CN112859610B - 一种铁道车辆控制运算系统及最低磨耗控制算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及铁道车辆技术领域，公开了一种铁道车辆控制运算系统及最低磨耗控制算法，控制运算系统包括：控制装置，包括控制运算器，内置遗传控制算法，用于计算出最低磨耗的车辆运行方案并控制系统执行；定位装置，用于探测车辆实时位置；制动装置，包括空气制动控制器、电阻制动控制器及回馈制动控制器，用于车辆减速制动；信息采集装置，包括速度传感器、牵引电机电流传感器、温度传感器、湿度传感器，用于采集车辆运行的实时速度、电流及外部环境的温度、湿度信息并发送给控制运算器；驱动装置，包括牵引电机和牵引变流器，牵引电机分别与牵引变流器对应连接，带动车辆运动。本发明智能化、自动化程度高，大大降低了车辆钢轮的磨耗率。

Description

一种铁道车辆控制运算系统及最低磨耗控制算法

技术领域

本发明涉及一种铁道车辆控制运算系统及最低磨耗控制算法，属于铁道车辆技术领域。

背景技术

铁道车辆经过一段时间的运行后，钢轮会出现磨耗且磨耗不均匀(偏磨)的情况，这会导致车辆钢轮不圆。进而致使行车时引起车辆与轨道的剧烈震动，不但影响乘客乘坐的舒适性，而且会引发车辆脱轨，影响行车安全，进一步缩短车辆和轨道零部件的寿命。为此，铁道车辆运行一段时间后，需对车辆钢轮进行镟修，切除钢轮上不圆的部分。车辆钢轮镟修工序非常繁琐，需要投入大量人工。另外，车辆钢轮在被多次镟修后，将不得不报废，铁路局或地铁公司不得不更换新钢轮，耗费巨大人工费和材料费，从而增加运营成本。因此需要研制一种能够降低钢轮磨耗的车辆控制系统及控制算法。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种铁道车辆控制运算系统及最低磨耗控制算法。

本发明所述的一种铁道车辆控制运算系统，包括：

控制装置，包括控制运算器，内置控制算法，用于计算出最低磨耗的铁道车辆运行方案并控制系统执行；

定位装置，与控制运算器连接，用于探测铁道车辆实时位置，并将实时位置发送给控制运算器；

制动装置，包括空气制动控制器、电阻制动控制器以及回馈制动控制器，均与控制运算器通信连接，用于铁道车辆减速制动；多种制动控制器联合使用可使车辆尽快减速制动，精准控制车辆速度；

信息采集装置，包括速度传感器、若干牵引电机电流传感器、温度传感器、湿度传感器，均与控制运算器电连接，用于采集铁道车辆运行的实时速度、电流及外部环境的温度、湿度信息并发送给控制运算器；

驱动装置，包括若干牵引电机和若干牵引变流器，牵引电机分别与牵引变流器对应连接，带动铁道车辆运动，牵引变流器安装在铁道车辆底部，与控制运算器连接，通过调压调频控制实现对牵引电机启动、制动、调速的控制。

优选的，所述定位装置为GPS装置，安装于铁道车辆头部。GPS装置定位精度高，观测时间短，安装于车辆的头部可在车辆进入不同区间路段时第一时间将车辆位置反馈给控制运算器，使算法结果更精确。

本发明所述的一种铁道车辆的最低磨耗控制算法，包括以下步骤：

S1：采集信息：采集第a个区间t时刻的钢轮直径R_t、轨道坡度S_t、轨道枕木倾斜度I_t、天气温度矫正系数K₁、天气湿度矫正系数K₂、轨宽系数K₃、钢轮材质系数M₁、轨道材质系数M₂、铁道车辆实时重力G_t以及实时车速V_at；

S2：速度数值组合种群初始化适应度数值计算：随机赋值两个车速组合，求出两个磨耗值；

S3：对车辆速度组合进行选择、交叉及变异：由步骤S2中得到的适应度数值，对速度组合进行选择，然后再根据适应度数值对筛选出的速度组合进行交叉计算得出新的速度组合数值，再对速度组合进行变异计算；

S4：进化多次循环：不断循环执行步骤S1-S3，进行计算，寻找最优的实时车速组合，使磨耗值降到最低；

S5：控制运算器控制车辆运动：控制运算器按照最优的车速组合对车辆运行在第a个区间内的车速进行实时控制，控制运算器计算出每个区间路段的最优车速组合，并按照最优车速组合对每个区间内的车辆车速进行控制。

优选的，所述步骤S2中，磨耗值的计算公式为：

优选的，所述磨耗值下的实时车速V_at满足的约束方程为：

优选的，所述步骤S1中的采集方法为：控制运算器从内部表格中调用编程时录入的钢轮直径、钢轮材质、轨道材质、轨道坡度、轨道枕木倾向度以及轨道宽度；控制运算器接收速度传感器、温度传感器、湿度传感器、牵引电机电流传感器发送的实时铁道车辆运行速度、环境中的温度、湿度以及铁道车辆负载电流。

优选的，所述控制运算器将负载电流转化为车辆重力并计算天气温度矫正系数、天气湿度矫正系数和轨宽系数，其中天气温度矫正系数K₁、天气湿度矫正系数K₂和轨宽系数K₃的计算公式为：

天气温度矫正系数K₁＝摄氏温度值/45 (3)；

天气湿度矫正系数K₂＝湿度值 (4)；

轨宽系数K₃＝轨道宽度/1405 (5)。

本发明所述的一种铁道车辆控制运算系统及最低磨耗控制算法，具有以下有益效果：

(1)大大降低了铁道车辆钢轮的磨耗率，减少了人力镟修维护钢轮的费用，降低了经济成本；

(2)可自动实时检测铁道车辆运行环境数据，并筛选出最优控制方案，智能化程度高。

附图说明

图1是本发明的系统流程框图。

图2是本发明的方法流程框图。

图中：1、控制装置；2、定位装置；3、制动装置；4、信息采集装置；5、驱动装置。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，本发明所述的一种铁道车辆控制运算系统，包括控制装置1、定位装置2、制动装置3、信息采集装置4以及驱动装置5，控制装置1包括控制运算器，控制运算器内部植入一种用于计算铁道车辆钢轮最低磨耗的控制算法，并根据此算法运行方案控制系统执行；定位装置2采用GPS定位装置，与控制运算器通信连接，用于探测铁道车辆实时位置，并将实时位置反馈给控制运算器，GPS定位装置定位精度高，观测时间短，安装于铁道车辆的头部可在车辆进入不同区间路段时第一时间将车辆位置反馈给控制运算器，使控制算法计算得到的结果更精确；制动装置3包括空气制动控制器、电阻制动控制器以及回馈制动控制器，均与控制运算器通信连接，制动装置3用于控制运算器控制分别实施空气制动、电阻制动、回馈制动，进而控降低车辆的速度，多种制动控制器联合使用可使铁道车辆尽快减速制动，精准控制车辆速度，而且可以避免单独一种制动方式失效时车辆无法进行减速，造成安全隐患。

信息采集装置4包括速度传感器、若干牵引电机电流传感器、温度传感器、湿度传感器，若干牵引电机电流传感器与控制运算器电气连接，输出信号给控制运算器，用于控制运算器计算当前各牵引电机的电流，牵引电机的电流一方面用于实时控制牵引电机的反馈信号，另一方面由于铁道车辆负载大，电流就大，所以也用于实时计算当前车辆的重力；温度传感器与控制运算器电气连接，温度传感器输出信号给控制运算器，用于控制运算器计算当前天气温度；湿度传感器与控制运算器电气连接，湿度传感器输出信号给控制运算器，用于控制运算器计算当前湿度值。

驱动装置5包括若干牵引电机和若干牵引变流器，牵引电机分别与牵引变流器一一对应连接，牵引变流器安装在铁道车辆底部，与控制运算器电气连接，控制运算器输出信号给牵引变流器，控制牵引变流器输出电压值，通过调压调频控制牵引电机，实时向其输出可变的电能，进而控制铁道车辆的牵引力，控制车辆速度，完成提速或者降速。

如图2所示，本发明所述的一种铁道车辆的最低磨耗控制算法，包括以下步骤：

S1：采集信息：采集在第a个区间t时刻，钢轮当前直径R_t，当前位置的轨道坡度S_t，当前位置的轨道枕木倾斜度I_t，天气温度矫正系数K₁，天气湿度矫正系数K₂，轨宽系数K₃，钢轮材质系数M₁，轨道材质系数M₂，铁道车辆实时重力G_t，站区间的实时车速V_at。

S2：速度数值组合种群初始化及适应度数值计算：算法随机赋值两个速度组合，求出两个磨耗值，磨耗值的计算公式如下：

其中，R_t是随着车辆磨耗逐渐变小，单位为米。固定位置的轨道坡度S_t和轨道枕木倾斜度I_t，其数值固定不变，但在不同位置，其数值不同。

天气温度矫正系数K₁由控制运算器接收温度传感器发送的摄氏温度值计算得出，计算公式为：

天气温度矫正系数K₁＝摄氏温度值/45；

天气湿度矫正系数K₂由控制运算器接收湿度传感器发送的具体湿度值计算得出，计算公式为：

天气湿度矫正系数K₂＝湿度值；

轨宽系数K₃由轨道宽度计算得出，计算公式为：

轨宽系数K₃＝轨道宽度/1405；

其中轨道宽度单位为毫米，在线路情况不变情况下，K₃固定不变。

钢轮材质系数M₁和轨道材质系数M₂，在线路及车辆不变的情况下，其数值固定不变；第a个区间的距离S_a是固定不变的；设计师在编写控制运算器程序算法时，将固定位置的轨道坡度、轨道枕木倾斜度、轨道宽度、钢轮材质系数和轨道材质系数等数据提前录入控制运算器内部并编成表格，控制运算器使用时，通过程序内部查表即可获得具体数值。

车速V_at应满足以下约束方程：

S3：对铁道车辆速度组合进行选择、交叉及变异：由步骤S2中得到的适应度数值，对速度组合进行选择，然后再根据适应度数值对筛选出的速度组合进行交叉计算出新的速度组合数值，在对速度组合进行变异计算。

S4：进化多次循环：在速度组合变异计算后，判断是否满足终止条件，满足终止的条件为使磨耗值计算函数得出极小值，若满足终止条件则算法运行结束，得到最优速度组合，若不满足终止条件则不断执行步骤S1-步骤S3的控制算法和非线性规划的方法，进行计算，寻找最优的实时车速组合。

S5：控制运算器控制铁道车辆运动：控制运算器按照最优的车速组合对车辆运行在第a个区间内的车速进行实时控制，然后控制运算器计算出每个区间路段的最优车速组合，并按照最优车速组合对每个区间内的车辆车速进行控制，从而使钢轮磨耗值降到最低。

本发明的使用过程如下所示：本发明所述的一种铁道车辆控制运算系统及最低磨耗控制算法，通过在铁道车辆控制运算器内部程序植入一种控制算法，实时计算出一种最优的车辆速度控制方案，具体为，定位装置2将车辆实时位置发送给控制装置1，信息采集装置4采集当前车速、车辆负载电流、环境温度、湿度发送给控制装置1，控制装置1通过内置算法计算出最优车辆速度组合，然后控制制动装置3及驱动装置5配合使车辆运行在最优车速，从而降低车辆钢轮的磨耗及偏耗。

本发明的有益效果是：本发明所述的一种铁道车辆控制运算系统及最低磨耗控制算法，可以在铁道车辆整个运行过程中实施全程控制，实时计算出一种最优的车辆控制方案，该控制方案在满足地铁运营要求(如：准点等)的同时，把车辆钢轮磨耗以及偏磨降低至最小，增大了铁道车辆钢轮镟修周期的间隔，延长了钢轮的使用寿命，降低了车辆钢轮的镟修成本与更换成本，大大降低了铁路局、地铁运营公司等铁道车辆运营单位的运营维修成本。且本发明自动化、智能化程度高，控制运算器精准控制，减少了人力劳动。

本发明可广泛运用于铁道车辆场合。

涉及到电路和电子元器件和模块均为现有技术，本领域技术人员完全可以实现，无需赘言。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种铁道车辆的最低磨耗控制算法，其特征在于，应用于控制装置(1)，控制装置(1)包括控制运算器，内置控制算法，用于计算出最低磨耗的车辆运行方案并控制系统执行；

定位装置(2)，与控制运算器连接，用于探测铁道车辆实时位置，并将实时位置发送给控制运算器；

制动装置(3)，包括空气制动控制器、电阻制动控制器以及回馈制动控制器，均与控制运算器通信连接，用于车辆减速制动；

信息采集装置(4)，包括速度传感器、若干牵引电机电流传感器、温度传感器、湿度传感器，均与控制运算器电连接，用于采集车辆运行的实时速度、电流及外部环境的温度、湿度信息并发送给控制运算器；

驱动装置(5)，包括若干牵引电机和若干牵引变流器，牵引电机分别与牵引变流器对应连接，带动车辆运动，牵引变流器安装在铁道车辆底部，与控制运算器连接，通过调压调频控制实现对牵引电机启动、制动、调速的控制，包括以下步骤：

S1：采集信息：采集第a个区间t时刻的钢轮直径R_t、轨道坡度S_t、轨道枕木倾斜度I_t、天气温度校正系数K₁、天气湿度校正系数K₂、轨宽系数K₃、钢轮材质系数M₁、轨道材质系数M₂、车辆实时重力G_t以及实时车速V_at；

S2：速度数值组合种群初始化适应度数值计算：随机赋值两个车速组合，求出两个磨耗值；磨耗值的计算公式为：

磨耗值下的实时车速V_at满足的约束方程为：

其中，Sa表示第a个区间的距离；

S3：对车辆速度组合进行选择、交叉及变异：由步骤S2中得到的适应度数值，对速度组合进行选择，然后再根据适应度数值对筛选出的速度组合进行交叉计算得出新的速度组合数值，再对速度组合进行变异计算；

S4：进化多次循环：不断循环执行步骤S1-S3，进行计算，寻找最优的实时车速组合，使磨耗值降到最低；

S5：控制运算器控制车辆运动：控制运算器按照最优的车速组合对车辆运行在第a个区间内的车速进行实时控制，控制运算器计算出每个区间路段的最优车速组合，并按照最优车速组合对每个区间内的车辆车速进行控制。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆的最低磨耗控制算法，其特征在于，所述步骤S1中的采集方法为：控制运算器从内部表格中调用编程时录入的钢轮直径、钢轮材质、轨道材质、轨道坡度、轨道枕木倾向度以及轨道宽度；控制运算器接收速度传感器、温度传感器、湿度传感器、牵引电机电流传感器发送的实时铁道车辆运行速度、环境中的温度、湿度以及铁道车辆负载电流。

3.根据权利要求2所述的铁道车辆的最低磨耗控制算法，其特征在于，所述控制运算器将负载电流转化为车辆重力并计算天气温度矫正系数、天气湿度矫正系数和轨宽系数，其中天气温度矫正系数K₁、天气湿度矫正系数K₂和轨宽系数K₃的计算公式为：

天气温度矫正系数K₁＝摄氏温度值/45 (3)；

天气湿度矫正系数K₂＝湿度值 (4)；

轨宽系数K₃＝轨道宽度/1405 (5)。

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