CN117707020A - 一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置及方法，该装置通过电源板通过供电线与多链路融合背板相连接；智控模块通过多模通信接口与多链路融合背板相连接；I/O板通过Can通信与多链路融合背板相连接；无线板通过以太网与多链路融合背板相连接；防火墙模块通过以太网与多链路融合背板相连接；多功能接口板通过以太网、MVB、CAN、RS485或RS232与多链路融合背板相连接；I/0扩展板通过Can通信与多链路融合背板相连接；多功能扩展接口板通过以太网、MVB、CAN、RS485或RS232与多链路融合背板相连接。该装置实现硬件集成度高、功能集成度高、智能化水平高、执行效率高；成本低、占用空间小，支持丰富的通信接口，实现智控及端云一体。

Description

一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置及 方法

技术领域

本发明属于全自动化产品领域，涉及一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置及方法。

背景技术

目前现有的适用于新能源轨道交通工程车辆整车控制系统采用分布式结构设计，系统主要构成包括中央控制单元、IO单元(输入输出单元)、数据记录单元、协议转换单元、车载无线主机、各个子系统(如：牵引控制单元、制动控制单元、辅助控制单元、DCDC单元、充电机、电池系统等)以及地面专家系统，整车的控制、监视、记录、诊断、预警等均分散子在不同的控制器中，需要通过相互的交互数据才能实现其职能，但现有分布式结构设计下，数据交互依赖于通信总线、传输周期、数据长度、最大传输时长等多个方面的制约。此外轨道交通工程车辆受限于车辆结构、安装空间、整车重量、成本造价和应用环境，传统的分布式控制系统设备种类繁多、设备体积大、成本高、重量大、实时性差、协同性差、智能化水平不足、模态单一、安全性不足、运维难度大，在新能源普及和发展的必要趋势下，新能源轨道交通工程车辆作为低碳时代的重要基础设施，亟需一种高集成度的一体化多模融合智控装置，将车辆多个控制单元大整合，实现轻量化、小型化、集成化、低成本、高效率、高带宽、高时效、高安全、多模且智能化等多维度新突破。

目前既有的技术方案中，网络控制系统各个设备是按功能和职能划分的，即整车包含独立的中央控制单元机箱、IO单元机箱、协议转换网关、数据记录单元、车载无线主机及地面系统等，如图1为现有技术技术方案示意图；

现有技术一的缺点

1)控制器种类繁多，成本高。

2)总体积较大，重量难以下调，无法满足小型化、轻量化要求。

3)各个模块间均需通过数据交互后才能执行自身功能，分布式结构限制了系统应用的灵活性和实用性。

4)受限于单模化的控制模块，必须借助外接多个转换设备才能实现多模交互；

5)仅能实现基本控制功能，零智能化，无法满足当下新能源工程机车的应用日益发展需要；

6)分布式结构导致故障排除和诊断问题难度较高；

7)软件重叠开发且软件支持少，开发效率低；

8)无法自主规避网络基础设置问题，包括传输、高负载、信息丢失问题；

9)无法保证数据的安全性和数据共享的风险问题。

发明内容

为了解决既有新能源工程车辆控制系统设备种类繁多、设备体积大、成本高、重量大、实时性差、协同性差、智能化水平不足、模态单一、安全性不足、运维难度大等固在问题，本发明采用的技术方案是：一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置，包括：

电源板、智控模块、I/O板、无线板、防火墙模块、多功能接口板、I/0扩展板、多功能扩展接口板和多链路融合背板；

所述电源板通过供电线与多链路融合背板相连接；

所述智控模块通过多模通信接口与多链路融合背板相连接；

所述I/O板通过Can通信与多链路融合背板相连接；

所述无线板通过以太网与多链路融合背板相连接；

所述防火墙模块通过以太网与多链路融合背板相连接；

所述多功能接口板通过以太网、MVB、CAN、RS485或RS232与多链路融合背板相连接；

所述I/0扩展板通过Can通信与多链路融合背板相连接；

所述多功能扩展接口板通过以太网、MVB、CAN、RS485或RS232与多链路融合背板相连接。

进一步地：所述多链路融合背板包括供电链路及多种行业通用通信链路；所述多种行业通用通信链路包括以太网、MVB、CAN、RS485和RS232。

进一步地：所述多功能接口板包括前面板；

所述前面板包括以太网、MVB、CAN、RS485或RS232通用通信接口，其中以太网采用M12-D类型接口，MVB、CAN、RS485、RS232采用D-SUB9型接口，其中CAN、RS485、RS232共用1个D-SUB9型接口。

进一步地：所述智控模块将主控单元、数据记录仪、协议转换单元、无线主机、I/O控制器进行融合并集成智能化逻辑，通过构建车辆适配需求树，采用需求导向反推实现方式，确定该装置适用的车型包括：纯电新能源工程机车、氢能源工程机车、内电双源工程机车、城市悬挂式单轨、有轨电车，

根据任一所述一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置的车辆运行控制方法，包括上电或下电控制过程，所述上电或下电控制过程包括以下步骤：

当有效的上电或下电指令触发后，将指令下发，执行相关上电或下电任务；上电或下电任务取决于车辆设计需求，一般考虑子系统减载，如牵引风机停机、空调减载、显示屏黑屏或照明关闭；

当固定时间内所有系统上电/下电完成后，判定上电/下电成功，并将成功信息通过无线板卡和以太网反馈给地面系统、并通过多功能接口板和车辆以太网、RS485通知车辆显示系统；

当上电或下电指令下发固定时间后，仍存在系统未上电/下电成功，则判断上电/下电失败，并将整车及子系统的上电或下电失败信息通过无线板卡和以太网反馈给地面系统；

下电成功后，若突发异常不能满足下电成功状态，则将对整车下电成功与否进行重新判定；上电成功后，若突发异常不能满足唤醒成功状态，因此时整车处于上电工作状态，通过无线板卡和以太网以故障提示的方式向地面提供示警。

进一步地：包括负载智能分时分级投入过程控制，所述负载智能分时分级投入过程控制包括以下步骤：

通过多功能接口板，与各系统即牵引系统、制动系统、辅变系统、显示系统、供电系统实现通信，同时也能够通过IO板实现与车辆硬线电路的IO交互，

通过多功能接口板和智控装置的协议转换功能获知整车的所有系统和设备的状态数据和故障数据，将从地面系统需求、司机操作、设备状态多角度综合分析负载投入实际及投入级别，

其中牵引风机的分时分级投入策略如下：

(1)首先：基于司机操作司控器的级位信息，根据如下公式计算出线性的投入系数；

y＝K*x

其中：y:风机投入系数，K：线性比例系数，x:司控器级位；

(2)其次：根据机车轴速、电机转速、轮径值信息计算机车运行速度，根据运行速度计算出低速工况频率，具体方法为：

实时速度处于Vx<V<Vy，其中，V:当前速度，Vx：零速值，Vy:低速最大限值，并持续低速运行时间限值T1以上时，输出最高频率值，直至V-Vy>5且持续退出低速时间限值T2时，恢复至第(1)条的线性投入控制；

(3)再次：根据多功能接口板检测到来自牵引系统的柜内温度反馈信息，计算出温度环境下的频率控制值，具体方法为：

温度值Tp<70℃时，输出频率P，输出频率P的表达式如下：

P＝20+R*Tp/10

其中：R为比例系数；

温度值70≤Tp<80℃时，输出频率P，输出频率P的表达式如下：

P＝1.3*R*Tp/10；

温度值80≤Tp<120℃时，输出频率P，输出频率P的表达式如下：

P＝1.75*R*Tp/10

温度值Tp≥120℃时，输出最大频率。

(4)最后，根据自身计算的整车速度信号及风机频率输出模型，输出最终的风机投入频率，当多种工况混合时，取每种工况计算输出频率值的最大值，最终频率输出值通过多功能接口板告知辅变系统，由辅变系统执行风机频率输出。

进一步地：包括车辆室内温度智能化调节过程，所述车辆室内温度智能化调节过程包括如下步骤：

通过多功能接口板，与空调系统、显示系统实现通信，同时通过IO板接收司机室、客室内部温度传感器的实时温度，

通过多功能接口板接收显示系统设定的目标温度，再根据IO板检测到的实际室内外温度计算出温度差值，根据温度差值范围反馈实时调节温度控制曲线，并将输出功率通过多功能接口板告知空调系统，实现温度智能化调节。调节方法为：

采用预置温度计算模型的方法，通过外围接口即显示屏设定界面设定温差区间段及调节步长，通过调节步长控制温度升高或降低的速度，最终温度差值逼近于零，温度稳定在设定目标温度。

进一步地：包括照明亮度智能化调节过程，所述照明亮度智能化调节过程包括如下步骤：

通过多功能接口板，同时通过IO板接收司机室内外、客室内外光强度传感器反馈的实时亮度，判断司机室内外、室内亮度调节系数、近光许可值和远光许可值，具体如下：

司机室内外、客室内照明亮度调节系数的判断过程如下：

司机室、客室照明打开的情况下，当司机室光强度H<光强度低限值HL，司机室光强度、客室照明亮度输出3级；

光强度低限值HL≤司机室光强度H<光强度中限值HM，司机室光强度、客室照明亮度输出2级；

当司机室光强度H>光强度高限值HH，司机室、客室照明亮度输出1级；所述室内亮度调节系数的判断过程同司机室内外亮度调节系数的判断过程；

当蓄电池电压低二级报警时，司机室、客室照明亮度仅允许输出1级；

当蓄电池电压低一级报警时，禁止输出司机室、客室照明；

将司机室、客室照明亮度通过IO板以电流值的形式输出至光源系统；

近光许可值和远光许可值的判断过程如下：

当司机室外光强度H<室外为光强度限值HW，近光许可为1，否则为0；

近光许可时，若通过多功能接口板接收到来自司机通过激活端显示屏设定的远光软按键操作命令，远光许可值为1，否则为0。

进一步地：包括电池智能化管理过程，所述电池智能化管理过程包括如下步骤：

通过多功能接口板与电池系统实现通信，并实时监测电池的容量、温度、使用状态、充放电工况及充放电速度、电池故障信息，导入电池健康诊断模型，实时计算电池寿命；同时监测电池输出电压，

当电压阈值I<电池输出电压<电压阈值II，通过无线板卡和以太网向地面中心进行二级报警，同时通过多功能接口板告知车辆显示屏进行充电提示；

当电池输出电压<电压阈值I时，通过无线板卡和以太网向地面中心进行一级报警，同时通过多功能接口板告知车辆显示屏进行充电提示。

进一步地：包括通过无线板实现数据清洗，将数据进行落地的过程，所述数据清洗包括状态数据清洗和故障清洗；

所述状态数据清洗过程通过多功能接口板接入通信链路，获取所有系统的通信过程数据，并能通过IO板获取车辆硬线信号状态；选取对车辆维护、故障分析有用的数据，通过专用维护工具PTU可随时导入，根据检索模型和筛选机制实现从庞大的数据中筛选出导入的数据，并通过无线板卡上传至地面系统；

所述故障数据清洗：根据内部故障树模型，对获取的故障数据进行清洗，清洗原则为：向上分析待清故障的次生故障，直至找到故障根源，并将根源故障通过无线板卡进行上报地面系统，待清故障不再上报；若清洗过程中未发现次生故障，则直接通过无线板卡上报待清故障。

本发明提供的一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置及方法，一种适用于新能源轨道交通工程车辆的一体化多模融合智控装置，将车辆多个控制单元大整合，实现轻量化、小型化、集成化、低成本、高效率、高带宽、高时效、高安全、多模且智能化等多维度新突破。实现控制系统4高1低1小(硬件集成度高、功能集成度高、智能化水平高、执行效率高；成本低、占用空间小)，支持丰富的通信接口，搭载智能控制软件，最终实现整车列车控制与监控系统各部件的“软硬”结合，实现智控及端云一体。

(1)本发明研究并开发设计了一套适用于新能源工程机车的一体化多模融合智控装置及方法，有效提高系统硬件集成度(5合1)、功能集成度(5合1)并节省设备的安装空间(节省70％安装空间)、轻量化(减重75％)；采用多模接口设计，能够适配80％以上的工控环境；国内首次形成了具有一体化特色并适用于新能源工程机车的平台化多模智控装置，国产化率可达100％；相比于既有网络控制系统，一体化多模融合智控装置降本幅度可达70％。

(2)多控制器融合技术及链路集成技术，发明适用于新能源工程机车的一体化多模融合智控装置且具有节能减排特色的智控软件模块，达到新能源工程机车智能化控车水平、节能减排水平的双料提高；

(3)提出一种适用于新能源轨道交通工程车辆的一体化多模融合智控装置，将车辆多个控制单元大整合，实现轻量化、小型化、集成化、低成本、高效率、高带宽、高时效、高安全、多模且智能化等多维度新突破。

(4)实现控制系统4高1低1小(硬件集成度高、功能集成度高、智能化水平高、执行效率高；成本低、占用空间小)，支持丰富的通信接口，搭载智能控制软件，最终实现整车列车控制与监控系统各部件的“软硬”结合，实现智控及端云一体。

(5)集成多模协议及多模接口，兼容了不同车型、甚至跨平台车型的功能性及非功能性需求，除新能源轨道交通工程车辆外，也适用于地铁、城轨、电力机车等。

本发明方案所带来的有益效果主要体现如下：

(1)本发明研究并开发设计了一套适用于新能源工程机车的一体化多模融合智控装置，有效提高系统硬件集成度(5合1)、功能集成度(5合1)并节省设备的安装空间(节省70％安装空间)、轻量化(减重75％)；采用多模接口设计，能够适配80％以上的工控环境；国内首次形成了具有一体化特色并适用于新能源工程机车的平台化多模智控装置，国产化率可达100％。

(2)集成适用于新能源工程机车的车载智能运维主机，可复用性强，并以突出的成本优势实现了车地无线传输、云平台存储、电脑及手机端车辆状态显示、故障预警报警、数据统计等多项功能，提高用户应用的维护效率。

(3)配套了适用于新能源工程机车并具有节能减排特色的智能化主控软件，在保证车辆运用基本需求及安全性的前提下，能够根据不同的应用场景实现对不同负载的智能分时、分级投入，单车约节能180度电/天。

(4)集成多模协议及多模接口，兼容了不同车型、甚至跨平台车型的功能性及非功能性需求。

(5)单列车网络控制系统降本幅度可达70％；

(6)将车辆多个控制单元大整合，实现轻量化、小型化、集成化、低成本、高效率、高带宽、高时效、高安全、多模且智能化等多维度新突破

(7)架构方案灵活性强，满足快速迭代开发和市场投放需求，具有较高的创收价值和市场推广价值。

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做以简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1现有技术的拓扑结构；

图2是该装置的结构图；

图3是控制器融合原理图；

图4是车辆适配需求树结构图；

图5是上电、下电逻辑控制框图；

图6是整车通信拓扑示意图；

图7是列车火灾安全环路动作故障图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

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。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图2是该装置的结构图；

一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置，包括：

电源板、智控模块、I/O板、无线板、防火墙模块、多功能接口板、I/0扩展板、多功能扩展接口板和多链路融合背板；

所述电源板通过供电线与多链路融合背板相连接；

所述智控模块通过多模通信接口与多链路融合背板相连接；

所述I/O板通过Can通信与多链路融合背板相连接；

所述无线板通过以太网与多链路融合背板相连接；

所述防火墙模块通过以太网与多链路融合背板相连接；

所述多功能接口板通过以太网、MVB、CAN、RS485或RS232与多链路融合背板相连接；

所述I/0扩展板通过Can通信与多链路融合背板相连接；

所述多功能扩展接口板通过以太网、MVB、CAN、RS485或RS232与多链路融合背板相连接。

该装置采用采用3U50TE机箱结构，电源板、智控模块、I/O板、无线板、防火墙模块、多功能接口板、I/0扩展板、多功能扩展接口板均采用插拔板卡结构，安装方便，维护便捷；

多链路融合背板支持多板位的扩展，各个板卡不受板位限制，可随意位置安装和插拔(电源板除外)，提高了不同适配环境下的应用灵活性和伸缩性；

多链路融合背板设计了供电链路及多种行业通用通信链路(以太网、MVB、CAN、RS485、RS232)，各个插入板卡的底座接口也均设计了上述电路，各个板卡均设计相关电路，通过软件控制和选择所需要的通信电路驱动，其中，相同功能的板卡通过前面板物理拨码进行地址区分，各个板卡与背板的接口设计均相同，因此不同种类的板卡可随意扩展和位置互换。

所述多功能接口板包括前面板；

所述前面板包括以太网、MVB、CAN、RS485或RS232通用通信接口，其中以太网采用M12-D类型接口，MVB、CAN、RS485、RS232采用D-SUB9型接口，其中CAN、RS485、RS232共用1个D-SUB9型接口。

通过不同的引脚组合进行区分，提高接口集成度。板卡能够通过背板与车辆智控装置进行通信，车辆智控装置融合了协议转换模块，可实现定制化协议交互；

搭配无线板实现数据多模无线上传，适配云平台实现数据云存储、电脑及手机端车辆状态显示、故障预警报警、数据统计等多项功能，提高用户应用的智能化水平和维护效率；

搭配安全防火墙以防止恶意攻击，保证系统安全；

一体化融合后不仅减轻整系统重量，实现轻量化，同时架构方案的灵活性也满足了快速迭代开发和市场投放需求。

该装置将系统内多个控制器，包括：主控单元、数据记录仪、协议转换单元、无线主机、I/O控制器，进行融合并集成智能化逻辑，复用一些共同的软件模块(包括：CheckData_Input、CheckData_Output、数字量滤波功能块、模拟量移动均值功能块、数据上传功能块、时间发布和校正功能块、数据包校验功能块、数据包组包功能块、设备在线判断功能块等)，进而提高系统整体的开发效率，形成功能集成度更高的智控模块。

图3是控制器融合原理图；

所述智控模块融合方案考虑了不同车型、甚至跨平台车型的功能性及非功能性需求，从而保证架构方案的灵活性，主要实现方式如下：

(1)构建车辆适配需求树，针对不同常见车型的通信需求和主要控制功能需求进行设计；图4是车辆适配需求树结构图；

(2)采用需求导向反推实现方式，根据如下车辆适配需求树，确定一体化多模融合智控装置适用主要车型包括：纯电新能源工程机车、氢能源工程机车、内电双源工程机车、城市悬挂式单轨、有轨电车；主要通信方式包括以太网、MVB、CAN、RS485、RS232等；主要功能包括：车辆控制、IO控制、无线上传、协议转换、网络安全、数据记录等。

根据任一所述一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置的车辆运行控制方法，包括智能上电或下电控制过程、负载智能分时分级投入过程控制、室内温度智能化调节过程控制、照明亮度智能化调节过程控制、电池智能化管理过程控制；

所述智能上电或下电控制过程包括以下步骤：

智能上电、下电指令包括2部分：(1)全自动模式下自动上电、下电，车辆智控模块通过无线板卡和以太网接收来着地面系统发送的上电获下电指令(经安全防火墙防护后)；

(2)人工模式下人工上电、下电，通过操作人工扳键或激活端显示屏的维修界面的人工上电、人工下电按键来执行上电、下电指令，人工操作时，通过无线板卡及以太网将人工上电/人工下电指令反馈给地面系统。如下图为上电/下电控制逻辑框图5所示

当有效的上电或下电指令触发后，将指令下发，执行相关上电或下电任务；上电或下电任务取决于车辆设计需求，一般考虑子系统减载，如牵引风机停机、空调减载、显示屏黑屏、照明关闭等；

当固定时间内所有系统上电/下电完成后，判定上电/下电成功，并将成功信息通过无线板卡和以太网反馈给地面系统、并通过多功能接口板和车辆以太网、RS485通知车辆显示系统；

当上电或下电指令下发固定时间后，仍存在系统未上电/下电成功，则判断上电/下电失败，并将整车及子系统的上电或下电失败信息通过无线板卡和以太网反馈给地面系统；

所述固定时间可以采用5min；

下电成功后，若突发异常不能满足下电成功状态，则将对整车下电成功与否进行重新判定；上电成功后，若突发异常不能满足唤醒成功状态，因此时整车处于上电工作状态，通过无线板卡和以太网以故障提示的方式向地面提供示警。

所述负载智能分时分级投入过程控制包括以下步骤：

通过多功能接口板，与各系统即牵引系统、制动系统、辅变系统、显示系统、供电系统实现通信(通过以太网、MVB、CAN、RS485、RS232等通信方式)，同时也能够通过IO板实现与车辆硬线电路的IO交互，

因此通过多功能接口板和智控装置的协议转换功能获知整车的所有系统和设备的状态数据和故障数据，将从地面系统需求、司机操作、设备状态多角度综合分析负载投入实际及投入级别，

其中牵引风机的分时分级投入策略如下：

首先检测到司机操作司控器的级位信息，根据如下公式计算出线性的投入系数；

y＝K*x

其中：y:风机投入系数，K：线性比例系数，x:司控器级位；

(2)其次：根据机车轴速、电机转速、轮径值信息计算机车运行速度，根据运行速度计算出低速工况频率，具体方法为：

当Vx<实时速度V<Vy，并持续低速运行时间限值T1以上时，输出最高频率值，其中，V:当前速度，Vx：零速值，Vy:低速最大限值，直至V-Vy>5且持续退出低速时间限值T2时，恢复至第(1)条的线性投入控制；

(3)再次：根据多功能接口板检测到来自牵引系统的柜内温度反馈信息，计算出温度环境下的频率控制值，具体方法为：

温度值Tp<70℃时，输出频率P，输出频率P的表达式如下：

P＝20+R*Tp/10

其中：R为比例系数；

温度值70≤Tp<80℃时，输出频率P，输出频率P的表达式如下：

P＝1.3*R*Tp/10；

温度值80≤Tp<120℃时，输出频率P，输出频率P的表达式如下：

P＝1.75*R*Tp/10

温度值Tp≥120℃时，输出最大频率。

(4)最后，根据自身计算的整车速度信号及风机频率输出模型，输出最终的风机投入频率，当多种工况混合时，取每种工况计算输出频率值的最大值，最终频率输出值通过多功能接口板告知辅变系统，由辅变系统执行风机频率输出。

进一步地，所述车辆室内温度智能化调节过程包括如下步骤：

通过多功能接口板，与空调系统、显示系统实现通信(通过以太网、MVB、CAN、RS485、RS232等通信方式)，同时通过IO板接收司机室、内外温度传感器的实时温度，

通过多功能接口板接收显示系统设定的目标温度，再根据IO板检测到的实际室内外温度计算出温度调节系数，通过实际温度与目标温度差值实时调节温度控制曲线，并将输出功率通过多功能接口板告知空调系统，实现温度智能化调节，调节方法为：

采用预置温度计算模型的方法，通过外围接口即显示屏设定界面设定温差区间段及调节步长，通过调节步长控制温度升高或降低的速度，最终温度差值逼近于零，温度稳定在设定目标温度。

进一步地，所述照明亮度智能化调节过程包括如下步骤：

通过多功能接口板，同时通过IO板接收司机室、内外光强度传感器反馈的实时亮度，判断出室内亮度调节系数、近光许可值和远光许可值，并通过IO板输出室内亮度模拟电流值以及近光、远光控制的DO信号，实现亮度智能化调节。

司机室内外、客室内照明亮度调节系数的判断过程如下：

司机室、客室照明打开的情况下，当司机室光强度H<光强度低限值HL，司机室光强度、客室照明亮度输出3级；

光强度低限值HL≤司机室光强度H<光强度中限值HM，司机室光强度、客室照明亮度输出2级；

当司机室光强度H>光强度高限值HH，司机室、客室照明亮度输出1级；所述室内亮度调节系数的判断过程同司机室内外亮度调节系数的判断过程；

当蓄电池电压低二级报警时，司机室、客室照明亮度仅允许输出1级；

当蓄电池电压低一级报警时，禁止输出司机室、客室照明；

将司机室、客室照明亮度通过IO板以电流值的形式输出至光源系统；

近光许可值和远光许可值的判断过程如下：

当司机室外光强度H<室外为光强度限值HW，近光许可为1，否则为0；

近光许可时，若通过多功能接口板接收到来自司机通过激活端显示屏设定的远光软按键操作命令，远光许可值为1，否则为0。

进一步地，所述电池智能化管理过程包括如下步骤：

通过多功能接口板与电池系统实现通信(通过以太网、MVB、CAN、RS485、RS232等通信方式)，并实时监测电池的容量、温度、使用状态、充放电工况及充放电速度、电池故障信息，导入电池健康诊断模型，实时计算电池寿命；同时监测电池输出电压；

当电压阈值I<电池输出电压<电压阈值II，通过无线板卡和以太网向地面中心进行二级报警，同时通过多功能接口板告知车辆显示屏进行充电提示；

当电池输出电压<电压阈值I时，通过无线板卡和以太网向地面中心进行一级报警，同时通过多功能接口板告知车辆显示屏进行充电提示。

其中电压阈值I设定为77V，电压阈值II设定为84V；

进一步地，通过无线板实现数据清洗，将数据进行落地的过程，所述数据清洗包括状态数据清洗和故障清洗；

所述状态数据清洗过程通过多功能接口板接入通信链路，获取所有系统的通信过程数据，并能通过IO板获取车辆硬线信号状态；但如此庞大的数据量并非都是用户需要的，全部上传不仅会造成流量、资源浪费，对用户的筛选、解析等工作也会造成一定的困扰。本发明能够根据维保维护、设计等专业需求，选取对车辆维护、故障分析有用的数据，通过专用维护工具PTU可随时导入，根据检索模型和筛选机制，实现从庞大的数据中筛选出导入的数据，并通过无线板卡上传至地面系统；

所述筛选规则包括：故障等级、故障代码、故障关联优先级、故障发生和解除、故障先后关系及故障发生时间差值等

所述故障数据清洗：根据内部故障树模型(所有具有次生故障可能性的故障词条均设置故障树)，对获取的故障数据进行清洗，清洗原则为：向上分析待清故障的次生故障，直至找到故障根源，并将根源故障通过无线板卡进行上报地面系统，待清故障不再上报；若清洗过程中未发现次生故障，则直接通过无线板卡上报待清故障。

图6是整车通信拓扑示意图；

图7是列车火灾安全环路动作故障图。

集成多模协议转换功能块，提高一体化多模融合智控装置的应用场景的灵活性；

集成车载无线主机功能；实现数据清洗并能通过无线板将数据落地，

该智控模块集成I/O控制功能块，实现与硬线电路的交互；

该智控模块集成数据记录功能块，实现各类过程数据的周期性记录和存储。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置，其特征在于：包括：

电源板、智控模块、I/O板、无线板、防火墙模块、多功能接口板、I/0扩展板、多功能扩展接口板和多链路融合背板；

所述电源板通过供电线与多链路融合背板相连接；

所述智控模块通过多模通信接口与多链路融合背板相连接；

所述I/O板通过Can通信与多链路融合背板相连接；

所述无线板通过以太网与多链路融合背板相连接；

所述防火墙模块通过以太网与多链路融合背板相连接；

所述多功能接口板通过以太网、MVB、CAN、RS485或RS232与多链路融合背板相连接；

所述I/0扩展板通过Can通信与多链路融合背板相连接；

所述多功能扩展接口板通过以太网、MVB、CAN、RS485或RS232与多链路融合背板相连接。

2.根据权利要求1所述的一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置，其特征在于：所述多链路融合背板包括供电链路及多种行业通用通信链路；所述多种行业通用通信链路包括以太网、MVB、CAN、RS485和RS232。

3.根据权利要求1所述的一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置，其特征在于：所述多功能接口板包括前面板；

所述前面板包括以太网、MVB、CAN、RS485或RS232通用通信接口，其中以太网采用M12-D类型接口，MVB、CAN、RS485、RS232采用D-SUB9型接口，其中CAN、RS485、RS232共用1个D-SUB9型接口。

4.根据权利要求1所述的一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置，其特征在于：所述智控模块将主控单元、数据记录仪、协议转换单元、无线主机、I/O控制器进行融合并集成智能化逻辑，通过构建车辆适配需求树，采用需求导向反推实现方式，确定该装置适用的车型包括：纯电新能源工程机车、氢能源工程机车、内电双源工程机车、城市悬挂式单轨、有轨电车。

5.根据权利要求1—4其中任一所述一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置的车辆运行控制方法，其特征在于：包括上电或下电控制过程，所述上电或下电控制过程包括以下步骤：

当有效的上电或下电指令触发后，将指令下发，执行相关上电或下电任务；上电或下电任务取决于车辆设计需求，一般考虑子系统减载，如牵引风机停机、空调减载、显示屏黑屏或照明关闭；

当固定时间内所有系统上电/下电完成后，判定上电/下电成功，并将成功信息通过无线板卡和以太网反馈给地面系统、并通过多功能接口板和车辆以太网、RS485通知车辆显示系统；

当上电或下电指令下发固定时间后，仍存在系统未上电/下电成功，则判断上电/下电失败，并将整车及子系统的上电或下电失败信息通过无线板卡和以太网反馈给地面系统；

下电成功后，若突发异常不能满足下电成功状态，则将对整车下电成功与否进行重新判定；上电成功后，若突发异常不能满足唤醒成功状态，因此时整车处于上电工作状态，通过无线板卡和以太网以故障提示的方式向地面提供示警。

6.根据权利要求5所述一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置的车辆运行控制方法，其特征在于：包括负载智能分时分级投入过程控制，所述负载智能分时分级投入过程控制包括以下步骤：

通过多功能接口板，与各系统即牵引系统、制动系统、辅变系统、显示系统、供电系统实现通信，同时也能够通过IO板实现与车辆硬线电路的IO交互，

通过多功能接口板和智控装置的协议转换功能获知整车的所有系统和设备的状态数据和故障数据，将从地面系统需求、司机操作、设备状态多角度综合分析负载投入实际及投入级别，

其中牵引风机的分时分级投入策略如下：

(1)首先：基于司机操作司控器的级位信息，根据如下公式计算出线性的投入系数；

y＝K*x

其中：y:风机投入系数，K：线性比例系数，x:司控器级位；

(2)其次：根据机车轴速、电机转速、轮径值信息计算机车运行速度，根据运行速度计算出低速工况频率，具体方法为：

当Vx<实时速度V<Vy，其中，V:当前速度，Vx：零速值，Vy:低速最大限值，并持续低速运行时间限值T1以上时，输出最高频率值，直至V-Vy>5且持续退出低速时间限值T2时，恢复至第(1)条的线性投入控制；

(3)再次：根据多功能接口板检测到来自牵引系统的柜内温度反馈信息，计算出温度环境下的频率控制值，具体方法为：

温度值Tp<70℃时，输出频率P，输出频率P的表达式如下：

P＝20+R*Tp/10

其中：R为比例系数；

温度值70≤Tp<80℃时，输出频率P，输出频率P的表达式如下：

P＝1.3*R*Tp/10；

温度值80≤Tp<120℃时，输出频率P，输出频率P的表达式如下：

P＝1.75*R*Tp/10

温度值Tp≥120℃时，输出最大频率。

(4)最后，根据自身计算的整车速度信号及风机频率输出模型，输出最终的风机投入频率，当多种工况混合时，取每种工况计算输出频率值的最大值，最终频率输出值通过多功能接口板告知辅变系统，由辅变系统执行风机频率输出。

7.根据权利要求5所述一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置的车辆运行控制方法，其特征在于：包括车辆室内温度智能化调节过程，所述车辆室内温度智能化调节过程包括如下步骤：

通过多功能接口板，与空调系统、显示系统实现通信，同时通过IO板接收司机室、客室内部温度传感器的实时温度，

通过多功能接口板接收显示系统设定的目标温度，再根据IO板检测到的实际室内外温度计算出温度差值，根据温度差值范围反馈实时调节温度控制曲线，并将输出功率通过多功能接口板告知空调系统，实现温度智能化调节。调节方法为：

采用预置温度计算模型的方法，通过外围接口即显示屏设定界面设定温差区间段及调节步长，通过调节步长控制温度升高或降低的速度，最终温度差值逼近于零，温度稳定在设定目标温度。

8.根据权利要求5所述一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置的车辆运行控制方法，其特征在于：包括照明亮度智能化调节过程，所述照明亮度智能化调节过程包括如下步骤：

通过多功能接口板，同时通过IO板接收司机室内外、客室内外光强度传感器反馈的实时亮度，判断司机室内外、室内亮度调节系数、近光许可值和远光许可值，具体如下：

司机室内外亮度调节系数的判断过程如下：

司机室、客室照明打开的情况下，当司机室光强度H<光强度低限值HL，司机室光强度、客室照明亮度输出3级；

光强度低限值HL≤司机室光强度H<光强度中限值HM，司机室光强度、客室照明亮度输出2级；

当司机室光强度H>光强度高限值HH，司机室、客室照明亮度输出1级；

所述室内亮度调节系数的判断过程同司机室内外亮度调节系数的判断过程；

当蓄电池电压低二级报警时，司机室、客室照明亮度仅允许输出1级；

当蓄电池电压低一级报警时，禁止输出司机室、客室照明；

将司机室、客室照明亮度通过IO板以电流值的形式输出至光源系统；

近光许可值和远光许可值的判断过程如下：

当司机室外光强度H<室外为光强度限值HW，近光许可为1，否则为0；

近光许可时，若通过多功能接口板接收到来自司机通过激活端显示屏设定的远光软按键操作命令，远光许可值为1，否则为0。

9.根据权利要求5所述一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置的车辆运行控制方法，其特征在于：包括电池智能化管理过程，所述电池智能化管理过程包括如下步骤：

通过多功能接口板与电池系统实现通信，并实时监测电池的容量、温度、使用状态、充放电工况及充放电速度、电池故障信息，导入电池健康诊断模型，实时计算电池寿命；同时监测电池输出电压，

当电压阈值I<电池输出电压<电压阈值II，通过无线板卡和以太网向地面中心进行二级报警，同时通过多功能接口板告知车辆显示屏进行充电提示；

当电池输出电压<电压阈值I时，通过无线板卡和以太网向地面中心进行一级报警，同时通过多功能接口板告知车辆显示屏进行充电提示。

10.根据权利要求5所述一种新能源轨道交通工程车辆一体化多模融合智控装置的车辆运行控制方法，其特征在于：包括通过无线板实现数据清洗，将数据进行落地的过程，所述数据清洗包括状态数据清洗和故障清洗；

所述状态数据清洗过程通过多功能接口板接入通信链路，获取所有系统的通信过程数据，并能通过IO板获取车辆硬线信号状态；选取对车辆维护、故障分析有用的数据，通过专用维护工具PTU可随时导入，根据检索模型和筛选机制实现从庞大的数据中筛选出导入的数据，并通过无线板卡上传至地面系统；

所述故障数据清洗：根据内部故障树模型，对获取的故障数据进行清洗，清洗原则为：向上分析待清故障的次生故障，直至找到故障根源，并将根源故障通过无线板卡进行上报地面系统，待清故障不再上报；若清洗过程中未发现次生故障，则直接通过无线板卡上报待清故障。