一种极端环境下铁路桥上列车脱轨控制方法、系统、终端设备及可读存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种极端环境下铁路桥上列车脱轨控制方法、系统、终端设备及可读存储介质，所述方法针对大风、地震等极端环境下铁路桥上列车脱轨工况进行模拟，分别建立了横风、地震环境下铁路列车

【技术实现步骤摘要】
一种极端环境下铁路桥上列车脱轨控制方法、系统、终端设备及可读存储介质


[0001]本专利技术属于列车安全控制
，具体涉及一种极端环境下铁路桥上列车脱轨控制方法、系统、终端设备及可读存储介质。

技术介绍

[0002]随着我国重载铁路网的进一步形成，大规模的重载铁路建成运营，重载铁路服役期间列车行车安全性受到国内外学者广泛关注，尤其是桥上的行车安全。实际上，铁路是一种“带状”结构，其因运营里程长，在行车期间易受大风、地震等极端环境影响，如2004年一列代号“朱鹮325”号的新干线列车在日本新泻因地震在桥上发生脱轨、2006年美国Griggs郡一列800多米长的货物列车在Luverne桥上因大风而发生脱轨、2007年我国北京一列货物列车行至一座墩高40m桥上时两个集装箱被横风吹至桥下；2008年美国俄亥俄州一列车过桥时被风吹翻，导致4节车厢落入水中；2011年阿根廷一列车通过曲线线路时，遭遇风速28m/s狂风袭击，导致列车脱轨；2015年，美国德克萨斯州一列车在跨越公路的桥梁上时因强风脱轨。众所周知，列车脱轨将导致重大的人员伤亡和财产损失，严重影响我国铁路的国际形象。因此，保证极端环境下桥上列车行车安全是重载铁路快速发展及长期运营的首要任务。
[0003]要保证极端环境下桥上列车行车安全关键在于控制列车脱轨事故。针对大风、地震等极端环境引起的列车脱轨事故，最理想的控制措施是有效预报大风或地震等，可是现有技术仍难以对其进行准确预报。并且，重载铁路货物列车编组车辆数多，有时列车脱轨了，驾驶员未能及时察觉或人为管理不善，使得小事故变成了大事故。并且，与路基上脱轨事故不同，桥上列车脱轨事故不仅是车轮脱轨掉道，甚至会出现车辆冲出桥梁并掉落的二次事故，进一步加剧脱轨事故的损失。为了预防极端环境下重载铁路桥上列车脱轨，研发列车脱轨报警器十分必要。
[0004]目前，国内外针对列车脱轨报警技术的研发已有一些报道，如：
[0005](1)在公开号为CN 1724300A、CN 101028823A、CN 101309824A、CN 100453374C的中国专利技术专利中，分别将应变传感器安装于机车钩尾筐上、将荷重传感器嵌装在上旁承和下旁承之间或将位移传感器安装在车体底架与轴箱导框之间、将运动传感器安装在车体上、加速度传感器安装于车轮上，通过采集机车钩尾应变、列车重心横向动态变化、车体加速度、车轮下坠速度等数据，通过GPRS通讯模块将采集数据传送检测中心后发出脱轨报警，或将采集的数据经过计算处理转化为轮轨力，传输到列车驾驶室，起到列车脱轨报警的作用。然而，采用机车钩尾应变、列车重心横向动态变化、车体加速度难以评判列车是否脱轨时，指标限值都是在列车正常行车条件下制定，超过限值是否会发生脱轨尚不清楚，由此，很容易出现误判的情况，进而影响行车。而采用车轮下坠速度作为评判列车是否脱轨时，车轮下坠速度会直接受到轮轨接触状态的影响，下坠速度会有很大的不同，确定下坠速度需要知道列车车轮何时脱轨掉道，以及脱轨掉道时的轮轨接触状态，而关于车轮下坠速度的
限值还未见报道。因此，这类专利技术是否能够在第一时间判定车轮脱轨尚不清楚。
[0006](2)在公开号为CN 101531202A、CN 101376394A的中国专利技术专利中，主要将多个传感器安装钢轨上，当列车脱轨的车轮压到传感器连接杆时，传感器向地面控制设备发出脱轨信号，地面控制设备接收脱轨信号后发出脱轨预警和紧急制动指令编码，或通过钢轨的形变/应力参数分别获取脱轨系数、轮重减载率和疤痕预警数据，由此对列车脱轨的趋势做出评价，根据评价结果做出报警。然而，在铁路线路上布置大量的传感器，对列车行车具有一定的实施检测作用，可是，传感器长期处于露天环境，铁路维修部门的工作量大大增加。
[0007](3)CN104228880A提出了基于轮轨接触状态的列车车轮脱轨掉道检测装置，其以路基上的列车脱轨控制为例，针对大风、地震、超速、洪涝灾害引起的路基上的列车脱轨控制方法开展了研发，然而，该技术是否适用于桥上列车脱轨控制，还有待进一步研发。因为，路基结构与桥梁结构存在很大不同，这将使得车轮与钢轨之间的接触状态和相对位置也不相同，需要进一步研发适用于桥上列车脱轨控制的方法，尤其是极端环境下的桥上列车脱轨控制方法。同时，该专利技术中的脱轨检测装置是以轮轨相对位置为基础提出了机械式触碰切断风管的停车方式，该装置能够检测到车轮脱轨，并减小脱轨带来的损失，可是，检测到车轮脱轨时脱轨已经发生，脱轨事故仍难以避免。实际上，低速条件下采用在列车脱轨瞬间及时停车的方法来减小脱轨损失是可行的。可是，随着列车速度不断提高，要求提速及高速列车必须在列车脱轨前发出报警并及时停车，否则将造成严重的损失，尤其是在桥上，易引起二次掉落事故。为有效避免列车脱轨事故的发生，在列车车轮可能出现脱轨前及时报警，提前减速或停车将不失为一种积极态度和做法，在新基建智能交通发展的背景下，研究具有预防脱轨功能的智能化、自动化车轮脱轨报警装置十分必要。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种极端环境下铁路桥上货物列车脱轨控制方法、装置、终端设备及可读存储介质，本专利技术基于列车脱轨能量随机分析方法，建立极端环境下列车-轨道-桥梁系统空间振动计算模型，实现桥上列车脱轨全过程计算，得到极端环境下桥上列车脱轨瞬间车轮与钢轨的接触状态、相对位置等，以轮轨间的相对位置为基础，除以安全系数作为评判列车可能脱轨的阀值，基于阈值进行实时监测，以确保列车车轮可能出现脱轨前报警装置及时报警，控制列车及时减速或停车。
[0009]一方面，本专利技术提供的一种极端环境下铁路桥上列车脱轨控制方法，包括如下步骤：
[0010]S1：获取极端环境下列车车轮最大悬浮量ΔZ
wt
达到车轮脱轨几何准则时，车轮脱轨瞬间的转向架与钢轨横向相对位移Y
tt
；
[0011]其中，引入极端环境的外力作用至列车-轨道-桥梁系统的空间振动矩阵方程得到极端环境下铁路桥上列车脱轨全过程的系统空间振动矩阵方程；再基于求解所述系统空间振动矩阵方程得到的车轮悬浮量ΔZ
wt
监测是否达到车轮脱轨几何准则，若达到了，基于车轮悬浮量ΔZ
wt
计算出转向架与钢轨横向相对位移Y
tt
；
[0012]S2：实时判断转向架与钢轨的实际横向相对位置Y'
tt
是否大于或等于Y
tt
/σ，若是，列车存在脱轨信息，对列车进行安全控制，σ为安全系数，优选σ取值范围为：[1.1-1.2]。
[0013]本专利技术考虑到车辆底部空间狭小，车轮又为列车走行部分，将预警装置安装于车
轮上易影响行车安全。而列车脱轨全过程计算的系统振动响应反映了轮轨接触状态，并且转向架是与车轮和钢轨最近的车辆部件，为此，选择转向架与钢轨横向相对位移作为报警阀值。
[0014]进一步优选，若所述极端环境为横风作用，横风作用下铁路桥上列车脱轨全过程的系统空间振动矩阵方程如下所示：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种极端环境下铁路桥上列车脱轨控制方法，其特征在于：包括如下步骤：S1：获取极端环境下列车车轮最大悬浮量ΔZ
wt
达到车轮脱轨几何准则时，车轮脱轨瞬间的转向架与钢轨横向相对位移Y
tt
；其中，引入极端环境的外力作用至列车-轨道-桥梁系统的空间振动矩阵方程得到极端环境下铁路桥上列车脱轨全过程的系统空间振动矩阵方程；再基于求解所述系统空间振动矩阵方程得到的车轮悬浮量ΔZ
wt
监测是否达到车轮脱轨几何准则，若达到了，基于车轮悬浮量ΔZ
wt
计算出转向架与钢轨横向相对位移Y
tt
；S2：实时判断转向架与钢轨的实际横向相对位置Y
′
tt
是否大于或等于Y
tt
/σ，若是，列车存在脱轨信息，对列车进行安全控制，σ为安全系数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：若所述极端环境为横风作用，横风作用下铁路桥上列车脱轨全过程的系统空间振动矩阵方程如下所示：式中，{δ
W
}、为w个已知位移、速度、加速度；{δ
n
}、为n个未知位移、速度、加速度，{P
w
}为w个已知位移对应的荷载列阵，M
WW
、C
WW
、K
WW
为w个已知位移对应位置的质量、阻尼、刚度矩阵，M
wn
、C
wn
、K
wn
为w个已知位移和n个未知位移对应位置的质量、阻尼、刚度矩阵。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：若所述极端环境为地震，地震作用下铁路桥上列车脱轨全过程的系统空间振动矩阵方程如下所示：式中，{P1}为地震作用下的总体荷载列阵，[K]、[M]、[C]分别为列车-轨道-桥梁系统的总体刚度矩阵、总体质量矩阵、总体阻尼矩阵，分别为对δ求时间的二阶导数、一阶导数，{δ}为列车-轨道-桥梁系统的位移矩阵，地震作用下的总体荷载列阵{P1}是将横向地震波{δ
eqh
}和竖向地震波{δ
eqv
}由墩底输入形成施加于墩底处的等效地震载荷F
u
代入列车-轨道-桥梁系统的荷载阵列得到的，F
u
＝{δ
eqh
}K8+{δ
eqv
}K9，其中，K8、K9为墩底与地基之间横向、竖向弹性系数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：用于实时监测转向架与钢轨的实际横向相对位置Y
′
tt
为AI识别装置，所述AI识别装置安装于转向架摇枕上，并固定于转向架摇枕中心位置。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述列车-轨道-桥梁系统的空间振动矩阵方程是基于列车空间振动计算模型和轨道-桥梁系统空间振动计算模型推导得到；其中，所述轨道-桥梁系统空间振动计算模型构建过程为：首先，设置边界条件；其次，根据边界条件建立轨道-桥梁系统空间振动位移模式；{δ}
BP
为轨道-桥梁系统位移矩阵；{δ}1、{δ}2表示梁段单元左端节点和右端节点的振动位移模式，下标1、2分别表示梁段单元左端节点和右端节点；
式中：上标T表示钢轨的位移，上标S表示轨枕的位移，上标B表示主梁...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚凯，刘林芽，张鹏飞，贺小星，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：