CN113665544B - 轨道车辆紧急制动减速度优化方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轨道车辆紧急制动减速度优化方法及装置，其中，该方法包括：响应于轨道车辆紧急制动，获取该轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，优化初始条件包括：在紧急制动过程中的制动初始速度和至少两个速度切换点，以及与各速度对应的黏着系数；根据预定规则确定在优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度；基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作；响应于寻优操作成功，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作。

Description

轨道车辆紧急制动减速度优化方法及装置
技术领域
本发明涉及轨道车辆领域，具体涉及一种轨道车辆紧急制动减速度优化方法及装置。
背景技术
在轨道车辆、特别是动车组列车中，实施纯空气紧急制动时要考虑轮轨间的黏着限制和制动盘及闸片的热负荷承受能力，对制动力进行分阶段控制。
一般情况下，可以根据车辆的速度不同进行分段利用轮轨间的黏着系数：高速阶段利用的黏着系数低、低速阶段利用的黏着系数高。以欧盟铁路信号系统互联互通技术规范(TSI)标准为例，车辆速度小于等于250km/h时，干轨的轮轨间黏着系数限制为定值0.15，车辆速度大于250km/h时，干轨的轮轨间黏着系数限制随速度的增大而线性减小，在350km/h时下降到0.1。
为了尽可能地利用轮轨间黏着、缩短紧急制动距离，同时又不超过黏着限制、防止滑行的发生，需要使纯空气紧急制动过程中利用的黏着系数多阶段变化曲线尽量贴近黏着限制。
现有的紧急制动减速度设计中，往往分为以下几个步骤：(1)根据经验给定紧急制动可利用的黏着系数裕量，黏着系数裕量为实际利用的黏着系数低于最大可用黏着系数的百分比，最大可用黏着系数取决于轨面条件、环境条件等，可以使用TSI标准作为指导设计的参考条件；(2)根据经验给定紧急制动利用的黏着系数所对应的速度切换点；(3)结合黏着系数裕量和对应速度切换点，确定紧急制动减速度曲线；(4)进行制动计算，得到紧急制动距离，若制动距离符合设计要求，则进行第5步，若不符合设计要求，则适当减小黏着系数裕量，并进行第2步；(5)通过三维仿真、试验测试的方法校核制动盘的热负荷是否过高，若热负荷符合设计要求，则紧急制动控制策略设计完成，若不符合设计要求，则适当增加黏着系数裕量，并进行第2步。
现有的紧急制动减速度设计方法依赖既往的工程经验，同时通过三维仿真和试验测试进行的热负荷校核需要耗费大量时间，只能进行次数有限的设计迭代修改，效率和准确性均较低。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种轨道车辆紧急制动减速度优化方法及装置，以解决上述提及的至少一个问题。
根据本发明的第一方面，提供一种轨道车辆紧急制动减速度优化方法，所述方法包括：
响应于轨道车辆紧急制动，获取该轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，所述优化初始条件包括：在紧急制动过程中的制动初始速度和至少两个速度切换点，以及与各速度对应的黏着系数；
根据预定规则确定在所述优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度；
基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，所述优化目标包括如下之一：制动盘热负荷最小、紧急制动距离最短、黏着系数裕量最大，黏着系数裕量与黏着系数相关联；
响应于寻优操作成功，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作。
根据本发明的第二方面，提供一种轨道车辆紧急制动减速度优化装置，所述装置包括：
初始条件获取单元，用于响应于轨道车辆紧急制动，获取该轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，所述优化初始条件包括：在紧急制动过程中的制动初始速度和至少两个速度切换点，以及与各速度对应的黏着系数；
初始制动信息确定单元，用于根据预定规则确定在所述优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度；
寻优单元，用于基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，所述优化目标包括如下之一：制动盘热负荷最小、紧急制动距离最短、黏着系数裕量最大，黏着系数裕量与黏着系数相关联；
制动减速单元，用于响应于寻优操作成功，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作。
根据本发明的第三方面，提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。
根据本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
由上述技术方案可知，通过在轨道车辆紧急制动时，获取轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，随后确定在该优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度，同时基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，在寻优操作成功时，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作，相比于现有技术中，本技术方案基于随机搜索与最速下降相结合的最优化算法的迭代寻优，可以完成紧急制动过程中的黏着系数曲线的设计与优化，从而可以提高紧急制动减速度设计的效率和准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是根据本发明实施例的轨道车辆紧急制动减速度优化方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的对制动盘摩擦产热与热量传递路径的简化示意图；
图3是紧急制动过程中黏着系数随速度阶梯状变化的曲线图；
图4是根据本发明实施例的轨道车辆紧急制动减速度优化装置的结构框图；
图5为本发明实施例的电子设备600的系统构成的示意框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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作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。
鉴于现有的紧急制动减速度设计方法依赖既往的工程经验，同时通过三维仿真和试验测试进行的热负荷校核需要耗费大量时间，只能进行次数有限的设计迭代修改，无法针对速度切换点和对应黏着系数的耦合变化进行计算和全局最优设计结果的寻找和确定，效率和准确性均较低，基于此，本发明实施例提供一种轨道车辆紧急制动减速度优化方案，该方案可以实现紧急制动过程中的速度切换点的制动距离和制动盘动态温度的快速计算，同时结合随机搜索与最速下降相结合的最优化算法的迭代寻优，可以完成紧急制动过程中的黏着系数曲线(即，减速度曲线)的设计与优化，提高了紧急制动减速度设计的效率和准确性。以下结合附图来详细描述本发明实施例。
图1是根据本发明实施例的轨道车辆紧急制动减速度优化方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤101，响应于轨道车辆紧急制动，获取该轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，所述优化初始条件包括：在紧急制动过程中的制动初始速度和至少两个速度切换点，以及与各速度对应的黏着系数。
步骤102，根据预定规则确定在所述优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度。
步骤103，基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，所述优化目标包括如下之一：制动盘热负荷最小、紧急制动距离最短、黏着系数裕量最大。
在实际操作中，黏着系数裕量与黏着系数相关联，例如，给定黏着系数裕量为10％，则相对于TSI干轨的最大黏着系数限制，实际利用黏着系数为(1-10％)*TSI。
在步骤103中，可以先基于随机搜索法确定优化初始条件下的搜索方向和搜索步长；随后，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合以及相应的搜索方向和搜索步长为搜索起点，确定各组合的当前制动距离和当前制动盘温度。
当所述优化目标为制动盘热负荷最小时，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作包括：响应于存在所述当前制动盘温度小于初始制动盘温度、且所述当前制动距离和对应的黏着系数裕量满足所述优化目标的组合，将当前制动盘温度最小的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
当所述优化目标为紧急制动距离最短时，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作包括：响应于存在所述当前制动距离小于初始制动距离、且所述当前制动温度和对应的黏着系数裕量满足所述优化目标的组合，将当前制动距离最小的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
当所述优化目标为黏着系数裕量最大时，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作包括：响应于组合中各当前速度对应的最小黏着系数裕量大于搜索起点相应的最小黏着系数裕量、且所述当前制动距离和当前制动盘温度满足所述优化目标的组合，将最大的黏着系数裕量的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
步骤104，响应于寻优操作成功，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作。
当寻优操作失败，基于随机搜索法重新确定优化初始条件下的搜索方向，分别调整速度和黏着系数的搜索步长，之后重新执行步骤103的寻优操作。
通过在轨道车辆紧急制动时，获取轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，随后确定在该优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度，同时基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，在寻优操作成功时，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作，相比于现有技术中，本发明实施例基于随机搜索与最速下降相结合的最优化算法的迭代寻优，可以完成紧急制动过程中的黏着系数曲线(即，减速度曲线)的设计与优化，从而可以提高紧急制动减速度设计的效率和准确性。
具体地，上述步骤102中的初始制动盘温度可以通过如下方式确定：先将制动盘确定为多个薄片；随后，根据制动盘当前速度下的轮轨间黏着系数、轮轴重力、制动盘热传导系数、薄片参数、对流换热系数、环境温度确定所述初始制动盘温度。
相应地，上述的当前制动盘温度也可以依据上述方式来确定。
以下结合图2来详细描述制动盘温度的示例计算过程。
图2是对制动盘摩擦产热与热量传递路径的简化示意图，在摩擦块和制动盘组成的系统中，发热量的唯一来源为摩擦块和制动盘表面的摩擦生热。
在实际操作中，为了大幅减少制动盘温度计算的耗时，以便使其耦合在减速度的循环迭代优化过程中，优选地将制动盘简化为若干个薄片(最少需要切分为2个以表征制动盘内部的热传导关系)，当薄片数量增加时，单次温度计算的耗时会增加，进而影响整体优化过程的耗时，具体数量需要根据实际的计算机资源确定。首层薄片与摩擦块接触、发热，其他薄层基于热传导、对流换热和热辐射的形式达到热平衡，其热量的走向和简化示意如图2所示。
摩擦产热与黏着系数直接相关，其计算公式如下公式(1)所示：
Q产热＝μMg·V·dt (1)
上式中μ表示当前速度下轮轨间黏着系数，为优化过程中的自变量，Mg表示该轮轴的重力，作为初始条件给定，V表示车辆的实时速度，dt表示时间微元。
制动盘内部热传导的计算基于对制动盘的适度简化：将制动盘沿厚度方向切分为若干部分，每层薄片的温度假定均匀，则相邻两层薄片之间的热传导公式为如下公式(2)：
Figure BDA0003252361750000061
上式中k表示制动盘的热传导系数，根据制动盘的材料性质给定，Ti表示第i个薄层的温度，A表示薄层的横截面积，Δx表示薄层的厚度，dt表示时间微元。
制动盘的对流换热计算公式为如下公式(3)：
Q对流,i＝h·(Ti-T环境)·Si·dt (3)
上式中，h表示对流换热系数，根据试验数据和三维仿真结果拟合为经验公式，形式为车辆速度的一次函数；T环境表示周围环境温度，取40℃；Si表示第i个薄层的表面积，dt表示时间微元。
制动盘热辐射的计算公式为如下公式(4)：
Figure BDA0003252361750000071
上式中，σ0表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数；ε表示制动盘材料的表面辐射发射率；Si表示第i个薄层的表面积，dt表示时间微元。
上述公式具体描述了制动盘每一部分的热量的产生与传递，结合制动盘薄层的热平衡方程为如下公式(5)：
Figure BDA0003252361750000072
上式中，ΔTi表示dt时间内第i个薄层的温度变化；Ci表示第i个薄层的比热容。基于上述公式，可以得到一组减速度曲线下车辆紧急制动过程中制动盘全过程的温度变化，取这一过程中的最高温度作为该减速度曲线对应的摩擦副温度。
基于上述公式(1)-(5)，可以确定制动盘温度。
为了更好地理解本发明，以下结合图3给出的制动过程中“黏着系数-速度”曲线来详细描述本发明实施例。
参见图3，为紧急制动过程中黏着系数随速度阶梯状变化的典型曲线，图中以两个速度切换点(下文中分别以“点1”、“点2”进行指代，从低速至高速的速度分别为v1、v2，对应的黏着系数分别为μ1、μ2)为例，加上制动初始速度(下文中以“点3”进行指代，制动初始速度固定为v3，对应的黏着系数为μ3)。在该示例中，共有五个自变量：两个速度v1、v2和三个黏着系数μ1、μ2、μ3。点1和点2两个切换点的速度和黏着系数均为可变量，可以在图中沿着四个方向(速度增加、速度减小、黏着系数增加、黏着系数减小)移动，当点1和点2对应的速度和黏着系数发生变化时，即，在图中的位置发生变化时，此时车辆紧急制动的减速度曲线也随之变化。点3对应紧急制动初速度，速度为固定值，所以只能沿着上下两个方向(黏着系数增加、黏着系数减小)移动，从而改变制动减速度曲线。
在每一步迭代优化过程中，需要确定两个关键变量：搜索的方向和步长。上述说明了点1、点2和点3在优化过程中的所有搜索方向，搜索步长需要根据优化过程所处的进度确定，总体策略是：初始阶段先大步长搜索，逐渐接近最优点的过程中减小步长，直至最后以最小步长进行搜索。
以下以两个速度切换点、初始速度300km/h为例对轨道车辆紧急制动减速度优化方案进行说明，实际上初始速度、速度切换点个数不限于此。
(1)以制动盘热负荷最小为优化目标
首先，根据经验给定两个速度切换点，例如，100km/h和200km/h，再根据约束条件给定黏着系数裕量，如10％(相对于TSI干轨的黏着系数，即0.9*TSI黏着系数)。计算初始条件下的制动距离(对应于上述的初始制动距离)和制动盘温度(对应于上述的初始制动盘温度)，然后在当前速度切换点和黏着系数的组合为起点进行搜索。
由于自变量的数量一般情况较多(本示例中有2个速度切换点、2个对应黏着系数，外加初始速度对应的黏着系数，共5个自变量，实际应用中往往会超过10个)，而且结果存在非线性，难以直接使用现有的成熟优化方法，本发明实施例的寻优过程采用随机搜索法与最速下降法的结合。
从初始的点1、点2和点3对应速度和黏着系数组合出发，点1和点2在图3的二维图中随机生成若干个方向(可以根据计算机资源确定，例如可以生成10个方向)，在每个方向上随机生成一个步长；点3对应的速度固定，所以在图3中的方向仅为向上(黏着系数增大)和向下(黏着系数减小)两个方向，然后在每个方向上随机生成一个步长。在寻优初始阶段，步长的选取范围可以较大，例如速度的步长可以在0km/h至20km/h的范围内随机确定，黏着系数的步长可以在0至0.01的范围内随机确定。
在上述过程中，初始的速度和黏着系数组合会有一组制动减速度曲线，随机产生的方向和步长对应22组制动减速度曲线(其中，点1、点2分别有10组，点3有2组)。通过制动距离计算和制动盘温度计算方法，分别计算寻优初始距离和制动盘温度，以及22组结果的制动距离和制动盘温度。若22组结果中存在满足制动距离和黏着系数约束条件的子集，且制动盘温度小于该寻优步骤的初始制动盘温度，则将符合约束条件且制动盘温度最低的结果确定为下一步寻优的初始点，并将这一步的寻优搜索确定为一次成功的搜索；若22组结果中不存在满足约束条件且制动盘温度低于初始制动盘温度的子集，则将这一步寻优搜索确定为一次失败的搜索。
若这一步搜索成功，则继续进行迭代；若这一步搜索失败，则退回到这一步的初始组合，重新生成22组随机结果。若连续失败若干次(根据计算资源确定，例如可以选定为50次)，则需要适当减小步长，例如，将初始阶段步长的选取范围折半，即速度步长在0km/h至10km/h范围内随机确定，黏着系数步长在0至0.005的范围内随机确定。由于实际工程的需要，步长无法无限制减小，当步长减小至工程中的最小精度值后(如速度可以选定为5km/h，黏着系数可以选定为0.0001)后，就不再减小步长。当以最小的步长仍然搜索不到符合条件的结果时，寻优结果结束。
(2)以紧急制动距离最短为优化目标
类似于上述(1)的寻优操作，首先，根据经验给定两个速度切换点，如100km/h和200km/h，再根据约束条件给定黏着系数裕量，如10％(相对于TSI干轨的黏着系数，即0.9*TSI黏着系数)。计算初始条件下的制动距离和制动盘温度，然后在当前速度切换点和黏着系数的组合为起点进行搜索。
在速度和黏着系数组合的附近可行域，随机选择方向和可变步长进行搜索，每步随机搜索都计算出对应的制动距离和制动盘温度。当计算结果符合约束条件(制动盘温度低于限定值、黏着系数裕量大于限定值)，且紧急制动距离比搜索起点低，则以该组合结果为起点，再次进行随机搜索、计算。当连续若干步找不到符合条件的结果时，则适当减小最大步长限值，直至最大步长限值等于计算精度(如速度精度可取5km/h、黏着系数精度可取0.0001)。当以较小的步长仍然搜索不到符合条件的结果时，寻优结果结束。
以紧急制动距离最短为优化目标的具体寻优过程与上述(1)以制动盘热负荷最小为优化目标的寻优过程相似，相似之处不再赘述。
(3)以黏着系数裕量最大化为优化目标
类似于上述(1)的寻优操作，首先，根据经验给定两个速度切换点，如100km/h和200km/h，再根据约束条件给定黏着系数裕量，如10％(相对于TSI干轨的黏着系数，即0.9*TSI黏着系数)。计算初始条件下的制动距离和制动盘温度，然后在当前速度切换点和黏着系数的组合为起点进行搜索。
在速度和黏着系数组合的附近可行域，随机选择方向和可变步长进行搜索，每步随机搜索都计算出对应的制动距离和制动盘温度。当计算结果符合约束条件(制动盘温度低于限定值、制动距离小于限定值)，且各个速度下的最小黏着系数裕量比搜索起点相应的最小黏着系数裕量大，则以该结果为起点，再次进行随机搜索、计算。当连续若干步找不到符合条件的结果，则适当减小最大步长限值，直至最大步长限值等于计算精度(如速度精度可取5km/h、黏着系数精度可取0.0001)。以较小的步长仍然搜索不到符合条件的结果时，寻优结果结束。
以黏着系数裕量最大化为优化目标的具体寻优过程与上述(1)以制动盘热负荷最小为优化目标的寻优过程相似，相似之处不再赘述。
在本发明实施例中，制动计算过程需要计算紧急制动距离和制动盘温度作为减速度优化设计的依据，其中：
制动距离的计算，可以依据国际标准ISO/FDIS 20138-2:2019进行。
制动盘温度的计算，与制动距离的计算类似，先对时间取微元。发热功率基于实际利用黏着系数、轴重与实时速度计算，再对制动盘的每一个薄层列出热平衡方程：温度变化取决于摩擦产热、热传导、对流换热和热辐射的功率。具体可以参见上述与公式(1)-(5)相关的描述。
基于相似的发明构思，本发明实施例还提供一种轨道车辆紧急制动减速度优化装置，该装置优选地可应用上述的轨道车辆紧急制动减速度优化方法的流程。
图4是该轨道车辆紧急制动减速度优化装置的结构框图，如图4所示，该装置包括：初始条件获取单元1、初始制动信息确定单元2、寻优单元3和制动减速单元4，其中：
初始条件获取单元1，用于响应于轨道车辆紧急制动，获取该轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，所述优化初始条件包括：在紧急制动过程中的制动初始速度和至少两个速度切换点，以及与各速度对应的黏着系数。
初始制动信息确定单元2，用于根据预定规则确定在所述优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度。
寻优单元3，用于基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，所述优化目标包括如下之一：制动盘热负荷最小、紧急制动距离最短、黏着系数裕量最大，黏着系数裕量与黏着系数相关联。
具体地，寻优单元包括：搜索信息确定模块和当前制动信息确定模块，其中：
搜索信息确定模块，用于基于随机搜索法确定优化初始条件下的搜索方向和搜索步长；
当前制动信息确定模块，用于以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合以及相应的搜索方向和搜索步长为搜索起点，确定各组合的当前制动距离和当前制动盘温度。
在实际操作中，基于不同的优化目标，寻优单元执行不同的寻优操作，具体包括：
当所述优化目标为制动盘热负荷最小时，所述寻优单元具体用于：响应于存在所述当前制动盘温度小于初始制动盘温度、且所述当前制动距离和对应的黏着系数裕量满足所述优化目标的组合，将当前制动盘温度最小的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作；
当所述优化目标为紧急制动距离最短时，所述寻优单元具体用于：响应于存在所述当前制动距离小于初始制动距离、且所述当前制动温度和对应的黏着系数裕量满足所述优化目标的组合，将当前制动距离最小的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作；
当所述优化目标为黏着系数裕量最大时，所述寻优单元具体用于：响应于组合中各当前速度对应的最小黏着系数裕量大于搜索起点相应的最小黏着系数裕量、且所述当前制动距离和当前制动盘温度满足所述优化目标的组合，将最大的黏着系数裕量的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
制动减速单元4，用于响应于寻优操作成功，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作。
通过在轨道车辆紧急制动时，初始条件获取单元1获取轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，随后初始制动信息确定单元2确定在该优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度，同时寻优单元3基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，在寻优操作成功时，制动减速单元4根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作，相比于现有技术中，本发明实施例基于随机搜索与最速下降相结合的最优化算法的迭代寻优，可以完成紧急制动过程中的黏着系数曲线(即，减速度曲线)的设计与优化，从而可以提高紧急制动减速度设计的效率和准确性。
在实际操作中，上述装置还包括：搜索调整单元，用于响应于寻优操作失败，基于随机搜索法重新确定优化初始条件下的搜索方向，分别调整速度和黏着系数的搜索步长。
在一个实施例中，上述装置还包括：初始制动盘温度确定单元，用于确定所述初始制动盘温度。
所述初始制动盘温度确定单元包括：薄片确定模块、初始制动盘温度确定模块，其中：
薄片确定模块，用于将制动盘确定为多个薄片；
初始制动盘温度确定模块，用于根据制动盘当前速度下的轮轨间黏着系数、轮轴重力、制动盘热传导系数、薄片参数、对流换热系数、环境温度确定所述初始制动盘温度。
上述各单元、各模块的具体执行过程，可以参见上述方法实施例中的描述，此处不再赘述。
在实际操作中，上述各单元、各模块可以组合设置、也可以单一设置，本发明不限于此。
本实施例还提供一种电子设备，该电子设备可以是台式计算机、平板电脑及移动终端等，本实施例不限于此。在本实施例中，该电子设备可以参照上述方法实施例进行实施及轨道车辆紧急制动减速度优化装置的实施例进行实施，其内容被合并于此，重复之处不再赘述。
图5为本发明实施例的电子设备600的系统构成的示意框图。如图5所示，该电子设备600可以包括中央处理器100和存储器140；存储器140耦合到中央处理器100。值得注意的是，该图是示例性的；还可以使用其他类型的结构，来补充或代替该结构，以实现电信功能或其他功能。
一实施例中，轨道车辆紧急制动减速度优化功能可以被集成到中央处理器100中。其中，中央处理器100可以被配置为进行如下控制：
响应于轨道车辆紧急制动，获取该轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，所述优化初始条件包括：在紧急制动过程中的制动初始速度和至少两个速度切换点，以及与各速度对应的黏着系数；
根据预定规则确定在所述优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度；
基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，所述优化目标包括如下之一：制动盘热负荷最小、紧急制动距离最短、黏着系数裕量最大，黏着系数裕量与黏着系数相关联；
响应于寻优操作成功，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作。
从上述描述可知，本申请实施例提供的电子设备，通过在轨道车辆紧急制动时，获取轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，随后确定在该优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度，同时基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，在寻优操作成功时，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作，相比于现有技术中，本发明实施例基于随机搜索与最速下降相结合的最优化算法的迭代寻优，可以完成紧急制动过程中的黏着系数曲线的设计与优化，从而可以提高紧急制动减速度设计的效率和准确性。
在另一个实施方式中，轨道车辆紧急制动减速度优化装置可以与中央处理器100分开配置，例如可以将轨道车辆紧急制动减速度优化装置配置为与中央处理器100连接的芯片，通过中央处理器的控制来实现轨道车辆紧急制动减速度优化功能。
如图5所示，该电子设备600还可以包括：通信模块110、输入单元120、音频处理单元130、显示器160、电源170。值得注意的是，电子设备600也并不是必须要包括图5中所示的所有部件；此外，电子设备600还可以包括图5中没有示出的部件，可以参考现有技术。
如图5所示，中央处理器100有时也称为控制器或操作控件，可以包括微处理器或其他处理器装置和/或逻辑装置，该中央处理器100接收输入并控制电子设备600的各个部件的操作。
其中，存储器140，例如可以是缓存器、闪存、硬驱、可移动介质、易失性存储器、非易失性存储器或其它合适装置中的一种或更多种。可储存上述与失败有关的信息，此外还可存储执行有关信息的程序。并且中央处理器100可执行该存储器140存储的该程序，以实现信息存储或处理等。
输入单元120向中央处理器100提供输入。该输入单元120例如为按键或触摸输入装置。电源170用于向电子设备600提供电力。显示器160用于进行图像和文字等显示对象的显示。该显示器例如可为LCD显示器，但并不限于此。
该存储器140可以是固态存储器，例如，只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、SIM卡等。还可以是这样的存储器，其即使在断电时也保存信息，可被选择性地擦除且设有更多数据，该存储器的示例有时被称为EPROM等。存储器140还可以是某种其它类型的装置。存储器140包括缓冲存储器141(有时被称为缓冲器)。存储器140可以包括应用/功能存储部142，该应用/功能存储部142用于存储应用程序和功能程序或用于通过中央处理器100执行电子设备600的操作的流程。
存储器140还可以包括数据存储部143，该数据存储部143用于存储数据，例如联系人、数字数据、图片、声音和/或任何其他由电子设备使用的数据。存储器140的驱动程序存储部144可以包括电子设备的用于通信功能和/或用于执行电子设备的其他功能(如消息传送应用、通讯录应用等)的各种驱动程序。
通信模块110即为经由天线111发送和接收信号的发送机/接收机110。通信模块(发送机/接收机)110耦合到中央处理器100，以提供输入信号和接收输出信号，这可以和常规移动通信终端的情况相同。
基于不同的通信技术，在同一电子设备中，可以设置有多个通信模块110，如蜂窝网络模块、蓝牙模块和/或无线局域网模块等。通信模块(发送机/接收机)110还经由音频处理器130耦合到扬声器131和麦克风132，以经由扬声器131提供音频输出，并接收来自麦克风132的音频输入，从而实现通常的电信功能。音频处理器130可以包括任何合适的缓冲器、解码器、放大器等。另外，音频处理器130还耦合到中央处理器100，从而使得可以通过麦克风132能够在本机上录音，且使得可以通过扬声器131来播放本机上存储的声音。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现上述轨道车辆紧急制动减速度优化方法的步骤。
综上所述，本发明实施例可以使轨道车辆紧急制动过程中的减速度曲线实现正向设计，减少三维仿真和试验试错需要的支出和时间。本发明实施例通过制动盘温升计算和制动距离计算的耦合，实现紧急制动过程中的制动距离和制动盘动态温度的快速计算，并结合随机搜索与最速下降相结合的最优化算法的迭代寻优，完成紧急制动过程中利用的黏着系数曲线(减速度曲线)设计与优化。根据优化目标的不同，可以分别完成如下功能：(1)在确定的制动距离和黏着系数裕量约束下，可以实现制动盘热负荷最小；(2)在确定的制动盘温度和黏着系数裕量约束下，可以实现紧急制动距离最短；(3)在确定的制动距离和制动盘温度约束下，可以实现黏着系数裕量的最大化，从而可以实现如下效果：(1)制动盘可靠性的提升(通过降低制动盘热负荷)、(2)紧急制动距离的减小和(3)轮轨滑行可能性的降低(通过增大黏着系数裕量)。
以上参照附图描述了本发明的优选实施方式。这些实施方式的许多特征和优点根据该详细的说明书是清楚的，因此权利要求旨在覆盖这些实施方式的落入其真实精神和范围内的所有这些特征和优点。此外，由于本领域的技术人员容易想到很多修改和改变，因此不是要将本发明的实施方式限于所例示和描述的精确结构和操作，而是可以涵盖落入其范围内的所有合适修改和等同物。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (14)

1.一种轨道车辆紧急制动减速度优化方法，其特征在于，所述方法包括：
响应于轨道车辆紧急制动，获取该轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，所述优化初始条件包括：在紧急制动过程中的制动初始速度和至少两个速度切换点，以及与各速度对应的黏着系数；
根据预定规则确定在所述优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度；
基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，所述优化目标包括如下之一：制动盘热负荷最小、紧急制动距离最短、黏着系数裕量最大，黏着系数裕量与黏着系数相关联；
响应于寻优操作成功，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作；
其中，根据国际标准ISO/FDIS 20138-2:2019确定所述初始制动距离；
通过如下方式确定所述初始制动盘温度：
将制动盘确定为多个薄片；
根据制动盘当前速度下的轮轨间黏着系数、轮轴重力、制动盘热传导系数、薄片参数、对流换热系数、环境温度确定所述初始制动盘温度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作包括：
基于随机搜索法确定优化初始条件下的搜索方向和搜索步长；
以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合以及相应的搜索方向和搜索步长为搜索起点，确定各组合的当前制动距离和当前制动盘温度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述优化目标为制动盘热负荷最小时，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作包括：
响应于存在所述当前制动盘温度小于初始制动盘温度、且所述当前制动距离和对应的黏着系数裕量满足所述优化目标的组合，将当前制动盘温度最小的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述优化目标为紧急制动距离最短时，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作包括：
响应于存在所述当前制动距离小于初始制动距离、且所述当前制动盘温度和对应的黏着系数裕量满足所述优化目标的组合，将当前制动距离最小的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述优化目标为黏着系数裕量最大时，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作包括：
响应于组合中各当前速度对应的最小黏着系数裕量大于搜索起点相应的最小黏着系数裕量、且所述当前制动距离和当前制动盘温度满足所述优化目标的组合，将最大的黏着系数裕量的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
响应于寻优操作失败，基于随机搜索法重新确定优化初始条件下的搜索方向，分别调整速度和黏着系数的搜索步长。
7.一种轨道车辆紧急制动减速度优化装置，其特征在于，所述装置包括：
初始条件获取单元，用于响应于轨道车辆紧急制动，获取该轨道车辆在紧急制动过程中的优化初始条件，所述优化初始条件包括：在紧急制动过程中的制动初始速度和至少两个速度切换点，以及与各速度对应的黏着系数；
初始制动信息确定单元，用于根据预定规则确定在所述优化初始条件下的各速度对应的初始制动距离和初始制动盘温度，其中，根据国际标准ISO/FDIS20138-2:2019确定所述初始制动距离；
寻优单元，用于基于预定的优化目标以及与该优化目标相应的黏着系数裕量，以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合为搜索起点，根据与该搜索起点相应的初始制动距离和初始制动盘温度，基于随机搜索法和最速下降法进行寻优操作，所述优化目标包括如下之一：制动盘热负荷最小、紧急制动距离最短、黏着系数裕量最大，黏着系数裕量与黏着系数相关联；
制动减速单元，用于响应于寻优操作成功，根据与优化目标对应的寻优操作结果进行紧急制动减速度操作；
初始制动盘温度确定单元，用于确定所述初始制动盘温度，
所述初始制动盘温度确定单元包括：
薄片确定模块，用于将制动盘确定为多个薄片；
初始制动盘温度确定模块，用于根据制动盘当前速度下的轮轨间黏着系数、轮轴重力、制动盘热传导系数、薄片参数、对流换热系数、环境温度确定所述初始制动盘温度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述寻优单元包括：
搜索信息确定模块，用于基于随机搜索法确定优化初始条件下的搜索方向和搜索步长；
当前制动信息确定模块，用于以所述优化初始条件中的各速度及其黏着系数组合以及相应的搜索方向和搜索步长为搜索起点，确定各组合的当前制动距离和当前制动盘温度。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，当所述优化目标为制动盘热负荷最小时，所述寻优单元具体用于：
响应于存在所述当前制动盘温度小于初始制动盘温度、且所述当前制动距离和对应的黏着系数裕量满足所述优化目标的组合，将当前制动盘温度最小的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
10.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，当所述优化目标为紧急制动距离最短时，所述寻优单元具体用于：
响应于存在所述当前制动距离小于初始制动距离、且所述当前制动盘温度和对应的黏着系数裕量满足所述优化目标的组合，将当前制动距离最小的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
11.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，当所述优化目标为黏着系数裕量最大时，所述寻优单元具体用于：
响应于组合中各当前速度对应的最小黏着系数裕量大于搜索起点相应的最小黏着系数裕量、且所述当前制动距离和当前制动盘温度满足所述优化目标的组合，将最大的黏着系数裕量的组合确定为下一步寻优操作的起始点，以进行下一步寻优操作。
12.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
搜索调整单元，用于响应于寻优操作失败，基于随机搜索法重新确定优化初始条件下的搜索方向，分别调整速度和黏着系数的搜索步长。
13.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
14.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6中任一项所述方法的步骤。
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