CN111452838B - 一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法及系统，该客车列车包括多辆客车，当客车列车分散独立运行时，各客车各自独立运行；当客车列车自由编组时，每辆客车均可作为主车或者从车运行。该系统包括相互通信的主车控制系统和若干从车控制系统；当客车列车自由编组时，任意一客车的控制系统作为主车控制系统，其余客车的控制系统作为从车控制系统，相邻两客车间弱牵引连接；当客车列车分散独立时，各客车的控制系统各自独立运行。本发明提供的客车列车控制方法及系统，减少了司机的雇佣量，降低公交系统运营的人力成本；高峰期编组运行，平峰期解除编组运行，降低车辆投入成本。

Description

一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法及系统

技术领域

本发明涉及客车列车领域，尤其涉及一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法及系统。

背景技术

城市交通中，早晚高峰及平峰对运力需求矛盾突出。公交企业为了解决运力不平衡只能在高峰时段增派车辆和驾驶员，或者更换大运力车辆，造成车辆和人员的浪费。能自由编组和分散独立运行的客车列车在高峰期间进行编组运行，编组列车运行只需要一个驾驶员。在平峰期间，进行分散独立运行，一个驾驶员驾驶一辆分散独立运行车辆。

客车列车区别于传统铰接公交车，铰接公交车大多是两节车厢，运力有限，且不能自由编组，第二节车厢也无动力系统。客车列车可实现多个车辆的自由编组。编组后，车厢打通，乘客可自由穿过每节车厢。客车列车非常适用于快速公交系统(BRT)，可作为介于轨道交通与常规公交之间的新型公共客运系统，解决早晚高峰和平峰运力需求极不平衡的问题，同时大大降低人力成本、车辆运行成本等，体现绿色公交的理念。

客车列车的控制系统是客车列车整车的关键组成部分，优化的控制系统可实现各车的动力均衡输出控制，延长各车的电池使用寿命、增加系统的续航里程，增强乘客的舒适度体验；控制系统可实现对超长车辆的转弯控制，适应城市不同路况条件。

因此，急需一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法及系统，以适应客车列车自由编组和分散独立运行的需求。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的是提供一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法及系统，以适应客车列车自由编组和分散独立运行的需求。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案：

一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法，该客车列车包括多辆客车，当客车列车分散独立运行时，各客车各自独立运行；当客车列车自由编组时，每辆客车均可作为主车或者从车运行，自由编组客车列车控制方法包括以下步骤：

S1、主车主机将编组指令传输至从车从机，每一从车从机按照对应的指令进行对接编组；

S2、主车主机发送启动指令，所有从车从机工作；

S3、每一从车检测与前车之间的状态，并将状态信息发送给主车主机；

S4、主车主机计算各从车的运行参数，并将运行参数发送给各从车从机；

S5、各从车从机按照对应的运行参数，控制各自的从车编组运行。

进一步的是，所述状态信息包括拉力数据、速度数据和转动角度数据。

进一步的是，所述运行参数包括转向值、输出功率、加速度和灯光。

进一步的是，所述输出功率采用以下公式计算：

式中：u_i表示从车输出功率；c表示主车输出功率；k_i-1，1、k_i-1，2、k_i-1，3、k_i-1，4、k_i-1，5、k_i-1，6k_i-1，7、k_i-1，8、…、k_i-1,2(n-1)表示控制器参数矩阵元素；

表示弹簧伸长量期待值；ΔL₁、ΔL₂、ΔL₃、ΔL₄、…、ΔL_n-1表示弹簧伸长量实际值；ΔL₁'、ΔL₂'、ΔL₃'、ΔL₄'、…、ΔL_n-1'表示第i辆车与第i-1辆车之间弹簧伸长量的瞬时变化率；k表示弹簧弹性系数。

该公式的具体推导过程如下：

假设：

1.第n辆车的运动位移为x_n(n为5)，那么第一辆车位移为x₁，其他四辆车位移为x₂x₃ x₄x₅，如图6所示；

2.假设第n辆车的质量为m_n，那么每辆车的质量分别为m₁，m₂，m₃，m₄，m₅；

3.每两辆车之间间距(质心到质心)为λ，则有：x_i-x_i+1-λ＝ΔL_i；

4.第一辆车的输出功率F＝C，弹簧劲度系数K；

5.控制ΔL_i在微弱的伸长量5mm范围内，就是控制弹簧弹力在(0-10N)范围内；

建立力学模型：

由于质心之间初始长度为常数，所以导数为0，所以运动过程中，质心之间距离的导数就是弹簧伸长量的导数。

设计误差：

是为了允许弹簧伸长量在一定微小范围内波动。也就是说，控制系统在误差允许的范围内，可以不用连续不断的控制，利于系统稳定，节约控制器资源，具有强大的鲁棒性。

状态变量选取：

将③式代入②式

状态空间模型见⑤式：

这是一个五车编组的状态空间模型，通过设计一个多输入多输出的线性负反馈控制器，来使得状态矩阵的特征值小于0，稳定整个控制系统。线性负反馈控制器的基本形式如下：

u＝-Kx+σ⑥

u代表整个编组的输出功率向量，包含u₂,u₃,u₄,u₅。K就是我们要调节的线性负反馈控制器参数，是一个4*8的矩阵，包含32个参数。

详细表述如下：

将控制器参数通过手动求解十分复杂，matlab有负责配置极点的函数：place(A,B,P)；

其中，A、B为系统的状态空间模型矩阵，向量P中是期望的闭环极点位置，返回值是增益向量。这样，便可直接求出参数K矩阵。每个从车的输出功率可求。

将③式带入⑧式，得到：

u₂即为所求。

将③式带入⑩式，得到：

u₃即为所求。

将③式带入

式，得到：

u₄即为所求。

将③式带入

式，得到：

u₅即为所求。

整个计算过程需求被测量的量：

输入量获取简单，整个系统稳定，容易计算。

模型推广：当编队车辆数为n(n大于5)时，第i辆车所求得的输出功率为：

进一步的是，所述主车主机和从车从机通过外部的CAN总线进行通信。

进一步的是，每一从车从机按照对应的指令进行对接编组成功后，两车间的电磁铁保持吸附状态。

本发明还提供了一种能自由编组和分散独立的客车列车控制系统，包括相互通信的主车控制系统和若干从车控制系统；当客车列车自由编组时，任意一客车的控制系统作为主车控制系统，其余客车的控制系统作为从车控制系统，相邻两客车间弱牵引连接；当客车列车分散独立时，各客车的控制系统各自独立运行。

进一步的是，所述主车控制系统和若干从车控制系统均包括编组控制器、车辆状态传感器、油门控制系统、转向控制系统、电子制动系统和灯光系统；所述车辆状态传感器、油门控制系统、转向控制系统、电子制动系统和灯光系统均与所述编组控制器通信连接，主车控制系统的编组控制器与若干从车控制系统的编组控制器通信连接。

进一步的是，所述客车列车控制系统还包括相互隔离的第一CAN总线和第二CAN总线；

所述油门控制系统、转向控制系统和电子制动系统均通过所述第一CAN总线与所述编组控制器通信连接，所述主车控制系统的编组控制器通过所述第二CAN总线与若干从车控制系统的编组控制器通信连接。

进一步的是，所述车辆状态传感器包括拉力传感器，所述拉力传感器安装在两车间铰接机构的弹簧上。

本发明的有益效果：

本发明提供的客车列车控制方法，当客车列车分散独立运行时，各客车各自独立运行，当客车列车自由编组时，每辆客车均可作为主车或者从车运行，一辆主车带动后面的一系列从车自动运行，减少了司机的雇佣量，降低公交系统运营的人力成本；传统公交公司大多为高峰期运行双节铰链车，平峰期运行小型公交车，本发明不用分别开发双节铰链车和小型公交车，高峰期编组运行，平峰期解除编组运行，降低车辆投入成本。

附图说明

图1为本发明自由编组客车列车控制方法的步骤图；

图2为本发明客车列车控制系统的示意图；

图3为本发明每一客车控制系统的示意图；

图4为本发明客车列车自由编组后的示意图；

图5为本发明客车列车分散独立后的示意图；

图6为本发明模型图；

图7为本发明客车列车的俯视图；

图8为本发明客车列车的铰接机构图；

图9为本发明客车尾部的示意图；

图10表示各辆车弹簧的伸长量随时间的关系；

图11表示各辆车的速度随时间的变化关系；

图12表示各辆车加速度随时间的变化关系。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

实施例1

一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法，该客车列车包括多辆客车，当客车列车分散独立运行时，各客车各自独立运行；当客车列车自由编组时，每辆客车均可作为主车或者从车运行，自由编组客车列车控制方法包括以下步骤，如图1所示：

S1、主车主机将编组指令ID(0x0CFE00E0)传输至外部CAN总线上。从车从机接收CAN总线上的编组指令ID(0x0CFE00E0)后，每一个从机按照对应的ID进行对接编组。对接成功后，电磁铁保持吸附状态。

S2、主机发送启动指令ID(0x0CFE00D0)后，所有从机开始工作。从机接收CAN总线上的启动指令ID(0x0CFE00D0)后，每个从机将连接在该单元上的双拉力传感器数据采集，并将数据以报文的形式发送至CAN总线上。ID(0x0CFD00D0)，DATA(0XAABBCCDD)。其中AA代表左侧拉力传感器采集的数据，BB代表右侧拉力传感器采集的数据，CC代表数据采集的均值，DD用于接入其他采集数据的保留位。

S3、每一从车检测与前车之间的状态，并将状态信息发送给主车主机；所述状态信息包括拉力数据、速度数据和转动角度数据。拉力数据通过拉力传感器采集，速度数据通过测速传感器采集，转动角度数据通过拉线位移传感器采集。

S4、主车主机计算各从车的运行参数，并将运行参数发送给各从车从机；运行参数包括转向值、输出功率、加速度和灯光。转向值通过弹簧的伸缩量来计算，加速度和输出功率呈线性关系，灯光采用控制器控制，输出功率采用以下公式计算：

式中：u_i表示从车输出功率；c表示主车输出功率；k_i-1，1、k_i-1，2、k_i-1，3、k_i-1，4、k_i-1，5、k_i-1，6k_i-1，7、k_i-1，8、…、k_i-1,2(n-1)表示控制器参数矩阵元素；

表示弹簧伸长量期待值；ΔL₁、ΔL₂、ΔL₃、ΔL₄、...、ΔL_n-1表示弹簧伸长量实际值；ΔL₁'、ΔL₂'、ΔL₃'、ΔL₄'、...、ΔL_n-1'表示第i辆车与第i-1辆车之间弹簧伸长量的瞬时变化率；k表示弹簧弹性系数。

S5、各从车从机按照对应的运行参数，控制各自的从车编组运行。

从机将主机计算得到的油门输出(油门输出与输出功率呈线性关系)来控制每一辆车的油门控制器，进而来保持整个编组内每辆车的输出功率近似一致，整个过程弹簧保持一个微弱的伸长量范围内。通过从机不断的控制各自的油门量来保持整个编组的一致性。使得每辆车的输出功率在一定范围内保持相似。整个系统的工作具有很强鲁棒性。ID(0x0CFB00D0)，DATA(0XAABBCCDD)，其中AA代表一号车的油门量，BB代表二号车的油门量，CC代表三号车的油门量，DD代表车辆编组数大于协议容纳长度时的接入其他协议的保留位。

本实施例采用三量客车进行仿真，如图10-12所示，图10表示各辆车弹簧的伸长量随时间的关系，图11表示各辆车的速度随时间的变化关系，图12表示各辆车加速度随时间的变化关系。由图可知，可以让每个弹簧保持一个弱牵引状态下，计算得到三辆车功率输出相差不大，运动趋势几乎一致。

采用本发明的方法，公交高峰期的时候，编组客车只需要一个司机控制主车运行，其余的从车跟随主车自动运行，减少了司机的雇佣量，降低公交系统运营的人力成本；传统公交公司大多为高峰期运行双节铰链车，平峰期运行小型公交车，本发明不用分别开发双节铰链车和小型公交车，高峰期编组运行，平峰期解除编组运行，降低车辆投入成本。

实施例2

一种能自由编组和分散独立的客车列车控制系统，如图2-5所示，包括相互通信的主车控制系统和若干从车控制系统；当客车列车自由编组时，任意一客车的控制系统作为主车控制系统，其余客车的控制系统作为从车控制系统，相邻两客车间弱牵引连接；当客车列车分散独立时，各客车的控制系统各自独立运行。

客车列车是由多辆可独立运行的车辆编组而成，如图4所示，编组车中，最前方的车为主车，后方为从车。编组运行时，主车由驾驶员驾驶，从车无驾驶员，由车载控制系统控制车辆进行跟随行驶。编组时，车之间形成可供乘客走动的通道，车之间通过铰接机构连接，如图7和8所示。铰接机构一方面将多车进行机械联接，另一方面，通过铰接机构上安装的传感器，感知车辆之间的状态信息，比如拉压力、角度等。车载控制系统采集传感器数据，控制车辆进行跟随行驶。车辆单独运行时，车载控制系统不参与车辆的运行控制，控制权由驾驶员掌握。

所述主车控制系统和若干从车控制系统均包括编组控制器、车辆状态传感器、油门控制系统、转向控制系统、电子制动系统和灯光系统；所述车辆状态传感器、油门控制系统、转向控制系统、电子制动系统和灯光系统均与所述编组控制器通信连接，主车控制系统的编组控制器与若干从车控制系统的编组控制器通信连接。

编组控制器为客车的控制中心，控制客车的运行；车辆状态传感器用于检测车辆的状态参数；油门控制系统用于控制客车的油门；转向控制系统用于控制客车的转向；电子制动系统用于控制客车的制动；灯光系统用于控制客车的灯光。其中，油门控制系统、转向控制系统、电子制动系统和灯光系统均为现有技术，本发明不对其进行改进，本发明所改进的点在于编组控制器和车辆状态传感器。

车辆编组后，第一辆车选择主车运行模式，其它车辆选择从车运行模式。驾驶员启动主车运行时，各从车的车辆状态传感器检测与前车之间的状态，并将状态信息发送给主车的编组控制器，主车的编组控制器收集所有车辆的状态数据，计算各从车的运行参数(转向值、输出功率、加速量、灯光等)，并将运行参数发送给各从车的编组控制器，从车解析控制参数实现对自身车辆的运行控制。

所述客车列车控制系统还包括相互隔离的第一CAN总线和第二CAN总线；所述油门控制系统、转向控制系统和电子制动系统均通过所述第一CAN总线与所述编组控制器通信连接，所述主车控制系统的编组控制器通过所述第二CAN总线与若干从车控制系统的编组控制器通信连接。车辆之间通过CAN总线进行通信，没有其它电气连接。

所述车辆状态传感器包括拉力传感器，所述拉力传感器安装在两车间铰接机构的弹簧上。车辆之间的铰接方式采用两组弹簧和电磁铁，分别布置在车辆的左右，电磁铁通电后形成吸力，实现车辆链接，如图8所示。在两个弹簧上安装拉力传感器，测量车辆之间的左右拉力值，从车的编组控制器通过左右的拉力值计算与前车之间的角度差。编组控制器将本车与前车之间的拉力和角度数据通过CAN总线发送给主车。

图8中，布置有两对铰接机构，共四组弹簧，拉力传感器设置四个且一一安装在四组弹簧上。

ΔL₁、ΔL₂、ΔL₃、ΔL₄表示这四组弹簧的伸长量期待值和伸长量实际值。

弱牵引是指不受牵引力，只起安全保护和通道连通的作用。该客车列车连接相邻两客车的部件中，当控制系统故障等情况时，铰接机构起到保护通道机构和连接棚作用，进而保护乘客安全；通道过板起通道连通的作用，通道棚和外雨棚起安全保护通道过板的作用，因此本发明满足客车列车的弱牵引连接，如图9所示。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法，其特征在于，该客车列车包括多辆客车，当客车列车分散独立运行时，各客车各自独立运行；当客车列车自由编组时，每辆客车均可作为主车或者从车运行，自由编组客车列车控制方法包括以下步骤：

S1、主车主机将编组指令传输至从车从机，每一从车从机按照对应的指令进行对接编组；

S2、主车主机发送启动指令，所有从车从机工作；

S3、每一从车检测与前车之间的状态，并将状态信息发送给主车主机；

S4、主车主机计算各从车的运行参数，并将运行参数发送给各从车从机；所述运行参数包括转向值、输出功率、加速度和灯光；

所述输出功率采用以下公式计算：

式中：u_i表示从车输出功率；c表示主车输出功率；k_i-1，1、k_i-1，2、k_i-1，3、k_i-1，4、k_i-1，5、k_{i-1， 6}k_i-1，7、k_i-1，8、…、k_i-1，2(n-1)表示控制器参数矩阵元素；

表示弹簧伸长量期待值；ΔL₁、ΔL₂、ΔL₃、ΔL₄、...、ΔL_n-1表示弹簧伸长量实际值；ΔL₁'、ΔL₂'、ΔL₃'、ΔL₄'、...ΔL_n-1表示第i辆车与第i-1辆车之间弹簧伸长量的瞬时变化率；k表示弹簧弹性系数；

S5、各从车从机按照对应的运行参数，控制各自的从车编组运行。

2.如权利要求1所述的客车列车控制方法，其特征在于，所述状态信息包括拉力数据、速度数据和转动角度数据。

3.如权利要求1所述的客车列车控制方法，其特征在于，所述主车主机和从车从机通过外部的CAN总线进行通信。

4.如权利要求1所述的客车列车控制方法，其特征在于，每一从车从机按照对应的指令进行对接编组成功后，两车间的电磁铁保持吸附状态。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种能自由编组和分散独立的客车列车控制方法的控制系统，其特征在于，包括相互通信的主车控制系统和若干从车控制系统；当客车列车自由编组时，任意一客车的控制系统作为主车控制系统，其余客车的控制系统作为从车控制系统，相邻两客车间弱牵引连接；当客车列车分散独立时，各客车的控制系统各自独立运行。

6.如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述主车控制系统和若干从车控制系统均包括编组控制器、车辆状态传感器、油门控制系统、转向控制系统、电子制动系统和灯光系统；所述车辆状态传感器、油门控制系统、转向控制系统、电子制动系统和灯光系统均与所述编组控制器通信连接，主车控制系统的编组控制器与若干从车控制系统的编组控制器通信连接。

7.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述客车列车控制系统还包括相互隔离的第一CAN总线和第二CAN总线；

所述油门控制系统、转向控制系统和电子制动系统均通过所述第一CAN总线与所述编组控制器通信连接，所述主车控制系统的编组控制器通过所述第二CAN总线与若干从车控制系统的编组控制器通信连接。

8.如权利要求6所述的控制系统，其特征在于，所述车辆状态传感器包括拉力传感器，所述拉力传感器安装在两车间铰接机构的弹簧上。

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