CN111997732A - 一种基于分布感知的铁路机车控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于分布感知的铁路机车控制系统，包含设置于机车上的数据采集单元、数据存储分析单元和机车微机，其中，数据采集单元配置为采集路段信息、工况信息、机车状态信息和控制参数；数据存储分析单元与数据采集单元和机车微机通信连接，并配置为：储存路段信息、工况信息和机车状态信息；分析路段信息、工况信息和机车状态信息以优化控制策略，其中，控制策略限定对应于规定路段和规定工况的控制参数；将优化后的控制策略推荐给机车微机；机车微机配置为依据优化后的控制策略对机车进行控制。采用本发明的铁路机车控制系统可依据路段信息、工况信息执行最优控制策略。本发明同时提供一种基于分布感知的铁路机车控制系统的安装方法。

Description

一种基于分布感知的铁路机车控制系统及方法

技术领域

本发明涉及轨道车辆技术领域，特别涉及一种基于分布感知的铁路机车控制系统及方法。

背景技术

铁路机车在行驶过程中需要对冷却系统、牵引系统以及制动系统等多方面控制。例如，机车柴油机冷却系统主要由柴油机、水泵、散热器、冷却风扇以及连接管路等组成。水泵将柴油机内的高温冷却水通过管路泵入散热器，经过冷却风扇吹风(或吸风)冷却后，冷却水流回柴油机，对柴油机进行冷却，循环往复。通常，冷却风扇可依照以下控制逻辑进行自动控制：当冷却水温度达到T1，冷却风扇开始转动并随温度升高转速逐渐增加，当冷却水温度达到T2，冷却风扇全速运转，冷却能力达到最大，使冷却水温度不大于柴油机冷却水温度保护限值T3。

正常情况下，机车冷却能力能够满足柴油机在高温环境下持续满功率运行。然而，在经过地形复杂的特殊路段时，常规的控制参数(T1、T2等)可能不足以确保机车安全运行。例如，当机车重载行驶在长大坡道，冷却水温度长时间接近保护限值T3，长期高温下运转会降低柴油机的可靠性，提升柴油机维护成本；又如，当机车重载行驶在隧道路段时，因隧道内温度高于外界，冷却系统换热效率下降，冷却水温度可能超过温度保护限值T3。针对上述情况，为保护柴油机，柴油机必须降低功率运行，机车牵引力下降，导致机车停在隧道中。由此，为了保障列车安全通过隧道，必须增加牵引机车的数量或者减少牵引吨位，使得运输成本升高。

基于以上原因，现有机车控制技术仍然有待改进，使柴油机在舒适温度下运行，提高柴油机的可靠性，保证机车重载情况下安全、快速通过长大坡道或隧道复杂路段。

发明内容

为了解决现有的技术问题，本发明提出了一种铁路机车控制系统及方法。

依据本发明的一种基于分布感知的铁路机车控制系统，包含设置于机车上的数据采集单元、数据存储分析单元和机车微机，其中，

数据采集单元配置为采集路段信息、工况信息、机车状态信息和控制参数；

数据存储分析单元与数据采集单元和机车微机通信连接，并配置为：

储存路段信息、工况信息和机车状态信息；

分析路段信息、工况信息和机车状态信息以优化控制策略，其中，控制策略限定对应于规定路段和规定工况的控制参数；

将优化后的控制策略推荐给机车微机；

机车微机配置为依据优化后的控制策略对机车进行控制。

依据本发明的一个实施例，铁路机车控制系统还包含设置于机车上的发射接收终端和远离机车的移动基站，其中，发射接收终端与数据存储分析单元和移动基站通信连接，并配置为在数据存储分析单元和移动基站之间传递优化后的控制策略。

依据本发明的一个实施例，路段信息包含路段位置、坡度、限速、隧道长度、海拔中的至少一个；工况信息包含吨位和环境温度中的至少一个；机车状态信息包含水温、油温、风扇转速、档位、换档时间中的至少一个。

依据本发明的一个实施例，控制策略包含冷却策略，对应于冷却策略的控制参数包含温度阈值、风扇转速、开启时间。

依据本发明的一个实施例，控制策略包含牵引策略，对应于牵引策略的控制参数包含牵引力大小和牵引力施加时间。

依据本发明的一个实施例，控制策略包含制动策略，对应于制动策略的控制参数包含制动力大小和制动力施加时间。

依据本发明，提供一种基于分布感知的铁路机车控制方法，包含：

第一机车在行驶过程中使用第一数据采集单元采集路段信息、工况信息、机车状态信息和控制参数并发送至第一机车的第一数据存储分析单元；

第一数据存储分析单元对路段信息、工况信息和机车状态信息进行分析以优化控制策略其中，控制策略限定对应于规定路段和规定工况的控制参数；

并将优化后的控制策略推荐给第一机车的第一机车微机；

当第一机车再次行驶时，第一机车微机依据优化后的控制策略对第一机车进行控制。

依据本发明的一个实施例，优化控制策略包含对比储存于第一数据存储分析单元内的原控制策略所对应的机车状态信息和采集到的机车状态信息，

如果采集到的机车状态信息代表的机车状态优于原控制策略对应的机车状态信息代表的机车状态，则以采集到的控制参数替换原控制策略中的原控制参数作为优化后的控制策略；

如果原控制策略对应的机车状态信息代表的机车状态优于采集到的机车状态信息代表的机车状态，则以保留原控制策略中的原控制参数作为优化后的控制策略。

依据本发明的一个实施例，铁路机车控制方法还包含：

第一机车的第一数据存储分析单元通过第一发射接收终端将优化后的控制策略发送至移动基站；

移动基站通过第二发射接收终端将优化后的控制策略发送至第二机车的第二数据存储分析单元；

第二数据存储分析单元对优化后的控制策略进行分析以确定最优控制策略，并将最优控制策略推荐给第二机车的第二机车微机；

第二机车微机依据最优控制策略对第二机车进行控制，以实现线路车队控制。

依据本发明的一个实施例，第二机车在执行最优控制策略时，第二数据存储分析单元对第二机车的运行状态进行健康诊断，并在诊断结果偏离预定阈值时向乘务人员发出警报。

依据本发明的一个实施例，基于分布感知的铁路机车控制方法还包含：

与第一机车不同线路上的第三机车在与第一机车交汇时共享对应于不同的路段信息、工况信息、机车状态信息的最优控制策略；

第三机车将最优控制策略分享至与第三机车同一车队的其他机车，以实现区域车队控制。

依据本发明的一个实施例，基于分布感知的铁路机车控制方法还包含：

与第一机车不同区域的第四机车在与第一机车在车辆大修期间共享对应于不同的路段信息、工况信息、机车状态信息的最优控制策略；

第四机车将最优控制策略分享至与第四机车同一区域的其他机车，以实现集团车队控制。

由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点：

1)具有本发明的控制系统的机车能够根据记录下的路段位置、牵引吨位、坡度、水温、档位等信息，分析机车控制方案是否合理，如水温是否偏高、牵引力加载是否及时等，并将控制方案分级、给出改进方案，记录优化的控制策略，在下次相同路段、工况下执行优化的控制策略。

2)具有本发明的控制系统的机车具备健康诊断功能，如果机车当前水温、速度等数据偏离了控制策略下的预期，则机车报警提示乘务人员。

3)同一线路上的各个机车，能够互相共享特殊路段不同工况下的机车工况、最优控制策略，形成线路车队控制。

4)不同线路车队之间实现机车工况、最优控制策略的信息交互，形成区域车队控制。

5)在车辆大修期间，区域车队之间实现机车工况、最优控制策略的信息交互，形成集团车队控制。

6)通过集团车队控制，凡属于集团车队的机车，在集团车队工作过的线路上，机车都能给出最优控制策略，并对本次策略进行评估改进。

7)机车可将评估改进后的控制策略通过线路车队、区域车队，传递给其他集团机车，实现车队学习功能。

附图说明

图1示出了依据本发明的铁路机车控制系统的一个实施例的示意图；

图2示出了依据本发明的数据采集单元的一个实施例采集数据的框图；

图3示出了依据本发明的铁路机车控制方法的流程图；

图4示出了使用依据本发明的铁路机车控制方法的一个实施例的示意图；

图5示出了使用依据本发明的铁路机车控制方法的另一个实施例的示意图。

图中，

1数据采集单元，2数据存储分析单元，3机车微机，4发射接收终端，5移动基站，5’另一移动基站，110第一车队的第一机车，120第一车队的第二机车，130第一车队的第三机车，210第二车队的第一机车，220第二车队的第二机车，230第二车队的第三机车。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，依据本发明的铁路机车控制系统的一个实施例总体包含设置于机车上的数据采集单元1、数据存储分析单元2和机车微机3。数据采集单元1可以包含各种类型的传感器或信息收集装置，并配置为采集路段信息、工况信息、机车状态信息和控制参数。如图2所示，路段信息可以包含路段位置、坡度、限速、隧道长度、海拔或诸如此类信息中的至少一个；工况信息可以包含吨位和环境温度或诸如此类信息中的至少一个；机车状态信息可以包含水温、油温和风扇转速、档位、换档时间或诸如此类信息中的至少一个。数据存储分析单元2与数据采集单元1和机车微机3通信连接，并配置为：储存路段信息、工况信息和机车状态信息；分析路段信息、工况信息和机车状态信息以优化控制策略，并将优化后的控制策略推荐给机车微机，其中，控制策略限定对应于规定路段和规定工况的控制参数。特别地，数据存储分析单元2可针对不同路段和不同工况储存多个控制策略。机车微机3配置为依据优化后的控制策略对机车进行控制。优选地，数据存储分析单元2还可对正在执行的控制策略进行健康诊断，并将诊断结果通过机车微机3展示给乘务人员。

依据本发明的铁路机车控制系统的另一个实施例还可以包含设置于机车上的发射接收终端4和远离机车的移动基站5。其中，发射接收终端4与数据存储分析单元2和移动基站5通信连接，并配置为在二者之间传递优化后的控制策略。通过移动基站5，可实现不同机车之间的控制策略的传递，以便于展开机车之间和车队之间共同分享最优控制策略。

使用上述铁路机车控制系统可基于分布感知对铁路机车进行控制，具体方法如图3所示。

针对单独的一辆机车——例如第一机车，可在其行驶过程中使用第一数据采集单元采包含集路段信息、工况信息、机车状态信息和控制参数在内的数据并将数据发送至第一数据存储分析单元；随后，第一数据存储分析单元对路段信息、工况信息和机车状态信息进行分析以优化控制策略，并将优化后的控制策略推荐给第一机车微机；最后，当第一机车以相同工况再次经过相同路段时，第一机车微机便可依据优化后的口控制策略对第一机车进行控制，以获得最佳的行驶状态。

在本发明的实施例中，可以通过对比和替换的方式获得优化的控制策略，例如，对比储存于第一数据存储分析单元内的原控制策略所对应的机车状态信息和采集到的机车状态信息，如果采集到的机车状态信息代表的机车状态优于原控制策略对应的机车状态信息代表的机车状态，则以采集到的控制参数替换原控制策略中的原控制参数作为优化后的控制策略；如果原控制策略对应的机车状态信息代表的机车状态优于采集到的机车状态信息代表的机车状态，则以保留原控制策略中的原控制参数作为优化后的控制策略。作为选择地，本领域技术人员也可通过仿真与计算等常规技术手段来优化规定路段和规定工况下控制参数，以实现控制策略的优化。

具体的控制策略可包含冷却策略、牵引策略和制动策略。其中，针对冷却策略，可对温度阈值(T1、T2等)、风扇转速、档位、换档时间等控制参数进行限定；针对牵引策略，可对牵引力大小和牵引力施加时间等控制参数进行限定；针对制动策略，可对制动力大小和制动力施加时间等控制参数进行限定。

依据本发明的方法还可针对不同于第一机车的另一机车进行控制——例如第二机车。具体地，第一机车的第一数据存储分析单元可通过第一发射接收终端将优化后的控制策略发送至移动基站；移动基站通过第二发射接收终端将优化后的控制策略发送至第二机车的第二数据存储分析单元；第二数据存储分析单元对优化后的控制策略进行分析以确定最优控制策略，并将最优控制策略推荐给第二机车的第二机车微机；第二机车微机依据最优控制策略对第二机车进行控制。

针对运行在同一线路上的同一车队的不同机车——例如图4所示的第一车队的第一机车、第二机车、第三机车，车队中的任一机车作为分布感知控制系统终端，可通过线路沿线设置的移动基站将各工况下的最优控制策略和工况参数发送给同一线路上的其它机车，车队的所有机车共享控制策略，其它机车在遇到该工况时执行共享的最优控制策略，实现线路车队控制。

针对运行在不同线路上的不同车队的不同机车——例如图5所示的第一车队的第一机车、第二机车、第三机车和第二车队的第一机车、第二机车、第三机车，可通过不同线路交汇处设置的移动基站将各工况下的最优控制策略和工况参数发送给不同线路上的其它机车，在不同车队的所有机车间共享控制策略，其它机车在遇到该工况时执行共享的最优控制策略，实现区域车队控制。

不同区段的机车通常只在本区域内运行，一般不会相遇。针对不同区域的不同机车，可在中修或大修期间，利用不同区域机车处于同一修理处时交换最优控制策略，实现集团车队控制。

优选地，当任一机车的机车微机执行由数据存储分析单元推荐的控制策略时，数据存储分析单元可依据采集到的机车状态信息来对本机车的运行状态进行健康诊断，并将诊断结果通过机车微机显示给乘务人员。特别地，当诊断结果显示机车非正常运行时，例如水温、速度等偏离预定阈值时，可向乘务人员发出警报，以提醒乘务人员及时检查并在必要时手动调整。

实施例1

牵引吨位为3000t的机车在行驶经过长隧道(1000-3000m)路段时，因隧道过长且内部温度高于外界5-10℃，冷却系统长时间换热效率下降，若冷却风扇仍按固有程序在84℃(T2)时完全开启，则冷却水温度很快超过温度保护限值96℃(T3)。为防止柴油机故障，机车必须降低功率运行，机车牵引功率下降，停在隧道中导致机破，后只能改为牵引2500t货物。

上述机车装用本发明的控制系统后，控制系统采集并记录了相关隧道的路段位置、吨位、温度等参数并进行分析，并获得优化的控制策略：当机车仍牵引3000t货物时，在接近隧道路段时无需遵循固有程序进行冷却，而是执行在该路段牵引3000t货物的工况下的优化的控制策略：提前5min加速按限速的最高值行驶，同时冷却风扇全速运转。由此，可在进入隧道前将冷却水温度吹至低于60℃，确保机车以最佳状态进入隧道。并且，在隧道中水温虽然持续上升，但在出隧道时水温并未超过保护限值，机车不须降工运行，可以牵引3000t货物。

实施例2

实施例1中机车的控制系统记录了上述隧道路段、3000T牵引工况最优控制策略并执行，在后续的某次运行中系统健康诊断发现无故障情况下水温高于以往运行的水温记录5℃，系统向机车微机报警提示，乘务员收到机车微机显示屏提示后将情况报告给检修人员，检修人员对冷却系统检查发现散热器被柳絮堵住，清理后回复正常。

实施例3

实施例1中机车的控制系统经由自带接收发射终端将上述工况下最优控制策略通过移动基站发送给本路段位置上其它安装控制系统的机车，其它机车收到后按“在接近隧道路段时提前5min加速按限速的最高值行驶，同时冷却风扇全速运转”的策略执行后都可牵引3000T货物安全通过隧道，实现机车自我学习和线路车队控制。

实施例4

不同线路上的机车在交汇时可以共享特殊路段不同工况下的机车工况、最优控制策略等信息——例如通过移动基站实现共享，并将接收到的策略分析后发送给各自线路车队，实现区域车队控制。

实施例5

2台各自安装了分布感知控制系统不同区段的机车本不会相遇，当送往工厂大修时相遇，可以共享特殊路段不同工况下的机车工况、最优控制策略等信息——例如通过移动基站进行了控制策略分享，加速了机车的控制策略学习，实现了集团车队控制。

以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于分布感知的铁路机车控制系统，其特征在于，包含设置于所述机车上的数据采集单元、数据存储分析单元和机车微机，其中，

所述数据采集单元配置为采集路段信息、工况信息、机车状态信息和控制参数；

所述数据存储分析单元与所述数据采集单元和所述机车微机通信连接，并配置为：

储存所述路段信息、所述工况信息和所述机车状态信息；

分析所述路段信息、所述工况信息和所述机车状态信息以优化控制策略，其中，所述控制策略限定对应于规定路段和规定工况的所述控制参数；

将所述优化后的控制策略推荐给所述机车微机；

所述机车微机配置为依据所述优化后的控制策略对机车进行控制。

2.根据权利要求1所述的铁路机车控制系统，其特征在于，还包含设置于所述机车上的发射接收终端和远离所述机车的移动基站，其中，所述发射接收终端与所述数据存储分析单元和所述移动基站通信连接，并配置为在所述数据存储分析单元和所述移动基站之间传递所述优化后的控制策略。

3.根据权利要求1所述的铁路机车控制系统，其特征在于，所述路段信息包含路段位置、坡度、限速、隧道长度、海拔中的至少一个；所述工况信息包含吨位和环境温度中的至少一个；所述机车状态信息包含水温、油温、风扇转速、档位、换档时间中的至少一个。

4.根据权利要求1所述的铁路机车控制系统，其特征在于，所述控制策略包含：

冷却策略，对应于所述冷却策略的所述控制参数包含温度阈值、风扇转速、开启时间；

牵引策略，对应于所述牵引策略的所述控制参数包含牵引力大小和牵引力施加时间；以及

制动策略，对应于所述制动策略的所述控制参数包含制动力大小和制动力施加时间。

5.一种基于分布感知的铁路机车控制方法，其特征在于，包含：

第一机车在行驶过程中使用第一数据采集单元采集路段信息、工况信息、机车状态信息和控制参数并发送至所述第一机车的第一数据存储分析单元；

所述第一数据存储分析单元对所述路段信息、所述工况信息和所述机车状态信息进行分析以优化控制策略其中，所述控制策略限定对应于规定路段和规定工况的所述控制参数；

并将所述优化后的控制策略推荐给所述第一机车的第一机车微机；

当所述第一机车再次行驶时，所述第一机车微机依据所述优化后的控制策略对所述第一机车进行控制。

6.根据权利要求5所述的铁路机车控制方法，其特征在于，所述优化控制策略包含对比储存于所述第一数据存储分析单元内的原控制策略所对应的所述机车状态信息和采集到的所述机车状态信息，

如果采集到的所述机车状态信息代表的机车状态优于所述原控制策略对应的所述机车状态信息代表的机车状态，则以采集到的控制参数替换所述原控制策略中的原控制参数作为所述优化后的控制策略；

如果所述原控制策略对应的所述机车状态信息代表的机车状态优于采集到的所述机车状态信息代表的机车状态，则以保留所述原控制策略中的原控制参数作为所述优化后的控制策略。

7.根据权利要求5所述的铁路机车控制方法，其特征在于，还包含：

所述第一机车的所述第一数据存储分析单元通过第一发射接收终端将所述优化后的控制策略发送至移动基站；

所述移动基站通过第二发射接收终端将所述优化后的控制策略发送至与所述第一机车同一线路上的第二机车的第二数据存储分析单元；

所述第二数据存储分析单元对所述优化后的控制策略进行分析以确定最优控制策略，并将所述最优控制策略推荐给所述第二机车的第二机车微机；

所述第二机车微机依据所述最优控制策略对所述第二机车进行控制，以实现线路车队控制。

8.根据权利要求7所述的铁路机车控制方法，其特征在于，所述第二机车在执行所述最优控制策略时，所述第二数据存储分析单元对所述第二机车的运行状态进行健康诊断，并在诊断结果偏离预定阈值时向乘务人员发出警报。

9.根据权利要求5所述的铁路机车控制方法，其特征在于，还包含：

与所述第一机车不同线路上的第三机车在与所述第一机车交汇时共享对应于不同的所述路段信息、所述工况信息、所述机车状态信息的所述最优控制策略；

所述第三机车将所述最优控制策略分享至与所述第三机车同一车队的其他机车，以实现区域车队控制。

10.根据权利要求5所述的铁路机车控制方法，其特征在于，还包含：

与所述第一机车不同区域的第四机车在与所述第一机车在车辆大修期间共享对应于不同的所述路段信息、所述工况信息、所述机车状态信息的所述最优控制策略；

所述第四机车将所述最优控制策略分享至与所述第四机车同一区域的其他机车，以实现集团车队控制。

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