连接磁悬浮列车的运行控制策略基于车载电池状态监测

文摘

车载电池的条件是一个重要因素影响磁悬浮列车运行的效率和其他连接的。有效地消除电池的影响条件,提高连接的磁悬浮列车的运行效率,操作控制策略提出了保证列车运行安全。首先,基于物联网、传感器网络的目的是监控车载电池状态在每辆车的火车。第二,列车运行控制系统收集电池数据的所有车辆在磁悬浮列车列车通信网络。第三,所有连接磁悬浮列车共享电池数据通过38 GHz定向无线电通信系统操作和调整相应的控制策略。仿真结果表明,该策略能保证手术的安全连接磁悬浮列车。

1。介绍

上海高速磁悬浮列车Transrapid-08引入后的业务在2002年和2016年长沙机场线和S1 2017年的北京,磁悬浮交通系统受到越来越多的关注在中国(1,2]。与传统的轮轨交通系统相比,磁悬浮运输系统有许多出色的特性,比如环境噪声低,转弯半径小,高爬斜坡能力,耐气候性强、低维护成本、寿命长(3]。

通常,基于五个速度曲线限制包括最低加速极限,最低悬浮极限,最大安全制动极限,最大速度运行极限,最大速度限制,列车运行控制系统(OCS),有四个子系统包括中央控制系统(CCS)、分散控制系统(DCS),车辆控制系统(VCS)和38 GHz定向无线电通信系统(RCS),并用一个操作制定控制策略保证列车运行安全(4]。

然而,对于工程造价的考虑,只站分散和辅助停止截面面积(ASA)分散配有电力铁路(PR),使其不连续。遇到紧急情况时,VCS请求DCS关闭推进供电系统(PPS)然后车载电池是唯一能量来源为所有车载电气设备保持列车运行到下一个亚撒。不幸的是,火车停在跑道上后不能再次运行没有公关(5]。

在日常操作中,运行速度大约是200公里/小时为中速列车和高速列车约400公里/小时;车辆电网(蔬菜)提供的车载线性高速发电机由于发电效率高。然而,当火车速度降低到100公里/小时或更低,线性发电机的发电能力下降太多的蔬菜供应足够的权力。在这种情况下,车载电池提供蔬菜补充能量。为安全起见,在拉片和离开车站,火车速度相对较低(低于100 km / h);蔬菜必须依靠车载电池。因此,电池状况,尤其是剩余容量,对列车运行安全至关重要。

当磁悬浮列车停在车站或ASA的部分权力下放,车载收藏家将通过公关和车载电池充电电池在大电流模式,容易导致性能下降。因此,监测电池具有重要意义条件延长电池寿命(6,7),并动态地调整经营战略。此外,在接下来的操作连接火车,火车已调整后实时操作控制策略根据其在心和领先的一个防止崩溃。

近年来,无线通信和网络技术的快速发展,各种物联网(物联网)应用程序被发现在许多领域,如智能城市(8)、空间众包(9),和人群动态管理(10]。物联网将实现智能信息处理、普遍的传感、传感器网络和高效的资源管理(11- - - - - -14]。

列车通信网络(TCN)批准的标准是国际电工委员会(IEC)和IEEE 1999年来保证培训和设备的互操作性。TCN包含两个串行主从总线:线列车总线(方面)和多功能车辆总线(多功能车辆总线)。如今,TCN广泛应用于高速铁路列车和地铁列车(15- - - - - -19]。

最近,一些故障检测方法已经提出了提高磁悬浮列车的安全。基于贝叶斯网络的检测方法进行了(20.,21]调查加速度传感器故障,分析制动系统的多态。磁悬浮列车的风险失败事件树的建模方法给出检测(悬浮控制系统的失败22]。

本文利用物联网、传感器网络体系结构设计监控每辆车的车载电池状态数据;收集所有这些数据在火车上通过TCN OCS和连接列车通过RCS分享它们。此外,提出了一种新的运行控制策略保证以下的安全操作连接磁悬浮列车。

本文的主要贡献如下。

对于现有的运行控制策略,它是假定车载电池满负荷。提出操作控制策略作为电池的条件变量状态和制定策略实时根据电池的条件。

与现有操作控制策略相比,提出的策略需要考虑其他连接列车和控制策略动态调整操作。

本文的其余部分组织如下。节2,我们分析磁悬浮列车的主要阻力和能耗。部分3致力于设计一个传感器网络的连接磁悬浮列车监控电池的条件和交换相关信息。节4基于电池状态数据,操作控制策略提出了保证列车安全站和部分分散。部分5致力于仿真方案的评价。最后,结论提出了部分6。

2。磁悬浮列车的动态分析

一般来说,磁悬浮列车可以视为刚体当我们研究操作控制策略。总阻力主要来自空气、铁路、磁力、涡流制动力量,和其他额外的力量。总阻力(单位是KN,下同)可以被描述为 在哪里是空气阻力,是磁阻,涡流制动电阻,直线电机制动电阻,是滑翔防滑制动电阻,是非线性电阻,是上坡阻力。

内在固有电阻包括空气阻力和磁阻(11]。不考虑风条件下,空气阻力和磁阻 在哪里列车车辆的数量和吗火车的速度。

磁悬浮列车的制动力量主要来自反向制动,电阻制动,涡流制动,防磨板制动,滑翔的刹车制动。

通常情况下,直线电机使磁悬浮列车减速反向制动和能耗制动。刹车力给药

在紧急情况下,VSC发送阻塞推进权力要求DCS关闭PPS和涡流制动启动。涡流制动的力量如下: 在哪里运行方向的涡流制动电阻,可以描述如下:

当速度降低到130公里/小时或更低,穿板制动启动涡流电磁铁之间的引力和直线的护栏逐渐增加;被描述为

一旦磁悬浮列车的速度降低到10公里/小时或更低,滑翔防滑刹车启动使火车停下来。 在哪里是每厘计税率梯度,是列车重量,重力加速度,摩擦系数的滑翔防滑刹车的吗

此外,梯度线形式额外阻力火车。额外的坡道阻力是

除了上述抗性,曲线线增加了另一个附加阻力曲线可以描述如下:

车载设备的能源是 在哪里是悬浮的能量,紧急制动能量,车载设备消耗的能量。

列车悬浮能力

虽然火车的减速过程变量,微分时间短的减速 可以认为保持不变。在 ,减速 。因此,运行距离可以获得的

3所示。传感器网络连接磁浮列车车载电池的条件

在本节中,电池操作条件的影响,简要分析监测电池参数。分享电池连接磁悬浮列车的条件,传感器网络和数据交换方法详细设计。

3.1。电池在磁悬浮列车运行条件的影响

磁悬浮列车的线路分为四种类型,包括车站,加速区域,跟踪与ASA和公关,没有公关和跟踪,如图1。

作为显示在图2(一个),火车的速度通常是低于100 km / h)在车站和车载收藏家提供能量从公关悬浮和车辆设备包括电池和其他电气负载。当离开车站时,权力从公关,火车加速迅速超过最低悬浮限制。在紧急情况下,火车必须制动停止站或加速区域内。在这种情况下,应由商务评估两种可能性:如果火车仍然可以停止在加速区域内,应当启动紧急制动;如果火车只能停止加速以外的区域,目前的经营战略保持一定时间,然后火车制动运行到下一个ASA的部分权力下放。

部分分散操作期间,当列车速度高于100 km / h,车载线性发电机悬浮的能量供应,如图2 (b)。然而,当它的速度低于100 km / h,车载电池提供能源因为车载悬浮线性发电机不能提供足够的能量,如图2 (c)。此外,stop-point-stepping方法通过ASA使火车运行直到转发到下一站根据安排速度曲线。在紧急情况下,类似的情况在车站时,应该考虑两种可能:如果火车必须立即停止,因为一些意想不到的突发事件像前方维修车辆,火车与最大制动减速;否则,运行状态和减速过程应该相应地调整未来ASA让火车停下来。

3.2。车载电池状态监测

锂电池的正常工作范围的磁悬浮列车如表所示1。

(1)电池温度监测。当放电率太高,电池温度上升迅速,形成热空气上升。因此,温度传感器应该放在盒子的上方轻易获得实际的温度信息。美新公司使用MicaZ模块,温度的值及其对应的表中描述的条件2。

(2)电池剩余容量监测。电池的电压和电流都是来自汽车诊断电脑(VDC),和电池的剩余容量可以实现实时监测评估的剩余容量。剩余容量之间的关系和相应的条件如表所示3。

(3)电池可见火焰监测。在实际操作中,通常电池温度超过正常范围。不幸的是,直流不能告诉是否有火。火焰传感器可以用来检测可见电池火焰。可见的火焰和相应的条件之间的关系如表所示4。

3.3。车载电池传感器网络

车载电池的参数指示的条件包括温度、电压及电流(23- - - - - -26]。列车运行时,为了防止电池过热,温度应该维持一个安全的范围内。同时,每个电池的电压和电流应保持在适当的水平,以保证剩余的能量车载设备和列车悬浮。当一个磁悬浮列车停在车站或亚撒,电池必须检查保持足够的能量来提供其悬浮到下一个亚撒和可以执行紧急制动之前离开。

每辆车的磁悬浮列车有八个电池包括四个440 V和24 V四个。除应急照明根据24 V电池,几乎所有车载系统包括悬浮和方向、制动、空调,和其他的由四个440 V的电池。在这里,我们只考虑四个440 V的电池。对于一个典型的磁悬浮列车有六个车辆,基于物联网的传感器网络监控车载电池状态如图3。包括两个车辆安全计算机网络(vsc)和两个移动无线电控制单元(MRCUs)两个终端车辆和一个数据采集单元为每辆车(道)。在一辆车,道收集数据并将它们发送给vsc电池条件;主VSC制定相应的操作控制策略(主VSC活跃,从一个处于热备用状态)。

两头和尾车2定向天线上形成冗余通信通道。通过现有的RCS,磁悬浮列车连接交换条件数据的基站位于沿铁路线,如图4。

4所示。连接磁悬浮列车运行控制策略

考虑到车载电池的情况下,独立的磁悬浮列车的运行控制策略在本节中给出。进一步,连接火车,基于五个限速如图5为下面的操作,一个操作控制策略的连接列车详细讨论。

曲线最低加速限制用于达到最低速度,曲线最低悬浮限制考虑运行阻力和斜率的影响,曲线最大安全制动器极限考虑安全制动特点和边坡的影响,曲线是运行的最大速度限制,曲线最高时速限制考虑列车结构和所有线条件,和曲线实际运行速度限制。

4.1。电池基于条件的操作策略

根据电池参数包括温度、电压、电流、和可见的火焰,不同的操作控制策略是用来确保列车运行安全。电池剩余容量可以用电池电压和电流计算(23]。电池参数和相应的操作控制策略如表所示5- - - - - -7。

4.2。操作控制策略出发和拉片

当火车离开车站,悬浮和车载设备的能量是由连接到公关的收藏家。为了运行到下一个ASA,所有车载电池必须评估。操作控制策略是满足最低容量要求悬浮和紧急制动(至少一次)。一旦火车速度低于最低悬浮极限,PPS将关闭,使列车漂浮到最近的ASA处于悬浮状态。

在拉片减速区,操作控制策略是利用动能和势能跑进车站,如图6。在靠近车站,如果初始速度> 100 km / h,滑翔距离和操作模式开关点(见点:从恒速滑行模式制动减速模式)是首先根据(1)- (8)和(13),使电池提供能量最小的距离 。另一方面,当初始速度< 100 km / h,悬浮和其它设备的能源提供的车载电池;动能和势能的滑翔距离从开关点B获得同样的开关点答:在这种情况下,操作控制策略是为其他车载设备切断电源,保证能源供应的悬浮和紧急制动。

4.3。部分连接列车运行控制策略

当连接列车运行方向相同的同一行,领先的位置和速度训练可以根据移动阻塞影响下面的训练原则。在这种情况下,主要训练被视为移动障碍下面的火车。如图7以下操作,保证安全,一起移动阻塞方法,主要训练状态,操作控制策略制定以下火车速度限制(即。速度限制6),可以满足以下区间,也留下一个安全系数。

通常情况下,领导背后的列车运行后超过安全距离。如果主要的火车减慢或执行紧急制动,下面一个执行相应的策略,以防止它撞上领先。在极端情况下,当主要的火车停在直线上基于某些原因,下面的操作控制策略训练是停止的ASA背后的主要培训至少一个安全的亚撒。

作为显示在图8在接下来的操作,如果列车车载电池的主要分解带紧急制动,以下通过RCS训练可以获得相关的数据。在这种情况下,两个操作控制策略可以制定节约电池能量以下培训:如果以下间隔足够长,下面的火车不能阻止在未来ASA因为高速,下面的火车可以加速到最大速度,海岸为一个特定的距离,然后刹车停止的ASA背后的主要训练(见曲线(B));如果当前速度相对较低,对下列火车制动停止在未来ASA(见曲线(A))。

5。仿真和实验结果

在本节中,一个模拟实施和执行一个实验来验证该操作控制策略的有效性,说明所得结果的正确性。的地图场景和草图所示的数据9和10;磁悬浮列车和线的参数描述表8。

火车的阻力和相应的减速速度不同,如图所示11。可以看出,总减速比1 m / s²。当火车速度低于10 km / h,减速主要是滑滑的。当10 km / h << 140 km / h,涡流制动的主要阻力提供了火车。然而,空气阻力和涡流制动供应火车时的阻力> 140 km / h。

车载电池的剩余容量是一个关键因素,影响操作控制策略制定。能距和速度距离曲线下紧急制动和固有电阻制动是如图12和13。从图12,最低运行点和相关能源悬浮和其他车载设备。当初始速度是400公里/小时,制动距离2.65公里,悬浮和其他训练设备的最低电池容量是4.38千瓦时。与此同时,最大运行速度和相应的能量可以从图13。在操作控制策略制定,亚撒在这两点可以选择停止火车。

在运行时,如果一个车载电池相关的紧急情况发生时,根据我们提出的操作控制策略,火车可以在恒速运行对于一个给定的距离,然后执行紧急制动停止火车快速消耗的电池能量尽可能小。从图14,可以看出,火车将消耗更少的车载电池的能量和总运行时间短在更高的初始速度。在我们的模拟中,初始速度是400公里/小时,距离火车中止点位置是根据表2774.5米8。从(1)- (8)和(13),紧急制动的距离与初始速度400公里/小时2651.3米,留下123.2火车运行在恒定的速度400公里/小时,总运行时间是54.8秒。从(11)和(12),能源消费总量为4.47千瓦时。

作为显示在图15连接列车,在接下来的操作,如果领导训练执行紧急或减慢基于某些原因,下列火车应该调整操作策略来防止崩溃。假设两列火车之间的距离是15公里。因为最小制动距离的初始速度400公里/小时2.65公里,包括车载电池的最小容量是4.38千瓦时,下面的火车的运行控制策略是加速到400公里/小时,运行约9.45公里,然后执行一个最大制动运行的ASA是背后的主要训练3公里左右(这里考虑到约3公里)的安全裕度。因此,以下操作连接列车的安全可以得到保证。

连接的火车,在关闭的情况下PPS的训练后,下列火车操作控制策略是评估以下两列火车之间的间隔是否大于流动距离和车载电池容量足以供应浮动的悬浮。如果这是真的,下面的火车可以漂浮到下一个亚撒。作为显示在图16浮动运行下面的火车,能量是54度,和浮动距离约6.6公里。因为下面的时间间隔大于流动距离,下面的火车可以浮动之间的ASA列车位置和最远的浮点数。

6。结论

本文考虑到车载电池状态监测,操作控制策略提出了保证操作的安全连接磁悬浮列车。车载电池温度和剩余的条件信息能力是商务通过TCN聚和物联网的收集;通过RCS连接列车共享条件数据。以下培训制定实时操作控制策略根据车载电池条件和主要列车的运行状态。给出了仿真和实验验证了该策略的有效性。

进一步的调查可能涉及操作控制策略形成连接火车考虑其他车载设备的状态和结合这些约束在一起。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这部分工作是支持基础研究基金为中央大学拨款2017 jbm017之下,在中国国家重点研发项目的一部分资助2016 yfb1200601,下部分由中国国家自然科学基金资助61573504,和在中国国家航空科学基金的一部分资助201501 m5001。

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