用于估计铁路车辆负载指数的系统的制作方法

1.本发明涉及铁路车辆领域，特别地，本发明涉及一种用于估计铁路车辆负载指数的系统。


背景技术：

2.列车尺寸包括最小皮重aw0和最大满载质量aw3。通常，还定义了中间负载值，例如标称负载aw2。
3.显然，刚才解释的内容可能适用于乘客的装载和/或货物的装载。皮重m0、标称质量m2和满载质量m3的标称值通常是已限定且已知的在设计层面上和随后的直接重量测量的下游。
4.在皮重和满载之间的任何工作负载条件下，需要车辆质量的动态信息来控制车辆的制动。这均适用于行车制动和紧急制动，无论采用哪种制动驱动技术，例如通过垫盘式制动、蹄式制动、电动制动、磁力制动，例如mtb、涡流制动等。
5.为获得一种目标减速度而施加的制动力为：
6.制动力＝目标减速度*车辆质量
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(1)
7.由于皮重和满载质量值已知，测量车辆质量的问题转化为测量所述车辆的负载指数的问题：
8.车辆质量＝皮重 负载指数*(满载质量
–
皮重)
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(2)
9.如图1所示，铁路车辆(rv)通常配备有悬架：
[0010]-第一悬架s1：位于a轴和转向架b之间；
[0011]-第二悬架s2：位于转向架b和车身c之间。
[0012]
设置悬架的主要目的包括以下几点：
[0013]-减少轨道、车轴和车身之间的振动传递；
[0014]-提高铁路车辆内的乘客舒适度；
[0015]-减少车辆所承受的机械应力；
[0016]-使车身相对于站台调平；
[0017]-提高乘客上下车时的舒适度和安全性。
[0018]
第一悬架是机械式的，并使用弹簧构造。
[0019]
第二悬架通常是气动式的，但也可能是机械式的。
[0020]
对于气动悬架而言，它们是基于空气弹簧、空气波纹管和调平阀的。
[0021]
调平阀的功能是加载、卸载或保持气动悬架内部的压力，以确保铁路车辆的悬架部分即车身，处于一定高度(水平)。
[0022]
要保持的水平通常是将车身地板与站台对齐的水平。
[0023]
图2示例性地示出了一种气动悬架，该气动悬架可用作第二悬架s2。
[0024]
悬架内调平阀需要控制的压力取决于铁路车辆的悬挂质量。例如，如果悬挂负载增加，则将车身保持在一定高度所需的压力会增加。
[0025]
因此，气动的第二悬架，特别是其内部压力的测量，是对车辆负载百分比的间接测量。
[0026]
假设车辆由两个转向架和四个车轴组成，由于气动的第二悬架安装在转向架层面，因此可以确定单个转向架的负载百分比。如果在转向架层面管理制动力，即第一转向架(转向架1)的车轴和第二转向架(转向架2)的车轴的单独制动力，这将导致：
[0027]
转向架1的制动力＝目标减速度*转向架1的质量
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(3)
[0028]
转向架2的制动力＝目标减速度*转向架2的质量
ꢀꢀꢀ
(4)
[0029]
如果在车辆层面管理制动力，即对所有车辆车轴施加相同的制动力，则通过每个转向架的负载指数计算车辆的负载指数，取决于应用的方法，例如：
[0030]
负载指数＝(转向架1的负载指数 转向架2的负载指数)/2
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(5)
[0031]
或者，
[0032]
负载指数＝最大(转向架1的负载指数，转向架2的负载指数)
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(6)
[0033]
或者，
[0034]
负载指数＝最小(转向架1的负载指数，转向架2的负载指数)
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(7)
[0035]
一旦确定了车辆的负载指数，车辆的质量可通过应用上述公式(2)来确定，而制动力可通过应用上述公式(1)来确定。
[0036]
悬架的压力值和负载指数之间的关联性是在设计阶段中限定的，随后通过在已知负载条件下对车辆进行直接称重的经验校准来完善。这种校准是在某一车系的车辆(作为样本)上进行的。例如，在这种校准的下游，可以得到一个如图3所示类型的表格。
[0037]
一旦得到这个表格，就有可能构建特征函数f(p)，所述特征函数将悬架压力与负载指数联系起来，如图4所示。
[0038]
一旦通过悬架压力确定了负载指数，使用公式(2)就可以很容易地推算出车辆的质量。图5中示出了车辆质量随负载指数变化的趋势图。
[0039]
根据现有技术制造的系统具有以下缺陷：
[0040]
a)能源缺陷：气动悬架消耗压缩空气，而压缩空气由压缩机产生，压缩机重量大、能耗高、温度高且噪音大；
[0041]
b)振动，振动是列车运行动力学的典型特征，即使车辆负载恒定，振动也会导致调平阀调节悬架处的压力；出于舒适性的目的，此类调节是不必要的，并且会过度消耗空气，对能源缺陷产生进一步影响。
[0042]
为了克服缺陷b)，调平阀具有死区，即，如果车身高度(水平)的变化保持在某个容许范围内，则不会调节压力。所述解决方案减少了空气的过度消耗，但无法精确地保持车身相对于地面的高度，并且间接导致无法精确地通过悬架压力测量质量。
[0043]
通过悬架压力间接测量重量也存在技术上固有的不精确性。随着压力的变化，悬架的形状也会发生变化，因此接触面也会发生变化。悬架施加的提升力为：
[0044]
提升力＝接触面*压力
[0045]
由于接触面与压力有关，力-压力关系是非线性的。因此，图4的特征函数并非一条直线。为了确定这一特性，需要进行准确的经验校准；为了在图4的图中出现多个点，表1中所示的测量值应该有多个。通常，在现实中，假设图4的特性在p0-》p3和aw0-》aw3之间呈线性，会导致车辆质量测量的进一步不准确性。
[0046]
为了解决上述缺陷，并从车辆轻量化(拆除压缩机、管道等)的更广泛角度出发，设想了一种列车没有压缩空气的可能情况。一些制造商正在转向使用非气动第二悬架，例如，用被动机械悬架取代它们。在这种情况下，车辆质量的测量可能不再基于气动悬架压力的测量，因为它们不再存在。


技术实现要素：

[0047]
本发明提出了一种替代系统，用于确定铁路车辆的负载指数，从而确定铁路车辆的质量，所述系统基于至少一种图像获取装置，例如，放置在车辆内的至少一个照相机和/或摄像机和/或电视摄像机和/或存在传感器，具有适当的图像处理/人工智能/深度学习算法。
[0048]
本解决方案可用于在即使没有气动悬架的情况下测量车辆质量，或用作配备有气动悬架的列车中已知系统的替代方案。然而，与已知解决方案相比，本解决方案在能源、成本和准确性方面均具有优势。
[0049]
根据本发明的一个方面，上述及其他目的和优点是通过用于估计铁路车辆的负载指数的系统实现的，该系统具有权利要求1中定义的特征。本发明的优选实施例在从属权利要求中限定，其内容应理解为本说明书的组成部分。
附图说明
[0050]
本发明提供的用于估计铁路车辆负载指数的系统的一些优选实施例的功能和结构特征如下描述。参考附图，其中：
[0051]-图1示出了配备有悬架的已知铁路车辆的示例；
[0052]-图2示出了气动悬架的示例；
[0053]-图3是一个示例表，其中报告了与悬架压力相关的负载指数数据；
[0054]-图4示出了将悬架压力与负载指数相关联的特征函数；
[0055]-图5是示出了车辆质量随负载指数变化的趋势图；以及
[0056]-图6示出了本发明第一实施例中用于估计铁路车辆负载指数的系统。
具体实施方式
[0057]
在详细描述本发明的多个实施例之前，应当澄清，本发明的应用不限于以下描述中提出的或附图中说明的部件的结构细节和配置。本发明能够假设其他实施例，并且能够以不同的方式在实践中实施或构造。还应理解，措辞和术语具有描述性目的，不应被解释为限制性的。“包括”和“包含”及其变体的使用应理解为包括以下列出的元件及其等同物，以及附加元件及其等同物。
[0058]
首先参考图6，根据本发明的用于估计铁路车辆100负载指数的系统包括图像获取装置102，所述图像获取装置102用于获取铁路车辆车厢内部的预定区域的实时图像。此外，用于估计铁路车辆负载指数的系统还包括控制装置104，所述控制装置104用于根据图像获取装置102获取的图像来确定铁路车辆的负载指数。
[0059]
例如，图像获取装置102可以是至少一个照相机和/或摄像机和/或电视摄像机和/或存在传感器。显然，获取装置也可以不止一个，以提高用于估计铁路车辆负载指数的系统
的估计准确度。
[0060]
例如，控制装置104可以是控制单元、现场可编程门阵列(fpga)、可编程逻辑控制器(plc)、微处理器、处理器、控制器或控制单元等。
[0061]
显然，本说明书中涉及负载指数的说明可以类似地应用于负载百分比，并将所述负载指数乘以100。例如，0.8的负载指数将对应于80％的负载百分比。
[0062]
在一个实施例中，控制装置可用于将由图像获取装置102获取的图像与多个预定义的样本图像进行比较，然后将预设的铁路车辆负载指数分配给每个样本图像。
[0063]
根据所进行的比较，控制装置可以确定哪个样本图像与图像获取装置102获取的图像具有最大相似度。
[0064]
最后，一旦确定了与图像获取装置102获取的图像具有最大相似度的样本图像，控制装置104可用于确定铁路车辆的当前负载指数对应于分配给样本图像的预设负载指数，所述样本图像为与图像获取装置102获取的图像具有最大相似度。
[0065]
相似度可以确定为一个或多个预定评估参数的函数，例如但不限于色度评估参数、形状参数、亮度参数。
[0066]
总体思路可能是提取特征(即，前述尽可能准确地描述图像的评估参数)，将提取的特征以向量形式排列，然后比较这些向量。
[0067]
例如，可以使用cbir(content based image retrieval，基于内容的图像检索)技术、基于pca(principal component analysis，主成分分析)的技术、小波变换等技术。
[0068]
举一个实例，第一样本图像可以是在负载指数等于1的条件下获取的图像，第二样本图像可以是在负载指数等于0.5的条件下获取的图像，第三样本图像可以是在负载指数等于0的条件下获取的图像。因此，将负载指数1分配给第一样本图像，负载指数0.5分配给第二样本图像，负载指数0分配给第三样本图像。
[0069]
随后，图像装置102获取当前图像。将所述当前图像与三个样本图像进行比较。如果第一样本图像最像当前图像，则将获取的图像中的铁路车辆的负载指数确定为第一样本图像的负载指数，即1。如果第二样本图像最像当前图像，则将获取的图像中的铁路车辆的负载指数确定为第二样本图像的负载指数，即0.5。如果第三样本图像最像当前图像，则将获取的图像中的铁路车辆的负载指数确定为第三样本图像的负载指数，即0。
[0070]
控制装置104用于通过基于人工智能的图像识别软件来确定哪个样本图像与由图像获取装置102获取的图像具有最大相似度。
[0071]
在另一个实施例中，控制装置104用于计数由图像获取装置102获取的图像内的乘客数量。
[0072]
一旦已计数乘客数量，控制装置104可用于根据乘客平均重量预定值、计数的占用座位数量、满载质量值和皮重值，确定铁路车辆的当前负载指数。满载质量值表示在铁路车辆中存在最大可接受乘客数量的情况下铁路车辆的质量，皮重值表示在铁路车辆中没有乘客的情况下铁路车辆的质量。可通过下述公式确定铁路车辆的当前负载指数：
[0073][0074]
最大可接受乘客数量可理解为根据适当法规可容纳在铁路车辆内的人数。
[0075]
在一个实例中，如果计数的乘客数量为10，平均重量为70kg，满载质量为1000kg，皮重为100kg，则负载指数为：
[0076][0077]
在考虑用于货运而非客运的铁路车辆的另一个替代实施例中，控制装置104可用于计数由图像获取装置102获取的图像中的货物数量。
[0078]
一旦已计数货物数量，控制装置104可用于根据货物平均重量预定值、计数的货物数量、满载质量值、皮重值，确定铁路车辆的当前负载指数，满载质量值表示在铁路车辆中存在最大可接受货物数量的情况下铁路车辆的质量，皮重值表示在铁路车辆中没有货物的情况下铁路车辆的质量。可通过下述公式确定铁路车辆的当前负载指数：
[0079][0080]
最大可接受货物数量可理解为根据适当法规可容纳在铁路车辆内的货物数量。
[0081]
例如，货物可以理解为任何运输物品，例如在货箱内或任何包装内的物品。
[0082]
在又一个实施例中，控制装置104可用于计数由图像获取装置102获取的图像中的乘客数量。
[0083]
一旦已计数乘客数量，控制装置104可用于基于铁路车辆内预定的最大可接受乘客数量以及由图像获取装置102获取的图像中的乘客计数确定负载指数。通过下述公式可确定铁路车辆的负载指数：
[0084][0085]
最大可接受乘客数量可理解为根据适当法规可容纳在铁路车辆内的人数。
[0086]
在一个实例中，如果计数的乘客数量为10，最大可接受乘客数量为13：
[0087][0088]
在考虑用于货运而非客运的铁路车辆的另一个替代实施例中，控制装置104可用于计数由图像获取装置102获取的图像中的货物数量。
[0089]
一旦已计数货物数量，控制装置可用于基于铁路车辆内预定的最大可接受货物数量以及由图像获取装置102获取的图像中的货物计数来确定负载指数。可通过下述公式确定铁路车辆的当前负载指数：
[0090][0091]
最大可接受货物数量可理解为根据适当法规可容纳在铁路车辆内的货物数量。
[0092]
对于控制装置104必须计数所获取图像中乘客数量的实施例而言，控制装置可用于通过基于人工智能的图像识别软件计数图像获取装置102所获取图像中的乘客数量。
[0093]
对于控制装置104必须计数所获取图像中的货物数量的实施例而言，控制装置104可用于通过基于人工智能的图像识别软件计数由图像获取装置102所获取图像中的货物数
量。
[0094]
在另一个实施例中，所述控制装置104用于计数由图像获取装置102获取的图像中的占用座位数量。
[0095]
一旦已计数所获取图像中占用座位的数量，控制装置104可用于根据乘客平均重量预定值、计数的占用座位数量、满载质量值和皮重值，确定车辆的当前负载指数，满载质量值表示在铁路车辆中存在最大可接受乘客数量的情况下铁路车辆的质量，皮重值表示在铁路车辆中没有乘客的情况下铁路车辆的质量。可通过下述公式确定铁路车辆的当前负载指数：
[0096][0097]
在一个实例中，如果占用座位数量为10，平均乘客重量为70kg，满载质量为1000kg，皮重为100kg，则负载指数为：
[0098][0099]
在本实施例中，必须计数占用座位的数量，控制装置104可用于通过基于人工智能的图像识别软件计数由图像获取装置102获取的图像中的占用座位的数量。
[0100]
在替代实施例中，控制装置104可用于将图像获取装置102获取的图像与表示铁路车辆车厢内部没有乘客或货物的皮重负载图像进行比较。
[0101]
在完成比较之后，控制装置104可用于根据图像获取装置102获取的图像中乘客或货物占用面积相对于皮重负载图像的百分比，确定铁路车辆的当前负载指数。
[0102]
例如，如果结果表明，所获取图像中乘客占用的面积是皮重负载图像的80％，则当前负载指数可能为0.8。
[0103]
例如，如果结果表明，所获取图像中货物占用的面积是皮重负载图像的80％，则当前负载指数可能为0.8。
[0104]
以下方面适用于上述所有实施例，特别是，控制装置104还可用于根据当前确定的负载指数、满载质量值和皮重值，确定铁路车辆的质量值，满载质量值表示在铁路车辆中存在最大可接受乘客或货物数量的情况下铁路车辆的质量，皮重值表示在铁路车辆中没有乘客或货物的情况下铁路车辆的质量。
[0105]
可使用以下公式计算车辆质量：
[0106]
车辆质量＝空载质量 负载指数*(满载质量
–
空载质量)
[0107]
在一个实例中，如果空载质量为100kg，满载质量为1000kg，负载指数为0.78，则车辆质量为：
[0108]
车辆质量＝100 0.78*(1000
–
900)＝178
[0109]
因此，根据获取的图像估计的车辆质量为178kg。
[0110]
此外，控制装置104可用于根据铁路车辆质量和铁路车辆要达到的目标减速度值，计算铁路车辆的制动装置施加的制动力。
[0111]
可使用下述公式计算制动力：
[0112]
制动力＝车辆质量*目标减速度
[0113]
在一个实例中，如果车辆质量为178kg，目标减速度为10m/s2，则制动力为：
[0114][0115]
因此，所取得的优势在于，在能源、成本和准确度方面提供了一个有利的解决方案，所述解决方案可用于在即使没有气动悬架的情况下测量车辆质量，或作为配备有气动悬架的列车中已知系统的替代方案。
[0116]
本发明提供的用于估计铁路车辆负载指数的系统的各个方面和实施例已经描述了。应当理解，每个实施例可以与任何其他实施例相结合。此外，本发明不限于所描述的实施例，而是可以在所附权利要求限定的范围内变化。