CN113879368B - 一种支持多级减速的列车制动控制方法、设备及存储介质 - Google Patents

一种支持多级减速的列车制动控制方法、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种支持多级减速的列车制动控制方法、设备及存储介质，该方法包括以下步骤：步骤1：计算列车动能初始值Ek0；步骤2：计算列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做工Wtraction；步骤3：计算列车从初始位置到停车过程中的重力做功Wg；步骤4：计算列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功Wbraking；步骤5：计算列车从初始位置到停车点间所有限制点的最大允许动能；步骤6：得到列车的动能Ek，并判断该列车动能是否超过限制点的最大允许动能，若为是，即使触发列车紧急制动，否则正常运行。与现有技术相比，本发明具有缩短了紧急制动距离，提高了列车运行效率等优点。

Description

一种支持多级减速的列车制动控制方法、设备及存储介质
技术领域
本发明涉及列车信号控制系统，尤其是涉及一种支持多级减速的列车制动控制方法、设备及存储介质。
背景技术
在轨道交通领域自动列车防护系统(ATP)是自动列车控制系统的核心，是保障列车能够安全行驶最重要的部分。
基于能量监控的自动列车防护方法是一种先进的自动列车防护技术，其一般实现方式是假设当前列车发出紧急制动指令，列车会按如图1所示的方式运行，图中横坐标为列车位移，纵坐标为速度，列车车头位于坐标原点X0。从制动指令发出到停车会经历三个阶段，出自IEEE Std1474.1-1999(IEEE Standard for Communications-Based TrainControl(CBTC)Performance and Functional Requirements，基于通信的列车控制系统的性能与功能标准)。分别是X0到X1牵引力尚未切除，制动力也未施加，列车在牵引力和重力(坡度)共同作用下的加速阶段；X1到X2列车牵引力已切除，但制动力还未施加，列车受关系和重力(坡度)影响的惰行阶段；X2到XC紧急制动已施加，列车受紧急制动力和重力(坡度)共同作用下的紧急制动阶段。列车运行中不同的X0速度对应的形成一个紧急制动触发曲线，如图2所示。列车按照最不利情况计算列车当前动能，三个阶段中的牵引力做功、制动力做功、重力做功，在到达下游限速或停车点时是否满足相应要求。若满足则认为是安全的，否则立即施加紧急制动，确保安全停车。
经过检索，中国专利公开号CN 102897193B公开了一种基于能量守恒原理的自动列车保护方法，其实现方式是：
根据公式Ek＝Ek0+Wg+Wtraction+Wbraking可得到列车的动能，并判断该列车动能是否超过限制点的最大允许动能，若为是，立即触发列车紧急制动，否则正常运行；
式中Ek为列车动能；Ek0为列车动能初始值；Wg为重力做功；Wtraction为牵引力做功；Wbraking为制动力做功。
上述现有专利中Wbraking的计算采用的是固定紧急制动减速度，且在计算Wbraking时使用的紧急制动减速度是列车在所有速度和轨道情况下的最差值，以此来保障列车在所有情况下的行车安全。但列车不同的紧急制动力得到的紧急制动触发曲线不同，当紧急制动力高时，列车速度下降快，停车距离更短；当紧急制动力低时，紧急制动曲线下降的速度慢，停车距离更远如图3所示：对于相同的速度V0和V0'，低制动力所需的安全停车距离为X0到XC，而高制动力所需的安全停车距离为X0'到XC，高制动力所需停车距离更近。
因此现有专利中使用最小制动力来计算的方式，会导致列车运行速度低，列车间隔大，不利于提高运营效率等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种支持多级减速的列车制动控制方法、设备及存储介质，根据列车不同速度区间提供不同的紧急制动力及对应的制动减速度，采用不同情况的不同减速度计算紧急制动力做功，在保障列车运行安全的前提下获得更精确的紧急制动能量，缩短了紧急制动距离，提高了列车运行效率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
根据本发明的第一方面，提供了一种支持多级减速的列车制动控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：计算列车动能初始值Ek0；
步骤2：计算列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做功Wtraction；
步骤3：计算列车从初始位置到停车过程中的重力做功Wg；
步骤4：计算列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功Wbraking；
步骤5：计算列车从初始位置到停车点间所有限制点的最大允许动能；
步骤6：根据以下公式可得到列车的动能Ek，并判断该列车动能是否超过限制点的最大允许动能，若为是，即使触发列车紧急制动，否则正常运行；
Ek＝Ek0+Wg+Wtraction+Wbraking。
作为优选的技术方案，所述的步骤1的计算公式如下：
Figure GDA0003780466790000031
式中Ek0为列车动能初始值，Mtrain为列车质量，V0为列车初始速度，J为列车转动惯量，R为车轮半径。
作为优选的技术方案，所述的步骤2的计算公式如下：
Figure GDA0003780466790000032
式中Wtraction为牵引力做功，Mtrain为列车质量，Γtraction为当列车速度为V(X)时列车提供的加速度，J为列车转动惯量，R为车轮半径。
作为优选的技术方案，所述的步骤3的计算公式如下：
Figure GDA0003780466790000033
式中Wg为牵引力做功，Mtrain为列车质量，g为重力加速度，gradient(X)为线路在X处的坡度。
作为优选的技术方案，所述的步骤4的具体过程如下：
步骤A：根据当前列车速度计算列车经过安全反应时间后达到的速度V；
步骤B：计算紧急制动率切换点；
步骤C：计算本减速区间内列车制动做功Wbx；
步骤D：进入下个减速度区间后重复步骤B到步骤C，直至速度为零；
步骤E：累计所有部分的紧急制动力做功作为总的制动力做功Wbraking。
作为优选的技术方案，所述的步骤A具体为：
阶段使用如下公式得到X2开始时列车速度V
V＝V0+αt
式中V0为列车在相应阶段开始的速度，α在X0到X1阶段为列车牵引力和重力的合加速度，在X1到X2阶段为重力加速度，其中X0为列车发出紧急制动命令时刻的列车位置；X1为列车切除牵引时刻的列车位置；X2为制动实际施加上的列车位置。
作为优选的技术方案，所述的步骤B具体为：
列车在不同的运行速度下有不同的紧急制动率，不同制动率对应不同的减速度βx。
作为优选的技术方案，所述的步骤C的计算公式如下：
Figure GDA0003780466790000034
其中，Mtrain为列车重量，J为列车转动惯量，R为车轮半径。
作为优选的技术方案，所述的步骤D具体为：
列车经过施加紧急制动速度降低到新的减速度区间后，使用新的参数计算βx，Sx和Wbx。
作为优选的技术方案，所述的步骤E的计算公式如下：
Figure GDA0003780466790000041
其中Wbx即为列车紧急制动中制动力做的功。
作为优选的技术方案，该方法充分使用列车在不同速度不同轨道情况下准确的制动减速度值来计算紧急制动过程中的制动力做功。
根据本发明的第二方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。
根据本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明考虑不同速度下紧急制动力差异，提高紧急制动力做功的准确性；
2、本发明考虑了不同轨道情况下的制动力差异，提高紧急制动力做功的准确性；
3、本发明在对每个区段计算制动力时使用最差情况，保障列车运行的安全性。
附图说明
图1为列车紧急制动后的运行示意图；
图2为列车运行过程紧急制动曲线示意图；
图3为列车不同制动力对应的紧急制动触发曲线示意图。
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，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
本发明的列车制动控制方法采用Ek＝Ek0+Wg+Wtraction+Wbraking，式中Ek为列车动能；Ek0为列车动能初始值；Wg为重力做功；Wtraction为牵引力做功；Wbraking为制动力做功。具体包括以下步骤：
步骤S1：计算列车的动能初始值Ek0；
Figure GDA0003780466790000051
式中Ek0为列车动能初始值，Mtrain为列车质量，V0为列车初始速度，J为列车转动惯量，R为车轮半径。
步骤S2：计算列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做功Wtraction；
Figure GDA0003780466790000052
式中Wtraction为牵引力做功，Mtrain为列车质量，Γtraction为当列车速度为V(X)时列车提供的加速度，J为列车转动惯量，R为车轮半径。
步骤S3：计算列车从初始位置到停车过程中的重力做功Wg；
Figure GDA0003780466790000053
式中Wg为牵引力做功，Mtrain为列车质量，g为重力加速度，gradient(X)为线路在X处的坡度。
步骤S4：计算列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功Wbraking；
采用以下步骤：
步骤A：根据当前列车速度计算列车经过安全反应时间后达到的速度V；
步骤B：计算紧急制动率切换点；
步骤C：计算本减速区间内列车制动做功Wbx；
步骤D：进入下个减速度区间后重复步骤B到步骤C，直至速度为零；
步骤E：累计所有部分的紧急制动力做功作为总的制动力做功Wbraking。
步骤S5：计算列车从初始位置到停车点间的所有限制点的最大允许动能；
Figure GDA0003780466790000054
式中Elimit为限制点的列车动能限制值，Mtrain为列车质量，Vlimit为限制点列车限速，J为列车转动惯量，R为车轮半径。
步骤S6：根据以下公式可得到列车的动能，并判断该列车动能是否超过限制点的最大允许动能，若为是，即使触发列车紧急制动，否则正常运行；
Ek＝Ek0+Wg+Wtraction+Wbraking
所述的步骤A：根据当前列车速度计算列车经过安全反应时间后达到的速度V，具体为：
在紧急制动三阶段中，如图1所示。
分阶段使用如下公式得到X2开始时列车速度V
V＝V0+αt
式中V0为列车在相应阶段开始的速度，α在X0到X1阶段为列车牵引力和重力的合加速度，在X1到X2阶段为重力加速度。其中X0为列车发出紧急制动命令时刻的列车位置；X1为列车切除牵引时刻的列车位置；X2为制动实际施加上的列车位置。
所述的步骤B：计算紧急制动率切换点，具体为：
列车在不同的运行速度下有不同的紧急制动率，不同制动率对应不同的减速度βx。βx的值随V所处区间不同而不同。列车行驶在不同状况的轨道上，βx也会不同，比如湿轨相对于干轨由于粘着系数低导致制动能力降低，制动减速度对应也降低，相应内容在相关的牵引制动书籍中有介绍，此处不详细说明。通常露天段按照湿轨计算，隧道段按干轨计算，可通过线路地图进行标注。βx在不同的速度区间，不同的轨道情况下的具体值由车辆提供。例如某型号列车0～5km/h的干轨紧急制动减速度为1.0045m/s2，湿轨的紧急制动减速度为1.0045m/s2；10～15km/h的干轨紧急制动减速度为1.2389m/s2，湿轨的紧急制动减速度为1.2348m/s2；95～100km/h的干轨紧急制动减速度为1.3337m/s2，湿轨的紧急制动减速度为1.0040m/s2。
列车行驶时由线路地图标识所处轨道的位置情况，列车运行时根据车辆速度所属的区段情况获取βx的值。出于安全考虑，在隧道段使用如下公式计算的距离内包含部分露天段的话使用露天段的βx值重新计算相关数据。
Figure GDA0003780466790000061
式中，Vt为所处速度区间的最小值，V0为所处速度区间的初始速度值，减速度值β取负数。
所述的步骤C：计算本减速区间内列车制动做功Wbx，具体为：
Figure GDA0003780466790000062
其中，Mtrain为列车重量，J为列车转动惯量，R为车轮半径。
所述的步骤D：进入下个减速度区间后重复步骤B到步骤C，直至速度为零，具体为：
列车经过施加紧急制动速度降低到新的减速度区间后，使用新的参数计算βx，Sx和Wbx。
所述的步骤E：累计所有部分的紧急制动力做功作为总的制动力做功Wbraking，具体为：
Figure GDA0003780466790000071
以上是关于方法实施例的介绍，以下通过电子设备及存储介质实施例，对本发明所述方案进行进一步说明。
本发明电子设备包括中央处理单元(CPU)，其可以根据存储在只读存储器(ROM)中的计算机程序指令或者从存储单元加载到随机访问存储器(RAM)中的计算机程序指令，来执行各种适当的动作和处理。在RAM中，还可以存储设备操作所需的各种程序和数据。CPU、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出(I/O)接口也连接至总线。
设备中的多个部件连接至I/O接口，包括：输入单元，例如键盘、鼠标等；输出单元，例如各种类型的显示器、扬声器等；存储单元，例如磁盘、光盘等；以及通信单元，例如网卡、调制解调器、无线通信收发机等。通信单元允许设备通过诸如因特网的计算机网络和/或各种电信网络与其他设备交换信息/数据。
处理单元执行上文所描述的各个方法和处理，例如方法S1～S6。例如，在一些实施例中，方法S1～S6可被实现为计算机软件程序，其被有形地包含于机器可读介质，例如存储单元。在一些实施例中，计算机程序的部分或者全部可以经由ROM和/或通信单元而被载入和/或安装到设备上。当计算机程序加载到RAM并由CPU执行时，可以执行上文描述的方法S1～S6的一个或多个步骤。备选地，在其他实施例中，CPU可以通过其他任何适当的方式(例如，借助于固件)而被配置为执行方法S1～S6。
本文中以上描述的功能可以至少部分地由一个或多个硬件逻辑部件来执行。例如，非限制性地，可以使用的示范类型的硬件逻辑部件包括：场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、芯片上系统的系统(SOC)、负载可编程逻辑设备(CPLD)等等。
用于实施本发明的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
在本发明的上下文中，机器可读介质可以是有形的介质，其可以包含或存储以供指令执行系统、装置或设备使用或与指令执行系统、装置或设备结合地使用的程序。机器可读介质可以是机器可读信号介质或机器可读储存介质。机器可读介质可以包括但不限于电子的、磁性的、光学的、电磁的、红外的、或半导体系统、装置或设备，或者上述内容的任何合适组合。机器可读存储介质的更具体示例会包括基于一个或多个线的电气连接、便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或快闪存储器)、光纤、便捷式紧凑盘只读存储器(CD-ROM)、光学储存设备、磁储存设备、或上述内容的任何合适组合。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：计算列车动能初始值Ek0；
步骤2：计算列车从初始位置到牵引力切除过程中的牵引力做功Wtraction；
步骤3：计算列车从初始位置到停车过程中的重力做功Wg；
步骤4：计算列车从施加制动位置到停车过程中的制动力做功Wbraking；
步骤5：计算列车从初始位置到停车点间所有限制点的最大允许动能；
步骤6：根据以下公式可得到列车的动能Ek，并判断该列车动能是否超过限制点的最大允许动能，若为是，即使触发列车紧急制动，否则正常运行；
Ek＝Ek0+Wg+Wtraction+Wbraking；
所述的步骤4的具体过程如下：
步骤A：根据当前列车速度计算列车经过安全反应时间后达到的速度V；
步骤B：计算紧急制动率切换点；
步骤C：计算本减速区间内列车制动做功Wbx；
步骤D：进入下个减速度区间后重复步骤B到步骤C，直至速度为零；
步骤E：累计所有部分的紧急制动力做功作为总的制动力做功Wbraking。
2.根据权利要求1所述的一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，所述的步骤1的计算公式如下：
Figure FDA0003791059670000011
式中Ek0为列车动能初始值，Mtrain为列车质量，V0为列车初始速度，J为列车转动惯量，R为车轮半径。
3.根据权利要求1所述的一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，所述的步骤2的计算公式如下：
Figure FDA0003791059670000012
式中Wtraction为牵引力做功，Mtrain为列车质量，Γtraction为当列车速度为V(X)时列车提供的加速度，J为列车转动惯量，R为车轮半径，X0为列车发出紧急制动命令时刻的列车位置。
4.根据权利要求1所述的一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，所述的步骤3的计算公式如下：
Figure FDA0003791059670000021
式中Wg为牵引力做功，Mtrain为列车质量，g为重力加速度，gradient(X)为线路在X处的坡度，X0为列车发出紧急制动命令时刻的列车位置。
5.根据权利要求1所述的一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，所述的步骤A具体为：
阶段使用如下公式得到X2开始时列车速度V
V＝V0+αt
式中V0为列车在相应阶段开始的速度，α在X0到X1阶段为列车牵引力和重力的合加速度，在X1到X2阶段为重力加速度；其中X0为列车发出紧急制动命令时刻的列车位置；X1为列车切除牵引时刻的列车位置；X2为制动实际施加上的列车位置。
6.根据权利要求1所述的一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，所述的步骤B具体为：
列车在不同的运行速度下有不同的紧急制动率，不同制动率对应不同的减速度βx。
7.根据权利要求1所述的一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，所述的步骤C的计算公式如下：
Figure FDA0003791059670000022
其中，Mtrain为列车重量，J为列车转动惯量，R为车轮半径，βx为减速度值。
8.根据权利要求1所述的一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，所述的步骤D具体为：
列车经过施加紧急制动速度降低到新的减速度区间后，使用新的参数计算βx，Sx和Wbx，其中βx为减速度值，Sx为紧急制动率，Wbx为列车紧急制动中制动力做的功。
9.根据权利要求1所述的一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，所述的步骤E的计算公式如下：
Figure FDA0003791059670000023
其中Wbx即为列车紧急制动中制动力做的功。
10.根据权利要求1所述的一种支持多级减速的列车制动控制方法，其特征在于，该方法充分使用列车在不同速度不同轨道情况下准确的制动减速度值来计算紧急制动过程中的制动力做功。
11.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～10中任一项所述的方法。
12.一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，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～10中任一项所述的方法。
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