CN114715208A - 一种车辆客室空气流动控制系统、方法及轨道车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车辆客室空气流动控制系统、方法及轨道车辆，包括：流动状态监测模块，用于实时获取车厢连接处的车门四周流场压力、头尾车司机室压力以及车辆的运行速度；多源信息决策模块，接收流动状态监测模块监测的信息并基于接收的信息判断车辆贯穿风的速度等级、穿堂风速度等级以及判断每个车厢连接处的流动速度大小；基于上述判断信息计算不同车厢之间客室流动的加权速度，再基于加权速度对车辆各类控制参数分级调节。
Description
技术领域
本发明属于控制技术领域，具体涉及一种车辆客室空气流动控制系统、方法及轨道车辆。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
轨道客车，尤其是高速列车属于长大贯穿式流场结构，现役的地铁列车、普速列车、高铁列车的编组范围主要在6节至20节之间。为了提升客室的乘客舒适性，轨道交通客车车辆的气密性也需逐渐提升。
目前，现役轨道车辆对于列车客室气密性的控制主要集中于提升客室整体的气密性能，即减小车内外的空气质量交换，对于不同车厢之间的空气流动效应导致的贯穿式气流的抑制和缓解研究相对较少。
在上述背景下，列车进出隧道、进站启停，或因限速、弯道、坡道等结构进行加减速作用时，车辆内部的空气极易在惯性或者头尾车压差的影响下形成横贯所有列车车厢的流动。
上述流动会造成两个方面的影响：
1.贯穿式通风会导致列车车厢间气体的大范围流动，从而导致空气污染物，包括气态空气污染物(TVOC、苯系物等)，固态空气污染物(pm2.5，pm10，TSP等)，以及液态空气污染物(病原体气溶胶等)在列车车厢之间的大范围传播。
在特殊情况下，上述流动特征会极大程度扩大经空气传播的传染性疾病，甚至是生物恐怖威胁事件对列车客室内乘员健康造成的威胁。
2.在日常运行过程中，由贯穿流动导致的压力分布不均也是导致乘客舒适性骤降的一个主要因素。
目前，针对上述贯穿式流动的主要缓解措施为基于压力波传感器发出的压力波信号的强弱进行车辆废排风门的关闭。
该措施主要是为了缓解车辆内部压力分布不均现象设计的。因此针对车体内部的贯穿流动现象的抑制仍然具有一定的局限性。主要体现在决策判断信息来源单一、决策机制简单、缓解措施不全面、缓解系统不协同等方面。
因此，现役列车在加减速、尤其是进出长大隧道时，车厢内仍然会形成较为显著的贯穿式流动，有头尾车造成的压差甚至会导致车辆风挡结构、车门结构产生强烈的啸叫效应。在压力舒适性下降之外大幅降低车辆的噪声舒适性。另外，对于高致病性传染性疾病，极易形成病原体在不同车厢之间的链路传播。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种车辆客室空气流动控制系统、方法及轨道车辆，本发明能够全面提升客室的乘员安全性和舒适性。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
第一方面，公开了一种车辆客室空气流动控制系统，包括：
流动状态监测模块，用于实时获取车厢连接处的车门四周流场压力、头尾车司机室压力以及车辆的运行速度；
多源信息决策模块，接收流动状态监测模块监测的信息并基于接收的信息判断车辆贯穿风的速度等级、穿堂风速度等级以及判断每个车厢连接处的流动速度大小；
基于上述判断信息计算不同车厢之间客室流动的加权速度，再基于加权速度对车辆各类控制参数分级调节。
作为进一步的技术方案，所述多源信息决策模块中，基于判断信息计算车辆客室流动速度的加权函数，继而计算不同车厢之间客室流动的加权速度。
作为进一步的技术方案，还包括将计算不同车厢之间客室流动的加权速度与内置的参考加权速度进行比较的步骤，具体为：
如果客室流动的加权速度未超过参考加权速度，则不进行任何操作；
如果客室流动的加权速度超过参考加权速度，则向车厢端门开闭模块、废排风门控制模块和空调系统控制模块发送指令，实现对各类控制参数的分级调节。
作为进一步的技术方案，所述流动状态监测模块包括：
压力传感器，布置在车厢连接处的车门四周；
压力波传感器及加速度传感器，分别布置在头尾车司机室位置处。
作为进一步的技术方案，所述流动状态监测模块对多源信息决策模块的输出执行结果更新反馈，用于对车辆不同系统工作状态的实时调整，形成闭环控制。
第二方面，公开了一种车辆客室空气流动控制方法，包括：
实时获取车厢连接处的车门四周流场压力、头尾车司机室压力以及车辆的运行速度；
基于实时获取的信息判断车辆贯穿风的速度等级、穿堂风速度等级以及判断每个车厢连接处的流动速度大小；
基于上述判断信息计算不同车厢之间客室流动的加权速度，再基于加权速度对车辆各类控制参数分级调节。
作为进一步的技术方案，所述判断车辆贯穿风的速度等级的过程为：
通过加速度传感器的数据判断列车的加减速过程，并基于列车气密性指数，加速度幅值和车辆客室结构参数即为客室横截面面积，车厢连接处通道横截面面积，以及相应的工程修正系数来判断车辆贯穿风的速度等级。
作为进一步优选的技术方案，判断车辆贯穿风的速度等级的公式为：
其中，列车气密性指数ε，加速度幅值a1，a2，车辆客室结构参数为客室横截面面积S1，车厢连接处通道横截面面积S2，α，β，及其数字下标代表的是不同的工程修正系数。
作为进一步的技术方案，所述判断穿堂风速度等级的过程为：
基于头尾车压力波传感器捕捉到的压力波幅值大小进行穿堂风速度等级。
作为进一步优选的技术方案，所述判断穿堂风速度等级的过程为：
其中，压力波幅值为ΔP1,ΔP2，α，β其数字下标代表的是不同的工程修正系数。
作为进一步优选的技术方案，判断每个车厢连接处的流动速度大小的公式为：
其中，α，β及其数字下标代表的是不同的工程修正系数，下标n代表的是不同测点位置的编号，每两节车厢端部的压力监测数据Pn1,Pn2。
作为进一步优选的技术方案，计算不同车厢之间客室流动的加权速度，具体公式为：
Vw＝γ1V1+γ2V2+γ3V3
其中，V1车辆贯穿风的速度，V2穿堂风速度，V3每个车厢连接处的流动速度，γ及其数字下标代表的是不同的工程修正系数。
第三方面，公开了轨道车辆，包括车辆客室空气流动控制系统，其中，多源信息决策模块嵌入车载控制系统；
以及
车厢端门开闭模块、废排风门控制模块和空调系统控制模块；
上述各控制模块基于接收的多源信息决策模块的指令执行对应的动作，实现对各类控制参数的分级调节，即进行各个系统风量和风门打开、关闭状态和开度大小的调节。
作为进一步的技术方案，所述多源信息决策模块为单独的控制模块，与车载控制系统进行通信，由车载控制系统下发指令，实现对车厢端门开闭模块、废排风门控制模块和空调系统控制模块的控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明通过对压力、加速度和压力波等多元信息的判断，实现对车辆客室内部流动状态的准确判断。有效缓解了现役列车基于压力波传感器输入信号进行决策时决策系统的信息来源唯一性、滞后性和模糊性以及应对措施的单一性问题。
针对轨道车辆客室流动状态调节的多源信息决策模块，能够实现对客室流动状态的分级评估和精准决策，针对不同控制单元施加协同控制指令，并通过流动状态监测模块的实时反馈，实现对列车运行全程中客室流动状态的及时、高效调节。
相对于现役列车通过对废排风门的单一调节，本发明通过列车端部车门、列车新风系统以及列车废排风门系统的协同控制，实现针对车内贯穿式流动现象的高效控制，大幅降低空气污染物在不同车厢之间的扩散。
本发明能够在降低车厢之间贯穿流动效应的同时大幅降低车厢之间的压力波动和压力分布不均现象。能够从提升客室空气质量、保障乘员安全健康、改善乘客压力舒适性三个方面提升高速列车乘坐体验。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例子系统模块框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一：
基于上述背景技术的描述，得知在列车的实际运行中，即使对于气密性能相对较为良好的高速列车，在其穿越隧道或是加减速的过程中，由于头尾车压差和空气自身惯性造成的贯穿式气流能在列车不同车厢之间形成显著的纵向流动。该流动会导致空气污染物的大范围传播。此外纵向空气流动和列车优良的气密性结合会导致列车头尾车压力差异增大，从而严重影响乘员的乘坐舒适性。
在本实施例中，以轨道车辆进行举例说明，但并不代表本发明提供的控制系统及方法仅能适用于轨道车辆中。其也可以根据具体场景或对象的不同，适用于车辆中。
参见附图1所述，在该实施例子中，公开了一种车辆客室空气流动控制系统，包括：
流动状态监测模块，用于实时获取车厢连接处的车门四周流场压力、头尾车司机室压力以及车辆的运行速度；
多源信息决策模块，接收流动状态监测模块监测的信息并基于接收的信息判断车辆贯穿风的速度等级、穿堂风速度等级以及判断每个车厢连接处的流动速度大小；
基于上述判断信息计算不同车厢之间客室流动的加权速度，再基于加权速度对车辆各类控制参数分级调节。
具体分级调节过程为可以分为①车厢间空调功率协同调节；②不同车厢的废排风门开度协同调节；③不同车厢、以及每节车厢不同位置的端门开闭的调节。根据穿堂风的强弱，可以分为如下几个级别：①、②、①和②、③、①和③、②和③、①和②和③七个等级。
上述技术方案基于压力传感器、加速度传感器等多来源的流动状态监测模块，实现对长大车厢内贯穿式流动效应以及压力分布不均特性的精准捕捉。在此基础上，可以通过升级车载MVB设备的控制系统，新增多源信息决策模块，形成对车内贯穿流动的定域、决策。
通过布置于不同车厢的压力传感器、加速度传感器，判断列车在匀速行驶但经过隧道、车站等环境或者在加减速行驶时造成的空气惯性流动判断贯穿流动的强度。如公式中所示，当系统计算的贯穿流动速度超过Vref时，则会触发控制系统的相应动作。Vref速度以上分为7个等级，分别为Vcrit1-Vcrit7，对应上述7个分级调节模式。
当多源信息决策模块判断车内的贯穿流动达到一定规模时，其会通过对每节车厢的废排风门控制(风量调节)模块、车厢端门开闭模块、空调系统控制模块(新风/回风参数)的协同控制，有效阻断气流在不同车厢之间、以及每节车厢内部的扩散。最后通过流动状态监测模块的反馈评估客室的流动状态，并实现下一步的客室流动效应控制。通过上述闭环控制系统，全面提升客室的乘员安全性和舒适性。
具体的，在列车运行过程中，通过压力传感器、压力波传感器、加速度传感器等装置输入到负责流动状态监测的数据来源模块，继而数据来源模块通过对数据结构的输入多源信息决策模块，再由多元信息决策模块进行数据判断：实现对车内流动状态的准确监测和状态评估，并依据贯穿式流动效应的强弱进行决策向各控制单元，即废排风门控制(风量调节)模块、车厢端门开闭模块、新风/回风比例控制模块三个指令执行模块施加协同控制指令，从而减小客舱内部的贯穿式流动效应。通过流动状态监测模块对多源信息决策模块的及时更新反馈，实现对车辆不同系统工作状态的实时调整，形成闭环控制。从而全程提升客室空气质量水平，改善乘客的压力舒适性。
在另一实施例子中，也可以将多源信息决策模块利用单独的控制器实现，将该控制器与车载MVB设备的控制系统进行通信，由控制系统下发指令指执行模块。
本实施例子的压力监测模块通过布置在头车、中间车及尾车车厢内代表性位置的流场测点监测车辆内部环境的空间压力分布特征。具体的，在每节车厢端部，即车厢连接处的车门四周布置有小型压力传感器，能够实现对其周围流场压力的实时捕捉。其次，在头尾车司机室位置布置有压力波传感器和加速度传感器，在此数据来源的基础上，配合列车车内已经装配的车载压力波传感器、加速度传感器、桥隧线路预测等监测或记录设备实现对列车车内压力分布特性的整体还原。基于上述数据来源，当预判或判断列车即将或已经形成了较为显著的贯穿式流动和压力差时，通过调整各节车厢的废排风门、新风/回风比例，并将车厢端部的车门设置为常闭、只在人员走动时自动感应开启的状态，从而有效减小污染物在不同车厢内的传播，减小传染性疾病在列车内的扩散范围，并大幅缓解由于贯穿式流动形成的车内压力分布不均造成的人体舒适性下降问题。
本实施例子上述方案能够避免列车在加减速和进出隧道的过程中由于惯性和头尾车压差效应导致的贯穿式流动，实现车载压力监测和多编组列车车内压力自动调节。
实施例二：
基于实施例一的系统，在每节车厢端部，即车厢连接处的车门四周布置有小型压力传感器，能够实现对其周围流场压力的实时捕捉。其次，在头尾车司机室位置布置有压力波传感器和加速度传感器。流动状态监测模块通过对上述各类传感器数据的整合处理，传输至多源信息决策模块，通过多源信息决策模块的分析代码准确捕捉客室内部的宏观流动环境，判断客室内贯穿气流的大小，并选择系统相应的协同相应方案。
上述整合处理具体为针对不同类型的信号进行解码和转换，转换成同种类型信号输入至下一模块。
该实施例子公开了一种车辆客室空气流动控制方法，包括：
实时获取车厢连接处的车门四周流场压力、头尾车司机室压力以及车辆的运行速度；
基于实时获取的信息判断车辆贯穿风的速度等级、穿堂风速度等级以及判断每个车厢连接处的流动速度大小；
基于上述判断信息计算不同车厢之间客室流动的加权速度，再基于加权速度对车辆各类控制参数分级调节。
具体逻辑如下：
通过加速度传感器的数据判断列车的加减速过程，并基于列车气密性指数(ε)，加速度幅值(a1,a2)和车辆客室结构参数(客室横截面面积S1，车厢连接处通道横截面面积S2等参数)，以及相应的工程修正系数来判断车辆贯穿风的速度等级V1＝f1(a1,a2,S1,S2,ε)。
其次，基于头尾车压力波传感器捕捉到的压力波幅值(ΔP1,ΔP2)大小进行第二个穿堂风速度等级V2＝f2(ΔP1,ΔP2,ε)的判断。
最后，基于每两节车厢端部的压力监测数据Pn1,Pn2，判断每个车厢连接处的流动速度大小V3＝f3(Pn1,Pn2)。
基于上述三个流动速度计算数据，计算车辆客室流动速度的加权函数Vw＝g(V1,V2,V3)计算不同车厢之间客室流动的加权速度，再与系统内置的参考加权速度Vref进行比较，如果Vw未超过Vref，则系统不进行任何操作。如果Vw超过Vref，则多元信息决策模块开始下达指令，向车厢端门开闭模块、废排风门控制(风量调节)模块和空调系统控制模块发送指令，实现对各类控制参数的分级调节，即各个系统风量和风门打开、关闭状态和开度大小的调节。列车运行过程中，流动状态监测模块会及时向多源信息决策模块持续传输实时信息，当车内的贯穿流动强度改变时，多源信息决策模块会指挥不同的控制系统做出相应的调整。例如在气流较高的情况下，通过关闭废排风门、关闭车厢端部的所有屏蔽门、根据贯穿气流流向调整从头车到尾车的空调系统的运行功率大小，来大幅降低贯穿气流强度。
具体公式如下：
Vw＝γ1V1+γ2V2+γ3V3
其中，α，β，γ及其数字下标代表的是不同的工程修正系数，上述工程修正系数需要基于某种定型车型进行实车试验之后得到，下标n代表的是不同测点位置的编号。
本实施例子的技术方案通过多种传感器的多源数据输入，实现了对整车客室内部流动状态的准确捕捉。同时，通过对客室端门、空调系统以及废排系统风门的协同控制，有效减小了不同车厢之间的空气流动和污染物扩散现象，相比于现有的基于压力波传感器开闭废排风门的缓解措施，能够大幅提升流动识别系统的准确性和响应决策的有效性。
实施例三：
本实施例子公开了轨道车辆，包括车辆客室空气流动控制系统，其中，多源信息决策模块嵌入车载控制系统；
以及
车厢端门开闭模块、废排风门控制模块和空调系统控制模块；
上述各控制模块基于接收的多源信息决策模块的指令执行对应的动作，实现对各类控制参数的分级调节，即进行各个系统风量和风门打开、关闭状态和开度大小的调节。
多源信息决策模块为单独的控制模块，与车载控制系统进行通信，由车载控制系统下发指令，实现对车厢端门开闭模块、废排风门控制模块和空调系统控制模块的控制。
除了针对高铁列车客室之外，对于普速列车、城轨列车和地铁列车客室内贯穿式气流的调节，以及基于独立单元，即废排风门控制(风量调节)模块、车厢端门开闭模块、新风/回风比例控制模块的客室流动环境的单独调节，也包含在该专利范围内。
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。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
1.一种车辆客室空气流动控制系统，其特征是，包括：
流动状态监测模块，用于实时获取车厢连接处的车门四周流场压力、头尾车司机室压力以及车辆的运行速度；
多源信息决策模块，接收流动状态监测模块监测的信息并基于接收的信息判断车辆贯穿风的速度等级、穿堂风速度等级以及判断每个车厢连接处的流动速度大小；
基于上述判断信息计算不同车厢之间客室流动的加权速度，再基于加权速度对车辆各类控制参数分级调节。
2.如权利要求1所述的一种车辆客室空气流动控制系统，其特征是，所述多源信息决策模块中，基于判断信息计算车辆客室流动速度的加权函数，继而计算不同车厢之间客室流动的加权速度。
3.如权利要求1-2任一所述的一种车辆客室空气流动控制系统，其特征是，还包括将计算不同车厢之间客室流动的加权速度与内置的参考加权速度进行比较的步骤，具体为：
如果客室流动的加权速度未超过参考加权速度，则不进行任何操作；
如果客室流动的加权速度超过参考加权速度，则向车厢端门开闭模块、废排风门控制模块和空调系统控制模块发送指令，实现对各类控制参数的分级调节。
4.如权利要求1所述的一种车辆客室空气流动控制系统，其特征是，所述流动状态监测模块包括：
压力传感器，布置在车厢连接处的车门四周；
压力波传感器及加速度传感器，分别布置在头尾车司机室位置处。
5.如权利要求1-4任一所述的一种车辆客室空气流动控制系统，其特征是，所述流动状态监测模块对多源信息决策模块的输出执行结果更新反馈，用于对车辆不同系统工作状态的实时调整，形成闭环控制。
6.一种车辆客室空气流动控制方法，其特征是，包括：
实时获取车厢连接处的车门四周流场压力、头尾车司机室压力以及车辆的运行速度；
基于实时获取的信息判断车辆贯穿风的速度等级、穿堂风速度等级以及判断每个车厢连接处的流动速度大小；
基于上述判断信息计算不同车厢之间客室流动的加权速度，再基于加权速度对车辆各类控制参数分级调节。
7.如权利要求6所述的一种车辆客室空气流动控制方法，其特征是，所述判断车辆贯穿风的速度等级的过程为：
通过加速度传感器的数据判断列车的加减速过程，并基于列车气密性指数，加速度幅值和车辆客室结构参数即为客室横截面面积，车厢连接处通道横截面面积，以及相应的工程修正系数来判断车辆贯穿风的速度等级；
作为进一步优选的技术方案，判断车辆贯穿风的速度等级的公式为：
其中，列车气密性指数ε，加速度幅值a1，a2，车辆客室结构参数为客室横截面面积S1，车厢连接处通道横截面面积S2，α，β，及其数字下标代表的是不同的工程修正系数。
8.如权利要求6所述的一种车辆客室空气流动控制方法，其特征是，所述判断穿堂风速度等级的过程为：
基于头尾车压力波传感器捕捉到的压力波幅值大小进行穿堂风速度等级；
作为进一步优选的技术方案，所述判断穿堂风速度等级的过程为：
其中，压力波幅值为ΔP1,ΔP2，α，β其数字下标代表的是不同的工程修正系数。
9.如权利要求6所述的一种车辆客室空气流动控制方法，其特征是，判断每个车厢连接处的流动速度大小的公式为：
其中，α，β及其数字下标代表的是不同的工程修正系数，下标n代表的是不同测点位置的编号，每两节车厢端部的压力监测数据Pn1,Pn2；
作为进一步优选的技术方案，计算不同车厢之间客室流动的加权速度，具体公式为：
Vw＝γ1V1+γ2V2+γ3V3
其中，V1车辆贯穿风的速度，V2穿堂风速度，V3每个车厢连接处的流动速度，γ及其数字下标代表的是不同的工程修正系数。
10.轨道车辆，其特征是，包括权利要求1-5任一所述的车辆客室空气流动控制系统，其中，多源信息决策模块嵌入车载控制系统；
以及
车厢端门开闭模块、废排风门控制模块和空调系统控制模块；
上述各控制模块基于接收的多源信息决策模块的指令执行对应的动作，实现对各类控制参数的分级调节，即进行各个系统风量和风门打开、关闭状态和开度大小的调节；
或，所述多源信息决策模块为单独的控制模块，与车载控制系统进行通信，由车载控制系统下发指令，实现对车厢端门开闭模块、废排风门控制模块和空调系统控制模块的控制。
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