轨道车辆转向架空气弹簧高度实时控制方法及系统与流程

1.本发明涉及轨道车辆控制技术领域，尤其涉及一种轨道车辆转向架空气弹簧高度实时控制方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.空气弹簧，主要应用于轨道车辆的转向架中，空气弹簧作为承载部件，对其高度的测量是轨道车辆称重作业中的关键环节。
4.现有技术公开了一种带高度检测功能的空气弹簧，在上盖中集成传感器单元，可以实现对空气弹簧高度及压力数据的采集；但是，这种方法需要对现有轨道车辆上的空气弹簧进行更换，成本太高，并且不具备数据处理功能。
5.现有技术公开了一种用于列车的空气弹簧高度测量装置，在磁力吸座的上表面利用万向球铰链连接主尺杆的机械装置对非运行状态下的车辆空气弹簧进行测量；但是，该装置只能在车辆检修过程或者是车辆静止状态下，实现对空气弹簧高度的测量，对于运行中的车辆空气弹簧高度无法进行测量。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提出了一种轨道车辆转向架空气弹簧高度实时控制方法及系统，通过转角传感器实现轨道车辆运行过程中转向架空气弹簧高度信号的采集，然后通过信号处理得到空气弹簧高度信号的输出，进而实时调节进、出弯道时的车辆倾角姿态。
7.根据本发明实施例的第一个方面，提供了一种轨道车辆转向架空气弹簧高度实时控制方法，包括：
8.将空气弹簧的高度变化转化为转角传感器的角度变化，通过获取转角传感器的角度值得到空气弹簧高度变化量，进而得到空气弹簧当前高度值；
9.基于空气弹簧当前高度值获取对应的时间、公里标、转向架倾角以及车体加速度信息；
10.基于对应的时间、公里标、车辆运行速度、加速度和运行方向、转向架倾角以及转向架簧上质量信息，考虑车辆运行平稳性，利用训练好的空气弹簧高度神经网络模型，得到当前公里标下对应的空气弹簧高度目标值；
11.结合空气弹簧高度目标值和空气弹簧当前高度值，对空气弹簧高度进行实时调整。
12.作为进一步地方案，将空气弹簧的高度变化转化为转角传感器的角度变化，具体为：
13.将转角传感器设置在传感器工装内，传感器工装通过连接板与车体连接，转角传
感器通过固定工装与连接杆连接，通过连接杆与转向架杠杆连接；
14.空气弹簧的高度变化会将车体抬高或者降低，进而带动连接板引起转角传感器同步转动，从而引起转角传感器的输入变化，转角传感器可将输入角度的变化转换为对应的电信号变化。
15.作为进一步地方案，通过获取转角传感器的角度值得到空气弹簧高度变化值，具体为：
[0016][0017]
其中，θ为转角传感器转动角度，δh为空气弹簧高度变化量，l为连接杆长度。
[0018]
作为进一步地方案，所述空气弹簧高度神经网络模型的训练过程具体包括：
[0019]
获取历史时刻线路公里标对应的车辆运行速度信息以及空气弹簧高度信息，基于空气弹簧高度信息确定车辆运行平稳性指标，考虑车辆运行平稳性指标，标定公里标对应速度下的空气弹簧最优高度值；
[0020]
结合历史各个时刻对应的公里标、运行速度、加速度、车辆行进方向、转向架倾角以及转向架簧上质量信息，构建训练数据集；
[0021]
利用训练数据集对空气弹簧高度神经网络模型进行训练，输出不同公里标下对应的空气弹簧最优高度值信息，作为公里标下对应的空气弹簧高度目标值。
[0022]
作为进一步地方案，结合空气弹簧高度目标值和空气弹簧当前高度值，对空气弹簧高度进行实时调整，具体为：
[0023]
基于空气弹簧当前高度值，采用闭环反馈控制策略，对空气弹簧高度进行实时调整，直至空气弹簧高度达到空气弹簧高度目标值。
[0024]
作为进一步地方案，还包括：将当前时刻的空气弹簧当前高度值与通过空气弹簧高度神经网络模型预测得到的空气弹簧高度目标值进行对比，如果当前高度值与目标值的差值超过了设定的阈值，则判定为空气弹簧高度变化异常点，推断轨道线路状况可能发生了较大变化，以提醒对当前轨道线路段进行巡检。
[0025]
作为进一步地方案，还包括：将同一轨道车辆通过相同线路点位时，不同空气弹簧对应的高度值与高度目标值进行比对，判定不同空气弹簧对应的空气弹簧高度变化异常点的数量，进而预测不同空气弹簧的健康状态。
[0026]
根据本发明实施例的第二个方面，提供了一种轨道车辆转向架空气弹簧高度实时控制系统，包括：
[0027]
空气弹簧当前高度检测模块，用于将空气弹簧的高度变化转化为转角传感器的角度变化，通过获取转角传感器的角度值得到空气弹簧高度变化量，进而得到空气弹簧当前高度值；
[0028]
车辆数据获取模块，用于基于空气弹簧当前高度值获取对应的时间、公里标、转向架倾角以及车体加速度信息；
[0029]
空气弹簧高度目标值预测模块，用于基于对应的时间、公里标、车辆运行速度、加速度和运行方向、转向架倾角以及转向架簧上质量信息，考虑车辆运行平稳性，利用训练好的空气弹簧高度神经网络模型，得到当前公里标下对应的空气弹簧高度目标值；
[0030]
空气弹簧高度调整模块，用于结合空气弹簧高度目标值和空气弹簧当前高度值，
对空气弹簧高度进行实时调整。
[0031]
根据本发明实施例的第三个方面，提供了一种轨道车辆，包括：采用上述的转向架空气弹簧高度实时控制方法，对空气弹簧高度进行实时控制。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0033]
(1)本发明通过设计了方便安装的转角传感器测量工装，将空气弹簧的高度变化转化为转角传感器的角度变化，实现了车辆运行过程中对空气弹簧高度的实时检测，不影响转向架及空气弹簧原本结构与功能。
[0034]
(2)本发明结合车辆运行状态、速度、公里标、转向架倾角、转向架簧上质量信息及车体加速度信息，考虑车体运行平稳性指标，利用神经网络模型对公里标下对应的空气弹簧最优高度值进行预测，作为空气弹簧高度目标值；基于空气弹簧当前高度值和目标值，通过闭环反馈控制策略对空气弹簧高度进行控制，信号处理速度快，处理结果稳定可靠。
[0035]
(3)本发明将当前时刻的空气弹簧当前高度值与通过空气弹簧高度神经网络模型预测得到的空气弹簧高度目标值进行对比，判断出高度异常的点，可以为轨道线路检修以及空气弹簧的健康状态提供判断依据。
[0036]
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0037]
图1为本发明实施例中的轨道车辆转向架空气弹簧高度实时控制方法流程图；
[0038]
图2(a)-(c)分别为本发明实施例中的转角传感器安装结构示意图；
[0039]
图3为本发明实施例中的空气弹簧高度神经网络模型示意图；
[0040]
其中，1.传感器工装，2.连接板，3.固定工装，4.连接杆。
具体实施方式
[0041]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0042]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0043]
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]
实施例一
[0045]
在一个或多个实施方式中，公开了一种轨道车辆转向架空气弹簧高度实时控制方法，结合图1，具体包括如下过程：
[0046]
s101：将空气弹簧的高度变化转化为转角传感器的角度变化，通过获取转角传感器的角度值得到空气弹簧高度变化量，进而得到空气弹簧当前高度值；
[0047]
本实施例中，利用转角传感器的角度变化实时检测空气弹簧的高度变化量，为了将转角传感器布置在车辆上，本实施例设计了一种基于转角传感器的空气弹簧高度检测装置，如图2(a)-(c)所示，具体包括：
[0048]
传感器工装1、连接板2、固定工装3和连接杆4，传感器工装1通过四颗螺栓与转角传感器外壳固定，然后将传感器工装1通过螺栓与连接板2连接；固定工装3包括两个相对设置的夹紧块，两个夹紧块内均设有凹槽，形成用于容纳转角传感器探头的空间。由于转角传感器探头较细，不方便在上面直接打螺纹孔，所以采用夹紧块两面抱死对锁的方式，将传感器探头放入夹紧块的凹槽内，再通过四个螺栓紧固两个夹紧块实现与传感器探头的连接固定，最后将固定工装3与连接杆4通过螺栓连接起来。最后连接板与车体通过两个螺栓紧固连接，连接杆与转向架杠杆通过螺栓连接，具体的连接方式根据车体的不同会有所差异。
[0049]
具体地，本实施例转角传感器选用磁敏转角传感器，利用磁敏转角传感器无触点、长寿命、高分辨等优秀特点，来适应轨道车辆恶劣的工作环境，同时具有高采样频率适应空气弹簧高度的变化。
[0050]
空气弹簧高度变化通过转角传感器角度变化范围在传感器的最佳测量范围中，可以实现空气弹簧高度变化与角度变化的有效转换，以此实现空气弹簧高度的检测。
[0051]
空气弹簧的高度变化会将车体抬高或者降低，因此将会带动转角传感器同步转动，从而引起转角传感器的输入变化，转角传感器可将输入角度的变化转换为对应的电信号变化。具体对应公式为：
[0052][0053]
式中，θ为转角传感器转动角度，δh为空气弹簧高度变化量，l为连接杆长度。
[0054]
本实施例基于转角传感器的空气弹簧高度检测装置可以实现车辆运行过程中的空气弹簧高度的实时检测。
[0055]
s102：基于空气弹簧当前高度值获取对应的时间、公里标、转向架倾角以及车体加速度信息；通过车体加速度信息可以计算车辆运行平稳性指标的值(具体的计算方法是本领域技术人员可以获知的，比如在gb/t 5599-2019机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范中公开了计算车辆运行平稳性指标的方法)。
[0056]
在线检测系统会对同一时刻的空气弹簧高度加盖时间戳及公里标信息；本实施例中，时间、公里标信息、转向架倾角、车体加速度信息均通过轨道车辆转向架空气弹簧高度检测数据对应获取，获取方式为通过以太网或者mvb总线从列车tcms获取；在线检测系统会对同一时刻的空气弹簧高度加盖时间戳及公里标信息，从而实现空气弹簧高度与时间、公里标、转向架倾角、车体加速度信息的数据对应。
[0057]
s103：基于对应的时间、公里标、车辆运行速度、加速度和和运行方向、转向架倾角以及转向架簧上质量信息，考虑车辆运行平稳性，利用训练好的空气弹簧高度神经网络模型，得到当前公里标下对应的空气弹簧高度目标值。
[0058]
本实施例中，空气弹簧高度神经网络模型的结构如图3所示，包含6个输入，2层隐藏网络以及一个输出，其中第一隐藏层神经元为7，第二层神经元为5，整个网络结构无反馈，输入层到输出层的信号经过隐藏神经元单向传播。
[0059]
对于空气弹簧高度神经网络模型的训练过程包括：
[0060]
s1031：获取历史时刻线路公里标对应的车辆运行速度信息以及空气弹簧高度信息，基于对应的车辆加速度信息计算车辆运行平稳性指标，结合车辆运行平稳性指标，标定公里标对应速度下的空气弹簧最优高度值；即：最优高度值需要满足该高度值对应的车辆运行平稳性指标在设定的范围内。
[0061]
s1032：结合历史各个时刻对应的车辆行进方向(车辆上行或者车辆下行)、转向架倾角、车体加速度以及转向架簧上质量信息，构建训练数据集；
[0062]
s1033：利用训练数据集对空气弹簧高度神经网络模型进行训练，输入数据包括：车辆行进方向、转向架倾角、公里标、对应的车辆运行速度、转向架簧上质量信息以及车体加速度；输出不同公里标下对应的空气弹簧最优高度值信息，作为公里标下对应的空气弹簧高度目标值。
[0063]
s104：结合空气弹簧高度目标值和空气弹簧当前高度值，对空气弹簧高度进行实时调整。
[0064]
作为可选的方案，本实施例将当前时刻的空气弹簧当前高度值与通过空气弹簧高度神经网络模型预测得到的空气弹簧高度目标值进行对比，如果当前高度值与目标值的差值超过了设定的阈值，则判定为空气弹簧高度变化异常点，推断轨道线路状况可能发生了较大变化，以提醒对当前轨道线路段进行巡检；从而为线路轨道检修或巡查提供参考信息。
[0065]
同理，将同一轨道车辆通过相同线路点位时，不同空气弹簧对应的高度值与高度目标值进行比对，如果当前高度值与目标值的差值超过了设定的阈值，则判定为空气弹簧高度变化异常点；判定不同空气弹簧对应的空气弹簧高度变化异常点的数量，进而预测不同空气弹簧的健康状态。从而为后续车辆检修，车辆巡检提供参考信息，对于异常变化位置的空簧进行重点检查。
[0066]
实施例二
[0067]
在一个或多个实施方式中，公开了一种轨道车辆转向架空气弹簧高度实时控制系统，具体包括：
[0068]
空气弹簧当前高度检测模块，用于将空气弹簧的高度变化转化为转角传感器的角度变化，通过获取转角传感器的角度值得到空气弹簧高度变化量，进而得到空气弹簧当前高度值；
[0069]
车辆数据获取模块，用于基于空气弹簧当前高度值获取对应的时间、公里标、转向架倾角以及车体加速度信息；
[0070]
空气弹簧高度目标值预测模块，用于基于对应的时间、公里标、车辆运行速度、加速度和运行方向、转向架倾角以及转向架簧上质量信息，考虑车辆运行平稳性，利用训练好的空气弹簧高度神经网络模型，得到当前公里标下对应的空气弹簧高度目标值；
[0071]
空气弹簧高度调整模块，用于结合空气弹簧高度目标值和空气弹簧当前高度值，对空气弹簧高度进行实时调整。
[0072]
其中，将空气弹簧的高度变化转化为转角传感器的角度变化，通过以下结构实现：
[0073]
将转角传感器设置在传感器工装内，传感器工装通过连接板与车体连接，转角传感器通过固定工装与连接杆连接，通过连接杆与转向架杠杆连接；
[0074]
空气弹簧的高度变化会将车体抬高或者降低，进而带动连接板引起转角传感器同步转动，从而引起转角传感器的输入变化，转角传感器可将输入角度的变化转换为对应的
电信号变化。
[0075]
上述各模块的具体实现方式与实施例一中相同，不再详述。
[0076]
实施例三
[0077]
在一个或多个实施方式中，公开了一种轨道车辆，其采用实施例一中所述的转向架空气弹簧高度实时控制方法，对空气弹簧高度进行实时控制。
[0078]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。