用于铁路车辆的行驶速度补偿装置及其方法
技术领域
[0001] 本公开涉及一种用于铁路车辆的行驶速度补偿装置及其方法，并且更具体地涉及用于在铁路车辆的
车轮和轨道之间产生滑动期间补偿铁路车辆的行驶速度的装置及其方法。
背景技术
[0002] 通常，铁路车辆的车轮和轨道全部由
钢材料制成，并且在铁路车辆的
制动期间由于在车轮和轨道之间的较小的粘附系数而易于产生滑动（或跳跃）现象。在制动
力大于在铁路车辆的车轮和轨道之间的粘附系数的情况下，在由于车轮的
锁止状态而使车轮不转动而是滑动的
位置处，产生滑动现象。因此，在产生滑动的情况下，铁路车辆的
制动距离被延长以致由于车轮和轨道之间的摩擦而磨损车轮。
[0003] 通常，通过将安装在铁路车辆的轮轴上的四个速度
传感器的值与安装在相邻的铁路车辆上的四个速度传感器的值相比较来检测车轮滑动。也就是说，在铁路车辆的轮轴转动时，通过使用由传感器检测的脉冲
信号来计算车轮的转动速度和铁路车辆的行驶速度，通过使用由
制动缸测量的气压数据来计算制动力，并且通过对制动气压的测量来测量滑动。
[0004] 然而，上述方法存在
缺陷，即：由于使用四个速度传感器，所以在四个铁路车辆的轮轴同时产生滑动的情况下，由于四个速度传感器检测的信号不存在差异而使滑动现象不能被检测到。
[0005] 通常，通过使用安装在轮轴上的转数计的计数来计算铁路车辆的速度。存在两种计算铁路车辆的速度的方法。也就是说，一种方法是使用安装在铁路车辆的轮轴上的转数计的信息，而另一种是通过对
加速度计测量到的加速度信息积分来获得铁路车辆的行驶速度。
[0006] 使用安装在铁路车辆的轮轴上的转数计的信息的方法被配置为使得在连接到铁路车辆的轮轴的车轮转动时，转数计对车轮的转数进行统计，从统计出的信息获得
角速度，并且通过将角速度与车轮半径相乘来计算铁路车辆的速度。
[0007] 然而，出现的问题在于：因为车轮由于车轮的锁止状态而滑动，所以在车轮上有滑动产生的情况下，不能够使用车轮的角速度来计算铁路车辆的速度。也就是说，在产生滑动的情况下，车轮不转动以致造成计算出铁路车辆的行驶速度为零（0），进而，这样会使在铁路车辆的速度的计算中产生大误差。
[0008] 通过对加速度计测量出的加速度信息积分来获得铁路车辆的行驶速度的方法的缺陷在于：在铁路车辆的速度的计算期间，在测量期间来自传感器的噪声也被积分，导致准确性变差。
发明内容
[0009] 本公开的示例性方案是为了至少基本上解决上面的问题和/或缺陷并且是为了至少提供下面提到的优势。因此，本公开针对的是提供一种用于铁路车辆的行驶速度补偿装置以及一种使用该装置的用于铁路车辆的行驶速度补偿方法，所述行驶速度补偿装置被配置为通过检测铁路车辆的车轮上有滑动产生并且通过补偿在滑动中产生的铁路车辆的行驶速度来计算铁路车辆的准确的行驶速度。
[0010] 本公开还针对的是提供一种用于铁路车辆的行驶速度补偿装置以及一种使用该装置的用于铁路车辆的行驶速度补偿方法，所述行驶速度补偿装置被配置为使用铁路车辆的补偿后的行驶速度来计算铁路车辆的行驶距离。
[0011] 本公开要解决的技术问题不限于上述描述，并且本领域的技术人员将从下面的描述中清楚地理解到目前为止未被提到的任何其他技术问题。
[0012] 在本发明的一个总的方案中，提供了一种用于铁路车辆的行驶速度补偿装置，所述装置包括：速度测量单元，其测量铁路车辆的行驶速度；速度估算单元，其使用从至少一个传感器接收到的铁路车辆的行驶信息和轨道信息来估算行驶速度；检测单元，其通过使用速度测量单元测量出的铁路车辆的行驶速度和所述速度估算单元估算出的行驶速度来判定铁路车辆的车轮是否滑动来生成车轮滑动信息；以及选择单元，其使用检测单元生成的车轮滑动信息来选择速度测量单元测量出的行驶速度和速度估算单元估算出的行驶速度中的任一个作为行驶速度。
[0013] 优选地，而非必须地，速度估算单元可以包括：模型生成单元，其使用行驶信息和轨道信息来生成铁路车辆的动态模型；以及非线性观测单元，其使用生成的动态模型来非线性地观测铁路车辆的行驶速度。
[0014] 优选地，而非必须地，铁路车辆的行驶信息可以包括下列信息中的至少一个：铁路车辆的加速度信息和制动力信息。
[0015] 优选地，而非必须地，轨道信息可以包括下列信息中的至少一个：轨道坡度信息和轨道曲度信息。
[0016] 优选地，而非必须地，速度测量单元可以使用从转数计接收到的脉冲来测量车轮的转数，使用测量出的转数来获得车轮的角速度，以及通过将角速度与铁路车辆的车轮半径相乘来测量铁路车辆的行驶速度。
[0017] 优选地，而非必须地，通过下列等式可以获得由模型生成单元生成的铁路车辆的动态模型：
[0018]
[0019] 其中，m是火车等效
质量，v是火车纵向速度，Tb是制动力，Rr是运行阻力，Rg是坡度阻力，Rc是转弯阻力，以及w是过程噪声。
[0020] 优选地，而非必须地，检测单元可以使用测量出的速度和估算出的速度来计算滑动率，并且在滑动率偏离预定范围的情况下判定车轮滑动。
[0021] 优选地，而非必须地，可以使用下列等式来计算滑动率：
[0022]
[0023] 优选地，而非必须地，所述装置可以进一步包括距离计算单元，其使用由选择单元选择出的行驶速度来测量铁路车辆的行驶距离。
[0024] 在本发明的另一个总的方案中，提供了一种用于铁路车辆的行驶速度补偿方法，所述方法包括：测量铁路车辆的行驶速度；使用从至少一个或多个传感器接收到的铁路车辆的行驶信息和轨道信息来估算行驶速度；通过使用铁路车辆的测量出的行驶速度和估算出的行驶速度来判定铁路车辆的车轮是否滑动来生成车轮滑动信息；以及使用生成的车轮滑动信息来选择测量出的行驶速度和估算出的行驶速度中的任一个来作为行驶速度。
[0025] 优选地，而非必须地，估算行驶速度的步骤可以包括：使用行驶信息和轨道信息来生成铁路车辆的动态模型；以及使用生成的动态模型来非线性地观测铁路车辆的行驶速度。
[0026] 优选地，而非必须地，铁路车辆的行驶信息可以包括铁路车辆的加速度信息和制动力信息中的至少一个。
[0027] 优选地，而非必须地，轨道信息可以包括轨道坡度信息和轨道曲度信息中的至少一个。
[0028] 优选地，而非必须地，测量铁路车辆的行驶速度的步骤可以包括：使用从转数计接收到的脉冲来测量车轮的转数；使用测量出的转数来获得车轮的角速度；以及通过将角速度与铁路车辆的车轮半径相乘来测量铁路车辆的行驶速度。
[0029] 优选地，而非必须地，可以通过下列等式获得铁路车辆的动态模型：
[0030]
[0031] 其中，m是火车等效质量，v是火车纵向速度，Tb是制动力，Rr是运行阻力，Rg是坡度阻力，Rc是转弯阻力，以及w是过程噪声。
[0032] 优选地，而非必须地，在生成车轮滑动信息的步骤中通过使用测量出的速度和估算出的速度计算滑动率并且通过在滑动率偏离预定范围的情况下判定车轮滑动来判定铁路车辆的车轮是否滑动。
[0033] 优选地，而非必须地，可以使用下列等式来计算滑动率：
[0034]
[0035] 优选地，而非必须地，所述方法可以进一步包括使用从行驶速度的选择步骤中选择的行驶速度来测量铁路车辆的行驶距离。
[0036] 在有益效果中，在向铁路车辆施加制动力的同时，根据本公开的示例性
实施例的用于铁路车辆的行驶速度补偿装置及其方法能够检测车轮滑动，并且检测出的信号被传输至铁路车辆的制动设备以便为铁路车辆提供充分的制动。
[0037] 在另一个有益效果中，在车轮上有滑动产生的情况下，将基于车轮的转数测量出的铁路车辆的行驶速度与基于加速度估算出的行驶速度进行比较，由此在车轮滑动期间能够向铁路车辆的控制设备提供足够的行驶速度。
[0038] 在另一个有益效果中，即使在车轮滑动期间也能够补偿速度从而能够进行铁路车辆的位置的准确计算。
[0039] 在进一步的有益效果中，能够基于铁路车辆的动态模型非线性地观测铁路车辆的行驶速度从而在基于加速度传感器的速度计算期间去除外部噪声，并且提高铁路车辆的估算速度的准确性。
附图说明
[0040] 通过结合附图考虑下面的详细描述能够容易地理解本公开的教导，其中：
[0041] 图1是示出根据本公开的用于铁路车辆的行驶速度补偿装置的
框图；
[0042] 图2是示出图1的速度估算单元的详细框图；
[0043] 图3是示出根据本公开的示例性实施例的图2的非线性观测单元的非线性观测的详细框图；以及
[0044] 图4是示出根据本公开的用于铁路车辆的行驶速度补偿方法的
流程图。
具体实施方式
[0045] 将在下文中参照附图更全面地描述各种示例性实施例，在附图中示出了一些示例性实施例。然而，可以以许多不同的形式实施本发明构思，并且本发明构思不应该被理解为被限制于本文提出的示例性实施例。更确切地，所描述的方案试图包括落入本公开的范围和新观念中的所有这样的变更、
修改和改变。
[0046] 将理解的是，尽管词语第一、第二、第三等可以在本文中被用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受这些词语限制。这些词语仅仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一个区域、层或部分区别开。因此，在不背离本发明构思的教导的情况下，在下文中论述的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称作第二元件、部件、区域、层或部分。
[0047] 将理解的是，在元件或层被称为在另一个元件或层“上”、“连接”或“联接”到另一个元件或层时，它能够直接在所述另一个元件或层上、连接或联接到所述另一个元件或层，或者可存在中间元件或层。相反，在元件称为“直接地在”另一个元件或层上、“直
接地连接”或“直接地联接”到另一个元件或层时，不存中间元件或层。在全文中相同的附图标记指代相同的元件。
[0048] 除非另外定义，在本文中使用的全部术语（包括技术术语和科学术语）的含义与本发明构思所属的技术领域的普通技术人员之一通常理解的含义相同。将进一步理解的是，术语（如通用词典中定义的那些术语）应当被理解为具有的含义是与
现有技术的上下文中它们的含义相一致的并且将不在理想化的或过于正式的场合下进行理解，除非在本文中明确地如此定义。
[0049] 如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一个”、“一”和“所述”旨在也包括复数形式。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”在本
说明书中使用时说明
指定的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合的存在或增加。
[0050] 除非另外定义，否则术语“铁路车辆”和“火车”可互换地使用。此外，为了方便，“铁路车辆（火车）的行驶速度”和“火车速度”可互换地使用。
[0051] 现在，将与附图一起详细地说明本公开的示例性实施例，其中在本文中相同的附图标记涉及相同的元件。
[0052] 本公开涉及被配置为通过非线性地观测铁路车辆的动态模型和铁路车辆的行驶速度来检测车轮滑动并且被配置为在车轮滑动产生时补偿行驶速度的装置。
[0053] 图1是示出根据本公开的用于铁路车辆的行驶速度补偿装置的框图。
[0054] 参照图1，根据本公开的用于铁路车辆的行驶速度补偿装置50包括速度测量单元10、速度估算单元20、检测单元30、选择单元40以及距离计算单元60。
[0055] 速度测量单元10通过从转数计11接收脉冲输入基于脉冲来计算火车速度（铁路车辆的行驶速度）。也就是说，火车速度可使用脉冲的数量和车轮半径通过下列等式1进行计算。
[0056] 等式1
[0057] 测量的速度＝rw×ω
[0058]
[0059] 其中，rw是车轮半径，‘ω’是角速度（rad/sec）。
[0060] 速度估算单元20通过非线性地观测火车速度来估算火车速度。
[0061] 首先，速度估算单元20接收来自安装在铁路车辆上的加速度计23的加速度信息、由安装在铁路车辆上的制动设备24提供的制动信息、由安装在铁路车辆上的
数据库25提供的轨道坡度数据和轨道曲度数据，将参照图2描述其细节。
[0062] 图2是展示出图1的速度估算单元的详细的框图。
[0063] 参照图2，速度估算单元20包括模型生成单元21和非线性观测单元22。模型生成单元21基于铁路车辆的纵向模型生成动态模型。非线性观测单元22使用模型生成单元21生成的铁路车辆的动态模型和由传感器输入的测量值通过非线性地观测火车速度来估算火车速度，将在后文描述其细节。
[0064] 模型生成单元21可基于
牛顿第二定律使用下列等式2来生成铁路车辆的动态模型。
[0065] 等式2
[0066]
[0067] 其中，“m”是火车等效质量，“v”是火车纵向速度，“Tb”是制动力，“Rr”是由
滚动阻力和
气动阻力的和形成的运行阻力。“Rg”是坡度阻力，“Rc”是转弯阻力。此外，“w”是由建模误差或干扰所限定的过程噪声。
[0068] 虽然火车基本上通过连接多个铁路车辆而形成，但是火车等效质量“m”是由火车总质量是火车等效质量这种假设来限定的，并且形成火车的多个铁路车辆是集中质量。制动力“Tb”是从制动设备接收到的。
[0069] 运行阻力“Rr”是通过滚动阻力和
气动阻力的和来表示的，并且可以以关于速度的二次等式来进行建模，如下列等式3所限定。
[0070] 等式3
[0071] Rr＝c1+c2v+c3v2
[0072] 其中，c1、c2和c3是常数，速度的二次项涉及气动阻力的表达式，并且速度的一次项和常数项涉及滚动阻力的表达式。坡度阻力是关于火车等效质量和坡度阻力的表达式，坡度阻力可通过下列等式4进行计算。
[0073] 等式4
[0074] Rg＝mgθ
[0075] 其中，“m”是火车等效质量，“g”是
重力加速度，并且“θ”是坡度角（倾斜角）。也就是说，在不存在坡度的情况下，坡度阻力可被忽略。轨道的坡度角依赖于火车的行驶距离。此外，转弯阻力是轨道曲度的半径的函数，并且可通过下列等式5进行计算。
[0076] 等式5
[0077] Rc＝c4/r
[0078] 其中，“c4”是常数，并且曲度半径“r”可根据火车的行驶距离而具有的不同值，并且依赖于火车的行驶距离。如果等式3、4和5代入等式2，可通过下列等式6表示等式2。
[0079] 等式6
[0080]
[0081] 可通过下列等式7将加速度计23的传感器测量的加速度建模。
[0082] 等式7
[0083]
[0084] 其中，“y”是加速度计23的测量值，并且“d”是感应噪声。如果加速度是由传感器测量的，则可能包括感应噪声，并且如果速度是通过对包含感应噪声的加速度信息进行积分而获得的，则由于感应噪声的原因可能使铁路车辆的行驶速度的准确性变差。如果动态模型是离散的，则它可由下列等式8来表示。
[0085] 等式8
[0086]
[0088] 图3是示出根据本公开的示例性实施例的图2的非线性观测单元的非线性观测的详细框图。
[0089] 参照图3，非线性观测单元22基于模型生成单元21生成的动态模型来非线性地观测火车速度。非线性观测单元22使用模型生成单元21生成的铁路车辆的动态模型通过非线性地观测火车速度来估算火车速度。
[0090] 可利用多种方法估算在非线性系统中变化的状态，并且在本公开中使用可简单设计的“广义卡尔曼
滤波器”来估算火车速度。但是，应当显而易见的是广义卡尔曼滤波器是示例性的，本公开不限于广义卡尔曼滤波器，并且其他观测方法可用于估算铁路车辆的行驶速度。
[0091] 再次参照图3，使用广义卡尔曼滤波器估算火车速度的方法是按照下列等式9进行的。
[0092] 等式9
[0093]
[0094]
[0095] 等式9是估算k阶（当前阶）的火车速度的等式，可按照下文计算火车速度：
[0096] A）可通过使用k-1阶（先前阶）制动力（Tb(k-1)）、轨道数据（θ(k-1),r(k-1)）和k-1阶估算速度 来预测k阶（当前阶）的火车速度
[0097] 等式10
[0098]
[0099] 等式10是按以下方式获得k阶的预测加速度的等式。
[0100] B）使用k阶的预测火车速度 k阶的制动力（Tb(k)）、以及铁路数据（θ(k),r(k)）来获得k阶的预测加速度
[0101] C）通过使用k阶的预测值（加速度： 与k 阶 的由物理传感器测量的测量值（加速度：y(k)）之间的差来获得测量变量估算误差（测量变量估算误差是测量值与预测值之间的差）。
[0102] 等式11
[0103] P(k|k-1)＝F(k-1)P(k-1|k-1)F(k-1)T+Q(k-1)
[0104] 等式11是预测k阶的估算误差协方差的等式，其是通过以下方法计算的。
[0105] D）通过使用k-1阶的误差协方差（P(k-1|k-1)）、k-1阶的过程噪声协方差（Q(k-1)）、过程雅可比矩阵（F(k-1)）和过程噪声误差协方差（Q(k-1)）来预测k阶的估算误差协方差。
[0106] 等式12
[0107] L(k)＝P(k|k-1)H(k)T(H(k)P(k|k-1)H(k)T+R(k))-1
[0108] 等式12是获得k阶卡尔曼滤波器增益的等式，其通过以下方法进行计算。
[0109] E）通过使用k阶的估算误差协方差（P(k|k-1)）、k阶的测量噪声协方差（R(k)）和k阶的测量变量雅可比矩阵（H(k)）来获得k阶的卡尔曼滤波器增益（L(k)）。
[0110] 等式13
[0111] P(k|k)＝(I-L(k)H(k))P(k|-1)
[0112] 等式13是补偿k阶的估算误差协方差的等式，其通过以下方式计算。
[0113] F）通过使用k阶的估算误差协方差（P(k|k-1)）、k阶的卡尔曼滤波器增益（L(k)）以及关于状态变量、单位矩阵（I）和测量变量（y(k)）的雅可比矩阵（H(k)）来补偿k阶的估算误差协方差（P(k|k)）。测量值y(k)是由安装在火车上的加速度计23获得的加速度感应值。
[0114] 等式14
[0115]
[0116] 等式14是补偿k阶的火车速度的等式，其通过以下方式计算。
[0117] G）通过使用k阶的测量变量估算误差 k阶的卡尔曼滤波器增益（L(k)以及k阶的估算火车速度 来补偿k阶的火车速度
[0118] 也就是说，使用包括先前阶的制动力、曲度和倾斜度的铁路数据来预测当前阶的速度，并且通过使用具有测量变量的估算误差基于由加速度传感器获得的测量值和预测出的速度值来补偿预测出的火车速度。此时，通过将估算误差与卡尔曼滤波器增益相乘的值增加至预测出的值来获得补偿。
[0119] 可以基于加速度使用通过等式9至等式14的按次序的计算所扩展的卡尔曼滤波器来估算铁路车辆的行驶速度。
[0120] 此外，重复上述过程以估算下一步骤的速度。也就是说，通过重复从k-1至当前步骤的步骤来估算当前速度。
[0121] 因此估算出的铁路车辆的行驶速度可以是抗感应噪声或干扰的健壮的值。总之，通过非线性地观测铁路车辆的行驶速度来估算的估算速度变成
[0122] 同时，检测单元30可以基于通过使用转数计11来测量的火车速度与通过广义卡尔曼滤波器设计来获得的估算出的火车速度之间的差来判定火车已经滑动，由此可以输出车轮滑动信息。
[0123] 为了判定车轮滑动，使用测量出的速度和估算出的速度来计算车轮的滑动率，并且如果滑动率超出了预设值，则火车被判定为已经滑动。可以通过下列等式15来获得滑动率。
[0124] 等式15
[0125]
[0126] 其中，“s”是车轮的滑动率，并且如果滑动率是1，则意味着车轮滑动或
滑行以向前前进而不转动，并且如果滑动率是零（0），则意味着车轮转动而未滑动。车轮是否滑动是基于根据等式15计算的滑动率来判定的，并且如果设置值是0.2～0.3或更多，则车轮通常被判定为滑动。然而，必须响应于每个铁路车辆的状态来随后确定设置值。
[0127] 现在，将参照图4逐步地描述对应于根据本公开的用于铁路车辆的行驶速度补偿装置的根据本公开的用于铁路车辆的行驶速度补偿方法。
[0128] 图4是示出根据本公开的用于铁路车辆的行驶速度补偿方法的流程图，其中可以通过以下两种方法来补偿行驶速度。
[0129] 参照图4，第一方法是使用车轮半径信息和从转数计11接收到的脉冲信息来测量基于脉冲的行驶速度（S1～S2）。
[0130] 第二方法是使用包括由加速度计23测量的加速度值、由制动设备24提供的制动力、由数据库25提供的轨道坡度数据以及铁路曲度数据的铁路数据来生成火车动态模型（S3～S6）。
[0131] 此后，为了基于火车动态模型估算行驶速度，非线性地观测行驶速度（S7），并且使用加速度信息和制动力信息来估算基于行驶速度的加速度（S8）。
[0132] 连续地，在制动期间将估算出的速度与测量出的速度相比较以计算滑动率（S9），并且基于计算出的车轮滑动率作出滑动是否已经发生的判定（S10）。
[0133] 在步骤S10处，如果根据计算出的车轮滑动率得出滑动已经发生，则使用由非线性观测估算出的速度信息来选择基于加速度的行驶速度（S12），并且通过输出铁路车辆的行驶速度来对行驶速度进行补偿（S13）。
[0134] 然而，如果根据计算出的车轮滑动率在步骤S10处得出未发生滑动，则选择基于脉冲的行驶速度（S11）并且通过输出行驶速度来对行驶速度进行补偿（S13）。
[0135] 此外，距离计算单元60可以通过将补偿后的行驶速度带入下列等式16来计算行驶距离（x(t)）（S14）。
[0136] 等式16
[0137]
[0138] 其中，x(0)是铁路车辆的初始位置。
[0139] 然而，上述根据本公开的示例性实施例的用于铁路车辆的行驶速度补偿装置和方法可以以许多不同的形式实施并且不应当被理解为限制于在本文中提出的示例性实施例。因此，旨在，本公开的实施例可
覆盖本公开的修改和改变，只要它们出现在附随
权利要求书和它们的等同方案的范围内。虽然已经关于多个实施例公开了本发明的特定的特征或方案，但是这些特征或方案可以按照期望与一个或多个其他特征和/或其他实施例的一个或多个方面进行选择性地结合。
