CN1259211C

CN1259211C - 控制铁路车辆的受控元件的方法和装置

Info

Publication number: CN1259211C
Application number: CNB008010714A
Authority: CN
Inventors: 劳伦斯·哈扎德; 弗雷德里克·范塔伦
Original assignee: GEC Alsthom SA
Current assignee: Alstom Transport Technologies SAS
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2020-04-17
Also published as: CA2339898A1; WO2000076827A1; JP2003502211A; PL345994A1; EP1104375A1; FR2794707A1; KR20010072366A; US6484074B1; CN1313817A; FR2794707B1; AU4125300A; CA2339898C; KR100666519B1; AU760480B2

Abstract

一种控制铁路车辆的受控元件的方法，在该方法中通过测量车辆的惯性值计算铁路轨道的描述性几何特征，从所说的特征中产生所说的受控元件的控制设定点，其特征在于它包括如下的步骤：通过将所计算的几何特征与通过学习过程所获得的并存储在数据库(16)中的几何特征进行比较确定车辆在其所行驶的铁路轨道上的位置；从数据库(16)中提取与下一弯道相对应的几何特征；以及从所提取的特征中事先产生用于受控元件的控制设定点。

Description

控制铁路车辆的受控元件的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种控制铁路车辆的受控元件的方法，具体地说涉及一种控制希望改善乘客的舒适性的元件的方法，本发明还涉及一种用于受控元件并适于实现该方法的控制装置。

背景技术

当前有两种主要的技术控制铁路车辆的受控元件，这些技术基本是用来控制受控元件，该受控元件控制倾斜机车的倾斜度。

第一种技术包括测量惯性值，具体地说是测量横向加速度、机车的滚动速度以及转向架的可能的偏转速度，从这些值中计算机车所行驶的轨道的几何特征描述，并从这些特征中产生控制设定点，比如在倾斜的列车上的倾斜角度。

上述的技术产生相当精确的角度设定点。然而，它具有许多缺陷，特别是因为车辆的倾斜度与该列车所经过的弯道不一致，这在于它没有考虑处理惯性值所固有的时间延迟或装备车辆的每个车体并且角度设定点所发送的倾斜驱动系统的操作所产生的时间延迟。

在列车的前部带有电动车厢的情况下从速度为160公里/小时开始能够明显感觉到时间延迟。

另一种已有技术克服了上述缺陷，其包括在铁路轨道上装备信标以精确地确定铁路车辆在其所行驶的轨道上的位置并发射控制设定点，特别是在倾斜系统中事先发送倾斜角度设定点以补偿这种系统的操作所固有的时间延迟。

上述的倾斜技术有效地补偿了车辆上的乘客所受到的离心力，这是因为倾斜与所通过的弯道协调地施加。但是，这种技术的缺陷在于它需要在允许以倾斜的方式运行的铁轨网络的所有铁路轨道上都装备信标，因此它的成本非常高。

此外，它不能应用在没有装备信标的铁路网络段上。

发明内容

本发明的目的是通过提出一种控制铁路车辆的受控元件的方法来克服这些缺陷，这种方法能够事先控制受控的元件以使它们的反应与铁路轨道的几何特征相协调，而不需要附加的铁路轨道设备，以便简单且经济地实施。

因此本发明提供一种控制铁路车辆的受控元件的方法，在该方法中通过测量机车的惯性值计算铁路轨道的描述性几何特征，通过将所计算的几何特征与存储在通过学习过程所获得的并且位于车辆中的数据库中的几何特征进行比较，确定车辆在其所行驶的铁路轨道上的位置，并且产生用于所述受控元件的控制设定点，该方法其特征在于，在产生受控元件的控制设定点之前，将所计算的几何特征中的至少一种几何特征与一窗口进行比较，以验证从数据库中提取的相应数据中产生的并对应于铁路车辆的假设位置的铁路车辆的位置，并且在所计算的几何特征与验证窗口之间对应的情况下：-从数据库中提取对应下一弯道的几何特征；以及-从所提取的特征中事先产生用于受控元件的控制设定点；并且如果在计算的几何特征与验证窗口之间不对应的情况下，从所计算的几何特征中产生用于受控元件的控制设定点。

依据本发明的方法进一步包括一种或多种下述特征、单个特征或所有的这些特征的技术组合：

-确定机车的位置包括如下的步骤：通过将所计算的几何特征与存储在数据库中的特征进行比较来识别在其上行驶车辆的铁路轨道和从所测量的铁路车辆的速度和从数据库中所提取的所述弯道之前的直线段的长度计算到下一弯道的距离；

-至少在离开每个弯道时，通过将在经过弯道时所计算的几何特征与存储在数据库中的特征进行比较来校正车辆在铁路轨道上的位置；

-它进一步包括如下步骤：在有时能够补偿在所述受控元件的操作中产生的时间延迟并根据车辆的每个车厢的位置，给装备铁路车辆的每个车厢的受控元件发送控制设定点；

-受控元件是主动悬架(active suspension)元件；

-受控元件是控制转向架的可定向轮轴的位置的元件；

-受控元件是控制倾斜铁路车辆的倾斜的元件，并且控制设定点是倾斜角度设定点；

-给角度设定点施加从每个数据库中提取的每个弯道的铁路车辆的倾斜加权系数。

本发明还提供一种控制铁路车辆的受控元件的装置，该类型的装置包括测量惯性值的装置和适于从所测量的惯性值中计算车辆在其上行驶的铁路轨道的描述性几何特征的计算机，该计算机包括如下装置：通过将所计算的几何特征与计算机中存储的并事先通过学习过程而获得的数据库中存储的几何特征进行比较来确定铁路车辆的位置的装置；以及产生用于受控元件的控制设定点的装置，其特征在于该装置包含：-用于在产生受控元件的控制设定点之前，将所计算的几何特征中的至少一种几何特征与一窗口进行比较，以验证从数据库中提取的相应数据中产生的并对应于铁路车辆的假设位置的铁路车辆的位置的装置；-在所计算的几何特征与验证窗口之间对应的情况下，从数据库中提取对应下一弯道的几何特征，并且从所提取的特征中事先产生用于受控元件的控制设定点的装置；-如果所计算的几何特征与验证窗口之间不对应，事先从数据库中提取的特征中产生控制设定点的装置。

依据本发明的装置可以进一步包括一种或多种下述特征，单个特征或所有这些特征在技术上可行的组合：

-受控元件是控制倾斜铁路车辆的倾斜的元件，并且控制设定点是铁路车辆的倾斜角度设定点；

-受控元件是有效悬架元件；

-受控元件是控制转向架的可定向轮轴的位置的元件。

附图说明

从下文依据本发明的控制方法的一种实施例的几种应用的描述中将会清楚本发明其它的特征和优点，这些描述仅通过实例并参考附图给出，其中：

具体实施方式

附图1所示为当应用依据本发明的控制方法来控制倾斜车辆的倾斜时补偿施加到乘客的离心力的原理图；

附图2所示为依据本发明控制受控元件的控制装置的方块图；以及

附图3所示为依据本发明的控制方法的主要步骤的流程图。

附图1所示为用于控制倾斜的车辆的倾斜的依据本发明的方法的一种特定实施例。附图1为通过在具有角度α外轨加高d的铁路轨道上的弯道的铁路车辆10的正视图。

车辆10以及它所运载的乘客受到由于重力和离心力V²/R引起的加速度g，这里V和R分别表示车辆的速度和所经过的弯道的曲率半径。

作用在乘客身上的总的力F为由重力和离心力引起的加速度之和。

假设轴线系统(X，Y)相对于车辆10固定，显然力F具有使乘客不舒服并导致运动病的第一分量F_X和在垂直于轨道平面的方向上作用并且乘客仅能够轻微地感觉到的第二分量F_Y。

在较低的速度下铁路轨道的外轨加高就能够足够限制通过重力产生的加速度作用施加到乘客的总的力F的横向分量。

在较高速度下通过朝弯道的里面倾斜的铁路车辆施加互补的补偿，以便根据车辆的速度仅重力的作用降低甚至抵消施加到乘客的总的力的横向分量。

附图2所示为依据本发明的控制装置的方框图。

如附图2所示，控制装置包括测量惯性值具体地说测量横向加速度、滚动速率以及车辆的转向架的转向速率可适用的地方的装置12。

测量装置12连接到计算机14，在计算机14中存储有计算铁路车辆在其上行驶的轨道的几何特征描述的算法。该算法是常规的算法。因此在下文中没有详细地描述这些算法。但是应该注意它是适合于从惯性值中计算轨道的几何特征，特别是所经过的弯道的曲率半径和外轨加高以及偏斜，特别是从车辆的速度中计算。

计算机14与数据库16相连，在该数据库16中存储有通过事先进行的学习过程所获得的相应描述性几何特征，通过使铁路车辆行驶在允许倾斜方式运行的铁道网络的铁轨上，铁路车辆所行驶的轨道属于该轨道网络，并测量用于计算前述特征的惯性值并计算它们。

因此在具体应用该控制装置来控制倾斜时，数据库16包含可在其上倾斜运行的所有的轨道的精确的几何描述。

下文参考附图3进行描述，附图3所示为确定依据本发明的控制装置的一般操作的流程图，计算机14将所计算的几何特征与存储在数据库中的特征相比较以识别车辆在其上行驶的铁路轨道并确定铁路车辆在轨道的精确的位置。

基于这种位置，计算机14从数据库中提取与车辆将要通过的下一弯道相对应的几何特征并应用这些值来计算用于受控元件的控制设定点。因此在应用控制装置来控制倾斜的具体应用实例中，计算机14计算车辆的最佳倾斜角度θ以改善乘客的舒适性。

附图3所示为在第一步18中计算机14从测量装置12中接收惯性值并应用常规的算法从这些值中计算车辆在其上行驶的轨道部分的几何特征。

在下一步20中将已经计算的特征与存储在数据库中的特征相比较以识别车辆在其上所行驶的轨道。

更具体地说，在步骤20中，计算机14将当经过前面的三个弯道时所获得的特征与在数据库16中所存储的数据进行比较。

在已经识别轨道之后，在下一步骤22中计算机14通过综合车辆的速度和自车辆在其上行驶的弯道之前的直线段的长度来计算车辆距下一弯道的距离。

然后从数据库16中提取与下一弯道相对应的几何特征(步骤24)。

在下一步骤26中，通过将一个或多个所计算的弯道特征与有效窗口相比较来验证该位置。

该窗口是从数据库中提取的并与车辆的位置相对应几何特征中产生的。

如果在下一步骤28中所计算的特征是在有效窗口之内，即如果车辆已经正确定位，则在步骤24中从数据库中提取的几何特征用于计算控制设定点。

在应用依据本发明的控制方法来控制倾斜的车辆的倾斜的具体情况中，在步骤28中所计算的设定点为倾斜角度设定点。

角度设定点θ与由重力和离心力产生的加速度g的横向分量的代数和成比例，并从下面的等式(1)中获得：

θ＝K[V²/Rcosα-gsinα] (1)

其中，如前面所述：

V是车辆速度

R是从数据库中所提取的正通过的弯道的曲率半径，

α是轨道的外轨加高的角度，以及

K是比例系数。

所需的外轨加高角度α很小，上文的等式还可以写为：

θ＝K[V²/R-g·d/1500] (2)

其中d是以毫米为单位的外轨加高，数1500是在铁轨之间以毫米为单位的距离。

注意，当在步骤28中计算角度设定点以改善乘客的舒适性时，特别是在较小的曲率半径的情况下，通过采用比例系数k优选在每个弯道的车辆倾斜中应用从数据库16中提取的加权系数。

然后，在补偿在这种系统的操作中产生的时间延迟时即正好在该车辆开始经过弯道之前，根据车辆的每个车厢的位置，将设定点发送到装备铁路车辆的每个车厢的驱动系统以使它们倾斜(步骤30)。

另一方面，如果所计算的特征是在有效窗口之外，表明在前面的步骤20和22中所确定的位置是不正确的，则应用所计算弯道的特征并利用上文中的等式2来计算在步骤32中的角度设定点。然后立即将它们发送给驱动系统以控制车辆的倾斜。

在下一步骤34中，至少在离开每个弯道之前，计算机14通过将所计算的几何特征与存储在数据库中的特征相比较来校正车辆在铁路轨道上的位置以确定列车开始离开弯道的精确时间。

然后该过程返回到步骤22以计算在车辆和下一弯道之间的距离。

显然上文刚描述的控制装置具有两个不同的运行模式，即第一运行模式和第二种运行模式，在第一种运行模式中从数据库中提取的特征中事先产生角度设定点然后输送到装备车辆的驱动系统以使它与所经过的弯道相一致地倾斜，以及如果计算机应用从数据库中所提取的数据所确定的位置不正确则应用第二种运行模式，在第二种运行模式中应用从所测量的值中计算的几何特征以计算角度设定点。

因此，即使不能确定铁路车辆的位置，例如因为从数据库中不能得到该特征，也还能够应用在弯道中所测量的惯性值来实施倾斜。

当然，依据本发明的控制方法并不限于前文所描述的实施例或应用中。相反，依据本发明的控制方法还可以用于控制要求与铁路轨道的几何形状一致地控制的所有受控元件。

因此，在不同的应用中，依据本发明的控制方法还可以用于控制有效横置悬架的受控元件以改善在铁路车辆上的乘客的舒适性。

然而上面类型的有效悬架控制方法包括如在附图3中所示的相同操作步骤，实施该方法的控制装置具有与在附图2中所示的相同的方块图。仅改变由计算机14所实施的内部计算步骤28和32以计算用于控制有效横向悬架所需的值。然而，在与上文已经描述的类似的方式中，步骤28应用在步骤24中从数据库中提取的几何特征以计算有效悬架的控制设定点，而步骤32应用在第一步骤18中所计算的几何特征来计算有效悬架控制设定点。计算有效悬架控制设定点的等式是常规的，因此在下文中没有详细地描述。因此，如果铁路车辆的有效悬架包括受控的横向减振器，则在步骤28和32中所实施的计算提供减振系数以使铁路车辆能够最舒适地通过弯道。

上文所描述的用于控制有效横向悬架的控制方法通过使有效悬架与弯道相一致地作用极大地改善了车辆的舒适性，因此避免了滚动和偏转现象，这种滚动和偏转现象由在有效悬架的作用和在弯道中的车辆的位置之间的相差产生。

因此，在另一种变型应用中，应用依据本发明的控制方法来控制转向架的定向轮轴的设置。在这种情况下该控制方法和实施该方法的控制装置与前文所描述的相同，只是在步骤28和32的内部计算的等式不同，以便提供使它们跟踪弯道的曲率半径的定向轮轴的控制设定点。上文所述的用于定向轮轴的类型的控制方法使轮轴的运动与所经过的弯道相协调，这就极大地减小作用力和在轮轴和铁路轨道之间的摩擦，由此降低了铁路轨道的磨损。

显然，不管依据本发明的控制方法如何应用，该方法都提供控制装置的两种不同的运行模式，即第一运行模式和第二种运行模式，在第一种运行模式中从自数据库16中提取的特征中事先产生角度设定点然后输送到装备车辆的驱动系统以使受控元件与所经过的弯道相一致地作用，以及在计算机应用从数据库中所提取的数据所确定的位置不正确的情况下应用第二种运行模式，在第二种运行模式中应用从所测量的值中计算的几何特征以计算角度设定点。

因此，即使不能够确定铁路车辆的位置，例如因为在数据库中不能够得到特征而不能够确定铁路车辆的位置，也可应用在弯道中所测量的惯性值来控制受控元件。因此，在启动铁路车辆的阶段，该控制方法能够使铁路车辆依据第二种运行模式运行直到通过将所测量的值与来自数据库的值相比较动态地确定了车辆的位置。

显然刚才所描述的本发明具有经济地实施的优点，并且不要求复杂且昂贵的资源来昂贵地确定铁路车辆的瞬时位置，比如不需要沿着轨道提供信标，而是通过将从惯性值中所计算的特征与在数据库中的特征相比较确定运动的车辆的位置。

最后，本发明并不要求任何操纵控制或在驱动系统的部件上输入数据以确定铁路车辆的位置，因此它对驱动系统误差不敏感。

Claims

1.一种控制铁路车辆的受控元件的方法，在该方法中通过测量机车的惯性值计算铁路轨道的描述性几何特征，通过将所计算的几何特征与存储在通过学习过程所获得的并且位于车辆中的数据库(16)中的几何特征进行比较，确定车辆在其所行驶的铁路轨道上的位置，并且产生用于所述受控元件的控制设定点，

其中，该方法在产生受控元件的控制设定点之前，将所计算的几何特征中的至少一种几何特征与一窗口进行比较，以验证根据从数据库中提取的相应数据产生的并对应于铁路车辆的假设位置的铁路车辆的位置，并且在所计算的几何特征与验证窗口之间相对应的情况下：

-从数据库(16)中提取对应下一弯道的几何特征；以及

-从所提取的特征中事先产生用于受控元件的控制设定点；并且在计算的几何特征与验证窗口之间不对应的情况下，从所计算的几何特征中产生用于受控元件的控制设定点。

2.依据权利要求1所述的控制方法，其中，确定机车的位置包括如下的步骤：通过将所计算的几何特征与存储在数据库中的特征进行比较识别在其上行驶车辆的铁路轨道，以及根据所测量的铁路车辆的速度和从数据库中所提取的所说的弯道之前的直线段的长度来计算到下一弯道的距离。

3.依据权利要求2所述的控制方法，其中，至少在离开每个弯道时通过将在经过弯道时所计算的几何特征与存储在数据库中的特征进行比较来校正车辆在铁路轨道上的位置。

4.依据权利要求1至3的任一权利要求所述的方法，其中，进一步包括如下的步骤：在能够补偿在所述受控元件的操作中产生的时间延迟时根据在铁路车辆的每个车厢的位置，给装备铁路车辆的每个车厢的受控元件发送控制设定点。

5.依据权利要求1至3的任一权利要求所述的控制方法，其中，受控元件是有效悬架元件。

6.依据权利要求1至3的任一权利要求所述的控制方法，其中，受控元件是控制转向架的可定向轮轴的位置的元件

7.依据权利要求1至3的任一权利要求所述的控制方法，其中，受控元件是控制倾斜铁路车辆的倾斜的元件，并且控制设定点是倾斜角度设定点；

8.依据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，给角度设定点施加从数据库(16)中提取的用于每个弯道的铁路车辆的倾斜的加权系数。

9.一种控制铁路车辆的受控元件的装置，该类型的装置包括测量惯性值的装置(12)和适于从所测量的惯性值中计算车辆在其上行驶的铁路轨道的描述性几何特征的计算机(14)，该计算机(14)包括如下装置：通过将所计算的几何特征与计算机(14)中存储的并事先通过学习过程而获得的数据库(16)中存储的几何特征进行比较来确定铁路车辆的位置的装置；以及产生用于受控元件的控制设定点的装置，

其中该装置包含：

-用于在产生受控元件的控制设定点之前，将所计算的几何特征中的至少一种几何特征与一窗口进行比较，以验证根据从数据库中提取的相应数据产生的并对应于铁路车辆的假设位置的铁路车辆的位置的装置；

-在所计算的几何特征与验证窗口之间相对应的情况下，从数据库(16)中提取对应下一弯道的几何特征，并且从所提取的特征中事先产生用于受控元件的控制设定点的装置；

-如果所计算的几何特征与验证窗口之间不对应，事先根据从数据库中提取的特征产生控制设定点的装置。

10.依据权利要求9所述的控制装置，其中，受控元件是控制倾斜铁路车辆的倾斜的元件，并且控制设定点是铁路车辆的倾斜角度设定点。

11.依据权利要求9所述的控制装置，其中，受控元件是有效横向悬架元件。

12.依据权利要求9所述的控制装置，其中，受控元件是控制转向架的可定向轮轴的位置的元件。