用于估计铁路车辆质量的装置和方法

摘要

公开了一种用于估计铁路车辆质量的装置和方法，该方法包括：检查列车是否已经进入初始加速区间和直线区间；接收列车的速度、多个铁路车辆的各个加速度以及该多个铁路车辆的各个牵引力；动力学地模拟列车；以及估计该多个铁路车辆的质量和铁轨坡度。

权利要求

1.一种用于估计列车系统中多个铁路车辆的各个铁路车辆质量和铁轨坡度的装置，所述列车系统包括所述多个铁路车辆，该装置包括：建模单元，其配置成在列车处于初始加速区间和直线区间的情况下，基于所述列车的速度、所述多个铁路车辆的各个加速度和所述多个铁路车辆的各个牵引力来动力学地模拟列车；以及估计单元，其配置成使用由所述建模单元模拟的动力学建模来估计铁路坡度和所述多个铁路车辆的质量，以及其中建模单元以这样的方式来模拟：使得各个铁路车辆的加速度与所述多个铁路车辆的质量的乘积之和为一值，在该值中，使各个铁路车辆的牵引力减去各个铁路车辆的坡度阻力、各个铁路车辆的行驶阻力以及各个铁路车辆的弯道阻力。

2.如权利要求1所述的装置，进一步包括：

存储器，其配置成存储铁路坡度和所述多个铁路车辆的质量。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述建模单元将与行驶阻力相关的摩擦因子和空气阻力系数用作常数来模拟列车。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述建模单元考虑到各个铁路车辆具有相同的铁路坡度来模拟列车。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述建模单元以回归形式定义动力学建模。

6.如权利要求5所述的装置，其中所述估计单元使用递归最小二乘方从回归形式定义的模型中估计铁路坡度和所述多个铁路车辆的质量。

7.如权利要求1所述的装置，其中所述估计单元从回归形式定义的模型中估计干扰，并且使用补偿干扰的递归最小二乘方来估计铁路坡度和所述多个铁路车辆的质量。

8.一种用于估计列车系统中多个铁路车辆的各个铁路车辆质量和铁轨坡度的方法，所述列车系统包括所述多个铁路车辆，该方法包括：检查列车是否已经进入初始加速区间和直线区间；

接收列车的速度、所述多个铁路车辆的各个加速度以及所述多个铁路车辆的各个牵引力；

基于所述列车的速度、所述多个铁路车辆的各个加速度和所述多个铁路车辆的各个牵引力，以如下的方式来动力学地模拟列车：使得各个铁路车辆的加速度与所述多个铁路车辆的质量的乘积之和为一值，在该值中，使各个铁路车辆的牵引力减去各个铁路车辆的坡度阻力、各个铁路车辆的行驶阻力以及各个铁路车辆的弯道阻力；以及估计铁轨坡度和所述多个铁路车辆的质量。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括：

存储所估计的多个铁路车辆的质量和坡度。

10.如权利要8所述的方法，进一步包括：

以回归形式定义动力学建模。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述估计包括使用递归最小二乘方从回归形式中估计铁路坡度和多个铁路车辆的质量。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述估计包括从回归形式中估计干扰，并且使用补偿干扰的递归最小二乘方来估计所述铁路坡度和多个铁路车辆的质量。

说明书

用于估计铁路车辆质量的装置和方法

技术领域

[0001] 本公开涉及一种用于估计铁路车辆质量的装置和方法。

背景技术

[0002] 该部分提供了与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

[0003] 在列车系统中探索铁路车辆质量的现有技术之一中，公开号为2011-0124054的韩国专利特许公开提出了一种用于铁路车辆的载荷测量系统和方法，其中，通过检测基于车辆位置的铁轨坡度信息、铁路车辆的当前位置的铁轨曲线信息以及天气信息的铁轨当前状态来计算铁路车辆的整个质量。

[0004] 但是，常规的现有技术涉及对整个铁轨的质量进行测量的性能。换而言之，将整个铁路车辆认为是点质量以测量铁路车辆的整个质量。

[0005] 通常，列车由多个铁路车辆组成，每个铁路车辆被连接，使得各个铁路车辆中装载的乘客数不同，或者根据各个铁路车辆上装载的货物而使得各个铁路车辆的质量不同。

[0006] 进一步，在列车的刹车或推进期间控制列车以施加相同的加速度/减速度到各个铁路车辆的情况下，单独使用关于铁路车辆的整个质量的信息则难以控制列车。

[0007] 仍然进一步，上述现有技术是通过响应于铁路车辆的当前位置而从存储的数据库接收信息来计算整个铁路车辆的载荷。换而言之，上述现有技术遭遇的问题在于：为了计算列车的质量、关于速度的数据，需要众多数据库，因为需要铁路车辆的加速度和当前位置，并且还需要在相关位置处的关于铁路的坡度角和曲率的信息。

[0008] 上述现有技术通过与位置信息数据相关联来构造关于铁轨坡度的信息的数据库。由于通过在铁路车辆经过应答器之前接收测速仪的信息来计算位置，所以位置信息中会产生误差，从而因与位置信息和曲率信息相关联的铁轨坡度上的误差而不利地导致铁路车辆质量测量上误差的产生，所以当正运行铁路车辆经过应答器时校正其位置。

发明内容

[0009] 该部分提供了公开的概述，并且不是其全部范围或其所有特征的全面公开。

[0010] 本公开的示例性方案用于实质上解决至少以上问题和/或缺点以及用于提供至少以下优点。

[0011] 本公开致力于提供一种装置及其方法，该装置用于估计连接到多个铁路车辆的列车系统中的各个单独的铁路车辆质量。

[0012] 本公开还致力于提供一种用于估计铁路车辆质量的装置及其方法，该装置配置成通过使用可从当前铁路车辆获得的关于铁路车辆的速度和加速度信息来同时估计铁路坡度，并且由此在不依赖对铁路车辆的位置信息的数据库需求的情况下最小化铁路车辆质量估计的误差。

[0013] 本公开待解决的技术问题不限于上述描述，并且通过以下描述本领域技术人员将清楚地明了到目前为止未提及的任何其它技术问题。

[0014] 在本发明的一个总方案中，提供了一种用于估计列车系统中多个铁路车辆的各个铁路车辆质量和铁轨坡度的装置，所述列车系统包括所述多个铁路车辆，该装置包括：建模单元，其配置成动力学地模拟列车；以及估计单元，其配置成使用由所述建模单元模拟的动力学建模以及通过接收列车的速度、所述多个铁路车辆的各个加速度和所述多个铁路车辆的各个牵引力来估计铁路坡度和所述多个铁路车辆的质量。

[0015] 在本公开的示例性实施例中，该装置可以进一步包括存储器，其配置成存储铁路坡度和多个铁路车辆的质量。

[0016] 在本公开的示例性实施例中，建模单元可以以这样的方式来模拟：使得各个铁路车辆的加速度与所述多个铁路车辆的质量的乘积之和为一值，在该值中，使各个铁路车辆的牵引力减去各个铁路车辆的坡度阻力、各个铁路车辆的行驶阻力以及各个铁路车辆的弯道阻力。

[0017] 在本公开的示例性实施例中，所述建模单元可以以使得列车行驶在直线区间的方式来模拟列车。

[0018] 在本公开的示例性实施例中，所述建模单元可以将与行驶阻力相关的摩擦因子和空气阻力系数用作常数来模拟列车。

[0019] 在本公开的示例性实施例中，所述建模单元可以考虑到各个铁路车辆具有相同的铁路坡度来模拟列车。

[0020] 在本公开的示例性实施例中，所述建模单元可以以回归形式定义动力学建模。

[0021] 在本公开的示例性实施例中，所述估计单元可以使用递归最小二乘方从回归形式定义的模型中估计铁路坡度和所述多个铁路车辆的质量。

[0022] 在本公开的示例性实施例中，所述估计单元可以从回归形式定义的模型中估计干扰，并且可以使用补偿干扰的递归最小二乘方来估计所述铁路坡度和多个铁路车辆的质量。

[0023] 在本公开的另一个总方案中，提供了一种用于估计列车系统中多个铁路车辆的各个铁路车辆质量和铁轨坡度的方法，所述列车系统包括所述多个铁路车辆，该方法包括：检查列车是否已经进入初始加速区间和直线区间；接收列车的速度、该多个铁路车辆的各个加速度以及该多个铁路车辆的各个牵引力；动力学地模拟列车；以及估计铁轨坡度和该多个铁路车辆的质量。

[0024] 在本公开的示例性实施例中，该方法可以进一步包括存储所估计的多个铁路车辆的质量和坡度。

[0025] 在本公开的示例性实施例中，该方法可以进一步包括以回归形式定义动力学建模。

[0026] 在本公开的示例性实施例中，估计步骤可以包括使用递归最小二乘方从回归形式中估计铁路坡度和多个铁路车辆的质量。

[0027] 在本公开的示例性实施例中，估计步骤可以包括从回归形式中估计干扰，并且使用补偿干扰的递归最小二乘方来估计所述铁路坡度和多个铁路车辆的质量。

[0028] 本公开具有的有益效果在于：在不依赖所附着的用于测量铁路车辆的质量的物理传感器的情况下，能够估计行驶列车的各个单独的铁路车辆的质量，并且通过使用从安装到各个铁路车辆上的速度和加速度传感器以及牵引力设备发送的信息来估计铁路坡度和各个铁路车辆的质量，因此不需要数据库。

[0029] 本公开具有的另一有益效果在于：由于不使用与位置信息相关联的数据库，所以能够减小铁路车辆质量估计期间的误差，并且通过估计列车中各个铁路车辆的质量或乘客的质量（铁路车辆质量－皮重），能够估计各个铁路车辆上的乘客数，由此能够估计车站之间的乘客数，并且在考虑所估计的车站之间的乘客数的情况下，能够建立有效的列车运行系统。

附图说明

[0030] 在附图中，为了方便和清楚，可以放大或缩小组件的宽度、长度、厚度等。进一步，在整个说明书中，在图的解释中，将把相同的附图标记分配给相同的元件，并且将省略彼此重复的解释。现在，将参照附图详细描述根据本公开的音圈马达。

[0031] 通过考虑以下结合附图的具体描述，能够容易地理解本公开的教导，其中：

[0032] 图1是图示出根据本公开的示例性实施例的列车系统的示意性框图；

[0033] 图2是图示出根据本公开示例性实施例的用于估计铁路车辆质量的装置的示意性框图；

[0034] 图3是图示出由图2的建模单元模拟的由多个铁路车辆组成的列车的示例图；

[0035] 图4是图示出图2的估计单元的详细框图；以及

[0036] 图5是图示出根据本公开的用于估计铁路车辆质量的方法的流程图。

具体实施方式

[0037] 通过参考以下示例性实施例的具体描述和所附附图，可以更容易地理解本公开的优点和特征。为了简要和清楚，省略众所周知的功能、配置或构造的具体描述，以免以不必要的细节模糊本公开的描述。因而，本公开不限于将在以下描述的示例性实施例，而是可以以其它形式实现。相应地，所描述的方案意图包括落入本公开的范围和新颖构思内的所有这样的变更、修正和变化。

[0038] 说明书和权利要求书中使用的特定术语或词语的含义不应限于字面或普遍采用的意义，而应依照用户或操作者的意图以及习惯用法来解释或者可以依照其而不同。因此，特定术语或词语的定义应当基于整个说明书的内容。

[0039] 现在，将与附图一起具体解释本公开的示例性实施例。

[0040] 图1是图示出根据本公开的示例性实施例的列车系统的示意性框图。

[0041] 用于估计铁路车辆质量的装置10（此后称作“装置”）从速度计20、加速度计30和牵引力设备40接收速度、加速度和牵引力，并且使用所接收的速度、加速度和牵引力来估计车辆质量。

[0042] 具体来说，速度计20可以是例如安装在各个铁路车辆前部的速度传感器，并且可以测量各个铁路车辆的当前速度和发送当前速度至装置10。加速度计30可以是例如安装在各个铁路车辆处的加速度传感器，并且可以测量各个铁路车辆的当前加速度和发送当前加速度至装置10。此外，牵引力设备40可以测量施加到各个铁路车辆的牵引力并发送所测量的牵引力至装置10。

[0043] 在列车离站之后的加速行驶期间，装置10可以使用所输入的各个铁路车辆的速度、加速度和牵引力来估计各个铁路质量和铁路坡度。

[0044] 本公开估计连接多个铁路车辆的多铁路车辆列车系统中的各个铁路车辆质量和铁路坡度。当列车到站时，乘客在车站上车和下车，各个铁路车辆的重量发生变化。换而言之，在列车进站时和列车离站时之间产生各个铁路车辆的质量上的变化。因而，当列车离站并初始加速时本公开能够估计各个铁路车辆质量和铁路坡度。

[0045] 图2是图示出根据本公开的示例性实施例的用于估计铁路车辆质量的装置10的示意性框图。

[0046] 参见图2，装置10包括建模单元11、估计单元12和存储器13。

[0047] 建模单元11模拟多铁路车辆列车。图3是图示出由图2的建模单元11模拟的由多个铁路车辆组成的列车的示例性示图，其中，mn是第n个铁路车辆（50-n）的质量，an是第n个铁路车辆（50-n）的加速度，vn是第n个铁路车辆（50-n）的速度，Ft(n)是第n个铁路车辆（50-n）的牵引力，Fr(n)是第n个铁路车辆的行驶阻力，Fg(n)是第n个铁路车辆（50-n）的坡度阻力以及Fc(n)是第n个铁路车辆的弯道阻力。

[0048] 此外，kn-1是第n个铁路车辆（50-n）和第n-1个铁路车辆（50-（n-1））之间的车钩（51-(n-1)）的弹簧系数，cn-1是第n个铁路车辆（50-n）和第n-1个铁路车辆（50-(n-1)）之间的车钩（51-(n-1)）的阻尼系数。

[0049] 多铁路车辆列车的动力学模型等式为使得第一铁路车辆（50-1）可以由以下等式1来模拟、第i个铁路车辆（50-i）可以由以下等式2来模拟、而第n个（最后的）铁路车辆（50-n）可以由以下等式3来模拟。

[0050] 【等式1】

[0051] m1a1+c1(v1-v2)+k1(x1-x2)＝Ft(1)-Fr(1)-Fg(1)-Fc(1)

[0052] 【等式2】

[0053] miai+ci-1(v1-vi-1)+ci(vi-vi-1)+ki-1(xi-xi-1)+ki(xi-xi-1)＝Ft(i)-Fr(i)-Fg(i)-Fc(i)[0054] 【等式3】

[0055] mnan+cn-1(vn-vn-1)+kn-1(xn-xn-1)＝Ft(n)-Fr(n)-Fg(n)-Fc(n)

[0056] 参见图3，各个铁路车辆50通过车钩51连接，并且各个车钩（51-1～51-(n-1)）可以由无质量弹簧减震系统来模拟。

[0057] 此外，可以由以下等式4和5来模拟建模单元11的行驶阻力和坡度阻力。

[0058] 【等式4】

[0059]

[0060] 【等式5】

[0061] Fg(i)＝migsinθi

[0062] 其中 和 是与第i个铁路车辆处的摩擦因子相关的常数， 是与第i个铁路车辆处的空气阻力相关的常数，其可以通过试验获得。θi是第i个铁路车辆的各个位置处的铁路坡度。

[0063] 如果将等式1、等式2和等式3相加，可以通过消除与弹簧系数ki和阻尼系数ci相关的所有项而导出以下等式。

[0064] 【等式6】

[0065]

[0066]

[0067]

[0068]

[0069] 为了估计各个铁路车辆的质量和铁路坡度，根据本公开的装置10假定以下若干条件。

[0070] 第一，当列车离站后，在初始加速区间由估计单元12执行估计。通常，仅在到站前和从车站出发后产生列车质量的变化，使得在从车站出发后在初始加速区间估计铁路车辆质量是合理的。

[0071] 第二，当列车运行在直线区间时估计质量和铁路坡度。换而言之，仅仅在列车的横向加速度非常小的区间执行估计。在直线区间可以忽略列车的弯道阻力，以使得列车的动力学模型更加简单，由此，存在无需存储关于铁路曲率的数据库的优点。

[0072] 第三，通过试验确定与列车的行驶阻力相关的摩擦因子（ 和 ）和空气阻力系数（ ），其不能大幅度变化，因此假定其为常数。

[0073] 第四，假定各个铁路车辆正行驶在具有相同铁路坡度的铁路上。换而言之，假定各个铁路车辆正行驶在具有相同坡度的铁路上。铁路坡度在预定区间没有大的变化，使得这一假设是合理的。

[0074] 第五，假定各个铁路车辆的速度基本上相同。换而言之，将由安装在列车前部的速度计20测量的值假定为各个铁路车辆的速度。各个铁路车辆50通过车钩51连接，使得可以假定铁路车辆的各个速度为相同。

[0075] 基于以上假设，如果简化等式6并且结合等式4和5，我们能够得出以下等式7。

[0076] 【等式7】

[0077]

[0078]

[0079]

[0080]

[0081] 此外，考虑到建模单元11的以上假设中的第五个假设，各个铁路车辆的速度几乎相同，使得可以将等式7简化为由以下等式8表达。

[0082] 【等式8】

[0083]

[0084]

[0085]

[0086]

[0087] 其中，v是从安装于列车前部的速度计20接收的整个列车的速度，并且θ是列车所处位置的铁路坡度。

[0088] 建模单元11以回归（regression）形式将等式8定义为以下等式9，从而估计各个铁路车辆的铁路车辆质量和铁路坡度。

[0089] 【等式9】

[0090] Y＝ΦTΘ，

[0091] 其中，Y、Φ和Θ可以由以下等式10、11和12来定义。

[0092] 【等式10】

[0093]

[0094]

[0095] 【等式11】

[0096] ΦT:＝[a1a2…an-1ang]

[0097] 【等式12】

[0098]

[0099] 从牵引力设备40接收牵引力，从设置在各个铁路车辆上的加速度计30接收各个铁路车辆的加速度，并且从设置在列车前部的速度计20接收铁路车辆的速度，由此，在等式9中仅各个铁路车辆的铁路车辆质量和铁路坡度信息仍然未知。

[0100] 根据本公开的装置10中的估计单元12使用由建模单元11模拟的模型以估计各个铁路车辆的铁路车辆质量和铁路坡度，其可以参照以下附图来图示出。

[0101] 图4是图示出图2的估计单元的详细框图。

[0102] 参见图4，估计单元12包括参数估计单元61和干扰估计单元62。

[0103] 根据本公开的估计单元12可以增加干扰到等式9的铁路车辆模型以得出以下等式13，其用于提高估计的稳健性。

[0104] 【等式13】

[0105] Y＝ΦTΘ+η

[0106] 等式13中的干扰项η可以由系统上存在的干扰来定义，并且可以包括建模误差或传感器噪声。在本公开中为了防止估计性能下降，引入了干扰估计单元62用于对估计性能的可能下降进行补偿。此外，例如，参数估计单元61使用递归最小二乘方（Recursive Least Square）来估计参数。

[0107] 干扰估计单元62包括干扰观测器，该干扰观测器在系统中存在干扰的情况下，基于系统的动力学模型和系统的测量值来估计干扰并且使用来自其的估计值补偿干扰，干扰估计单元62在系统中存在建模误差或干扰的情况下用于通过由参数估计单元61执行的递归最小二乘方使干扰的影响最小化来提高参数估计中的稳健性。

[0108] 在由干扰估计单元62估计干扰的情况下，通过参数估计单元61的递归最小二乘方的参数估计包括Q滤波器并且可以被定义如下：

[0109] 【等式14】

[0110]

[0111] 【等式15】

[0112] P(t)＝P(t-1)-P(t-1)ΦT(t)(1+ΦT(t)P(t-1)Φ(t))-1ΦT(t)P(t-1)

[0113] 【等式16】

[0114]

[0115] 其中， 和 是由参数估计单元61估计的向量类型参数和由干扰估计单元-1 T
62估计的干扰。此外，P(t) ＝Φ (t)Φ(t)。仍此外，Q(z)是具有低通滤波器特性的Q滤波器，并且可以考虑干扰、采样时间等特性而进行设计。

[0116] 换而言之，由参数估计单元61估计的向量类型参数可以由以下等式17来表达。

[0117] 【等式17】

[0118]

[0119] 其中， 是各个铁路车辆的估计质量，并且 是所估计的铁路坡度。因而，可以通过以下等式18和19来计算各个铁路车辆的估计质量和估计铁路坡度。

[0120] 【等式18】

[0121]

[0122] 【等式19】

[0123]

[0124] 图2中的存储器13存储由估计单元12估计的各个铁路车辆的估计质量和估计铁路坡度。通过构造其数据库，存储器13可以存储当列车离开各个站时估计的各个铁路车辆的估计质量和估计铁路坡度，并且通过非限制性示例的方式，存储器13可以分别对各个铁路车辆的估计质量和估计铁路坡度进行区分和存储。

[0125] 在本公开中，通过使用列车的测量值来估计列车的纵向速度的动力学模型，该列车的测量值包括由安装在列车前部的速度计20测量的列车的纵向速度、由安装在各个铁路车辆处的加速度计30测量的各个铁路车辆的加速度以及由各个牵引力设备40测量的牵引力，并且通过使用干扰估计单元的递归最小二乘方来估计单个铁路车辆的各自铁路车辆质量和铁路坡度。

[0126] 尽管在本公开中将递归最小二乘方作为参数的估计方法用于干扰的估计和其补偿，但是本公开不限于此，并且对领域技术人员应当显而易见的是，可以在不估计干扰的情况下通过递归最小二乘方估计参数。进一步，对于本领域技术人员还显而易见的是，可以使用其它参数估计方法而不是限于递归最小二乘方。

[0127] 图5是图示出根据本公开的用于估计铁路车辆质量的方法的流程图。

[0128] 参见图5，当列车离站时（S41），铁路车辆被推进以增加纵向加速度量到直线方向。然后，在列车行驶在直线区间的情况下，铁路车辆的横向加速度几乎变为零，在列车在这一条件下行驶的情况下，此时执行根据本公开的铁路车辆质量的估计。

[0129] 换而言之，在列车处于初始加速区间和直线区间的情况下（S42），从速度计20、加速度计30和牵引力设备40接收列车的速度、各个铁路车辆的加速度以及各个铁路车辆的牵引力（S43、S44、S45）。S43至S45的时序不限于此，并且可以同时接收其信息的接收。

[0130] 此后，建模单元11使用等式8动力学地模拟列车，并且以回归形式定义作为等式9（S46）。通过参数估计单元61和干扰估计单元62分别估计参数和干扰（S47）以估计各个铁路车辆质量和铁路坡度（S48）。

[0131] 存储器13存储和构造由估计单元12估计的铁路车辆质量和铁路坡度的数据库（S49）。

[0132] 本公开提出了一种列车系统中使用动力学建模的估计方法和各个铁路车辆质量和铁路坡度的估计方法，该列车系统由多个铁路车辆连接，并且其效果如下：

[0133] 第一，为了在列车行驶的同时估计各个铁路车辆质量和铁路坡度，可以无需用于测量铁路车辆质量的物理传感器；

[0134] 第二，利用从安装在各个铁路车辆上的速度计、加速度计和牵引力设备发送的信息来估计各个铁路车辆质量和铁路坡度；

[0135] 第三，能够估计列车中各个铁路车辆的质量或乘客的质量（铁路车辆质量-皮重），以估计各个铁路车辆上的乘客数量。

[0136] 第四，能够将所估计的铁路车辆质量用于列车控制系统以分配牵引力和制动力。

[0137] 第五，无需位置信息或铁路信息来估计包括乘客数的各个铁路车辆，由此，不需要额外的数据库。

[0138] 第六，通过各个铁路车辆质量的估计能够估计各个车站的乘客数，并且考虑到这个，能够构造有效的列车运行系统。

[0139] 但是，根据本公开的上述能够具有通信安全的测量仪表及使用其的数据发送/接收系统可以具体化成众多不同形式并且不应将其解释为限制到这里给出的实施例。因而，旨在本公开的实施例可以覆盖该公开的修正和变化，只要它们来自所附权利要求书以及其等同方案的范围之内。虽然已经相对于若干实施例公开了特定的特征或方案，但是如可以期望的，这样的特征或方案可以选择性地与其它实施例的一个或更多个其它特征和/或方案相组合。