一种大风环境下列车运行安全监测方法及系统与流程

1.本发明涉及列车监控技术领域，尤其涉及一种大风环境下列车运行安全监测方法及系统。


背景技术：

2.行车安全是商业运营列车的首要任务，这涉及到很多方面，其中非常重要的一方面就是要确保列车能在不同复杂环境下安全运行。大风作为一种列车频频遭遇的强外界激扰对列车运行安全威胁剧烈，是该运行条件下导致列车存在安全与健康风险的最直接和最主要因素。大风环境下，风荷载
‑
车体剧烈振动
‑
列车倾覆风险是一个持续递进的过程。风荷载直接作用于车体，引起车体剧烈振动，进而激励通过悬挂系统从车体传递到轮轨，导致轮轨力发生跟随性改变，当车体剧烈振动致使迎风侧轮轨法向力为“0”时，列车将达到临界倾覆状态。可以看出，就安全风险预判与监测而言，车体振动是其中最关键一环。因此，实现大风环境下多源信息融合的列车运行安全与车体动力学响应耦合监测对于确保和提升复杂运行环境下的列车运行品质以及安全风险预判具有重要工程意义。
3.现有方法和系统对列车运行安全和车体动力学响应的监测是独立考虑的，关于大风环境下列车运行安全与车体动力学响应协同监测方法与系统的报道较少。目前，关于行车安全监测采取的方法和措施主要是测力轮对，但受其结构及安装要求限制，禁止在商业运营列车上使用。针对车体动力学响应的监测目前主要是采用加速度传感器来获取运行过程中的车体振动加速度，部分学者提出基于机器视觉的车辆运行姿态测量方法及系统，但因其结构复杂且易受自然光影响，其应用具有较大的局限性。
4.本发明针对上述问题，公开一种列车、线路、环境风等多源信息融合的基于气动载荷的列车运行安全与车体动力学响应协同监测方法与系统。
5.大量试验研究表明，大风环境下的车体动力学响应主要表现为大幅度的低频侧滚与横移，鉴于此，本发明中车体动力学响应监测主要针对车体侧滚角、重心横移、以及横向加速度等动力学响应参数。关于行车安全指标的监测主要是列车的倾覆系数及脱轨系数。


技术实现要素：

6.本发明目的在于公开一种大风环境下列车运行安全监测方法及系统，以实现多源信息融合的列车运行安全与车体动力学响应协同监测。
7.为达上述目的，本发明公开一种大风环境下列车运行安全监测方法，包括：
8.获取列车运行中的环境参数；
9.根据所述环境参数基于下述方程组求解车体振动监测结果和安全指标监测结果，所述车体振动监测结果至少包括大风下车体侧滚角、车体重心横移、横向加速度，所述安全指标监测结果至少包括倾覆系数和脱轨系数；具体方程组包括：
10.[0011][0012][0013]
y
θ
＝(h2‑
z
cog2
)
·
θ
[0014]
y2＝y
2t
y
θ
[0015]
m＝m0 m1 m2[0016]
m
m
＝m
·
g
·
b
a
[0017]
m
la
＝m
·
a
qv
·
z
cog
[0018][0019]
m
cog
＝
‑
(m1·
y1 m2·
y2)
·
g
[0020]
m
xlee
＝m
xw
f
zw
·
(b
a
‑
y
2t
)
[0021][0022][0023]
式中，m
xlee
为绕背风侧钢轨的倾覆力矩，m
cog
为车体重心位置偏移产生的力矩，m
la
为未平衡的车体横向加速度产生的力矩，f
m
为方法因子，m为车辆总质量，m1为一系簧上质量，m2为二系簧上质量，z
cog,0
为簧下质量质心距轨面高度，z
cog,1
为一系簧上质量质心距轨面高度，z
cog,2
为二系簧上质量质心距轨面高度，b
a
为半轨距，k
y1
为一系簧横向刚度，k
y2
为二系簧横向刚度，k
z2
为二系簧垂向刚度，k
arb
为抗侧滚扭杆刚度，b2为二系簧横向跨度，h2为二系簧距轨面高度，θ为车体侧滚角，y
θ
为车体侧滚引起的横移，y
2t
为横向力引起的车体横移，y2为车体重心位置横移，f
yw
为车体所受横向力，m
xw
为车体所受侧滚力矩，m
m
为重力引起的力矩，a
qv
为车体横向加速度，d为倾覆系数，t为脱轨系数。
[0024]
优选地，所述方法因子取值为1.2。
[0025]
优选地，2b
a
＝1.5。
[0026]
优选地，本发明根据列车启动载荷测量子系统、列车运行速度、里程测量子系统、车载风速测量子系统的实测数据结合车辆的基本参数得到所述环境参数。
[0027]
优选地，本发明所述列车启动载荷测量子系统、列车运行速度、里程测量子系统和车载风速测量子系统中至少部署有一测量整车环境参数的车载风速仪、车体表面压力传感器阵列、加速度传感器和gps。
[0028]
为达上述目的，本发明还公开一种大风环境下列车运行安全监测系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0029]
本发明具有以下有益效果：
[0030]
本发明针对大风环境下列车运行特征，公开一种多源信息融合的基于气动载荷的列车运行安全与车体动力学响应协同监测方法与系统，相比现有方法，本发明所构建的方
程组化繁为简，不但能够同时监测车体动力学影响参数与列车运行安全指标，且与现有的监测技术手段相比，该方法及系统具有结构简单、易于安装和普及的特点。
[0031]
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0032]
构成本技术的一部分的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。在附图中：
[0033]
图1是本发明实施例公开的大风环境下的列车运行安全监测方法及系统实施流程示意图。
[0034]
图2是本发明实施例实验得出的里程和列车运行速度动态示意图。
[0035]
图3是本发明实施例实验得出的车载风速动态示意图。
[0036]
图4是本发明实施例实验得出的气动载荷动态示意图。
[0037]
图5是本发明实施例实验得出的倾覆力矩动态示意图。
[0038]
图6是本发明实施例实验得出的安全指标动态示意图。
[0039]
图7是本发明实施例实验得出的车体横向加速度动态示意图。
[0040]
图8是本发明实施例实验得出的车体侧滚角动态示意图。
[0041]
图9是本发明实施例实验得出的车体重心横移动态示意图。
具体实施方式
[0042]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0043]
实施例1
[0044]
本实施例公开一种大风环境下列车运行安全监测方法，参照图1，包括：
[0045]
步骤s1、获取列车运行中的环境参数。
[0046]
在该步骤中，优选地，根据列车启动载荷测量子系统、列车运行速度、里程测量子系统、车载风速测量子系统的实测数据结合车辆的基本参数得到所述环境参数。相对应地，所述列车启动载荷测量子系统、列车运行速度、里程测量子系统和车载风速测量子系统中可相应部署有一测量整车环境参数的车载风速仪、车体表面压力传感器阵列、车体加速度传感器和gps。
[0047]
优选地，在该步骤中，还包括对环境参数进行预处理以实现异常数值过滤以确保数据处理精度和准确率。
[0048]
步骤s2、根据所述环境参数基于下述方程组求解车体振动监测结果和安全指标监测结果，所述车体振动监测结果至少包括大风下车体侧滚角、车体重心横移和横向加速度，所述安全指标监测结果至少包括倾覆系数和脱轨系数。
[0049]
在该步骤中，具体方程组包括：
[0050]
大风下车体侧滚角θ、车体重心横移y2、转向架构架横向位移y1等振动参数求解：
[0051]
[0052][0053][0054]
y
θ
＝(h2‑
z
cog2
)
·
θ
[0055]
y2＝y
2t
y
θ
[0056]
大风下车辆绕背风侧钢轨倾覆力矩、车辆重力、车体未平衡横向加速度、车体与转向架构架等引起的力矩求解包括：
[0057]
m＝m0 m1 m2[0058]
m
m
＝m
·
g
·
b
a
[0059]
m
la
＝m
·
a
qv
·
z
cog
[0060][0061]
m
cog
＝
‑
(m1·
y1 m2·
y2)
·
g
[0062]
m
xlee
＝m
xw
f
zw
·
(b
a
‑
y
2t
)
[0063]
大风下列车运行安全指标求解包括：
[0064][0065][0066]
上述公式中，m
xlee
为绕背风侧钢轨的倾覆力矩，m
cog
为车体重心位置偏移产生的力矩，m
la
为未平衡的车体横向加速度产生的力矩，f
m
为方法因子，m为车辆总质量，m1为一系簧上质量，m2为二系簧上质量，z
cog,0
为簧下质量质心距轨面高度，z
cog,1
为一系簧上质量质心距轨面高度，z
cog,2
为二系簧上质量质心距轨面高度，b
a
为半轨距，k
y1
为一系簧横向刚度，k
y2
为二系簧横向刚度，k
z2
为二系簧垂向刚度，k
arb
为抗侧滚扭杆刚度，b2为二系簧横向跨度，h2为二系簧距轨面高度，θ为车体侧滚角，y
θ
为车体侧滚引起的横移，y
2t
为横向力引起的车体横移，y2为车体重心位置横移，f
yw
为车体所受横向力，m
xw
为车体所受侧滚力矩，m
m
为重力引起的力矩，a
qv
为车体横向加速度，d为倾覆系数，t为脱轨系数。
[0067]
优选地，所述方法因子取值为1.2。
[0068]
优选地，2b
a
＝1.5。
[0069]
基于本实施例的上述步骤，所得的部分监测结果如图2至图9所示。
[0070]
实施例2
[0071]
与上述实施例相对应的，本实施例公开一种大风环境下列车运行安全监测系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0072]
综上，本发明实施例所公开的大风环境下列车运行安全监测方法及系统，至少具有以下有益效果：
[0073]
针对大风环境下列车运行特征，公开一种多源信息融合的基于气动载荷的列车运
行安全与车体动力学响应协同监测方法与系统，相比现有方法，本发明所构建的方程组化繁为简，不但能够同时监测车体动力学影响参数与列车运行安全指标，且与现有的监测技术手段相比，该方法及系统具有结构简单、易于安装和普及的特点。
[0074]
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。