本發(fā)明涉及鐵路安全領(lǐng)域，具體涉及一種突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、地震誘發(fā)高速列車脫軌是鐵路運輸中最大的安全威脅之一，近年來世界各地由于地震誘發(fā)列車脫軌事故頻頻發(fā)生，給鐵路安全運營帶來了極大的困難。

2、由于地震具有偶發(fā)性、突發(fā)性和難預(yù)測性，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時列車司機很難在短時間內(nèi)對高速運行的列車實現(xiàn)安全制動，此外在緊急制動過程中高速列車運行穩(wěn)定性對列車脫軌亦造成嚴重威脅。

3、現(xiàn)有的列車防脫軌技術(shù)多采用軌道防護為主，即是在兩鋼軌之間加裝護軌用來防止列車脫軌或者限制脫軌后列車發(fā)生大幅度橫移。但防脫護軌的大范圍鋪設(shè)，不僅會造成投入成本的顯著增加，還會大大增加軌道工務(wù)維修工作量，因此實際運用中很難在鐵路全線鋪設(shè)護軌。綜上，現(xiàn)有技術(shù)中的列車防脫軌技術(shù)均較為被動，且成本較高，在對高速列車的緊急制動過程中依然存在脫軌隱患，亟需研發(fā)一種更為智能且靈活的防脫軌技術(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)和方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中被動式的鋪設(shè)防脫護軌，成本過高且與高速列車的適配性較弱的問題，實現(xiàn)提高在地震發(fā)生時、運行過程中的高速列車的主動防脫軌能力，同時降低投入成本、減小日常維護工作量的目的。

2、本發(fā)明通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

3、一種突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)，包括：

4、動力學(xué)計算模塊：用于生成地震條件下高速列車的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并獲取脫軌閾值；

5、輪軌相對位置感知模塊：用于獲取高速列車實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；

6、地震脫軌預(yù)警模塊：用于在地震發(fā)生時，實時比較實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，與脫軌閾值下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并在實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)達到脫軌閾值下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)水平時，輸出預(yù)警信號；

7、應(yīng)急防護模塊：用于接收所述預(yù)警信號，并啟動車載防脫軌裝置。

8、針對現(xiàn)有技術(shù)中防脫軌技術(shù)投入成本過高、運維工作量過大，且與高速列車的適配性較弱的問題，本發(fā)明首先提出一種突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)，本系統(tǒng)包括動力學(xué)計算模塊、輪軌相對位置感知模塊、地震脫軌預(yù)警模塊和應(yīng)急防護模塊，本系統(tǒng)具體工作時，通過動力學(xué)計算模塊生成地震條件下高速列車的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并獲取脫軌閾值；通過輪軌相對位置感知模塊實時獲取高速列車實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，地震脫軌預(yù)警模塊接收到地震發(fā)生的信號，將其視為預(yù)警指令，地震脫軌預(yù)警模塊立即開始比較實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)與脫軌閾值下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，若實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)達到或超出脫軌閾值下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)水平，則向應(yīng)急防護模塊輸出預(yù)警信號；當(dāng)應(yīng)急防護模塊接收到預(yù)警信號時，控制車載防脫軌裝置啟動。

9、其中，地震脫軌預(yù)警模塊可直接與發(fā)布地震信息的官方平臺進行信號連通，實時獲取發(fā)布的地震信息，并基于gps或北斗等定位系統(tǒng)判斷列車當(dāng)前位置與地震發(fā)生位置的距離；若該距離小于設(shè)定閾值，則立即開始預(yù)警；此外，地震脫軌預(yù)警模塊也可與鐵路管理部門的后臺信號連通，實時接收鐵路管理部門發(fā)布的地震發(fā)生信號或預(yù)警指令。

10、可以看出，本系統(tǒng)充分利用了車輛-軌道耦合動力學(xué)技術(shù)以及智能化的車載監(jiān)控技術(shù)，將地震條件下高速列車脫軌動態(tài)特征進行可視化的對比，實現(xiàn)了在地震發(fā)生時，對高速運行中的列車的主動預(yù)警與防護；本系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的被動式防脫軌技術(shù)而言，無需在鐵路沿線大量鋪設(shè)護軌，顯著降低了投入成本和維護難度；此外，本系統(tǒng)實現(xiàn)了在地震條件下高速列車運行安全的主動控制，提高了高速列車的應(yīng)急響應(yīng)能力和系統(tǒng)的整體安全性，可以有效降低高速列車系統(tǒng)在地震發(fā)生時的災(zāi)害風(fēng)險，進而保障人員和財產(chǎn)的安全。

11、進一步的，所述動力學(xué)計算模塊通過如下方法生成地震條件下高速列車的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)：

12、在多體動力學(xué)軟件中建立車輛-軌道耦合動力學(xué)模型，并在車輛-軌道耦合動力學(xué)模型中劃分結(jié)構(gòu)支撐點、結(jié)構(gòu)非支撐點；

13、建立車輛系統(tǒng)各部件的運動微分方程；

14、建立地震波傳遞的運動方程；

15、向車輛-軌道耦合動力學(xué)模型中的結(jié)構(gòu)支撐點加載若干不同的地震荷載，分別求解結(jié)構(gòu)非支撐點響應(yīng)，得到在若干不同的地震波下對應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

16、本方案采用動力學(xué)仿真技術(shù)來獲得地震條件下高速列車的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，建立車輛-軌道耦合動力學(xué)模型、車輛系統(tǒng)各部件的運動微分方程，以及地震波傳遞的運動方程，將車輛系統(tǒng)各部件的運動微分方程和地震波傳遞的運動方程作用至動力學(xué)模型上，并記載各種不同的地震荷載。地震波主要通過結(jié)構(gòu)支撐點自由度傳遞到結(jié)構(gòu)非支撐點自由度，然后再影響整個車輛系統(tǒng)，因此本方案求解各種地震荷載嚇的結(jié)構(gòu)非支撐點響應(yīng)，即可得到在不同的地震波下對應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

17、其中，多體動力學(xué)軟件采用現(xiàn)有軟件即可，車輛-軌道耦合動力學(xué)模型、以及其中的結(jié)構(gòu)支撐點、結(jié)構(gòu)非支撐點的劃分同樣也可采用現(xiàn)有常規(guī)建模技術(shù)實現(xiàn)，這對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言不具有實現(xiàn)難度。

18、進一步的，所述車輛系統(tǒng)各部件的運動微分方程為：

19、

20、式中：[m]為車輛系統(tǒng)各部件的質(zhì)量矩陣，[c]為車輛系統(tǒng)各部件的阻尼矩陣，[k]為車輛系統(tǒng)各部件的剛度矩陣，為車輛系統(tǒng)各部件的加速度矢量，為車輛系統(tǒng)各部件的速度矢量，x為車輛系統(tǒng)各部件的位移矢量，fwr為非線性輪軌接觸力矢量；

21、所述地震波傳遞的運動方程為：

22、；

23、式中： f b為結(jié)構(gòu)支撐點荷載； f s為結(jié)構(gòu)非支撐點荷載； m ss代表結(jié)構(gòu)非支撐點自由度質(zhì)量矩陣； m sb代表結(jié)構(gòu)非支撐點和結(jié)構(gòu)支撐點之間的耦合質(zhì)量矩陣； m bs代表結(jié)構(gòu)支撐點和結(jié)構(gòu)非支撐點之間的耦合質(zhì)量矩陣； m bb代表結(jié)構(gòu)支撐點自由度質(zhì)量矩陣； c ss代表結(jié)構(gòu)非支撐點自由度阻尼矩陣； c sb代表結(jié)構(gòu)非支撐點和結(jié)構(gòu)支撐點之間的耦合阻尼矩陣； c bs代表結(jié)構(gòu)支撐點和結(jié)構(gòu)非支撐點之間的耦合阻尼矩陣； c bb代表結(jié)構(gòu)支撐點自由度阻尼矩陣； k ss代表結(jié)構(gòu)非支撐點自由度剛度矩陣； k sb代表結(jié)構(gòu)非支撐點和結(jié)構(gòu)支撐點之間的耦合剛度矩陣； k bs代表結(jié)構(gòu)支撐點和結(jié)構(gòu)非支撐點之間的耦合剛度矩陣； k bb代表結(jié)構(gòu)支撐點自由度剛度矩陣；分別代表結(jié)構(gòu)支撐點加速度、結(jié)構(gòu)支撐點速度、結(jié)構(gòu)支撐點位移；分別代表結(jié)構(gòu)非支撐點加速度、結(jié)構(gòu)非支撐點速度、結(jié)構(gòu)非支撐點位移。

24、進一步的，通過如下公式求解結(jié)構(gòu)非支撐點響應(yīng)：

25、。

26、進一步的，所述高速列車的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)包括以下任意一種或多種：列車車體的運動姿態(tài)數(shù)據(jù)、構(gòu)架和輪對的相對運動姿態(tài)數(shù)據(jù)、列車的振動加速度數(shù)據(jù)。

27、進一步的，所述獲取脫軌閾值的方法包括以下步驟：

28、s1、確定若干影響列車脫軌狀態(tài)的地震荷載特征參數(shù)，對所有地震荷載特征參數(shù)做敏感性分析，得到敏感地震荷載特征；

29、s2、向車輛-軌道耦合動力學(xué)模型中加載誘發(fā)脫軌敏感的地震荷載，得到輪對相對運動姿態(tài)數(shù)據(jù)；

30、s3、判斷所述輪對相對運動姿態(tài)是否超出鋼軌約束范圍：

31、若是，進入步驟s4；

32、若否，劣化調(diào)整誘發(fā)脫軌敏感的地震荷載，回到步驟s2；

33、s4、以此時車輪動態(tài)空間位移作為脫軌閾值。

34、本方案基于地震作用下車輛-軌道耦合動力學(xué)模型，分析各地震荷載特征參數(shù)對列車脫軌狀態(tài)影響的敏感性，以此確定敏感地震荷載特征；再通過在劣化地震條件下該敏感地震荷載特征對應(yīng)的值，循環(huán)計算不同外部地震激勵對輪對相對運動姿態(tài)的影響，獲得車輪超出鋼軌約束范圍的臨界位移值，以此時的車輪動態(tài)空間位移作為脫軌閾值。

35、其中，地震荷載特征參數(shù)可以是地震波加速度、地震波速度、地震波位移、列車速度等；輪對相對運動姿態(tài)是否超出鋼軌約束范圍可通過車輪抬升量及橫移量來表征。

36、進一步的，所述輪軌相對位置感知模塊包括若干車載高速相機、與所述車載高速相機信號連接的圖像處理單元，所述圖像處理單元基于機器視覺技術(shù)計算獲得高速列車的輪軌相對位置。

37、本方案將若干車載高速相機集成在列車上，進而保證在列車高速運行過程中，始終能夠根據(jù)需要拍攝所需的輪軌相對位置的圖像信息，再將該圖像信息傳輸至圖像處理單元，圖像處理單元中根據(jù)現(xiàn)有的機器視覺技術(shù)來處理接受的圖像，得到列車高速運行下的輪軌相對位置信息。

38、其中，車載高速相機可采用本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)的任意方式連接在列車上，如在列車底部搭設(shè)鋼架結(jié)構(gòu)用于安裝車載高速相機等。

39、進一步的，所述地震脫軌預(yù)警模塊包括：

40、數(shù)據(jù)接收處理單元：用于接收地震發(fā)生信號和圖像處理單元處理后的數(shù)據(jù)；

41、數(shù)據(jù)評估單元：用于在地震發(fā)生時，實時比較實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，與脫軌閾值下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；

42、報警觸發(fā)單元：用于接收數(shù)據(jù)評估單元的評估結(jié)果，并輸出預(yù)警信號。

43、本方案在在地震發(fā)生時，由數(shù)據(jù)接收處理單元接收地震發(fā)生信號，并將圖像處理單元處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)評估單元，由數(shù)據(jù)評估單元將實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，與脫軌閾值下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)進行對比，得到評估結(jié)果，并將評估結(jié)果傳輸至報警觸發(fā)單元，最終由報警觸發(fā)單元決定是否輸出預(yù)警信號。

44、進一步的，所述車載防脫軌裝置包括安裝于輪軸末端的限位件、用于驅(qū)動所述限位件縱向伸縮的驅(qū)動件、用于控制所述驅(qū)動件啟動的信號收發(fā)裝置、用于臨時連接限位件與輪軸的鎖定件；

45、當(dāng)所述驅(qū)動件驅(qū)動限位件向下伸長至行程最大位移時，所述鎖定件將限位件與輪軸臨時連接。

46、在本方案中，當(dāng)需要啟動車載防脫軌裝置時，向信號收發(fā)裝置發(fā)送預(yù)警信號，信號收發(fā)裝置接收到預(yù)警信號后，控制驅(qū)動件啟動，驅(qū)動限位件向下伸長至行程最大位移，此時鎖定件將限位件與輪軸臨時連接，以實現(xiàn)臨時的鎖定。

47、本方案通過限位件來限制高速列車輪對的橫向移動，起到脫軌防護作用；當(dāng)預(yù)警信號解除后，可控制驅(qū)動件反向動作，使限位件和鎖定件復(fù)位。

48、基于本技術(shù)中突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)的防脫軌方法，包括：

49、通過動力學(xué)計算模塊生成地震條件下高速列車的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，并獲取脫軌閾值；

50、通過輪軌相對位置感知模塊實時獲取高速列車實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)；

51、當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，向地震脫軌預(yù)警模塊發(fā)送預(yù)警指令，地震脫軌預(yù)警模塊比較實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)與脫軌閾值下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，若實際運行過程中的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)達到或超出脫軌閾值下的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)水平，則向應(yīng)急防護模塊輸出預(yù)警信號；

52、當(dāng)應(yīng)急防護模塊接收到預(yù)警信號時，控制車載防脫軌裝置啟動。

53、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下的優(yōu)點和有益效果：

54、1、本發(fā)明一種突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)和方法，利用了車輛-軌道耦合動力學(xué)技術(shù)以及智能化的車載監(jiān)控技術(shù)，將地震條件下高速列車脫軌動態(tài)特征進行可視化的對比，實現(xiàn)了在地震發(fā)生時，對高速運行中的列車的主動預(yù)警與防護，相較于傳統(tǒng)的被動式防脫軌技術(shù)而言，本技術(shù)無需在鐵路沿線大量鋪設(shè)護軌，顯著降低了投入成本和維護難度。

55、2、本發(fā)明一種突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)和方法，實現(xiàn)了在地震條件下高速列車運行安全的主動控制，提高了高速列車的應(yīng)急響應(yīng)能力和系統(tǒng)的整體安全性，可以有效降低高速列車系統(tǒng)在地震發(fā)生時的災(zāi)害風(fēng)險，進而保障人員和財產(chǎn)的安全。

56、3、本發(fā)明一種突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)和方法，采用動力學(xué)仿真技術(shù)來獲得地震條件下高速列車的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，具有較高的準確性且能夠得到在不同地震波下對應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，能夠適應(yīng)各類突發(fā)地震情況下的預(yù)警工作，有利于提高防脫軌預(yù)警的準確性和可靠性。

57、4、本發(fā)明一種突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)和方法，通過劣化地震條件下的敏感參數(shù)值，循環(huán)計算不同外部地震激勵對列車車輪運行姿態(tài)的影響，獲得車輪超出鋼軌約束范圍的臨界位移值，更加有利于提高防脫軌預(yù)警的準確性。

58、5、本發(fā)明一種突發(fā)地震條件下高速列車智能防脫軌系統(tǒng)和方法，通過限位件來限制高速列車輪對的橫向移動，起到脫軌防護作用；當(dāng)預(yù)警信號解除后，可控制驅(qū)動件反向動作，使限位件和鎖定件復(fù)位。