CN102431545A - 列车制动性能监测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种列车制动性能监测方法与装置，涉及列车制动领域。所述方法包括步骤：建立制动率偏差模型，根据所述制动率偏差模型设计Luenberger观测器；根据所述Luenberger观测器，以及输入给列车的目标加速度和列车输出的实际加速度，计算制动率偏差。所述方法，根据列车的目标加速度和实际加速度，结合制动率偏差监测算法，对列车制动率偏差进行定量监测，实现了对列车制动性能的客观监测，对于列车制动性能调节，以及列车的维修和保养具有十分重要的意义。

Description

列车制动性能监测方法与装置

技术领域

本发明涉及列车制动技术领域，特别涉及一种列车制动性能监测方法与装置。

背景技术

在有人驾驶的列车上，监测列车制动性能的任务由驾驶员完成，他们主要凭借经验和操纵感受来评价和判断。这种监测过程受驾驶员的主观因素影响较多，无法给出客观的监测数据。

同时，列车无人驾驶技术正日趋成熟。列车无人驾驶系统是指没有驾驶员参与操控的自动驾驶系统。和传统系统(人工驾驶或ATO：Automatic Train Operation)相比，它更安全、能提供更高的服务质量、有更灵活的适应能力和更好的经济性。在当今能源紧张和倡导环保的大环境下，无人驾驶系统正成为城市轨道交通的优选解决方案，是城市轨道交通的发展方向。

然而由于车上没有驾驶员，因此对无人驾驶系统的安全及可靠性提出了更严格的要求。尤其是对于列车安全运行至关重要的制动性能，能够对其进行实时监测并能根据其性能变化情况对列车自动驾驶提供调节依据、以及指导对列车进行维修和保养是十分重要和有意义的。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种列车制动性能监测方法与装置，以实现对列车的制动性能进行客观地监测。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种列车制动性能监测方法，

其包括步骤：

A：建立制动率偏差模型，根据所述制动率偏差模型设计Luenberger观测器；

B：根据所述Luenberger观测器，以及输入给列车的目标加速度和列车输出的实际加速度，计算制动率偏差。

优选地，所述制动率偏差模型如下式：

$\left\{\begin{array}{c}X(t+1)=\stackrel{\‾}{A}X(t+1)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right);\\ \tilde{a}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{C}X\left(t\right);\end{array}\right.$

其中， $X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\tilde{x}\left(t\right)\\ d\left(t\right)\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{A}=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ 0& 1\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{B}=\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{C}=\left[\begin{array}{cc}C& 0\end{array}\right],$

A、B、C均为常数矩阵，t表示离散化的制动时间，d(t)表示制动率偏差理论值，

表示列车输出的实际加速度，u(t)表示输入给列车的目标加速度。

优选地，所述Luenberger观测器的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}z(t+1)=\stackrel{\‾}{A}z\left(t\right)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right)+L[\tilde{a}\left(t\right)-\stackrel{\‾}{C}z\left(t\right)];\\ \stackrel{\∩}{d}\left(t\right)=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]z\left(t\right);\end{array}\right.$

其中，

表示制动率偏差估计值，L为预设参数，并且L保证矩阵

的特征根在单位圆内。

优选地，所述步骤A具体包括步骤：

A1：建立理想状态下列车制动系统的传递函数，所述传递函数公式如下：

$H\left(s\right)=\frac{a\left(s\right)}{u\left(s\right)}=\frac{k}{\mathrm{\τs}+1}\×e^{-\mathrm{s\Δ}},$

其中，s表示拉普拉斯变换的复变量，a(s)表示理想状态下列车输出的理论加速度a(t)的拉普拉斯变换结果，u(s)表示输入给列车的目标加速度u(t)的拉普拉斯变换结果，k表示列车制动系统标称的最大制动率，τ表示列车制动伺服系统的响应时间常数，Δ表示列车制动伺服系统的延时常数；

A2：对步骤A1中传递函数公式进行离散化变换，得到如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}x(t+1)=\mathrm{Ax}\left(t\right)+\mathrm{Bu}\left(t\right);\\ a\left(t\right)=\mathrm{Cx}\left(t\right);\end{array}\right.$

其中，A、B、C均为常数矩阵，t表示离散化的制动时间，x(t)表示系统状态；

A3：引入制动率偏差，对步骤A2中公式进行变换，得到如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}\tilde{X}(t+1)=A\tilde{X}\left(t\right)+\mathrm{Bu}\left(t\right)+\mathrm{Bd}\left(t\right);\\ \tilde{a}\left(t\right)=C\tilde{X}\left(t\right);\end{array}\right.$

其中，d(t)表示制动率偏差理论值，

表示列车输出的实际加速度；

A4：根据制动率偏差的近似定常特点得到如下公式：

d(t+1)＝d(t)；

结合步骤A3中公式，得到所述制动率偏差模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}X(t+1)=\stackrel{\‾}{A}X(t+1)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right);\\ \tilde{a}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{C}X\left(t\right);\end{array}\right.$

其中， $X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\tilde{x}\left(t\right)\\ d\left(t\right)\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{A}=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ 0& 1\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{B}=\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{C}=\left[\begin{array}{cc}C& 0\end{array}\right];$

A5：根据所述制动率偏差模型设计得到所述Luenberger观测器的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}z(t+1)=\stackrel{\‾}{A}z\left(t\right)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right)+L[\tilde{a}\left(t\right)-\stackrel{\‾}{C}z\left(t\right)];\\ \stackrel{\∩}{d}\left(t\right)=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]z\left(t\right);\end{array}\right.$

其中，

表示制动率偏差估计值，L为预设参数，并且L保证矩阵

的特征根在单位圆内。

优选地，所述方法还包括步骤C：判断所述制动率偏差的绝对值是否大于预设阈值，如果大于，发出告警，否则，不予处置。

本发明还提供一种列车制动性能监测装置，其包括：处理模块，以及和所述处理模块连接的接口模块和测量模块；

所述接口模块用于采集列车的制动信息，并将所述制动信息发送给所述处理模块；

所述测量模块用于测量列车的实际加速度，并将所述实际加速度发送给所述处理模块；

所述处理模块用于根据所述制动信息和所述实际加速度，运行制动率偏差监测算法，计算得到列车的制动率偏差，并判断所述制动率偏差是否大于预设阈值。

优选地，所述装置还包括输出模块和电源模块；

所述输出模块连接所述处理模块，用于将处理模块的判断结果发送给列车控制单元和列车维护管理系统，如果所述制动率偏差大于预设阈值，所述输出模块还向列车维护管理系统发送告警信息；

所述电源模块连接所述接口模块、测量模块、处理模块和输出模块，用于为所述接口模块、测量模块、处理模块和输出模块供电。

优选地，所述接口模块还连接列车驾驶单元或者车辆管理系统，以采集列车的制动信息；所述制动信息包含输入给列车的目标加速度。

优选地，所述测量模块采用MEMS加速度传感器。

优选地，所述测量模块安装在靠近列车车厢中间线的位置，并且所述测量模块和车厢之间设置减振橡胶。

(三)有益效果

本发明的列车制动性能监测方法与装置，根据列车的目标加速度和实际加速度，结合制动率偏差监测算法，对列车制动率偏差进行定量监测，实现了对列车制动性能的客观监测，对于列车制动性能调节，以及列车的维修和保养具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本发明的列车制动性能监测方法的流程图；

图2是本发明的列车制动性能监测装置的模块结构示意图；

图3是所述车厢中间线的说明示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明的列车制动性能监测方法的流程图。如图1所示，所述方法包括：

步骤A：建立制动率偏差模型，根据所述制动率偏差模型设计Luenberger(人名，无实意)观测器。

所述步骤A具体包括：

步骤A1：建立理想状态下列车制动系统的传递函数，所述传递函数公式如下：

$H\left(s\right)=\frac{a\left(s\right)}{u\left(s\right)}=\frac{k}{\mathrm{\τs}+1}\×e^{-\mathrm{s\Δ}},---\left(1\right)$

其中，s表示拉普拉斯变换的复变量，a(s)表示理想状态下列车输出的理论加速度a(t)的拉普拉斯变换结果，u(s)表示输入给列车的目标加速度u(t)的拉普拉斯变换结果。k表示列车制动系统标称的最大制动率，τ表示列车制动伺服系统的响应时间常数，Δ表示列车制动伺服系统的延时常数，这些参数可以由列车厂商提供。

步骤A2：对(1)式进行离散化变换，得到如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}x(t+1)=\mathrm{Ax}\left(t\right)+\mathrm{Bu}\left(t\right);\\ a\left(t\right)=\mathrm{Cx}\left(t\right);\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，A、B、C均为常数矩阵，t表示离散化的制动时间，x(t)表示系统状态。

步骤A3：引入制动率偏差，对(2)式进行变换，得到如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}\tilde{X}(t+1)=A\tilde{X}\left(t\right)+\mathrm{Bu}\left(t\right)+\mathrm{Bd}\left(t\right);\\ \tilde{a}\left(t\right)=C\tilde{X}\left(t\right);\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，d(t)表示制动率偏差理论值，a(t)表示列车输出的实际加速度。

步骤A4：根据制动率偏差的近似定常特点得到公式：

d(t+1)＝d(t)；        (4)

结合(3)式和(4)式，得到所述制动率偏差模型；所述制动率

偏差模型如下式：

$\left\{\begin{array}{c}X(t+1)=\stackrel{\‾}{A}X(t+1)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right);\\ \tilde{a}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{C}X\left(t\right);\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中， $X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\tilde{x}\left(t\right)\\ d\left(t\right)\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{A}=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ 0& 1\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{B}=\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{C}=\left[\begin{array}{cc}C& 0\end{array}\right].$

步骤A5：根据所述制动率偏差模型设计得到所述Luenberger观测器。所述Luenberger观测器的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}z(t+1)=\stackrel{\‾}{A}z\left(t\right)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right)+L[\tilde{a}\left(t\right)-\stackrel{\‾}{C}z\left(t\right)];\\ \stackrel{\∩}{d}\left(t\right)=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]z\left(t\right);\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，

表示制动率偏差的估计值，也即制动率偏差的最终计算值；L为预设参数，并且L保证矩阵

的特征根在单位圆内。

步骤B：根据所述Luenberger观测器，以及输入给列车的目标加速度和列车输出的实际加速度，计算制动率偏差。

步骤C：判断所述制动率偏差的绝对值是否大于预设阈值，如果大于，发出告警，否则，不予处置。

图2是本发明的列车制动性能监测装置的模块结构示意图。如图2所示，所述装置包括：接口模块100、处理模块200、测量模块300、输出模块400和电源模块500。

所述接口模块100连接列车驾驶单元或者车辆管理系统，以采集列车的制动信息。所述制动信息包含输入给列车的目标加速度。所述接口模块100还连接所述处理模块200，以便将所述制动信息发送给所述处理模块200。

所述测量模块300采用MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)加速度传感器，以测量列车的实际加速度。所述测量模块300优选安装在靠近列车车厢中间线的位置，图3是所述车厢中间线的说明示意图，所述测量模块300设置在这个位置，能够提高测量结果的准确度。在所述测量模块300和车厢之间设置减振橡胶，以减小列车振动对测量结果的影响。所述测量模块300与所述装置一体安装或者独立安装在列车上。所述测量模块300连接所述处理模块200，以便将测量到的实际加速度发送给所述处理模块200。

所述处理模块200用于根据所述制动信息和所述实际加速度，运行制动率偏差监测算法，计算得到列车的制动率偏差，并判断所述制动率偏差是否大于预设阈值，判断结果发送给所述输出模块400。所述制动率偏差监测算法即为所述列车制动性能监测方法。

所述输出模块400连接所述处理模块200，用于接收所述处理模块200的判断结果，然后发送给列车控制单元和列车维护管理系统，如果所述制动率偏差大于预设阈值，所述输出模块400还向列车维护管理系统发送告警信息。

所述电源模块500连接所述接口模块100、测量模块300、处理模块200和输出模块400，用于为所述接口模块100、测量模块300、处理模块200和输出模块400供电。

所述装置的工作过程如下：所述接口模块100采集列车的制动信息并发送给所述处理模块200；所述测量模块300测量列车是实际加速度并发送给所述处理模块200；所述处理模块200运行制动率偏差监测算法，发送判断结果给所述输出模块400；所述输出模块400输出判断结果，并且在制动率偏差大于预设阈值情况下发出告警。所述装置周期性执行上述监测流程，执行周期为100毫秒到500毫秒。

本发明实施例所述的列车制动性能监测方法与装置，根据列车的目标加速度和实际加速度，结合制动率偏差监测算法，对列车制动率偏差进行定量监测，实现了对列车制动性能的客观监测，对于列车制动性能调节，以及列车的维修和保养具有十分重要的意义。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种列车制动性能监测方法，其特征在于，包括步骤：

A：建立制动率偏差模型，根据所述制动率偏差模型设计Luenberger观测器；

B：根据所述Luenberger观测器，以及输入给列车的目标加速度和列车输出的实际加速度，计算制动率偏差。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制动率偏差模型如下式：

$\left\{\begin{array}{c}X(t+1)=\stackrel{\‾}{A}X(t+1)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right);\\ \tilde{a}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{C}X\left(t\right);\end{array}\right.$

其中， $X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\tilde{x}\left(t\right)\\ d\left(t\right)\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{A}=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ 0& 1\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{B}=\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{C}=\left[\begin{array}{cc}C& 0\end{array}\right],$

A、B、C均为常数矩阵，t表示离散化的制动时间，d(t)表示制动率偏差理论值，

表示列车输出的实际加速度，u(t)表示输入给列车的目标加速度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Luenberger观测器的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}z(t+1)=\stackrel{\‾}{A}z\left(t\right)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right)+L[\tilde{a}\left(t\right)-\stackrel{\‾}{C}z\left(t\right)];\\ \stackrel{\∩}{d}\left(t\right)=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]z\left(t\right);\end{array}\right.$

其中，

表示制动率偏差估计值，L为预设参数，并且L保证矩阵

的特征根在单位圆内。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤A具体包括步骤：

A1：建立理想状态下列车制动系统的传递函数，所述传递函数公式如下：

$H\left(s\right)=\frac{a\left(s\right)}{u\left(s\right)}=\frac{k}{\mathrm{\τs}+1}\×e^{-\mathrm{s\Δ}},$

其中，s表示拉普拉斯变换的复变量，a(s)表示理想状态下列车输出的理论加速度a(t)的拉普拉斯变换结果，u(s)表示输入给列车的目标加速度u(t)的拉普拉斯变换结果，k表示列车制动系统标称的最大制动率，τ表示列车制动伺服系统的响应时间常数，Δ表示列车制动伺服系统的延时常数；

A2：对步骤A1中传递函数公式进行离散化变换，得到如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}x(t+1)=\mathrm{Ax}\left(t\right)+\mathrm{Bu}\left(t\right);\\ a\left(t\right)=\mathrm{Cx}\left(t\right);\end{array}\right.$

其中，A、B、C均为常数矩阵，t表示离散化的制动时间，x(t)表示系统状态；

A3：引入制动率偏差，对步骤A2中公式进行变换，得到如下公式：

$\left\{\begin{array}{c}\tilde{X}(t+1)=A\tilde{X}\left(t\right)+\mathrm{Bu}\left(t\right)+\mathrm{Bd}\left(t\right);\\ \tilde{a}\left(t\right)=C\tilde{X}\left(t\right);\end{array}\right.$

其中，d(t)表示制动率偏差理论值，

表示列车输出的实际加速度；

A4：根据制动率偏差的近似定常特点得到如下公式：

d(t+1)＝d(t)；

结合步骤A3中公式，得到所述制动率偏差模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}X(t+1)=\stackrel{\‾}{A}X(t+1)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right);\\ \tilde{a}\left(t\right)=\stackrel{\‾}{C}X\left(t\right);\end{array}\right.$

其中， $X\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}\tilde{x}\left(t\right)\\ d\left(t\right)\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{A}=\left[\begin{array}{cc}A& B\\ 0& 1\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{B}=\left[\begin{array}{c}B\\ 0\end{array}\right],$ $\stackrel{\‾}{C}=\left[\begin{array}{cc}C& 0\end{array}\right];$

A5：根据所述制动率偏差模型设计得到所述Luenberger观测器的公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}z(t+1)=\stackrel{\‾}{A}z\left(t\right)+\stackrel{\‾}{B}u\left(t\right)+L[\tilde{a}\left(t\right)-\stackrel{\‾}{C}z\left(t\right)];\\ \stackrel{\∩}{d}\left(t\right)=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 1\end{array}\right]z\left(t\right);\end{array}\right.$

其中，

表示制动率偏差估计值，L为预设参数，并且L保证矩阵

的特征根在单位圆内。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤C：判断所述制动率偏差的绝对值是否大于预设阈值，如果大于，发出告警，否则，不予处置。

6.一种列车制动性能监测装置，其特征在于，包括：处理模块，以及和所述处理模块连接的接口模块和测量模块；

所述接口模块用于采集列车的制动信息，并将所述制动信息发送给所述处理模块；

所述测量模块用于测量列车的实际加速度，并将所述实际加速度发送给所述处理模块；

所述处理模块用于根据所述制动信息和所述实际加速度，运行制动率偏差监测算法，计算得到列车的制动率偏差，并判断所述制动率偏差是否大于预设阈值。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括输出模块和电源模块；

所述输出模块连接所述处理模块，用于将处理模块的判断结果发送给列车控制单元和列车维护管理系统，如果所述制动率偏差大于预设阈值，所述输出模块还向列车维护管理系统发送告警信息；

所述电源模块连接所述接口模块、测量模块、处理模块和输出模块，用于为所述接口模块、测量模块、处理模块和输出模块供电。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述接口模块还连接列车驾驶单元或者车辆管理系统，以采集列车的制动信息；所述制动信息包含输入给列车的目标加速度。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测量模块采用MEMS加速度传感器。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述测量模块安装在靠近列车车厢中间线的位置，并且所述测量模块和车厢之间设置减振橡胶。

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