CN117849449B - 一种城市轨道交通能耗测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能耗测量领域，具体涉及一种城市轨道交通能耗测量装置，包括测量主机，测量主机内置有处理模块、校准模块、数据采集模块以及数据传输模块，校准模块、数据采集模块以及数据传输模块均与处理模块信号连接，数据采集模块还与校准模块信号连接，测量主机表面设置有采集串口和传输串口，采集串口与数据采集模块信号连接，传输串口与数据传输模块信号连接。本发明，通过校准模块借助验证数据进行能耗数据校准，依旧能够输出精准的能耗数据，能够适用于磁悬浮等能耗较大、环境干扰较强的城市轨道交通系统的能耗测量。
Description
技术领域
本发明涉及能耗测量领域，具体涉及一种城市轨道交通能耗测量装置。
背景技术
城市轨道交通包括地铁系统、轻轨系统、单轨系统以及磁悬浮系统等，随着城市轨道交通的建设密度逐渐增大，城市轨道交通的能耗也在逐渐增大，为推进节能降碳的发展目标，城市轨道交通等公共交通系统的节能减排具有深远意义。
城市轨道交通的能耗主要包括列车内设备能耗和站内设备能耗，其中列车内设备能耗主要包括牵引能耗以及通风空调系统能耗；尤其是磁悬浮系统，为确保列车以高时速安全运行，需要消耗大量电能实现磁悬浮系统的牵引。通过对城市轨道交通进行能耗测量，不但能够为轨道交通列车能耗管理和节能优化提供有效的数据依据；还能够实现轨道交通列车的能耗信息化智能管理。
现有的城市轨道交通能耗测量方式主要通过在用电设备回路中设置相应的能耗采集设备实现能耗测量，然而随着采集设备的使用时长，受到环境等客观因素影响，采集设备的能耗测量精度逐渐降低，尤其是磁悬浮系统能耗较大环境干扰较强的城市轨道交通系统，更易增大采集设备的能耗测量误差。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种城市轨道交通能耗测量装置，用于长时间高精度进行城市轨道交通能耗测量。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种城市轨道交通能耗测量装置，包括测量主机，测量主机内置有处理模块、校准模块、数据采集模块以及数据传输模块，校准模块、数据采集模块以及数据传输模块均与处理模块信号连接，数据采集模块还与校准模块信号连接，测量主机表面设置有采集串口和传输串口，采集串口与数据采集模块信号连接，传输串口与数据传输模块信号连接；
采集串口用于信号连接电流传感器、电压传感器以及用于采集列车运行数据的运行监测系统；校准模块用于获取运行监测系统采集的列车运行数据，生成校准信号；处理模块用于基于电流传感器采集的电压信号和电压传感器采集的电压信号，计算若干组单位时间内的列车能耗，并结合校准信号对单位时间内的列车能耗进行校准，计算输出能耗测量数据；传输串口用于传输能耗测量数据。
进一步，校准模块用于记录若干单位时间内的列车历史能耗以及各单位时间内的列车历史能耗/>对应的时间戳/>，并基于/>获取对应时段的列车运行数据/>，并以的关联组合形式储存为验证集；
校准模块还用于获取单位时间内的列车实时能耗以及单位时间内的列车实时能耗/>对应的时间戳/>，并基于/>获取对应时段的列车运行数据/>，基于/>在验证集内查询差异小于阈值的/>，或基于/>验证集内查询差异小于阈值的/>，基于/>与/>或/>与计算校准系数/>，通过校准系数/>对/>进行校准。
进一步，运行监测系统包括速度检测单元、负载检测单元、位置检测单元和环境检测单元；速度检测单元用于按照预设频率采集列车运行速度；负载检测单元用于按照预设频率采集列车负载量；位置检测单元用于按照预设频率采集列车位置信息，环境检测单元用于按照预设频率采集列车内外环境信息。
进一步，负载检测单元与采集串口信号连接，负载检测单元用于获取列车的乘客量；位置检测单元与采集串口信号连接，位置检测单元用于获取列车所处位置以及地形。
进一步，校准模块用于基于与/>计算校准系数，步骤如下：
S11：获取与和/>对应时段的/>和/>；
S12：获取能耗测量干扰量，若能耗测量干扰量小于阈值则执行S13，若能耗测量干扰量大于阈值则取消校准系数计算；
S13：其中，其中/>为校准系数。
进一步，校准模块用于基于与/>计算校准系数，步骤如下：
S21：获取与和/>对应时段的/>和/>；
S22：获取能耗测量干扰量，若能耗测量干扰量小于阈值则执行S23，若能耗测量干扰量大于阈值则取消校准系数计算；
S23：，其中/>为校准系数。
进一步，还包括异常检测模块，异常检测模块与数据采集模块信号连接，异常检测模块用于采集能耗测量干扰量，并将能耗测量干扰量发送至处理模块。
进一步，处理模块用于计算输出能耗测量数据，步骤如下：
S31：获取校准系数，采用如下公式对/>进行校准：/>；
其中，为校准后的单位时间内的列车能耗；
S32：获取列车运行时间段内的若干进行求和，计算输出能耗测量数据。
进一步，运行监测系统还包括数据整合单元，数据整合单元用于基于权重算法计算速度检测单元、负载检测单元、位置检测单元和环境检测单元采集数据的权重，并对速度检测单元、负载检测单元、位置检测单元和环境检测单元采集数据进行加权平均，输出列车运行数据。
采用上述方案有以下有益效果：
1、本发明，并行设置两条检测线路，一条线路用于对城市轨道交通的能耗进行检测，另一条线路用于对列车运行数据进行检测，并在每条数据被采集时附带采集时间戳，基于时间戳将同一时刻采集的能耗数据与列车运行数据形成关联组，形成验证集。当新的能耗数据生成时，在验证集中查询与能耗数据相近似的能耗数据对应的关联组，从而对比新的能耗数据生成时列车运行数据与验证集中查询的关联组中的列车运行数据，基于两组列车运行数据对新的能耗数据进行校准，输出准确的能耗数据。
相较于现有技术，将采集设备初期采集的精确数据作为后续采集过程中的验证数据，即使采集设备随着使用时长增加以及环境等客观因素影响导致采集数据精准度下降，通过校准模块借助验证数据进行能耗数据校准，依旧能够输出精准的能耗数据，能够适用于磁悬浮等能耗较大、环境干扰较强的城市轨道交通系统的能耗测量。
2、本发明，校准方式包括基于能耗数据生成校准系数进行校准、基于列车运行数据生成校准系数进行校准以及基于能耗数据生成校准系数并基于列车运行数据生成校准系数进行交叉校准，在三种校准方式混合采用的情况下，能够进一步增加测量的能耗数据准确性。
3、本发明，选取列车运行速度、列车运行负载、列车运行位置以及列车运行环境四个指标综合评价列车运行数据，其中列车运行速度越快能耗通常越高；列车负载越大能耗越高；列车运行在不同位置面对不同地形能耗同样会发生变化，列车受到气温、湿度和风速等因素影响，列车的空气动力学性能和能源消耗同样会发生变化，相较于现有技术单一采集能耗数据，充分考虑列车运行数据，并将其作为能耗数据校准依据，提升了测量能耗的准确性。
4、本发明，采用权重算法计算列车运行数据各评价指标的权重，并对各指标进行加权平均获取列车运行数据，相较于多个评价指标单一对比的查询方式，能够更易在验证集中查询到相对应的关联组，高效地进行能耗数据校准。
本发明的附加方面和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。
附图说明
图1为本发明城市轨道交通能耗测量装置实施例的测量主机轴测图；
图2为本发明城市轨道交通能耗测量装置实施例的测量主机正视图；
图3为本发明城市轨道交通能耗测量装置实施例的电路结构示意图。
说明书附图中的附图标记包括：1、测量主机；2、传输串口；3、采集串口；4、控制界面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例1：
如附图1所示：一种城市轨道交通能耗测量装置，包括测量主机1，测量主机1外形如附图1和附图2所示，测量主机1内置有处理模块、校准模块、数据采集模块以及数据传输模块（附图未示出）。如附图3所示，校准模块、数据采集模块以及数据传输模块均与处理模块信号连接，数据采集模块还与校准模块信号连接，测量主机1表面设置有采集串口3和传输串口2。
采集串口3可采用RS-232接口或RS-485接口等，本实施例采用较为普遍的RS-232接口作为采集串口3。传输串口2可采用RS-232-C接口、RS-422接口、RS485接口、RJ45接口和USB接口等，本实施例采用较为普遍的RJ45接口作为传输串口2，RJ45接口连接双绞线能够实现数据的高速传输。此外，可根据需求在测量主机1能增设蓝牙模块、4G/5G模块或WiFi模块等无线传输模块，以实现数据的无线传输。
采集串口3与数据采集模块信号连接，以将采集的数据上传至数据采集模块，数据采集模块对采集的数据进行模数转换后生成数字信号，将数字信号传输至处理模块进行处理。传输串口2与数据传输模块信号连接，数据传输模块用于获取做种的能耗测量数据，并通过传输串口2实现能耗测量数据的传输。
采集串口3用于信号连接电流传感器、电压传感器以及用于采集列车运行数据的运行监测系统；电流传感器和电压传感器设置于列车的主回路上，电流传感器和电压传感器分别用于采集列车运行时的电流和电压，将幅值较大电流信号和电压信号转化为幅值较小的电流信号和电压信号，并通过采集串口3完成数据上传。
校准模块用于在处理模块中获取运行监测系统采集的列车运行数据，生成校准信号；处理模块用于基于电流传感器采集的电压信号和电压传感器采集的电压信号，计算若干组单位时间内的列车能耗，并结合校准信号对单位时间内的列车能耗进行校准，计算输出能耗测量数据，输出的能耗测量数据传输至数据传输模块。此外，可在测量主机1外部安装控制界面4，通过控制界面4对测量主机1采集数据进行查看和控制测量主机1运行。
具体的，校准模块用于记录若干单位时间内的列车历史能耗以及各单位时间内的列车历史能耗/>对应的时间戳/>，并基于/>获取对应时段的列车运行数据/>，并以的关联组合形式储存为验证集。验证集可采用本地储存的方式，通过硬盘或闪存盘等存储介质直接进行本地储存；也可以采用云储存的方式，借助数据传输模块将数据传输到远程的云服务器进行存储；通过云储存的方式能够实现验证集的共享，适用于多条轨道线路多种列车种类之间能耗的相互验证。
校准模块还用于获取单位时间内的列车实时能耗以及单位时间内的列车实时能耗/>对应的时间戳/>，并基于/>获取对应时段的列车运行数据/>，基于/>在验证集内查询差异小于阈值的/>，或基于/>验证集内查询差异小于阈值的/>，基于/>与/>或/>与计算校准系数/>，通过校准系数/>对/>进行校准。
校准模块可通过三种不同的模式进行能耗数据校准，包括基于能耗数据对比校准、基于运行数据对比校准，基于能耗数据与运行数据交叉校准。其中，基于能耗数据对比校准，包括如下步骤：
S11：获取与和/>对应时段的/>和/>；
S12：获取能耗测量干扰量，若能耗测量干扰量小于阈值则执行S13，若能耗测量干扰量大于阈值则取消校准系数计算；
S13：，其中/>为校准系数。
基于运行数据对比校准，包括如下步骤：
S21：获取与和/>对应时段的/>和/>；
S22：获取能耗测量干扰量，若能耗测量干扰量小于阈值则执行S23，若能耗测量干扰量大于阈值则取消校准系数计算；
S23：，其中/>为校准系数。
基于能耗数据与运行数据交叉校准，则是通过上述两种校准方式得出两组校准系数，在两组校准系数中取平均值作为校准系数。
对于上述能耗测量干扰大于阈值，通常在列车运行异常或受到巨大的电磁干扰下产生，因此，本实施例通过在测量主机1内安装异常检测模块，异常检测模块与数据采集模块信号连接，异常检测模块用于采集能耗测量干扰量，并将能耗测量干扰量发送至处理模块，异常检测模块通常与列车的运行状态监测系统信号连接，列车的运行状态监测系统能够获取列车、轨道、信号系统、供电系统等的运行状态，包括但不限于列车的位置、速度、加速度、减速度、故障代码等，轨道的平顺度、弯度、坡度等，信号系统的通讯状态、故障报警等，供电系统的电流、电压、功率等。通过上述数据的整合判断当前能耗测量干扰是否过大。
在校准模块获取上述可用的校准系数后，处理模块用于按照步骤如下计算输出能耗测量数据：
S31：获取校准系数，采用如下公式对/>进行校准：
；
其中，为校准后的单位时间内的列车能耗；由此可以获取若干个连续的单位时间内的校准后的列车能耗/>。
S32：获取列车运行时间段内的若干进行求和，计算输出能耗测量数据。通过对若干连续的单位时间内的校准后的列车能耗/>进行求和即能够获取到，测量时间段内城市轨道交通的能耗。
本实施例，通过上述方式在测量装置运行初期，由于其具备较高精度，能够准确的进行能耗测量，测量装置初期采集的能耗数据与列车运行数据组建验证集，当新的能耗数据生成时，在验证集中查询与能耗数据相近似的能耗数据对应的关联组，从而对比新的能耗数据生成时列车运行数据与验证集中查询的关联组中的列车运行数据，基于两组列车运行数据对新的能耗数据进行校准，输出准确的能耗数据。
实施例2：
与实施例1的不同之处在于，运行监测系统包括速度检测单元、负载检测单元、位置检测单元和环境检测单元；速度检测单元用于按照预设频率采集列车运行速度；负载检测单元用于按照预设频率采集列车负载量；位置检测单元用于按照预设频率采集列车位置信息，环境检测单元用于按照预设频率采集列车内外环境信息。
其中，速度检测单元与采集串口3信号连接，速度检测单元用于获取列车的运行速度，这可以通过列车自带的速度监测单元实现，在列车速度较快的情况下通常消耗的电能会增加，在列车运行速度较慢的情况下消耗的电能则会减少。
负载检测单元与采集串口3信号连接，负载检测单元用于获取列车的乘客量，在列车内乘客量较大的情况下列车需要消耗更多的电能才能够维持其所需的运行速度，乘客量较小的情况下列车需要消耗更少的电能即能够维持其所需的运行速度。
位置检测单元与采集串口3信号连接，位置检测单元用于获取列车所处位置以及地形，在列车其他因素相同的下，水平运行过程中其消耗的电能最小，上坡或下坡过程中其消耗的电能则与坡度呈正比。
环境检测单元与采集串口3信号连接，环境检测单元用于按照预设频率采集列车内外环境信息，包括气温、湿度和风速等，这些环境因素会影响空气动力学性能和能源消耗，且会影响列车内部系统运行情况，例如，温度过高需要消耗电能为空调系统供电。
运行监测系统还包括数据整合单元，数据整合单元用于基于权重算法计算速度检测单元、负载检测单元、位置检测单元和环境检测单元采集数据的权重，并对速度检测单元、负载检测单元、位置检测单元和环境检测单元采集数据进行加权平均，输出列车运行数据。
具体的，本实施例采用AHP层次分析法对各检测单元采集数据的权重进行计算，采用两两比较的方法，建立矩阵，利用了数字大小的相对性，数字越大越重要权重会越高的原理，最终计算得到每个因素的重要性。
在获取各单元采集数据权重后，采用加权平均算法进行列车运行数据的计算：
式中，为列车运行数据；/>和/>分别为速度检测单元采集的数据指标和其对应的权重；/>和/>分别为负载检测单元采集的数据指标和其对应的权重；/>和/>分别为位置检测单元采集的数据指标和其对应的权重；/>和/>分别为环境检测单元采集的数据指标和其对应的权重。
基于本实施例的方法采用权重算法计算列车运行数据各评价指标的权重，并对各指标进行加权平均获取列车运行数据，从而更易在验证集中查询到相对应的关联组，高效地进行能耗数据校准。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种城市轨道交通能耗测量装置，其特征在于，包括测量主机，测量主机内置有处理模块、校准模块、数据采集模块以及数据传输模块，校准模块、数据采集模块以及数据传输模块均与处理模块信号连接，数据采集模块还与校准模块信号连接，测量主机表面设置有采集串口和传输串口，采集串口与数据采集模块信号连接，传输串口与数据传输模块信号连接；
采集串口用于信号连接电流传感器、电压传感器以及用于采集列车运行数据的运行监测系统；校准模块用于获取运行监测系统采集的列车运行数据，生成校准信号；处理模块用于基于电流传感器采集的电压信号和电压传感器采集的电压信号，计算若干组单位时间内的列车能耗，并结合校准信号对单位时间内的列车能耗进行校准，计算输出能耗测量数据；传输串口用于传输能耗测量数据；
校准模块用于记录若干单位时间内的列车历史能耗Eo以及各单位时间内的列车历史能耗Eo对应的时间戳To，并基于To获取对应时段的列车运行数据Qo，并以Eo-Qo的关联组合形式储存为验证集；
校准模块还用于获取单位时间内的列车实时能耗En以及单位时间内的列车实时能耗En对应的时间戳Tn，并基于Tn获取对应时段的列车运行数据Qn，基于En在验证集内查询差异小于阈值的Eo，或基于Qn验证集内查询差异小于阈值的Qo，基于En与Eo或Qn与Qo计算校准系数X，通过校准系数X对En进行校准。
2.根据权利要求1所述的城市轨道交通能耗测量装置，其特征在于，运行监测系统包括速度检测单元、负载检测单元、位置检测单元和环境检测单元；速度检测单元用于按照预设频率采集列车运行速度；负载检测单元用于按照预设频率采集列车负载量；位置检测单元用于按照预设频率采集列车位置信息，环境检测单元用于按照预设频率采集列车内外环境信息。
3.根据权利要求2所述的城市轨道交通能耗测量装置，其特征在于，负载检测单元与采集串口信号连接，负载检测单元用于获取列车的乘客量；位置检测单元与采集串口信号连接，位置检测单元用于获取列车所处位置以及地形。
4.根据权利要求1所述的城市轨道交通能耗测量装置，其特征在于，校准模块用于基于En与Eo计算校准系数，步骤如下：
S11：获取与En和Eo对应时段的Qn和Qo；
S12：获取能耗测量干扰量，若能耗测量干扰量小于阈值则执行S13，若能耗测量干扰量大于阈值则取消校准系数计算；
S13：X＝Qn/Qo，其中X为校准系数。
5.根据权利要求1所述的城市轨道交通能耗测量装置，其特征在于，校准模块用于基于Qn与Qo计算校准系数，步骤如下：
S21：获取与Qn和Qo对应时段的En和Eo；
S22：获取能耗测量干扰量，若能耗测量干扰量小于阈值则执行S23，若能耗测量干扰量大于阈值则取消校准系数计算；
S23：X＝En/Eo，其中X为校准系数。
6.根据权利要求4或5所述的城市轨道交通能耗测量装置，其特征在于，还包括异常检测模块，异常检测模块与数据采集模块信号连接，异常检测模块用于采集能耗测量干扰量，并将能耗测量干扰量发送至处理模块。
7.根据权利要求6所述的城市轨道交通能耗测量装置，其特征在于，处理模块用于计算输出能耗测量数据，步骤如下：
S31：获取校准系数X，采用如下公式对En进行校准：
E＝En×X
其中，E为校准后的单位时间内的列车能耗；
S32：获取列车运行时间段内的若干E进行求和，计算输出能耗测量数据。
8.根据权利要求2所述的城市轨道交通能耗测量装置，其特征在于，运行监测系统还包括数据整合单元，数据整合单元用于基于权重算法计算速度检测单元、负载检测单元、位置检测单元和环境检测单元采集数据的权重，并对速度检测单元、负载检测单元、位置检测单元和环境检测单元采集数据进行加权平均，输出列车运行数据。
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