轨道车辆转向架空气弹簧高度实时控制方法及系统

技术领域

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

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。

摆式列车(倾斜式列车)是一种车体转弯时可以左右倾斜摆动的轨道车辆，摆式列车在通过弯道时，会产生向外的离心力，因此需要降速，否则，可能会影响车辆运行的平稳性，而车辆的运行平稳性则直接关系到乘客的舒适度，甚至可能会导致轨道车辆的脱轨，威胁乘客的安全；通过调整轨道车辆上每一个空气弹簧的高度，能够调整轨道车辆的姿态，从而可以抵消离心力，保证摆式列车能够在弯曲路段高速驶过而无需减速。

空气弹簧为利用密闭容器中空气的可压缩性制成的弹簧，被广泛应用于轨道车辆的转向架中，作为轨道车辆的承载部件，保障轨道车辆在行驶过程中保持平稳。空气弹簧通常设有高度控制阀，通过控制空气弹簧内部的空气压力可以实现对空气弹簧高度的调节。

现有技术在对空气弹簧高度的调整过程中，往往面临如下技术问题：

(1)对于运行中的轨道车辆，其空气弹簧的实时高度难以进行准确的测量，从而对于空气弹簧的实时高度调整也就更加难以实现。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。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。

(2)空气弹簧的目标高度的获取需要根据车辆的运行指标计算得到，这影响了对空气弹簧高度调整的效率和实时性。

发明内容

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空气弹簧实时高度的获取，从而能够结合高度目标值对控制弹簧的高度进行实时调整，保证轨道车辆的运行姿态平稳。

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：

获取空气弹簧的初始高度值，将轨道车辆运行过程中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的高度变化量，进而得到空气弹簧的当前高度值；

获取空气弹簧当前位置对应的公里标、运行速度、加速度、车辆行进方向、转向架倾角和转向架簧上质量信息；

将获取的信息输入至训练好的空气弹簧目标高度模型，得到当前位置对应的空气弹簧目标高度值；

结合当前位置对应的空气弹簧目标高度值和空气弹簧的当前高度值，考虑车辆运行平稳性指标，对空气弹簧的高度进行实时调整。

进一步地，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：

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，连接杆与空气弹簧的下表面连接；

轨道车辆转向架倾角的变化会引起空气弹簧的高度变化，空气弹簧的高度变化会带动连接板向上或向下移动，连接板的移动会带动转角传感器的角度发生变化，从而将空气弹簧的高度变化转化为转角传感器的角度变化。

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：

空气弹簧当前高度检测模块，用于获取空气弹簧的初始高度值，将轨道车辆运行过程中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的高度变化量，进而得到空气弹簧的当前高度值；

空气弹簧高度目标值预测模块，用于获取空气弹簧当前位置对应的公里标、运行速度、加速度、车辆行进方向、转向架倾角和转向架簧上质量信息；将获取的信息输入至训练好的空气弹簧目标高度模型，得到当前位置对应的空气弹簧目标高度值；

空气弹簧高度调整模块，用于结合当前位置对应的空气弹簧目标高度值和空气弹簧的当前高度值，考虑车辆运行平稳性指标，对空气弹簧的高度进行实时调整。

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：安装在转向架上每一个空气弹簧对应位置的空气弹簧高度检测装置，所述空气弹簧高度检测装置用于测量空气弹簧的实时高度；轨道车辆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。

其中，所述空气弹簧高度检测装置包括：传感器工装、连接板、固定工装和连接杆；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；转角传感器的探头设置在固定工装内，固定工装与连接杆连接，连接杆与空气弹簧对应位置的转向架连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明设计了方便安装的转角传感器测量工装，通过转角传感器角度的变化量计算得到高度变化量，实现了车辆运行过程中对空气弹簧高度的实时检测，且不影响转向架及空气弹簧原本结构与功能。

(2)本发明结合车辆运行公里标、转向架倾角及车体加速度等信息，考虑车体运行平稳性指标，利用神经网络模型对当前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，考虑车辆运行平稳性指标，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。

(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提供判断依据。

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

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；

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；

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；

图4为轨道车辆在弯道时的空气弹簧高度变化示意图；

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

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。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申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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申请的示例性实施方式。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。

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。

术语解释：

公里标，设在一条线路自起点计算的每一整公里和/或半公里处，是表明计算里程整公里或半公里的标记。公里标的作用主要是确切地指明线路的位置，例如巡道工在线路上巡行检查时，如果发现问题，在记录和报告中就能根据公里标、半公里标，指出问题的准确位置，以利于维修和抢修单位及时处理；本发明中的公里标也可以包括半公里标。

车辆运行平稳性，通常用来表示车辆的振动性能，是衡量车辆运行性能的重要指标。平稳性指标的计算与振动加速度(三轴加速度，包括与离心力相关的横向加速度)、振动频率和频率修正系数相关；具体计算方法可以参照GB/T5599-2019机车车辆动力学性能评定及试验鉴定规范中记载的计算方法。

实施例一

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：

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；

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：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。

传感器工装1的作用包括：①对传感器本体进行保护；②可以将传感器出线处做一个转接头方便对线缆进行保护。

连接板2的作用是为了固定传感器，连接板2与车体通过两个螺栓紧固连接。当车辆运动转向架产生倾角时，车体会发生上下移动，会带动连接板2上下移动，进而实现转角传感器的角度变化。

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；固定工装3与连接杆4通过螺栓连接起来，连接杆4与空气弹簧的下表面进行连接，由于空气弹簧的下表面高度不会发生变化，因此连接杆4的高度也不会变化，其作用为固定传感器。

本实施例在轨道车辆每一个空气弹簧对应位置的车体上，均连接一个弹簧高度检测装置，用于测量每一个空气弹簧的高度变化。

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。

结合图4，轨道车辆在行驶至弯道路段时，空气弹簧的高度发生变化，使得转向架倾角发生变化，使得车体抬高或者降低，从而带动转角传感器同步转动，引起转角传感器的输入变化，转角传感器可将角度变化转换为对应的空气弹簧高度变化，具体对应公式为：

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。

基于空气弹簧高度变化量与空气弹簧的初始高度值，确定空气弹簧的当前高度值。具体地，假设转角传感器的初始角度为90°，若当前时刻角度减少了10°，说明车体向下移动，空气弹簧高度变低，Δh为负值，则空气弹簧的当前高度值等于空气弹簧的初始高度与空气弹簧高度变化量Δh之和；若当前时刻角度增加了10°，说明车体向上移动，空气弹簧高度变高，Δh为正值，则空气弹簧的当前高度值等于空气弹簧的初始高度与空气弹簧高度变化量Δh之和。

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。

S102：获取空气弹簧当前位置对应的公里标、运行速度、加速度、车辆行进方向、转向架倾角和转向架簧上质量信息；

本实施例中，当前位置对应的公里标、运行速度、加速度、车辆行进方向、转向架倾角和转向架簧上质量信息均可以通过以太网或者MVB总线从列车TCMS中获取；列车TCMS会实时采集车辆运行过程中每一个时刻车辆的运行状态信息，运行状态信息中包括了公里标、运行速度、加速度、车辆行进方向、转向架倾角和转向架簧上质量等信息。这些信息的具体获取手段均是现有技术已经实现的；根据车辆在当前位置时的时刻信息，本领域技术人员很容易能够从列车TCMS中对应获取到该时刻的车辆运行状态信息。

S103：将获取的信息输入至训练好的空气弹簧目标高度模型，得到轨道车辆在当前位置对应的待测空气弹簧的目标高度值；

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。

对于空气弹簧高度神经网络模型的训练过程包括：

S1031：获取同一轨道车辆在公里标、运行速度、加速度、车辆行进方向(车辆上行或者车辆下行)、转向架倾角以及转向架簧上质量信息等参数不同的情况下，对应的空气弹簧目标高度值；本实施例中，空气弹簧的目标高度值为分别在每一种参数组合的情况下，能够使得车辆在弯道路段行驶时抵消掉离心力所需要的空气弹簧的高度值；正如背景技术中说明的，这个高度值是根据现有技术能够计算出来的，比如：可以通过转向架倾角计算出抵消离心力所需要的空气弹簧的高度变化量，进而根据空气弹簧的初始值和所需要的空气弹簧的高度变化量，确定空气弹簧的目标高度值。

S1032：利用获取的数据构建数据集，数据集中的每个数组均包含：公里标、运行速度、加速度、车辆行进方向、转向架倾角、转向架簧上质量信息和空气弹簧目标高度值信息。

S1033：利用所述数据集对空气弹簧目标高度模型进行迭代训练，直至满足收敛条件。

S104：结合空气弹簧高度目标值和空气弹簧当前高度值，考虑车辆运行平稳性指标，对空气弹簧的高度进行实时调整。

本实施例中，基于空气弹簧当前高度值和目标高度值，将空气弹簧从当前高度值向目标高度值进行调整，调整过程中，不断计算车辆运行平稳性指标，如果当调整到某一个高度值时，车辆运行平稳性指标满足了舒适度的要求(现有技术中规定了满足舒适度要求的平稳性指标值)，则停止调整，将该高度值更新为当前条件下的新的目标高度值，形成新的数组，替换数据集中原来的对应数组；使用新的数据集对空气弹簧目标高度模型进行训练。

由于轨道车辆中往往会设置多个空气弹簧，本实施例中所说的空气弹簧高度目标值和空气弹簧当前高度值，是针对同一个空气弹簧而言的；对于每一个空气弹簧，都可以采用本实施例中的方法进行高度调整。

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目标高度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。

实施例二

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：

空气弹簧当前高度检测模块，用于获取空气弹簧的初始高度值，将轨道车辆运行过程中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的高度变化量，进而得到空气弹簧的当前高度值；

空气弹簧高度目标值预测模块，用于获取空气弹簧当前位置对应的公里标、运行速度、加速度、车辆行进方向、转向架倾角和转向架簧上质量信息；将获取的信息输入至训练好的空气弹簧目标高度模型，得到当前位置对应的空气弹簧目标高度值；

空气弹簧高度调整模块，用于结合当前位置对应的空气弹簧目标高度值和空气弹簧的当前高度值，考虑车辆运行平稳性指标，对空气弹簧的高度进行实时调整。

上述各模块的具体实现方式与实施例一中相同，不再详述。

实施例三

在一个或多个实施方式中，公开了一种轨道车辆，包括：安装在转向架上每一个空气弹簧对应位置的空气弹簧高度检测装置，空气弹簧高度检测装置用于测量空气弹簧的实时高度；轨道车辆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。

具体地，空气弹簧高度检测装置与实施例一中相同，包括：空气弹簧高度检测装置包括：传感器工装、连接板、固定工装和连接杆；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；转角传感器的探头设置在固定工装内，固定工装与连接杆连接，连接杆与空气弹簧的下表面连接。具体结构不再详述。

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。

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。