CN111267888B - 一种基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法及调节系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法及调节系统，首先通过安全摄像头实时获取车厢内图像数据，由车载计算机进行处理，得到车厢内所需实时风量数据。随后由车载PLC根据风量数据，结合车厢内通风机与冷凝风机特性计算得出风机电源频率模拟信号；最后通过为通风机与冷凝风机设置变频器，接收风机电源频率模拟信号，对风机进行频率控制。本发明可以针对车厢内人数实际情况相应调整风机转速，以达到风量调节的目的，同时风机工作在变频控制模式下，可以减少能源浪费，提高能源利用率。

Description

一种基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法及调 节系统
技术领域
本发明涉及高速铁路分方法空调系统领域，是一种基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法及调节系统。
背景技术
高速铁路空调系统是保持列车车厢空气环境舒适的列车重要组成部分，主要部分为压缩机、通风机、冷凝风机和新、回风风量调节阀以及送风道、回风道等，电机均使用三相异步电动机。压缩机通过温度传感器，进行变频调速，以适配车厢内所需制冷量，维持车厢内部温度基本不变。同时通过新风口吸入一定量的外界新风，排气口排出对应量的室内空气，以达到车厢内部和外界气体交换的目的。通风机在车厢内人数变化大时，不能够及时进行调速。假设车厢出风口风量已由乘务员设定，当车厢内人数从多便少时，通风机转速依旧维持在原有速度，这样便造成能源的浪费，同时，较大的风量会干扰甚至破坏车厢内温度场，影响乘客舒适度。
现有高速铁路空调出风口风量为乘务员统一控制，且只有挡位有级控制，如强风、弱风等，需要人员手工调节。当车厢人数增多或减少时，由于不能根据车厢人数，及时调节空调通风机和冷凝风机的速度，因而造成送风量和回风量与实际所需风量相差太远的情况。当车厢内人数较少，而风机转速仍然较大时，便会造成能源的浪费。
发明内容
针对现有高速铁路风量系统控制方式存在的不足，提出一种基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法及调节系统，为实现风机实时调速提供解决方案。
本发明基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法，通过下述步骤实现：
步骤1：实时获取车厢内图像数据。
步骤2：对步骤1中获取的车厢内图像数据进行处理，得到车厢内所需实时风量数据。
步骤3：根据步骤2中得到的风量数据，结合车厢内风机特性计算得出用于控制风机电源频率的电压控制信号。
步骤4：通过为风机设置变频器，接收步骤3中得到的电压控制信号，对风机进行频率控制。
本发明基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节系统，包括车载安全摄像头、车载计算机、车载PLC、风机变频器与风机。
所述车载安全摄像头安装于车厢内，获取车厢内图像数据，经由视频线发送至装有视频采集卡的车载计算机。
车载计算机与车载PLC之间通过RS-232端口建立通信，车载计算机接收到视频图像数据后，对图像进行处理，得到准确的车厢内所需实时风量数据，作为风量控制信号经RS-232端口发送至车载PLC。
PLC对接收到的风量数据进行处理，得出用于控制风机电源频率的电压控制信号。
风机包括通风机与冷凝风机。风机变频器包括通风机变频器与冷凝风机变频器，分别串联于通风机与电源、冷凝风机与电源之间。风机变频器与冷凝风机变频器的模拟量输入端子连接到车载PLC的DA模块模拟量输出端。
车载PLC根据得出的通风机与冷凝风机的电压控制信号对通风机和冷凝风机进行频率控制，实现通风机和冷凝风机的变频调速。
本发明的优点为：本发明基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节系统及方法，与现有技术相比，可以针对车厢内人数实际情况相应调整风机转速，以达到风量调节的目的，同时风机工作在变频控制模式下，可以减少能源浪费，提高能源利用率。
附图说明
图1为本发明基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法流程图。
图2为本发明基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节系统结构框图。
图中：
1-车载安全摄像头 2-车载计算机 3-车载PLC
4-通风机变频器 5-冷凝风机变频器 6-通风机
7-冷凝风机
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
本发明基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法，如图1所述，通过下述步骤实现：
步骤1：实时获取车厢内图像数据。
步骤2：对步骤1中获取的车厢内图像数据进行处理，得到车厢内所需实时风量数据。
首先通过python程序进行图像处理，由于摄像头相对车厢和车厢座位而言总是固定的，那么便可以按照座位进行图像分割得到若干图像块，并对每一个图像块进行人脸识别处理，得到车厢内实时乘客分布数据，并进一步统计得到车厢内实时人数。
随后采用CFD的方法，对空调系统即周围流场进行模拟仿真，CFD基于有限元法模拟了空调系统运行时的流体流动和传热过程，同时具有低成本和高效率的优点，最终根据仿真结果建立风量-需求模型，即当给定一种乘客分布(均匀分布、顺序分布、混合分布)时，可以根据该模型得到准确的车厢内所需实时风量数据。上述均匀分布具有最低的乘客密度，顺序分布乘客密度最高，混合分布介于均匀分布和顺序分布之间，即整个车厢内一半的乘客均匀分布，另一半顺序分布。
步骤3：根据步骤2中得到的风量数据，结合车厢内风机特性计算得出用于控制风机电源频率的电压控制信号。
步骤4：通过风机接入变频器，接收步骤3中得到的电压控制信号，对风机进行频率控制，实现风机的变频调速。
针对上述方法，本发明还提出一种基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节系统，如图2所示，包括车载安全摄像头、车载计算机、车载PLC、风机变频器与风机。
所述车载安全摄像头安装于车厢内，根据预设的采集频率获取车厢内图像数据，经由视频线发送至装有视频采集卡的车载计算机。
车载计算机与车载PLC之间通过RS-232端口建立通信，车载计算机接收到视频图像数据后，对图像进行处理，得到准确的车厢内所需实时风量数据，作为风量控制信号经RS-232端口发送至车载PLC。
PLC对接收到的风量数据作进一步处理，根据风量数据结合通风机与冷凝风机的特性，计算得出用于控制风机电源频率的电压控制信号。
所述风机包括通风机与冷凝风机。风机变频器包括通风机变频器与冷凝风机变频器，分别串联于通风机与电源、冷凝风机与电源之间。变频器是一种通过控制输入电流(4～20mA)或输入电压(0～20V)改变交流电频率的一种变换器；本发明中，通风机变频器与冷凝风机变频器的模拟量输入端子连接到车载PLC的DA模块模拟量输出端。车载PLC根据得出的电压控制信号对通风机和冷凝风机进行频率控制，实现通风机和冷凝风机的变频调速，达到转速适配于车厢风量需求的目的。
上述风机变频器与冷凝风机变频器运行模式预设为外部运行模式，运行频率设定为外部运行频率，模拟频率输入设定为电压信号。当通风机变频器与冷凝风机变频器接收到电压控制信号，根据电压控制信号大小，改变提供到风机上的三相异步电动机电压和频率，根据三相异步电动机转速公式：
Figure BDA0002426782380000041
n为电动机转速，f为供电电源频率，s为转差率，p为电机极对数。变频器根据该电压控制信号，调节输出电源频率和电压，便能够控制风机转速，使其适配于车厢所需要的实际风量。由于风机负载为流体负载，其转矩特性为：一定的速度范围内，叶轮转动空气或液体时产生的阻力大致与n2成正比。根据电动机转矩T＝9550*P/n，得到电动机功率P＝T*n/9550，所需的功率与n3成正比。故而能够根据所需要的实际风量进行转速控制，达到节能目的。

Claims (2)

1.一种基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法，其特征在于：通过下述步骤实现：
步骤1：实时获取车厢内图像数据；
步骤2：对步骤1中获取的车厢内图像数据进行处理，得到车厢内所需实时风量数据；首先通过python程序进行图像处理，按照座位进行图像分割得到若干图像块，并对每一个图像块进行人脸识别处理，得到车厢内实时乘客分布数据，并进一步统计得到车厢内实时人数；
随后采用CFD的方法，对周围流场进行模拟仿真，根据仿真结果建立风量-需求模型，当给定一种乘客分布为均匀分布、顺序分布或混合分布时，根据该模型得到准确的车厢内所需实时风量数据；上述均匀分布具有最低的乘客密度，顺序分布乘客密度最高，混合分布介于均匀分布和顺序分布之间，即整个车厢内一半的乘客均匀分布，另一半顺序分布；
步骤3：根据步骤2中得到的风量数据，结合车厢内风机特性计算得出用于控制风机电源频率的电压控制信号；
步骤4：通过为风机设置风机变频器，接收步骤3中得到的电压控制信号，对风机进行频率控制；
上述风机包括通风机与冷凝风机；风机变频器包括通风机变频器与冷凝风机变频器，通风机变频器串联于通风机与电源之间，冷凝风机变频器串联于冷凝风机与电源之间；通风机变频器与冷凝风机变频器的模拟量输入端子分别连接到车载PLC的DA模块模拟量输出端；
车载PLC根据得出的用于风机控制的电压控制信号对通风机和冷凝风机进行频率控制，实现通风机和冷凝风机的变频调速；
上述风机变频器与冷凝风机变频器运行模式预设为外部运行模式，运行频率设定为外部运行频率，模拟频率输入设定为电压信号；当通风机变频器与冷凝风机变频器接收到电压控制信号，根据电压控制信号大小，改变提供到风机上的三相异步电动机电压和频率，根据三相异步电动机转速公式：
Figure FDA0003252616990000011
n为电动机转速，f为供电电源频率，s为转差率，p为电机极对数；风机变频器根据该电压控制信号，调节输出电源频率和电压，便能够控制风机转速，使其适配于车厢所需要的实际风量；由于风机负载为流体负载，其转矩特性为：一定的速度范围内，叶轮转动空气或液体时产生的阻力与n2成正比；根据电动机转矩T＝9550*P/n，得到电动机功率P＝T*n/9550，所需的电动机功率与n3成正比；故而能够根据所需要的实际风量进行转速控制，达到节能目的。
2.使用如权利要求1所述的一种基于乘客数量及分布的高速铁路空调风量调节方法的调节系统，其特征在于：包括车载安全摄像头、车载计算机、车载PLC、风机变频器与风机；
所述车载安全摄像头安装于车厢内，获取车厢内图像数据，经由视频线发送至装有视频采集卡的车载计算机；
车载计算机与车载PLC之间通过RS-232端口建立通信，车载计算机接收到视频图像数据后，对图像进行处理，得到准确的车厢内所需实时风量数据，作为风量控制信号经RS-232端口发送至车载PLC；
PLC对接收到的风量数据进行处理，得出用于控制风机电源频率的电压控制信号。
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