智能化鐵道機(jī)車受電弓控制策略研究

摘要：該文探討了受電弓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，以及其控制的重要性。在控制策略方面，傳統(tǒng)方法已逐漸演進(jìn)為更先進(jìn)的模型預(yù)測(cè)控制和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，以提高受電弓的位置控制和系統(tǒng)性能。同時(shí)，高精度傳感器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)成為實(shí)現(xiàn)精確控制的關(guān)鍵，系統(tǒng)故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制策略確保了系統(tǒng)在面對(duì)故障或異常情況時(shí)的安全性和可靠性。這些進(jìn)展共同推動(dòng)了鐵路電力系統(tǒng)的現(xiàn)代化和智能化，為未來的鐵路交通提供了更高效、更安全和更可持續(xù)的解決方案。

關(guān)鍵詞：智能化鐵道機(jī)車；受電弓控制；電力鐵路

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.016

中圖分類號(hào)：U 279" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）05-00-03

Research on Intelligent Railway Locomotive Pantograph Control Strategy

GUO Wenhua

（Shanxi Railway Vocational and Technical College， Taiyuan 030013， China）

Abstract： This article explores the structure and working principle of the pantograph system， as well as the importance of its control. In terms of control strategies， traditional methods have gradually evolved into the application of more advanced model predictive control and machine learning techniques to improve the position control and system performance of pantographs. Meanwhile， high-precision sensors and real-time data monitoring have become the key to achieving precise control. The system fault detection and fault-tolerant control strategy ensure the safety and reliability of the system in the face of faults or abnormal situations. These advances have jointly promoted the modernization and intelligence of the railway power system， providing more efficient， safer， and sustainable solutions for future railway transportation.

Keywords： intelligent railway locomotives; pantograph control; electric railway

隨著科技的不斷進(jìn)步，智能化鐵道機(jī)車受電弓控制逐漸成為研究和發(fā)展的焦點(diǎn)，業(yè)界紛紛借助先進(jìn)的控制策略、傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)分析，提高系統(tǒng)性能、適應(yīng)性和可靠性。本文探討智能受電弓控制的最新發(fā)展，介紹關(guān)鍵的優(yōu)化策略，并突出其在鐵路電力系統(tǒng)中的重要性，旨在推動(dòng)鐵路交通領(lǐng)域的進(jìn)一步創(chuàng)新與發(fā)展[1]。

1" "受電弓系統(tǒng)概述

1.1 結(jié)構(gòu)和工作原理

受電弓系統(tǒng)是電力鐵路機(jī)車的重要組成部分，受電弓通常由一個(gè)可伸縮的支架和接觸網(wǎng)接觸裝置組成，支架通過液壓或電動(dòng)機(jī)構(gòu)使接觸裝置能夠與架空的電氣接觸網(wǎng)保持接觸。當(dāng)火車行駛在軌道上時(shí)，受電弓系統(tǒng)起到了連接電動(dòng)機(jī)車與供電系統(tǒng)橋梁作用[2]。通過接觸網(wǎng)，電動(dòng)機(jī)車可以獲取來自電力線的電能，驅(qū)動(dòng)機(jī)車的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。這一結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和精密性對(duì)于確保電力傳輸?shù)母咝院桶踩灾陵P(guān)重要。

1.2 受電弓控制的重要性

首先，受電弓的控制影響著電動(dòng)機(jī)車的能源供應(yīng)。在高速行駛中，機(jī)車和接觸網(wǎng)之間的電氣連接必須能夠始終保持穩(wěn)定，以確保電動(dòng)機(jī)車的運(yùn)行不受干擾。因此，受電弓控制需要確保接觸網(wǎng)的適時(shí)升降以匹配鐵路軌道的高度變化，同時(shí)維持穩(wěn)定的電氣連接。這對(duì)于列車的能源效率和運(yùn)行安全至關(guān)重要。其次，受電弓控制也影響到電動(dòng)機(jī)車的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。在鐵路上，列車可能會(huì)面臨各種情況，如曲線、坡道和不同類型的道路條件，受電弓的控制需要適應(yīng)這些情況，以確保機(jī)車能夠平穩(wěn)行駛，不僅提高乘客的舒適性，還減少了對(duì)軌道和設(shè)備的磨損[3]。

2" "受電弓控制技術(shù)分析

2.1 傳統(tǒng)控制方法

傳統(tǒng)的受電弓控制方法通常依賴于基本的反饋控制系統(tǒng)，其中包括位置反饋和電流反饋。位置反饋是通過測(cè)量受電弓的位置，以確保它與電力線之間的距離維持在一個(gè)安全范圍內(nèi)[4]，這通常使用編碼器或傳感器來實(shí)現(xiàn)。電流反饋則是通過測(cè)量受電弓與電力線之間的電流，以監(jiān)控能源傳輸?shù)馁|(zhì)量和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)控制方法依賴于預(yù)定義的控制規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)，以維持受電弓的穩(wěn)定性等性能。然而，傳統(tǒng)控制方法存在一些局限性，通常難以適應(yīng)復(fù)雜的運(yùn)行條件，如曲線軌道和坡道，因?yàn)樗鼈儾荒莒`活地調(diào)整受電弓的位置和角度。此外，它們也可能無法處理突發(fā)情況，如風(fēng)吹導(dǎo)致的電力線振動(dòng)或其他外部干擾。

2.2 先進(jìn)的控制策略和技術(shù)

近年來，隨著智能化技術(shù)的快速發(fā)展，電力鐵路系統(tǒng)開始采用更先進(jìn)的受電弓控制策略和技術(shù)。基于模型的控制（Model-Based Control）是其中之一，這種方法利用物理模型和仿真來更精確地預(yù)測(cè)受電弓的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略以適應(yīng)不同的運(yùn)行環(huán)境。模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）是一種常用的方法，它允許系統(tǒng)在考慮多個(gè)因素的情況下做出決策，以優(yōu)化性能和穩(wěn)定性。另一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)是機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能[5]。通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，系統(tǒng)可以從大量的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)受電弓的運(yùn)動(dòng)模式和最佳控制策略。這種方法可以自適應(yīng)地調(diào)整控制參數(shù)，以適應(yīng)不同的操作情況，在實(shí)時(shí)性能優(yōu)化方面表現(xiàn)出色。

3" "智能化鐵道機(jī)車受電弓控制過程中的難點(diǎn)

3.1 復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境適應(yīng)性

復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境適應(yīng)性是智能化鐵道機(jī)車受電弓控制中的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。電力鐵路系統(tǒng)通常需要應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，包括曲線軌道、坡道、不同類型的道路條件和各種氣象條件[6]。這些因素使受電弓的位置控制變得十分復(fù)雜，因?yàn)槭茈姽枰粩嗟卣{(diào)整角度方向以保持與電力線的穩(wěn)定接觸，同時(shí)避免損壞電力線和受電弓本身。在曲線軌道上，受電弓必須能夠適應(yīng)軌道的曲線，這可能導(dǎo)致受電弓與電力線之間的距離和角度發(fā)生變化。在坡道上，受電弓需要根據(jù)坡度的不同來調(diào)整位置，以確保適當(dāng)?shù)慕佑|力度和電力傳輸效率。

3.2 高速列車的穩(wěn)定性

隨著鐵路技術(shù)的進(jìn)步，高速列車在現(xiàn)代交通系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色，但高速列車的運(yùn)行速度帶來了額外的挑戰(zhàn)。受電弓控制需要更高的精度響應(yīng)，以適應(yīng)高速列車的運(yùn)行需求。高速列車通常以更高的速度行駛，這意味著受電弓系統(tǒng)需要更迅速地適應(yīng)電力線的高速振動(dòng)和變化，以確保電氣連接的穩(wěn)定性。任何不穩(wěn)定或失去連接都可能導(dǎo)致列車停車，造成交通中斷和安全事故。受電弓在高速運(yùn)行中還需要考慮軌道的曲線和坡道。在曲線軌道上，受電弓的位置和角度需要靈活調(diào)整，以保持與電力線的適當(dāng)接觸，同時(shí)不過度摩擦電力線。

3.3 能源效率和電力管理

能源效率和電力管理在智能化鐵道機(jī)車受電弓控制中具有關(guān)鍵地位。電力鐵路系統(tǒng)在運(yùn)行中需要大量電能，因此能源管理對(duì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性至關(guān)重要。能源效率管理方面，智能受電弓控制需要考慮如何最大程度地減少電力損失，確保電力傳輸?shù)男首顑?yōu)化。這包括根據(jù)列車的實(shí)際負(fù)載和行駛條件來調(diào)整受電弓的位置和電流，以確保電能的高效利用。電力管理也涉及到監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)（如果適用）以及電力線供電情況。系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的電量和健康狀況，以確保足夠的電力儲(chǔ)備，并根據(jù)需要管理充電和放電過程。此外，對(duì)電力線供電情況的監(jiān)測(cè)也很重要，以確保電力供應(yīng)的可靠性，避免中斷和電力波動(dòng)。在電力鐵路系統(tǒng)中，能源管理也需要考慮節(jié)能策略，例如借助能量回收系統(tǒng)，通過將制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化為電能并回饋到電網(wǎng)中，以減少能源耗費(fèi)。這有助于提高系統(tǒng)的整體能源效率。

3.4 系統(tǒng)可靠性和安全性

首先，系統(tǒng)可靠性是指系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)無故障運(yùn)行的能力。鐵路運(yùn)輸是一項(xiàng)長(zhǎng)期運(yùn)行的活動(dòng)，因此受電弓系統(tǒng)必須具備很高的可靠性，以確保列車在運(yùn)行過程中不會(huì)因系統(tǒng)故障而停車。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，系統(tǒng)需要具備強(qiáng)大的故障檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)能力，能夠及時(shí)識(shí)別潛在問題并采取措施來修復(fù)或替換受電弓系統(tǒng)故障的部件。其次，系統(tǒng)安全性是指系統(tǒng)在運(yùn)行過程中保障乘客和工作人員的安全。受電弓系統(tǒng)性能不穩(wěn)定或出故障可能導(dǎo)致電力線斷開、火花飛濺或設(shè)備損壞，這些都可能引發(fā)事故。

4" "智能化受電弓控制策略設(shè)計(jì)

4.1 模型預(yù)測(cè)控制

模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）是一種在智能化鐵道機(jī)車受電弓控制中廣泛應(yīng)用的優(yōu)化策略。它基于數(shù)學(xué)模型對(duì)未來系統(tǒng)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)這些預(yù)測(cè)進(jìn)行控制決策，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。在鐵道機(jī)車受電弓控制中，MPC可以用于實(shí)現(xiàn)高精度的受電弓位置控制，確保受電弓與電力線之間的穩(wěn)定接觸，同時(shí)考慮列車的動(dòng)力學(xué)特性和環(huán)境變化。MPC的核心思想是通過計(jì)算出未來一段時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)行為來優(yōu)化控制輸入，而不僅僅是對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的響應(yīng)。這允許系統(tǒng)在考慮多個(gè)因素的情況下做出決策，以實(shí)現(xiàn)性能的最優(yōu)化。在鐵道機(jī)車受電弓控制中，MPC可以考慮列車速度、軌道曲線、坡度、風(fēng)速等多個(gè)因素，選擇最佳的受電弓位置和角度，以確保電氣連接的穩(wěn)定性和電力傳輸?shù)母咝浴?/p>

例如，考慮一列高速鐵路列車正在通過一段曲線軌道，這會(huì)導(dǎo)致電力線的高速振動(dòng)和電氣連接的不穩(wěn)定。傳統(tǒng)的控制方法可能只考慮當(dāng)前受電弓的位置和電流反饋來維持連接，但MPC可以預(yù)測(cè)未來幾秒內(nèi)的軌道條件和列車運(yùn)行情況，并且計(jì)算出在未來的某個(gè)時(shí)刻，受電弓需要微調(diào)的位置和角度，以適應(yīng)曲線軌道，并在電力線振動(dòng)較大時(shí)做出及時(shí)反應(yīng)，以保證連接的穩(wěn)定性。通過這種方式，MPC可以顯著提高高速列車的運(yùn)行穩(wěn)定性和電力傳輸效率。

4.2 機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能應(yīng)用

機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能應(yīng)用在智能化鐵道機(jī)車受電弓控制中具有巨大潛力。這些技術(shù)允許系統(tǒng)從大量的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)受電弓的運(yùn)行模式和最佳控制策略，以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制和性能優(yōu)化。在電力鐵路系統(tǒng)中，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能可以應(yīng)用于多個(gè)方面，包括列車運(yùn)行監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、能源管理以及運(yùn)行計(jì)劃優(yōu)化。其次，系統(tǒng)可以通過監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)并應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，識(shí)別受電弓系統(tǒng)的異常行為，如位置偏差、電流異常或傳感器故障。一旦檢測(cè)到異常，系統(tǒng)可以自動(dòng)觸發(fā)警報(bào)或采取糾正措施，以防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大，從而提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能還可以用于優(yōu)化能源管理。通過分析列車的能源消耗模式和供電情況，系統(tǒng)可以制定最佳的能源管理策略，以最大程度地減少電力損失并延長(zhǎng)電池壽命。這對(duì)于電力鐵路系統(tǒng)來說至關(guān)重要，因?yàn)槟茉垂芾碇苯雨P(guān)系到成本和可持續(xù)性。

4.3 高精度傳感器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

傳感器可以監(jiān)測(cè)受電弓的位置、電流、電壓以及其他關(guān)鍵參數(shù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)中。這種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)允許系統(tǒng)更準(zhǔn)確地了解受電弓的狀態(tài)，并及時(shí)采取措施來保持電氣連接的穩(wěn)定性和高效性。例如，一種常用的高精度傳感器是激光測(cè)距儀（LIDAR）。LIDAR可以測(cè)量受電弓與電力線之間的距離，精確到亞毫米的級(jí)別，這種高精度的距離測(cè)量可以幫助系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)受電弓的位置，以確保它與電力線之間的間隙保持在安全范圍內(nèi)。如果受電弓位置發(fā)生變化，控制系統(tǒng)可以立即采取措施，例如，調(diào)整受電弓的高度或角度，以維持正確的連接。另外，用于監(jiān)測(cè)電流強(qiáng)度和波形的電流傳感器可以檢測(cè)電氣連接是否穩(wěn)定以及電力傳輸是否正常。如果電流傳感器檢測(cè)到異常，比如，電流波形出現(xiàn)異常變化，系統(tǒng)可以發(fā)出警報(bào)并自動(dòng)切斷電力供應(yīng)，以防止損壞電力線或受電弓本身。

4.4 系統(tǒng)故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制

系統(tǒng)故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制在智能化鐵道機(jī)車受電弓控制中扮演著至關(guān)重要的角色，這些策略旨在確保系統(tǒng)在面臨故障或異常情況時(shí)能夠維持安全性和可靠性。這包括檢測(cè)和診斷故障，并采取措施來減輕或糾正故障，以保持鐵路系統(tǒng)的正常運(yùn)行。假設(shè)在一列鐵路機(jī)車的受電弓系統(tǒng)中，傳感器探測(cè)到電流異常，表明電氣連接出現(xiàn)問題。在這種情況下，系統(tǒng)可以立即識(shí)別故障，并自動(dòng)觸發(fā)容錯(cuò)機(jī)制。容錯(cuò)機(jī)制可以包括切斷電力供應(yīng)、降低列車速度或停車，以防止電力線或受電弓進(jìn)一步損壞。這種自動(dòng)容錯(cuò)系統(tǒng)可以大大降低事故的風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)列車和乘客的安全。如果受電弓位置傳感器發(fā)生故障，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確測(cè)量受電弓的位置，系統(tǒng)可以切換到備用傳感器或使用模型預(yù)測(cè)來估計(jì)受電弓的位置。這種容錯(cuò)策略可以確保即使在傳感器故障的情況下，系統(tǒng)仍能維持運(yùn)行并保持電氣連接的穩(wěn)定性。

5" "結(jié)束語(yǔ)

在智能化鐵道機(jī)車受電弓控制領(lǐng)域，各種先進(jìn)的策略和技術(shù)正在不斷推動(dòng)著鐵路系統(tǒng)的發(fā)展。模型預(yù)測(cè)控制、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能的應(yīng)用，以及高精度傳感器和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，為受電弓的位置控制、故障檢測(cè)、能源管理和系統(tǒng)優(yōu)化提供了強(qiáng)大的工具。這些創(chuàng)新應(yīng)用不僅提高了電力鐵路系統(tǒng)的效率，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性。此外，系統(tǒng)故障檢測(cè)和容錯(cuò)控制策略確保了在面對(duì)意外情況時(shí)做出應(yīng)急反應(yīng)和采取保障措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 周正龍．電力機(jī)車受電弓常見故障及維修策略研究[J]．時(shí)代汽車，2023（18）：166-168．

[2] 陳勝藍(lán)，王嶸，劉海漁，等．高鐵弓網(wǎng)系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)與監(jiān)測(cè)方法研究[J]．電子元器件與信息技術(shù)，2022（8）：76-79.

[3] 龐澤鵬．便攜式受電弓檢測(cè)儀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2022．

[4] 牛偉．淺談電力機(jī)車受電弓控制方式升級(jí)改造方案[J]．鐵路采購(gòu)與物流，2021（11）：47-49．

[5] 王繼慶．電力機(jī)車受電弓滑板復(fù)合材料的選擇和性能研究[D]．大連：大連交通大學(xué)，2020．

[6] 陳飛雄，顏君毅，王鐵軍．電力機(jī)車受電弓滑板用浸銅碳條的試驗(yàn)研究[J]．內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（12）：39-41．