路系统段的松弛状况，其中这些段用节点描绘；控制元件，其被构造以 控制铁路系统、先导车辆组和/或非先导车辆组的牵引力和制动力的施加。
在另一实施例中，揭露了一种用于控制铁路系统的装置。该装置包括： 第一元件，用于确定铁路系统或铁路系统的段的松弛状况；和控制元件，用 于响应该松弛状况控制施加到铁路系统的牵引力或制动力。
在又一实施例中，揭露了一种用于确定铁路系统的铁路车辆的松弛状况 的装置，该铁路车辆正通过一轨道段。该装置包括：第一元件，用于确定对 于正通过轨道段的铁路车辆计划施加的牵引力和制动力；第二元件，用于在 铁路车辆通过该轨道段之前，响应计划施加的牵引力和制动力而确定在该轨 道段上一个或多个位置处的松弛状况；和第三元件，用于响应从计划施加的 牵引力和制动力的偏差而重新确定一个或多个位置处的松弛状况。
在另一实施例中，揭露了一种用于确定铁路系统的车钩状况的装置。该 该铁路系统包括一个或多个机车和有轨车箱，该一个或多个机车和有轨车箱 中的相邻者被连接到一个或多个机车和有轨车箱中的每个上的闭合车钩连 接。该装置包括：第一元件，用于确定铁路系统的一个或多个有轨车箱的自 然加速度，和第二元件，用于确定铁路系统的共同加速度和确定有轨车箱的 自然加速度和共同加速度之间关系，其中所述关系表示有轨车箱的松弛状 况。
在另一实施例中，揭露了一种用于确定铁路系统的车钩状况的装置，该 铁路系统包括先导车辆组、非先导车辆组和有轨车箱，相邻的车辆和有轨车 箱被车钩连接。该装置具有确定先导车辆组的操作参数和非先导车辆组的操 作参数的第一元件，和用于根据先导车辆组的操作参数和非先导车辆组的操 作参数确定松弛状况的第二元件。
在另一实施例中，揭露了一种用于确定铁路系统的车钩松弛状况的装 置，该铁路系统包括先导车辆组、非先导车辆组和有轨车箱，相邻的车辆和 有轨车箱被车钩连接。该装置包括：第一元件，确定施加在车钩上的力，其 中该力大于预期的力；和第二元件，用于响应该力而确定松弛状况或松弛状 况的变化。
在另一实施例中，揭露了用于控制铁路系统的列车内的力的装置。该装 置具有用于确定整个系统或系统的段的松弛状况的第一元件，和第二元件， 该第二元件用于控制牵引力和制动力的施加从而控制松弛状况，以限制系统 内的力到可接受的范围。第一元件确定铁路系统上的两个隔开的位置之间的 距离并根据该距离确定该两个隔开的位置之间的松弛状况。
还揭露了一种用于控制铁路系统的装置，其具有用于确定铁路系统的当 前状态的第一元件，用于确定铁路系统的预期状态的第二元件，和用于确定 当前状态和预期状态之间的差异的第三元件。
还揭露了一种用于控制铁路系统的装置，其具有第一元件，用于确定铁 路系统的松弛状况的和该确定的松弛状况的不确定性范围；和第二元件，用 于响应该松弛状况和不确定性范围来控制施加到铁路系统的的牵引力或制 动力。
在又一实施例中，揭露了一种用于控制铁路列车的装置，该列车具有一 个或多个机车组，每个机车组具有一个或多个尾随有轨车箱，该铁路列车在 机车组的一个中具有操作者。设置了用于提供列车特征的第一元件，和用于 提供列车运动参数的第二元件。还设置了第三元件，用于根据确定列车特征 和列车运动参数中的至少一个来确定松弛状况，还设置第四元件，用于响应 松弛状况施加牵引力或制动力。操作者能忽略第三元件确定的松弛状况和忽 略第四元件施加的牵引力或制动力。还设置用于提供松弛状况信息的显示 器。
在另一实施例中，揭露了一种用于操作铁路系统的方法，其中铁路系统 具有先导车辆组、非先导车辆组和有轨车箱。该方法包括：用于确定铁路系 统段的松弛状况的步骤，其中该段由节点描述；用于控制铁路系统、先导车 辆组和非先导车辆组中的至少一个的牵引力或制动力的施加的步骤。
还提供了一种用于确定铁路系统的松弛状况的方法，包括用于确定铁路 系统操作参数的步骤，和用于根据这些操作参数确定等价坡度的步骤。其它 步骤包括：
确定铁路系统正通过的实际轨道坡度，和根据等价坡度和实际坡度确定 松弛状况。
揭露了一种用于控制铁路系统的方法。该方法包括用于确定轨道段上的 先前施加的牵引力和制动力的步骤。还揭露了用于响应先前牵引力或制动力 的施加来确定该轨道段的松弛状况的步骤。另一步骤包括根据轨确定的道段 上的先前施加的牵引力和制动力控制随后通过该轨道段的铁路系统。
还揭露了一种用于确定铁路系统的系统内的力的方法，其中铁路系统包 括一个或多个动力车辆和多个有轨车箱。该方法包括确定在第一时间和第二 时间处两个车辆之间、车辆和有轨车箱之间或两个有轨车箱之间的距离；和 响应确定的两个车辆之间、车辆和有轨车箱之间或两个有轨车箱之间的距离 来确定整个铁路系统或铁路系统段的松弛状况的步骤。
还揭露了一种用于确定铁路系统的系统内的力的方法，其中该铁路系统 具有一个或多个车辆和有轨车箱，相邻车辆和有轨车箱以及相邻有轨车箱被 车钩连接。该方法包括用于确定施加在车钩上的力的符号，和根据该力的符 号确定车钩的松弛状况的步骤。
还揭露了一种用于确定铁路系统的车钩状况的方法。该铁路系统具有一 个或多个车辆和有轨车箱，相邻的一个或多个动力车辆和有轨车箱被车钩连 接。该方法包括用于确定列车的一个或多个有轨车箱的自然加速度的步骤， 和用于确定列车的共同加速度的步骤。还提供用于确定有轨车箱的自然加速 度和共同加速度之间的关系的步骤，其中该关系表示有轨车箱的松弛状况。
在另一实施例中，揭露了一种用于确定铁路系统的车钩状况的方法，该 铁路系统具有一个或多个动力车辆和有轨车箱，相邻的一个或多个车辆和有 轨车箱被车钩连接。该方法具有用于确定一个车辆或一个有轨车箱所经受的 加速度的或速度的变化的速率的步骤。还提供另一步骤用于确定所述变化的 速率是否响应一个车辆所施加的牵引力或制动力。提供第三步骤，用于如果 该变化的速率不响应一个车辆所施加的牵引力或制动力，则确定所述松弛状 况。
揭露了一种用于确定铁路系统的松弛状况的计算机程序产品。该计算机 程序产品包括计算机可用介质，该介质具有包括在该介质中的计算机可读程 序代码模块，用于确定松弛状况。还提供了用于确定铁路系统操作参数的第 一计算机可读程序代码模块，和用于根据该操作参数确定等价坡度的第二计 算机可读程序代码模块。还提供第三计算机可读程序代码模块，用于确定铁 路系统正通过的实际轨道坡度。还揭露了第四计算机可读程序代码模块，用 于根据等价坡度和实际轨道坡度确定松弛状况。
在另一实施例中，揭露了一种用于确定铁路系统的系统内的力的计算机 程序产品。提供了计算机可用介质，其具有包括在该介质中用于确定系统内 的力的计算机可读程序代码模块。还包括第一计算机可读程序代码模块，用 于确定先前施加的牵引力和制动力，和包括第二计算机可读程序代码模块， 用于响应先前施加的牵引力或制动力确定整个铁路系统或铁路系统段的松 弛状况。
在另一实施例中，揭露了一种计算机程序产品，用于确定铁路系统的系 统内的力，其中铁路系统具有一个或多个动力车辆和多个有轨车箱。该计算 机程序产品包括计算机可用介质，其具有包括在该介质中的用于确定系统内 的力的计算机可读程序代码模块。还揭露了第一计算机可读程序代码模块， 用于在第一时间和第二时间确定两个车辆之间、车辆和有轨车箱之间或两个 有轨车箱的距离，和第二计算机程序代码模块，用于响应确定的两个车辆之 间、车辆和有轨车箱之间或两个有轨车箱的距离来确定整个铁路系统或铁路 系统段的松弛状况。
还揭露了一种计算机程序产品，用于确定铁路系统的松弛状况，其中铁 路系统具有一个或多个车辆和有轨车箱，相邻车辆和有轨车箱以及相邻有轨 车箱被车钩连接。该计算机程序产品包括计算机可用介质，其具有包括在该 介质中用于确定松弛状况的计算机可读程序代码模块。还揭露了第一计算机 可读程序代码模块，用于确定施加在车钩上的力的符号，和第二计算机可读 程序代码模块，用于根据力的符号确定车钩的松弛状况。
一种计算机程序产品，用于确定铁路系统的车钩松弛状况，其中铁路系 统具有一个或多个车辆和有轨车箱，相邻一个或多个动力车辆和有轨车箱被 车钩连接。该计算机程序产品包括计算机可用介质，其具有包括在该介质中 用于确定松弛状况的计算机可读程序代码模块。还揭露了第一计算机可读程 序代码模块，用于确定列车的一个或多个有轨车箱的自然加速度，第二计算 机可读程序代码模块，用于确定列车的共同加速度，和第三计算机可读程序 代码模块，用于确定有轨车箱的自然加速度和共同加速度之间的关系，其中 该关系表示有轨车箱的松弛状况。
还揭露了一种计算机程序产品，用于确定铁路系统的松弛状况，其中该 铁路系统具有一个或多个动力车辆和有轨车箱，相邻一个或多个车辆和有轨 车箱被车钩连接。该计算机程序产品包括计算机可用介质，其具有包括在该 介质中用于确定车钩状况的计算机可读程序代码模块。还揭露了第一计算机 可读程序代码模块，用于确定一个车辆或一个有轨车箱经受的加速度的或者 速度的变化速率。还揭露了第二计算机可读程序代码模块，用于确定该变化 速率是否响应一个车辆所施加的牵引力或制动力。还提供了第三计算机可读 程序代码模块，用于如果所述变化速率不响应由一个车辆施加的牵引力或制 动力时，确定车钩状况。
在另一实施例中，揭露了一种计算机程序产品，用于控制铁路系统。该 产品具有计算机可用介质，其具有包括在该介质中用于确定轨道段上的先前 施加的牵引力和制动力的计算机可读程序代码模块。还提供计算机可用介 质，其具有包括在介质中的计算机可读程序代码模块，用于响应先前施加的 牵引力和或制动力确定轨道段松弛状况。而且，还揭露了计算机可用介质， 其具有包括在介质中的计算机可读程序代码模块，用于根据确定的轨道段上 先前施加的牵引力或制动力来控制后来通过该轨道段的铁路系统。
还揭露了一种用于确定铁路系统的车钩状况的计算机程序产品。该铁路 系统具有一个或多个动力车辆和有轨车箱，相邻一个或多个车辆和有轨车箱 被车钩连接。该产品具有计算机可用介质，其具有包括在该介质中的计算机 可读程序代码模块，用于确定一个车辆或一个有轨车箱经受的加速度的变化 速率或者速度的变化速率。还提供了计算机可用介质，其具有包括在介质中 的计算机可读程序代码模块，用于确定所述变化速率是否响应由一个车辆施 加的牵引力或制动力。此外，还揭露了计算机可用介质，其具有包括在介质 中的计算机可读程序代码模块，用于如果所述变化速率不响应由一个车辆施 加的牵引力或制动力时，确定车钩状况。
揭露了用于操作铁路系统的计算机程序产品，其中该铁路系统具有先导 车辆组、非先导车辆组和有轨车箱。该计算机程序产品包括计算机可用介质， 其具有包括在该介质中的用于确定铁路系统段的松弛状况的计算机可读程 序代码模块，其中该段用节点描述。还提供了计算机可用介质，其具有包括 在介质中的计算机可读程序代码模块，用于控制铁路系统、先导车辆组和非 先导车辆组中的至少一个的牵引力或制动力的施加。
附图说明
通过参考附图中所示的特殊实施例，将对本发明的实施例进行更详细的 描述。应理解，这些附图仅描述的本发明的典型实施例，且不被认为是发明 范围的限制，通过利用所附的附图，将对本发明进行额外详细和具体的描述， 其中：
图1和图2图形地描述了铁路列车的松弛状况；
图3和图4描述了根据本发明的不同实施例的松弛状况显示；
图5是图形地描述了基于松弛状况的加速和减速极限；
图6示出了与铁路列车相关联的多种松弛状况；
图7示出了用于确定松弛状况和响应该状况来控制列车的系统的方框 图；
图8A和8B示出了铁路列车的车钩力；
图9示出了施加在有轨车箱上的力；
图10图形地显示了作为时间函数的用于铁路列车的最小和最大自然有 轨车箱加速度；
图11和图12图形地显示了分布式动力列车的松弛状况；
图13示出了用于确定反应冲击状况(reactive jerk condition)的元件的 方框图；
图14示出了用于确定松弛状况的参数，包括跑进(run-in)和跑出 (run-out)状况。

将详细参考与本发明的各方面一致的实施例，其例子在附图中示出。如 果可能，整个附图中使用的相同的参考标号表示相同或相似的部件。
本发明的实施例通过提供用于限制铁路系统的列车内的力的系统、方法 和计算机实现方法来解决本领域内的一些问题，该铁路系统在各种应用中包 括机车组、道路维护车辆和多个有轨车箱。本发明还可用于列车，包括多个 分布式机车组，称为分布式动力列车，典型地包括先导组(lead consist)和一 个或多个非先导组。
本领域技术人员将认识到，诸如包括CPU、存储器、I/O、程序存储、 连接总线和其它适当的元件的数据处理系统这样的装置可被规划或设计，以 便于实践本发明实施例的方法。这样的系统包括用于执行这些实施例的适当 的程序装置(program means)。
在另一实施例中，用于数据处理系统的诸如事先记录的盘或其它类似的 计算机程序产品这样的制造物品包括存储介质和记录在其上的程序，该程序 用于指导数据处理系统，以便于实施本发明实施例的方法。这样的装置和制 造物品也落入这些实施例的范围和精神内。
揭露的发明实施例提供用于测定松弛状况和/或定量/定性地测定列车内 的力、以及响应其来控制铁路系统以限制这些列车内的力的方法、装置和程 序。为了便于理解本发明的实施例，它们在下文中参考其具体实现予以描述。
根据一个实施例，本发明在诸如由计算机执行的程序模块这样的计算机 可执行指令的一般背景中予以描述。通常，程序模块包括例行程序(routine)、 程序(program)、对象、组件、数据结构等，其执行特定任务或实现特定的 抽象数据类型。例如，本发明的实施例的软件程序可以不同的语言编码，用 于不同的处理平台。然而，将认识到，这些实施例的原理也可用其它类型的 计算机软件技术实现。
而且，本领域技术人员将认识到，本发明的实施例可利用其它计算机系 统构造来实施，包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器或可编程消费 电子产品、微型计算机、大型计算机等。本发明的实施例还可在分布计算环 境中实施，其中任务是通过利用通讯网络链接的远程处理设备执行的。在分 布计算环境中，程序模块可位于包括记忆存储设备的本地或远程计算机存储 介质中。这些本地或远程计算环境可被全部包括在机车内、列车的其它机车 内、相关的有轨车箱内、或车外路边或中央办公室，其中在不同的计算环境 之间设置了无线通讯。
术语“机车”可包括(1)一个机车或(2)多个接连的机车(称为机车 组)，连接在一起以提供驱动和/或制动能力，这些机车之间没有有轨车箱。 列车可包括一个或多个这样的机车组。特别地，它们可以是先导组和一个或 多个远程(或非先导)组，譬如在一列有轨车箱的中间的第一非先导(远程) 组和在列车尾部(end-of-train)处的远程组。每个机车组可具有第一或先导 机车和一个或多个尾随机车(trailing locomotive)。尽管组通常被认为是接 连地连接的机车，本领域技术人员认识到，一组机车也可被认为是甚至具有 至少一个隔离机车的有轨车箱的组，例如当该组被构造用于分布式动力操作 时，其中油门和制动命令通过无线电链接或物理电缆从先导机车传递到远程 尾随机车。在这方面，当讨论同一列车内的多个机车时，术语机车组不被认 为是限制因素。
现在参考附图，本发明的实施例将被描述。本发明的各个实施例可以多 种方式实施，包括作为系统(包括计算机处理系统)、方法(包括计算机化 的方法)、装置、计算机可读介质、计算机程序产品、包括网络入口的图形 用户界面、或确实地固定在计算机可读存储器内的数据结构。各种实施例的 多个实施例在下文中描述。
两个相邻的铁路有轨车箱或机车可通过连接到每个有轨车箱或机车的 关节车钩(knuckle coupler)而被连接。通常，关节车钩包括四个元件：铸 钢车钩头、铰接爪或可相对于所述头旋转的“关节”(knuckle)、铰链销、锁 定销，其中所述关节在连接或分开过程中绕该铰链销旋转。当一个或两个车 钩上的锁定销向上移动离开车钩头时，锁定的关节旋转到打开或释放位置， 有效地分开两个有轨车箱/机车。施加分离力到一个或两个有轨车箱/机车完 成该分开过程。
当连接两个有轨车箱时，至少一个关节必须处于打开位置，以接收另一 有轨车箱的爪或关节。两个有轨车箱朝向彼此移动。当车钩配合时，打开的 车钩的爪闭合，且响应地，重力式锁定销自动落入适当的位置，以在闭合位 置锁定该爪，且由此锁定关闭的车钩，以连接这两个有轨车箱。
即使当连接和锁定时，由于两个车钩的相互作用的弹簧状的力和由于配 合的爪或关节之间的开放间隔，两个连接的有轨车箱之间的距离可增加或减 小。当连接时车钩可借此移动分开的距离被称为延长距离或车钩松弛，且可 以是每车钩4到6英寸。当两个连接的有轨车箱之间的距离约为两个链接的 车钩的松弛允许的最大分开距离时，发生拉伸的松弛状况。当两个相邻有轨 车箱之间的距离约为两个连接的车钩之间的松弛允许的最小分开距离时，发 生聚拢(bunched)(压缩)的状况。
如已知的，列车操作者(如辅助操作列车的人类列车司机、不用或利用 最小的操作者干涉而操作列车的自动列车控制系统、或提供建议的列车控制 系统，其建议操作者实施列车控制操作同时允许操作者进行关于是否应按建 议控制列车的独立判断)通过移动油门手柄(throttle handle)到较高的档 位来增加响应列车指令的马力/速度，和通过移动油门手柄到较低的档位或通 过实施列车制动(列车动力制动、独立空气制动或列车孔子制动)来减少马 力/速度。这些操作者的动作中的任一个、以及列车动力和轨道形状(track profile)可影响列车的总体松弛状况和任意两个连接的车钩之间的松弛状况。
当这里提到时，牵引力还包括制动力，且制动力还包括由机车动力制动 (dynamic brake)、机车独立制动和整个列车的空气制动的施加而造成的制 动作用。
由施加牵引力(TE)或制动力(BE)而控制的列车内的力在拉伸的松 弛状态称为车钩和牵引装置上的拖拉力(拖力或拉力)，且在聚拢或压缩的 松弛状况中称为缓冲力(buffforce)。牵引装置包括力吸收元件，其在车钩 和该车钩所连接的有轨车箱之间传递拖拉力或缓冲力。
图1状态图描述了三个断续的松弛状态：拉伸状态300、中间状态302 和聚拢状态304。如这里所述，这些状态之间的转换用箭头表示并被称为转 换“T”，其中“T”具有表示先前状态和新状态的下标。
状态转换由牵引力(其趋于拉伸列车)，制动力(其趋于聚拢列车)或 可导致跑进或跑出的地形变化导致。列车的拉伸(跑出)速率依赖于牵引力 被施加的速率，其以马力/秒或档位改变/秒测量。例如，牵引力被施加，以 沿转换T10从中间状态(1)移动到拉伸状态(0)。对于在列车组中包括与先 导机车隔开的远程机车的分布式动力列车，任一机车施加的牵引力趋于拉伸 跟随该机车的有轨车箱(关于行进方向)。
通常，当列车最初被发动时，初始的车钩松弛状态未知。但是当列车响 应牵引力的施加而移动时，状态可被确定。进入中间状态(1)的转换T1描 述了发动的情景。
列车的聚拢(跑进)速率依赖于施加的制动力，该制动力由动力制动、 机车独立制动和列车空气制动的施加而确定。
中间状态302不是期望的状态。拉伸状态是优选的，因为当列车被拉伸 时列车最容易操作，尽管操作者可适应聚拢状态。
图1的状态机(state machine)可代表整个列车或列车段(如分布式动 力列车的前30％或列车的段被两个间隔开的机车组聚拢)。多个独立状态机 可每个都描述不同的列车段，每个状态机包括多个如图1所示的松弛状态。 例如，分布式动力列车或推动机(pusher)操作可通过代表多个列车段的多 个状态机描述，例如每个段由列车内的一个机车组来限定。
作为图1表示的断续态的替换，图2描述了表示从拉伸状态通过中间状 态到聚拢状态的连续的松弛状态的曲线318，每个状态大致如图所示。图2 曲线比图1的状态图更准确地描述了松弛状态，因为对于如图1可能提出的 断续的拉伸、中间和聚拢状态没有统一的定义。当在此处使用时，术语松弛 状态指图1中所示的断续松弛状态或图2所示的连续松弛状态。
如同图1，图2表示的松弛状态可表示整个列车或列车段的松弛状态。 在一个例子中，这些段被机车组和列车尾部设备聚拢。特别关注的一个列车 段包括先导组紧后面的有轨车箱，那里的总力，包括稳定状态和松弛引起的 瞬态力，倾向于最高。类似地，对于分布式动力列车，关注的特殊段是那些 非先导机车组的紧后面和紧前面的有轨车箱。
为了避免车钩和列车的损坏，当施加TE或BE时，列车的松弛状况可 被考虑。松弛状况指当前的松弛状况、从先前时间或轨道位置到当前时间或 当前轨道位置的松弛状况的改变、和当前或实时松弛转换(如，列车当前正 经历跑进或跑出松弛转换)中的一个或多个。实时松弛转换的变化的速率还 可影响TE和BE的施加，以确保正确的列车操作和使损坏可能性最小化。
优选的TE和BE可通过控制元件/控制功能被施加到列车，包括，但不 限制于操作者手动操纵控制器、自动控制系统自动地或通过操作者响应咨询 控制系统产生的建议性的控制建议手动控制。典型地，自动列车控制系统实 施列车控制动作(和建议控制系统建议供操作者考虑的列车控制动作)，以 优化列车性能参数，例如燃油消耗。
在另一实施例中，操作者可忽略(override)响应确定的松弛状况或松 弛事件的期望的控制策略并控制列车，或使自动控制系统根据该忽略的信息 控制列车。例如，当供给该系统用来确定松弛状况的列车载货信息不正确时， 或当另一不一致确定不准确的松弛状况时，操作者可控制(或使自动控制系 统控制)列车。操作者还可忽略自动控制，包括在跑进或跑出状况中忽略。
在手动操作期间或自动控制系统存在和起作用时，确定的松弛状况或当 前松弛状况可显示给操作者。许多不同的显示形式和格式可被使用，依赖于 确定的松弛状况的性质。例如，如果仅三个断续松弛状态被确定，简单的文 本框可被显示，以提示操作者确定的状态。如果多个松弛状态被识别时，显 示可被相应地修改。对于确定连续松弛状态的系统，显示器可出现被拉伸或 聚拢的车厢的百分数或数量或总重量。类似地，许多不同的图形描述可被使 用，以显示或表示松弛状况信息。例如具有基于松弛状况的各种颜色指示的 活动条(animated bars)(即，那些拉伸超过80％的车钩用绿条表示)。整 个个列车的表示可被呈现且松弛状况(见图3)或松弛状况的改变(松弛事 件)(见图4)可在其上描述。
用于供此处描述的装置和方法确定松弛状况的列车特征参数(如有轨车 箱的质量、质量分布)可通过列车载货单或其它本领域已知的技术提供。操 作者也可提供列车特征参数，忽略或补充先前提供的信息，以根据本发明的 实施例确定松弛状况。操作者还可输入松弛状况，供控制元件在施加TE和 BE中使用。
当列车被完全拉伸时，额外的牵引力可被沿一方向以相对较高的速率施 加，以增加列车速度(即较大的加速度)而不损坏车钩，因为在连接的车钩 之间仅有很小的相对运动。任意这样引起的额外瞬态车钩力远远小于由于增 加的牵引力和轨道坡度变化造成的预期的稳态力。但是当在拉伸状况中，列 车的前端部的牵引力的大大减少时、过大制动力的施加或以制动力以过大的 速率的施加可突然减小连接的车钩之间的松弛。作用在连接的车钩上的合力 可破坏该车钩，导致有轨车箱碰撞或列车出轨。
当大体压缩的列车通过牵引力的作用而被拉伸(称为跑出)，连接相邻 有轨车箱的车钩由于两个有轨车箱(或机车)移动分离而移动分离。由于列 车被拉伸，当它们从聚拢状态转换到拉伸状态时，相对较大的瞬态力产生在 连接的车钩之间。即使在相对较慢的每小时一或二英里的列车速度下，也可 产生能破坏连接系统或打断连接的车钩的所述列车内的力。由此在松弛跑出 期间，如果列车没有完全拉伸，则必须限制由牵引力的施加而产生的力。
当列车被完全聚拢时，额外的制动力(通过机车动力制动或独立制动的 操作)或推进力的减少可以相对较高的速率实施，而不会破坏车钩、牵引装 置或有轨车箱。但是过大牵引力的施加或这样的力的以过大速率的施加可产 生较高的瞬态车钩力，其导致相邻有轨车箱快速移动分离并改变车钩的松弛 状况，导致可能破坏车钩、车钩系统、牵引装置或有轨车箱。
当通过施加制动力或通过把油门移动到较低的档位而大大降低列车速 度时，大体拉伸的列车被压缩(称为跑进)时，连接两个相邻车厢的车钩移 动到一起。过大的车钩闭合速率可破坏车钩、破坏有轨车箱或使列车出轨。 由此在松弛跑进期间，如果列车没有完全聚拢，则必须限制由制动力的施加 而产生的力。
如果操作者(人类操作者或自动控制系统)知道当前松弛状况(例如， 是人类操作者时，通过观察如上所述的松弛状况显示)，则可以通过指定适 当水平的牵引力或制动力来控制列车以按照期望保持或改变松弛状况。制动 列车趋于引起松弛跑进，而加速列车趋向于引起松弛跑出。例如，如果需要 转换到聚拢状况时，操作者可移动到较低的档位或施加制动力于前端部，以 比其自然加速度小的速率使列车的速度减慢。该自然加速度是当没有外力 (除了重力)作用在其上时的有轨车箱的加速度。当第i+1和第i-1个有轨 车箱都不施加任何力在其上时，第i个有轨车箱处于自然加速状态。该概念 将参考图9和相关文字进一步描述。
如果松弛跑进或跑出在没有操作者动作的情况下发生，例如当列车下山 时，如果需要操作者可抵消这些作用，通过适当地施加较高的牵引力来抵消 跑进或施加制动力或降低牵引力来抵消跑出。
图5图形地显示了牵引力(加速列车)和制动力(减速列车)的施加的 极限，其为沿拉伸和压缩之间的连续松弛状况的松弛状态的函数。当松弛状 况趋向压缩状态时，可接受的加速力的范围减小，以避免施加过分的力在车 钩上，但是可接收的减速力增加。当松弛状况趋向拉伸状况时，存在相反的 情况。
图6示出了对于列车400的列车段松弛状态。机车组402紧后面的有轨 车箱401处于第一松弛状态(SS1)，且机车组404紧后面的有轨车箱408处 于第二松弛状态(SS2)。总松弛状态(SS1和SS2)包括松弛状态SS1和SS2， 且机车组404的松弛状态也被示出。
如图1中所示的断续松弛状态或图2的曲线318上的松弛状况包括一定 程度的不确定性，其依赖于用来确定松弛状态/状况而使用的方法和与这些方 法相关的实际局限性。
本发明的一个实施例测定、推断或预测整个列车的松弛状况，即充分拉 伸的、充分聚拢的或处于中间状态，包括任意数量的中间断续状态或连续状 态。本发明的实施例还可确定列车的任意段的松弛状况。本发明的实施例还 检测(和给操作者提供相关信息)松弛跑进(从拉伸到聚拢的快速松弛状况 变化)和松弛跑进(从聚拢到拉伸的快速松弛状况变化)，包括可能造成列 车损坏的跑进和跑出情形。这些方法在下面描述。
响应确定的松弛状况，列车操作者控制列车操作，以在车钩失效时遏制 (contain)可破坏车钩和导致列车断开的所述列车内的力，同时还最大化列 车性能。为了改善操作效率，当列车被聚拢时操作者可施加较高的减速速度， 在列车被拉伸时相反施加较高的加速速度。然而，不管松弛状况如何，操作 者必须执行用于正确的列车操作的最大预定加速和减速极限(即，施加牵引 力且相应的速度增加，和施加制动力且相应的速度降低)，。
本发明的不同实施例包括不同的过程且使用不同的参数和信息，用来确 定、推断或预测松弛状态/状况，包括瞬态松弛状况和稳态松弛状况。本领域 技术人员将认识到，瞬态松弛状况还可意味着变化的速率，松弛转变点以该 速率通过列车。可用于确定、推断或预测松弛状况的输入参数，包括但不限 制于分布式列车重量、轨道形状、轨道坡度、环境状况(如轨道摩擦力、风)、 施加的牵引力、施加的制动力、制动管压力、历史牵引力、历史制动力、沿 列车在任一点测量的列车速度/加速度和有轨车箱特性。松弛状况变化的时间 速率(瞬态松弛状况)或松弛状况通过列车的速率也可与这些参数中的一个 或多个相关。
松弛状况还可根据各种列车操作事件被确定、推断或预测，这些事件例 如是施撒沙子到轨道、隔离机车和轮缘润滑位置(flange lube location)。由 于松弛状况不必对于所有列车有轨车箱在每时每刻相同，对于单独的有轨车 箱或用于列车中的一段有轨车箱，松弛可被确定、推断或预测。
图7大致示出了信息和各种参数，其可根据本发明的实施例使用，以确 定、推断或预测松弛状况，如下面所述。
先验信息包括行程计划(优选优化的行程计划)包括速度和/或动力(牵 引力(TE)/制动力(BE))轨迹，其用于已知轨道段内的列车行程段。假设 列车遵从该行程计划，基于计划的即将实施的制动和牵引力以及轨道和列车 的物理特性(如质量、质量分布、阻力)，在行程开始前或在途中，要行进 的轨道的任一点处的松弛状况可被预测或推断。
在一个实施例中，本发明的一个实施例的系统可进一步为操作者显示希 望发生较少列车操作的任意情形，例如当预测到快速松弛状态转换时。该显 示可采取各种形式，包括到下一重要松弛转换的距离/时间、滚动图上的注释 和其它形式。
在本发明的一个实施例在列车控制系统上的示例性实施中，列车控制系 统计划列车行程且控制列车的运动，以优化列车性能(例如基于确定的、预 测的或推断的列车特性和轨道形状)，对于整个列车行程，先验信息足以确 定列车的松弛状况。任一人类操作者发起的从优化的行程计划的改变可改变 沿该行程的任意给定点处的列车的松弛状况。
在计划先验的行程期间，实时操作参数可以与计划的行程中所假定的不 同。例如，列车遇到的风阻可能大于预期的或轨道摩擦力可能小于假定。当 行程计划建议期望的速度轨迹(speed trajectory)，但由于这些非预期的操 作参数造成速度从计划轨迹变化时，操作者(包括人类操作者手动控制列车 和自动列车控制系统)可修改施加的TE/BE，以使列车速度返回到计划的列 车速度。如果实际列车速度沿着计划的速度轨迹，则实时松弛状况将保持不 从基于先验行程计划的预测松弛状况变化。
在自动列车控制系统命令实施TE/BE以执行行程计划的应用中，与控制 系统协同操作的闭环调节器接收表示操作参数的数据，把实时参数与设计的 行程中假设的参数值比较，且响应假设的参数和实时参数之间的差异，修改 TE/BE实施，以产生新的行程计划。松弛状况基于新的行程计划和操作状况 而被预先确定。
车钩信息，包括车钩类型和安装车钩的有轨车箱类型、最大能承受的车 钩力和车钩死区(dead band)，可被用于确定、预测或推断松弛状况。特别 地，该信息可被用于确定从第一松弛状态转换到第二松弛状态的阈值，用于 确定、预测或推断与松弛状态相关的可信度，用于选择施加TE/BE的变化速 率，和/或用于确定可接收的加速极限。该信息可从列车构造获得，或者可初 始假定车钩状态并在行程中如下面所述地获得车钩特性。
在另一实施例中，用于确定车钩状态的信息可由操作者经由人机界面 (HMI)提供。HMI提供的信息可被构造，以忽略任意假定的参数。例如， 操作者可能知道，由于负荷和/或车钩的要求，特殊的列车/行程/轨道要求比 正常更平稳的操作，从而可能因此选择“灵敏度系数”用于列车控制中。该 灵敏度系数被用于修正阈值极限和TE/BE可允许的变化速率。替换地，操作 者可指定车钩强度值或其它车钩特性，TE/BE可由此而被确定。
在行程期间，基于列车的当前状态(如松弛状况、位置、动力、速度和 加速度)、列车特性、到前方轨道位置的先验速度轨迹(如将被自动列车控 制系统指令的或有列车操作者预测的)和列车特性，可预测在未来时间或在 前方轨道位置的松弛状况。沿已知的轨道段的点处的车钩松弛状况可以被预 测，假定牵引力和制动力根据行程计划而施加，和/或假定速度根据行程计划 被维持。基于提议的行程计划、松弛状况确定、预测或推断和允许施加的 TE/BE变化，该计划可在行程开始前被修正(或在行程期间被预测)，以基 于先验的确定产生可接受的力。
列车控制信息，例如当前和历史油门和制动的施加，其影响松弛状况并 可被用于确定、预测或推断与轨道形状和列车特性相关的当前松弛状态。历 史数据也可被用于在行程期间在特定位置限制计划的力的变化。
列车中的机车组之间的距离可从每个组的地理位置信息(例如根据每组 至少一个机车上的车载GPS定位系统，或基于轨道的定位系统)直接确定。 如果压缩和拉伸的列车长度已知，机车组之间的距离直接表示组之间的总 (平均)松弛状况。对于具有多个机车组的列车，连续的机车组之间的每段 的总松弛状况可这样确定。如果车钩信息(如车钩弹簧常数和松弛)先验不 知，综合特性可基于稳定状态牵引力和作为时间函数的组之间的距离而推 断。
任一机车组和列车尾部设备之间的距离也可从位置信息(如从GPS定 位系统或基于轨道的定位系统)被确定、预测或推断。如果压缩和拉伸的列 车长度已知，机车组和列车尾部设备之间的距离直接表示松弛状况。对于具 有多个机车组的列车，基于位置信息，列车尾部设备和每个机车组之间的多 个松弛状态可被确定、预测或推断。如果车钩特性先验未知，综合特性可根 据稳定状态牵引力以及先导组和列车尾部设备之间的距离推断。
有轨车箱和机车的先前的和当前位置信息可被用于确定在重要区间中 列车中的两个点之间的距离是否已增加或减少，且由此表示松弛状况在该区 间是否已趋于拉伸或压缩状态。对于远程或非先导组中的先导或尾随机车， 对于分布式动力列车中的远程机车和对于列车尾部设备，位置信息可被确 定。对于被这些组或列车尾部设备聚拢的任意列车段，松弛状况的变化可被 确定。
基于当前轨道形状、当前位置(包括所有有轨车箱)、当前速度/加速度 和牵引力，当前松弛状况也可被实时确定、预测或推断。例如，如果列车已 经以比其自然加速度高的速率加速，则列车被拉伸。
如果当前松弛状况已知，且希望在行程中的后来的时间达到特定的松弛 状况，操作者可控制牵引力和制动力，以获得期望的松弛状况。
根据本发明的各种实施例，当前松弛动作事件，即列车正经历松弛状况 的变化，例如压缩和拉伸(跑进/跑出)之间的转换，当其发生时，该松弛动 作事件也可被检测。在一个实施例中，松驰事件可被确定，而不管轨道形状、 当前位置和过去的松弛状况。例如，如果在机车/组速度在没有牵引力和制动 力的相应变化的情况下突然变化，则可假定作用在机车或机车组上的外力导 致松驰事件。
根据其它实施例，来自其它机车的信息(包括先导机车组中的尾随机车 和分布式动力列车中的远程机车)提供位置/距离信息(如上所述)、速度和 加速度信息(如下所述)，以确定、预测和推断松弛状况。而且，列车上的 (例如列车尾部设备)和靠近轨道的(例如路边传感器)各种传感器和设备 可被用于提供信息，松弛状况可根据这些信息而被确定、预测或推断。
当前的和未来的列车力，侧量的或从根据预定行程计划的列车操作中预 测的，可被用于确定、预测或推断当前的和未来的车钩状态。力的计算或预 测可限于列车前面的多个车厢，在那里由于尾随有轨车箱的动量，牵引力和 制动力可建立最大车钩力。这些力还可被用于确定、预测或推断整个列车或 列车段的当前和未来的松弛状态。
下面将描述用于计算车钩力和/或推断或预测车钩状况的几种方法。两个 连接的车钩互相施加的力可根据单独的车钩力和根据连接的车钩的力确定 的松弛状况确定。使用该技术，整个列车或列车段的松弛状况可被确定、预 测或推断。
通常，有轨车箱经受的力依赖于前端的机车(和列车中的任意远程机车 组)施加的力(牵引力或制动力)、车厢质量、车厢阻力、轨道形状和空气 制动力。任一有轨车箱上的合力是沿行进方向的车钩力、与行进方向相反的 车钩力和也与行进方向相反的阻力(轨道坡度、车厢速度和任意当前空气制 动施加的力的函数)的矢量和。
此外，车钩力变化的方向和速率表示当前松弛状况(到更被拉伸或到更 被聚拢状态或状态之间的转换)的变化(转换)，和表示松弛事件，其中列 车(或列车的段)从当前聚拢状态转换到拉伸状态或相反。车钩力的变化的 速率和初始条件表示迫近的松弛事件将要发生的时间。
有轨车箱的车钩力是连接的有轨车箱之间的正向和背向相对运动的函 数。两个相邻的有轨车箱上的力表示连接两个有轨车箱的车钩的松弛状况。 列车中的多对相邻有轨车箱的力表示整个列车的松弛状况。
图9中所示的示例性的有轨车箱500(列车的第i个有轨车箱)受到多 个力，其可被合并为三个力：Fi+1(第i+1个有轨车箱施加的力)、Fi-1(第i-1 个有轨车箱施加的力)和Ri，如图9所示。根据这些力的符号，松弛状况被 被确定、推断或预测，且根据这些力的幅度，列车或列车段被拉伸或聚拢的 程度可被确定、推断或预测。这些力由下面的公式描述。
∑Fi＝Miai            (1)
Fi+1-Fi-1-Ri(θi，vi)＝Miai   (2)
第i个车厢的阻力Ri是坡度、有轨车箱的速度和空气制动(air brake) 系统控制的制动力的函数。阻力函数可被近似为：
$R_i({\theta }_i,v_i)=M_{i}g\sin \left({\theta }_i\right)+A+{\mathrm{Bv}}_i+C{v}_i^2+\mathrm{airbrake}({\mathrm{BP}}_i,{\mathrm{BP}}_i^{\prime },v_i,...)---\left(3\right)$
其中
Ri是第i个车厢的总阻力，
Mi是第i个车厢的质量，
g是重力加速度，
θi是对于第i个车厢在图9中所示的角度，
vi是第i个车厢的速度，
A、B和C是戴维斯拽力系数(drag coefficient)，且
BP是制动管压力(其中三个椭圆表示其它影响空气制动减速力的参数， 如制动衬垫状况、制动效率、铁轨状况(铁轨润滑等)、车轮直径、制动几 何(brake geometry))。
车钩力Fi+1和Fi-1是相邻有轨车箱之间的相对运动的函数，由下面两个公 式所定义。
Fi+1＝f(di，i+1，vi，i+1，ai，i+1，H.O.T.)(4)
Fi-1＝f(di，i-1，vi，i-1，ai，i-1，H.O.T.)(5)
如已知，除了所示的距离、速度和加速度，在另一实施例中，该函数可 包括阻尼效应和其它高次项(H.O.T)。
根据本发明的一个实施例，使用力估计方法根据力Fi+1，Fi-1和Ri来确 定、预测或推断列车的松弛状况。该方法利用列车质量分布、车厢长度、戴 维斯系数、车钩力特性、机车速度、机车牵引力和轨道形状(曲线和坡度)、 风力、拽力、轴阻力、轨道状况等，如公式(3)、(4)和(5)所示，来为 列车建模并确定车钩力。由于在力的计算中，某些参数可被估计，而其它可 被忽略(特别是具有较小或可忽略作用的参数)，得到的数值被认为是在一 定置信区内的力的估计值。
该技术的一个示例性说明在图8A和8B中示出，其中图8A示出了处于 聚拢状态的列车432的段430，和处于拉伸状态的段434。聚拢状态或拉伸 状态的指示在图8B的图中示出，其中向下的箭头438表示聚拢状态(负车 钩力)，而向上的箭头439表示拉伸状态(正车钩力)。松弛变化事件出现在 零交叉点440处。
双箭头444表示并用虚线446和448界定的置信范围是用于确定、预测 或推断沿列车的松弛状况的方法和参数的不确定度的函数。与松弛转换点 440相关的置信度用水平箭头442表示。
列车控制系统可连续地监控机车组450的加速度和/或速度，且把其一个 或两个与计算的加速度/速度比较(根据已知的参数，例如轨道坡度、TE、 拽力、速度等)，以确定、推断或预测已知参数的准确度，且由此确定、预 测或推断与车钩力和松弛状况相关的不确定度的程度。置信区间也可基于轨 道形状(例如轨道坡度)、松驰事件的幅度和位置的改变。
代替如上所述的车钩力的计算，在另一实施例中，作用在两个连接的有 轨车箱上的力的符号被确定、预测或推断，松弛状况由此确定。即，如果施 加在第一有轨车箱的前车钩上的力为正(即该力沿行进方向)且施加在连接 到第一有轨车箱的前部的第二有轨车箱的后车钩上的力为负(即沿与行进方 向相反的方向)，两个有轨车箱之间的松弛状况是拉伸。当两个车钩力沿上 述的相反方向时，两个有轨车箱被聚拢。如果所有有轨车箱和机车被聚拢(拉 伸)，则列车被聚拢(拉伸)。上述的力估计技术可被用于确定、预测或推断 车钩力的符号。
车钩力幅度和车钩力的符号都可被用于确定、推断或预测整个列车或列 车的段的当前松弛状态。例如，车钩力F>0处的某列车段可处于拉伸状态， 而F<0处的其它段可处于压缩状态。基于平均车钩力的相对幅度，还可以确 定、推断或预测整个列车或列车的段的连续松弛状况。
确定车钩力的变化(如对于单个车钩的变化速率或关于两个或多个车钩 上的距离的变化)可提供有用的列车控制信息。作为时间的函数的单个车钩 上的力的变化速率表示迫近的松驰事件。变化的速率越高，松弛状况沿列车 传播的越快(跑进或跑出事件)。车钩力关于距离的变化表示发生松弛事件 的激烈度(及车钩力的幅度)。
迫近的松驰事件的可能性、当前松弛跑进或跑出事件和/或当前松驰事件 的激烈度可被显示给操作者，具有或没有该事件的位置的指示。例如，上述 的HMI可显示车厢号63附近的松驰事件具有激烈度(severity rating)7。该 松驰事件信息还可被以如图4所示的图形格式显示。松驰事件的图形指示可 利用绝对距离、车厢号、相对(百分比)距离、从某参考点的绝对吨位(如 机车组)、或相对(百分比)吨位表示，且可根据激烈度和/或趋势编排格式 (颜色指示、闪烁等)。
此外，关于当前松驰事件的趋势的额外信息可被显示，以告知操作者该 情形在改善或恶化。该系统还可在上述的一定置信区内预测增加或降低当前 的档指令的效果。因此，给予操作者如果采取特定换档动作，可预期的趋势 的指示。
松驰事件的位置、位置趋势和车钩力的幅度也可通过力估计方法而被确 定、预测或推断。对于单组列车，松驰事件沿朝向列车后部的方向显著下降， 因为在松驰事件的后方总车厢质量下降，且因此松驰事件的影响被减少。然 而，对于包括多个组(及先导组和非先导组)的列车，特定列车位置的松驰 事件的显著性由于到松驰事件的绝对距离增加而下降。例如，如果远程组处 于列车的中部，相对于居中的远程组，靠近前部和中部的松驰事件是显著的 松驰事件，当离列车的后部四分之三距离和列车尾部的松驰事件没有这样显 著。松驰事件的显著性可以是距离的唯一(solely)函数，或在另一实施例 中，替代地该确定通过分析松驰事件和组之间的质量、或总列车质量和松驰 事件和组之间的质量的比例而合并列车重量分布。该吨位的趋势还可被用于 表示当前状态。
通过确定列车的先导机车加速度和自然加速度，车钩力符号也可被确 定、预测或推断，如下文所述。
公式(4)和(5)中建立的车钩力函数仅分段连续，因为每个包括死区 或无效区，在该处当紧邻所关注有轨车箱的有轨车箱没有施加任何力到所关 注车厢上时，力为零。即，没有力被其余列车，特别是被(第i+1个)有轨 车箱和(第i-1个)有轨车箱传递给第i个车厢。在死区区域，车厢的自然 加速度可根据车厢阻力和车厢质量确定、预测或推断，因为有轨车箱在轨道 上独立滚动。用于确定、预测或推断松弛状况的自然加速度方法避免如在上 述力估计方法中那样计算车钩力。相关公式为
-Ri(θi，vi)＝Miai (6)
$a_i=\frac{-R_i({\theta }_i,v_i)}{M_i}---\left(7\right)$
通过比较公式(2)和(6)注意到，没有力Fi+1、Fi-1，因为第i+1和i-1 个有轨车箱没有施加任何力在第i个车厢上。数值ai是第i个有轨车箱的自 然加速度。
如果列车上的车钩被拉伸，Fi+1、Fi-1>0(任意车厢上的前和后方向的力 大于零)，或者被聚拢，Fi+1、Fi-1<0(任意车厢上的前和后方向的力小于零)， 则所有有轨车箱的速度基本上相同，且所有有轨车箱的加速度(沿行进方向 定义为正)(表示共同加速度)也基本上相同。如果列车被拉伸，自然加速 度以上的正加速度维持列车处于拉伸状态。(然而，负加速度不是必然意味 着列车没有被拉伸)因此，仅如果跟随组的所有有轨车箱在任意时刻，其中 共同加速度在该组测量，共同加速度高于(低于)自然加速度，列车将处于 拉伸(聚拢)状况。如果列车简单地滚动，如果经受的加速度大于列车的最 大自然加速度(其中列车的自然加速度是每个有轨车箱的自然加速度中最大 的自然加速度数值)，先导组施加的TE导致拉伸松弛状况。如公式所示，其 中a是共同加速度，完全拉伸和完全聚拢松弛状态的条件分别为：
$a>a_i=\frac{-R_i({\theta }_i,v)}{M_i},\forall i---\left(8\right)$
$a<a_i=\frac{-R_i({\theta }_i,v)}{M_i},\forall i---\left(9\right)$
为了确定、预测或推断共同加速度，先导机车的加速度被确定，且推断 先导加速度基本上等于列车中的所有有轨车箱的加速度。因此先导单元加速 度是共同加速度。为了确定、预测或推断任意时刻的松弛状况，应确定推断 的共同加速度和所有有轨车箱中的最大和最小自然加速度之间的关系，认识 到，每个车厢在每个时刻具有不同的自然加速度。下面的公式确定amax(列 车的所有有轨车箱中的最大自然加速度数值)和amin(列车中的所有有轨车 箱中的最小自然加速度数值)。
$a_{\max }=\mathrm{Max}\left(\frac{-R_i({\theta }_i,v)}{M_i}\right)---\left(10\right)$
$a_{\min }=\mathrm{Min}\left(\frac{-R_i({\theta }_i,v)}{M_i}\right)---\left(11\right)$
如果先导单元加速度(共同加速度)大于amax，则列车被拉伸，而如果 先导单元加速度小于amin，则列车被聚拢。
图10示出了作为时间的函数的从公式(10)和(11)得到的结果，包 括表示作为时间的函数的所有有轨车箱中的最大自然加速度的曲线520，和 包括表示作为时间的函数的所有有轨车箱中的最小自然加速度的曲线524。 从机车的加速度推断出的列车的共同加速度被覆盖在图10的图上。在任意 时间，当共同加速度超过曲线520时，列车处于拉伸状态。在任意时间，当 共同加速度小于曲线524时，则列车处于聚拢状态。曲线520和524之间的 共同加速度表示中间状态，例如图1的中间状态302。当应用于图2所示的 连续松弛状态模型时，共同加速度和曲线520和524上的相应时间点之间的 差异确定拉伸松弛状况的百分比和聚拢松弛状况的百分比。
最小和最大自然加速度对于操作者，甚至对于被自动列车控制系统控制 的列车是有用的，因为它们表示为确保拉伸或聚拢状态在那一刹那要获得的 加速度。这些加速度可被显示为简单的数值(即xMPH/min)或图形如、自 然加速度的“跳球”图(“bouncing ball”plot)、沿前面一段时间的轨道的 最小和最大自然加速度图、和根据其它显示图，来告知操作者拉伸(最大) 和聚拢(最小)加速度。
图10的图可在行程开始前产生(如果在出发前已准备了行程计划)，且 列车的共同加速度(如被操作者或自动列车控制系统控制的)用于确定、推 断或预测列车在轨道的特定位置是被拉伸或被聚拢。类似地，它们可在途中 计算和比较，且在发生偏差计划时更新。
置信范围也可基于置信度指定给图8的amax和amin曲线中的每个，以致 用于确定每个有轨车箱的自然加速度的参数准确地反映列车行程期间任一 点的参数的实际数值。
当列车的共同加速度表示在图10的图上时，当共同加速度图从曲线520 之上移动到曲线524之下时，即当松弛状况从完全拉伸向完全聚拢转换时， 发生完全松弛转换。已知的是，在这样的转换后，对于所有车钩，需要一定 的时间改变它们的松弛状况(跑进或跑出)。因此可能希望延迟在随着这样 的转换的松弛状况变化的宣告，以允许所有车钩改变状态，在其后，列车被 按照新的松弛状况控制。
为了预测松弛状况/状态，当给定的轨道段上的列车速度曲线已知(先验 地基于计划的速度曲线或实时测量的)，对于在沿轨道任意距离的每个有轨 车箱，预测的(或实时的)加速度被与瞬态最大自然加速度比较。如上面的 公式(10)和(11)所定义，当预测/实际加速度与最大或最小自然加速度的 差异(沿正确方向)超过预定的常量时，瞬态松弛状况可被确定、预测或推 断。该差异被确定、预测或推断为固定量或百分比，如下面的公式(12)和 (13)所示。替换地，通过积分时间区间内的差异，在该时间区间内的松弛 状况被确定、预测或推断，如下面公式(14)和(15)：
amin-apredicted>k1(12)
apredicted-amax>k1(13)
∫(amin-apredicted)dt>k2(14)
∫(apredicted-amax)dt>k2(15)
如果已知当前松弛状况、预测的牵引力(和因此的加速度)、当前速度 和将要来临的所关注轨道段的轨道形状，未来某时间的松弛状况也可被预 测。
根据任一上述的方法知道的预测的松弛状况可影响操作者的列车控制， 使得可避免可能导致车钩损坏的即将来临的松弛变化。
在另一实施例中，在知道的当前速度(加速度)、过去的速度和过去的 松弛状况的情况下，通过从公式(16)和(17)比较实际加速度(假定列车 中的所有车厢具有相同的共同加速度)和最小和最大自然加速度，当前或实 时松弛状况根据列车的当前轨道位置(轨道曲线)确定、预测或推断。对当 前松弛状况的了解允许操作者实时控制列车，以避免车钩损坏。
amin-aactual>k1(16)
aactual-amax>k1(17)
∫(amin-aactual)dt>k2(18)
∫(aactual-amax)dt>k2(19)
还注意，对于使用的列车的任意段，amin和amax可被确定、预测或推断， 以定义多个松弛状态，如文中别处所述。而且，列车中的amin和amax的位置 可被用于量化中间松弛状况和指定控制极限。
当列车的松弛状况已知时，例如，根据此处描述的方法确定、预测或推 断，响应该状况控制列车(自动地或手动地)。当列车被拉伸时，牵引力可 以较高的速率施加而不损坏车钩。在实施例中，连续的松弛状况被确定、预 测或推断，额外的牵引力的施加速率响应于列车被拉伸的程度。例如，如果 共同加速度是自然加速度的50％，列车可被认为是处于50％的拉伸状况，则 额外的牵引力可被以当共同加速度大于自然加速度即100％拉伸状况时其可 以施加的速率的50％而被施加。通过比较给定TE/速度/位置的实际经受的加 速度和如上计算的自然加速度，置信度被确定。
在分布式动力列车(DP列车)中，一个或多个远程机车(或机车组中 的一批机车)被从先导机车(或先导机车组)经由硬线(hard-wired)或无 线通讯链接而被远程控制。一个这样的基于无线的DP通讯系统可从the General Electric Company of Fairfield，Connecticut的Locotrol商业获得，且 在GE的美国专利No.4582280中有描述。典型地，DP列车包括先导机车组， 先导机车组被第一多个有轨车箱跟随，第一多个有轨车箱被非先导机车组跟 随，非先导机车组被第二多个有轨车箱跟随。替换地，在推动机操作模式中， 非先导机车组包括位于列车尾部位置的机车组，用于在列车攀登斜坡时提供 牵引力。
上述的自然加速方法可被用于确定DP列车中的松弛状况。图11显示了 示例性的DP列车中的松弛状况。在这种情况下，所有车钩处于张紧中(车 钩529线540在零线544上方示出，表示所有的有轨车箱车钩的拉伸状态)。 在任一机车组(前端或先导组或远程非先导组)测量的加速度高于整个列车 中任一有轨车箱或有轨车箱组的自然加速度，导致稳定的列车控制情形。
然而，当远程机车组不仅承受其后方的有轨车箱时，也可能存在“完全 拉伸”情形。图12示出了该情景。尽管不是所有车钩力为正，两个机车组 的加速度高于有轨车箱的自然加速度。由于每个有轨车箱经受来自一个机车 组或另一个机车组的净正力，存在稳定的情景。转换点550是零力点——通 常称为“节点”，其中列车实际上变为两个列车：负责从前端到转换点550 列车的质量的先导机车组，和负责到列车尾部的剩余质量的远程机车组。如 果先导和远程机车组加速度、牵引力和轨道坡度已知，该转换点可被名义上 地确定。如果加速度未知，可假定系统目前稳定(即，松弛状况没有变化) 且先导和远程机车组加速度相同。
这样，沿列车的多个松弛状态(即，对于不同有轨车箱组或子列车)可 被确定，且列车响应于列车中的最受限制的子状态(即，与一个子列车相关 的最不稳定松弛状态)而被控制，以稳定该最小限制状态。通过由具有较不 稳定状态的子列车的前面的机车组或具有较稳定状态的子列车的前面的机 车组施加牵引力或制动力，可实现这样的控制。
替换地，两个状态的组合可被用于控制列车，依赖于每个子列车中的质 量的段(或另一列车/子列车特征，如长度)。上面的方法可被用于进一步确 定列车中的这些子状态，且类似的控制列车的策略也可被使用。列车和子列 车的确定的状态也可被显示，供操作者用于确定列车控制动作。在用于自动 列车控制系统中，确定的状态被输入列车控制系统，用于确定用于列车和子 列车的列车控制动作。
当给定改变一个组的动力水平(或制动水平)的选项时，响应于改变的 要求，列车的牵引力(或制动力)优选地被给予连接到具有最稳定松弛状况 的列车段(子列车)的组。假定在该情形中列车操作的所有其它约束，如负 荷平衡，被维持。
当总动力水平变化当前没有被要求时，动力可从一个组转移到其它组， 以平衡负荷。典型地，该转移包括牵引力从控制最稳定子列车的组转移到控 制最不稳定子列车的组，依赖于可利用的富余动力。动力从一个组转移到另 一个组的量可通过计算平均轨道坡度或考虑两个或多个子列车的重量分布 的等价坡度，和响应重量或重量分布的比例施加动力而完成。替换地，该动 力可被从连接到最稳定子列车的组转移到连接到最不稳定子列车的组，只要 前者的稳定没有被包括。
除了前述的控制策略，还希望控制列车中的转换点550的运动。由于该 点在列车中前后移动，当该点从一个有轨车箱移动到相邻有轨车箱时，出现 局部瞬态力。如果该运动较快，这些力可变得过大且可导致有轨车箱和车钩 损坏。每个组的牵引力可被控制，使得该点移动不比预定的最大速度快。类 似地，每个组的速度可被控制，使得先导和远程机车组之间的距离不快速变 化。
除了上述算法和策略，在另一实施例中，代替分析各个有轨车箱和评估 列车状态和相关可允许的控制动作，类似的结果可通过考虑仅部分列车或整 个列车而被推导出。
例如，上面的自然加速度方法可被限制于考虑几个有轨车箱长度范围内 的平均坡度和使用总拽力数据来确定该块车厢的自然加速度。该实施例减小 了计算的复杂度，同时保持基本的概念上的意图。
尽管用于预测松弛状况的各种技术已在此描述，有助于预测的变量中的 一些不断地变化，例如戴维斯拽力系数、轨道坡度数据库错误、轨道/轴承摩 擦力、空气制动力等。为了克服这些变化的缺陷，本发明的另一实施例监控 轴冲击(jerk)(即加速度的变化速率)，以检测松弛跑进(松弛状况从拉伸 到聚拢快速改变)和松弛跑出(松弛状况从聚拢到拉伸快速变化)。当突然 的外力作用在先导组上时，发生跑进/跑出，及时导致较高的加速度的变化速 率。
通过与施加的轴扭矩比较，确定一个或多个机车轴加速度的变化速率 (称为冲击、其为加速度对时间的导数)，一个实施例的这个反应方法确定、 预测或推断松弛状况中的变化。当测量的冲击与由于TE或BE的施加造成 的扭矩变化不一致时，即实际冲击超过预测冲击的某阈值，松弛动作被指出。 冲击的符号(表示作为时间的函数的加速度的正或负变化)表示松弛事件的 类型，即跑进或跑出。如果当前松弛状况已知(或已被预测)，则由于冲击 造成的新松弛状况可被确定。
一个实施例的系统监控冲击并基于列车特征建立可接受的上和下极限， 该特征例如是质量(包括总质量和质量分布)、长度、组、动力水平、轨道 坡度等。由于列车特征和轨道状况变化，上和下极限随时间变化。任意测量 的加速度(冲击)时间导数超过这些极限表示跑进或跑出状况，且可被相应 地标记或指出，供操作者(或自动列车控制系统)用于适当地控制列车。
如果当冲击被检测时列车没有经受超速状况，在一个实施例中，列车被 控制，以保持当前动力或牵引力输出一段时间或行进距离，以允许列车稳定 而不进一步扰动。另一可操作的选项是限制增加的动力施加速率到计划的动 力施加速率。例如，如果咨询控制系统控制机车和执行已建立计划速度和计 划动力，该系统继续依照计划的动力，但被阻止快速补偿，以在该时间内维 持计划的速度。目的是由此维持宏观水平控制计划，而不会不恰当地刺激该 系统。然而，如果在任意时间发生超速状况，比保持动力策略优先采取的是 限制跑进/跑出现象。
图13示出了用于确定跑进状况的一个实施例。类似的功能元件被用于 确定跑出状况。列车速度信息被输入到冲击计算器570，用于确定任意列车 段中的车辆实际经受的加速度(或冲击)的变化速率。
列车运动和特征参数被输入到冲击评估器574，以产生表示预期冲击状 况的数值，类似于在570中计算的实际冲击。加法器576把来自评估器574 的数值与允许的误差数值合并。允许的误差依赖于列车参数和预期的冲击的 估计的置信度。加法器576的输出表示在该时间最大的预期的冲击。元件578 计算该最大的预期的冲击和元件570计算的正经受的实际冲击之间的差异。 该元件的输出表示实际和最大的预期的冲击之间的差异/误差。
比较器580比较该差异和允许的冲击误差的最大极限。允许的最大极限 还可依赖于列车参数。如果冲击差异大于最大允许极限，则表示跑进状况。 比较器580还可包括时间持续函数。在这种情况下，状况必须持续预定的时 间周期(例如0.5秒)，以确定跑进状况。代替被比较的加速度的变化，实际 加速度也可被用于比较。其它方法包括检测器和以类似的方式计算的预期的 数值的比较，其中该检测器为例如车钩或平台上的加速度计或应变计。
在先导组中包括多个(先导和尾随)机车的列车中，来自尾随机车的信 息可被方便地用于检测松驰事件。监控组中的尾随机车的轴冲击(如上所 述)，可以检测松驰事件，在那里车钩力最高且因此松弛动作最容易检测。
而且，在这里提出的公式和方法中，知道总组的牵引或制动力可以改善 所有力、参数估计等计算的准确度。机车组内的松弛动作可通过确定、预测 或推断组机车之间的加速度的差异而被检测。多个组列车(分布式动力列车) 中的多个轴还提供额外的点以测量轴冲击，根据轴冲击松弛状况可被确定。
图13示出了松弛状况检测器或跑进/跑出检测器600，其接收各种列车 操作和特征(例如，静态)参数，松弛状况(包括跑进或跑出状况)根据这 些参数而被确定。各所述实施例使用不同的算法、程序和输入参数，以确定 松弛状况，如文中所述。
在具有多个机车组(如分布式动力列车)的列车中，松弛状况信息可从 任意两个组的速度随时间的差异而被确定、预测或推断。两个机车组之间的 松弛状况可从以下公式而被确定、预测或或推断。
∫(vconsist_1-vconsist_2)dt   (20)
该距离的变化(由组的相对速度的变化导致的)表示松弛状况的变化。 如果速度差异基本上为零，则松弛状况保持不变。如果车钩特征先验未知， 它们可基于稳定状态的牵引力和机车组之间的距离而被确定、预测或推断。
如果两个组之间的距离增加，则列车朝向拉伸状况移动。相反，如果该 距离在减少，则列车朝向聚拢状况移动。在公式(20)中计算该数值之前对 松弛状况的了解，表示松弛状况改变。
对于具有多个机车组的列车，列车段(称为子列车，且包括列车的尾部 的尾随有轨车箱)的松弛状况可被确定、预测或推断，这些列车段被机车组 所界定(bounded)，因为已知列车的不同段可经历不同的松弛状况。
对于具有列车尾部设备的列车，根据下面的公式，列车尾部设备和先导 机车之间(或列车尾部设备和任意远程机车组之间)的相对速度确定其之间 的距离。
∫(vconsist-vEOT)dt   (21)
该距离的变化表示松弛状况的变化。
在另一实施例中，列车正通过的坡度可被确定，以表示列车松弛状况。 例如，当前加速度、拽力和影响松弛状况的其它外力可被转化为等价坡度参 数，并根据参数确定的松弛状况。例如，当列车正通过平坦、直线轨道，由 于拖拽阻力(drag resistance)造成的力仍存在。拽力可被认为是无拽力的有 效正坡度。希望合并每个车厢上的所有外力(如坡度、拽力、加速度)(即， 除了由于轨道构造造成的力，这样的轨道构造力是由于轨道坡度、轨道形状。 轨道曲线等造成的)，这样得到单一“有效坡度”(或等价坡度)力。有效坡 度和实际坡度的合计确定列车状态的净效应。从列车的后部到列车的前部积 分等价等价坡度作为距离的函数，通过观察靠近或交叉零位的任意点，可确 定哪里松弛在发展。松弛力的定性估计对于指示预期哪里有松弛动作是充分 的根据。等价坡度还可被修正，以说明其它不规律性，例如非均匀的列车重 量。
一旦松弛状况被获知、估计或已知在一定范围内(图1的离散状态或图 2的曲线318上的松弛状况)，根据这里所述的各种技术，定性指示表示松弛 状况的数值或数值范围被提供给操作者(包括自动列车控制系统)，用于产 生控制列车速度的命令，在每个机车上或在机车组内施加牵引力或制动力， 以确保不产生过大的车钩力。见图7，其中方框419表示操作者得到关于松 弛状况的建议，以响应其而操作(如虚线所示)牵引力控制器或制动力控制 器。文中所述的任意不同显示格式可被用于提供该信息。在自动列车控制系 统操作的列车中，方框415表示自动列车控制系统。
除了控制TE和BE，牵引力变化和制动力变化的转换速率、和牵引力档 位和制动的停留时间也可根据松弛状况而被控制。这些参数的极限可被显示 给操作者，作为给定列车的当前松弛状况下的建议的操作实践。例如，如果 操作者最近已改变档位，该系统响应当前松弛状况显示“保持档位”建议x 秒。该特定时间段对应基于当前松弛状况建议的转换速率。类似地，该系统 可显示对于当前列车松弛状况的建议的加速度极限且当超过这些极限时提 示操作者。
通过了解过去的操作者行为，操作者或自动列车控制系统还可控制列 车，以实现期望的松弛状况(作为轨道和机车状况的函数)。例如，通过施 加适当的牵引力和/或制动力可以控制机车以在特定松弛状况被期望的轨道 位置处保持列车于拉伸或聚拢状况。相反，在列车中的所有机车中施加动力 制动或在一些机车中施加独立动力制动，可聚集特定位置处的松弛。这些位 置可被标记在轨道数据库中。
在另一实施例中，在轨道网络段上的前期列车操作可被用于确定在行程 期间遇到的列车操作困难。得到的信息被储存在数据库中，用于以后被通过 相同段的列车使用，允许这些后来的列车控制TE和BE，以避免列车操作困 难。
列车控制系统可允许操作者输入期望的松弛状况或车钩特征(如硬车 钩)并产生行程计划，以实现期望的松弛状况。根据上述的任意技术，手动 操作者动作也可实现期望的松弛状况。
用于上述车钩松弛和列车操作算法和公式(其可被在列车上或在调度中 心执行)的输入数据可通过从例如本地的、区域的或全球调度中心的非车载 设备手动传送数据到列车的车载设备而提供。如果算法被在路边设备中执 行，必要的数据可通过经过的列车或经由调度中心传送到其中。
数据传送也可使用非车载、车载或路边计算机和数据传送设备自动地执 行。根据本发明的实施例的启示，使用计算机在轨道网络任意处实现的手动 数据传送和自动数据传送的组合可被提供。
这里描述的用于确定松弛状况的算法和技术可被提供作为行程优化算 法的输入，以准备优化的行程计划，其考虑松弛状况且最小化列车内的力。 算法也可用于对计划进行后处理(不管其最优性)，或可被实时执行。
本发明的各种实施例使用不同设备，以确定或测量列车特性(如相对恒 定的列车构成参数，如质量、质量分布、长度)和列车运动参数(如速度、 加速度)，根据这些参数松弛状况可如所述地确定。这样的设备可包括例如 下面中的一个或多个：传感器(例如，用于确定力、间隔距离、轨道形状、 位置、速度、加速度、TE和BE)、手动地输入数据(如操作者手动输入的 重量数据)和预测的信息。
尽管在此处提出特定的技术和数学公式，用于确定、预测和/或推断关于 列车和列车段的松弛状况，并根据这些状况确定、预测或推断松弛状况，本 发明的实施例不限制于揭露的技术和公式，而是包括本领域技术人员已知的 其它技术和公式。
本领域技术人员可认识到例如坡度、拽力等的表示和这里提出的公式的 使用可存在简化和缩减。因此本发明的实施例不限于揭露的技术，还包括对 于数据参数和公式的简化和缩减。
本发明的实施例设想多个供主处理器计算松弛状况的选项，包括在列车 的机车上、路边设备中、非车载(在调度中心模式中)或在轨道网络上的另 一位置处处理该算法。执行可被预先计划、实时处理或被指定的事件例驱动， 该指定事件例如是列车或机车操作参数变化，而所述参数是与所关注列车或 其它可被所关注列车拦截的列车相关的操作参数。
本发明实施例的方法和设备提供用于控制列车的车钩状况信息。由于本 发明实施例的技术是规模可变的(scalable)，即使没有在整个网络使用，它 们也可提供直接的轨道网络利益。在不必考虑整个网络的情况下，也可考虑 局部折衷。
所写的描述使用例子来揭露本发明的各种实施例，包括最佳方式，且还 使得任一本领域技术人员可以做出和使用本发明。本发明的专利范围通过权 利要求书限定且可包括其它对于本领域技术人员可发生的例子。如果其它例 子具有与权利要求书的文字语言相同的元件，或者如果它们包括具有与该权 利要求书的文字语言无实质差异的等效结构元件，则这样的例子被确定在权 利要求书的范围之内。