CN103373339A - 铁路车辆中的荷载补偿装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁路车辆中的荷载补偿装置，所述装置包括检测响应于车辆荷载量的空气弹簧压力的压力传感器，通过估计多个铁路车辆各自的荷载量来输出估计的铁路车辆荷载量的估计单元，以及通过检测所述压力传感器中的故障来输出铁路车辆荷载量的检测单元。

Description

铁路车辆中的荷载补偿装置

技术领域

本公开涉及一种铁路车辆中的荷载补偿装置。

背景技术

本部分提供与本公开有关的背景信息，其不一定是现有技术。

每一单个铁路车辆的重量会随着运输乘客的铁路车辆中有乘客或没有乘客而变化，并且，每一单个铁路车辆的重量会随着运输货物的货运铁路车辆中荷载量的多少而变化。通常，铁路车辆都配备有响应于荷载量的变化而检测单个铁路车辆重量的荷载补偿装置。

荷载补偿装置配备有空气弹簧和测量该空气弹簧压力的压力传感器，其中，荷载补偿装置通过检测随荷载量变化而变化的空气弹簧压力来检测出荷载量变化。荷载补偿装置被连接到制动系统上来充当在操作工作制动器和紧急制动器时的一个元件。这就是说，随着乘客重量的变化，荷载补偿装置的空气弹簧会检测到压力，且被用于计算工作制动器装置的消耗制动力，从而允许铁路车辆具有与荷载量或乘客重量无关的预定减速度，或者通过被连接到紧急制动装置上来操作荷载阀。

图1是示出依照现有技术的荷载补偿装置的框图。参照图1，在铁路车辆的荷载量会随着有乘客和没有乘客而变化的情况下，压力传感器110会测量空气弹簧的压力且测量铁路车辆的变化荷载量。在压力传感器110接收到基于铁路车辆的变化荷载量的压力的情况下，荷载量转换器120会将该压力与空载限值和满载限值做比较。

在空气弹簧的压力处于空载限值和满载限值之间的情况下，提供所述压力给制动系统，用来计算工作制动器装置的消耗制动力，或者实现紧急制动器装置的紧急制动力。

依照现有技术而被说明的荷载补偿装置100会在压力传感器110出现任何故障的情况下实现空载保证和满载保证。通过非限定性的例子，在空载下当检测到的空气弹簧压力小于90%空气弹簧的压力，荷载补偿装置会以90%空载压力的比率输出压力，且在满载下当检测到的空气弹簧压力大于120%空气弹簧的压力时，荷载补偿装置会以120%满载压力的比率输出压力。如上文所述，依照现有技术的荷载补偿装置100在压力传感器110出现故障时会保证极限值，例如，空载限值或满载限值。

然而，以上方法存在的缺点在于：在荷载补偿装置发生故障期间或在测量压力传感器的值期间存在偏移误差的情况下，在计算制动装置的消耗制动力的过程中，无法反映出铁路车辆的实际重量，使得每一个铁路车辆无法反映出相同的减速度，从而不能反映出正确的消耗制动力。因此，很难执行平稳的制动操作，或者由于未能获得必要的制动力而延长了制动距离。

发明内容

本部分提供了对本公开的概括性总结，但是并不是对其全部范围或者其所有特征的全面公开。

本公开的示例性方案基本上至少解决了上述问题和/或缺点并至少提供了以下所述的优点。因此，本公开的目的在于提供一种铁路车辆中的荷载补偿装置，其配置为通过检测铁路车辆中的荷载补偿装置的故障，从而响应于荷载量的变化而获得正确的消耗制动力。

本公开的目的还在于提供一种用于铁路车辆的荷载补偿装置，其配置为即使在所述荷载补偿装置出现故障期间也可以给铁路车辆装置提供正确的荷载值。

本公开所解决的技术问题不限于上述说明，因而，至此未提到的其他任何技术问题都将由本领域技术人员从以下说明中得到清楚地理解。

在本公开的一个总方案中，提供一种铁路车辆中的荷载补偿装置，该铁路车辆包括多个铁路车辆，所述荷载补偿装置包括：

压力传感器，其检测响应于所述车辆的荷载量的空气弹簧压力；

第一估计单元，其通过使用所述铁路车辆的速度、所述多个铁路车辆中各自的加速度以及所述多个铁路车辆各自的牵引力来估计多个铁路车辆各自的荷载量，并输出估计的铁路车辆荷载量；

检测单元，其通过接收所述空气弹簧压力和所述估计的铁路车辆荷载量来检测出由所述压力传感器的故障引起的所述荷载补偿装置的故障，并响应于所述检测而输出铁路车辆荷载量；以及

第一转换单元，其将从所述检测单元接收到的铁路车辆荷载量转换成荷载量信号。

优选地，但不是必须地，所述第一估计单元可以包括：建模单元，其通过接收所述铁路车辆的速度、所述多个铁路车辆各自的加速度以及所述多个铁路车辆各自的牵引力来给所述铁路车辆动态建模；以及第二估计单元，其利用由所述建模单元构造的动态建模来估计所述多个铁路车辆的所述铁路车辆荷载量。

优选地，但不是必须地，所述建模单元以如下方式建模：使得所述多个铁路车辆的质量与每一个铁路车辆加速度的乘积之和等于每一个铁路车辆的牵引力减去每一个铁路车辆的上坡阻力、每一个铁路车辆的行驶阻力和每一个铁路车辆的转弯阻力之后的值。

优选地，但不是必须地，所述建模单元可以以如下方式给所述铁路车辆建模：使得所述铁路车辆行驶在直线段上。

优选地，但不是必须地，所述建模单元可以利用与所述行驶阻力有关的摩擦因数和空气阻力系数作为常数来给所述铁路车辆建模。

优选地，但不是必须地，所述建模单元可以在考虑每一个铁路车辆都具有相同的铁路坡度的情况下来给所述铁路车辆建模。

优选地，但不是必须地，所述建模单元可以以回归的形式来定义所述动态建模，而且所述估计单元利用由所述建模单元定义的所述回归形式的递归的最小二乘法来估计所述多个铁路车辆的荷载量。

优选地，但不是必须地，所述建模单元可以以回归的形式来定义所述动态建模，而且所述估计单元根据由所述建模单元定义的所述回归形式来估计干扰，并利用补偿所述干扰的递归的最小二乘法来估计所述多个铁路车辆的荷载量。

优选地，但不是必须地，所述检测单元可以包括：第二转换单元，其测量所述空气弹簧的压力并将所述压力转换成车辆荷载量（测得的车辆荷载量）；生成单元，其根据测得的铁路车辆荷载量和所述估计的铁路车辆荷载量而生成余值，该余值用来确定所述压力传感器/荷载补偿装置的故障；判定单元，其在所述余值小于预定值时，判定所述压力传感器/荷载补偿装置出现故障；选择单元，其依照所述判定单元的判定，选择并输出所述测得的铁路车辆荷载量和所述估计的铁路车辆荷载量中的一个；以及第三转换单元，其通过将由所述选择单元选择的所述铁路车辆荷载量转换成压力信号并输出该压力信号。

优选地，但不是必须地，由所述生成单元生成的所述余值可以是相对于所述压力传感器的传感器故障信号的绝对值且由所述测得的铁路车辆荷载量和所述估计的铁路车辆荷载量的函数来定义。

优选地，但不是必须地，当所述判定单元判定所述压力传感器或者所述荷载补偿装置出现故障的时候，所述选择单元可以选择并输出所述估计的铁路车辆荷载量。

优选地，但不是必须地，当所述判定单元判定所述压力传感器或者所述荷载补偿装置为正常的时候，所述选择单元可以选择并输出所述测得的铁路车辆荷载量。

在一个有益效果中，本公开的示例性实施例可以检测出被安装在每一个铁路车辆上的荷载补偿装置的故障，并且可以通过在计算工作制动器装置的消耗制动力的过程中防止由荷载补偿装置的故障引起的误差来预先防止出现制动力过大或制动力不足的现象。

在另一有益效果中，本公开的示例性实施例可以通过实时地且更准确地检测出被安装在每一个铁路车辆上的荷载补偿装置的故障，在荷载补偿装置彻底发生故障前，预先检测出异常现象。

在另一个有益效果中，本公开的示例性实施例可以输出估计的铁路车辆荷载量而不是输出在荷载补偿装置出故障期间的满载限值或空载限值，因而允许铁路车辆产生足够的制动力，由此提供正确的制动力来改善乘客感受到的行驶质量。

附图说明

在附图中，为了方便和清楚起见，部件的宽度，长度，厚度等可以被夸大或缩小。另外，在整个说明书中，在说明附图时，相同的附图标记将被分配给相同的元件，并且彼此重复的说明将被省略。现在，将参照附图详细地描述根据本公开的荷载补偿装置。

结合附图，考虑以下详细的描述，可以很容易地理解本公开的教导，其中：

图1是示出依照现有技术的荷载补偿装置的框图；

图2是示出依照本公开的示例性实施例的一种铁路车辆中的荷载补偿装置的框图；

图3是图示了图2中故障检测单元的详细框图；

图4是图示了图2中铁路车辆荷载量估计单元的详细框图；

图5是通过依照本公开的图4中的建模单元构造的多个相连的铁路车辆的示意图；以及

图6是图示了依照本公开示例性实施例的图4中的估计单元的框图。

具体实施方式

通过参照以下示例性实施例和附图的详细说明，可以更容易地理解本公开的优势和特征。为了简洁和清楚起见，省略了对已知功能，配置或结构的详细描述，以至于不会因为不必要的细节而使得本公开的说明难以理解。因此，本公开不限于以下将要描述的一些示例性实施例，而是可以通过其他形式来实现本公开。相应地，所述方案旨在包括落在本公开所述范围和新颖观点范围内的所有这样的修改例、改进例和变型例。

在说明书和权利要求书中所使用的特定术语或词语的意思不应该限于字面上或通常使用的意义，而应该按照用户或操作员的意图以及惯常用法来进行解释或者可以不同。因此，特定术语或词语的定义应该基于整个说明书的内容。

现在，将参照附图详细说明本公开的示例性实施例。

图2是图示了依照本公开的示例性实施例的一种铁路车辆中的荷载补偿装置的框图。

参照图2，依照本公开的示例性实施例的铁路车辆中的荷载补偿装置包括压力传感器10，铁路车辆估计单元20，故障检测单元30和荷载量转换器40。

压力传感器10检测响应于铁路车辆的荷载量的空气弹簧压力。铁路车辆荷载量估计单元20接收铁路车辆的速度、来自于安装在铁路车辆上的传感器（未显示）的加速度和牵引力，从而利用所述速度、加速度和牵引力，估计出包括安放在铁路车辆上的货物重量或者当前乘坐铁路车辆的乘客重量在内的铁路车辆各自的荷载量。铁路车辆荷载量估计单元20使用铁路车辆的动态模型来估计出铁路车辆的荷载量，其细节将在后面说明。

故障检测单元30从压力传感器10接收到随铁路车辆荷载量的变化而变化的空气弹簧的压力，并从铁路车辆荷载量估计单元20接收到估计的铁路车辆荷载量，比较它们，从而确定压力传感器10和荷载补偿装置是否出现任何故障。另外，确定故障后，故障检测单元30将由铁路车辆荷载量估计单元20估计的铁路车辆荷载量提供给荷载量转换器40。

荷载量转换器40比较电气信号（即，荷载量信号）与空载限值和满载限值，并传送比较值给制动操作系统（未显示）。

现在，将详细描述荷载补偿装置的每一个构成元件。

图3是图示了图2中故障检测单元的详细框图。

参照图3，依照本公开的荷载补偿装置的故障检测单元30包括压力-荷载量转换器31，余值生成单元32，故障判定单元33，荷载量选择单元34和荷载量-压力转换单元35。

压力-荷载量转换器31用来将由压力传感器10测得的空气弹簧的压力转换成相应的荷载。这就是说，压力-荷载量转换器31输出所测得的铁路车辆荷载量（在下文中，被称为“测得的铁路车辆荷载量”）。余值生成单元32接收到测得的铁路车辆荷载量和估计的铁路车辆荷载量，比较它们并产生余值，用以基于其间的差值来确定是否存在故障。故障判定单元33通过接收余值来判定压力传感器10是否有故障。荷载量选择单元34基于故障判定单元33的判定来选择测得的铁路车辆荷载量和估计的铁路测量荷载量中的任意一个荷载量。这就是说，当故障判定单元33确定压力传感器10和荷载补偿装置的其中之一有故障，并将故障通知给荷载量选择单元34时，荷载量选择单元34选择估计的铁路车辆荷载量。另外，当故障判定单元33确定压力传感器10和荷载补偿装置都没有故障，并将判定通知给荷载量选择单元34时，荷载量选择单元34可以选择测得的铁路车辆荷载量。

荷载量-压力转换单元35将所选择的铁路车辆荷载量转换成压力-匹配电流信号并将所述信号传送给制动装置。

图4是图示了图2中铁路车辆荷载量估计单元的详细框图。

参照图4，铁路车辆荷载量估计单元20包括建模单元21，估计单元22和存储器23。

建模单元21构造了多个相连的铁路车辆。图5是通过依照本公开的图4中的建模单元构造的多个相连的铁路车辆的示意图，其中，m_n是第n个铁路车辆（50-n）的质量，a_n是第n个铁路车辆（50-n）的加速度，v_n是的第n个铁路车辆（50-n）的速度，F_t(n)是的第n个铁路车辆（50-n）的牵引力或制动力，F_r(n)是第n个铁路车辆（50-n）的行驶阻力，Fg(n)是第n个铁路车辆（50-n）的上坡阻力，以及Fc(n)是第n个铁路车辆的曲线（或者转弯）阻力。

另外，k_n-1是第n个铁路车辆（50-n）和第n-1个铁路车辆（50-（n-1））之间车钩（51-（n-1））的弹簧系数，而c_n-1是第n个铁路车辆（50-n）和第n-1个铁路车辆（50-（n-1））之间车钩（51-（n-1））的减震系数。

如以下方程1所述，可以相对于第一铁路车辆来构造多个相连的铁路车辆的动态建模方程，如以下方程2所述，可以相对于第i个铁路车辆来构造多个相连的铁路车辆的动态建模方程，以及如以下方程3所述，可以相对于最后一个铁路车辆来构造多个相连的铁路车辆的动态建模方程。

【方程1】

m₁a₁+c₁(v₁-v₂)+k₁(x₁-x₂)＝F_t(1)-F_r(1)-F_g(1)-F_c(1)

【方程2】

m_ia_i+c_i-1(v_i-v_i-1)+c_i(v_i-v_i-1)+k_i-1(x_i-x_i-1)+k_i(x_i-x_i-1)＝F_t(i)-F_r(i)-F_g(i)-F_c(i)

【方程3】

m_na_n+c_n-1(v_n-v_n-1)+k_n-1(x_n-x_n-1)＝F_t(n)-F_r(n)-F_g(n)-F_c(n)

依照图5，每一个铁路车辆50都是通过车钩51来连接的，且每一个车钩（51-1～51（n-1））都是可以通过无质量的弹簧减震系统来构造的。另外，建模单元21可以通过以下方式来构造行驶阻力和曲线阻力。

【方程4】

$F_{r\left(i\right)}=r_0^i+r_1^i{v}_i+r_2^i{v}_i^2$

【方程5】

F_g(i)＝m_igsinθ_i

其中，

和

是在第i个铁路车辆处与摩擦阻力有关的相应的常数，

是在第i个铁路车辆处与空气阻力有关的常数，它们都可以通过实验获得。θ_i是第i个铁路车辆处的每一个铁路车辆的轨道坡度（倾斜角度）。

为了估计每一个铁路车辆的质量和轨道坡度，依照本公开的铁路车辆荷载量估计单元20假设以下几个条件。

第一，在铁路车辆从火车站启动后，估计单元22在初始加速段处进行所述估计。通常，仅在到达火车站前且仅在从火车站启动后，铁路车辆的质量会改变，以致于在铁路车辆离开火车站后，在初始加速段处可以合理地估计出铁路车辆的质量。

第二，当铁路车辆行驶在直线段时，估计每一个铁路车辆的质量和轨道坡度（倾斜度）。这就是说，只有在横向加速度非常小的行驶段处才可以进行所述估计。在直线段可以忽略掉铁路车辆的曲线阻力，从而使得铁路车辆的动态建模更加简单，由此得到的优点是无需存储有关轨道曲率的基本数据。

第三，与铁路车辆的行驶阻力有关的摩擦因数(

和

)以及空气阻力系数

通过实验被确定，且不会发生很大变化以至于它们被假设为常数。

第四，假设每一个铁路车辆行驶在具有相同轨道坡度的铁轨上。这就是说，假设每一个铁路车辆行驶在具有相同坡度的铁轨上。轨道坡度在预定段不会发生很大变化，因此，做出该假设是很合理的。

第五，假设每一个铁路车辆的速度基本上是相同的。这就是说，由安装在一列火车最前面的铁路车辆上的速度计（未显示）测得的速度值被认为是每一个铁路车辆的速度。这是因为每一个铁路车辆50是通过车钩51被连接的，使得每一个铁路车辆的速度基本上相同。

基于上述假设，如果增加了上述方程1、2和3，与弹簧系数有关的项和与减震系数有关的项都可以被去除，而且，如果通过反映出上述假设增加了方程4和5，则可以得到以下方程6。

【方程6】

$m_1{a}_1+m_2{a}_2+\·\·\·+m_{n-1}{a}_{n-1}+m_n{a}_n=F_{t\left(1\right)}+F_{t\left(2\right)}+\·\·\·+F_{t(n-1)}+F_{t\left(n\right)}$

$-(m_1+m_2+\·\·\·m_{n-1}+m_n)g\sin \mathrm{\θ}$

$-(r_0^1+r_0^2+\·\·\·+r_0^{n-1}+r_0^n)-(r_1^1+r_1^2+\·\·\·+r_1^{n-1}+r_1^n)v$

$-(r_2^1+r_1^2+\·\·\·+r_1^{n-1}+r_1^n)v^2$

其中，v是从安装在最前面的铁路车辆上的速度计（未显示）接收到的整列火车的速度，而θ是火车所被安置的铁轨的轨道坡度（倾斜度）。

如方程6和7所示，建模单元21以回归的形式总结了每一个铁路车辆的质量和轨道坡度，以获得每一个铁路车辆的质量和轨道坡度。

【方程7】

Y=Φ^TΘ

其中，在以下方程8、9和10中定义了Y,Φ和Θ。

【方程8】

$Y=F_{t\left(1\right)}+F_{t\left(2\right)}+\·\·\·+F_{t(n-1)}+F_{t\left(n\right)}$

$-(r_0^1+r_0^2+\·\·\·+r_0^{n-1}+r_0^n)-(r_1^1+r_1^2+\·\·\·+r_1^{n-1}+r_1^n)v-(r_2^1+r_1^2+\·\·\·+r_1^{n-1}+r_1^n)v^2$

【方程9】

Φ^T＝[a₁a₂…a_n-1a_ng]

【方程10】

$\mathrm{\Θ}=\left[\begin{array}{c}{m}_1\\ m_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ m_{n-1}\\ m_n\\ (m_1+m_2+\·\·\·+m_{n-1}+m_n)\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right]$

从火车的牵引装置（未显示）上接收到牵引力，从被提供给每一个铁路车辆的加速度计（未显示）上接收到每一个铁路车辆的加速度，以及从被提供给火车最前面的铁路车辆的速度计（未显示）上接收到火车的速度，其中，如果采用了上述这些数据，则只有每一个铁路车辆的质量和轨道坡度依然是未知信息。

铁路车辆荷载量估计单元20的估计单元22使用由建模单元21构造的模型估计出每一个铁路车辆的质量和轨道坡度，这将参照附图给予详细描述。

图6是图示了依照本公开示例性实施例的图4中的估计单元的框图，其中，估计单元22包括参数估计单元61和干扰估计单元62。通过给方程7的火车模型增加干扰，可以由以下方程11表示出估计单元22，这会提高估计的稳健性。

【方程11】

Y=Φ^TΘ+η

其中，方程11的干扰项(η)可以通过系统中存在的干扰来被定义，且包括建模误差或传感器噪声。

在本公开中，引入干扰估计单元62来防止干扰估计后由干扰引起的估计性能的降低并补偿估计性能的降低。另外，例如，参数估计单元61使用递归最小二乘法来估计参数。

干扰估计单元62包括干扰观测器，用于如果系统中有干扰，则基于系统的动态模型和测得的值来估计干扰，并使用其估计值来补偿干扰，此外，如果系统有建模误差或干扰，由参数估计单元61实施递归的最小二乘法，通过将参数估计过程中的干扰影响减至最小，干扰估计单元62会提高参数估计中的稳健性。

如果由干扰估计单元62来估计干扰，通过由参数估计单元61实施的递归的最小二乘法来进行的参数估计包括Q滤波器，这可以被定义如下：

【方程12】

$\widehat{\mathrm{\Θ}}\left(t\right)=\widehat{\mathrm{\Θ}}(t-1)+P\left(t\right){\mathrm{\Φ}}^T\left(t\right)(Y\left(t\right)-{\mathrm{\Φ}}^T\left(t\right)\widehat{\mathrm{\Θ}}(t-1)-\widehat{\mathrm{\η}}\left(t\right))$

【方程13】

P(t)＝P(t-1)-p(t-1)Φ^T(t)(1+Φ^T(t)P(t-1)Φ(t))^-1Φ^T(t)P(t-1)

【方程14】

$\widehat{\mathrm{\η}}\left(t\right)=Q\left(z\right)(Y\left(t\right)-{\mathrm{\Φ}}^T\left(t\right)\widehat{\mathrm{\Θ}}(t-1))$

其中，和

分别是由参数估计单元61估计的矢量型参数和由干扰估计单元62估计的干扰，通过P(t)＝(Φ^T(t)Φ(t))^-1来被定义。另外，Q(z)是具有低通滤波器特性的Q滤波器，且可以通过考虑到干扰特性、采样时间及同类因素来被设计。

这就是说，由参数估计单元61估计的矢量型参数可以被表示如下：

【方程15】

$\widehat{\mathrm{\Θ}}=\left[\begin{array}{c}{\hat{m}}_1\\ {\hat{m}}_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\hat{m}}_{n-1}\\ {\hat{m}}_n\\ ({\hat{m}}_1+{\hat{m}}_2+\·\·\·+{\hat{m}}_{n-1}+{\hat{m}}_n)\sin \widehat{\mathrm{\θ}}\end{array}\right]$

其中，

分别是每一个铁路车辆的估计质量，而

是估计的轨道坡度（倾斜角度）。因此，可以通过以下方程来计算每一个铁路车辆的估计质量和估计轨道坡度。

【方程16】

${\hat{m}}_i=\widehat{\mathrm{\Θ}}\left(i\right)(i=1,\·\·\·,n)$

【方程17】

$\widehat{\mathrm{\θ}}={\sin }^{-1}\left(\frac{\widehat{\mathrm{\Θ}}(n+1)}{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\widehat{\mathrm{\Θ}}\left(i\right)}\right)$

再次参照图4，存储器23存储了由估计单元22估计的每一个铁路车辆的质量和轨道坡度。存储器23可以把在从每一个火车站启动过程中估计的每一个铁路车辆的质量和轨道坡度放入数据库并存储起来，其中，在每一个火车站的每一个铁路车辆的质量和轨道坡度可以被分开存储。

尽管本公开已经描述并说明了用来估计干扰并补偿干扰的递归的最小二乘法为参数估计单元的参数估计方法，但是本公开不限于此，且有可能使用递归的最小二乘法来估计参数而不估计干扰。另外，对于本领域技术人员应该很明显可以使用参数估计方法而不是递归的最小二乘法。

由铁路车辆荷载量估计单元20估计的铁路荷载量（估计的铁路车辆荷载量）被提供给故障检测单元30。除了估计的铁路车辆荷载量以外，故障检测单元30还接收到来自压力传感器10的空气弹簧压力。

现在，将参照图3详细地描述故障检测单元30的操作。

压力-荷载量转换器31将由压力传感器10检测到的空气弹簧压力转换成相应的荷载量（测得的铁路车辆荷载量）。

余值生成单元32接收到由铁路车辆荷载量估计单元20估计的铁路车辆荷载量和经过压力-荷载量转换器31转换的测得的铁路车辆荷载量，其中，通过以下方程18，将用于每一个铁路车辆处的荷载补偿装置的故障检测的压力传感器10的故障定义为测得的铁路车辆荷载量和估计的铁路车辆荷载量的函数。

【方程18】

$m_i^s=(1+f_i)+{\hat{m}}_i$

其中，i是从1至n的任一数字，是第i个铁路车辆的测得的铁路车辆荷载量，而

是第i个铁路车辆估计的铁路车辆荷载量。f_i是用来检测第i个铁路车辆处荷载故障的传感器故障信号。因而，余值生成单元32可以用以下方式来计算用于确定传感器故障的余值：

【方程19】

$r_i=\left|f_i\right|=|1-m_i^s/{\hat{m}}_i|$

其中，r_i是用于第i个铁路车辆的荷载补偿装置的故障检测的余值，且可以定义为对于传感器故障信号的绝对值。如方程19所示，由估计的荷载量和铁路车辆荷载量之间的比值来确定余值。这就是说，可以基于由估计的铁路车辆荷载量和测得的铁路车辆荷载量的函数表示出的余值，来确定压力传感器的故障。故障判定单元33使用如此被定义的余值来进行压力传感器10的故障判定。

这就是说，如果由余值生成单元32产生的余值小于预定阈值，故障判定单元33会判定压力传感器10是正常的，但是如果由余值生成单元32产生的余值大于预定阈值，故障判定单元33会判定压力传感器10出现故障。

这就是说，如果r_i＜δ，故障判定单元33会判定压力传感器10（荷载补偿装置）是正常的，但是如果r_i≤δ，故障判定单元33会判定压力传感器10出现故障。此时，δ是由用户预定的用来确定故障的阈值，且通过铁路车辆荷载量估计单元20的估计的铁路车辆荷载量的收敛界，可以预先确定荷载补偿装置的传感器信号的特性以及铁路车辆的特性。

荷载量选择单元34响应于故障判定单元33关于压力传感器10是正常的还是异常的判定来选择并输出测得的铁路车辆荷载量和估计的铁路车辆荷载量中的任一个荷载量。尽管传统的荷载补偿装置已经通过保证空载限值和满载限值的方法解决了压力传感器的故障，但是因为提供给制动装置的是不同于实际铁路车辆荷载量的值，传统方法还是存在会降低制动性能的问题。另一个问题是：即使由压力传感器测得的值处于空载限值和满载限值之间，但是可能在测量过程中产生的固定误差依然会在不同于实际荷载量的荷载量中被输出，从而导致性能降低。

因此，依照本公开的荷载补偿装置会基于故障判定单元33的判定来选择和输出测得的铁路车辆荷载量和估计的铁路车辆荷载量中的任一荷载量。

更具体地是，当故障判定单元33判定压力传感器10无故障时，荷载量选择单元34会选择并输出测得的铁路车辆荷载量，而当故障判定单元33判定压力传感器10有故障时，荷载量选择单元34会选择并输出估计的铁路车辆荷载量。

另外，故障判定单元33通知荷载量选择单元34压力传感器产生了故障，且同时，通知用户荷载补偿装置产生了故障。为此，可以进一步包括显示单元（未显示）。

另一选择为，故障判定单元33可以通过网络将有故障产生的信号传送给服务器。其详细说明对于本领域技术人员来说是已知的，因此，不做进一步详细描述。

如前所述，荷载量-压力转换单元35将由荷载量选择单元34选择的铁路车辆荷载量转换成压力信号并输出信号至制动操作系统。

本公开的示例性实施例涉及用来响应于随铁路车辆荷载量变化而变化的空气弹簧中的压力变化而测定铁路车辆荷载量的荷载补偿装置的故障检测。依照本公开示例性实施例的荷载补偿装置利用由测得的铁路车辆荷载量和铁路车辆的动态模型估计出的铁路车辆荷载量来检测出故障。

在一个有益效果中，本公开的示例性实施例可以检测出被安装在每一个铁路车辆上的荷载补偿装置的故障，并且可以通过在计算工作制动器装置的消耗制动力的过程中防止由荷载补偿装置的故障引起的误差来预先防止出现制动力过大或不足的现象。

在另一个有益效果中，本公开的示例性实施例可以通过实时地且更准确地检测出被安装在每一个铁路车辆上的荷载补偿装置的故障，在荷载补偿装置彻底发生故障前，预先检测出异常现象。

在另一个有益效果中，本公开的示例性实施例可以输出估计的铁路车辆荷载量而不是输出在荷载补偿装置出故障期间的满载限值或空载限值，因而允许铁路车辆产生足够的制动力，由此提供正确的制动力来改善乘客感受到的行驶质量。

然而，依照本公开示例性实施例的铁路车辆中的上述荷载补偿装置可以用许多不同的形式来被具体实施，且不应该被解释为仅限于在本文中提出的实施例。因此，其意思是，只要本公开的改进例和变型例落在所附权利要求及其等同物的范围内，本公开的实施例就可以涵盖本公开的改进例和变型例。尽管可能已经公开了有关几个实施例的特定的特征或方案，但是这样的特征或方案可以选择性地与可能是所希望的其他实施例的一个或多个其他的特征和/或方案相结合。

Claims (12)

1.一种铁路车辆中的荷载补偿装置，该铁路车辆包括多个铁路车辆，所述装置包括：

压力传感器，其检测响应于所述车辆的荷载量的空气弹簧压力；

第一估计单元，其通过使用所述铁路车辆的速度、所述多个铁路车辆各自的加速度以及所述多个铁路车辆各自的牵引力来估计多个铁路车辆各自的荷载量，并输出估计的铁路车辆荷载量；

检测单元，其通过接收所述空气弹簧压力和所述估计的铁路车辆荷载量来检测出由所述压力传感器的故障引起的所述荷载补偿装置的故障，并响应于所述检测而输出铁路车辆荷载量；以及

第一转换单元，其将从所述检测单元接收到的铁路车辆荷载量转换成荷载量信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一估计单元包括：

建模单元，其通过接收所述铁路车辆的速度、所述多个铁路车辆各自的加速度以及所述多个铁路车辆各自的牵引力来给所述铁路车辆动态建模；以及

第二估计单元，其利用由所述建模单元构造的动态建模来估计所述多个铁路车辆的所述铁路车辆荷载量。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述建模单元以如下方式建模：使得所述多个铁路车辆的质量与每一个铁路车辆加速度的乘积之和等于每一个铁路车辆的牵引力减去每一个铁路车辆的上坡阻力、每一个铁路车辆的行驶阻力和每一个铁路车辆的转弯阻力之后的值。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述建模单元以如下方式给所述铁路车辆建模：使得所述铁路车辆行驶在直线段上。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述建模单元利用与所述行驶阻力有关的摩擦因数和空气阻力系数作为常数来给所述铁路车辆建模。

6.根据权利要求3所述的装置，其中，所述建模单元在考虑每一个铁路车辆都具有相同的铁路坡度的情况下来给所述铁路车辆建模。

7.根据权利要求3所述的装置，其中，所述建模单元以回归的形式来定义所述动态建模，而且所述估计单元利用由所述建模单元定义的所述回归形式的递归的最小二乘法来估计所述多个铁路车辆的荷载量。

8.根据权利要求2所述的装置，其中，所述建模单元以回归的形式来定义所述动态建模，而且所述估计单元根据由所述建模单元定义的所述回归形式来估计干扰，并利用补偿所述干扰的递归的最小二乘法来估计所述多个铁路车辆的荷载量。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检测单元包括：

第二转换单元，其测量所述空气弹簧的压力并将所述压力转换成车辆荷载量；

生成单元，其根据测得的铁路车辆荷载量和所述估计的铁路车辆荷载量而生成余值，该余值用来确定所述压力传感器/荷载补偿装置的故障；

判定单元，其在所述余值小于预定值时判定所述压力传感器/荷载补偿装置出现故障；

选择单元，其依照所述判定单元的判定，选择并输出所述测得的铁路车辆荷载量和所述估计的铁路车辆荷载量中的一个；以及

第三转换单元，其通过将由所述选择单元选择的所述铁路车辆荷载量转换成压力信号并输出该压力信号。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，由所述生成单元生成的所述余值是相对于所述压力传感器的传感器故障信号的绝对值且由所述测得的铁路车辆荷载量和所述估计的铁路车辆荷载量的函数来定义。

11.根据权利要求9所述的装置，其中，当所述判定单元判定所述压力传感器或者所述荷载补偿装置出现故障的时候，所述选择单元选择并输出所述估计的铁路车辆荷载量。

12.根据权利要求9所述的装置，其中，当所述判定单元判定所述压力传感器或者所述荷载补偿装置为正常的时候，所述选择单元选择并输出所述测得的铁路车辆荷载量。

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