CN115716491A - 一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，包括装料列车、若干个驱动站和控制中心，控制中心包括PLC控制器和称重模块，PLC控制器根据称重模块对装载列车的称重信息，获得装料列车的最优行驶速度V0，并通过装料列车、驱动站，PLC控制器获取装料列车的实时速度、位置以及下一个驱动站的位置信息，PLC控制器根据列车的实时信息控制下一个驱动站启动，并使得装料列车与下一个驱动站相接时达到速度匹配，而后驱动装载列车达到最优行驶速度V0。本发明实现了列车与驱动站的准确对接，保障了列车在运输过程中的匀速行进，实现列车的运输效率及稳定性。

Description

一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统。

背景技术

传统的矿山散料运输方式包括列车、卡车、传送带及料浆管路输送等，其中，卡车输送具有灵活高效和大容量的优点，但越野卡车需要较宽的车道和较高的能耗，且爬坡能力有限，实际运输时易发生交通事故；传送带运输具有低耗能的优点，在平坦地面运用较多，但维护成本较高，长程输送时造价高昂，且存在带面破损和撕裂的风险，严重时会造成灾难性后果；此外，一些散料可以与水混合以料浆的形式在管路中进行高速输送，这种方式对散料的种类有一定要求，且高速输送的浆料会对管路造成磨损，提高浆料中水的比例可以有效解决这一问题，但同时也降低了输送效率；最经典的列车输送方式已使用多年，由于钢轮在铁轨上滚动时阻力很小，因此列车输送具有极佳的能效比，但传统的列车轨道运输方式在装料和卸料时消耗的时间成本较高，且一般的双轨列车系统正常情况下一次仅有一辆列车用于系统，且轨道占地面积较大，对地形有一定要求，场地建造成本较高。因此需要设计一种成本更低效率更高的矿山运输用的车路协同控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，解决背景技术中提到的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，包括装料列车、控制中心及若干个驱动站，若干个驱动站间隔设置在轨道上，装料列车由驱动站驱动行驶，装料列车、驱动站和控制中心两两之间通过无线连接，控制中心包括PLC控制器和称重模块，称重模块用于检测通过的装料列车重量，并将检测的重量信息传送给PLC控制器，PLC控制器根据装料列车的重量得到驱动站的最优输出转速从而控制装载列车达到最优行驶速度V0，装载列车在轨道中行驶中，PLC控制器无线连接装料列车、驱动站，获取装料列车的实时速度、当前位置以及下一个驱动站的位置信息，装载列车行驶靠近下一个驱动站时，PLC控制器根据装料列车的实时速度、当前位置控制下一个驱动站启动，并使得装料列车与下一个驱动站相接时达到速度匹配，装料列车与驱动站相接后，PLC控制器控制驱动站驱动装载列车达到最优行驶速度V0。

进一步地，PLC控制器控制驱动站以最优输出转速驱动装料列车行驶的具体过程为：

a）装料列车完成装载后，进入称重轨道区，称重模块将重量信息发送至PLC控制器；

b）PLC控制器根据装料列车的重量G来计算驱动站的最优输出转速n，同时控制驱动站启动，并将转速稳定到最优输出转速n，使得装料列车速度达到最优行驶速度V0，最优行驶速度V0的大小根据最优输出转速n确定，同时控制驱动站的液压缸的压力F来适应列车的重量G所产生的滚动摩擦力

；

c）车轮与轨道间运行时的滚动摩擦力为:

，其中G为列车重量，单位为N，

为装料车轮与轨道间的滚动摩擦系数，单位为mm，R为车轮半径，单位为mm；

d）驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力为：

，其中，F为驱动轮对驱动板的压力，即驱动站液压缸提供的压力，单位为N，

为橡胶与铸铁间的滚动摩擦系数，单位为mm，r为驱动轮半径，单位为mm；

e）在工作状态下，不考虑能量损失的情况下，驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力与车轮、轨道间的滚动摩擦力相等，即

，得到驱动站液压缸所应当提供的压力F为：

，电机输出转矩与驱动轮、驱动板间的滚动摩擦力之间关系为：

，为驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力，单位为N，r为驱动轮半径，单位为mm；

f）电机输出功率、输出转速、输出转矩之间的关系为：

其中，P为功率，单位为kW，n为电机的额定转速，单位为r/min，T为转矩，单位为N·m；

g）根据上述公式，可以得出驱动站的最优输出转速n为：

。

进一步地，称重模块包括称重装置、称重无线模块和控制器无线模块，称重装置与称重无线模块连接，称重装置设置在装载站的出站口轨道上， PLC控制器与控制器无线模块连接，称重装置通过称重无线模块经控制器无线模块与PLC控制器无线连接。

进一步地，装料列车包括装料车体、列车IMU 、列车编码轮、车头RFID、车尾RFID、列车控制器和列车无线模块，列车IMU、列车编码轮和车头RFID均设置在装料车体的车头，车尾RFID设置在装料车体的车尾，列车IMU 、列车编码轮、车头RFID、车尾RFID和列车无线模块均与列车控制器无线连接，列车控制器经列车无线模块与控制中心通信，列车IMU用于获取加速度进而计算列车速度，列车编码轮用于计算列车位置，车尾RFID用于标记通过的驱动站，列车已行进完毕，对应驱动站停止运转。

进一步地，驱动站包括驱动机械结构、RFID感应器、驱动站控制器和驱动站无线模块，RFID感应器和驱动站无线模块均驱动站控制器连接，驱动站控制器控制驱动机械结构转动，RFID感应器分别与车头RFID和车尾RFID无线连接，每个驱动站的驱动站控制器内存储有，距离行驶方向上的下一个驱动站的位置信息，当装料列车的车头RFID被驱动站的RFID感应器扫描到时，驱动站获取该装料列车的编号以及长度相关信息，同时将此时的时间戳发送给装料列车，用于与列车编码轮的时间戳同步，同时将距离下一个驱动站的距离发送至PLC控制器。

进一步地，控制过程为：装料列车装载完毕后，经过称重模块，称重模块将列车的重量信息发送至PLC控制器，当装料列车到达距离下一个驱动站的启动距离X0时，PLC控制器控制下一个驱动站启动并使得装料列车行驶至与下一个驱动站相接时，下一个驱动站速度与装料列车速度匹配，装料列车与驱动站相接后，PLC控制器控制驱动站带动装料列车行驶至最优行驶速度V0，依次重复，直到装料列车卸料回至装载站进入下一个循环，驱动站的启动距离X0是指装料列车距离驱动站为X0时驱动站开始启动，保证装料列车不管以什么速度和驱动站相接，驱动站有足够的时间调整转速来达到与装料列车的速度匹配，启动距离X0的计算公式为：X0=Vmax*Tmax，其中Vmax是指整个系统中容许的列车最大速度，Tmax是指驱动站从开始启动到转速稳定在Vmax所需要的时间。

进一步地，由于每组装料列车挂载的车厢数量不固定，同时驱动站的分布间距也不固定，根据列车总长与驱动站间距之间的关系设置两套不同的控制方案，列车总长大于两个驱动站间距时使用第一种控制方案，列车总长小于两个驱动站间距时使用第二种控制方案。

第一种控制方案的具体过程为：

a）当装料列车行驶至某一驱动站Di时，装料列车的长度信息Li通过车头RFID被驱动站Di上的RFID感应器获取，同时驱动站Di的驱动站控制器内存储距离下一个驱动站Di+1的距离Xi，此时距离Xi小于装料列车的长度信息Li，驱动站将Xi发送至PLC控制器；

b）驱动站Di将扫描到车头RFID那一时刻的时间戳发送给装料列车，装料列车将时间戳与编码轮的时间戳对齐，并将列车编码轮的数据发送给PLC控制器；

c）PLC控制器结合Xi与列车编码轮的数据，计算出装料列车的实时位置，当装料列车到达驱动站Di+1的启动距离X0处时，PLC控制器给驱动站Di+1发送启动命令，并将速度启动至最优行驶速度V0；

d）当装料列车以最优行驶速度V0与驱动站Di+1完成相接后，又重复步骤a）的操作，如此循环；

e）最后，驱动站Di扫描到装料列车的尾部的车尾RFID，驱动站Di停止运行。

第二种控制方案的具体过程为：

a）当装料列车行驶至某一驱动站Di时，装料列车的长度信息Li通过列车头的车头RFID被驱动站Di上的RFID感应器获取，同时驱动站Di的驱动站控制器内存储距离下一个驱动站Di+1的距离Xi，此时距离Xi大于装料列车的长度信息Li，驱动站将距离信息Xi发送至PLC控制器；

b）驱动站Di将扫描到装料列车的车头RFID那一时刻的时间戳发送给装料列车，装料列车将该时间戳与装料编码轮以及列车IMU的时间戳对齐，并将列车编码轮和列车IMU的数据发送给PLC控制器；

c）PLC控制器结合Xi、列车编码轮数据和列车IMU的数据，计算出装料列车的实时位置以及速度，在装料列车到达驱动站Di+1的启动距离X0处时，根据装料列车的速度v’以及加速度a，算出装料列车到达驱动站Di+1的速度v’’，

，同时给驱动站Di+1发送启动命令，列车的实时位置计算公式为：

，其中，x’为列车距离下一驱动站Di+1的距离，Xi为驱动站Di与Di+1的距离，△x为列车编码轮转动一周的距离，n为列车编码轮转动的周数，在启动距离X0处的速度v’为：

，其中，△x为列车编码轮转动一周的距离，△t为列车编码轮相邻两个时间戳的时间差；

当x’为启动距离X0时，PLC控制驱动站Di+1启动，并将速度稳定在v’’：

，其中，v’’为装料列车到达驱动站Di+1的速度，v’为列车在启动距离X0处的速度，a为从列车IMU传感器中读取到的加速度；

d）当装料列车以速度v’’与驱动站Di+1完成相接后，控制驱动站Di+1加速至最优行驶速度V0匀速行进，又重复步骤a）的操作，如此循环；

e）最后，驱动站Di+1扫描到该装料列车尾部的车尾RFID，驱动站Di+1停止运行。

本发明由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

本发明实现了装料列车与驱动站的有效平稳对接，保障了列车在运输过程中的匀速行进，实现列车的运输效率及稳定性，提高了地形适应性的同时保障了矿用散料的安全运输，并且根据重量计算出最优输出转速，达到能量利用率最优的效果。

附图说明

图1是本发明控制系统结构示意图；

图2为本发明的整体布置斜视图；

图3为本发明的局部结构侧视图；

图4为本发明中驱动站结构示意图；

图5为图2中A部的局部放大图。

附图标记说明如下：1、装载站；2、装载列车；201、厢体；202、驱动板；203、柔性翼板；3、卸载区；4、平轨；5、过渡轨；501、上层轨；502、下层轨；6、环形倾倒轨；601、上弯轨；602、下弯轨；7、翻转轨；701、上螺旋轨；702、下螺旋轨；8、箱体；9、电动机；10、减速箱；11、驱动轮；12、支撑底板；13、液压缸；14、安装板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。

如图1所示，一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，包括装料列车、控制中心及若干个驱动站，若干个驱动站间隔设置在轨道上，装料列车由驱动站驱动行驶，装料列车、驱动站和控制中心两两之间通过无线连接，控制中心包括PLC控制器和称重模块，称重模块用于检测通过的装料列车重量，并将检测的重量信息传送给PLC控制器，PLC控制器根据装料列车的重量得到驱动站的最优输出转速从而控制装载列车达到最优行驶速度V0，装载列车在轨道中行驶中，PLC控制器无线连接装料列车、驱动站，获取装料列车的实时速度、当前位置以及下一个驱动站的位置信息，装载列车行驶靠近下一个驱动站时，PLC控制器根据装料列车的实时速度、当前位置控制下一个驱动站启动，并使得装料列车与下一个驱动站相接时达到速度匹配，装料列车与驱动站相接后，PLC控制器控制驱动站驱动装载列车达到最优行驶速度V0。

本发明实施例中，称重模块包括称重装置、称重无线模块和控制器无线模块，称重装置与称重无线模块连接，称重装置设置在装载站的出站口轨道上， PLC控制器与控制器无线模块连接，称重装置通过称重无线模块经控制器无线模块与PLC控制器无线连接。

本发明实施例中，装料列车包括装料车体、列车IMU 、列车编码轮、车头RFID、车尾RFID、列车控制器和列车无线模块，列车IMU、列车编码轮和车头RFID均设置在装料车体的车头，车尾RFID设置在装料车体的车尾，列车IMU 、列车编码轮、车头RFID、车尾RFID和列车无线模块均与列车控制器无线连接，列车控制器经列车无线模块与控制中心通信，列车IMU用于获取加速度进而计算列车速度，列车编码轮用于计算列车位置，车尾RFID用于标记通过的驱动站，列车已行进完毕，对应驱动站停止运转。

本发明实施例中，驱动站包括驱动机械结构、RFID感应器、驱动站控制器和驱动站无线模块，RFID感应器和驱动站无线模块均驱动站控制器连接，驱动站控制器控制驱动机械结构转动，RFID感应器分别与车头RFID和车尾RFID无线连接，每个驱动站的驱动站控制器内存储有，距离行驶方向上的下一个驱动站的位置信息，当装料列车的车头RFID被驱动站的RFID感应器扫描到时，驱动站获取该装料列车的编号以及长度相关信息，同时将此时的时间戳发送给装料列车，用于与列车编码轮的时间戳同步，同时将距离下一个驱动站的距离发送至PLC控制器。

本发明实施例中，控制过程为：装料列车装载完毕后，经过称重模块，称重模块将列车的重量信息发送至PLC控制器，当装料列车到达距离下一个驱动站的启动距离X0时，PLC控制器控制下一个驱动站启动并使得装料列车行驶至与下一个驱动站相接时，下一个驱动站速度与装料列车速度匹配，装料列车与驱动站相接后，PLC控制器控制驱动站带动装料列车行驶至最优行驶速度V0，依次重复，直到装料列车卸料回至装载站进入下一个循环，驱动站的启动距离X0是指装料列车距离驱动站为X0时驱动站开始启动，保证装料列车不管以什么速度和驱动站相接，驱动站有足够的时间调整转速来达到与装料列车的速度匹配，启动距离X0的计算公式为：X0=Vmax*Tmax，其中Vmax是指整个系统中容许的列车最大速度，Tmax是指驱动站从开始启动到转速稳定在Vmax所需要的时。

由于每组列车挂载的车厢数量不固定，同时驱动站的分布间距也不固定，因此根据列车总长与驱动站间距之间的关系来设置两套不同的控制方案，即，列车总长大于驱动站间距时的控制方案；列车总长小于驱动站间距时的控制方案。

每个驱动站Di的控制器内存储了其距离下一个驱动站Di+1的距离：Xi，

列车的长度Li已知，并将该信息录入车头的RFID中，列车尾部也有一个RFID，用于提示驱动站该列车已行进完毕，可以停止运转。

列车和PLC主控之间存在无线通信，主要传输IMU数据以获取加速度进而计算列车速度；编码轮数据以计算列车位置，驱动站与PLC主控之间存在无线通信，主要用于控制驱动站何时启动，以及稳定在多大速度与列车相接等，驱动站与列车之间存在无线通信，当列车头的RFID被驱动站的感应器扫描到时，驱动站即可获取列车的编号以及长度相关信息，同时将此时的时间戳发送给列车，用于编码轮的时间戳同步，以此来确定列车距离下一个驱动站的距离。

本发明实施例中，由于每组装料列车挂载的车厢数量不固定，同时驱动站的分布间距也不固定，根据列车总长与驱动站间距之间的关系设置两套不同的控制方案，列车总长大于两个驱动站间距时使用第一种控制方案，列车总长小于两个驱动站间距时使用第二种控制方案。

第一种控制方案中，这种情况多出现于驱动站分布密集的斜坡轨道，此时需要缩小驱动站的间距来提供足够大的载荷，以保证列车在上坡时仍能以预期速度运行。

由于列车在运行时至少有一个驱动站Di为其提供动力，此时列车可以维持在匀速运行状态（即最优行驶速度V0，最优行驶速度V0的大小根据驱动站最优输出转速n确定，驱动站最优输出转速n由PLC根据装料列车的重量G及电机输出功率转矩来计算得到），只需要在列车到达驱动站Di+1的启动距离X0处时，PLC控制驱动站Di+1启动，并维持在最优行驶速度V0即可。

第二种控制方案中，这类情况多出现在平坦轨道，列车在平坦轨道运行时，速度损耗较小，可以适当增大驱动站的间距，使得列车存在一段自由滑行状态（即此时不受任何驱动站的驱动），以达到降低成本的目的。

由于列车离开驱动站Di后，在未达到驱动站Di+1之前，处在自由滑行的状态，速度会根据不同的路况发生改变，此时需要结合IMU和编码轮的数据，计算出列车到达Di+1的启动距离X0处的速度v’和加速度a。由于X0很小，可以将该阶段视为加速度a恒定的阶段，那么可以计算出列车到达驱动站Di+1时的速度v’’，驱动站Di+1在列车到达启动距离X0处开始启动，并将转速维持在v’’，即可实现列车与驱动站Di+1的平稳相接。

本发明实施例中，第一种控制方案的具体过程为：

a）当装料列车行驶至某一驱动站Di时，装料列车的长度信息Li通过车头RFID被驱动站Di上的RFID感应器获取，同时驱动站Di的驱动站控制器内存储距离下一个驱动站Di+1的距离Xi，此时距离Xi小于装料列车的长度信息Li，驱动站将Xi发送至PLC控制器；

b）驱动站Di将扫描到车头RFID那一时刻的时间戳发送给装料列车，装料列车将时间戳与编码轮的时间戳对齐，并将列车编码轮的数据发送给PLC控制器；

c）PLC控制器结合Xi与列车编码轮的数据，计算出装料列车的实时位置，当装料列车到达驱动站Di+1的启动距离X0处时，PLC控制器给驱动站Di+1发送启动命令，并将速度启动至最优行驶速度V0；

d）当装料列车以最优行驶速度V0与驱动站Di+1完成相接后，又重复步骤a）的操作，如此循环；

e）最后，驱动站Di扫描到装料列车的尾部的车尾RFID，驱动站Di停止运行。

本发明实施例中，第二种控制方案的具体过程为：

a）当装料列车行驶至某一驱动站Di时，装料列车的长度信息Li通过列车头的车头RFID被驱动站Di上的RFID感应器获取，同时驱动站Di的驱动站控制器内存储距离下一个驱动站Di+1的距离Xi，此时距离Xi大于装料列车的长度信息Li，驱动站将距离信息Xi发送至PLC控制器；

b）驱动站Di将扫描到装料列车的车头RFID那一时刻的时间戳发送给装料列车，装料列车将该时间戳与装料编码轮以及列车IMU的时间戳对齐，并将列车编码轮和列车IMU的数据发送给PLC控制器；

c）PLC控制器结合Xi、列车编码轮数据和列车IMU的数据，计算出装料列车的实时位置以及速度，在装料列车到达驱动站Di+1的启动距离X0处时，根据装料列车的速度v’以及加速度a，算出装料列车到达驱动站Di+1的速度v’’，

，同时给驱动站Di+1发送启动命令，列车的实时位置计算公式为：

，其中，x’为列车距离下一驱动站Di+1的距离，Xi为驱动站Di与Di+1的距离，△x为列车编码轮转动一周的距离，n为列车编码轮转动的周数，在启动距离X0处的速度v’为：

，其中，△x为列车编码轮转动一周的距离，△t为列车编码轮相邻两个时间戳的时间差；

当x’为启动距离X0时，PLC控制驱动站Di+1启动，并将速度稳定在v’’：

，其中，v’’为装料列车到达驱动站Di+1的速度，v’为列车在启动距离X0处的速度，a为从列车IMU传感器中读取到的加速度；

d）当装料列车以速度v’’与驱动站Di+1完成相接后，控制驱动站Di+1加速至最优行驶速度V0匀速行进，又重复步骤a）的操作，如此循环；

e）最后，驱动站Di+1扫描到该装料列车尾部的车尾RFID，驱动站Di+1停止运行。

本发明实施例中，PLC控制器控制驱动站以最优输出转速驱动装料列车行驶的具体过程为：

a）装料列车完成装载后，进入称重轨道区，称重模块将重量信息发送至PLC控制器；

b）PLC控制器根据装料列车的重量G来计算驱动站的最优输出转速n，同时控制驱动站启动，并将转速稳定到最优输出转速n，使得装料列车速度达到最优行驶速度V0，最优行驶速度V0的大小根据最优输出转速n确定，同时控制驱动站的液压缸的压力F来适应列车的重量G所产生的滚动摩擦力

；

c）车轮与轨道间运行时的滚动摩擦力为:

，其中G为列车重量，单位为N，

为装料车轮与轨道间的滚动摩擦系数，单位为mm，R为车轮半径，单位为mm；

d）驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力为：

，其中，F为驱动轮对驱动板的压力，即驱动站液压缸提供的压力，单位为N，

为橡胶与铸铁间的滚动摩擦系数，单位为mm，r为驱动轮半径，单位为mm；

e）在工作状态下，不考虑能量损失的情况下，驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力与车轮、轨道间的滚动摩擦力相等，即

，得到驱动站液压缸所应当提供的压力F为：

，电机输出转矩与驱动轮、驱动板间的滚动摩擦力之间关系为：

，为驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力，单位为N，r为驱动轮半径，单位为mm；

f）电机输出功率、输出转速、输出转矩之间的关系为：

其中，P为功率，单位为kW，n为电机的额定转速，单位为r/min，T为转矩，单位为N·m；

g）根据上述公式，可以得出驱动站的最优输出转速n为：

。

由于每趟列车经过装载站时其装载量是不恒定的，导致列车在每一次的运输中其载荷是不固定的，为了使整个系统达到运行效率最优，需要对驱动站的输出转速进行控制，使得在不超过驱动站额定功率的情况下尽可能驱动整辆列车达到高运行速度，即根据驱动站的最优输出转速n，得到列车的最优行驶速度V0，从而提高矿用运输散料的运行效率的同时，保障了运输稳定性。

在工作状态下，不考虑能量损失的情况下，驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力要与车轮与轨道间的滚动摩擦力相等。当列车重量发生变化，车轮与轨道间的滚动摩擦力随之发生变化，要调节驱动站中液压缸的压力来适应滚动摩擦力的改变。在驱动站的电动机保持输出功率为额定功率情况下，即恒功率状态，要求电动机依据列车重量的改变调节输出转速的大小，达到提高系统运行效率的效果。

示例：当列车重量增大时，车轮与轨道间的滚动摩擦力也增大，导致驱动轮对驱动板的压力也要增大，需要增加驱动站液压缸的油液压力。当驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力增大时，电机输出转矩也随之增大，在恒功率状态下，电机输出转速要随之减小。

称重设备：称量列车重量的测量设备为动态轨道衡，用于称量行驶中列车的载重。一般以电子式为主，由承重台、称重传感器、称重显示控制器等组成。承重台是支承货物列车的平台；称重传感器将重量信号转变成便于测试的电信号；称重显示控制器的核是微处理器，并包括信号放大、滤波、A/D转换、显示、串行通讯等模块，可将称重值存储并显示。有的动态轨道衡配在上位机，可将称重显示控制器的称重信号传递到上位机上，便于远程监控和管理。

在整个运输系统中，需要实时确定位置的就是列车本身，通过实时掌握列车的具体位置能够监控到列车的运输状态。

列车实时位置获取如下：当列车行驶至某一驱动站Di时，驱动站的RFID感应器将扫描到列车头RFID那一时刻的时间戳发送给列车，此时便可以得到列车经过某一驱动站Di的时间，并且列车将该时间戳与编码轮的时间戳对齐。

驱动站Di控制器内存储的距离下一个驱动站Di+1的距离Xi会发送给PLC，列车在行进过程中也会不断将编码轮的数据发送给PLC，PLC结合Xi与编码轮的数据可以计算出列车距离下一个驱动站Di+1的实时位置，即（Xi编码轮输出数据）。

当列车离开某一驱动站Di时，驱动站Di上的RFID感应器扫描到列车尾部的RFID，这一时刻的时间戳也发送给列车，便可知道列车离开驱动站Di的时间。

控制中心（PLC）与驱动站、IMU、编码轮、RFID和称重装置通过无线通讯设备进行信号通讯。可编程逻辑控制器（PLC）利用RS485无线通讯模块采用无线传输的方式，直接替代R232/RS485等传统有线方案，与驱动站、IMU、编码轮和RFID连接，无需挖沟布线，解决了有线方案施工繁琐、设备后期维护成本高等难题，传输距离较远，简单、可靠且高效。

PLC作为主站，驱动站、IMU、编码轮和、RFID和称重装置作为从站，所有设备均与无线通讯设备连接。

首先当列车装载完毕后会经过动态轨道衡得到列车的重量信息，并通过无线通信协议将列车重量信息传输给PLC。

列车行驶至某一驱动站Di时，列车的长度信息Li会通过列车头的RFID被驱动站Di上的感应器获取， 随后列车的长度信息Li会传输给PLC，同时PLC会获取驱动站Di控制器内存储的距离下一个驱动站Di+1的距离Xi，将Li与Xi进行比较来选择具体的控制方案。

在列车行进过程，IMU以及编码轮会实时地将其数据传输给PLC，使PLC能够获取列车的加速度以及到达下一个驱动站的距离信息。

PLC根据以上所有信息计算出列车到达下一个驱动站的速度v´´，在列车距离下一个驱动站X0时，发送控制指令给下一个驱动站使其启动且启动后的速度维持在v´´，保证列车能够以v´´的速度与驱动站接合后，控制驱动站加速至最优行驶速度V0，其最优行驶速度V0根据列车的重量信息调节驱动站电动机的输出转矩（输出功率），令驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力要与车轮与轨道间的滚动摩擦力相等，最终达到能量利用率最优的效果。

本申请的控制系统的具体机械结构如图2-5所示，包括装载站1、装载列车2、卸载区3以及轨道，轨道包括平轨4、过渡轨5、环形倾倒轨6以及翻转轨7，轨道内设置有驱动站，装载列车2由驱动站驱动在轨道上匀速行驶，装载列车2经装载站1装取矿山散料后，经平轨4、过渡轨5运输至环形倾倒轨6，使装载列车2旋转，将矿山散料倾卸至卸载区3，然后经翻转轨7回正后沿轨道运输至装载站1，进行下一次装载，由于翻转轨7与其他轨道的配合使装载列车2能够在狭窄的空间内调头回正，因此减小了卸载区内往返轨道的占地面积，同时也保证了车辆的连续运行，使一套系统能同时运作多列装载列车2。

装载列车2经平轨4（去程）进入环形倾倒轨6时，通过过渡轨5（第一段）进行上坡过渡，过渡轨5连接环形倾倒轨6高位进入口，环形倾倒轨6低位输出口经过渡轨5（第二段）连接翻转轨7进入口，翻转轨7经过渡轨5（第三段）下坡过渡到平轨4（返程）。其中，过渡轨5两侧设置有对装载列车2轮组进行限位滑行的上层轨501、下层轨502（即上层轨501、下层轨502间距离保持相等，且与轮组外径匹配，后续几种轨道同理），同侧上层轨501、下层轨502的外侧通过钢条焊接固定过渡轨5，除衔接过渡外，过渡轨5还能应用于矿道的陡坡当中替代平轨4（限位轮组防止装载列车2在陡坡上发生意外）；对应的，环形倾倒轨6两侧设置有上弯轨601、下弯轨602，上弯轨601、下弯轨602均通过支撑杆603固定于支撑轴604上，支撑轴604通过立柱等支撑设备固定在场地内，从而支撑起整个环形倾倒轨6，装载列车2沿环形倾倒轨6运行时，车厢的料槽开口会由竖直朝上翻转为竖直朝下，排出的散料将径直落入卸载区3中，由此实现散料的卸载；对应的，翻转轨7两侧设置有上螺旋轨701、下螺旋轨702，装载列车2通过翻转轨7能实现沿车身轴线的180°旋转，使装载列车2的车厢料槽口重新翻转朝上。过渡轨5、环形倾倒轨6、翻转轨7之间相接时，上层轨501、上弯轨601、上螺旋轨701间匹配连接；下层轨502、下弯轨602、下螺旋轨702间匹配连接。

环形倾倒轨6的高位进入口、低位输出口以及翻转轨7进入口、输出口均设有驱动站（实际安装在所述进入口、输出口连接的过渡轨5端部），装载列车2的长度大于环形倾倒轨6、翻转轨7的长度，以此保证装载列车2在过渡轨5、环形倾倒轨6、翻转轨7上行进时，至少由两个驱动站同时驱动（在平轨4上时，至少有一个），通过驱动站间接力的方法保证装载列车2的匀速行驶，从而提高运输稳定性。

驱动站包括箱体8，箱体8嵌入于轨道内，且与装载列车2底部不产生干涉。其中，安装在平轨4上的驱动站，箱体8与地固定埋设于平轨4两根钢轨间的路面下；安装在过渡轨5上的驱动站，箱体8焊接在两根下层轨502间，驱动站输出端朝向上层轨501侧。箱体8内设置有两组驱动件，驱动件固定在支撑底板12上，支撑底板12通过轨道滑动连接箱体8底面，支撑底板12端面连接液压缸13输出端，液压缸13缸体通过安装板14与箱体8底面固定，驱动件包括电动机9，电动机9输出端连接减速箱10，驱动轮11安装于减速箱10的输出轴上，驱动轮11的轴线方向与轨道垂直，驱动轮11随输出轴在水平面上旋转，每组驱动件的驱动轮11与装载列车2底部同侧的驱动板202位置匹配相接。

装载列车2的两相邻厢体201间设有柔性翼板203，柔性翼板203一端与后侧厢体201固定，另一端伸入前侧厢体201中自由贴合，当装载列车2沿环形倾倒轨6回旋时，柔性翼板203的自由端将与厢体201脱离并甩出覆盖在其上方的散料，起到抛料的作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，其特征在于：包括装料列车、控制中心及若干个驱动站，若干个驱动站间隔设置在轨道上，装料列车由驱动站驱动行驶，装料列车、驱动站和控制中心两两之间通过无线连接，控制中心包括PLC控制器和称重模块，称重模块用于检测通过的装料列车重量，并将检测的重量信息传送给PLC控制器，PLC控制器根据装料列车的重量得到驱动站的最优输出转速从而控制装载列车达到最优行驶速度V0，装载列车在轨道中行驶中，PLC控制器无线连接装料列车、驱动站，获取装料列车的实时速度、当前位置以及下一个驱动站的位置信息，装载列车行驶靠近下一个驱动站时，PLC控制器根据装料列车的实时速度、当前位置控制下一个驱动站启动，并使得装料列车与下一个驱动站相接时达到速度匹配，装料列车与驱动站相接后，PLC控制器控制驱动站驱动装载列车达到最优行驶速度V0。

2.根据权利要求1所述的一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，其特征在于：PLC控制器控制驱动站以最优输出转速驱动装料列车行驶的具体过程为：

a）装料列车完成装载后，进入称重轨道区，称重模块将重量信息发送至PLC控制器；

b）PLC控制器根据装料列车的重量G来计算驱动站的最优输出转速n，同时控制驱动站启动，并将转速稳定到最优输出转速n，使得装料列车速度达到最优行驶速度V0，最优行驶速度V0的大小根据最优输出转速n确定，同时控制驱动站的液压缸的压力F来适应列车的重量G所产生的滚动摩擦力

；

c）车轮与轨道间运行时的滚动摩擦力为:

，其中G为列车重量，单位为N，

为装料车轮与轨道间的滚动摩擦系数，单位为mm，R为车轮半径，单位为mm；

d）驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力为：

，其中，F为驱动轮对驱动板的压力，即驱动站液压缸提供的压力，单位为N，

为橡胶与铸铁间的滚动摩擦系数，单位为mm，r为驱动轮半径，单位为mm；

e）在工作状态下，不考虑能量损失的情况下，驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力与车轮、轨道间的滚动摩擦力相等，即

，得到驱动站液压缸所应当提供的压力F为：

，电机输出转矩与驱动轮、驱动板间的滚动摩擦力之间关系为：

，为驱动轮与驱动板间的滚动摩擦力，单位为N，r为驱动轮半径，单位为mm；

f）电机输出功率、输出转速、输出转矩之间的关系为：

其中，P为功率，单位为kW，n为电机的额定转速，单位为r/min，T为转矩，单位为N·m；

g）根据上述公式，可以得出驱动站的最优输出转速n为：

。

3.根据权利要求2所述的一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，其特征在于：称重模块包括称重装置、称重无线模块和控制器无线模块，称重装置与称重无线模块连接，称重装置设置在装载站的出站口轨道上， PLC控制器与控制器无线模块连接，称重装置通过称重无线模块经控制器无线模块与PLC控制器无线连接。

4.根据权利要求2所述的一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，其特征在于：装料列车包括装料车体、列车IMU 、列车编码轮、车头RFID、车尾RFID、列车控制器和列车无线模块，列车IMU、列车编码轮和车头RFID均设置在装料车体的车头，车尾RFID设置在装料车体的车尾，列车IMU 、列车编码轮、车头RFID、车尾RFID和列车无线模块均与列车控制器无线连接，列车控制器经列车无线模块与控制中心通信，列车IMU用于获取加速度进而计算列车速度，列车编码轮用于计算列车位置，车尾RFID用于标记通过的驱动站，列车已行进完毕，对应驱动站停止运转。

5.根据权利要求4所述的一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，其特征在于：驱动站包括驱动机械结构、RFID感应器、驱动站控制器和驱动站无线模块，RFID感应器和驱动站无线模块均驱动站控制器连接，驱动站控制器控制驱动机械结构转动，RFID感应器分别与车头RFID和车尾RFID无线连接，每个驱动站的驱动站控制器内存储有，距离行驶方向上的下一个驱动站的位置信息，当装料列车的车头RFID被驱动站的RFID感应器扫描到时，驱动站获取该装料列车的编号以及长度相关信息，同时将此时的时间戳发送给装料列车，用于与列车编码轮的时间戳同步，同时将距离下一个驱动站的距离发送至PLC控制器。

6.根据权利要求5所述的一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，其特征在于：控制过程为：装料列车装载完毕后，经过称重模块，称重模块将列车的重量信息发送至PLC控制器，当装料列车到达距离下一个驱动站的启动距离X0时，PLC控制器控制下一个驱动站启动并使得装料列车行驶至与下一个驱动站相接时，下一个驱动站速度与装料列车速度匹配，装料列车与驱动站相接后，PLC控制器控制驱动站带动装料列车行驶至最优行驶速度V0，依次重复，直到装料列车卸料回至装载站进入下一个循环，驱动站的启动距离X0是指装料列车距离驱动站为X0时驱动站开始启动，保证装料列车不管以什么速度和驱动站相接，驱动站有足够的时间调整转速来达到与装料列车的速度匹配，启动距离X0的计算公式为：X0=Vmax*Tmax，其中Vmax是指整个系统中容许的列车最大速度，Tmax是指驱动站从开始启动到转速稳定在Vmax所需要的时间。

7.根据权利要求6所述的一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，其特征在于：由于每组装料列车挂载的车厢数量不固定，同时驱动站的分布间距也不固定，根据列车总长与驱动站间距之间的关系设置两套不同的控制方案，列车总长大于两个驱动站间距时使用第一种控制方案，列车总长小于两个驱动站间距时使用第二种控制方案。

8.根据权利要求7所述的一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，其特征在于：第一种控制方案的具体过程为：

a）当装料列车行驶至某一驱动站Di时，装料列车的长度信息Li通过车头RFID被驱动站Di上的RFID感应器获取，同时驱动站Di的驱动站控制器内存储距离下一个驱动站Di+1的距离Xi，此时距离Xi小于装料列车的长度信息Li，驱动站将Xi发送至PLC控制器；

b）驱动站Di将扫描到车头RFID那一时刻的时间戳发送给装料列车，装料列车将时间戳与编码轮的时间戳对齐，并将列车编码轮的数据发送给PLC控制器；

c）PLC控制器结合Xi与列车编码轮的数据，计算出装料列车的实时位置，当装料列车到达驱动站Di+1的启动距离X0处时，PLC控制器给驱动站Di+1发送启动命令，并将速度启动至最优行驶速度V0；

d）当装料列车以最优行驶速度V0与驱动站Di+1完成相接后，又重复步骤a）的操作，如此循环；

e）最后，驱动站Di扫描到装料列车的尾部的车尾RFID，驱动站Di停止运行。

9.根据权利要求7所述的一种分布驱动式轨道列车车路协同控制系统，其特征在于：第二种控制方案的具体过程为：

a）当装料列车行驶至某一驱动站Di时，装料列车的长度信息Li通过列车头的车头RFID被驱动站Di上的RFID感应器获取，同时驱动站Di的驱动站控制器内存储距离下一个驱动站Di+1的距离Xi，此时距离Xi大于装料列车的长度信息Li，驱动站将距离信息Xi发送至PLC控制器；

b）驱动站Di将扫描到装料列车的车头RFID那一时刻的时间戳发送给装料列车，装料列车将该时间戳与装料编码轮以及列车IMU的时间戳对齐，并将列车编码轮和列车IMU的数据发送给PLC控制器；

c）PLC控制器结合Xi、列车编码轮数据和列车IMU的数据，计算出装料列车的实时位置以及速度，在装料列车到达驱动站Di+1的启动距离X0处时，根据装料列车的速度v’以及加速度a，算出装料列车到达驱动站Di+1的速度v’’，

，同时给驱动站Di+1发送启动命令，列车的实时位置计算公式为：

，其中，x’为列车距离下一驱动站Di+1的距离，Xi为驱动站Di与Di+1的距离，△x为列车编码轮转动一周的距离，n为列车编码轮转动的周数，在启动距离X0处的速度v’为：

，其中，△x为列车编码轮转动一周的距离，△t为列车编码轮相邻两个时间戳的时间差；

当x’为启动距离X0时，PLC控制驱动站Di+1启动，并将速度稳定在v’’：

，其中，v’’为装料列车到达驱动站Di+1的速度，v’为列车在启动距离X0处的速度，a为从列车IMU传感器中读取到的加速度；

d）当装料列车以速度v’’与驱动站Di+1完成相接后，控制驱动站Di+1加速至最优行驶速度V0匀速行进，又重复步骤a）的操作，如此循环；

e）最后，驱动站Di+1扫描到该装料列车尾部的车尾RFID，驱动站Di+1停止运行。

Images