CN106458226B - 用于提高机车车辆的效率的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在当列车以自动化模式或者以列车操作员辅助模式运行时，例如，通过机车在执行列车操作和分流时节省铁路机车车辆消耗的能量。用于增加机车车辆的效率的方法包括以下步骤：获取机车车辆的参数，机车车辆的参数包括至少以下：速度、坐标、架空系统电压、牵引发动机电流电压、制动管路排放；另外，确定至少主动牵引力的依赖参数、制动力的依赖参数、运动阻力的依赖参数、车轮粘附至铁轨的力的依赖参数、及机车车辆的质量的依赖参数；然后，基于在先前步骤期间获取的依赖参数确定待通过铁路机车车辆的牵引和制动装置进行的最佳控制；然后，将在先前步骤期间确定的最佳控制传输至机车车辆控制系统用于实现或者用于向列车操作员显示。

Description

用于提高机车车辆的效率的方法和系统
技术领域
设计本发明以提供在自动或者驾驶员辅助道路服务中用于列车和分流操作的铁路列车(例如机车)使用的能量的节约。
背景技术
确保拉力最大效率的有效控制是铁路列车操作的重要方面。目前，铁路列车处理效率依靠驾驶员的经验，因此仅有经验的驾驶员意识到最有效地方法控制铁路列车。
以下，定义本发明的进一步描述中使用的特定术语。
机车效率是通过机车的非动力轮执行的有效工作与用于在具有独立的动力装置的自主机车(蒸汽或者柴油提供动力的机车)中执行的工作量，或者与从(电气机车或者电气列车中的)架空系统获取的能量的比率。机车的效率取决于参与将输入的电能转换为机械能并将机械能转移至驱动轮的所有单元的效率，以及取决于用于服务和辅助目的的能量消耗。机车的效率可以分为在列车运动期间被视为动力装置的机车的效率和其操作效率，以及在机车停止时维持机车的可操作条件的燃料(能量)消耗的效率，其中，操作效率是机车各种操作模式下的操作时间的函数。在停止期间，蒸汽动力的机车的燃料消耗明显高于柴油动力的机车的燃料消耗；电气机车的能量消耗可以忽略。柴油动力的机车的效率取决于柴油发动机的设计特点、传动齿轮的结构、冷却设备、辅助机构、周围气温及压力、有用功及其他方面；柴油机动力的机车的最高效率约是30％，其操作效率约是25％。不具有独立的动力装置的电气机车的效率是88至90％，电力牵引的效率(包括发电厂的效率、外部及牵引动力提供设备的效率以及电动机车的效率)约是22-24％。
铁路轨道线(轨道线)是由铁路的半径限定的铁路的曲率。
轨道坡度是与某个点有关的轨道升高的幅度。
制动排放值是列车的制动管线在气压制动期间的压力下降。
有各种系统和方法来增加操作效率，所有系统和方法具有特定的限制。
本技术解决方案趋向于使用列车的通常规范。
在产品中，实际牵引特性与假设用于具体类型的机车的规范偏差最多10％是可接受的。在超过30年的使用寿命内，牵引特性的偏差增加。运动的阻力的实际值与它们的平均值的差别更大。在某些情况下，偏差可以达到40％。车轮与铁轨牵引系数的实际值具有与其平均值的最大偏差。由于特定气候影响和一些铁路条件，实际的牵引系数可能小于估计值的2.5倍，因此相应地降低机车的可用牵引作用力的最大可能值的2.5倍。
本技术包括通用电气公司(US)于2011年1月20日公开的发明RU2409484“用于改进列车驾驶技术并且减少燃料消耗的方法和系统(Method and System for Improvement ofTrain Driving Technique and Decrease in Fuel Consumption)”。本发明涉及改进列车驱动技术的方法和系统。该方法包括估计列车的重量，确定机车驱动的列车的当前位置，在列车到达具有轨道地势变动的部分的瞬间之前检测该部分，并且调节机车驱动的列车的动力输出。描述的解决方案没有使用牵引和制动特性的实际(为具体的列车计算的)参数(其使用平均值)，运动阻力与车轮与铁轨牵引值之间的依赖的实际(为具体的列车计算的)参数(其使用平均值)，因此控制作用不太准确和有效。机车驱动的列车与外界条件的依赖性的实际值的计算是计算使能量消耗最小化以保证有效工作的控制作用必需的。
发明内容
提出的发明被设计成能除去现有发明中的缺点。
本发明的效果是最小化列车和分流操作的能量消耗。该效果通过估计牵引和制动特性的依赖的实际值、运动的阻力和在能量有效控制输入的计算中使用的车轮与铁轨的牵引系数的依赖的实际值实现。
在本发明的实施方式的其中一个中，提高列车的效率的方法包括以下步骤：获取列车参数，包括至少以下：速度、坐标、架空接触系统电压、牵引发动机电压、制动放电值。除此之外，至少估计以下值：有效牵引作用力的依赖参数、制动力的依赖参数、运动阻力的依赖参数、车轮与铁轨的牵引力的依赖参数、列车重量的依赖参数。然后，基于在先前步骤获取的依赖值，确定待通过铁路列车的牵引和制动装置实施的最佳控制输入。然后，在先前步骤确定的最佳控制输入传输至列车的控制系统以执行或者向驾驶员显示。
在本发明的一些实施方式中，上述方法的步骤在周期中执行。
在本发明的一些实施方式中，使用无线电导航系统确定列车的坐标和速度。
在本发明的一些实施方式中，将GPS或者Glonass用作为无线电导航系统。
在本发明的一些实施方式中，基于在先前计算周期期间获取的数据确定至少估计所述列车的重量所需的运动的总阻力和制动作用力。
在本发明的一些实施方式中，使用里程计传感器确定列车的坐标和速度。
在本发明的一些实施方式中，基于至少一个先前周期的数据确定至少列车的重量和以下依赖的值：用作牵引作用力、制动作用力、运动阻力值及车轮与铁轨牵引作用力。
在本发明的一些实施方式中，使用通过计算确定的这些依赖的值确定至少依赖的值和列车的重量。
在本发明的一些实施方式中，使用先验统计信息确定估计列车的重量所需的参数。
在本发明的一些实施方式中，先验统计信息包括至少统计期望和估计的参数的协方差矩阵以及测量误差的协方差矩阵。
在本发明的一些实施方式中，先验统计信息包括至少统计期望和估计的参数的相关矩阵以及测量误差的相关矩阵。
在本发明的实施方式的其中一个中，可以实现为设计成能提高列车的效率的系统，该系统包括：一个或多个指令处理设备、一个或多个数据存储设备、一个或多个程序，其中，一个或多个程序存储在一个或多个数据存储设备上并且通过一个或多个处理器处理，其中，一个或多个程序包括以下指令：获取列车参数，列车参数包括至少以下：速度、坐标、架空系统电压、牵引发动机电压、制动排放值。除此之外，至少估计以下值：有效牵引作用力的依赖参数、制动力的依赖参数、运动阻力的依赖参数、车轮与铁轨的牵引力的依赖参数、列车重量的依赖参数。然后，基于在先前步骤获取的依赖参数，通过铁路列车的牵引和制动装置进行最佳控制输入。然后，在先前步骤确定的最佳控制输入传输至列车的控制系统以执行或者向驾驶员显示。
系统可以实现为具有重复执行指令的能力。
系统可以实现为具有使用无线电导航系统确定列车的坐标和速度的能力。
在该系统的一些实施方式中，将GPS或者Glonass用作为无线电导航系统。
该系统可以实现为具有将无线电导航系统确定列车的坐标和速度的能力。
系统可以实现为具有基于先前周期确定至少估计列车的重量所需的运动的总阻力和制动作用力值的能力。
在本发明的一些实施方式中，基于至少一个先前周期的数据确定至少列车的重量和以下依赖的参数：用作牵引作用力、制动作用力、运动阻力的值及车轮与铁轨牵引作用力。
系统可以实现为具有使用先验统计信息确定估计列车的重量所需的参数的能力。
在系统的一些实施方式中，先验统计信息包括至少统计期望和估计的参数的协方差矩阵以及测量误差的协方差矩阵。
在系统的一些实施方式中，先验统计信息包括至少统计期望和估计的参数的相关矩阵以及测量误差的相关矩阵。
系统可以实现为具有使用在计算期间确定的这些依赖的值估计依赖的最小值和列车的重量的能力。
在本发明的一些实施方式中，本发明实现为分布式效率提高系统，该系统包括：
√使用通信设施连接的两个或多个计算机系统，其中，系统中的每一个包括以下：
√
ⅰ.一个或多个指令处理设备；
ⅱ.一个或多个数据存储设备；
ⅲ.一个或多个程序，实现用于提高上述的列车的效率的方法，其中，方法的步骤可以在不同的计算机系统上执行。
具体实施方式
以几个实施方式的方式提出的本发明可以实施为利用计算机实现的方法，实施为包含实施以上方法的指令的计算机可读介质或者系统。
在某些实施方式中，本发明可以实施为分布式计算机系统。
为了本发明的目的，系统是计算机系统、ECM(电子计算机)、PNC(程序数字控制)、PLC(编程逻辑控制器)、计算机化控制系统以及有能力执行一组详细限定的操作序列(动作、指令)的任何其他设备。
指令处理设备是执行计算机指令(程序)的电子单元或者集成电路(微处理器)。
指令处理设备从一个或多个数据存储设备读取计算机指令(程序)并且执行这些指令。数据存储设备可包括但不限于，硬盘驱动器(HDD)、闪速存储驱动器、ROM(只读存储器)、固态存储器(SSD)或者光驱动器。
程序是设计成能通过计算机的控制设备或者通过指令处理设备执行的一系列指令。
在本发明中，能量节省效果通过在时间T期间针对距离sk-s0估计并应用机车驱动列车的牵引力和制动力、以及符合包括(不限于)速度限制以及机车警告系统的指示的安全要求来实现，因此用于列车操作的机车使用的能量将最小：
其中：
M是列车的重量，t；
v是速度，m/s；
F是装备有能量回收系统的牵引传动装置的牵引作用力或者制动作用力，kN；
Fэ是没有装备能量回收系统的牵引传动装置的制动作用力，kN；
W是运动的总阻力，kN；
B是气动(电气)制动作用力，kN；
ζ是转换因子，其取决于计算中使用的测量单位；
p是制动排放值，kPa；
x是当前坐标；
γ是惯性因子；
tp是从应用气压制动器的瞬间过去的时间。
为了计算能量最优牵引作用力F,需要知道以下依赖的当前值：
●铁路列车的运动的总阻力；
●车轮对铁轨的牵引力；
●机车驱动的列车的牵引力；
●机车驱动的列车的制动力。
此外，需要使用机车驱动的列车的技术规范确定的最大牵引作用力和最小牵引作用力的值。
术语“依赖值”应该是指用于表达式y＝f(x，p)的每对值x，y这样一个值p(p是维度向量n)，并且用于每个p遵循pi＝const(既不取决于x又不取决于y)。
根据本发明的提高列车的效率的方法包括以下步骤：
获取列车参数，列车参数包括至少以下：
√速度、坐标、牵引驱动电压、牵引发动机电流、制动排放值；列车的速度和坐标可以基于(不限于)传感器指示或者通过使用无线电定位设施，例如，Glonass的GPS确定。
确定有效牵引作用力的依赖值，基于该依赖值确定有效牵引作用力；
对测量的参数(例如用于具有整流式电动机的机车)的实际(有效的)牵引作用力的依赖可以表示如下：
Fφ＝ω(v，I，U), (2)
其中v是机车驱动的列车的运动速度；
I是流过机车驱动的列车的牵引发动机的电枢电路的电流；
U是机车驱动的列车的牵引发动机的电枢绕组的电流。
此后，在本发明中，可以使用(不限于)卡尔曼滤波方法计算分析依赖因子。因子计算的依赖类型和使用的方法对本发明不重要。
计算的机车的牵引作用力受最小力和最大力的限制，在技术上这可以通过机车驱动的列车的牵引驱动实现
Fmin＜F＜Fmax (3)
根据一个实施方式，在构造和调整阶段输入最小牵引作用力和最大牵引作用力。
在一些实施方式中，驾驶员通过人机接口输入最小牵引作用力和最大牵引作用力。
确定列车的重量；
列车的重量通过使用表达式(1)分析确定，应注意，在一些实施方式中，为了确定列车重量的值，可能需要一个或几个规定的参数(M、F、Fэ、W、B)。
在一些实施方式中，借助于先验信息确定计算列车的重量必需的参数，其中，先验信息包括至少统计期望、估计的参数的协方差矩阵以及测量误差的协方差矩阵。
在本发明的一些实施方式中，基于在先前计算周期期间获取的数据确定至少估计列车的重量所需的运动的总阻力和制动作用力。
列车重量的计算方法对本发明不重要并且可以改变。
确定有效制动作用力的依赖值，基于该依赖值确定有效制动作用力；
制动作用力B可以通过以下分析依赖表示：
其中，是建立制动排放值与制动作用力B之间的关系的分析依赖。
p是制动排放值，kPa；
v是速度，m/s；
tp是从应用气压制动时过去的时间。
确定运动阻力依赖值，基于该运动阻力依赖值确定运动的总阻力；
通过运动的主要阻力与附加阻力确定运动的总阻力，运动的总阻力至少可包括由于铁路i的平面和纵面发生的运动的阻力：
W＝M·(i(x)+aw+bwv+cwv2)， (5)
其中，aw、bw、cw是依赖因子；
M是列车的重量，t；
v是速度，m/s；
i(x)是由于铁路的平面和纵面的运动导致的具体阻力，
确定牵引因素依赖值，基于该牵引因素依赖值确定实际牵引因子；
车轮对轨道的牵引力Fadh可以通过以下分析依赖表示：
F≤Fadh＝aadh+badhv+cadhv2 (6)
其中，aadh、badh、cadh是需要计算的依赖参数；
v是机车驱动的列车的运动速度；
显然地，列车的牵引作用力不能超过牵引力。Fadh
借助于在先前步骤计算的数据，确定当前和估计的最佳控制输入，该输入包括牵引作用力或者制动作用力。
利用依赖(2)、(4)、(5)及(6)值和已知的列车重量，计算出牵引作用力以保证最低能量消耗。
机车驱动的列车的功率输入值的最佳值与机车驱动的列车的用于执行、或者用于向操作员显示的控制系统相关。
本领域中的技术人员容易理解的是本文描述的用于提高列车的效率的方法和系统的具体实施方式仅是实例而且在本发明的精神和范围内的各种变形是可能的。

Claims (16)

1.一种用于提高机车车辆的效率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
●获取机车车辆参数，所述机车车辆参数包括至少：
速度、坐标、架空系统电压、牵引发动机电流电压、制动排放值；
●基于所获取的所述机车车辆参数，至少确定有效牵引力、制动力、运动阻力、车轮对铁轨的牵引力的当前的依赖参数；
●确定所述机车车辆的质量；
●基于在先前步骤获取的所述依赖参数，确定当前和预测的最佳控制效果，所述最佳控制效果最小化机车车辆运行中机车使用的、并且由铁路机车车辆的牵引和制动设备实现的能量消耗；
●将在先前步骤发现的最佳控制效果发送至机车车辆控制系统以执行。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，意味着步骤的循环性能。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用无线电导航系统确定坐标和速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将GPS或者Glonass用作为无线电导航系统。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过里程计传感器测量所述机车车辆的坐标和速度。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于先前计算周期获取的数据找到至少估计所述机车车辆的重量所需的运动的总阻力和制动作用力。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于至少一个先前计算周期获取的数据找到至少所述机车车辆的重量和任一以下依赖的参数：
有效牵引力、制动力、运动阻力及车轮对铁轨牵引力。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，意味着基于先验统计信息找到计算所述机车车辆的重量所需的参数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述先验统计信息包括至少统计预期，估计的参数的协方差矩阵以及测量误差的协方差矩阵。
10.一种用于提高机车车辆性能的系统，其特征在于，所述系统包括：
一个或多个指令处理设备；
一个或多个数据存储设备；
一个或多个程序；
其中，所述一个或多个程序存储在一个或多个数据存储设备上并且由一个或多个处理器处理，其中，一个或多个程序包括以下指令：
●获取机车车辆参数，所述机车车辆参数包括至少以下：
速度、坐标、牵引驱动电压、牵引发动机电流、制动排放值；
●基于所获取的机车车辆参数，至少确定有效牵引力、制动作用力、运动阻力、车轮对铁轨的牵引力的当前的依赖的参数；
●确定所述机车车辆的重量；
●基于在先前步骤获取的依赖参数，确定当前和预测的最佳控制效果，所述最佳控制效果最小化机车车辆运行中机车使用的、并且由铁路机车车辆的牵引和制动设备实现的能量消耗；
●将在先前步骤确定的最佳控制效果发送至机车车辆控制系统以执行。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述系统被配置为重复执行指令。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，所述系统被配置为通过无线电导航系统测量所述机车车辆的坐标和速度。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，将GPS或者Glonass用作所述无线电导航系统。
14.根据权利要求10所述的系统，其中，所述系统被配置为通过里程计传感器测量所述机车车辆的坐标和速度。
15.根据权利要求10所述的系统，其中，所述系统被配置为基于先前计算周期获取的数据计算至少估计所述机车车辆的重量所需的运动的总阻力和制动作用力值。
16.根据权利要求10所述的系统，其中，所述系统被配置为基于至少一个先前计算周期获取的数据计算至少所述机车车辆的重量和以下依赖参数：
有效牵引力、制动作用力、运动阻力及轮对铁轨的牵引力。
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