CN110126854A - 一种基于gps的列车能耗估算方法 - Google Patents

一种基于gps的列车能耗估算方法 Download PDF

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胡海涛
朱君
王科
何正友
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Southwest Jiaotong University
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Southwest Jiaotong University
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
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    • B61L25/02—Indicating or recording positions or identities of vehicles or trains
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
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Abstract

一种基于GPS的列车能耗实时估算方法，其步骤主要是：A、车载GPS实时采集列车当前时刻t的位置信号S(t)，海拔高度H(t)送单片机；由单片机进行后续操作；B、算出当前时刻t的速度v(t)，加速度a(t)；C、根据列车的质量M和加速度a(t)，算出列车当前时刻t受到的合力F(t)。D、根据速度v(t)，得出基本阻力f1(t)和坡道附加阻力f2(t)。F、算出当前时刻t列车受到的阻力f(t)，进而得出当前时刻t的阻力瞬时功率P3(t)，G、得出列车的输出力FD(t)，进而算出牵引力瞬时功率P1(t)、制动力消耗的瞬时功率P2(t)、列车阻力的瞬时功率P3(t)，并由显示仪表显示。该方法方便简单地实现了司机对列车瞬时能耗的掌握，便于司机采取相应的操作措施、实现列车的更低能耗运行，降低列车运行的能耗。

Description

一种基于GPS的列车能耗估算方法
技术领域
本专利涉及一种列车能耗估算方法。
背景技术
随着高速铁路技术的迅速发展，列车的能耗问题越来越得到重视。目前，在列车运行过程中，只对列车的运行速度、关键部件的温度进行了监测与显示。并未对列车运行的瞬时能耗(功率)及累积能耗进行监测与显示，司机不清楚列车消耗的瞬时及累积功率，也就无法采取相应的措施、实现列车的低能耗运行，导致列车运行的能耗偏高。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种基于GPS的列车能耗实时估算方法，该方法能够实时估算并显示列车运行的瞬时能耗(功率)，便于司机根据估算并显示的瞬时能耗，采取相应的操作措施、实现列车的更低能耗运行，降低列车运行的能耗。
本发明实现其发明目的所采用的技术解决方案为，一种基于车载GPS的列车能耗实时估算方法，其步骤是：
A、车载GPS实时采集列车当前时刻t的位置信号S(t)、海拔高度H(t)，并将当前时刻t的位置信号S(t)和海拔高度H(t)送单片机，由单片机进行以下操作：
B、根据当前时刻t、前一时刻t-1、前两时刻t-2的位置信号S(t)、S(t-1)、S(t-2)，得出当前时刻t的速度v(t)，v(t)＝[S(t)-S(t-1)]/Δt和前一时刻t-1的速度v(t-1)，v(t-1)＝[S(t-1)-S(t-2)]/Δt，并得出当前时刻t的加速度a(t)，a(t)＝[v(t)-v(t-1)]/Δt；其中Δt为相邻采样时刻间的时间值；
C、根据列车的质量M和当前时刻t的加速度a(t)，算出列车当前t时刻受到的合力F(t)，F(t)＝M·a(t)；
D、根据当前时刻t的速度v(t)，得出当前时刻t列车受到的基本阻力f1(t)，f1(t)＝A+Bv(t)+Cv2(t)；其中，A、B、C分别是列车的零次阻力系数、一次阻力系数、二次阻力系数；
E、根据当前时刻t的海拔高度H(t)和前一时刻t-1的海拔高度H(t-1)，计算出当前时刻t列车受到的坡道附加阻力f2(t)，
其中，g为重力加速度；
F、算出当前时刻t列车受到的阻力f(t)，f(t)＝f1(t)+f2(t)，进而得出当前时刻t的阻力瞬时功率P3(t)，P3(t)＝f(t)·v(t)；
G、计算出当前时刻t列车的输出力FD(t)，
FD(t)＝F(t)-f(t)
若FD(t)＞0，则列车当前时刻t处于牵引工况，列车的输出力FD(t)为牵引力，得出当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)，P1(t)＝FD(t)·v(t)；当前时刻t的制动力消耗的瞬时功率P2(t)＝0；
若FD(t)＜0，则列车当前时刻t处于制动工况，列车的输出力FD(t)为制动力，得出当前时刻t的制动力消耗的瞬时功率P2(t)，P2(t)＝FD(t)·v(t)；当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)＝0；
若FD(t)＝0，则列车当前时刻t处于惯性滑行工况，列车的输出力为零，得出当前时刻t的制动力消耗的瞬时功率P2(t)＝0；当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)＝0；
H、将当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)、制动力消耗的瞬时功率P2(t)和列车阻力的瞬时功率P3(t)分别输出，并由显示仪表显示；
I、重复A-H的操作，直至列车停止运行。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在列车线路条件未知的情况下，通过GPS连续实时采集得到列车运行时的当前位置信号、海拔信号，得出列车运行时的速度、加速度、坡度信息，结合列车的车重和列车的阻力参数、实时估算出列车任一时刻的牵引力/制动力和列车阻力的值及其消耗的能量，并通过显示仪表进行显示。方便简单地实现了司机对列车瞬时能耗的掌握，便于司机采取相应的操作措施，如：司机可掌握列车的速度、路段与列车最低能耗的关系，从而在通过相应路段时，以最低能耗速度通过；又如：在进站等预定刹车地点，司机可以掌握刹车距离与列车能耗的关系，从而能以最少能耗实现预定地点刹车；进而实现列车在运行过程中的更低能耗运行，降低列车运行的能耗。
进一步，本发明在步骤H和步骤I之间还进行以下操作：
将初始时刻t0至当前时刻t的牵引力消耗的功率累加、得到当前时刻t牵引力消耗的总能耗
将初始时刻t0至当前时刻t的制动力消耗的功率累加，得到当前时刻t制动力消耗的总能耗
将初始时刻t0至当前时刻t的阻力消耗的功率累加，得到当前时刻t阻力消耗的总能耗
将当前时刻t的牵引力消耗的总能耗制动力消耗的总能耗和阻力消耗的总能耗分别输出，并由显示仪表显示。
这样，司机不仅能实时掌握列车的瞬时能耗，还掌握列车运行的累积能耗，进一步方便司机采取相应的操作措施、进一步实现列车的更低能耗运行，降低列车运行的能耗。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。
具体实施方式
本发明的一种具体实施方式是，一种基于GPS的列车能耗实时估算方法，其步骤是：
A、车载GPS实时采集列车当前时刻t的位置信号S(t)、海拔高度H(t)，并将当前时刻t的位置信号S(t)和海拔高度H(t)送单片机，由单片机进行以下操作：
B、根据当前时刻t、前一时刻t-1、前两时刻t-2的位置信号S(t)、S(t-1)、S(t-2)，得出当前时刻t的速度v(t)，v(t)＝[S(t)-S(t-1)]/Δt和前一时刻t-1的速度v(t-1)，v(t-1)＝[S(t-1)-S(t-2)]/Δt，并得出当前时刻t的加速度a(t)，a(t)＝[v(t)-v(t-1)]/Δt；其中Δt为相邻采样时刻间的时间值；
C、根据列车的质量M和当前时刻t的加速度a(t)，算出列车当前t时刻受到的合力F(t)，F(t)＝M·a(t)；
D、根据当前时刻t的速度v(t)，得出当前时刻t列车受到的基本阻力f1(t)，f1(t)＝A+Bv(t)+Cv2(t)；其中，A、B、C分别是列车的零次阻力系数、一次阻力系数、二次阻力系数；A、B、C三个系数可以通过现场实验测试获得；
E、根据当前时刻t的海拔高度H(t)和前一时刻t-1的海拔高度H(t-1)，计算出当前时刻t列车受到的坡道附加阻力f2(t)，
其中，g为重力加速度；
F、算出当前时刻t列车受到的阻力f(t)，f(t)＝f1(t)+f2(t)，进而得出当前时刻t的阻力瞬时功率P3(t)，P3(t)＝f(t)·v(t)；
G、计算出当前时刻t列车的输出力FD(t)，
FD(t)＝F(t)-f(t)
若FD(t)＞0，则列车当前时刻t处于牵引工况，列车的输出力FD(t)为牵引力，得出当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)，P1(t)＝FD(t)·v(t)；当前时刻t的制动力消耗的瞬时功率P2(t)＝0；
若FD(t)＜0，则列车当前时刻t处于制动工况，列车的输出力FD(t)为制动力，得出当前时刻t的制动力消耗的瞬时功率P2(t)，P2(t)＝FD(t)·v(t)；当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)＝0；
若FD(t)＝0，则列车当前时刻t处于惯性滑行工况，列车的输出力为零，得出当前时刻t的制动力消耗的瞬时功率P2(t)＝0；当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)＝0；
H、将当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)、制动力消耗的瞬时功率P2(t)和列车阻力的瞬时功率P3(t)分别输出，并由显示仪表显示；
I、重复A-H的操作，直至列车停止运行。
本例在步骤H和步骤I之间还进行以下操作：
将初始时刻t0至当前时刻t的牵引力消耗的功率累加、得到当前时刻t牵引力消耗的总能耗
将初始时刻t0至当前时刻t的制动力消耗的功率累加，得到当前时刻t制动力消耗的总能耗
将初始时刻t0至当前时刻t的阻力消耗的功率累加，得到当前时刻t阻力消耗的总能耗
将当前时刻t的牵引力消耗的总能耗制动力消耗的总能耗和阻力消耗的总能耗分别输出，并由显示仪表显示。

Claims (2)

1.一种基于GPS的列车能耗实时估算方法，其步骤是：
A、车载GPS实时采集列车当前时刻t的位置信号S(t)、海拔高度H(t)，并将当前时刻t的位置信号S(t)和海拔高度H(t)送单片机，由单片机进行以下操作：
B、根据当前时刻t、前一时刻t-1、前两时刻t-2的位置信号S(t)、S(t-1)、S(t-2)，得出当前时刻t的速度v(t)，v(t)＝[S(t)-S(t-1)]/Δt和前一时刻t-1的速度v(t-1)，v(t-1)＝[S(t-1)-S(t-2)]/Δt，并得出当前时刻t的加速度a(t)，a(t)＝[v(t)-v(t-1)]/Δt；其中Δt为相邻采样时刻间的时间值；
C、根据列车的质量M和当前时刻t的加速度a(t)，算出列车当前t时刻受到的合力F(t)，F(t)＝M·a(t)；
D、根据当前时刻t的速度v(t)，得出当前时刻t列车受到的基本阻力f1(t)，f1(t)＝A+Bv(t)+Cv2(t)；其中，A、B、C分别是列车的零次阻力系数、一次阻力系数、二次阻力系数；
E、根据当前时刻t的海拔高度H(t)和前一时刻t-1的海拔高度H(t-1)，计算出当前时刻t列车受到的坡道附加阻力f2(t)，
其中，g为重力加速度；
F、算出当前时刻t列车受到的阻力f(t)，f(t)＝f1(t)+f2(t)，进而得出当前时刻t的阻力瞬时功率P3(t)，P3(t)＝f(t)·v(t)；
G、计算出当前时刻t列车的输出力FD(t)，
FD(t)＝F(t)-f(t)
若FD(t)＞0，则列车当前时刻t处于牵引工况，列车的输出力FD(t)为牵引力，得出当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)，P1(t)＝FD(t)·v(t)；当前时刻t的制动力消耗的瞬时功率P2(t)＝0；
若FD(t)＜0，则列车当前时刻t处于制动工况，列车的输出力FD(t)为制动力，得出当前时刻t的制动力消耗的瞬时功率P2(t)，P2(t)＝FD(t)·v(t)；当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)＝0；
若FD(t)＝0，则列车当前时刻t处于惯性滑行工况，列车的输出力为零，得出当前时刻t的制动力消耗的瞬时功率P2(t)＝0；当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)＝0；
H、将当前时刻t的牵引力瞬时功率P1(t)、制动力消耗的瞬时功率P2(t)和列车阻力的瞬时功率P3(t)分别输出，并由显示仪表显示；
I、重复A-H的操作，直至列车停止运行。
2.根据权利要求1所述的一种基于GPS的列车能耗实时估算方法，其特征在于，在步骤H和步骤I之间还进行以下操作：
将初始时刻t0至当前时刻t的牵引力消耗的功率累加、得到当前时刻t牵引力消耗的总能耗
将初始时刻t0至当前时刻t的制动力消耗的功率累加，得到当前时刻t制动力消耗的总能耗
将初始时刻t0至当前时刻t的阻力消耗的功率累加，得到当前时刻t阻力消耗的总能耗
将当前时刻t的牵引力消耗的总能耗制动力消耗的总能耗和阻力消耗的总能耗分别输出，并由显示仪表显示。
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