一种列车紧急制动建模及模型辨识方法技术

本发明专利技术公开了一种列车紧急制动建模及模型辨识方法，包括以下步骤：对列车紧急制动过程中制动力，阻力，速度与加速度的关系进行分析；根据牛顿第二定理，对状态进行离散化，建立了列车参数化紧急制动模型；基于最大期望辨识算法，构造列车条件数学期望，最大化条件数学期望；采用梯度寻优法，得到紧急制动参数的最优估计值。实验结果表明，本发明专利技术方法建立的列车紧急制动模型更加贴合列车实际运行环境，制动模型辨识速度快、精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种列车紧急制动建模及模型辨识方法
本专利技术属于轨道交通运行安全
，涉及一种列车紧急制动建模及模型辨识方法。
技术介绍
列车以其诸多优势，如运输能力强，运行速度高，环境污染小，经济效益高等，已成为我国优先发展的绿色交通工具。随着经济的发展与人们乘车需求的旺盛增加，列车的运营速度将被提高，诸多安全性问题也将随之而来。因此，针对列车的基础性研究至关重要。列车的安全运行过程由多个部分组成，分别为列车牵引过程、列车惰性过程、列车制动过程。其中，牵引过程由启动和加速过程组成，制动过程包括以多种制动方式综合作用的常用制动和以纯空气制动为主的列车紧急制动。牵引过程作为列车运行过程中重要的组成部分，已经取得了较成熟的研究，建立了准确的列车运行牵引模型。然而，制动过程作为列车安全运行的另一重要组成部分，针对其的研究却不够深入，在制动过程中出现的种种问题仍需解决。其中，紧急制动作为列车制动系统中最为关键的装置之一，在列车运行过程出现影响安全的重大故障或意外情况时，是保证列车安全稳定运行的最后一道屏障，因此，针对列车紧急制动过程的有效建模与制动参数的辨识显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种列车紧急制动建模及模型辨识方法，解决了现有技术中对于列车紧急制动过程的建模不准确，模型辨识效果精度不高的问题。为实现上述目的，本专利技术所采用以下技术方案：一种列车紧急制动建模及模型辨识方法，包括如下步骤：步骤1：列车制动力分析：列车制动力是由安装在列车车身上的制动装置产生的使列车减速停止的力，采用摩擦制动作为列车紧急制动的主要装置，摩擦制动的主要实现方式是通过制动缸产生空气压力，然后将空气压力通过多种传动方式有效地作用到车身的闸片上，通过闸片与列车的制动盘产生有效地摩擦，从而产生使列车减速并停止的列车制动力，当列车处于紧急制动状态时，列车制动缸会将最大空气压力作用到闸片上，产生最大的制动力，使列车在最短的时间内停止；盘形制动器每块闸片产生的制动力B：式中dz为制动缸直径(mm)；Pz为制动缸空气压力(kPa)；ηz为基础制动装置计算传动效率；γz为制动倍率；rz为制动盘摩擦半径(mm)；Rc为车辆车轮直径(mm)；μ为摩擦系数；N为车辆闸片总数；步骤2：列车基本阻力分析：列车的基本阻力W存在于列车的任意工况下，基本阻力的大小与多个因素有关，包括车辆的结构和技术状态、轴重、线路情况、气候条件以及列车运行速度；列车基本阻力采用以下公式：W＝M·(c0+c1·v+c2·v2)·g·10-3式中M为列车重量，c0，c1，c2为列车阻力系数，v为列车运行速度(km/h)，g为重力加速度9.8m/s2；步骤3：列车附加阻力分析：列车在通过某些特殊道路时，包括坡道、曲线、隧道，产生的额外阻力被称为列车附加阻力I，常见的附加阻力有坡道附加阻力ωi、曲线附加阻力ωr、隧道附加阻力ωs，充分考虑多种附加阻力，使建立的列车模型更加贴近列车的实际运行状态，列车附加阻力即：I＝M·(ωi+ωr+ωs)·g·10-3式中M为列车重量，ωi，ωr，ωs分别为单位坡道附加阻力、单位曲线附加阻力和单位隧道附加阻力；步骤4：列车受到的合力为：F＝B+W+I；步骤5：根据牛顿第二定理，计算列车制动过程的减速度a为：步骤6：对速度v和位移S离散化，得到差分形式：vt+1＝vt-3.6·a·T式中vt为t时刻的速度值(m/s)，St为t时刻的位移值(m)；T为采样间隔(s)；步骤7：建立高速列车紧急制动状态空间模型：yt＝[10]xt+et式中xt为2维向量，第一维表示制动距离，另一维表示制动速度，yt表示列车t时刻的观测值，即：wt代表列车紧急制动过程中，列车所处运行环境的复杂性对列车位移和速度产生的干扰，et代表列车位移测量中存在的误差；为了使本专利技术建立的列车紧急制动模型更加贴近列车实际运行状态，wt和et皆设定为非高斯噪声，wt和et的具体分布依据列车的运行工况来确定；步骤8：观测并记录列车输出位移向量序列YN＝{y1,…,yN}，设定待估计参数向量θ＝[Pz,ηz,γz,μ]T；步骤9：由于列车状态XN的速度分量中含有不可观测的制动参数向量，因此将列车位移和速度组成的状态序列XN＝{x1,…,xN}视为不可完全可测数据，计算XN与YN组成的全部数据的联合对数概率密度函数Lθ(XN,YN)：式中pθ(Ω|Δ)表示当列车的制动参数为θ时，Δ情况下随机向量Ω的概率密度，依据模型的马尔可夫特性求取；步骤10：设定当前列车的参数估计值为θk，计算Lθ(XN,YN)的期望值Q(θ,θk)的解析解：Q(θ,θk)＝I1+I2+I3步骤11：采用粒子滤波与粒子平滑计算Q(θ,θk)的数值解：Q(θ,θk)＝I1+I2+I3式中，表示t时刻第i个粒子滤波后的权重，表示以列车所有输出序列YN为条件的粒子的平滑权重；步骤12：采用梯度寻优法，计算使条件数学期望估计最大的参数向量估计值θ；步骤13：若参数的估计值满足精度要求，则算法停止，输出参数；否则，返回步骤11继续迭代计算。本专利技术的有益效果是：针对列车紧急制动过程中的实际动态行为，通过分析列车紧急制动机理，建立了参数化的列车紧急制动模型，并基于最大期望算法(ExpectationMaximization，EM)，对列车紧急制动参数进行了辨识，辨识结果精度高、收敛速度快、可移植性强，具有较强的实用性和可行性。附图说明图1为本专利技术高速列车紧急制动建模及模型辨识方法流程框图；图2是经本专利技术方法得到的传动效率辨识结果图。图3是经本专利技术方法得到的制动缸空气压力辨识结果图。图4是经本专利技术方法得到的制动倍率辨识结果图。图5是经本专利技术方法得到的摩擦系数辨识结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。一种列车紧急制动建模及模型辨识方法，包括以下步骤：对列车紧急制动过程中制动力，阻力，速度与加速度的关系进行分析；根据牛顿第二定理，对状态进行离散化，建立了列车参数化的紧急制动模型；基于最大期望辨识算法，构造列车条件数学期望，最大化条件数学期望；采用梯度寻优法，得到紧急制动参数的最优估计值。具体按照以下步骤实施：步骤1：列车制动力分析：列车制动力是由安装在列车车身上的制动装置产生的使列车减速停止的力；本专利技术采用摩擦制动作为列车紧急制动的主要装置，摩擦制动的主要实现方式是通过制动缸产生空气压力，然后将空气压力通过多种传动方式有效地作用到车身的闸片上，通过闸片与列车的制动盘产生有效地摩擦，从而产生使列车减速并停止的列车制动力。当列车处于紧急制动状态时，列车制动缸会将最大空气压力作用到闸片上，产生最大的制动力，使列车在最短的时间内停止。盘形制动器每块闸片产生的制动力B：式中dz为制动缸直径(mm)；Pz为制动缸空气压力(kPa)；ηz为基础制动装置计算传动效率；γz为制动倍率；rz为制动盘摩擦半径(mm)；Rc为车辆车轮直径(mm)；μ为摩擦系数；N为车辆闸片总数；步骤2：列车基本阻力分析：列车的基本阻力W存在于列车的任意工况下，基本阻力的大小与很多因素有关，如车辆的结构和技术状态、轴重、线路情况、气候条件以及列车运行速度等。列车基本阻力大小随着速度的高低有所变化，如下所示：W＝M·(c0+c1·v+c2·v2)·g·本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种列车紧急制动建模及模型辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：对列车紧急制动过程中制动力，阻力，速度与加速度的关系进行分析；根据牛顿第二定理，对状态进行离散化，建立了列车参数化的紧急制动模型；基于最大期望辨识算法，构造列车条件数学期望，最大化条件数学期望；采用梯度寻优法，得到紧急制动参数的最优估计值；具体步骤如下：步骤1：列车制动力分析：列车制动力是由安装在列车车身上的制动装置产生的使列车减速停止的力，采用摩擦制动作为列车紧急制动的主要装置，摩擦制动的主要实现方式是通过制动缸产生空气压力，然后将空气压力通过多种传动方式有效地作用到车身的闸片上，通过闸片与列车的制动盘产生有效地摩擦，从而产生使列车减速并停止的列车制动力，当列车处于紧急制动状态时，列车制动缸会将最大空气压力作用到闸片上，产生最大的制动力，使列车在最短的时间内停止；盘形制动器每块闸片产生的制动力B：

【技术特征摘要】
1.一种列车紧急制动建模及模型辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：对列车紧急制动过程中制动力，阻力，速度与加速度的关系进行分析；根据牛顿第二定理，对状态进行离散化，建立了列车参数化的紧急制动模型；基于最大期望辨识算法，构造列车条件数学期望，最大化条件数学期望；采用梯度寻优法，得到紧急制动参数的最优估计值；具体步骤如下：步骤1：列车制动力分析：列车制动力是由安装在列车车身上的制动装置产生的使列车减速停止的力，采用摩擦制动作为列车紧急制动的主要装置，摩擦制动的主要实现方式是通过制动缸产生空气压力，然后将空气压力通过多种传动方式有效地作用到车身的闸片上，通过闸片与列车的制动盘产生有效地摩擦，从而产生使列车减速并停止的列车制动力，当列车处于紧急制动状态时，列车制动缸会将最大空气压力作用到闸片上，产生最大的制动力，使列车在最短的时间内停止；盘形制动器每块闸片产生的制动力B：式中dz为制动缸直径(mm)；Pz为制动缸空气压力(kPa)；ηz为基础制动装置计算传动效率；γz为制动倍率；rz为制动盘摩擦半径(mm)；Rc为车辆车轮直径(mm)；μ为摩擦系数；N为车辆闸片总数；步骤2：列车基本阻力分析：列车的基本阻力W存在于列车的任意工况下，基本阻力的大小与多个因素有关，包括车辆的结构和技术状态、轴重、线路情况、气候条件以及列车运行速度；列车基本阻力采用以下公式：W＝M·(c0+c1·v+c2·v2)·g·10-3式中M为列车重量，c0，c1，c2为列车阻力系数，v为列车运行速度(km/h)，g为重力加速度9.8m/s2；步骤3：列车附加阻力分析：列车在通过某些特殊道路时，包括坡道、曲线、隧道，产生的额外阻力被称为列车附加阻力I，常见的附加阻力有坡道附加阻力ωi、曲线附加阻力ωr、隧道附加阻力ωs，充分考虑多种附加阻力，使建立的列车模型更加贴近列车的实际运行状态，列车附加阻力即：I＝M·(ωi+ωr+ωs)·g·10-3式中M为列车重量，ωi，ωr，ωs分别为单位坡道附加阻力、单位曲线附加阻力和单位隧道附加阻力；步骤4：列车受到的合力为：F＝B+W+I；步骤5：根据牛顿第二定理，计算列车制动过程的减速度a为：步骤6：对速度v和位移S离散化，得到差分形式：vt+1＝vt-3.6·a·T式中vt为t时刻的速度值(m/s)，St为t时刻的位移值(m)；T为采样间隔(s)；步骤7：建立高速列车紧急制动状态空间模型：yt＝[10]xt+et式中xt为2维向量，第一维表示制动距离，另一维表示制动速度，yt表示列车t时刻的观测值，即：wt代表列车紧急制动过程中，列车所处运行环境的...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢国，金永泽，梁莉莉，惠鏸，黑新宏，赵金伟，马维刚，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61