智能化鐵道機車受電弓控制策略研究

摘要：該文探討了受電弓系統的結構與工作原理，以及其控制的重要性。在控制策略方面，傳統方法已逐漸演進為更先進的模型預測控制和機器學習技術的應用，以提高受電弓的位置控制和系統性能。同時，高精度傳感器和實時數據監測成為實現精確控制的關鍵，系統故障檢測和容錯控制策略確保了系統在面對故障或異常情況時的安全性和可靠性。這些進展共同推動了鐵路電力系統的現代化和智能化，為未來的鐵路交通提供了更高效、更安全和更可持續的解決方案。

關鍵詞：智能化鐵道機車；受電弓控制；電力鐵路

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.05.016

中圖分類號：U 279" " " " " 文獻標志碼：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

隨著科技的不斷進步，智能化鐵道機車受電弓控制逐漸成為研究和發展的焦點，業界紛紛借助先進的控制策略、傳感技術和數據分析，提高系統性能、適應性和可靠性。本文探討智能受電弓控制的最新發展，介紹關鍵的優化策略，并突出其在鐵路電力系統中的重要性，旨在推動鐵路交通領域的進一步創新與發展[1]。

1" "受電弓系統概述

1.1 結構和工作原理

受電弓系統是電力鐵路機車的重要組成部分，受電弓通常由一個可伸縮的支架和接觸網接觸裝置組成，支架通過液壓或電動機構使接觸裝置能夠與架空的電氣接觸網保持接觸。當火車行駛在軌道上時，受電弓系統起到了連接電動機車與供電系統橋梁作用[2]。通過接觸網，電動機車可以獲取來自電力線的電能，驅動機車的電動機運行。這一結構的復雜性和精密性對于確保電力傳輸的高效性和安全性至關重要。

1.2 受電弓控制的重要性

首先，受電弓的控制影響著電動機車的能源供應。在高速行駛中，機車和接觸網之間的電氣連接必須能夠始終保持穩定，以確保電動機車的運行不受干擾。因此，受電弓控制需要確保接觸網的適時升降以匹配鐵路軌道的高度變化，同時維持穩定的電氣連接。這對于列車的能源效率和運行安全至關重要。其次，受電弓控制也影響到電動機車的穩定性和平穩性。在鐵路上，列車可能會面臨各種情況，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這些情況，以確保機車能夠平穩行駛，不僅提高乘客的舒適性，還減少了對軌道和設備的磨損[3]。

2" "受電弓控制技術分析

2.1 傳統控制方法

傳統的受電弓控制方法通常依賴于基本的反饋控制系統，其中包括位置反饋和電流反饋。位置反饋是通過測量受電弓的位置，以確保它與電力線之間的距離維持在一個安全范圍內[4]，這通常使用編碼器或傳感器來實現。電流反饋則是通過測量受電弓與電力線之間的電流，以監控能源傳輸的質量和穩定性。傳統控制方法依賴于預定義的控制規則和經驗，以維持受電弓的穩定性等性能。然而，傳統控制方法存在一些局限性，通常難以適應復雜的運行條件，如曲線軌道和坡道，因為它們不能靈活地調整受電弓的位置和角度。此外，它們也可能無法處理突發情況，如風吹導致的電力線振動或其他外部干擾。

2.2 先進的控制策略和技術

近年來，隨著智能化技術的快速發展，電力鐵路系統開始采用更先進的受電弓控制策略和技術。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測受電弓的運動，并實時調整控制策略以適應不同的運行環境。模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）是一種常用的方法，它允許系統在考慮多個因素的情況下做出決策，以優化性能和穩定性。另一個先進的技術是機器學習和人工智能[5]。通過機器學習算法，系統可以從大量的數據中學習受電弓的運動模式和最佳控制策略。這種方法可以自適應地調整控制參數，以適應不同的操作情況，在實時性能優化方面表現出色。

3" "智能化鐵道機車受電弓控制過程中的難點

3.1 復雜的運行環境適應性

復雜的運行環境適應性是智能化鐵道機車受電弓控制中的一項重要挑戰。電力鐵路系統通常需要應對多種復雜的運行環境，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雜，因為受電弓需要不斷地調整角度方向以保持與電力線的穩定接觸，同時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軌道的曲線，這可能導致受電弓與電力線之間的距離和角度發生變化。在坡道上，受電弓需要根據坡度的不同來調整位置，以確保適當的接觸力度和電力傳輸效率。

3.2 高速列車的穩定性

隨著鐵路技術的進步，高速列車在現代交通系統中扮演著越來越重要的角色，但高速列車的運行速度帶來了額外的挑戰。受電弓控制需要更高的精度響應，以適應高速列車的運行需求。高速列車通常以更高的速度行駛，這意味著受電弓系統需要更迅速地適應電力線的高速振動和變化，以確保電氣連接的穩定性。任何不穩定或失去連接都可能導致列車停車，造成交通中斷和安全事故。受電弓在高速運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整，以保持與電力線的適當接觸，同時不過度摩擦電力線。

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車受電弓控制中具有關鍵地位。電力鐵路系統在運行中需要大量電能，因此能源管理對系統的經濟性和可持續性至關重要。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，確保電力傳輸的效率最優化。這包括根據列車的實際負載和行駛條件來調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測電池狀態（如果適用）以及電力線供電情況。系統需要實時監測電池的電量和健康狀況，以確保足夠的電力儲備，并根據需要管理充電和放電過程。此外，對電力線供電情況的監測也很重要，以確保電力供應的可靠性，避免中斷和電力波動。在電力鐵路系統中，能源管理也需要考慮節能策略，例如借助能量回收系統，通過將制動能量轉化為電能并回饋到電網中，以減少能源耗費。這有助于提高系統的整體能源效率。

3.4 系統可靠性和安全性

首先，系統可靠性是指系統在一段時間內無故障運行的能力。鐵路運輸是一項長期運行的活動，因此受電弓系統必須具備很高的可靠性，以確保列車在運行過程中不會因系統故障而停車。為了實現這一點，系統需要具備強大的故障檢測和健康監測能力，能夠及時識別潛在問題并采取措施來修復或替換受電弓系統故障的部件。其次，系統安全性是指系統在運行過程中保障乘客和工作人員的安全。受電弓系統性能不穩定或出故障可能導致電力線斷開、火花飛濺或設備損壞，這些都可能引發事故。

4" "智能化受電弓控制策略設計

4.1 模型預測控制

模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）是一種在智能化鐵道機車受電弓控制中廣泛應用的優化策略。它基于數學模型對未來系統行為進行預測，并根據這些預測進行控制決策，以優化系統性能。在鐵道機車受電弓控制中，MPC可以用于實現高精度的受電弓位置控制，確保受電弓與電力線之間的穩定接觸，同時考慮列車的動力學特性和環境變化。MPC的核心思想是通過計算出未來一段時間內的系統行為來優化控制輸入，而不僅僅是對當前時刻的響應。這允許系統在考慮多個因素的情況下做出決策，以實現性能的最優化。在鐵道機車受電弓控制中，MPC可以考慮列車速度、軌道曲線、坡度、風速等多個因素，選擇最佳的受電弓位置和角度，以確保電氣連接的穩定性和電力傳輸的高效性。

例如，考慮一列高速鐵路列車正在通過一段曲線軌道，這會導致電力線的高速振動和電氣連接的不穩定。傳統的控制方法可能只考慮當前受電弓的位置和電流反饋來維持連接，但MPC可以預測未來幾秒內的軌道條件和列車運行情況，并且計算出在未來的某個時刻，受電弓需要微調的位置和角度，以適應曲線軌道，并在電力線振動較大時做出及時反應，以保證連接的穩定性。通過這種方式，MPC可以顯著提高高速列車的運行穩定性和電力傳輸效率。

4.2 機器學習和人工智能應用

機器學習和人工智能應用在智能化鐵道機車受電弓控制中具有巨大潛力。這些技術允許系統從大量的數據中學習受電弓的運行模式和最佳控制策略，以實現自適應控制和性能優化。在電力鐵路系統中，機器學習和人工智能可以應用于多個方面，包括列車運行監測、故障檢測、能源管理以及運行計劃優化。其次，系統可以通過監測傳感器數據并應用機器學習模型，識別受電弓系統的異常行為，如位置偏差、電流異常或傳感器故障。一旦檢測到異常，系統可以自動觸發警報或采取糾正措施，以防止故障進一步擴大，從而提高系統的可靠性和安全性。此外，機器學習和人工智能還可以用于優化能源管理。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電池壽命。這對于電力鐵路系統來說至關重要，因為能源管理直接關系到成本和可持續性。

4.3 高精度傳感器和實時數據監測

傳感器可以監測受電弓的位置、電流、電壓以及其他關鍵參數，并將數據實時傳輸到控制系統中。這種實時數據監測允許系統更準確地了解受電弓的狀態，并及時采取措施來保持電氣連接的穩定性和高效性。例如，一種常用的高精度傳感器是激光測距儀（LIDAR）。LIDAR可以測量受電弓與電力線之間的距離，精確到亞毫米的級別，這種高精度的距離測量可以幫助系統實時監測受電弓的位置，以確保它與電力線之間的間隙保持在安全范圍內。如果受電弓位置發生變化，控制系統可以立即采取措施，例如，調整受電弓的高度或角度，以維持正確的連接。另外，用于監測電流強度和波形的電流傳感器可以檢測電氣連接是否穩定以及電力傳輸是否正常。如果電流傳感器檢測到異常，比如，電流波形出現異常變化，系統可以發出警報并自動切斷電力供應，以防止損壞電力線或受電弓本身。

4.4 系統故障檢測和容錯控制

系統故障檢測和容錯控制在智能化鐵道機車受電弓控制中扮演著至關重要的角色，這些策略旨在確保系統在面臨故障或異常情況時能夠維持安全性和可靠性。這包括檢測和診斷故障，并采取措施來減輕或糾正故障，以保持鐵路系統的正常運行。假設在一列鐵路機車的受電弓系統中，傳感器探測到電流異常，表明電氣連接出現問題。在這種情況下，系統可以立即識別故障，并自動觸發容錯機制。容錯機制可以包括切斷電力供應、降低列車速度或停車，以防止電力線或受電弓進一步損壞。這種自動容錯系統可以大大降低事故的風險，保護列車和乘客的安全。如果受電弓位置傳感器發生故障，導致無法準確測量受電弓的位置，系統可以切換到備用傳感器或使用模型預測來估計受電弓的位置。這種容錯策略可以確保即使在傳感器故障的情況下，系統仍能維持運行并保持電氣連接的穩定性。

5" "結束語

在智能化鐵道機車受電弓控制領域，各種先進的策略和技術正在不斷推動著鐵路系統的發展。模型預測控制、機器學習和人工智能的應用，以及高精度傳感器和實時數據監測，為受電弓的位置控制、故障檢測、能源管理和系統優化提供了強大的工具。這些創新應用不僅提高了電力鐵路系統的效率，還增強了系統的安全性和可靠性。此外，系統故障檢測和容錯控制策略確保了在面對意外情況時做出應急反應和采取保障措施。

參考文獻

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

[2] 陳勝藍，王嶸，劉海漁，等．高鐵弓網系統檢測技術與監測方法研究[J]．電子元器件與信息技術，2022（8）：76-79.

[3] 龐澤鵬．便攜式受電弓檢測儀控制系統設計研究[D]．北京：北京交通大學，2022．

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

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

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