一种列车虚拟连挂控制系统及方法与流程

1.本发明属于虚拟连挂控制技术领域，具体涉及一种列车虚拟连挂控制系统及方法。


背景技术：

2.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。
3.列车在运行过程中常常需要连挂编组运行，在长距离运行过程中，更是需要连挂编组运行，传统的列车连挂编组一般采用在列车的头车设有车钩装置，通过接触式车钩装置实现列车的编组运行，但是，基于上述接触式车钩装置的列车的编组运行在长距离运行过程中存在编组不灵活的问题，具体为难以实现前后列车的编组过程中顺序的更换以及调试，因此智轨列车编组向虚拟连挂方向发展。
4.发明人在研究中发现，目前的列车编组向虚拟连挂技术存在的问题主要包括：
5.当前虚拟连挂的智轨列车在安全车间距的设置上没有充分考虑雨量大小因素对安全车间距的影响。这对虚拟连挂的智轨列车安全运行造成了不利影响。


技术实现要素：

6.本发明为了解决上述问题，提出了一种列车虚拟连挂控制系统及控制方法，本发明为智轨列车间的编组运行提供了更加灵活的编组方式，提高了编组的灵活性和运行效率以及安全性。
7.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
8.第一方面，公开了一种列车虚拟连挂控制系统，应用于前后运行的第一车辆及第二车辆虚拟连挂控制，包括：
9.信息采集单元及加速度控制单元、执行控制单元；
10.所述信息采集单元用于采集第一车辆及第二车辆状态信息以及当下运行环境中的雨量信息；
11.所述加速度控制单元基于接收所述信息采集单元采集的数据，输出考虑雨量信息的虚拟连挂列车的期望车间距；
12.所述执行控制单元基于期望车间距计算出期望纵向加速度控制指令并将控制指令输入给被控列车，所述被控列车为第二车辆。
13.进一步的技术方案，所述信息采集单元通过与车载ecu单元通信获得第一车辆及第二车辆纵向速度、纵向加速度以及第一车辆及第二车辆的车间距信息；
14.优选的，所述信息采集单元通过与车载ecu单元通信获得第一车辆及第二车辆所处情景下的雨量信息。
15.进一步优选的，所述车载ecu单元与布置在车辆上的雨量传感器，获得当前情景下的雨量信息并将根据雨量大小信息划分为不同等级，虚拟连挂列车的期望车间距大小与雨
量所处的等级相匹配。
16.进一步的技术方案，所述列车虚拟连挂控制系统安装在第二车辆上，第一车辆或第二车辆之间采用无线方式通信来获得车辆间的状态信息。
17.第二方面，公开了一种列车虚拟连挂控制方法，应用于前后运行的第一车辆及第二车辆虚拟连挂控制，包括：
18.采集第一车辆及第二车辆状态信息以及当下运行环境中的雨量信息；
19.基于采集的数据，输出考虑雨量信息的虚拟连挂列车的期望车间距；
20.基于期望车间距计算出期望纵向加速度控制指令并将控制指令输入给被控列车，所述被控列车为第一车辆或第二车辆。
21.进一步的技术方案，基于采集的数据，输出考虑雨量信息的虚拟连挂列车的期望车间距，具体过程为：
22.根据第一车辆及第二车辆纵向速度、纵向加速度以及纵向车间距信息和雨量信息，输入至考虑阴雨天气下雨量信息的虚拟连挂车间距控制模型，获得期望车间距。
23.进一步的优选的，以期望车间距与实际车间距之间的差值趋于零，第一车辆及第二车辆之间的速度差值趋于零为目标，优化控制计算得到期望纵向加速度控制值。
24.进一步的优选的，被控列车接收期望纵向加速度控制指令后，得出与期望纵向加速度相适应的加速踏板行程值和制动压力值，并输入给被控列车以加速或制动执行器。
25.进一步的优选的，根据雨量信息大小划分为若干等级，每一个雨量所在等级对应的一个雨量系数，雨量系数与雨量信息大小成正比。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
27.本公开技术方案通过采集获得智轨列车的状态信息以及外部雨量信息，制定考虑雨量信息的车间距控制策略和控制目标，在模型预测控制算法的优化控制下计算得到期望的纵向加速度控制指令，并通过后端执行控制单元的转换处理得到用于后方智轨列车控制的加速踏板行程值和制动压力值，在特定的场景下，实现了前后方智轨列车的非接触式虚拟连挂控制，提高了连挂运行编组的灵活性和安全性。
28.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。
29.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
30.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。
31.图1为智轨列车虚拟连挂的纵向控制系统的组成架构示意图；
32.图2为智轨列车虚拟连挂的纵向控制方法的步骤流程图。
具体实施方式：
33.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
34.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。
35.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。
36.实施例一：
37.在本实施例中，以智轨列车进行举例说明，但并不代表本发明提供的控制系统及方法仅能适用于智轨列车中。
38.在该实施例子中，一种列车虚拟连挂控制系统，参见附图1所示，包括：
39.主要包括信息采集单元01、前端加速度控制单元02、后端执行控制单元03；
40.其中信息采集单元01用于采集前方和后方虚拟连挂列车的状态信息以及前风挡上的雨量信息；
41.前端加速度控制单元用于根据前、后方虚拟连挂列车的纵向速度信息、纵向加速度信息以及纵向车间距信息和雨量信息，基于考虑雨量信息的虚拟连挂车间距控制策略并在模型预测控制算法地滚动优化下得到优化后的期望加速度控制指令；
42.后端执行控制单元依据前端加速度控制单元计算得出的期望加速度控制值，利用pid控制算法以及二维查表取值方式计算得出相应的合适加速踏板行程值和制动压力值。
43.需要说明的是，附图1中虚线框内所示的控制系统包括前端加速度控制单元、后端执行控制单元和信息采集单元，虚线框外还包括信息采集单元中的外部雨量信息输入端，以及状态信息输入端和最终的被控对象，也就是本实施例中的前后方虚拟连挂列车。
44.上述前、后方虚拟连挂列车的状态信息包括纵向速度、纵向加速度、前后方虚拟连挂列车间的纵向车间距。
45.采集前、后智轨列车在运行过程中的状态信息具体为通过合理布置速度传感器、加速度传感器以及测距传感器获得前后虚拟连挂列车的纵向速度、纵向加速度以及前后列车的车间距信息；所述雨量信息通过合理布置雨量传感器，获得当前情景下的雨量信息，并将数据传给车载ecu，车载ecu将雨量大小信息划分为四个等级零、较小、中级、较大。
46.虚拟连挂列车的车间距控制策略的制定与所述信息采集单元采集的雨量信息有关，虚拟连挂列车间距的大小随着雨量的增大而增大，减小而减小。
47.在一实施例子中，基于上述因素，考虑阴雨天气下雨量信息的虚拟连挂列车的车间距控制策略描述方程为：
48.d＝(v
i 1
*t
h
)(1 ε) d0；
49.式中d代表虚拟连挂列车的期望车间距，v
i 1
指的是被控车辆当前车速，t
h
指的是期望时间间隔，d0代表两车静止时的最小间距，ε代表雨量系数，t
h
和d0为固定常数；前后两辆车虚拟连挂，前车为第一辆车，后车为第二辆车；v
i 1
为第二辆车的纵向速度。通过信息采集单元获得；
50.其中，雨量系数ε∈{0,0.3,0.6,1}；当雨量信息为零时，ε取0；当雨量信息为较小时，ε取0.3；当雨量信息中级时，ε取0.6；当雨量信息较大时，ε取1。
51.本公开技术方案采用了考虑阴雨天气下雨量信息的虚拟连挂列车的车间距控制
策略描述方程，能够更好的描述阴雨天气下智轨列车间的安全车间距，使智轨列车虚拟连挂时的安全性进一步提高。
52.在利用上述方程获得虚拟连挂列车的期望车间距之后，利用模型预测控制算法进行优化处理，具体的，模型预测控制算法的连续状态空间表达式为：
[0053][0054]
y(t)＝cx(t)
[0055]
其中，
[0056]
状态量x＝[e
p e
v a
i 1
]
t
；e
p
,e
v
,a
i 1
分别代表两车车间距误差、相对速度、被控车辆的加速度；控制量前车加速度a
i
视为系统扰动量w＝a
i
。
[0057]
需要说明的是，被控车辆的加速度可通过测量数据获得；两车车间距误差为间接获得，计算方式为实际车间距与期望车间距之差；，相对速度也为间接获得，计算方式为前车速度与后车速度之差。
[0058]
控制目标为：e
p
(k)
→
0，e
v
(k)
→
0，这里，e
p
(k)代表前后方虚拟连挂列车之间的实际车间距与期望车间距d之间的差值，e
v
(k)代表后方虚拟连挂列车与前方虚拟连挂列车间的速度差。
[0059]
在一具体实施例子中，后端执行控制单元根据前端加速度控制单元反馈的期望加速度控制指令，应用pid控制算法，并根据智轨列车的纵向逆动力学模型计算得到与期望的纵向加速度相适应的加速踏板行程值和制动压力值，并将其输出给被控对象即后方虚拟连挂列车，以实现控制目标，完成前后方智轨列车的虚拟连挂纵向控制。
[0060]
上述智轨列车的纵向逆动力学模型可以通过对智轨列车的纵向加速特性进行标定获得，标定得到智轨列车加速踏板行程值与纵向加速度和纵向速度之间的对应关系，然后采用二维查表取值的方法，当已知当前车速和期望的加速度指令时，即可获得与期望加速度指令所对应的加速踏板行程值。
[0061]
制动压力值p
des
通过公式计算获得；
[0062]
其中，m代表整车质量；c
d
代表空气阻力系数；a代表迎风面积；ρ为空气密度；v代表纵向车速；g代表重力加速度；f代表滚动阻力系数。
[0063]
实施例二：
[0064]
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种智轨列车虚拟连挂纵向控制方法，步骤流程图如图2所示，包括：
[0065]
步骤s1：信息采集单元采集前、后智轨列车在运行过程中的状态信息以及雨量信息并反馈给前端加速度控制单元和后端执行控制单元；
[0066]
步骤s2：前端加速度控制单元依据信息采集单元反馈回来的前、后方智轨列车的纵向速度、纵向加速度以及前后智轨列车纵向车间距信息和雨量信息，并根据制定好的考
虑阴雨天气下雨量信息的虚拟连挂车间距控制策略，在模型预测控制算法的优化控制下计算得到期望纵向加速度控制值，并输出到后端执行控制单元；
[0067]
步骤s3：后端执行控制单元根据输入的期望纵向加速度控制值，在pid控制算法和智轨列车的纵向逆动力学模型的计算下计算得出与期望纵向加速度相适应的加速踏板行程值和制动压力值，并输入给被控智轨列车加速或制动执行器。
[0068]
上述步骤s1信息采集单元采集的状态信息具体为通过合理布置速度传感器、加速度传感器以及测距传感器获得前后虚拟连挂列车的纵向速度、纵向加速度以及前后列车的车间距信息；所述雨量信息通过合理布置雨量传感器，获得当前情景下的雨量信息，并将数据传给列车控制系统，列车控制系统将雨量大小信息划分为四个等级零、较小、中级、较大。
[0069]
上述步骤s2中根据反馈得到的雨量信息及前后虚拟连挂列车的状态信息制定考虑雨量信息大小的车间距控制策略和控制目标在模型预测控制算法的优化控制下计算得到期望的纵向加速度控制指令。
[0070]
上述步骤s3针对输入的期望纵向加速度控制指令，利用pid算法和智轨列车的纵向逆动力学模型进行转换处理，得到可用于列车执行器控制的加速踏板行程值和制动压力。
[0071]
本公开技术方案用智轨列车的非接触式虚拟连挂技术，使不同列智轨列车间的连挂运行免于机械连挂方式，尤其适用于长途远距离运行的智轨列车，为智轨列车间的编组运行提供了更加灵活的编组方式，提高了编组的灵活性和运行效率以及安全性。
[0072]
本公开技术方案实现了后方智轨列车对前方智轨列车的纵向虚拟连挂控制，提高了前、后智轨列车间相互连挂的灵活性和快捷性。
[0073]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0074]
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。
[0075]
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。
[0076]
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。
[0077]
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。
[0078]
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。