确定轨道车辆纵向动态行为变化的方法和装置与流程

本发明描述了一种方法和装置，用于确定轨道车辆的纵向动态行为、特别是底盘的纵向动态行为的变化，以识别轨道车辆的当前行驶状况。此外，本发明涉及一种计算机程序产品。

背景技术：

轨道车辆底盘的纵向动态行为的变化归因于不同的磨损状况、各个底盘部件之间的相对运动以及变化的环境状况(例如环境温度)、各个底盘部件的温度、湿度和污染。上面提到的影响主要导致两个纵向动态相关的方面。一方面，在制动盘和与制动盘相关联的制动衬块(brakepad)之间或在车轮和与车轮相关联的制动块之间的摩擦系数存在波动。另一方面，车轮或轮组与轨道车辆在其上移动的轨道之间的附着力存在波动。纵向动态的波动可以在轨道车辆的加速阶段和制动阶段期间发生。

对于现代轨道车辆，已知提供多个传感器并检测在制动或加速期间施加的力或扭矩。加速或制动力或加速或制动扭矩已知可用于控制或调节制动或加速动作，特别是避免车轮打滑(旋转)或锁定状况，并有效利用用于制动或加速的车轮和轨道之间的最大可能的附着力。然而，在轨道车辆上提供多个传感器是昂贵的并且需要大量的维护工作，因为这些传感器暴露于各种环境影响。

为了能够在任何时候保证足够的安全储备，通常基于预期的表示最坏车辆状况的参数来确定轨道车辆的潜在制动能力。这样做的缺点是，在某些情况下，计算出的制动能力可能会导致阻碍轨道车辆的经济运行的制动限制。例如，如果认为制动能力太低，则可能在某些轨道部分上造成不必要的速度限制。

从de102011113093a1中已知一种用于轨道车辆的制动系统的控制器，其制动系统包括根据附着力的摩擦制动设备。控制器配置成基于制动压力和至少一个其他参数来确定在制动动作期间施加的制动效果。因此，可以省略用于确定制动效果的制动力传感器或制动扭矩传感器。特别地，将减速度、车辆速度或至少一个车轮速度作为另一参数被检测，以便基于该参数确定车辆速度，或者如果车轮速度变化，则确定相应车轮的加速度或减速度。

从wo2015/128147a1中已知一种方法，该方法能够实际确定制动能力。这通过确定测量状况值并在计算制动能力时使用该测量状况值和至少一个其他测量值来完成。例如，这可以是车轮直径或车辆重量或空气悬架中的气压。所述另一个测量值指示车辆或车辆的车辆部件的状况。

现有的附着力控制方法基于关于轨道污染、气候状况等的操作状况的某些假设，并且在这些假设下优化车轮和轨道之间的附着力。因此可以避免高滑移值。但是，通常使用打磨来改善车轮和轨道之间的附着力。这进而导致车轮和轨道的磨损增加。

从wo2015/136137a1中已知一种方法，其中在一种模式下优化附着力并且在另一种模式下减少滑移损耗。在后一种情况下，减小了车轮和轨道之间的接触表面上的磨耗。

因此，从现有技术已知的这些方法取决于已知某些参数。结果，可能无法根据底盘和底盘结构来使用这些方法。另外，由于局部快速变化的摩擦状况，有必要手动、基于经验地调节制动力或驱动力，以观测制动距离并保持轮组和轨道以及驱动和制动部件的磨损较小。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种方法和装置，其允许更容易且独立于底盘结构来确定轨道车辆、，特别是底盘的纵向动态行为的变化。

该目的通过根据权利要求1的特征的方法、根据权利要求11的特征的计算机程序产品以及根据权利要求12的特征的装置来实现。有利的实施例可以从从属权利要求中得出。

提出了一种用于确定轨道车辆的纵向动态行为、特别是底盘的纵向动态行为的变化以识别轨道车辆的当前行驶状况的方法。该方法的特征在于，通过轨道车辆的系统模型借助于控制论观测器由已知的或计量确定的输入信号和作为观测的真实参考系统的观测的轨道车辆的至少一个另外的测量信号来重构和评估无法被测量并表征纵向动态行为的变量，其中观测的轨道车辆的该至少一个测量信号和系统模型的相应重构的测量信号进行比较，并且使用调节器来递归跟踪由比较而确定的偏差，以使确定的偏差最小化。

通过使用控制论观测器，所提出的方法仅需要几个测量信号。特别地，可以使用已经在常规制动或驱动控制中使用的测量信号。该方法允许表征在所有行驶和制动情景下的底盘动态，例如全制动、行车制动，并且使用至少一个测量信号的足够分辨率，还允许在摩擦值相关的制动情况下进行滑动保护干预。

根据底盘的类型，使用不同的基于传感器的测量信号的可能性允许实现易于接近的并且因此方便维护且具有成本效益的设计以确定纵向动态行为的变化。由于提供至少一个测量信号所需的传感器数量少，并且有可能以灵活的方式定位它们，因此可以最小化用于传感器和铺设连接电缆的工作量。

该方法可用于测量轨道车辆的纵向动态中的波动，特别是用于旅客列车的底盘(例如，转向架)。如果确保为提供至少一个测量信号所需的传感器单元供电，则在货运货车底盘中的应用也是可能的。

轨道车辆通常被理解为是有轨车辆，例如机车、轨道列车组、轨道车、有轨电车、地下车辆、货车(例如旅客列车和/或货运货车)。

用于使轨道车辆减速的制动器可以作用在车轮或轮组的制动盘上或作用在车轮的胎面上(块式制动器)。制动器可以可操作地连接至车轮、车轮组或多个车轮。制动器可以由多个部件或元件构成，特别地，制动器可以包括制动盘、作用在制动盘上的至少一个制动衬块、可操作地连接至制动衬块的卡钳和致动器。制动卡钳可以借助于两个轴承点可枢转地连接到控制台，其中，该两个轴承点以轴承距离彼此间隔开。制动盘具有旋转轴，该旋转轴在距两个轴承点中的(较近的)第一轴承点一定距离处，其中该距离可以称为安装尺寸。安装尺寸可以理解为关于安装的水平距离。控制台可以牢固地连接到轨道车辆的底架上。

可以响应于制动信号来致动制动器。制动信号可以是制动请求信号或制动请求的信号。当制动器被致动时，制动器的摩擦元件，例如制动衬块或制动块，可以抵消在车轮沿圆周方向或沿轨道车辆的车轮或轮组的运动方向的旋转期间作用的力。以这种方式，制动力矩可以从制动衬块被施加到制动盘，并由此被施加到车轮，或者从制动块被施加到车轮。

制动器可以是气动的、尤其是电动气动的制动系统，或是液压的、尤其是电动液压的制动系统的一部分。这样的制动器可以包括如上所述的若干制动器。制动器也可以是电动致动的制动器，其中，电动制动电流被转换成制动力以致动摩擦元件。

有利地，输入信号不仅被馈送到观测的真实参考系统，而且还被馈送到系统模型，从而模拟观测的真实参考系统的系统模型可以重构系统模型的测量信号。

在一种有利的实施例中，在轨道车辆的以下部件中的一个或多个上检测输入信号和/或至少一个测量信号：在有轨车车体上；在轨道车辆的底盘上；(在轨道车辆的至少一个转向架上；)在轨道车辆的至少一个轮组上。因此，用相应的测量传感器来检测至少一个测量信号因此可发生在轨道车辆的各个位置处，例如这样的位置：根据轨道车辆或底盘的设计，这些位置特别容易接近和/或被保护免受环境影响。这使得该装置特别容易维护并且具有成本效益地实现。

有利地，提供了在底盘或有轨车车体或轮组的相对侧上同时检测至少一个测量信号。在底盘或有轨车车体或轮组的侧向相对的位置上的两个传感器单元的组合使得可以将转弯效果与轨道车辆的制动或加速作用的纵向动态效果清楚地分开。

可以将制动致动器的制动压力或用于产生使轨道车辆减速的制动力的制动电流处理为输入信号。然后，可以根据法向力和摩擦系数来产生制动力，该法向力是通过将由制动致动器移动的制动衬块或制动块按压到制动盘或车轮上而产生的。这使得可以确定在制动动作期间纵向动态行为的变化。

如果将驱动力或用于产生使轨道车辆加速的力的电动机电流处理为输入信号，则可以评估轨道车辆加速的驱动场景。

借助于一个或多个测量传感器可以将大量不同的测量变量检测为至少一个测量信号。相似或不同的测量信号的组合也是可能的。

例如，可以将至少一个轮组的旋转速度或旋转速度的变化检测为至少一个测量信号。对旋转速度或旋转速度的变化的计量检测允许高精度地确定表征纵向动态行为的变量，因为旋转速度或旋转速度的变化与表征纵向动态行为的变量直接机械地相关联。

替代地或附加地，可以将传递纵向力的部件的应变、特别是拉/推杆或枢轴销或双纽线杆(lemniscatelever)或轮组引导件的应变处理为至少一个测量信号。应变例如可以由测量条和其他公知的传感器单元来检测。

替代地或附加地，可以将一个或多个弹簧级中的弹簧挠度处理为至少一个测量信号。可以借助于光学传感器单元、电缆拉力测量或感应工作柱塞(plunger)来测量弹簧挠度。

根据一个有利的实施例，对表征纵向动态行为的变量的评估包括对连续的底盘或有轨车车体或轮组的变量的比较。因此，来自在轨道车辆的行进方向上前进的底盘或有轨车车体或轮组的信息，例如有关车轮与轨道之间的接触的变化状况，可被处理为针对后面的底盘或有轨车车体或轮组的预测。通过比较连续的底盘或有轨车车体或轮组的结果，可以确定纵向动态行为的变化是否与轨道相关或具有在车辆侧上的原因。在若干底盘或有轨车车体或轮组上以时间延迟发生的纵向动态行为的变化表明轨道侧的影响。这些包括例如在车轮和轨道之间接触处的摩擦系数的与天气有关的变化。另一方面，仅发生在各个底盘或有轨车车体或轮组上的纵向动态行为的变化表明来自车辆侧的在相应的底盘或有轨车车体或轮组处的影响。

因此，该方法允许连续监测车轮或制动单元上的磨损，因为纵向动态行为的变化被(可被)连续地检测和记录。

该方法特别适用于这样的轨道车辆：其中存在准静态环境状况或变化的定性的时间进程是已知的。尽管优选地特别适用于旅客列车的底盘和轮组，但是如果确保对用于确定纵向动态行为变化的设备、特别是控制单元和至少一个传感器单元的供电，其也可以用在货运货车的底盘中。

该方法还提供了一种能够直接加载到数字控制器的内部存储器中并且包括软件代码段的计算机程序产品，当产品在控制器上运行时，该软件代码段可以执行本文所述方法的步骤。该计算机程序产品可以具有cd-rom、dvd、usb盘或其他存储介质的形式。该计算机程序产品还可以具有可以通过(无线或有线)网络被加载的信号的形式。

本发明还提供一种装置，该装置用于确定轨道车辆的纵向动态行为的变化、特别是底盘的纵向动态行为的变化，以识别轨道车辆的当前行驶状况。该装置包括控制单元和用于提供相应的测量信号的至少一个传感器单元。所述控制单元被配置为经由轨道车辆的系统模型借助于控制论观测器由已知的或计量确定的输入信号和作为观测的真实参考系统的观测的轨道车辆的至少一个测量信号来重构和评估无法测量且表征纵向动态行为的变量。控制单元还被配置为将观测的轨道车辆的至少一个测量信号与系统模型的相应重构的测量信号进行比较，并用调节器来递归跟踪由比较而确定的偏差，从而使确定的偏差最小化。

根据本发明的装置具有与以上结合根据本发明的方法所描述的优点相同的优点。

总之，本发明在控制论观测器中提供了不同传感器信号的组合。借助于控制论观测器，可以通过合成已知的或由计量确定的输入信号和至少一个测量信号并且基于模型评估轨道车辆的动态来清楚地识别轨道车辆的当前行驶状况。通过与计量检测的测量信号进行比较，来递归地调整基于模型的方法所确定的轨道车辆的底盘的动态，从而使计算的动态与轨道车辆的实际动态相关。该方法允许表征所有行驶和制动场景下的底盘动态，例如完全制动、行车制动以及具有摩擦相关制动的滑动保护干预。

附图说明

下面将针对实施例来更详细地解释本发明。在附图中：

图1是控制论观测器的当其用在根据本发明的方法中时的框图的示意图；

图2是示出根据时间的实际摩擦系数与由根据本发明的方法确定的摩擦系数的比较的图示；和

图3是示出根据图2所示的摩擦系数曲线的轨道车辆的时间相关平移纵向速度的曲线图。

具体实施方式

下文描述的用于确定纵向动态行为的变化的方法用于未在图中详细示出的轨道车辆。这种轨道车辆具有可移动地连接至彼此的一个或多个单元。联接设备被提供用于连接车辆单元。根据轨道车辆的设计，每个车辆单元可具有两个底盘，每个底盘均设有至少一个轮组。可替代地，具有两个车辆单元的轨道车辆也可以具有三个底盘，每个底盘设有至少一个轮组。底盘通常包括两个轮组。底盘的轮组均各自设有在轨道上运行的车轮。

可以在轨道车辆上设置多个传感器单元(简称：传感器)。轨道车辆可以例如具有一个或多个传感器，用于确定轨道车辆在车辆的纵向方向上的车辆速度和/或加速度或减速度。该加速度可以由于使轨道车辆加速的力而是正加速度，或者由于使轨道车辆减速的制动力而是负加速度。(正或负)加速度可以是轨道车辆的总加速度。如果将加速度传感器附接到相应的车辆单元，则加速度也可以是相应的车辆单元的相应(正或负)加速度。加速度例如可以是在轨道车辆的底盘或有轨车车体处发生的减速度。可以基于速度数据确定加速度。可以从时间进程(temporalcourse)和/或车辆速度的变化推断出减速度。可以通过考虑速度在比(正或负)加速度的持续时间短的时间段内的进程来确定减速度。因此可以提供，至少一个加速度传感器与每个车辆单元和/或底盘相关联。这样的传感器通常被指定用于监测行驶状况，从而可以使用现存的传感器来确定(正或负)加速度。

为了确定车辆速度，例如，可以提供雷达系统、光学传感器设备和/或用于接收卫星数据的通信设备，轨道车辆的控制设备连接或者可以连接至它们。

另外，可以提供传感器以确定至少一个轮组的旋转速度和旋转速度的变化。车轮速度的确定例如可以用于确定制动效果并且已经被安装在许多轨道车辆中。还可以想到，基于车轮速度数据来确定车辆速度。由与各个车轮或轮组相关联的车轮速度数据，可以确定与相应车轮或轮轴相关联的速度，例如圆周速度或车轮速度。除了车轮速度数据外，还可以考虑车轮半径。

从至少一个轮组的车轮速度的变化，例如可以得出在相关联的轮组或相关联的轮轴处的(正或负)加速度。

这种轨道车辆可以配备有传感器单元，以检测各个部件绕车辆的横向轴的倾斜运动。这种传感器单元优选地与相应的车辆横向轴相关联。例如，加速度传感器可以用于检测围绕车辆横向轴的加速度。

另外，轨道车辆可以配备有至少一个传感器单元，该传感器单元检测轨道车辆的车辆单元的相应弹簧级中的弹簧挠度。这种传感器可以借助于电缆拉力测量或通过感应柱塞而光学地实现。

借助于纵向力传感器，例如应变计，可以确定纵向力传递部件的应变。这种传感器单元可以与相应的推/拉杆、相应的枢轴销或双纽线杆或相应的轮组引导件相关联。

此外，可以设置制动压力传感器或制动电流传感器和/或制动效率传感器，例如与底盘或布置在底盘上的附着依赖性摩擦制动装置的摩擦制动设备相关联的制动力或制动扭矩传感器。通常，如果制动压力传感器或制动电流传感器能够检测单独致动摩擦制动设备的制动压力或制动电流，则可以认为该制动压力传感器或制动电流传感器与摩擦制动设备相关联。如果制动力传感器或制动扭矩传感器能够检测由摩擦制动设备或制动装置施加的制动力或相应的制动扭矩，则可以认为该制动力传感器或制动转矩传感器与摩擦制动设备或待由该摩擦制动设备制动的一组车轮相关联。

借助于下面描述的控制论观测器，可以使用基于统一模型的算法来模拟轨道车辆的列车组中时常不同的底盘上层结构。可以通过多个测量信号的组合来确保对轨道车辆的底盘动态的明确评估。

图1示出了控制论观测器1的基本结构的框图，其有助于执行用于确定轨道车辆的纵向动态行为的变化的方法。在本领域技术人员已知的方式中，控制论观测器1包括轨道车辆的系统模型20和用于加权系统模型20与观测的真实参考系统10的比较结果的单元26。观测的真实参考系统10(即观测的轨道车辆)的动态受输入信号u的影响，该输入信号u在第一输入端11处被馈送到观测的真实参考系统10。该输入信号u是可测量的信号。在用摩擦制动器来制动轨道车辆的情况下，输入信号u可以对应于制动系统/设备的制动压力。如果借助于电制动器来进行制动，则输入信号可以是用于产生使轨道车辆减速的制动力的制动电流。另一方面，如果要检测由于加速度而引起的纵向动态行为的变化，则输入信号u可以是驱动力或用于产生使轨道车辆加速的力的电动机电流。

观测的真实参考系统10的动态由状态x描述。这里，x可以是具有多个不同状态的向量。因为观测的真实参考系统10设置有如上所述的至少一个传感器单元，所以，在输出端13处提供至少一个测量信号y。这里，y可以是矢量，其矢量条目(vectorentry)的数量对应于(实际的)测量信号的数量。获得的测量信号可以源自相同和/或不同类型的传感器单元。

观测的真实参考系统10，即轨道车辆，也可以被不可测量的干扰z激励。这些不可测量的干扰z在第二输入端12处被馈送到参考系统10。干扰变量z被定义为所有那些影响车轮与轨道之间和/或制动衬块与制动盘和/或制动块和车轮之间的摩擦系数的影响。这也包括影响摩擦半径的那些影响，即，将制动衬块施加到制动盘上的点。此外，由于参考系统10(即，轨道车辆)的负载状况的变化而引起的总重量的变化可会作为干扰z而出现。

系统模型20表示参考系统10(即轨道车辆)的动态行为的模型。系统模型20可以例如由软件形成。如参考系统10一样，系统模型20也由输入信号u控制。输入信号u在第一输入端21处被提供给系统模型20。系统模型20在第一输出端22处确定至少一个重构的测量信号的值，该重构的测量信号例如也被提供为矢量。将测量信号的分别重构的矢量条目被分配给参考系统10的测量信号y的计量确定的矢量条目。

由于系统模型20通常不能模拟参考系统10的整个动态，并且参考系统10也受不可测量的干扰变量z的影响，因此系统模型20的动态行为先验地偏离参考系统10的实际行为。出于这个原因，将至少一个重构的测量信号(即其矢量条目)与计量确定的至少一个测量信号y(即分配的矢量条目)进行比较，该测量信号y在参考系统10的输出端13处被提供。这两个测量信号被提供给比较器25，比较器25产生差。偏差被提供给用于加权比较结果的单元26。偏差的l加权的反馈在第二输入端24处被提供给系统模型20。由单元26的加权进行成使得在一定时间段后，由系统模型20计算的重构的测量信号的行为对应于实际测量的至少一个测量信号y，即偏差在一定时间段之后变为零。此过程是自动且递归执行的。

在系统模型20的第二输出端23处，然后可以读取所需的动态值其表示轨道车辆的纵向动态行为。这些例如是不可测量的变量，例如车轮和轨道之间以及制动衬块和制动盘之间的速度和摩擦系数、制动力和制动扭矩等。此外，可以在系统模型20的第三输出端27处读取干扰变量

图2和3基于模拟结果示出了用于制动过程的程序的结果。图2示出了作为时间t的函数的制动衬块和制动盘之间的摩擦系数曲线μ(t)。图3示出了作为相同时间段的函数的纵向速度v(t)的变化。显示了从t＝30s到t＝80s的时间段。假设在t＝35s到t＝80s的时间内，轨道车辆轮组以恒定的制动压力制动。图2和图3中实线所示的相应曲线zμ，xv示出轨道模型的时间曲线，而虚线表示系统模型20的计算值在此示例中，除轮组速度ω外，还假设测量轮组的平移纵向速度v，即它们在参考系统10的输出端13处被提供为测量信号y。

图2示出了在制动垫和制动盘之间的摩擦系数μ的时间进程，其是在以恒定的制动压力制动期间的波动影响所致。实际摩擦系数(实线)的示意变化通过上述变化的反馈和(通过数值模拟、测试或计算)所选择的单元26的设计来表示以由系统模型来加权比较结果。在图3中示出了作为参考系统10的状态x之一并且作为表征系统模型20的纵向动态行为的变量之一的纵向速度v。在输出端13处提供的测量信号y和在系统模型的第一输出端22处提供的重构的测量信号的偏差的反馈使系统模型20计算出的运动与实际的系统行为相关联。

在t＝40s和t＝70s之间减小的摩擦系数μ的效果使得纵向速度v在指定的时间范围内下降较慢，这使得更长的制动距离，并因此可表示安全风险。

在所示的示例中，该方法的应用允许基于计算的制动衬块和制动盘之间的摩擦系数μ来确定必要的制动压力，这对于维持规定的制动距离是必要的。该确定是是在控制单元中进行的，该控制单元的设计和程序不是本发明的主题。

此外，已知摩擦系数μ可以得出关于制动衬块的磨损状况的结论，这可以进行以状况定向的维护。

因此，可以以适当的方式将从前轮组或底盘或有轨车车体获得的信息提供为针对后轮组或底盘或有轨车车体的预测。该评估也可以在控制单元中进行，而不是本文考虑的主题。通过比较连续的轮组或底盘或有轨车车体的结果，可以清楚地看出这些结果是轨道相关的影响还是车辆侧的作用。在若干传感器单元处检测的带有时间延迟的变化表示轨道侧的影响。相反，仅在各个传感器单元上出现的波动表明车辆侧的影响。

附图标记列表

1控制论观测器

10观测的真实参考系统

11用于输入信号u的第一输入端

12用于干扰信号z的第二输入端

13用于测量信号y的输出端

20系统模型

21用于输入信号u的第一输入端

22用于重构的测量信号的第一输出端，

23用于观测变量的第二输出端

24第二输入端

25比较器

26用于加权比较结果的单元

27用于重构的干扰的第三输出端

u输入信号

y测量信号

x状态变量

重构的测量信号

重构的状态变量

z干扰

重构的干扰