CN111301375B - 一种用于轨道车辆的制动力管理系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于轨道车辆的制动力管理系统及方法，其中系统包括通讯数据采集单元、中心处理单元、调控中心、制动力分配单元、通讯数据转换单元和通讯数据映射单元。其中通讯数据采集单元负责从列车通讯网络中采集车辆的状态信息、牵引系统和制动系统的控制数据和状态数据。通讯数据采集单元的作用是从列车通讯网络中采集车辆的状态信息、牵引系统和制动系统的控制数据和状态数据。其中该管理系统对轨道上所有车辆进行车辆总制动力计算、牵引系统电制动力分配、制动系统机械制动力分配、电制动/机械制动配合、防滑防空转控制期间的分配、保持制动施加控制均纳入制动力管理范畴并进行统一控制。

Description

一种用于轨道车辆的制动力管理系统及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通车辆的控制技术，尤其涉及一种用于轨道车辆的制动力管理系统及方法。

背景技术

随着轨道交通车辆的网络控制系统逐步成熟，其稳定性和安全性不断提高，因此承担的控制功能越来越多也越来越重要。

车辆制动力管理是车辆在制动工况下的一系列控制动作的总称，通过信号系统或者司机室控制器获得制动指令和级位，由车辆的网络控制系统、牵引系统和制动系统共同完成。

目前，网络控制系统实现的各种制动力管理方法和装置各有优势，但始终未能统筹管理制动过程的全部阶段和各种工况，这些方法和装置也没有明确建立统一的管理方法以适应MVB、以太网或CAN等不同网络通讯技术。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种用于轨道车辆的制动力管理系统，具体包括：

通讯数据采集单元，从列车通讯网络中采集车辆的状态信息、牵引系统和制动系统的控制数据和状态数据；

中心处理单元，接收所述通讯数据采集单元传送的数据信息，将该数据进行量纲转换、物理量转换和关联数据统计获得统一标准的数据信息；

接收中心处理单元传送的统一标准的数据信息的调控中心，所述调控中心根据接收到标准信息计算车辆总制动力、牵引系统总可用电制动力、各车辆单元最大黏着力、制动系统总机械制动力以及分析车辆电制动/空气制动转换点的逻辑控制过程；

制动力分配单元，为各牵引单元分配电制动力、为各制动单元分配机械制动力；

通讯数据转换单元，接收所述制动力分配单元传送的分配结果将该结果转换成通讯数据定义的类型；

通讯数据映射单元，将通讯数据传送至网络控制系统的通讯接口中。

所述控制数据来自具有授权的驾驶室控车指令或者来自具有控车权限的信号系统车载设备；所述状态数据来自牵引系统和制动系统的关于其自身或车辆的实时状态信息,所述控制数据包括各车辆单元的重量、牵引控车指令、制动控车指令、级位控车指令、车辆速度、车辆零速信号，所述状态数据包括牵引单元可用状态、制动单元可用状态、电制动力能力值、电制动力实际值、电制动退出状态、进行空转/滑行控制的状态信息。

所述中心处理单元包括：子系统状态处理单元、车辆状态处理单元、指令处理单元和子系统互通处理单元。

所述调控中心包括综合控制与管理单元和制动力计算单元，所述制动力计算单元根据统一标准的数据信息进行进行车辆总制动力计算：在制动工况下根据公式F＝kma，其中其中k为载重修正系数，m为车辆总重量，a为减速度值；其中k的值根据不同重量得出或者根据重量补偿策略计算得出，a是最大等效减速度与最大等效减速度百分比的乘积。

所述制动力计算单元计算牵引系统总可用电制动力时：判断各个牵引单元的可用状态以及通讯状态，将能够发挥电制动的牵引单元当前电制动能力值进行求和运算获取车辆总电制动可用值。

所述综合控制与管理单元根据牵引单元自身健康状态信息和空转/滑行工况以及黏着给出即时的可施加值作为电制动可用值。

所述综合控制与管理单元根据优先使用电制动力原则、将车辆总制动力与总电制动实际值的差值定义为总机械制动力；

所述综合控制与管理单元根据制动系统可用的机械制动力进行求和运算，将求和结果与总机械制动力进行比较、判断总机械制动力的正负，根据该判断结果确认整车制动的余量和异常状况。

所述制动力分配单元分配电制动力时采用分阶段分配策略将该过程分为初期、中期、中后期和后期四个阶段；

制动过程初期是等待电制动建立的过程，在收到制动指令后考虑延时时间Tb，其中延时时间Tb通过牵引计算结合实际调试获得；制动过程中期是初期结束到中后期之间的阶段；制动过程中后期是达到电制动/机械制动转换点开始到保持制动施加前的阶段；制动过程后期是保持制动施加条件满足到车辆完成制动停车的过程；其中当所有牵引单元具备极低速度仍提供电制动力的能力时，中后期阶段可合并为中期。

所述制动力分配单元分配机械制动力时采用平均分配方式或拖车优先分配方式，其中平均分配是将总机械制动需求平均分配到各个可用的制动单元；拖车优先是实际拖车单元和电制动力不可用的动车单元优先平均分配，如果平均分配的值超过某个单元的可用值，则将除了这个单元看可用的余下的部分平均分配到其他单元，如果所有拖车单元和电制动不可用的动车单元分配完成后仍有不足，则平均分配到动车单元。

一种用于轨道车辆的制动力管理方法，具体包括以下步骤：

从列车通讯网络中采集车辆的状态信息、牵引系统和制动系统的控制数据和状态数据；

该控制数据和状态数据进行量纲转换、物理量转换和关联数据统计获得统一标准的数据信息；

根据统一标准的数据信息计算车辆总制动力、牵引系统总可用电制动力、各车辆单元最大黏着系数、制动系统总机械制动力以及分析车辆电制动/空气制动转换点的逻辑控制过程；

为各牵引单元分配电制动力、为各制动单元分配机械制动力，并将分配结果进行数据类型转换，同时将转换后的数据传送至网络控制系统的通讯接口中。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种用于轨道车辆的制动力管理系统及方法，其中该管理系统对轨道上所有车辆进行车辆总制动力计算、牵引系统电制动力分配、制动系统机械制动力分配、电制动/机械制动配合、防滑防空转控制期间的分配、保持制动施加控制均纳入制动力管理范畴并进行统一控制，因此该系统可以发挥网络控制系统面向全列车组网的优势，是不同通讯技术均适用的统一的管理系统。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明制动力管理系统的结构示意图；

图2为本发明制动力管理系统的工作流程图；

图3为本发明提供的方法中定义的制动过程的各个阶段的示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

如图1和图2所示的一种用于轨道车辆的制动力管理系统，具体包括：通讯数据采集单元、中心处理单元、调控中心、制动力分配单元、通讯数据转换单元和通讯数据映射单元。

其中通讯数据采集单元负责从列车通讯网络中采集车辆的状态信息、牵引系统和制动系统的控制数据和状态数据。

通讯数据采集单元的作用是从列车通讯网络中采集车辆的状态信息、牵引系统和制动系统的控制数据和状态数据。工作状态下，网络控制系统从通讯网络中收取车辆、牵引系统和制动系统的控制和状态数据，包括：各车辆单元的重量、牵引控车指令、制动控车指令、级位控车指令、车辆速度、车辆零速信号、牵引单元可用状态、制动单元可用状态、电制动力能力值、电制动力实际值、空转/滑行状态。

所述的通讯网络包括：以太网、MVB总线、CANOpen总线等列车通讯网络；

所述的控制数据包括：来自具有授权的驾驶室控车指令或者来自具有控车权限的信号系统车载设备；

所述的状态数据包括：来自牵引系统和制动系统的关于其自身或车辆的实时状态信息。

中心处理单元的作用是接收所述通讯数据采集单元传送的数据信息，将该数据进行量纲转换、物理量转换和关联数据统计获得统一标准的数据信息。其中一的标准数据包括：不同车辆、牵引和制动系统提供的通讯数据并不一致，但均应可以通过计算、转换变为进一步可用的一系列数据。

调控中心的作用是根据接收到标准信息计算车辆总制动力、牵引系统总可用电制动力、各车辆单元最大黏着系数、制动系统总机械制动力以及分析车辆电制动/空气制动转换点的逻辑控制过程。

制动力分配单元作用是为各牵引单元分配电制动力、为各制动单元分配机械制动力。

通讯数据转换单元作用是接收所述制动力分配单元传送的分配结果将该结果转换成通讯数据定义的类型。其中转换的方式包括量纲转换、物理量转换、关联数据计算等。

通讯数据映射单元的作用是将通讯数据传送至网络控制系统的通讯接口中。通讯数据输出映射，网络控制系统通过通讯网络中输出数据，这些数据发给车辆各个其他子系统，并且一定包括所有牵引系统、制动系统，这些数据可以通过以太网、MVB/WTB总线、CANOpen总线进行传输。这些网络控制系统输出的数据包括：各牵引单元电制动请求值、各制动系统机械制动请求值、电制动/机械制动转换指令、保持制动施加指令等。

进一步的，所述中心处理单元包括：子系统状态处理单元、车辆状态处理单元、指令处理单元和子系统互通处理单元。

进一步的，所述调控中心包括综合控制与管理单元和制动力计算单元。所述制动力计算单元根据公式F＝kma计算，其中k为载重修正系数，m为车辆总重量，a为减速度值。k的值根据不同重量得出或者根据重量补偿策略计算得出；m通过传感器实时测量得出，通过上一步已得出；a是最大等效减速度与最大等效减速度百分比的乘积，最大等效减速度在常用制动、快速制动、紧急制动等条件下为定值，最大等效减速度百分比是来自司机控制或信号系统控车时的级位(百分比)，在上一步已得出。

优选的，k为最大减速度百分比，m为车辆总重量，a为当前制动形式的最大等效减速度。

进一步的，所述制动力计算单元计算牵引系统总可用电制动力时：判断各个牵引单元的可用状态以及通讯状态，将能够发挥电制动的牵引单元当前电制动能力值进行求和运算获取车辆总电制动可用值。

可选的，牵引单元根据其自身健康状态、空转/滑行工况以及考虑了黏着给出即时的可施加值，作为电制动可用值。

所述综合控制与管理单元根据牵引单元自身健康状态、空转/滑行工况以及黏着给出即时的可施加值作为电制动可用值。

具体的：进行各车辆单元最大黏着力计算，通过预设定值或通过其他系统给出值进行计算。

具体的：进行制动系统总机械制动力计算，根据优先使用电制动力的原则，总机械制动力是车辆总制动力与总电制动实际值的差值。

优选的，将各制动单元可用的机械制动力进行求和运算，与总机械制动力进行比较，并判断总机械制动力的正负，用于进一步确认整车制动的余量和异常状况。

具体的：进行车辆电制动/机械制动转换点逻辑运算。根据预定的速度值进行判断，并发给牵引和制动各个单元。

可选的，先发给牵引控制单元转换指令，之后间隔时间Tc发给牵引控制单元。

可选的，在实际速度与预定速度差值Vc时先向制动系统发送转换指令。

进一步的，所述综合控制与管理单元根据优先使用电制动力原则、将车辆总制动力与总电制动实际值的差值定义为总机械制动力；

所述综合控制与管理单元根据制动系统可用的机械制动力进行求和运算，将求和结果与总机械制动力进行比较、判断总机械制动力的正负，根据该判断结果确认整车制动的余量和异常状况。

如图3所示，所述制动力分配单元分配电制动力时采用分阶段分配策略将该过程分为初期、中期、中后期和后期四个阶段；

具体的，制动过程初期是等待电制动建立的过程，在收到制动指令后定时时间Tb，可通过牵引计算结合实际调试获得；制动过程中期是初期结束到中后期之间的阶段；制动过程中后期是达到电制动/机械制动转换点开始到保持制动施加前的阶段；制动过程后期是保持制动施加条件满足到车辆完成制动停车的过程。

具体的，当所有牵引单元具备极低速度仍提供电制动力的能力时，中后期阶段可合并为中期。

具体的，前期进行电制动的分配不进行机械制动的分配；中期进行电制动和机械制动的分配；中后期对机械制动进行分配，但总的机械制动需求等于车辆总制动力需求；后期不进行电制动或机械制动的分配。

具体的：电制动力分配采用平均分配的原则，即总制动力除以可用牵引单元数量；

可选的：电制动力分配考虑牵引单元可用的电制动力值，如果平均分配的值超过了可用值，将余下部分平均分配到其他未达到可用值得牵引单元上。

具体的：机械制动分配包括：平均分配方式或拖车优先分配两种方式。其中平均分配是将总机械制动需求平均分配到各个可用的制动单元；拖车优先是实际拖车单元和电制动力不可用的动车单元优先平均分配，如果平均分配的值超过某个单元的可用值，则将除了这个单元看可用的余下的部分平均分配到其他单元，如果所有拖车单元和电制动不可用的动车单元分配完成后仍有不足，则平均分配到动车单元。

可选的，分配时考虑机械制动的可用值和各车黏着中的较小值，作为本单元可用值。

具体的，当发生空转滑行时，锁定当前的分配策略的计算结果。

一种用于轨道车辆的制动力管理方法，包括：

从列车通讯网络中采集车辆的状态信息、牵引系统和制动系统的控制数据和状态数据；

该控制数据和状态数据进行量纲转换、物理量转换和关联数据统计获得统一标准的数据信息；

根据统一标准的数据信息计算车辆总制动力、牵引系统总可用电制动力、各车辆单元最大黏着系数、制动系统总机械制动力以及分析车辆电制动/空气制动转换点的逻辑控制过程；

为各牵引单元分配电制动力、为各制动单元分配机械制动力，并将分配结果进行数据类型转换，同时将转换后的数据传送至网络控制系统的通讯接口中。

具体实施过程中车辆网络控制系统通过MVB总线组成列车控制网络，网络控制系统的中央控制单元与车辆制动系统、牵引系统以及信号系统车载设备通过MVB网络协议进行数据交互，车辆的电气信号通过网络控制系统分布在各节车上的远程输入输出单元采集，并通过MVB网络与中央控制单元进行数据交互。单节车上的牵引系统或制动系统视作牵引系统或制动系统的一个单元。

其中通讯数据映射单元，把MVB通讯接口的数据转换为控制处理单元可用的形式，即，通过按照地址定义的方式将MVB的过程数据转换为具有含义标识的数据名称，例如：将MVB端口0x410中的第2个数据，定义为Car1Load，Car1Load为UINT数据类型，能够被控制处理单元使用。同样的，如果采用以太网通讯，数据映射单元可以将以太网上通过ComID标识的一个数据单元中的特定数据，转换为Car1Load。总的来说，无论采用何种通讯方式，都能将通讯协议中相应位置的数据，定义成统一的数据标识，供控制处理单元使用。

通讯数据转换单元，将Car1Load转换为标准单位的数据。由于传输和精度等限制，Car1Load的单位被定义为0.01吨，通过数据转换单元，将0.01吨转换为千克。

通过子系统互通处理单元，将从子系统收到的数据转给其他子系统，或从一个系统的其中一个单元转给另外的单元。例如：牵引系统各单元的电制动实际值，转发给制动系统。

子系统状态处理单元、车辆状态处理单元、指令处理单元，将不同的输入划分为三种类型，将从通讯中获取的数据进行分析，得出其他所需的数据。例如：在子系统状态处理单元中，综合各个牵引单元的电制动力可用值，计算整车电制动可用值；车辆状态处理单元，综合各个制动单元和信号系统的速度数据，综合计算出车辆的速度值；指令处理单元，综合电气指令中的牵引和制动指令，当出现牵引和制动同时有效时，认为制动有效，并输出相应的故障诊断。

综合控制与管理单元，完成制动力管理相关的控制动能和状态识别。例如：识别制动初期：根据制动指令的有效性，将制动过程前1.8s作为等待电制动建立的期间；识别制动中期：前期结束直到中后期开始；识别制动中后期：根据速度达到8km/h,向制动系统发出电制动/机械制动转换请求，速度达到6km/h时向牵引系统发出电制动/机械制动转换请求；识别制动后期：当速度降到0.6km/h向牵引和制动系统发出保持制动施加请求。监视车辆发生空转滑行的状态，如果制动期间发生了空转/滑行，则控制制动力计算和分配单元锁定当前的分配策略的计算结果。

制动力计算单元，在制动工况下实时计算制动力，包括：计算列车总制动力、车辆总电制动力、车辆总机械制动力。计算列车总制动力F＝kma，k为级位百分比，m为车辆重量，a为最大等效减速度。k通过当前级位获得，例如70％；m通过制动各单元求和获得，例如：150000kg；a在常用制动下固定值为1.12m/s^2。车辆总电制动力Ft＝∑Ftx，x为各牵引单元。车辆总机械制动力Fb＝F-Ft。

制动力分配单元，将制动力分配给牵引系统和制动系统各个单元。电制动力分配采用平均分配的原则，即总制动力除以可用牵引单元数量，并考虑牵引单元可用的电制动力值，如果平均分配的值超过了可用值，将余下部分平均分配到其他未达到可用值得牵引单元上。机械制动分配采用拖车优先分配两种方式，将实际拖车单元和电制动力不可用的动车单元优先平均分配，如果平均分配的值超过某个单元的可用值与车辆最大黏着中的较小值，则将除了这个单元看可用的余下的部分平均分配到其他单元，如果所有拖车单元和电制动不可用的动车单元分配完成后仍有不足，则平均分配到动车单元。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于轨道车辆的制动力管理系统，其特征在于包括：

通讯数据采集单元，从列车通讯网络中采集车辆的状态信息、牵引系统和制动系统的控制数据和状态数据；

中心处理单元，接收所述通讯数据采集单元传送的数据信息，将该数据信息进行量纲转换、物理量转换和关联数据统计获得统一标准的数据信息；

接收中心处理单元传送的统一标准的数据信息的调控中心，所述调控中心根据接收到的统一标准的数据信息计算车辆总制动力、牵引系统总可用电制动力、各车辆单元最大黏着力、制动系统总机械制动力以及分析车辆电制动/空气制动转换点的逻辑控制过程；

制动力分配单元，为各牵引单元分配电制动力、为各制动单元分配机械制动力；

通讯数据转换单元，接收所述制动力分配单元传送的分配结果将该结果转换成通讯数据定义的类型；

通讯数据映射单元，将通讯数据传送至网络控制系统的通讯接口中。

2.根据权利要求1所述的制动力管理系统，其特征还在于：所述控制数据来自具有授权的驾驶室控车指令或者来自具有控车权限的信号系统车载设备；所述状态数据来自牵引系统和制动系统的关于其自身或车辆的实时状态信息，所述控制数据包括各车辆单元的重量、牵引控车指令、制动控车指令、级位控车指令、车辆速度、车辆零速信号，所述状态数据包括牵引单元可用状态、制动单元可用状态、电制动力能力值、电制动力实际值、电制动退出状态、进行空转/滑行控制的状态信息。

3.根据权利要求2所述的制动力管理系统，其特征还在于：所述中心处理单元包括：子系统状态处理单元、车辆状态处理单元、指令处理单元和子系统互通处理单元。

4.根据权利要求1所述的制动力管理系统，其特征还在于：所述调控中心包括综合控制与管理单元和制动力计算单元，所述制动力计算单元根据统一标准的数据信息进行车辆总制动力计算：在制动工况下根据公式F＝kma，其中k为载重修正系数，m为车辆总重量，a为减速度值；其中k的值根据不同重量得出或者根据重量补偿策略计算得出，a是最大等效减速度与最大等效减速度百分比的乘积。

5.根据权利要求4所述的制动力管理系统，其特征还在于：所述制动力计算单元计算牵引系统总可用电制动力时：判断各个牵引单元的可用状态以及通讯状态，将能够发挥电制动的牵引单元当前电制动能力值进行求和运算获取牵引系统总可用电制动力。

6.根据权利要求4所述的制动力管理系统，其特征还在于：所述综合控制与管理单元根据牵引单元自身健康状态信息和空转/滑行工况以及黏着给出即时的可施加值作为当前电制动能力值。

7.根据权利要求6所述的制动力管理系统，其特征还在于：所述综合控制与管理单元根据优先使用电制动力原则、将车辆总制动力与牵引系统总可用电制动力的差值定义为总机械制动力；

所述综合控制与管理单元根据制动系统可用的机械制动力进行求和运算，将求和结果与总机械制动力进行比较、判断总机械制动力的正负，根据该判断结果确认整车制动的余量和异常状况。

8.根据权利要求1所述的制动力管理系统，其特征还在于：所述制动力分配单元分配电制动力时采用分阶段分配策略将该分配策略分为初期、中期、中后期和后期四个阶段；

制动过程初期是等待电制动建立的过程，在收到制动指令后考虑延时时间Tb，其中延时时间Tb通过牵引计算结合实际调试获得；制动过程中期是初期结束到中后期之间的阶段；制动过程中后期是达到电制动/机械制动转换点开始到保持制动施加前的阶段；制动过程后期是保持制动施加条件满足到车辆完成制动停车的过程；其中当所有牵引单元具备极低速度仍提供电制动力的能力时，中后期阶段可合并为中期。

9.根据权利要求8所述的制动力管理系统，其特征还在于：所述制动力分配单元分配机械制动力时采用平均分配方式或拖车优先分配方式，其中平均分配是将总机械制动需求平均分配到各个可用的制动单元；拖车优先是实际拖车单元和电制动力不可用的动车单元优先平均分配，如果平均分配的值超过某个单元的可用值，则将除了这个单元可用的余下的部分平均分配到其他单元，如果所有拖车单元和电制动不可用的动车单元分配完成后仍有不足，则平均分配到动车单元。

10.一种用于轨道车辆的制动力管理方法，其特征在于包括：

从列车通讯网络中采集车辆的状态信息、牵引系统和制动系统的控制数据和状态数据；

该控制数据和状态数据进行量纲转换、物理量转换和关联数据统计获得统一标准的数据信息；

根据统一标准的数据信息计算车辆总制动力、牵引系统总可用电制动力、各车辆单元最大黏着系数、制动系统总机械制动力以及分析车辆电制动/空气制动转换点的逻辑控制过程；

为各牵引单元分配电制动力、为各制动单元分配机械制动力，并将分配结果进行数据类型转换，同时将转换后的数据传送至网络控制系统的通讯接口中。

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