专利名称：用于倾斜列车的舒适监视方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及列车中使用的倾斜系统里的监视部件，用以控制纵向滚动运动机构以便增加旅客的舒适感。具体地说，在已知速度、横向加速度和来自倾斜系统的倾斜角命令的条件下，本发明实施列车倾斜系统的舒适操作。
背景技术：
需要重新考虑现有的列车基础设施旅行时间必须缩短以和飞机竞争，已有的铁路线必须和货运列车共享，而且陆地限制或者预算限制常常阻止建造专用高速铁路。唯一的解决办法是倾斜技术。1996年11月出版的“Popular Mechanics”杂志中的题目为“美国快车”一文里讨论了需要倾斜控制系统作为一种改善旅客乘车舒适度的解决办法。高速倾斜列车需要精细调整的机构以确保旅客的舒适。
“倾斜系统”是控制火车车厢的纵向滚动运动机构的电部件、电子部件和液压部件的组合。在旅客列车中它用于改善弯道上因离心加速度而受到影响的旅客舒适程度。对于旅客列车的最大行驶速度，离心加速度是一个重要的限制因素。
弯道上允许的最大速度由三个因素决定车厢的最大倾斜角(通常在5°和9°之间)，最大稳态残余横向加速度以及非倾斜的牵引机车施加给道轨的力，该力几乎比旅客车厢重二倍。在给定速度下对于倾斜车厢和不倾斜车厢动态轮/铁轨力几乎相同。所有的力随速度的平方变化。
铁路弯通常设计成通过迫使车厢体沿其滚动轴倾斜面的轨道超高(super-elevation)(或超高角)来补偿部分离心加速度。在适当取向下，该倾斜角建立一个减小旅客在弯道上感觉到的离心力的重力分向量。最大超高角典型地为6°。在常规铁轨上，货运列车的重力是限制最大超高的一个原因。当所述轨道上能允许的最重车辆在弯道上停住不动时，存在内轨道能允许的最大力。
考虑到这种设计准则，可以表明，目前北美和欧洲的大多数旅客铁路路线的弯道超高量不足，从而不能在不牺牲旅客舒适度的情况下运行高速列车。由于改造常规铁轨的成本太高，并且由于速度和旅客舒适度是旅客列车生存的关键，所以解决办法存在于倾斜系统。
装备着主动滚动机构，亦称为“倾斜系统”的旅客车厢，通过对车厢厢体给出适当量的滚动来补偿弯道超高的不足可以克服该超高不足问题。从而改善旅客的舒适并使大多数现有铁路路线上高速运行成为可能。
通过弯道期间倾斜铁路旅客车厢的厢体可能在弯道上不超过旅客感觉的最大允许静态横向加速度的情况下下提高列车组在弯道上的速度。典型地，离心力造成的横向加速度应小于1米/秒2(即，低于0.1g)。这种倾斜特性在不要求改造轨道的情况下减小总的旅行时间。另外，有效的倾斜系统通过使瞬态加速度为最小而大大改善了进入弯道和离开弯道期间旅客乘坐的舒适度。
通常，倾斜机构只消除70％的离心力。1993年3月的PopularMechanics杂志中的“美国的高速旅客列车”一文中这样描述倾斜系统对旅客的效果“站着时，随着窗外的景色向上倾斜，乘客注意到地板轻轻地推着左脚”。不能百分之百地补偿离心加速度的原因在于，来自乘客眼睛的神经信号和来自其内耳的神经信号不协调，内耳完全感觉不到变化，并且会造成运动不适。
在列车启动前，机车司机驱动倾斜系统。驾驶室内的指示器向司机报告倾斜系统的状态。当驱动该系统时，机车司机可以在更大速度下操作列车。如果撤消倾斜系统，则出于旅客舒适的目的，列车司机必须在所有的弯道上回到常规速度。高速弯道上倾斜速度和常规速度之间的差异典型地为35公里/小时。
当旅客在这种倾斜列车上旅行时，必须在任何时间保证他们的舒适度。不能正确补偿横向加速度的后果是立即发生的。错误计算正确的补偿或者错误驱动会使旅客感觉加大的运动不适，并且可能失去平衡。倾斜角命令的产生必须应付最坏的情况，另外，必须设置取消倾斜命令的装置。
通过控制用于倾斜车厢的液压机构的伺服阀来实现车厢的倾斜。倾斜控制系统响应低通滤波式惯性检测系统的输出。在弯道，超高不足是稳定的，并且旅客感受到由倾斜系统改善的超高。但是由低通滤波引入的延迟会使旅客在进入弯道和离开弯道时二次感觉不舒适。在这些位置上，旅客感觉到的向外加速度和倾斜系统的加速度相混合，即，弯道产生的向外加速度和用来补偿倾斜的滚动运动所产生的向外加速度相加。因而控制系统的反应时间以及精度是关键的。对于该控制系统重要的是注意到误操作并且快速恰当地作出反应。
如果不能严密地监视倾斜系统，就会出现各种程度不同的不舒适情况，包括旅客失去平衡和饮料溅出。
当列车在直线铁轨段上倾斜时，也会发生类似的不舒适情况。
发明目的本发明的目的是提供一种动态地调整用于检测不正常工作的阈值(或容限)的方法。会自动地产生作为输入信号的极性和绝对值的函数的用以形成报警信号的决策。
依据本发明的另一个目的，由于快速完成倾斜系统异常操作的检测，所以旅客的舒适度得到提高。最后，本发明的又一个目的是提供一种用于动态地调整阈值以测定倾斜系统性能的方法和系统。
发明内容
本发明涉及一种满足早期检测出因故障造成的有缺陷的倾斜控制系统行为的要求的方法。它提供快速、可靠关闭不正常工作的倾斜控制系统的能力。
当检测出下述情形之一时，可以确定倾斜系统某一部分中会导致旅客不适的故障1)在要求倾斜的弯道上存在相反的倾斜命令，即，列车向错误一侧倾斜；2)在直线(直道)铁轨段上存在倾斜命令，即，列车在直道上行驶但发生倾斜；以及3)弯道上的倾斜命令取向是正确的，但是对于满足舒适准则是不足的，即，超高角太小从而列车倾斜不足。
情形1或2的出现标志倾斜系统的重大故障，这会严重影响旅客的舒适度。因而，必须按照严格的要求检测这些状况。
另一方面，因为出于旅客舒适度的考虑希望在弯道上残余一定量的横向加速度，所以情形3的出现例如可能是因错误的控制参数调整，诸如超高不足补偿率造成的。在该情况下，可接受的残余加速度标准和情形1和2中不同。弯道上的超速情况也会导致情形3，因为对所能达到的最大倾斜角存在着限制。
为了检测旅客舒适度可能受到影响的情况，可在旅客车厢的地板上安装测量横向加速度的加速度计，可把该横向加速度和静态阈值比较。在这种情况下，为了获得对情况1和2的快速检测，必须把该阈值调整成为一个小值。但是，对于正常的倾斜操作该阈值会过于严格，而且会造成假异常检测。
为了在列车倾斜系统中当出现故障或者性能不良时产生告警，依据本发明的一个广阔方面，测量旅客在旅客车厢中受到的横向加速度。把它和可接受的横向加速度水平比较，并且该比较改变倾斜系统的控制。这种改变可以是触发车内指示，用于关闭倾斜系统的装置或者其它报警输出系统。可以每一个车厢为基础完成这样的监视。
依据本发明的优选特点，旅客车厢横向加速度的极性和对该旅客车厢的倾斜命令相比较从而确定极性检查标记。利用该极性检查标记、倾斜命令绝对值、列车速度以及横向加速度极性来产生横向加速度极限。该横向加速度极限可以为四条极限线之一、为一个常数值、为速度的函数或者通过比较表选取。如果横向加速度在预定的时间周期内大于该横向加速度，则产生告警。
依据本发明的另一个广阔方面，用于监视不正常工作的系统包括用于测量横向加速度的装置，用于把该横向加速度和横向加速度极限进行比较的比较器，以及用于改变倾斜系统控制的装置。
依据本发明的另一个优选特点，一种用于监视不正常工作的系统包括二个极性检测器，一个绝对值探测器，一个用于比较横向加速度极性以及倾斜命令的比较器，一个产生横向加速度极限的阈函数，另一个用于比较横向加速度和该极限的比较器，以及一个若倾斜系统不正常工作的时间长于预定延迟输出告警的持续检验。
根据下述说明以及各附图将更好地理解本发明的这些以及其它的特点、方面和益处，其中图1示出由一节机车和二节旅客车厢组成的一列旅客列车，并示出倾斜系统的主要部件以及它们在典型列车组上的位置；图2是车厢的俯瞰图，其示出偏航速度和横向加速度的信号极性约定(convention)，并示出一条带有进入螺线和退出螺线的典型弯道；图3是车厢的后视图，其示出滚动速度信号极性的约定；图4是在铁路上移动的机体的理想动态特性(滚动速度、偏航速度和横向加速度)；图5示出倾斜系统的横向加速度，滤波后横向加速度和残余横向速度的实际响应，其中当倾斜系统正常操作时弯道入口和出口处的残余横向加速度为最小；图6是一个方块图，示出该环境下的监视部件；图7示出该监视部件的原理图；图8示出该监视部件遵循的各极限线。
优选实施例详细说明图1示出倾斜系统的主要部件，以及这些部件在由一节牵引车厢(power car)或机车16、第一旅客车厢17、第二旅客车厢18等等组成的典型列车组上的位置。诸如滚动速度传感器、偏航速度陀螺仪、横向加速度计22和速度传感器20的惯性传感器组位于牵引车厢的导轮上，以便能预前检测操作该系统所需的各种信号。惯性力传感器组23也可位于受控的旅客车厢的导向架24上。主控制器19接收来自传感器20、22、23的信号，检测弯道并且对传感器信号滤波。它可以为所有旅客车厢17、18等计算作为速度和车厢位置的函数的合适倾斜角并且通过控制网络15把该信息发送到各车厢控制器25，或者简单地把滤波后传感器信号发送到各车厢控制器25。该车厢控制器25对能使车厢体滚动运动的液压致动器27进行闭环控制。致动器27也可为其它类型，例如电动。
这种系统结构还允许牵引机车16倾斜，如果后者装备着适当的致动部件27的话。在其它类型的倾斜系统结构中，所有的检测装置可位于列车的每个车厢中以允许独立控制以及倾斜系统的监控。
铁路曲率引起铁路车辆改变方向。图2示出一条典型弯道。所有铁路都建成为一系列的直道段和弯道段。通过弯道总是涉及三个阶段进入螺线39，弯道38和退出螺线37。进入螺线39是直道段(无穷半径)40和弯道38本身之间的过渡段，它具有不变的曲率半径。退出螺线37是弯道38和下一条直道段36之间的过渡段。
图2和图3中还示出信号极性的约定。在图2a中，列车41在标准方向46下沿着铁轨行进。在图2b和2c中，列车41历经偏航运动。图2中还示出横向加速度约定。在图3中示出列车沿典型方向55进入纸页；图中还示出滚动速度的约定。
在图4中说明铁路上行进的机体的典型动态特性，其中示出滚动速度(图4a)、偏航速度(图4b)和横向加速度(图4c)。这些量是可通过惯性传感器测量的并且可作为对倾斜控制系统的输入。横向加速度是超高不足的直接测定。示出了超高不足情况下进入入口螺线61、弯道62和退出螺线63的效果。
可以通过它在进入螺线和退出螺线上的特性测量倾斜系统的动态性能，在这二条螺线上横向加速度(或超高不足)迅速增大。出于简化目的，忽略与致动系统的各机械部件关联的延迟，从而滞后74只和原始传感器信号的滤波相关。出于和旅客感觉相关的原因，通常不全部补偿掉离心加速度(图5c)。
图6表示倾斜系统环境下的监视部件。倾斜系统典型地和一组安装在旅客车厢24或牵引车厢的导向架上的惯性力传感器81、一个速度检测装置80，一个控制器84以及一个闭环控制装置85连接。控制器84以及闭环控制装置85可位于主控制器19层或者通过控制网络15位于旅客车厢控制器层25。控制器84处理来自惯性力传感器组81的惯性信号S1和来自速度传感器80的速度信号S2，以便生成发送到闭环控制85的倾斜角命令S3。请注意存在数种倾斜系统体系结构，但本发明只要求能得到以旅客车厢为基准的速度信号S2和倾斜角命令S3。控制器84可具有旅客车厢相对于机车上的传感器组的位置的指示，以便能为每个旅客车厢计算实际延迟。
安装在旅客车厢地板上的并且对横轴敏感的一个加速度计82在行进期间中的任何时刻测量横向加速度S4。不言而喻，加速度计82可适当地安装在旅客车厢中的其它位置上。该加速度计82可以为任何类型，它最好位于车厢内，从而车厢的悬挂消除存在于车厢导向架处的部分高频分量。同时，它靠近车厢的转动中心，以便能准确地读出车厢的横向加速度，甚至在倾斜时。该悬挂可充当横向加速度的滤波器。如果该悬挂具有固有的机械延迟，则在对信号进行监视时应考虑到该延迟。监视部件83完成对速度S2、倾斜命令S3和横向加速度S4的监视，并且生成告警S5。该告警可由倾斜系统体系结构的任何适当部分使用，以便在旅客S4处发生速度S2，倾斜命令S3和横向加速度之间的不一致时禁止倾斜功能和使车厢回到中心位置。
最好在监视之前阻尼横向加速度信号S4。滤波器97产生对旅客感觉到的横向加速度更准确估计的信号S4′。典型地，横向加速度应包含在0到5赫的范围内。如果旅客车厢的悬挂方式不足以对横向加速度信号滤波，则使用该附加的滤波。可使用公知的技术阻尼横向加速度S4。则滤波器97产生的滤波帮助减小振动并因此减小假信号。实际上，当加速度在阈值S9附近振荡从而振动使比较器94过于频繁地改变状态时，振动会使持续检验95被部分地禁止。此外，当加速度在正、负值间振荡时，振动会使阈函数93中发生快速改变。
图7示出了监视部件83的更详细表达。横向加速度S4′的极性是由极性检测器90确定的，当横向加速度S4′小于零时检测器90输出-1，而当横向加速度S4′大于或等于零时输出+1。一个类似的部件即第二极性检测器91输出确定S3极性的信号S6。在比较器92中比较倾斜命令S6的极性和横向加速度S7的极性以产生极性检查标记S8。若S6和S7二者的极性都为负或者都为正则S8为正，反之S8为负。如果极性检查标记S8为正，则加速度残余沿着与倾斜命令相同的方向。同时，由绝对值确定器96产生倾斜命令S11的绝对值。速度S2，横向加速度S7的极性，极性检查标记S8和倾斜命令S11的绝对值馈送到极限确定函数93。
图8表示极限确定函数93如何选择极限值。首先根据表1选择一条极限线(T1，T2，T3或T4)。接着，找到该极限线上和速度S2对应的位置。请注意只有极限线T1和极限线T4是随着速度S2的改变给出横向加速度的变化极限值(在b和c之间及在-c和-b之间)的极限线。这是因为要考虑到一些倾斜系统不是在整个速度范围对超高不足进行均匀补偿。a、b和c的实际值是作为应用环境的函数预置的c必须设置成认可所有弯道上制动时测得的横向加速度；b是利用认可常规行驶加速度和拒绝由故障造成的不合格加速度的测量值设置的；a利用测得值设置，其取决于轨道质量并且设置成为在直道上或在零超高不足的弯道上行驶时避免发出假告警。
同样以相同的方法预置SP1和SP2的值SP1是执行倾斜的速度，SP2是用来渐进地达到最大倾斜补偿的速度。这些值通常是由铁路当局根据铁轨外形尺寸以及车厢限制选定的。
表1 极限线选择表
当倾斜命令幅度S11小于1°时，极限线总为T1或为T4(更随意)。该异常的原因在于，当列车在低超高不足的情况下通过弯道时，可能遇到极性检查标记S8瞬时为正的情况。
如本领域普通技术人员明白那样，可把倾斜命令幅度S11的极限角设置为其它值，这不会改变本发明的实质。例如，若在某特定系统中，2°看起来更好地代表该极限，则可以改变角度值。
这些情况包括低速经过高超高弯道的情况在该情况下，横向加速度S4′可具有相对大的值，因为它测量重力分量。在低速时，倾斜命令小或者为零。如果命令S3的极性和加速度S4′的极性相同，则不会把极限线T2或T3选择为极限线。这避免了假告警。
阈函数93产生横向加速度极限S9，在第二比较器94中将它和横向加速度S4′比较，产生值为“低于极限”或“高于极限”的比较信号S10。如果比较信号S10具有超过预置延迟的“高于极限”的值，则持续检验95输出告警S5。
该机制包含下述故障情况1.向错误一侧倾斜(反倾斜)倾斜命令S3和横向加速度S4′具有相同极性。把a或-a选择为极限值。
2.在直线轨道段上倾斜类似于情况1；倾斜命令S3和横向加速度S4′具有相同极性。
3.在需要倾斜的弯道上不倾斜或倾斜不足倾斜命令S3不足。在该情况下取决于速度值，极限值在c和b之间或者在-c和-b之间变化。
请注意情况1和2的横向加速度容许极限要比情况3的容许极限更加严格。这是因为当倾斜列车经过弯道时，总是预期存在一定量的残余横向加速度(见图5)。另一方面，在直道存在残余横向加速度不是物理相容的，因而这种情况更不容许。相同的理也适用于向错误一侧倾斜。
在本发明的另一实施例中，可以用判定方程代替极限线组。把倾斜命令、横向加速度、速度的值以及它们的相应极性代入到一具有具体加权的方程中可产生告警判定。
在本发明的另一实施例中，对横向加速度的限制可以在所有时间内都是固定的。对异常工作的分析会不那么有效，但是具有固定延迟。另一个修改是监视信号子集而不是监视所有三种信号横向加速度、速度和倾斜命令。
在本发明的又一实施例中，可以从列车组的其它部件得到横向加速度。
在本发明的另一实施例中，可使用一条从监视部件到主控制器的反馈环路。该环路可使主控制器知道已出现告警。利用该信息，主控制器可以尝试改变它的某些参数以改正错误或者使得能关闭系统，主控制器例如可以允许对某旅客车厢的信号的滤波有较长的延迟，或者可以修改用来计算倾斜命令的基准值以便考虑到和特定传感器相关联的误差。
权利要求
1.一种监视列车倾斜系统的方法，包括测量至少一个旅客车厢中的旅客所受到的横向加速度；生成横向加速度信号；把所述横向加速度信号和横向加速度的可接受水平进行比较；以及作为所述比较的结果改变所述旅客车厢的所述倾斜系统的控制。
2.如权利要求1所述的方法，还包括根据所述旅客车厢的速度以及所述旅客车厢的所述倾斜系统的倾斜命令，确定所述可接受的横向加速度水平。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述倾斜系统控制的改变包括使所述旅客车厢恢复到中心位置和禁用所述倾斜系统。
4.如权利要求3所述的方法，其中禁用所述倾斜系统包括点亮一指示器。
5.如权利要求1所述的方法，其中，一个车厢一个车厢地完成对所述横向加速度的比较。
6.如权利要求3所述的方法，其中该列车包括多节旅客车厢并且其中在每节旅客车厢上独立地进行所述倾斜系统的禁用。
7.如权利要求1所述的方法，还包括根据所述旅客车厢的速度和用于所述旅客车厢的所述倾斜系统倾斜命令来确定所述可接受的横向加速度水平，其中所述确定包括比较横向加速度极性和倾斜命令极性以输出极性检查标记；以及利用所述极性检查标记、倾斜命令的绝对值、列车速度信号以及所述横向加速度极性来产生横向加速度的可接受水平。
8.如权利要求7所述的方法，其中产生所述横向加速度可接受的水平包括如果倾斜命令幅度小于一阈值并且所述横向加速度的极性为正，则选择第一值；如果倾斜命令幅度小于一阈值并且所述横向加速度的极性为负，则选择第二值；如果倾斜命令幅度大于或等于一阈值、所述横向加速度的极性为正且所述极性检查标记为正，则选择第三值；如果倾斜命令幅度大于或等于一阈值、所述横向加速度的极性为正且所述极性检查标记为负，则选择第四值；如果倾斜命令幅度大于或等于一阈值、所述横向加速度的极性为负且所述极性检查标记为正，则选择第五值；以及如果倾斜命令幅度大于或等于一阈值、所述横向加速度的极性为负且所述极性检查标记为负，则选择第六值。
9.如权利要求7所述的方法，其中横向加速度可接受的水平是一条极限线并且是速度的函数。
10.如权利要求8所述的方法，其中横向加速度可接受的水平是一条极限并且是速度的函数。
11.如权利要求8所述的方法，其中倾斜命令幅度的所述阈值约在0.5°到3°之间。
12.如权利要求7所述的方法，其中产生所述横向加速度可接受水平包括利用所述速度、所述横向加速度和所述倾斜命令求解一判定方程。
13.如权利要求8所述的方法，其中利用一个表格选择横向加速度的可接受水平。
14.如权利要求8所述的方法，其中横向加速度可接受水平的所述第一值和所述第四值相等。
15.如权利要求8所述的方法，其中横向加速度可接受水平的所述第二值和所述第六值相等。
16.如权利要求1所述的方法，其中通过旅客车厢厢体上的加速度计测量所述横向加速度。
17.如权利要求10所述的方法，其中所述极限线从启动速度到第一速度保持不变，从第一速度到第二速度随速度线性地变化，并且从第二速度后保持不变。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述极限对于所有速度保持不变。
19.如权利要求7所述的方法，还包括当所述横向加速度大于所述横向加速度可接受水平达预定延迟时改变对所述倾斜系统的控制。
20.一种用于监视列车倾斜系统的系统，包括一个横向加速度传感器，用于检测旅客处感觉到的横向加速度并输出横向加速度信号；以及一个比较器，用于接收所述横向加速度信号和横向加速度极限信号并且生成控制信号输出。
21.如权利要求20所述的系统，还包括一个横向加速度极限生成器，其接收速度、横向加速度和倾斜命令中的至少一个并产生横向加速度可接受水平。
22.如权利要求21所述的系统，其中按速度值、横向加速度的极性、以及倾斜命令的幅度和极性的函数计算横向加速度极限。
23.如权利要求20所述的系统，其中所述列车具有多节旅客车厢并且包括用于每节旅客车厢的一个响应所述控制信号输出的倾斜控制器，以及传感器组和倾斜液压系统。
24.如权利要求20所述的系统，其中所述列车具有多节旅客车厢并且包括用于每节旅客车厢的多个响应所述控制信号输出的倾斜控制器，以及传感器组和倾斜液压系统。
25.如权利要求20所述的系统，其中所述比较器接收横向加速度信号和横向加速度可接受水平，并且当横向加速度大于该横向加速度可接受水平达预定延迟时改变所述倾斜系统的控制。
26.一种用于监视列车倾斜系统的系统，包括第一极性检测器，用于检测旅客车厢横向加速度的极性，第二极性检测器，用于检测旅客车厢倾斜命令的极性，一个绝对值检测器，用于检测所述倾斜命令的绝对值，第一比较器，用于比较所述横向加速度极性和所述倾斜命令极性并输出极性检查标记，一个阈函数，其利用所述横向加速度极性，所述极性检查标记、所述倾斜命令绝对值以及所述旅客车厢的速度来计算横向加速度极限并且输出所述极限，第二比较器，用于比较所述极限和所述横向加速度，以及持续检验，用于当所述横向加速度大于所述极限超过预定延迟时改变所述倾斜系统的控制。
27.如权利要求26所述的系统，还包括一个响应所述持续检验的指示器。
28.如权利要求27所述的系统，其中所述指示器位于驾驶室中。
29.如权利要求27所述的系统，其中所述指示器自动关闭倾斜系统。
30.如权利要求8所述的方法，其中倾斜命令幅度的所述阈值约为1°。
31.如权利要求26所述的系统，其中所述第二比较器生成从低于极限和高于极限中的至少一个选择的比较信号，以及若所述比较信号高于极限的时间超过预定延迟，则所述持续检验改变所述倾斜系统的控制。
全文摘要
利用倾斜列车旅客车厢中的旅客所受到的横向加速度的测量，完成对横向加速度可接受水平的比较。作为该比较的结果，改变倾斜系统的控制。可以一个车厢一个车厢为基础自动地或者利用倾斜系统控制器人工地关闭倾斜系统。由于可迅速地实现对倾斜系统异常操作的检测，故改善了旅客舒适度。
文档编号B61F5/22GK1402677SQ00816399
公开日2003年3月12日 申请日期2000年11月1日 优先权日1999年11月1日
发明者丹尼尔·拉诺克斯, 贝诺斯·拉希科特 申请人:博姆巴迪尔公司