应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统的制作方法

1.本发明涉及轨道机车技术领域，尤其是一种应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统。


背景技术：

2.内燃机车为轨道交通上世纪80年代产品，目前已停产。其配套的柴油机备件生产厂家大多已转产，正规备件难以采购，机车燃烧状态不良，排放污染严重，成为城市钢厂、港口、矿山等重点关注问题。虽然大多机车运用年限虽已超二十年，但机车车体、转向架等部件状态良好，仍有可用价值。因此，国内市场多数走技术改造道路，充分利用原机车可用部分，对其动力系统进行改造，满足节能环保要求。
3.节能减排是一个企业可持续发展的必然要求。油改电机车适用于内燃机车同等运用环境，可以替代工矿企业现有的大部分在运用内燃机车，其使用储能系统作为车辆的动力源，在不改变原有内燃机车的操纵方式条件下，兼容电力车辆的性能特点，满足在调车工况下充当牵引列车及调车机运用，具有装备结构简单、维护便捷等特点，大大降低了维护人员劳动强度。与同吨位的内燃机车相比，油改电机车消除了待机能源空耗弊端，无作业即可停机待命。
4.国内现在的轨道车辆人机交互单元与网络控制系统为基于电力车辆的技术方案，该方案根据轨道车辆的直接从电力接触网上受电，车上无储能装置，与油改电车辆的动力源不同，并且其整车控制习惯与内燃机车差异性较大，人机交互界面的信息较为基础，交互感很低，显示方式也与储能类轨道车存在着差异区别。
5.基于上述背景，国内兴起的该类轨道交通车辆有着巨大的市场，而一款适用于油改电轨道车辆且不改变整车控制习惯的人机交互方案与网络控制系统显得尤为重要。


技术实现要素：

6.本发明针提出了一种应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，解决了现有人机交互单元与网络控制系统无法在不改变整车控制习惯的情况下而用于油改电轨道车辆的问题。
7.本发明采用的技术手段如下：
8.一种应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其中油改电轨道车辆中司控器采用内燃机车的档位司控器，牵引系统采用电力机车的电力牵引系统，包括中央控制单元、通信单元以及人机交互单元；所述中央控制单元用于采集所述档位司控器的档位信号，根据所述档位信号采用速度控制策略获得电力牵引系统的控制信号以控制所述电力牵引系统；所述通信单元用于所述中央控制单元与所述人机交互单元之间的信号传输；所述人机交互单元，用于获取所述中央控制单元发送的信号并对所述信号进行显示和统计。
9.进一步地，所述速度控制策略具体如下：当获取的所述档位信号为“0”位，所述电
力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照设定速度0km/h、减速制动时间小于10s的减速制动模式进行减速制动行驶；
10.当获取的所述档位信号为“1”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照设定速度0km/h、不施加牵引力、自由滑行的模式进行自由停车行驶；
11.当获取的所述档位信号为“降”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前设定速度每500ms降低1km/h的降速模式进行降速行驶；
12.当获取的所述档位信号为“保”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照保持当前设定速度的保速模式进行保速行驶；
13.当获取的所述档位信号为“升”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前设定速度每500ms升高1km/h的增速模式进行增速行驶。
14.进一步地，所述中央控制单元还用于采集当前的车速信息，根据所述档位信号和当前的车速v由档位切换判断策略获取切换档位信号，并根据所述切换档位信号采用速度跟随控制策略获得电力牵引系统的控制信号以控制所述电力牵引系统；
15.所述档位切换判断策略如下：当档位信号为“0”位或“1”位且当前的车速v不为0时，档位信号由“0”位或“1”位切换至“降”位时，当前切换档位信号为第一切换档位信号；
16.当档位信号为“0”位或“1”位且当前的车速v不为0时，档位信号由“0”位或“1”位切换至“保”位时，当前切换档位信号为第二切换档位信号；
17.当档位信号为“0”位或“1”位且当前的车速v不为0时，档位信号由“0”位或“1”位切换至“升”位时，当前切换档位信号为第三切换档位信号；
18.所述速度跟随控制策略具体如下：当切换档位信号为第一切换档位信号时，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前车辆速度v每500ms降低1km/h的降速模式进行降速行驶；
19.当切换档位信号为第二切换档位信号时，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照保持当前车辆的速度v的保速模式进行保速行驶；
20.当切换档位信号为第三切换档位信号时，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前车辆的速度(v-1)每500ms升高1km/h的增速模式进行增速行驶。
21.进一步地，所述油改电轨道车辆的车辆动力源为储能系统，所述中央控制单元还用于采集储能系统的剩余电量百分比soc信号，并根据所述储能系统的剩余电量百分比soc信号计算车辆预估行驶里程；
22.根据所述储能系统的剩余电量百分比soc信号计算车辆预估行驶里程的具体算法如下：
23.当车辆处于牵引状态时、储能输出电流为正值，且储能输出电流输出大于1a：车辆预估行驶里程＝(soc*储能系统容量/(储能输出电流*电压))*车速；
24.当车辆处于电制动状态时、储能输出电流为负值：车辆预估行驶里程为显示电制动发生时，上一牵引时刻的公里预估值；
25.当车辆处于滑行状态时：车辆预估行驶里程＝(soc*储能系统容量/(车辆各系统额定功率之和))*车速；
26.所述中央控制单元并将所述储能系统的剩余电量百分比soc和所述车辆预估行驶里程通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
27.所述人机交互单元获取所述储能系统的剩余电量百分比soc和所述车辆预估行驶里程并进行显示。
28.进一步地，所述中央控制单元还用于采集机车上各个环节的继电器状态信号，并将所述继电器状态信号通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
29.所述人机交互单元获取所述继电器状态信号并进行显示。
30.进一步地，所述中央控制单元还用于采集储能系统放电电流、储能系统放电电压以及储能系统放电时间，并通过以下公式计算能耗电量：
31.能耗电量＝储能系统放电电流*储能系统放电电压*储能系统放电时间；
32.所述中央控制单元还用于采集牵引系统累计能耗、辅助系统累计能耗以及充电机累计能耗，并通过以下公式计算损耗电量：
33.损耗电量＝能耗电量-牵引系统累计能耗-辅助系统累计能耗-充电机累计能耗；
34.所述中央控制单元还用于通过以下公式计算损耗占比：
35.损耗占比＝损耗电量/能耗电量；
36.所述中央控制单元并将所述计算的能耗电量信息、损耗电量信息以及损耗占比通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
37.所述人机交互单元获取所述能耗电量信息、损耗电量信息以及损耗占比并进行显示。
38.进一步地，所述中央控制单元用于采集充电机累计能耗、牵引系统累计能耗以及辅助系统累计能耗，并根据以下公式分别计算充电机系统能耗占比、牵引系统能耗占比以及辅助系统能耗占比：
39.充电机系统能耗占比＝充电机累计能耗/(充电机累计能耗+牵引系统累计能耗+辅助系统累计能耗)；
40.牵引系统能耗占比＝牵引系统累计能耗/(充电机累计能耗+牵引系统累计能耗+辅助系统累计能耗)；
41.辅助系统能耗占比＝辅助系统累计能耗/(充电机累计能耗+牵引系统累计能耗+辅助系统累计能耗)；
42.所述中央控制单元并将充电机累计能耗、牵引系统累计能耗以及辅助系统累计能耗、充电机系统能耗占比、牵引系统能耗占比以及辅助系统能耗占比通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
43.所述人机交互单元获取所述充电机累计能耗、牵引系统累计能耗以及辅助系统累计能耗、充电机系统能耗占比、牵引系统能耗占比以及辅助系统能耗占比并进行显示。
44.进一步地，所述中央控制单元用于获取累计充电能量和再生制动能量，并根据以下公式分别计算再生制动能量占比和累计充电能量占比：
45.再生制动能量占比＝再生制动能量/(再生制动能量+累计充电能量)；
46.累计充电能量占比＝累计充电能量/(再生制动能量+累计充电能量)；
47.所述中央控制单元并将所述累计充电能量、再生制动能量、再生制动能量占比以及累计充电能量占比通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
48.所述人机交互单元获取所述累计充电能量、再生制动能量、再生制动能量占比以及累计充电能量占比并进行显示。
49.进一步地，所述中央控制单元用于采集机车上各个车辆负载信息和牵引系统的各个轴的牵引力，并将所述车辆负载信息和牵引系统的各个轴的牵引力通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
50.所述人机交互单元获取所述机车上各个车辆负载信息和牵引系统的各个轴的牵引力并进行显示。
51.进一步地，所述通信单元包括有线通信接口模块和无线通信接口模块；
52.所述有线通信接口模块包括485总线通信接口、以太网通信接口、mvb通信接口、can通信接口、232通信接口中至少一种；
53.所述无线通信接口模块包括5g通信模块和超短波通信模块。
54.与现有技术比较，本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统具有以下有益效果：由于中央控制单元能够采集档位司控器的档位信号，根据档位信号采用速度控制策略获得电力牵引系统的控制信号以控制所述电力牵引系统，因此，可以在不改变整车控制习惯的情况下实现对油改电轨道车辆的控制，使其能够延续内燃机车的司乘习惯与驾驶习惯，同时兼容电力车辆的性能优势，让不同平台的司乘人员能够顺利过渡，具有让司乘人员上手更快，运用更便捷的特点。
附图说明
55.图1为本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统的系统拓扑图；
56.图2为本发明公开的人机交互单元的主界面排布示意图；
57.图3为本发明公开的人机交互单元的主界面一种实施例的具体示意图；
58.图4为本发明公开的人机交互单元的主界面中牵引圆盘部分的示意图；
59.图5为本发明公开的人机交互单元的主界面中人机交互按键与网络拓扑联动部分的示意图；
60.图6为本发明公开的人机交互单元的界面中soc与公里预估显示部分的示意图；
61.图7为本发明公开的人机交互单元的界面中充放电界面部分的示意图；
62.图8为本发明公开的人机交互单元的界面中能耗界面部分的示意图；
63.图9为本发明公开的人机交互单元的界面中二级权限界面部分的示意图；
64.图10为本发明公开的人机交互单元的界面中文件夹、截屏缩略部分的示意图；
65.图11为本发明公开的人机交互单元的界面中电子日志部分的示意图。
具体实施方式
66.如图1所示为本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其中油改电轨道车辆中司控器采用内燃机车的档位司控器，牵引系统采用电力机车的电力牵引系统，包括中央控制单元、通信单元以及人机交互单元；
67.所述中央控制单元用于采集所述档位司控器的档位信号，根据所述档位信号采用速度控制策略获得电力牵引系统的控制信号以控制所述电力牵引系统；
68.所述通信单元用于所述中央控制单元与所述人机交互单元之间的信号传输；
69.所述人机交互单元，用于获取所述中央控制单元发送的信号并对所述信号进行显
示。
70.具体地，本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统的主要部件系统拓扑如图1所示，包括中央控制单元、通信单元以及人机交互单元，在本实施例中，通信单元为中央控制单元上的各种通信接口，该系统的核心部件为中央控制单元(中央控制机箱)，中央控制单元中的具有硬线接口及相应功能模块以负责完成车辆的硬件信号采集与输出，同时其与通信单元的通信接口模块连接及软件功能模块负责完成与其他子设备(如牵引系统、储能系统等)组建整车通信网络，传递和交互网络控制指令等。
71.如图1所示，中央控制单元是网络控制系统的核心部件，其配有的接口类型分为两类，第一类为硬件接口，包括通过机箱配套的di板卡完成车辆的数字量硬线信号收集，如完成一些继电器的状态采集、列车线的状态采集；通过机箱配套的do板卡完成车辆的数字量硬线信号输出，如完成一些指示灯的显示指令输出、升弓、降弓等控制指令输出；通过机箱配套的ax板卡完成车辆的模拟量信号的输入和输出，如完成司控器级位电位信号的采集或完成对一些模拟量信号输入设备的电压或电流信号输出。第二类为通信接口，中央控制单元(中央控制机箱)配有485总线通信接口、以太网通信接口、mvb通信接口、can通信接口、232通信接口等，其中485、232、mvb、can接口均采用db9接口形式，使得中央控制单元可以更灵活的进行通信转换，如中央控制单元可配备4个db9接口，根据现场的实际需要，4个db9接口可以配置成为任何一种通信协议的接口，与应用不同通信协议的子系统进行通信，以将车辆总线中各种协议的网络数据收集，统一转换为一种通信协议给到人机交互单元来显示信息，该网络控制系统具有多协议通信、统一协议显示的特点，不在拘泥于网络系统中单一通信的形式，各种通信协议的子系统都能够接入总线中，有利于项目执行中的降本增效。
72.同时，该人机交互单元与网络控制系统还配套了无线通信模块，无线通信模块包括5g通信模块和超短波通信模块(数传电台)，中央控制单元与无线通信模块通过485总线和以太网的协议和接口进行通信，网络控制系统拥有无线通信的双网冗余形式：通过5g网与超短波通信网的双通信方式，两种无线通信选择了在声波通信的两个跨度较大的频段，超短波通信频率范围使用403-423.5mhz，5g通信采用3300mhz-3800mhz频率范围，不同频段的无线通信网通过各自的优势互补，加强了无线通信的稳定性，提升了无线通信的可靠性。将车辆的通信总线网络无线通信化，将车载端的数据通过无线传输的形式，落地到地面的运维端、装车楼、控制室等地方，以无线通信构架数据远程交互的桥梁，为无人驾驶、远程控车等技术，提供了通信的通道。
73.为了便于阐述人机交互单元界面功能，将人机交互单元主界面进行分区划分为a、b、c、d，4个大区，每个大区包含若干个小区，各功能区域布局定义见图2。
74.a1-a4区在界面的最上部分，属于公共信息显示区；
75.a5区在界面的最上部分右侧，属于通信状态以及电池信息显示区；
76.b区为柱状信息显示区；
77.c区为图标指示器信息显示区；
78.d11区为机车手柄操纵状态信息显示区；
79.d21区为拓扑信息显示区；
80.d31区为手动隔离/复位信息显示区；
81.d41区为故障及行车信息显示区。
82.本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其主要设计原则为不改变内燃机车的司乘习惯，同时要兼容电力机车的优秀性能特点，因此，油改电轨道车辆中司控器采用仍为内燃机车的档位司控器，而牵引系统则采用电力机车的电力牵引系统，然而在司控器上，内燃机车与电力机车的差异较大，内燃机的司控器为档位式，其通过“0”、“1”、“降”、“保”、“升”五个档位完成对列车的制动、自由停车、降速、保持、增速控制；而电力机车的司控器为电位式，通过电位器的反馈，给牵引系统提供牵引、制动的级位大小指令来控制车辆驾驶。
83.本技术公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统中的中央控制单元能够采集所述档位司控器的档位信号，根据所述档位信号采用速度控制策略获得电力牵引系统的控制信号以控制所述电力牵引系统；
84.同时，所述中央控制单元通过所述通信单元与所述人机交互单元之间的信号传输；
85.人机交互单元用于获取所述中央控制单元发送的信号并对所述信号进行显示。
86.在本发明中，首先在人机交互单元上需要将档位信号进行显示，本实施例中将“0”、“1”、“降”、“保”、“升”五个档位以半月表盘的形式进行显示，提示司机操作司控器所在的档位位置，将内燃机不具备显示条件的司控级位置于人机交互单元上进行具现化显示，司乘人员可以不低头看手柄位置，通过人机交互单元确认司控级位，如表1所示。
87.表1具现化司控器表盘设计方案
[0088][0089]
本技术中为了能够将档位信号转换成发送给电力牵引系统以进行控制的电力牵引系统的控制信号，所述速度控制策略具体如下：
[0090]
当获取的所述档位信号为“0”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照设定速度0km/h、减速制动时间小于10s的减速制动模式进行减速制动行驶；
[0091]
当获取的所述档位信号为“1”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照设定速度0km/h、不施加牵引力、自由滑行的模式进行自由停车行驶；
[0092]
当获取的所述档位信号为“降”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前设定速度每500ms降低1km/h的降速模式进行降速行驶；
[0093]
当获取的所述档位信号为“保”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系
统按照保持当前设定速度的保速模式进行保速行驶；
[0094]
当获取的所述档位信号为“升”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前设定速度每500ms升高1km/h的增速模式进行增速行驶。
[0095]
本发明公开的网络控制系统中由于中央控制单元能够采集档位司控器的档位信号，并根据档位信号采用上述公开的速度控制策略将档位信号转换成发送电力牵引系统的控制信号以控制所述电力牵引系统，因此，实现了在不改变整车控制习惯的情况下实现对油改电轨道车辆的控制，使其能够延续内燃机车的司乘习惯与驾驶习惯，同时兼容电力车辆的性能优势，让不同平台的司乘人员能够顺利过渡，具有让司乘人员上手更快，运用更便捷的特点。
[0096]
进一步地，在司乘人员的日常驾驶中，通常级位的变化跳变较大，工况种类繁杂，如某条线路的驾驶速度设定为10km/h，当车辆行驶在上坡时，需要加速，而遇到下坡时，由于车体的大惯性原因，车辆速度会减速，在平直道时，为了节能降耗，司乘人员会采用滑行的方式维持车辆行驶，档位的不断变化给车辆的操控带来了油改电机车的难度，本发明提出的速度跟随方案为利用车辆的现行速度作为行车参考，由“0”、“1”档位(设定速度为0)转为“升、保、降”档位任何一种情况时且车速不为0，采用车辆当前速度v为速度基数参考，再执行速度控制方案，可以降低车辆控制的难度，同时保证行车的安全，具体地如下：
[0097]
所述中央控制单元还用于采集当前的车速信息，根据所述档位信号和当前的车速v由档位切换判断策略获取切换档位信号，并根据所述切换档位信号采用速度跟随控制策略获得电力牵引系统的控制信号以控制所述电力牵引系统；
[0098]
所述档位切换判断策略如下：
[0099]
当档位信号为“0”位或“1”位且当前的车速v不为0时，档位信号由“0”位或“1”位切换至“降”位时，当前切换档位信号为第一切换档位信号；
[0100]
当档位信号为“0”位或“1”位且当前的车速v不为0时，档位信号由“0”位或“1”位切换至“保”位时，当前切换档位信号为第二切换档位信号；
[0101]
当档位信号为“0”位或“1”位且当前的车速v不为0时，档位信号由“0”位或“1”位切换至“升”位时，当前切换档位信号为第三切换档位信号；
[0102]
所述速度跟随控制策略具体如下：
[0103]
当切换档位信号为第一切换档位信号时，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前车辆速度v每500ms降低1km/h的降速模式进行降速行驶；
[0104]
当切换档位信号为第二切换档位信号时，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照保持当前车辆的速度v的保速模式进行保速行驶；
[0105]
当切换档位信号为第三切换档位信号时，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前车辆的速度(v-1)每500ms升高1km/h的增速模式进行增速行驶。
[0106]
也就是，当车辆处于“0、1”档位且当前速度不为0时切换至“降”位采用车辆当前速度v直接降速的形式，当车辆处于“0、1”档位且当前速度不为0时切换至“保”位采用车辆当前速度进行保速行驶形式，而当车辆处于“0、1”档位且当前速度不为0时切换至“升”位采用车辆当前速度(v-1)的升速形式，该方案给司乘人员提供了500ms的切换缓冲时间，在500ms后基于车辆的当前速度确认车辆需要行驶的设定速度，避免了模式切换后，司机没反应过来，速度已经攀升的情况，提升了司乘人员的驾驶体验和确保了行车安全。
[0107]
速度跟随系统是对油改电轨道车辆的特定功能，该系统策略能够将档位转换后的车辆根据当前速度为基准，结合用车的意图进行速度的增、降，结合速度控制策略，使得车辆速度控制更平滑，更符合现场应用实际。
[0108]
本发明方案中，如图3所示，人机交互界面的黄金视觉区为右上线框区域，为了更好的便捷司乘人员的驾驶，将重要的信息内容：设定速度、实际速度，司控器具现化表盘，牵引系统牵引力实际输出具现化(4个牵引力百分比轮盘)，车辆的网络系统拓扑(拓扑图与各子系统的在线状态、隔离情况能够直连互动)放到视觉黄金区域内，让司机对重要信息的获取一眼尽收，不需要分担过多的精力去目光查询，去整个界面搜索，图中仅为本实施例中的一种示意图，仅代表设计方案的概念效果。
[0109]
本发明公开的网络控制系统中的所述中央控制单元还用于采集机车上各个车辆负载信息和牵引系统的各个轴的牵引力，并将所述车辆负载信息和牵引系统的各个轴的牵引力通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
[0110]
所述人机交互单元获取所述机车上各个车辆负载信息和牵引系统的各个轴的牵引力并进行显示。
[0111]
如图4所示，在牵引系统各个轴的牵引力输出设计方案中，根据每个轴的牵引力输出情况，若输出的是牵引力，则可以用蓝色百分比显示，如果输出的是制动力，则可以用红色的百分比显示，牵引圆盘根据力的百分比不同呈现圆月、半月、弦月的形式。
[0112]
如图5所示，本发明中将网络控制系统中拓扑与手动隔离、复位等案件也可以由中央控制单元进行采集并发送至人机交互单元进行显示，拓扑与手动隔离、复位等案件前置到人机交互界面的主界面中，与以往电力机车方案不同，在以往的方案里，网络拓扑与人机交互指令并不在一个界面，且彼此间不互相联动，将网络系统拓扑仅作为子设备是否在线信息的提示用，且均放置在二级界面中，在人机交互指令方案上，会根据指令的内容，在再设计一个状态显示的设备拓扑与按键联动和显示。
[0113]
本发明方案公开了一种与人机交互按键信息联动的网络系统拓扑，能够状态互动及时显示手动隔离、复位后的设备反馈状态，给予司乘人员直接的信息反馈，在主界面就可以看到信息，在车辆开行的过程中，获取信息更容易，不需要去二级界面翻找，使得车辆行驶过程中更安全。
[0114]
在油改电轨道车辆中，其动能来源与传统电力机车有很大不同，油改电轨道车辆使用储能系统作为动力来源，传统电力机车或地铁其动力源由电力网的接触网直供，车辆行驶前通过受电弓、第三轨等设备与接触网接触，获得车辆开行的动力来源。因此，储能系统电量的剩余量决定了车辆能够行驶的距离，因此储能系统的剩余电量百分比soc和车辆预估行驶里程这两个参数是油改电轨道车辆中的重中之重，在本发明中，在人机交互单元的主界面方案上，将储能系统的soc参数与和基于soc参数的公里预估作为主界面的标志性图形化显示内容，其中soc需要明确显示出所剩余电量的百分比，同时显示的柱形图要根据储能系统的soc余量做出不同颜色的图像显示，根据油改电机车的实际应用特点，以下是本实施例中一种显色方案为：
[0115]
当40％≤soc≤100％时，绿色深浅色渐变色；
[0116]
当30％≤soc《40％时，黄色深浅色渐变色；
[0117]
当soc《30％时，红色深浅色渐变色；
[0118]
当soc《20％时，人机交互单元弹窗报警，并通过声、光报警提示,须由司乘人员确认后解除报警状态；
[0119]
在渐变色中，使用反设计增强图形的色彩感观，如示意图6中，soc的渐变色方案为从上至下的(绿色深色到浅色)渐变，公里预估也为颜色(蓝色从上至下的蓝色浅色到深色)的渐变。
[0120]
由于油改电轨道车辆的车辆动力源为储能系统，因此，公里预估方案是油改电轨道车辆中的重要参数之一，因此，本发明公开的中央控制单元还用于采集储能系统的剩余电量百分比soc信号，并根据所述储能系统的剩余电量百分比soc信号计算车辆预估行驶里程；考虑到储能系统的输出电流与电压，其中电流参数会根据车辆的不同状态存在正负值的变化，如车辆在牵引过程中，储能系统的电流输出为正值，而在制动过程中，由于电制动的电能回馈到储能系统中，测试的电流为负值，同时，在车辆滑行等容易行车的工况下，电流值大小很小，此时整车耗能也很小，会对公里预估造成一定的干扰，介于上述原因本发明采用的具体算法如下公式以根据储能系统的剩余电量百分比soc信号计算车辆预估行驶里程：
[0121]
当车辆处于牵引状态时、储能输出电流为正值，且储能输出电流输出大于1a：车辆预估行驶里程＝(soc*储能系统容量/(储能输出电流*电压))*车速；
[0122]
当车辆处于电制动状态时、储能输出电流为负值：车辆预估行驶里程为显示电制动发生时，上一牵引时刻的公里预估值；
[0123]
当车辆处于滑行状态时：车辆预估行驶里程＝(soc*储能系统容量/(车辆各系统额定功率之和))*车速；
[0124]
所述中央控制单元并将所述储能系统的剩余电量百分比soc和所述车辆预估行驶里程通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
[0125]
所述人机交互单元获取所述储能系统的剩余电量百分比soc和所述车辆预估行驶里程并进行显示。
[0126]
上述方案中，储能输出电流、电压、车辆各系统额定功率以及车速等信息均可以直接采集或获得。在本发明方案中，在人机交互单元中给车辆的充放电界面需要单独设计一个一级操作界面，在方案上需要将储能系统的电气原理图具现化显示，并把各个环节的继电器状态，通过网络控制系统的中央控制单元采集关联显示，给司乘人员的电路状态检查提供方便，同时在该界面需要显示储能系统各个单元模块的电量状态，是否有单体故障异常(异常应闪烁对应单体图标)，配色方案与soc等同。
[0127]
因此，本发明公开的中央控制单元还用于采集机车上各个环节的继电器状态信号，并将所述继电器状态信号通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
[0128]
所述人机交互单元获取所述继电器状态信号并进行显示。
[0129]
如图7所示车辆的充放电界面中，还应体现具体的车辆负载信息，如k7继电器带载的380v负载、220v负载、24v负载情况，当负载用电时，对应的模块颜色应为绿色，故障提示为红色。k6继电器带载的牵引系统，当牵引系统用电时，对应的轴应为蓝色，故障提示为红色。界面左下角应显示储能系统的参数信息，方便相关人员的参数至核实查询，对系统的检修维护提供依据，右下角为车辆的具现化模型图标，在车辆充电时，车模图标配有充电动画方案(由红色、黄色、至绿色的三色渐变，颜色渐变从车头开始，到车尾终点)，在车辆故障发
生时，动画消失，播报车辆故障，以上颜色设置可以根据需要进行设置。
[0130]
本发明方案中根据油改电轨道车辆的储能动力特点，能耗与损耗等能源使用的统计情况，该指标的统计对储能系统的轨道车辆有着重要的意义，标志着车辆能源的使用效率，本技术根据该特点设计了计算能耗电量和损耗电量的计算方法，本提出并设计了适用于该类轨道车辆的能耗数据人机交互界面如图8所示，该界面结合了车辆应用的实际情况，发明方案中的人机交互单元能耗数据页面，该界面显示了统计的能耗与损耗的能源使用情况，该指标的统计对储能系统的轨道车辆有着重要的意义，标志着车辆能源的使用效率，为当前的能耗情况提供可视化、信息化的数据支撑，同时能够为以后的节能控车策略实施效果提供评测依据。
[0131]
为了能够在人机交互单元上显示能耗电量与损耗电量，本发明公开的中央控制单元还用于采集储能系统放电电流、储能系统放电电压以及储能系统放电时间，并通过以下公式计算能耗电量：
[0132]
能耗电量＝储能系统放电电流*储能系统放电电压*储能系统放电时间；
[0133]
所述中央控制单元还用于采集牵引系统累计能耗、辅助系统累计能耗以及充电机累计能耗，并通过以下公式计算损耗电量：
[0134]
损耗电量＝能耗电量-牵引系统累计能耗-辅助系统累计能耗-充电机累计能耗；
[0135]
所述中央控制单元还用于通过以下公式计算损耗占比：
[0136]
损耗占比＝损耗电量/能耗电量；
[0137]
所述中央控制单元并将所述计算的能耗电量信息、损耗电量信息以及损耗占比通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
[0138]
所述人机交互单元获取所述能耗电量信息、损耗电量信息以及损耗占比并进行显示。
[0139]
在发明方案中，能耗电量并没有采用储能系统的累计充电电量，考虑到储能系统的能源转化效率问题，和储能系统储能过程中设备发热损耗的电量，将车辆的能耗通过实际的放电过程和用电量来计算，可以更准确，精度更高。损耗电量算法同样考虑到各负载设备的实际情况，用储能系统的放电电量减去各负载系统的实际用电量，得出的损耗电量为电路线缆、设备发热所损耗的电量。
[0140]
进一步地，在本发明方案中能耗和损耗方案中，还计算了各负载设备的能耗占比，并将各能耗占比在人机交互单元的能耗界面中进行显示，本发明在能耗指标中，将能耗情况统计上采用分层分级的统计原则，既有总能耗的消耗与损耗统计，还在能耗中细分设备层级的能耗使用占比，该项统计既能精确各负载的实际能耗情况，又能为后续的各系统节能优化提供参考和效果评测依据，各负载设备的能耗占比占比算法为：
[0141]
所述中央控制单元用于采集充电机累计能耗、牵引系统累计能耗以及辅助系统累计能耗，并根据以下公式分别计算充电机系统能耗占比、牵引系统能耗占比以及辅助系统能耗占比：
[0142]
充电机系统能耗占比＝充电机累计能耗/(充电机累计能耗+牵引系统累计能耗+辅助系统累计能耗)；
[0143]
牵引系统能耗占比＝牵引系统累计能耗/(充电机累计能耗+牵引系统累计能耗+辅助系统累计能耗)；
[0144]
辅助系统能耗占比＝辅助系统累计能耗/(充电机累计能耗+牵引系统累计能耗+辅助系统累计能耗)；
[0145]
所述中央控制单元并将充电机累计能耗、牵引系统累计能耗以及辅助系统累计能耗、充电机系统能耗占比、牵引系统能耗占比以及辅助系统能耗占比通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
[0146]
所述人机交互单元获取所述充电机累计能耗、牵引系统累计能耗以及辅助系统累计能耗、充电机系统能耗占比、牵引系统能耗占比以及辅助系统能耗占比并进行显示。本方案中，各种负载设备的累计能耗中央控制单元可以从各负载设备中直接获取。
[0147]
在油改电轨道车辆中，储能系统的电能来源有两个方面：其一是来自充电桩的电源供给，其二是在车辆发挥电制动的过程中，再生制动回馈到储能系统的电量，两部分电能供给共同支撑了车辆的能耗使用，因此统计和显示累计充电与再生制动电能回馈的占比对油改电轨道车辆具有重要作用和意见，本发明中计算再生制动能量占比和累计充电能量占比的算法如下：
[0148]
所述中央控制单元用于获取累计充电能量和再生制动能量，并根据以下公式分别计算再生制动能量占比和累计充电能量占比：
[0149]
再生制动能量占比＝再生制动能量/(再生制动能量+累计充电能量)；
[0150]
累计充电能量占比＝累计充电能量/(再生制动能量+累计充电能量)；
[0151]
所述中央控制单元并将所述累计充电能量、再生制动能量、再生制动能量占比以及累计充电能量占比通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；
[0152]
所述人机交互单元获取所述累计充电能量、再生制动能量、再生制动能量占比以及累计充电能量占比并进行显示。其中，累计充电能量为储能系统累计的充电桩能量供给；再生制动能量为中央控制单元累计的各个牵引系统控制单元发送到通信总线中的再生制动能量回馈。其中，本发明再生制动能量回馈以每累计1kwh牵引系统各控制单元发送一个2秒脉宽的脉冲信号，由网络控制系统的中央控制机单元根据脉冲信号进行回馈能源统计。
[0153]
本发明根据油改电轨道车辆的特点，通过中央控制单元对各负载设备的能耗(用电情况)进行采集，并计算相应的电费，同时通过碳排放的计算公式得出车辆的碳排放情况，并通过人机交互单元进行显示，具体地，发明方案中的人机交互单元能耗数据页面，为了将各负载设备的内耗值进行展现，并结合油改电轨道车辆的属地化应用情况，结合其电费详情，页面中使用柱状图来展示各负载系统的用电情况和电费使用情况。同时界面方案中根据中央控制单元统计车辆的碳排放情况，该排放指标需使用累计充电能量与再生制动能量的总和作为车辆的实际电量总输入，结合碳排放的计算公式得出，通过该算法的获得是碳排放的目的在于，车辆的能源供给后，无论用于实际行车还是热量损耗等，其电能源头均由电厂发电完成，在发电的过程中均产生了碳排放，算法采用实际电量总输入作为碳排放的计算依据更加科学和准确。
[0154]
本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统中还公开了具有提示信息的二级权限页面设计，具体地，在本发明将一些网络系统参数设置放在了人机交互界面上，如时间设置、车号设置、ddu设置、减速调试，这些设置信息是网络系统的重要信息，它们的改动影响着车辆的正常行驶，本发明将上述人机交互界面归入二级界面中，并在界面名称后加设一个锁头的图标与其他子菜单项进行区分，可以让司乘人员、维护
人员一目了然，清晰的看到哪些是常规可浏览的信息，哪些是需要密码登录的页面，如图9所示，该功能的实现可以由人机交互单元独自实现也可以由人机交互单元和中央控制单元交互以实现，具体实现过程为本领域的常规技术手段，此处不再详细描述。
[0155]
进一步地，本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统中还设计了文件夹及其配套使用的人机交互界面截图功能，如图10所示，该人机交互方案的功能设计目的于给用户更大的自由空间，文件夹功能的设计既能用于存放人机交互单元截屏所产生的图片文件信息，又可以让用户从外界通过通信接口访问人机交互单元存放一些培训资料、维护手册、通讯录等内容，当车辆发生故障时，司乘人员可以随时访问人机交互单元的文件夹进行信息读取，配套使用的截屏功能在主界面的下方菜单栏中以相机的图标显现，当司乘人员按下按钮的时候，截屏内容为当前人机交互界面内容，同时截屏的图片将以当前年-月-日-时-分-秒的格式命名、以缩略图的形式存放于文件夹中，以时间倒序的形式，显示最新10张截图的缩略图和文件名，可以便于司乘人员随时复看截屏的内容。同时本发明方案提出设计了在文件夹中，置顶的文件为属性只读文件，目的于存放网络控制系统厂家的企业信息、产品信息、和联系方式，属性只读决定了该文件的不可删改特性，且置顶宣传文件有利于企业推广自己的品牌和产品，将销售宣传通过产品送到每一位用户的手上。
[0156]
进一步地，本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统中还设计了一种电子日志功能的人机交互界面，如图11所示，该功能目的于提高项目执行和维护的自动化办公水平，在机车和城轨的日常维护中，车上各系统软件更新目前走的都是纸质文件报备签审流程，当签审单或者登记册遗失，纸质文件年头久远或在办公日常里被水打湿，那么软件更新的记录将无从查询，且维护人员在车上安检设备时，要想知道设备软件的更新情况，还需要去相关部门确认或电话联系，本发明提出的电子日志功能，将软件更新情况登记在人机交互单元上，通过将不同子设备进行单独的记录分类，可以做到针对单个设备的软件升级情况回溯，回溯内容包括、操作人员、软件版本、更新时间，还可以加入软件升级更新的具体内容。
[0157]
其中，操作人员的登记方式在本发明中提供两种方法，一种是通过软键盘操作输入操作人员的姓名；另外一种是通过人机交互单元的屏幕采集指纹或人脸信息，将采集到的信息，与人机交互单元预设的项目人员信息库比对后，自动登记。软件版本和更新时间提供两种方法操作，一种是通过人机交换单元的软键盘操作输入相关内容；另一种是当软件更新后，人机交互单元通过网络控制系统组件(中央控制单元)的通信网收集到了各系统的软件版本号，同时识别软件升级变更的时间自动登记。
[0158]
进一步地，本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统中车辆的行车过程数据由人机交互单元进行记录，其中，网络控制系统的时钟由人机交互单元发布和统一，车辆两端的人机交互单元，以激活端的人机交互单元为时间基准单元，其通过网络系统组件的通信网络广播基准时间，非激活端的人机交互单元与激活端的人机交互单元实时校准采用基准单元的时间，车载的两个人机交互单元应收集并记录整车所有子设备在总线上的数据信息，在本发明方案中，为了提升数据记录的采样频率，提出了基于基准时间的间隔记录方法，即车载两端的人机交互单元分别在一秒的奇数整百毫秒和偶数整百毫秒点进行记录，单个人机交互单元的记录周期暂定200ms，通过间隔记录，能够两个设
备汇总的记录数据可以达到100ms周期的效果，以这种技术手段实现车辆数据采样精度更高的效果，记录的数据以csv文件的格式存放。
[0159]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其中油改电轨道车辆中司控器采用内燃机车的档位司控器，牵引系统采用电力机车的电力牵引系统，其特征在于：包括中央控制单元、通信单元以及人机交互单元；所述中央控制单元用于采集所述档位司控器的档位信号，根据所述档位信号采用速度控制策略计算得出电力牵引系统的控制信号以控制所述电力牵引系统；所述通信单元用于所述中央控制单元与所述人机交互单元之间的信号传输；所述人机交互单元，用于获取所述中央控制单元发送的信号并对所述信号进行显示与统计。2.根据权利要求1所述的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其特征在于：所述速度控制策略具体如下：当获取的所述档位信号为“0”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照设定速度0km/h、减速制动时间小于10s的减速制动模式进行减速制动行驶；当获取的所述档位信号为“1”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照设定速度0km/h、不施加牵引力、自由滑行的模式进行自由停车行驶；当获取的所述档位信号为“降”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前设定速度每500ms降低1km/h的降速模式进行降速行驶；当获取的所述档位信号为“保”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照保持当前设定速度的保速模式进行保速行驶；当获取的所述档位信号为“升”位，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前设定速度每500ms升高1km/h的增速模式进行增速行驶。3.根据权利要求2所述的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其特征在于：所述中央控制单元还用于采集当前的车速信息，根据所述档位信号和当前的车速v由档位切换判断策略获取切换档位信号，并根据所述切换档位信号采用速度跟随控制策略获得电力牵引系统的控制信号以控制所述电力牵引系统；所述档位切换判断策略如下：当档位信号为“0”位或“1”位且当前的车速v不为0时，档位信号由“0”位或“1”位切换至“降”位时，当前切换档位信号为第一切换档位信号；当档位信号为“0”位或“1”位且当前的车速v不为0时，档位信号由“0”位或“1”位切换至“保”位时，当前切换档位信号为第二切换档位信号；当档位信号为“0”位或“1”位且当前的车速v不为0时，档位信号由“0”位或“1”位切换至“升”位时，当前切换档位信号为第三切换档位信号；所述速度跟随控制策略具体如下：当切换档位信号为第一切换档位信号时，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前车辆速度v每500ms降低1km/h的降速模式进行降速行驶；当切换档位信号为第二切换档位信号时，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照保持当前车辆的速度v的保速模式进行保速行驶；当切换档位信号为第三切换档位信号时，所述电力牵引系统的控制信号为：电力牵引系统按照当前车辆的速度(v-1)每500ms升高1km/h的增速模式进行增速行驶。4.根据权利要求1至3任意一项所述的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络
控制系统，其特征在于：所述油改电轨道车辆的车辆动力源为储能系统，所述中央控制单元还用于采集储能系统的剩余电量百分比soc信号，并根据所述储能系统的剩余电量百分比soc信号计算车辆预估行驶里程；根据所述储能系统的剩余电量百分比soc信号计算车辆预估行驶里程的具体算法如下：当车辆处于牵引状态时、储能输出电流为正值，且储能输出电流输出大于1a：车辆预估行驶里程＝(soc*储能系统容量/(储能输出电流*电压))*车速；当车辆处于电制动状态时、储能输出电流为负值：车辆预估行驶里程为显示电制动发生时，上一牵引时刻的公里预估值；当车辆处于滑行状态时：车辆预估行驶里程＝(soc*储能系统容量/(车辆各系统额定功率之和))*车速；所述中央控制单元并将所述储能系统的剩余电量百分比soc和所述车辆预估行驶里程通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；所述人机交互单元获取所述储能系统的剩余电量百分比soc和所述车辆预估行驶里程并进行显示。5.根据权利要求1所述的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其特征在于：所述中央控制单元还用于采集机车上各个环节的继电器状态信号，并将所述继电器状态信号通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；所述人机交互单元获取所述继电器状态信号并进行显示。6.根据权利要求1所述的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其特征在于：所述中央控制单元还用于采集储能系统放电电流、储能系统放电电压以及储能系统放电时间，并通过以下公式计算能耗电量：能耗电量＝储能系统放电电流*储能系统放电电压*储能系统放电时间；所述中央控制单元还用于采集牵引系统累计能耗、辅助系统累计能耗以及充电机累计能耗，并通过以下公式计算损耗电量：损耗电量＝能耗电量-牵引系统累计能耗-辅助系统累计能耗-充电机累计能耗；所述中央控制单元还用于通过以下公式计算损耗占比：损耗占比＝损耗电量/能耗电量；所述中央控制单元并将所述计算的能耗电量信息、损耗电量信息以及损耗占比通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；所述人机交互单元获取所述能耗电量信息、损耗电量信息以及损耗占比并进行显示。7.根据权利要求6所述的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其特征在于：所述中央控制单元用于采集充电机累计能耗、牵引系统累计能耗以及辅助系统累计能耗，并根据以下公式分别计算充电机系统能耗占比、牵引系统能耗占比以及辅助系统能耗占比：充电机系统能耗占比＝充电机累计能耗/(充电机累计能耗+牵引系统累计能耗+辅助系统累计能耗)；
牵引系统能耗占比＝牵引系统累计能耗/(充电机累计能耗+牵引系统累计能耗+辅助系统累计能耗)；辅助系统能耗占比＝辅助系统累计能耗/(充电机累计能耗+牵引系统累计能耗+辅助系统累计能耗)；所述中央控制单元并将充电机累计能耗、牵引系统累计能耗以及辅助系统累计能耗、充电机系统能耗占比、牵引系统能耗占比以及辅助系统能耗占比通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；所述人机交互单元获取所述充电机累计能耗、牵引系统累计能耗以及辅助系统累计能耗、充电机系统能耗占比、牵引系统能耗占比以及辅助系统能耗占比并进行显示。8.根据权利要求7所述的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其特征在于：所述中央控制单元用于获取累计充电能量和再生制动能量，并根据以下公式分别计算再生制动能量占比和累计充电能量占比：再生制动能量占比＝再生制动能量/(再生制动能量+累计充电能量)；累计充电能量占比＝累计充电能量/(再生制动能量+累计充电能量)；所述中央控制单元并将所述累计充电能量、再生制动能量、再生制动能量占比以及累计充电能量占比通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；所述人机交互单元获取所述累计充电能量、再生制动能量、再生制动能量占比以及累计充电能量占比并进行显示。9.根据权利要求1所述的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其特征在于：所述中央控制单元用于采集机车上各个车辆负载信息和牵引系统的各个轴的牵引力，并将所述车辆负载信息和牵引系统的各个轴的牵引力通过所述通信单元发送至所述人机交互单元；所述人机交互单元获取所述机车上各个车辆负载信息和牵引系统的各个轴的牵引力并进行显示。10.根据权利要求1所述的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其特征在于：所述通信单元包括有线通信接口模块和无线通信接口模块；所述有线通信接口模块包括485总线通信接口、以太网通信接口、mvb通信接口、can通信接口、232通信接口中至少一种；所述无线通信接口模块包括5g通信模块和超短波通信模块。

技术总结
本发明公开了一种应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统，其中司控器采用内燃机车的档位司控器，牵引系统采用电力牵引系统，其包括中央控制单元、通信单元以及人机交互单元；中央控制单元用于采集档位司控器的档位信号并采用速度控制策略获得电力牵引系统的控制信号以控制电力牵引系统；人机交互单元通过通信单元获取中央控制单元发送的信号并进行显示与统计。本发明公开的应用于油改电轨道车辆的人机交互单元与网络控制系统可以在不改变整车控制习惯的情况下实现对油改电轨道车辆的控制，使其能够延续内燃机车的司乘习惯与驾驶习惯，同时兼容电力车辆的性能优势，让不同平台的司乘人员能够顺利过渡，上手更快，运用更便捷的特点。运用更便捷的特点。运用更便捷的特点。


技术研发人员：杨天奇 曲先超 王晓鹏 石勇 矫德余 王忠福 史氙 李美华
受保护的技术使用者：中车大连电力牵引研发中心有限公司
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/3/30