СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫМ ПРИВОДОМ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
METHOD FOR CONTROL OF RAIL VEHICLE COMBINATION DRIVE

Изобретение относится к способу управления комбинированным приводом рельсового транспортного средства, в котором электронный график движения поездов задается в виде скоростей на участках пути с помощью устройства управления поездом.
В способе управления комбинированным приводом, известном из DE 102 26 143 В4, вид привода предлагается в зависимости от стратегии режима движения. Предложенная стратегия режима движения полагается принятой, если машинист не вмешивается в работу системы. Если же, наоборот, машинист на короткое время использует ездовую или тормозную педаль, то предложенная стратегия режима движения отвергается и рассчитывается новая стратегия режима движения. Это происходит до тех пор, пока не будет достигнуто стационарное состояние, при котором дополнительных кратковременных изменений больше не происходит. Стратегия режима движения определяется на основе энергетического профиля, например, с точки зрения расхода топлива или требуемого времени. Энергетический профиль, в свою очередь, рассчитывается на основе данных от машиниста о рельсовом транспортном средстве, об участках пути и на основе метеоданных, а также специфических данных от машиниста. Данные об участках пути считываются с цифровой дорожной карты с помощью высотных показаний или посредством GPS. С помощью системы RDS-TMC (Radio Data System - Traffic Message Channel) энергетический профиль должен адаптироваться к ожидаемым измененным условиям на путях сообщения или условиям перевозок, например, к заторам. Однако для преобразования никаких других вариантов не было сделано. Предложенный способ рассчитан на транспортное средство и определяемую в конечном счете установку вида привода машинистом, по которым экономию топлива оценить трудно.
В основу изобретения положена задача создания способа управления комбинированным приводом рельсового транспортного средства, учитывающего рамочные условия этой транспортной системы.
Изобретение решает эту задачу с помощью способа с признаками пункта 1 формулы изобретения. Варианты выполнения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Рамочные условия для эксплуатации рельсового транспортного средства заданы электронным графиком движения поездов, считываемым до начала движения по радиорелейной связи устройством управления поездом. В электронный график движения поездов заложены скорости по участкам пути и тем самым временные рамки между двумя точками пути. Таким образом, способ заключается в том, что до начала движения относящиеся к участкам пути виды привода рельсового транспортного средства предикативно определяются с помощью электронного графика движения поездов. Затем в режиме движения определяется позиционное отклонение фактического положения от задаваемого (номинального) положения рельсового транспортного средства, полученного из электронного графика движения поездов. По позиционному отклонению, в свою очередь, рассчитывается резервное время. Затем на основе резервного времени вид привода или сохраняется, или заменяется. Например, при отрицательном резервном времени в смысле опоздания осуществляется перевод на вид привода с большей отдачей мощности.
Из соображений безопасности перед активацией вида привода с большей отдачей мощности проверяется, значительно ли отклоняется ожидаемая скорость от той скорости, которая определена электронным графиком движения поездов. При значительном отклонении сначала необходимо получить разрешение от поста управления, для чего последний, например, предоставляет модифицированный электронный график движения поездов. Это соображение относится также к тому случаю, когда должен инициироваться вид привода с более низкой отдачей мощности.
Для предикативного установления относящихся к участкам пути видов привода до начала движения в качестве предикативного оператора используется соответствующая модель. С помощью этой модели определяются также задаваемые (номинальные) параметры системы комбинированного привода, например задаваемая мощность двигателя. В режиме движения считываются фактические параметры системы и рассчитывается отклонение фактических параметров системы от заданных. Затем в результате анализа предельных значений принимается решение относительно того, будет ли осуществлено вмешательство в работу системы или модель будет обучаться (тренироваться) с помощью фактических параметров системы. Выходной параметр модели определяется с помощью оптимизации и алгоритма вычисления, например, посредством принципа максимума Понтрягина и посредством динамического программирования Бельмана. В качестве дополнительной меры безопасности предусмотрено, чтобы модель контролировалась управлением безопасности. Управление безопасности проверяет входные параметры, выходные параметры и внутренние параметры модели. Поскольку степень заряженности электрического аккумулятора энергии, состоящего, например, их нескольких литий-ионных аккумуляторов (Super-Caps), является, с точки зрения безопасности, критической, она контролируется и при неприемлемых величинах аккумулятор энергии ступенчато или полностью деактивируется.
Предикативное регулирование относится к классу базирующихся на моделях способов регулирования и позволяет предсказывать в будущем так называемый предикативный горизонт. Центральной идеей изобретения является использование электронного графика движения поездов, который в сочетании с профилем высот в качестве способа прогнозирования выгодным образом в полном объеме использует потенциал экономии топлива. Это означает, что используемая энергия минимизируется с помощью предикативного регулирования. Поэтому для потребителя снижаются эксплуатационные затраты. Само собой разумеется, что модель предлагает также возможность составления и записи индивидуальной модели поведения машиниста рельсового транспортного средства. В этом случае при повторном проезде того же участка пути с тем же машинистом рельсового транспортного средства можно обратиться к этой индивидуальной модели поведения.
На фигурах изображен предпочтительный пример выполнения, где
фиг.1 - информационная структура в виде блок-схемы,
фиг.2 - блок-схема программы,
фиг.3 - первая подпрограмма ПП1, и
фиг.4 - вторая подпрограмма ПП2.
На фиг.1 в виде блок-схемы изображена информационная структура комбинированного привода для рельсового транспортного средства. Типичным образом комбинированный привод содержит двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, передачу, электрические преобразователи и электрический аккумулятор энергии, например литий-ионный аккумулятор (Super-Caps). К общей электронной шине 1 данных, например к системе шин с интерфейсом CAN или Ethernet, подсоединены устройство 2 (УПП) управления поездом, устройство 3 (УУД) управления двигателем, устройство 4 (УП) управления передачей, устройство 5 (УУА) управления аккумулятором, устройство 6 (УУПР) управления преобразователем и в качестве примера устройство 7 управления выхлопными газами (SCR=селективное восстановление). Устройства 2-7 управления, подсоединенные к шине 1 данных, являются как приемниками, так и передатчиками. Аналогичным образом к шине 1 данных подсоединен блок 8 в качестве приемника железнодорожной радиорелейной связи и данных GPS. С помощью железнодорожной радиорелейной связи устанавливается электронный график движения поездов с заложенной электронной путевой картой на шине данных. Данные GPS включают в себя фактическое положение и текущую высоту.
Эта информационная структура дополняется моделью 9 в качестве предикативного оператора и управлением 15 безопасности. Управление 15 безопасности контролирует входные параметры, выходные параметры и параметры модели 9. Входными параметрами модели 9 являются электронный график SPL движения поездов, фактические параметры ПС(IST) системы и текущая высота Hh. Электронный график SPL движения с заложенной электронной путевой картой предоставляется устройством 2 управления поездом. В электронном графике SPL движения поездов содержатся относящиеся к участкам пути скорости, например допустимая скорость между точкой А пути и точкой В пути. На основании относящихся к участкам пути скоростей определено также время движения между этими точками пути. Текущая высота Hh поступает с блока 8 на шине 1 данных. Фактические параметры ПС(IST) системы поступают с устройства 3 управления двигателем и полностью соответствуют имеющимся отдельным данным всех подключенных к шине 1 данных устройств 2-7 управления, включая блок 8. Под ними следует понимать, например, фактическое число оборотов двигателя внутреннего сгорания, фактическую мощность двигателя, фактический расход топлива, состояние аккумулятора энергии, фактическое положение рельсового средства, температуру масла, аккумулятора энергии, охлаждающей воды и преобразователей. Выходным параметром модели 9 является сигнал D1, подаваемый на устройство 3 управления двигателем.
Внутри модели 9 в качестве функциональных блоков расположены базирующееся на моделях вычислительное устройство 10, устройство 11 сравнения, запоминающее устройство 12, оптимизатор 13 и алгоритм 14 вычисления в виде функционального блока. В вычислительном устройстве 10 участок регулирования отображен математически. Входными параметрами вычислительного устройства 10 являются электронный график SPL движения поезда, текущая высота Hh и сигнал S2. С помощью вычислительного устройства 10 вычисляются заданные параметры ПС(SL) системы, например заданное положение или заданная мощность двигателя. Заданные параметры ПС(SL) системы подаются на устройство 11 сравнения и параллельно записываются относительно к участкам пути в запоминающем устройстве 12. С помощью устройства 11 сравнения заданные параметры ПС(SL) системы, фактические параметры ПС(IST) системы и данные, записанные в запоминающем устройстве 12 (сигнал D1) сравниваются между собой. Полученное из этого отклонение dS, с одной стороны, записывается в запоминающем устройстве 12, а с другой, подается в оптимизатор 13 в качестве входного параметра. С помощью оптимизатора 13 в зависимости от задаваемого весового коэффициента k отклонение dS оценивается с точки зрения затрат. Если отклонение dS меньше задаваемой предельной величины, сохраняется последняя величина, т.е. никакой дальнейшей оптимизации не происходит. Если отклонение dS больше предельной величины, то в качестве выходного параметра полагается текущее значение, сигнал S1. Значения S1 сигнала соответствуют функции затрат, определяемой с помощью принципа максимума Понтрягина и с помощью динамического программирования Бельмана. В последующем алгоритме 14 вычисления сигнал S1 оценивается с помощью задаваемого алгоритма. Используемыми для этого известными алгоритмами являются метод Левенберга-Марквардта (Levenberg-Marquart), метод Ньютона или способ Нелдера-Мида (Nelder-Meat). Выходной параметр алгоритма 14 вычисления соответствует характеристике управляющего воздействия рассматриваемого предикативного горизонта, обратно связывающегося с вычислительным устройством 10 в качестве сигнала S2. С помощью цепи обратной связи с использованием оптимизатора 13 и алгоритма 14 вычисления базирующееся на моделях вычислительное устройство 10 тренируется до тех пор, пока не будет найден минимум. В запоминающем устройстве 12 записаны относительно к участкам пути как отклонение dS, так и заданные параметры ПС(SL) системы.
До начала движения с помощью модели 9 на основании электронного графика SPL движения поездов и профиля высоты перегона прогнозируются относящиеся к участкам пути виды привода. Последние записываются в записывающее устройство 12 относительно к участкам пути, например вид привода типа чистого двигателя внутреннего сгорания на участке пути с подъемом или вид привода с рекуперацией (обратным питанием энергией) на участке пути движения под уклон. В режиме движения управляющее устройство 2 двигателя на основе данных D1 оценивает текущее состояние всей системы и в случае необходимости по шине 1 данных вызывает изменение вида привода. Это более подробно поясняется на примере позиционного отклонения.
Заданное положение определяется вычислительным устройством 10 как один из заданных параметров ПС(SL) системы. Фактическое положение, как один из фактических параметров ПС(IST) системы, вводится в качестве входного параметра в модель 9 с устройства 5 управления двигателем. Устройство 11 сравнения вычисляет отклонение dS фактических параметров ПС(IST) системы от заданных параметров ПС(SL) системы. Таким образом, отклонение dS в этом примере соответствует позиционному отклонению. Последнее записывается в записывающее устройство 12 относительно к участкам пути. Величины D1 данных циклически считываются и оцениваются устройством 2 управления двигателем. Для этого устройство 2 управления двигателем на основе величины D1 данных, характеризующей позиционное отклонение, вычисляет резервное время. При отрицательном резервном времени в смысле опоздания осуществляется перевод на вид привода с большей отдачей мощности. При наличии резервного времени в пределах допуска вид привода сохраняется, а при наличии положительного резервного времени в смысле досрочного прибытия осуществляется перевод на вид привода с минимальным расходом энергии. Если прибытие рельсового транспортного средства в очередную точку пути, например на вокзал, намечается с опозданием, то устройство 3 управления двигателем инициирует переход на комбинированный вид привода из двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Комбинированный вид привода вызывает повышение ожидаемой скорости. Из соображений безопасности до активации вида привода с большей отдачей мощности проверятся, насколько значительно ожидаемая скорость отклоняется от скорости, определенной электронным графиком движения поезда. В случае значительного отклонения сначала необходимо получить разрешение от поста управления, в котором последний, например, представляет модифицированный электронный график движения поезда.
На фиг.2 изображена блок-схема программы способа. За основу блок-схемы программы был взят ранее описанный пример позиционного отклонения.
При S1 электронный график SPL движения поездов с помощью заложенной путевой карты считывается по железнодорожной радиорелейной связи и записывается в устройстве управления поездом. До начала движения при S2 с помощью модели относящиеся к участкам пути виды АА привода предикативно определяются и записываются в записывающем устройстве (12, фиг.1). Затем в практическом режиме движения при S3 для адаптации (подгонки) модели осуществляется ответвление в первую подпрограмму ПП1. Первая подпрограмма ПП1 изображена на фиг.3 и поясняется в связи с ней. После возврата из первой подпрограммы ПП1 при S4 для проверки аккумулятора энергии происходит ответвление во вторую подпрограмму ПП2. Вторая подпрограмма ПП2 изображена на фиг.4 и поясняется в связи с ней. При S5 с помощью базирующегося на моделях вычислительного устройства (10, фиг.1) заданное положение ПОЛ(SL) рельсового транспортного средства рассчитывается в качестве одного из заданных параметров системы, а при S6 фактическое положение ПОЛ(IST) считывается из устройства управления двигателем в качестве одного из фактических параметров системы. Вслед за этим при S7 фактическое положение ПОЛ(IST) сравнивается с заданным положением ПОЛ(SL), откуда определяется отклонение (dS, фиг.1), здесь позиционное отклонение dПОЛ. Позиционное отклонение dПОЛ записывается в запоминающем устройстве относительно к участкам пути и циклически считывается устройством управления двигателем. По позиционному отклонению dПОЛ устройство управления двигателем при S8, в свою очередь, рассчитывает резервное время tРЕЗ. Вслед за этим при S9 резервное время tРЕЗ оценивается. Если оно укладывается в пределы ПД(tРЕЗ=ПД) допуска, то при S10 актуальный вид АА привода сохраняется и от точки А продолжается выполнение программы. Если резервное время tРЕЗ выходит за пределы ПД допуска и является отрицательным в смысле опоздания (tРЕЗ<0), то при S11 происходит перевод на вид АА1 двигателя с большей мощностью отдачи и продолжается выполнение программы. Если резервное время tРЕЗ выходит за пределы ПД допуска и является положительным в смысле досрочного прибытия (tРЕЗ>0), то по сигналу S12 происходит перевод на вид АА2 двигателя с минимальным расходом энергии и продолжается выполнение программы при S13.
Если при S11 или S12 рассчитано изменение вида привода, то при S13 проверяется, укладывается ли ожидаемая скорость vОЖ в допустимые пределы ПДv, заданные графиком движения поездов. При положительном результате (S13: да) при S16 устанавливается соответствующий вид привода и выполнение программы продолжается от точки А. При отрицательном результате (S13: нет), т.е. если ожидаемая скорость vОЖ выходит за допустимые пределы ПДv, то при S14 проверяется наличие разрешения от поста управления. Если оно есть (S14: да), то при S15 считывается модифицированный график SPLm движения поездов, при S16 активируется ранее определенный вид привода и от точки А продолжается выполнение программы. Если пост управления не дает разрешения (S14: нет), прежний вид АА привода остается, S10, и от точки А продолжается выполнение программы. Вслед за точкой А при S17 проверяется наличие особого случая. Особым случаем является, например, место замедления движения или участок пути с предписанным видом привода, как, например, чисто электрический вид привода на участке вокзала. Если имеет место особый случай (S17: да), устанавливается предписанный вид привода, S18, и выполнение программы заканчивается. Если особый случай отсутствует (S17: нет), остается актуальный вид привода и выполнение программы заканчивается.
На фиг.3 изображена первая подпрограмма ПП1, являющаяся ответвлением из S3 в блок-схеме программы на фиг.2. В соответствии с первой подпрограммой ПП1 оцениваются параметры системы и тренируется базирующееся на моделях вычислительное устройство (10, фиг.1) для вычисления заданных параметров системы. При S1 с помощью базирующегося на моделях вычисления определяются и считываются заданные параметры ПС(SL) системы. После этого при S2 из устройства управления двигателем считываются фактические параметры ПС(IST) системы, а при S3 фактические параметры ПС(IST) системы сравниваются с заданными параметрами ПС(SL) системы. Затем получаемое из этого отклонение dS при S4 сравнивается с предельной величиной ПВ. Если отклонение dS меньше предельной величины ПВ (S4: нет), то ничего не происходит, S5. Это означает, что базирующееся на моделях вычисление уже оптимизировано. После этого осуществляется возврат к S3 в блок-схеме программы на фиг.2. Если при S4 устанавливается, что отклонение dS больше предельной величины ПВ (S4: да), то при S6 базирующееся на моделях вычисление адаптируется (13, 14, фиг.1) и осуществляется возврат к S3 в блок-схеме программы на фиг.2.
На фиг.4 изображена вторая подпрограмма ПП2, являющаяся ответвлением из S4 в блок-схеме программы на фиг.2. В соответствии со второй подпрограммой ПП2 проверяется аккумулятор энергии, например литий-ионный аккумулятор. При S1 устройством управления двигателем по шине данных считывается состояние аккумулятора энергии. Соответствующие данные аккумулятора энергии выдаются устройством (УУА) управления аккумулятором на шину данных. После этого при S2 они проверяются на достоверность. Если они достоверны (т.е. приемлемы) (сигнал S2: да), осуществляется возврат к S4 в блок-схеме программы на фиг.2. В случае недостоверных данных (сигнал S2: нет) отдельные или все элементы аккумулятора энергии деактивируются, выдается сигнал ошибки (флажок ошибки), а затем осуществляется возврат к S4 в блок-схеме программы на фиг.2.
Перечень позиций
1. Шина данных
2. Устройство управления движением поезда (УУП)
3. Устройство управления двигателем (УУД)
4. Устройство управления передачей (УП)
5. Устройство управления аккумулятором (УУА)
6. Устройство управления преобразователем (УУПР)
7. Устройство управления выхлопными газами (SCR)
8. Блок
9. Модель
10. Базирующееся на моделях вычислительное устройство
11. Устройство сравнения
12. Запоминающее устройство
13. Оптимизатор
14. Алгоритм вычисления
15. Управление безопасности