列车仿真（精选八篇）
列车仿真 篇1
关键词：高速列车,综合仿真,电气特性,软件
0 引言
高速列车融合了机械工程、现代控制、电子、材料与结构、通信与计算机等多个学科的一系列高新技术,针对如此复杂的系统工程,开发优化设计仿真平台,进行前期良好的功能定位以及开发进程规划至关重要。
目前国内外关于高速列车综合仿真软件的研究比较少,而建立一套整体的电气综合仿真软件确实有着一定的难度,其他科研机构曾经就高速列车的牵引传动系统建立了基于Simulink和VC++混合编程的仿真软件,由于需要两者之间的数据交互和仿真,仿真周期比较长,同时其只是针对牵引传动系统进行了仿真,并没有结合列车实际的运行状态,故而其仿真与列车实际运行情况依然存在着一定的差异[1,2]。而本文基于列车顶层指标[3,4],针对高速列车的电气特性设计以及运行策略进行了分析,并且搭建了一套集设计、验证与展示为一体的电气综合仿真平台,该优化设计仿真平台还能够支持高速列车相关技术的研究[5,6]。
1 高速列车优化设计仿真软件平台框架
图1为高速列车优化设计仿真软件结构框架。仿真软件主要包括5部分,即基本数据设定、列车内部子系统建模、综合仿真、接口以及结果分析。
(1)基本数据设定。定义列车名称和基本编组信息,并对优化设计列车的顶层目标值进行设定。
(2)列车内部子系统建模。通过参数设计完成列车子系统搭建,包括牵引传动子系统和制动系统。其他子系统随着仿真的深入,将逐步搭建。
(3)综合仿真。针对建立的列车模型进行多样化仿真,以验证列车性能;根据仿真结果,优化列车模型,包括列车运行仿真。随着平台的完善,可进行的仿真逐渐增加,例如轮轨关系动力学仿真、车体与空气的流固耦合仿真等。
(4)接口。为实现与硬件实验平台、三维视景仿真、司机模拟控制台、外部系统模型以及其他软件平台的数据交互和联合仿真,在综合仿真部分留有系列接口。
(5)结果分析。以实时展示和设计报告等多种形式对仿真结果进行分析,对设计结果进行总结。
2 电气特性设计
2.1 牵引传动系统能量转换
动车组牵引时,将电能转换成机械能,其能量转换和传递途径如下:接触网高压交流电→受电弓→机车变压器(低压交流电)→ 整流器(直流电)→ 逆变器(VVVF)→牵引电动机→齿轮→旋转力矩→轮轨间黏着作用→机车牵引力。而再生制动时,轮轨间黏着作用提供给动车组制动力,其能量转换和传递途径与牵引时相反。
2.2 牵引/制动特性曲线设计
列车牵引特性曲线的设计是在对列车性能有明确要求基础上,得到一条满足列车各项运行指标的列车牵引力-运行速度曲线。列车牵引特性曲线的设计流程如下:
(1)根据列车相关参数(如列车动车和拖车辆数、单位乘客体重、每辆车的轴数、列车运行基本阻力、列车启动阻力、惯性系数以及最高运行速度时剩余加速度等)计算列车牵引特性相关参数。
(2)根据列车牵引特性相关参数求解列车最高运行速度时的牵引力。先计算出列车牵引功率,根据牵引力、列车运行速度及牵引功率的关系求解出此时的列车牵引力。
(3)计算启动(即速度为0)时的列车牵引力。
(4)目前国内采用日本黏着公式,计算得到列车牵引特性曲线方程。
2.3 异步牵引电机特性设计
异步牵引电机特性曲线计算就是根据传动比和轮径将机车特性曲线转换成电机的转矩- 转速特性曲线,以确定电机的恒功功率及恒功范围、启动转矩、最高转速、最大转矩、电机电流和定转子漏感等参数。
图2为高速列车运行时电机转速和电机转矩之间的关系曲线,随着电机转速的增加,电机转矩几乎呈线性下降趋势。图3为列车速度与转矩之间的关系,当列车速度小于120km/h时,转矩保持恒定,当列车速度大于120km/h时,转矩呈下降趋势,但仍然保持功率恒定。
3 软件功能
3.1 列车模型与线路条件设定
该软件可以进行较为详细的列车编组数据设定。单节车辆为最小模块,动力单元由少量动车和拖车组成,连接多个动力单元即可构建列车模型。细致的列车建模,能够区分不同类型的动力单元在牵引和制动性能方面的差异,同时可以对线路条件进行详细的编辑,能够完成线路坡道、曲线以及其他标记数据的编辑,作为运行仿真的线路数据。
3.2 运行仿真策略
3.2.1 最小时分运行策略
列车最小时分的基本运行模式是以最大牵引力牵引到第一限速区,接着在任一限速路线段,最大可能地采用限制曲线均速运行。在任一限速提高过渡段,在出最低限速段后用最大牵引过渡到高限速段;在任一减速过渡路段,在最迟的时间采用最大制动实现速度的过渡;在停车点前,采用最大制动力进行反推。
为提高计算效率,初始化时将各处限速尽量计算清楚,初始化完成后,系统将显示线路与车站设置,并将根据线路限速、特殊限速及列车制动能力计算出的系统限速显示出来。
3.2.2 固定时分运行策略
针对固定时分运行策略,需将整段线路进行分段处理,分段的节点可以选择线路的限速节点,也可以选择过分相节点。这样做有利于算法的构建以及数据的查找,减小计算量。
每个分段采用固定的时间会导致一定的误差,最终无法满足列车运行的精确度要求,因此可以利用时间和距离的关系,每到一个分段的开始节点就对分段时间进行计算。
这种策略是采用距离分配整个线路段的富裕时间,需要注意的一点是富裕时间一定为正,否则就按照最短时间运行。采用该种策略可以很好地保证列车固定时分的运行。
3.3 运行仿真
该软件建立了功能比较完善的牵引计算模型,以京沪线实际线路数据为线路模型,可采用最小时分、常态运行、固定时分3 种仿真策略进行列车运行模拟。计算输出运行速度、时分、电机电力、功率、全程能耗等数据,三维仿真效果图如图4所示。
4 结束语
本文根据高速列车的电气特性的设计、验证与展示,研发了一套高速列车综合仿真软件,该软件可以对列车牵引制动特性、列车电气特性以及运行策略进行仿真分析,可以对不同种类高速列车进行仿真分析和验证。在列车运行策略方面,介绍了列车最小时分运行和固定时分运行条件下的运行策略计算流程。最终完成了高速列车电气综合仿真软件的设计,软件在实现牵引/制动曲线设计、列车常态运行仿真外,还增添了运行仿真动画显示和三维仿真的动态显示界面,增加了用户操作的趣味性和真实感。
参考文献
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动车组列车地板阻尼优化仿真 篇2
摘要：以某动车组安装变压器区域的车体地板为研究对象，针对车下设备引起的振动，使用LMS VirtualLab软件，利用有限元分析等方法进行局部车体地板在随机激励下的振动响应规律分析研究，通过仿真分析找出其振动传递规律，得出车体地板施加阻尼后随机激励振动的抑制规律，从而降低振动噪声的辐射。
关键词：阻尼优化；振动响应；结构模态；仿真
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.06.088
1前言
随着科学技术的不断进步和乘客对列车舒适度要求的日益提高，列车的振动噪声特性已成为评判其整体性能的重要指标。如何有效的减少振动、降低车内噪声也成为了各个生产厂家共同关注的问题。
列车运行时，客室内部的噪声主要由外部传递而来的轮轨噪声、空气噪声，以及客室内部自身产生振动（包括车下设备振动）而引起的噪声三部分组成。在设计阶段，可通过对车室进行声场分析和车身板块贡献度分析，找出车内噪声声压峰值处所对应的振动频率及该峰值下的“噪声源”区域，为车身结构的针对性修改提供参照。根据某动车组线路运行车内外噪声的测试结果，可以看出车下设备引起的振动噪声，尤其是变压器区域产生的噪声对车内噪声有一定影响。针对这一问题，本文以该变压器区域的车体地板为研究对象，通过粘贴阻尼的方法来抑制车体的振动，从而提升变压器地板区域的减振降噪水平。
本文以公司提供的CAD图纸为依据，在CATIA和Hypermesh平台建立了较为完善的变压器区域车体地板有限元模型，并在此基础上利用LMS Virtual Lab软件对其模态特性进行分析，利用获取的相关模态频率和模态振型为后期阻尼优化设计方案提供建议。围绕地板区域减振降噪这一目标和车体设计轻量化的要求，通过对比优化前后结果，发现阻尼优化处理后取得了较好减振降噪效果。
2仿真建模参数
2.1几何参数
仿真模型截取温州市域车安装变压器区域车体地板部分，其几何尺寸为3.465m×3.118m，模型三维图见图1。
2.2材料参数
车体地板型材为铝型材，仿真时采用铝的材料参数，根据三维模型图，测量不同部件的厚度并输入最终模型中。假设型材结构和阻尼层都是均质且各向同性，采用的阻尼层密度为ρ=1500kg/m3，弹性模量采用频段内均值E=2.3e9Pa，泊松比为v=0.4896，厚度为10mm。型材结构阻尼因子为O.001，阻尼层阻尼损耗因子为0.16（20℃）。
3仿真模型
仿真模型中型材结构采用壳单元模拟，阻尼层采用体单元模拟，阻尼层与型材之间采用共节点的方法模拟连接。单元尺寸为40mm，有限元模型共计40416个单元。如图2所示。
4计算工况及边界条件
4.1工况及约束条件
首先对地板结构进行模态分析，并输出结构的模态应变能分布，确定阻尼层的布置位置。在保持阻尼复合结构的参数不变的情况下，只改变阻尼层的敷贴面积，观察阻尼减振效果。本次采用降低振动位移幅值为目标决定敷贴位置。局部敷贴时，假设阻尼层敷贴面积占型材上板面积的60%，计算此种敷贴方式下阻尼符合材料的振动特性，并与全敷贴方式进行比较。三种工况下约束均为在地板型材四周施加简支约束。
4.2载荷条件
本次仿真采用实际试验线路段，对安装变压器区域的实测数据为输入数据，见图3。由图可知，在200Hz计算频率内，激振力在100Hz处达到峰值，且远高于其他计算频率处。将处理后数据作为模型输入激励数据。
5计算结果与分析
5.1模态分析
对地板结构的模态进行分析并观察其振型，前四阶模态振型如图4。
从图4中可得知：地板断面出现第一阶模态（66.6Hz）时，位移幅值的最大点出现在地板中心处，并向板四周逐渐减小。地板断面出现第二阶模态时，两侧吊挂梁处变形最大，且由中心向两边逐渐减小。地板断面出现第三阶模态时，出现在200Hz计算频率内节点的最大位移幅值，出现在断面两侧。地板断面出现第四阶模态时，断面整体均有变形，最大值仍出现在第三阶模态附近处。
通过观察振型，确定贴阻尼片的位置，在地板中部敷贴60%阻尼以抑制其振动，作为比较，同时设置100%敷贴（全敷贴）工况。敷贴阻尼后的有限元模型见图5。
对进行处理后的地板结构进行模态分析，原始地板断面型材与处理后的阻尼复合结构前4阶固有频率如表1。
由上可知：增加阻尼涂层后，系统基频前移。
进行60%敷贴处理后的阻尼复合结构前4阶模态如图6所示。
进行100%敷贴处理后的阻尼复合结构前4阶模态如图7所示。
表2给出了地板断面加阻尼前后前四阶固有频率时节点振动的位移幅值，从表中可以看出，断面节点振动在前三阶模态处的最大值均有减小。
5.2振动响应分析
对10—200Hz计算频率内地板断面施加阻尼贴片前后的振动特性做详细分析：在地板中间及上下左右设置5个响应点（如图中1—5点）。观察5个响应点的垂向加速度响应（幅值），并计算板的平均振动响应，响应点位置如图8所示。
首先计算中心点（点1）处的振动响应，结果如图9所示。
通过观察振型可知，点1位于一阶模态中心位置，受一阶振动影响最大。从图中可知，两种阻尼处理后的地板断面都有效的避开了地板一阶振动（66.6Hz）处的峰值。100Hz激振力最大值处，原始地板的振动响应达到了，而阻尼处理后的地板均左右，将峰值减小了一半。
计算板的平均振动响应，结果如图10所示。
如图10所示，阻尼处理后的地板在100Hz和150Hz两个峰值处都由有效的消减作用，其中100Hz的峰值处由原来的减小到，150Hz处的峰值由原来的减小到。比较60%敷贴率和100%敷贴率两种情况，除在145Hz处有的差值之外，其余曲线并无明显变化，而前者的阻尼材料用量仅为后者的60%，达到了使用更少的阻尼材料取得较好减振效果的目的。
6结论
列车仿真 篇3
目前, 我国列车模拟驾驶系统主要存在的问题有［1，2］:
( 1) 缺少有效的运行控制策略, 无法在满足教学培训的同时也满足工程分析的要求。
( 2) 无法实现同一区间多列列车的前后追踪运行。
( 3) 大多数列车模拟驾驶系统只能实现单列车的独立运行, 无法实现联锁系统和列控中心 ( 或无线闭塞中心) 对列车运行的控制。
本文着重探讨了列车牵引力学条件下的列车运行问题, 建立了多质点列车动力学仿真模型; 并采用改进的混合控制策略, 完成列车的节能运行控制。 模型具有分析列车不同线路条件和不同编组条件下的运行性能和运行效率的功能, 主要用于教学培训和演示; 同时, 由于采用准确的列车动力学模型, 系统可用于优化列车编组, 提高线路运行效率和优化列车速度控制的可行性分析研究中。
1系统框架
列车模拟驾驶系统总体结构, 如图1所示, 由操作仿真模块、动力学仿真模块、视景仿真模块、音响仿真模块、运动仿真模块、仿真结果输出模块、操作评价模块和数据管理模块构成。其中操作仿真模块是学员与列车模拟驾驶系统交互的主要通道; 动力学仿真模块是系统的核心, 采用多质点动力学模型, 完成对仿真列车速度的控制; 视景仿真模块、音响仿真模块和运动仿真模块使系统的表现形式更加接近现实, 采用的VR虚拟现实技术, 提高系统的真实感。
2列车多质点模型的建立
2. 1多质点模型的理论基础
牵引计算模型多种多样, 大体上分为单质点模型和多质点模型。单质点模型是将列车简化为一个刚性质点, 进行受力分析, 很大程度地简化了受力计算; 但由于是将列车视为单个的刚性质点, 忽略了列车长度, 也不考虑列车车辆间相互作用力。当列车跨越变坡点或变曲率点时, 列车受力是瞬时变化的, 这种简化较大地偏离了列车实体属性, 不能反映出列车间的纵向力的变化。当列车经过变坡点或变曲率点时, 模型计算的受力分析与实际差距较大, 为了修正单质点模型的不足, 多质点模型应运而生［3，4］。
多质点模型是将机车和每节车辆分别简化为一个质点, 构成一个质点链, 能够反映出列车长度和编组对受力和牵引运行的影响。多质点模型在列车运行过程中可以单独计算车辆间的纵向力, 并在列车经过变坡点和变曲率点时, 使其受力变化呈现渐变过程; 但传统的多质点模型以长度为量度, 将整个列车的质量平均化, 无法满足不同车辆混合编组条件下的牵引计算。
2. 2改进的多质点模型
本文中多质点动力学模型与线路信息相结合, 在线路上设置标记点记录线路信息, 将列车简化为一个个相连接的质点, 每个质点在经过标记点时可接收标记点记录的线路信息, 再将接收到的线路信息传给牵引计算模块, 控制列车的运行速度。
如图2, 在一段模拟线路AD上有A、B、C、D四个标记点分别记录AB、BC、CD及以后路段的线路信息, 列车运行过程中, 在经过B和C两个变坡标记点处分别读取BC和CD段线路信息 ( 坡度、曲度、 隧道等) , 即当车辆K1经过B点时, 接收BC段的线路信息, 并将接收的信息传输给牵引计算模块, 随后K2、K3, …, Kn将重复K1的操作。当K1经过C点时, K1记录的原线路信息被刷新, 从而准确地反应每一辆车在不同线路运行过程中所产生的不同的附加阻力, 从而使计算更加精确。
每辆车在通过标记点 ( 记录下一段线路数据的点) 时都会接收到下一段线路所包含的坡度、曲率等数据, 其数据流程如图3所示, 通过这种方法真正地将每一车辆看成一个刚性质点, 从而组成质点链, 实现多质点模型的建立, 更加精确地反应列车每辆车运行中的受力状态, 则第n辆机车或车辆附加阻力W'n为［5，6］
式 ( 1) 中, Pn为第n辆机车或车辆的质量 ( t) ; in为第n辆机车或车辆所在坡道的坡度值 ( ‰) , 上坡为正, 下坡为负; Rn为第n辆机车或车辆所在曲线的半径; Ls为第n辆机车或车辆所在隧道的长度。
第n辆机车或车辆所受合力Fn为
式 ( 2) 中, an是第n辆车的运行加速度; γ 是转动惯量; Fnq是其前车钩拉力; Fnh是其后车钩拉力; Wn是所受的基本阻力; Bn是制动力。
速度v和位移S的计算:
式中, Δt为计算步长, Δt取值越小, 计算越精确。 但考虑到计算量取 Δt = 0. 001 s。
2. 3运行控制策略
在列车模拟驾驶系统中, 控制列车运行采用什么样的控制策略至关重要, 传统的列车运行控制策略主要有节能控制策略、节时控制策略和混合控制策略。节能控制策略其控制原理如图4 ( a) 所示, 主要依靠惰行, 减少制动中的能量损耗从而达到节能的效果, 但其运行速度较慢, 严重影响区间的通过效率; 节时控制策略如图4 ( b) 所示, 主要依靠牵引电机的不断运转, 使列车速度保持在最大允许速度运行, 但能量的损耗较大, 其优点在于提高线路的通过率, 缩短运行时间［7］。传统的混合控制策略如图4 ( c) 所示, 是对牵引、惰行、制动的组合, 虽然在一定程度上兼顾了节能和节时, 但对于列车的长距离不间断运行时, 其节能效果有限。以上三种运行控制策略都不能很好地兼顾列车运行的经济性［8］。
为了使模拟驾驶系统有更好的通用性, 更好的兼顾节能和节时性能, 提高列车运行的经济性, 本系统中加入了改进的混合控制策略, 其控制原理如图4 ( d) 所示, 主要是将传统的控制策略的速度保持过程改为加速和惰行的过程, 在维持一个较高速度水平的同时, 达到节能的效果。
改进的混合控制策略是既考虑列车运行速度, 保证列车持续地高速运行, 尽可能地发挥列车牵引和制动的能力, 以缩短运行时间, 又兼顾其经济性, 即在加速阶段以最大牵引力加速, 在中间阶段采用加速和惰行交替转换的运行模式, 以减少能耗。
混合控制策略其核心是确定牵引、惰行和制动的起点和终点。启动后, 如图5所示, 速度vi以步长 Δt迭代增加, 但当接近线路限速vxs时, 由于不一定能够完全拟合, 即速度可能直接跨过vi= vxs, 跳跃惰行过程, 从牵引运行直接进入制动, 这并不符合节能的要求。所以, 设置vg上限转换速度, 使其与线路限速vxs构成速度接近区 ε, 当速度vi进入这一区域时, 由牵引转换为惰行, 而避免了频繁地启动制动。速度接近区 ε 大小应该满足式 ( 5) 。
在迭代过程中, 为了防止vi≤ vg, 而再次以 Δ 为步长迭代后速度vi +1≥ vxs, 取 ε = amaxΔt ( amax为最大牵引力下的加速度) 。
如图6所示, 列车启动后, 以最大牵引力加速运行。当vg≤ vi< vxs时, 结束牵引, 由牵引工况转换为惰行工况开始减速运行; 但如果列车在长大下坡道运行时, 其加速度ai有可能大于0, 则此时列车并非减速, 而是加速运行, 所以在惰行工况下迭代时应判断其加速度ai。当vi≤ vd时, 结束惰行, 由惰行工况转换为牵引工况; 如果vi≥ vxs时, 列车开始采用常用制动模式制动。
3模拟仿真验证
3. 1混合控制策略的节能性能验证
在此, 对传统的混合控制策略的节能性能和改进的混合控制策略的节能性能进行比较。由于两种控制策略只有在中间过程中其运行控制不同, 所以只对中间过程的运行做一对比。
采用一条6 km长的平直线路作为验证线路, 通过选用相同的运行线路和运行距离来确保计算能耗的可对比性, 采用HX3DB型电力机车模型, 牵引重量设置为2 000 t, 验证其节能效果。设置模拟列车初始速度为70 km/h, 最高运行速度为80 km/h, 即在传统的混合控制策略中, 当模拟列车速度从启动70 km / h的速度, 加速到80 km / h并以此速度保持运行; 而在改进的混合控制策略中, 模拟列车速度从70 km / h加速到80 km / h时由牵引转换为惰行, 当速度减速到70 km/h时再次重复其加速—惰行过程。
通过对图7 ( a) 和图7 ( b) 对比, 可看出改进的混合控制策略其节能效果明显优于传统的混合控制策略。结合表1看到, 传统的混合控制策略总能耗为144. 36 k W·h, 改进的混合控制策略的总能耗为91. 3 k W·h, 比前者节能53. 06 k W · h, 减少能耗36. 75% , 节能效果明显, 而其耗时仅比前者多0. 21 min。由此可看出, 改进的控制策略优于传统的控制策略, 具有更好的经济适用性。
3. 2改进的混合控制策略运行仿真
系统采用一条模拟线路进行运行仿真试验, 线路数据如表2所示, 线路长度14 500 m, 线路中包括了上、下坡以及曲线, 由于其模拟的是非高速列车运行, 所以隧道阻力可以忽略, 在此线路中没有设置隧道。采用HX3DB型电力机车牵引, 编组为滚动轴承重货车25辆, 牵引重量设置为2 000 t, 进行模拟牵引运行, 列车运行速度控制曲线如图7所示, V-S曲线反映列车不同工况下的运行情况, 开始列车加速运行, 在接近此区段的限速后, 其运行工况由牵引工况转换为惰行工况, 当速度小于或等于此线路限速下的转换速度时`, 再由惰行转换为牵引状态运行, 而在14 500 m处开始采用常用制动模式制动, 直到列车停车。在仿真过程中, 列车运行速度控制曲线平滑, 无速度跳变。模拟列车运行三维仿真试验, 如图9所示, 在仿真过程中, 三维仿真实体列车运行速平稳, 没有明显的纵向晃动, 符合其培训和工程分析的要求。
4结论
本文以多质点动力学模型为基础, 构建了列车仿真模型, 实现了列车模拟驾驶动力系统的构架, 采用改进的混合控制策略, 控制模拟列车的运行, 并通过其在一段模拟线路上的运行进行仿真验证, 证明了以改进的多质点模型为基础构建的基于改进的混合控制策略的列车模拟驾驶系统, 能够较大程度地减少能耗, 节约成本, 具有更好的经济适用性, 并能够更好地完成对列车速度的控制, 基本实现列车速度控制的实体再现, 使模拟驾驶系统更加贴近实际, 具有较强的实用价值。
参考文献
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列车仿真 篇4
铁路运输安全是衡量运输质量的重要指标, 需要有可靠性高的制动系统作为保证。尤其是在第6次大提速之后, 如何保障行车安全成为全社会关注的焦点问题。是否能够保障行车安全, 列车的制动系统将面临严峻的考验。
大多数列车运行仿真系统都可以对列车制动过程进行仿真[1,2,3], 可以实现列车制动计算[4,5]的基本功能, 并将智能控制算法应用到列车制动控制的研究[6]中。但是, 既有研究在对列车制动过程进行仿真时, 常用制动时通常采用固定的制动系数[4,5]为0.5 (减压量约90 kPa) 或0.8 (计算固定信号机距离, 减压量约130 kPa) 。实际上, 司机操纵列车时, 要根据速度、当前位置以及停车点调整列车管减压量, 调整列车管减压量进行制动是减速停车的重要控制方法, 因此还需要进一步研究相应的仿真算法, 对不同线路条件、编组条件、停车位置条件以及不同列车管减压量条件下的列车制动过程进行研究。本文就这一问题展开探讨, 研究并开发列车制动过程仿真系统。
1 列车制动过程分析
列车制动停车过程, 可划分为如图1所示的不同区段。
OA段。属于列车正常速度牵引运行区间, 是制动开始之前的一段运行, A点是惰行初始点。
AB段。进入制动区, 机车停止牵引, 列车开始惰行减速, 准备制动。B点是制动初始点。
BC段。是空走制动阶段, 列车按照惰行工况计算。
CD段。是有效制动阶段, 它的确定是根据列车制动率, 运行速度, 列车管减压量等来共同计算确定的。
D点。该点为列车目标停车点。
BD段属于列车实际制动过程, 是本文研究的重点。OA段与AB段属于制动过程开始前的准备阶段, 本文将不做重点探讨。
列车在制动过程中, 在不同时刻受到方向和大小不同的力的作用, 受力情况非常复杂, 但一般在进行列车制动过程的计算时通常只考虑列车沿轨道前进方向 (纵向) 的作用力。列车制动过程中, 列车制动过程中纵向受力如图2。
列车制动时, 牵引力为零, 列车在有效制动阶段 (CD段) 所受的纵向力有:列车阻力W和列车制动力B。列车制动时的单位合力[4]为:
式中:W0为列车单位基本阻力, N/kN;w0为 列车基本阻力, kN;B为 列车制动力, kN;b为 列车单位制动力, N/kN;g为重力加速度;P为机车计算质量, t;G为列车牵引质量, t;βc为常用制动系数。
当列车在空走制动阶段 (BC段) , 列车按惰行工况计算, 只受到列车运行阻力的作用。
2 系统结构设计
列车制动过程仿真系统采用面向对象的程序设计方法, 用Visual Basic6.0进行软件开发, 图3是系统总体结构图。列车制动过程仿真系统包括基础数据模块、仿真参数定义模块、仿真计算模块、系统输出模块和系统帮助模块。
基础数据模块是存储系统原始数据的数据文件, 包括线路数据和列车数据。线路数据库包括线路平、纵断面 (曲线、坡道、隧道) , 它是仿真计算过程必需要定义的计算条件之一, 是确定列车受力、计算列车运动轨迹的依据。列车数据库存储机车和车辆的数据信息, 包括机车类型、型号, 车辆类型、编组状况, 列车管定压, 牵引重量, 列车长度, 制动类型, 列车管减压量 (或设定停车距离) , 制动初、末速度等。仿真参数定义是让用户自己来描述所要仿真的对象及环境条件, 仿真计算模块则是系统的核心模块。
系统主要依据列车牵引计算的基本原理, 采用等时间步长法对列车制动过程进行仿真计算, 计算出列车制动过程中每一时间步长的速度、时分等数据, 以及列车制动距离、时间、列车管减压量等指标。系统既可以采用牵引计算方法, 计算出给定加算坡道条件下的制动距离;也可以利用仿真计算方法, 通过输出速度—距离曲线再现列车制动的全过程。系统根据给定列车管减压量条件, 可以计算相应的制动距离或制动仿真计算;也可以根据设定的停车目标位置, 反推计算出所需要的列车管减压量。系统通过屏幕输出计算结果, 显示仿真计算时的列车速度—距离曲线, 并存储计算过程每个时间步长内的计算数据以供用户研究分析。
3 仿真模型算法
列车制动过程仿真计算采用等时间仿真步长法, 设Δt为 时间步长, 进行仿真计算时, 时间步长尽可能取小, 间隔越小计算精度越高, 仿真步长默认值为0.1 s列车制动过程仿真需要根据设定的停车距离S′, 求解合适的列车管减压量γ, 使得列车实际停车距离S (γ) 与设定停车距离的误差ΔS最小, 最好是接近0。列车制动过程仿真计算模型可表示为:
式中:vi为第i个时间步列车的初速度, km/h;si为第i个时间步长列车的位置, m;γ为列车管减压量, kPa。当列车管定压为600 kPa时, 列车管减压量 的有效范围是[50 kPa, 170 kPa]。
仿真计算时, 应用列车运动方程, 根据列车管减压量计算列车在每个时间步长内的单位合力c (γ) , 并进一步计算出加速度a、每个时间步长的速度、走行距离。当时间步长末的速度达到0 km/h (或目标速度) 时, 即完成整个仿真计算过程。列车制动过程中, 首先计算出空走时间, 空走阶段按照惰行计算, 在累计运行时间大于等于空走时间后, 列车按有效制动阶段进行计算, 直至仿真结束。定点停车的制动过程仿真过程设计流程如其流程图见图4。
基于定点停车的列车制动过程仿真算法如下。
步骤1:输入线路数据, 包括:坡道、曲线, 输入列车参数。
步骤2:设定时间步长。
步骤3:选择列车管减压量。
步骤4:计算列车空走时间。
步骤5:判断该时间步长末列车是否空走, 若是, 则在惰行工况下计算基本阻力、附加阻力, 并计算合力、加速度, 转步骤7;若否, 转步骤6。
步骤6:在制动工况下计算列车换算制动率和换算摩擦系数, 进一步计算列车制动力和阻力, 根据列车管减压量计算常用制动系数, 最后计算列车合力, 加速度。
步骤7:计算列车该时间步长末速度和该时间步长内的走行距离。
步骤8:计算列车制动过程总距离和时间。
步骤9:判断该时间步长末速度与制动末速度的关系, 若大于制动末速度, 则返回步骤5, 若等于制动末速度, 则继续。
步骤10:在该列车管减压量下计算列车总制动距离, 与要求停车距离相比较, 若差值较大, 则返回步骤3, 若差值最小, 转步骤11。
步骤11:输出推荐的列车管减压量, 输出列车制动过程的速度——距离曲线, 输出制动距离、时间等技术指标, 存储计算结果。
4 仿真案例
列车编组为:机车为DF型内燃机车, 牵引40辆滚动轴承重货车, 牵引总量3 000 t, 列车长度700 m, 制动初速度70 km/h, 制动末速度0 km/h, 系统输出的速度距离曲线图如图5。
从图5中可以看出:当停车点位置700 m处时, 推荐的列车管减压量为110 kPa。同时还计算出列车制动的空走时间、空走距离、有效制动距离、总制动距离等指标。
线路条件、列车条件和停车距离都是影响列车制动方案的主要因素, 为了更好的控制列车制动, 有必要对这3个因素进行具体分析, 研究它们对列车制动过程的影响。3条不同坡道条件的线路数据见图6。
列车条件同图5, 常用制动时列车管减压量90 kPa。列车在3条不同坡道条件的线路上以70 km/h的制动初速、90 kPa列车管减压量制动停车的速度-距离曲线见图7。
列车在3条不同坡道条件的线路上的制动距离分别是:751、784、828 m。从图7可以看出:相同的列车编组、制动初速度以及列车管减压量条件下, 下坡为主的线路与上坡为主的线路相比, 制动距离更大, 制动时间更长。这是因为:坡道附加阻力在数值上等于该坡道的坡度千分数i。列车在下坡道制动时, 坡道附加阻力为负值, 与制动力方向相反, 制动效果降低, 制动距离也相应延长。
本文还应用列车制动过程仿真系统定量分析了曲线、列车编组、停车点位置对列车制动过程的影响, 通过仿真案例可以发现在相同的外部环境和参数条件下, 列车制动过程有如下规律:
1) 下坡为主的线路与上坡为主的线路相比, 制动距离更大, 制动时间更长;
2) 曲线半径越大, 制动距离也相应越长, 但曲线半径对制动距离的影响非常小。
3) 牵引重量与制动距离、制动时间成正比。
4) 列车管减压量越小, 制动距离越大, 制动时间越长。
5) 设置的制动距离越长, 所需要的列车管减压量越小。
5 结束语
本文分析了列车制动过程的各个阶段的特点, 在列车牵引计算理论方法的基础上, 设计了基于等时间步长法的列车制动过程仿真算法, 即:根据给定列车管减压量条件, 计算相应的制动距离;根据设定的停车目标位置, 反推计算出所需要的列车管减压量。在此基础上, 开发了列车制动过程仿真系统。系统能够计算制动距离、时间、列车管减压量等技术指标, 显示仿真过程的列车速度—距离曲线, 再现列车制动的全过程。
本文应用笔者开发的列车制动过程仿真系统定量分析了线路条件、编组条件、停车位置对列车制动过程的影响, 研究表明:下坡道不利于列车制动, 曲线对列车制动影响较小;列车牵引重量越大, 越不利于列车制动;列车管减压量与制动时间、制动距离成反比。
参考文献
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列车仿真 篇5
1 铁路防撞系统主要技术与特点
目前, 我国铁路防撞系统主要有用于高速铁路与客运专线的CTCS列控系统和用于普速铁路的ZPW-2000A型自动闭塞系统。
1.1 CTCS列控系统简介
CTCS列控系统包括车载子系统和地面子系统, 其设备结构示意图见图1。
地面子系统由应答器、轨道电路、无线通信网络 (GSM-R) 、列车控制中心 (TCC) /无线闭塞中心 (RBC) 组成。其中, GSM-R不属于CTCS列控设备, 但是重要组成部分。应答器是一种能向车载子系统发送报文信息的传输设备, 既可传送固定信息, 也可连接轨旁单元传送可变信息。轨道电路具有轨道占用检查、沿轨道连续传送地-车信息功能, 采用UM系列轨道电路或数字轨道电路。GSM-R是用于车载子系统和TCC进行双向信息传输的车-地通信系统。TCC是基于安全计算机的控制系统, 根据地面子系统或来自外部地面系统的信息, 如轨道占用信息、联锁状态等产生列车行车许可命令, 并通过车-地信息传输系统传输给车载子系统, 保证TCC管辖内的列车运行安全。
车载子系统由CTCS列控系统的车载设备、无线系统车载模块组成。CTCS列控系统的车载设备是基于安全计算机的控制系统, 通过与地面子系统交换信息控制列车运行。无线系统车载模块用于车载子系统和TCC进行双向信息交换。
1.2 ZPW-2000A型自动闭塞简介
ZPW-2000A型无绝缘轨道电路系统采用电气绝缘节实现相邻轨道电路区段隔离。电气绝缘节长29 m, 由空芯线圈、29 m长钢轨和调谐单元构成。调谐区对本区段频率呈现极阻抗, 利于本区段信号的传输及接收, 对相邻区段频率信号呈现零阻抗, 可靠地短路相邻区段信号, 防止越区传输, 实现相邻区段信号的电气绝缘。同时为解决全程断轨检查, 在调谐区内增加了小轨道电路。
调谐区小轨道信号由运行前方相邻轨道电路接收器处理, 并将处理结果形成小轨道电路继电器执行条件送至本区段接收器。本区段接收器同时接收到主轨道移频信号及小轨道电路继电器执行条件, 判决无误后驱动轨道电路继电器吸起, 由此判断区段空闲与占用情况。ZPW-2000A型轨道电路原理见图2。
1.3 CTCS列控系统与ZPW-2000A型轨道电路在列车防撞方面的不足
(1) CTCS列控系统和ZPW-2000A型轨道电路的设计都是向机车发送控制信息, 不能告诉机车乘务员前车在哪里, 不让机车上的安全自动装置作出判断, 而由地面装置进行判断, 把红绿黄码发给机车。处于最危险位置的机车乘务员得不到前车信息, 地而面上没有危险的人和设备却要判断一切, 风险和判断权力完全倒置。根据《铁路200～250 km/h既有线技术管理暂行办法》第39条规定:制动初速度为200 km/h时, 列车紧急制动距离限值为2 000 m。200～250 km/h速度等级CRH型动车组制动初速度为250 km/h时, 紧急制动距离限值为3 200 m。根据瞿佳的《视光学理论和方法》的记载, 正常人视力的明视距离为25 cm, 4 km以外的景物不易看到, 在大于500 m时, 景物存在模糊形象, 所以当列车司机发现险情并作出反映时, 无法制止事故发生。
(2) CTCS列控系统和ZPW-2000A型轨道电路的设计使调度与办理闭塞区间的车站值班员只知道列车进入某个区间, 无法准确获取列车的具体位置, 对全线列车运行没有直观的图示。当某列列车出现故障, 没有按预定时间开出区间, 如果控制列车区间的信号显示出现问题, 列车发生相撞的事故无法避免。如果调度人员能够从运行图上监测每列列车的运行状态与位置, 列车之间设定足够的安全距离, 当列车进入安全距离时, 向调度人员发出警告, 后行列车自动减速运行, 可有效避免列车相撞事故。
2“北斗”卫星导航系统、DR及RGIS完成列车精准位置信息仿真
2.1“北斗”卫星导航系统简介
“北斗”卫星导航系统是我国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统 (CNSS) , 是美国全球定位系统 (GPS) 、俄罗斯GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统, 可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务, 包括开放服务和授权服务2种方式, 并兼具短报文通信能力。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务, 定位精度10 m, 测速精度0.2 m/s, 授时精度10 ns。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户提供定位、测速、授时和通信服务, 以及系统完好性信息。
“北斗”卫星导航系统的工作过程是:由中心控制系统向卫星Ⅰ和卫星Ⅱ同时发送询问信号, 经卫星转发器向服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号, 并同时向两颗卫星发送响应信号, 经卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号, 并根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请, 中心控制系统测出2个时间延迟, 一个是从中心控制系统发出询问信号, 经某一颗卫星转发到达用户, 用户发出定位响应信号, 经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟;另一个是从中心控制发出询问信号, 经上述同一卫星转发到达用户, 用户发出响应信号, 经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置是已知的, 因此可从上面2个延迟量计算出用户与第一颗卫星的距离, 以及用户与2颗卫星距离之和, 从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的球面, 一个以2颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外, 中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值, 又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。中心控制系统可计算出用户所在点的三维坐标, 这个坐标经加密由出站信号发送给用户。“北斗”导航卫星系统定位原理见图3。
2.2 DR简介
DR方法基于相对位置修正, 利用已知起点坐标和列车运行速度与方向推算其当前位置, DR原理见图4。
列车在t时刻的位置可表示为:
式中:xm——局部平面坐标系中东向位置坐标;
ym——局部平面坐标系中北向位置坐标;
di——行驶速度, km/h;
θi——航向角, °;
wi——角速度, rad/s。
从公式中可以看出, DR是一个累加过程, 不同时刻的测量误差会累积起来, 随着时间的推移, DR系统的误差是一个发散过程。
2.3 RGIS简介
RGIS可对线路和站场设备、设施及相关图纸资料进行“数字化”管理, 全面、直观、动态、准确反映设备分布、现状及技术特征, 形成一幅“数字化”铁路地图。
2.4“北斗”卫星导航系统、DR和RGIS组合定位的仿真实现
由于DR本身不能提供列车初始位置坐标和初始航向角, 无法得到航位推算系统的初始值。在进行航位推算时, 随着时间的推移和行驶距离的增加, 其误差逐步累计发散, 因此单独的航位推算系统不能用于长时间的独立定位, 需要用其他手段对积累误差进行适当补偿, 其不适合自主导航。当DR与“北斗”卫星导航系统组合, “北斗”卫星导航系统提供的绝对位置可为DR提供航位推算的初始值, 并可对DR定位误差进行校正和系统参数修正。同时DR连续推算具有很高的相对精度, 可补偿“北斗”卫星导航系统定位中的随机误差和定位断点, 使定位轨迹能够平滑, 再配合RGIS可实时描绘出列车在轨道上运行的精确轨迹, 完成列车精准位置信息仿真。“北斗”卫星导航系统、DR和RGIS组合定位仿真实现原理见图5。
3 列车精准位置信息仿真与多模态安全防范体系
利用“北斗”卫星导航系统、DR及TGIS完成列车精准位置信息仿真, 具有以下功能:
(1) 在列车调度中心大屏幕运行图上, 可实时监控每列列车实际运行位置与运行情况, 以及在同一线路上每列列车设定的一个10 km减速、5 km刹车安全距离。当两列列车之间距离接近或达到安全距离时, 向调度员发出报警, 并利用“北斗”卫星导航系统特有的短信报文功能自动向两列机车乘务员发出警告。
(2) 控制闭塞区间的车站值班员从运行图大屏幕上可实时了解管辖区间列车运行情况。当两列列车之间距离接近或达到安全距离时, 值班员无法办理自动闭塞, 并向其发出报警。
(3) 机车操控台上的显示屏可实时显示前车的准确位置, 以及本车与前车之间的距离。当2列列车之间距离接近或达到10 km减速的安全距离时, 安全监控装置自动启动, 进行减速并提醒机车乘务员采取相关措施;当达到5 km刹车安全距离时, 列车自动停车装置启动, 并向机车乘务员发出警报。机车乘务员可清楚地了解前车位置, 发挥在一切机车控制与人为控制失效情况下最后的安全保障功能。
以上功能实现了列车运行中与安全监控相关的调度员、车站值班员, 以及处于风险一线的机车乘务员能实时掌握列车的具体位置, 将列车的位置信息与CTCS列控系统的控制信息进行有效融合, 完全弥补了CTCS列控系统无法准确显示列车精准位置和机车乘务员无法知道前车具体位置的缺点, 达到了有效的列车防撞目的。
参考文献
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列车仿真 篇6
在当今经济社会的实际需求下, 城市轨道交通产业已进入大繁荣时期, 其关键技术不断寻求突破。列车自动监控系统 (ATS) 是一种基于现代数据通信和计算机网络的分布式实时计算机控制系统, 是实现列车自动控制的核心模块, 掌握ATS系统的正确操作, 对城市轨道交通的顺利运营及行车安全无疑具有重大的现实意义。在这样的背景之下, 开发供城轨专业运营人才培训使用的ATS仿真系统的客观需求也呼之欲出。
列车进路控制技术是ATS仿真系统中的关键, 而其中的进路排列主要分为人工排列进路和自动排列进路。人工排列进路主要是在道岔处, 通过人工选取始终端信号机的方法来设置进路, 对操作员提出了比较高的要求。自动排列进路相对而言较为复杂, 主要是对于道岔处两条进路的选择, 但会大大降低操作员的工作量, 减少操作失误率并且能够提高整个系统的运行效率, 因此成为本文的主要研究内容。
2 进路控制的基本原理
进路是指在车站范围内, 列车或调车车列由一个地点到另一个地点所运行的经路。建立进路以及解锁进路的主要流程如图1所示。
2.1 建立进路
建立进路的过程可分解为以下几个重要阶段:
(1) 进路选择阶段
进路选择阶段由一系列具体任务组成:首先, 操作人员或者系统根据规定的操作, 确定排列进路的性质, 包括起始位置、方向、范围等;其次, 根据已确定的进路性质, 调用进路搜索程序搜索出一条相应的进路, 并确定进路相关轨道元素的状态;最后, 根据选出的进路性质转换相应轨道元素状态。
(2) 一致性检查阶段
该阶段主要是检查选定的进路中各个轨道元素是否与进路的要求相符, 主要包括道岔位置、有无故障情况, 若存在特殊情况, 则应根据已选进路的状态将元素进行转换, 直至全部达到进路的要求, 为后续的进路锁闭阶段做好准备。
(3) 进路锁闭阶段
在上述一致性检查阶段完成之后, 将敌对进路和道岔位置进行锁闭, 使得敌对进路不能够建立, 道岔位置不能转换, 确保锁闭之后该进路相关轨道元素不能随意更改状态。
(4) 开放信号阶段
在进路成功锁闭之后, 给出允许信号, 指示列车驶入进路。在信号开放期间, 还应不断检查道岔、区段等开放信号的联锁状态, 如有违规、意外情况的发生, 则应立即关闭信号确保列车的行车安全。
2.2 取消进路
取消进路完成的主要任务就是取消已经建立好的进路。执行取消进路命令的重要前提是该进路存在, 否则取消进路的命令也变得毫无意义。另外, 假使进路存在, 还必须确保进路的接近触发区段没有列车、防护进路的信号机并未开放以及该进路处于空闲状态, 只有当这些条件均被满足时, 取消进路的命令才能够得以正确执行, 即将进路相关已锁闭的轨道元素重新设置成解锁的状态, 当建立新进路时可再次被征用。
建立进路、取消进路的主要步骤如图2所示。
3 自动排列进路的分析与设计
为了更好地分析自动排列进路的原理, 本文以苏州轨道交通1号线部分实际线路图为例, 作出其简易模拟图并进行分析, 简易模拟图如图3所示。
首先, 对轨道交通线路模拟图作出说明。圆形图标代表信号机, 线段代表区段, 叉形图标代表道岔, 所有的字母与数字组合均是轨道电路元素的编号。举例说明, 假使进路排列从始端信号机X0104开始, 至终端信号机X0108结束, 则进路存在且唯一, 依次经过区段G0104、G0106直至进路终端。
3.1 线路图的二叉树建模
ATS仿真系统进路控制功能的成功实现, 要求系统必须得到站场的完整进路表, 但是由于站场线路的复杂性, 一般的方法很难快速、准确地搜索出所有的进路。为了在已知进路性质的情况下, 使得进路搜索程序能够准确地搜索符合条件的所有进路, 构成完整进路表, 可以建立一个适合搜索的并且能够真实形象地反应现实站场结构的数据结构。
经过研究站场形状与二叉树形状的相似性, 将站场结构进行有效的约束限定, 可以以二叉树的方法建模, 形象表示出线路图中信号机之间的关联关系, 使得所有信号机通过二叉树有机组织起来。站场的简易二叉树模型如图4所示。从二叉树模型上可以看出, 每个从根结点到叶子结点的有序结点集恰好就是一条进路, 若再结合二叉树数据结构易于遍历的特点, 可以方便地得出所有根结点到叶子结点的有序结点集, 从而得出了以根结点信号机为进路始端的所有进路。为了方便从二叉树模型上提取进路信息, 考虑在每个信号机结点的存储结构中再添加一个父结点的指针域, 如此可利用回溯法得出根结点到叶子结点所表示的进路, 结点存储结构如图5所示。
3.2 进路的搜索与选定
当列车到达进路的接近触发区段时, 系统开始搜索此信号机所防护的进路, 并判断符合条件的进路的数量。正如图3所示, 若选择信号机S0202为某一上行进路的始端信号机, 则进路选择操作十分简单, 经过区段G0202到达终端信号机S0110, 该上行进路存在且唯一。
系统中的进路排列是分段进行的, 继上述进路选择完毕之后, 将S0110作为某一进路的始端信号机, 继续进行后续进路的选择, 此时将出现进路不唯一的情况。首先是中途道岔处于定位的情况, 依次经过道岔D0104、D0102, 区段G0106, 直至终端信号机S0106, 形成了一条上行进路。其次是中途道岔处于反位状态, 经过反位状态的道岔D0104、D0101, 再通过区段G0105, 到达终端信号机S0105从而形成另一条上行进路。
结合线路二叉树模型的论述, 可以给出分别以信号机S0202和S0110作为始端信号机的上行进路的二叉树模型, 如图6所示, 其中椭圆代表信号机, 矩形代表区段或道岔。
假使选择S0110作为进路的始端信号机建立进路, 结合图6所示的多结点二叉树模型, 可以利用二叉树数据结构的遍历原理来分析进路建立的几种可能性。
(1) 若没有特殊情况, 则根据二叉树的遍历结果, 可以从S0110经过道岔D0104、D0102, 区段G0106到达信号机S0106, 成功建立一条上行进路。
(2) 若存在故障情况, 例如区段G0106发生故障无法通车, 当进路建立依次经过D0104、D0102到达区段G0106时, 会发现错误, 则往上回溯, 直至找到道岔D0104, 选定反位状态访问其右结点, 依次连接道岔D0101反位, 区段G0105直至信号机S0105, 从而也能成功建立一条上行进路。
(3) 若故障状态比较极端, 发生在道岔D0104, 因为道岔D0104是始端信号机S0110建立上行进路的必经元素, 因此这种情况下将无法建立任何进路。
为了方便存储每条进路的结构信息, 可以进一步将图6所示的二叉树模型中部分结点进行剥离, 主要是途经的区段和道岔, 从而得到一种优化二叉树结构, 方便提取进路信息进行记录。系统将进路信息存储之后形成一个完整的进路表, 根据操作指令, 即可根据进路表中的数据选定符合条件的进路。
3.3 发送联锁指令, 开放进路信号
在实际系统中, 进路的锁闭是由联锁系统执行并将结果报告至ATS系统, 在仿真系统中, 这部分工作由联锁模拟程序完成。在选定进路完成以后, 首先需要进行一致性检查, 主要工作是检查拟启用的进路中所有的轨道元素均可以达到进路排列的要求, 不存在故障情况, 这样才能保证在发送联锁指令之后, 这些指令可以被系统成功执行, 确保整个进路达到锁闭的状态。在确定了道岔位置符合要求, 敌对进路未建立且需要建立的进路处于空闲状态之后, 发送联锁指令, 锁闭进路中的轨道元素, 使得敌对进路不能被建立, 进路中的道岔位置也不能够被转换。之后, 通过有关联锁条件进行开放信号的检查, 开放进路信号, 指引列车驶入。
至此, 自动进路排列基本完成, 最为重要的还是进路的搜索和选定。
4 代码实现与分析
选定进路之后, 系统会依次检测进路中轨道元素的状态是否设置为无法建立进路, 如果不存在此状态元素, 系统就会进行完整的进路创建过程。建立进路的部分核心伪码算法如下:
基于以上方法, 可以进行一次较为完整的进路建立过程, 可在ATS仿真系统中顺利进行进路的排列及构建, 完成系统对进路控制的基本要求。
进路控制模块在整个ATS仿真培训系统中起着至关重要的作用, 本文结合进路的自身特点, 研究并尝试提高系统中进路排列的自动化比重, 从而力求提升整个仿真培训系统的操作效率, 降低误操作率。当然, 还存在诸多可以进一步研究的问题, 包括进路搜索算法的优化、取消进路和人工解锁进路的高效模式探索。
参考文献
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列车仿真 篇7
机车车辆几何曲线通过计算是一种常见的计算, 主要校核车辆连挂通过曲线时车体端墙之间或司机室前罩之间最小距离及车钩的摆角。设计之初进行曲线通过计算可以有效校核运动部件及其周边设备的布置合理性, 避免干涉。进行小曲线通过计算, 传统算法一般是通过几何关系进行CAD制图, 每种路况 (直线加曲线、曲线、反曲线等) 都需单独进行制图校核。与传统的计算方法相比, 基于CATIA软件中的DMU运动机构模块进行列车过小曲线的运动仿真, 可真实且一次性反映出列车实际通过小曲线所有路况时的运动状态, 其校核方法更加方便、形象、准确[1]。
1 传统的几何绘图计算方法
以某车辆为例, 其车辆参数见表1。选取其中一种路况, 即两车辆均在R 180 m的曲线上, 且不考虑车钩压缩、车辆相对于转向架的偏移等特殊情况。校核此时列车通过曲线时, 两辆中间车车钩及车体之间的运动相对关系。
首先, 利用传统的几何绘图计算方法进行校核 (见图1) 。先画一个R 180 000 mm的圆弧来表示铁轨之间的中心弧线。在圆弧上的任意位置作为圆心, 以R 17 500 mm画圆, 通过此圆画一直线17 500 mm, 直线两端均在R180 000 mm上, 表示两枕梁中心 (转向架中心) 均落在钢轨中心线上。在此17 500 mm直线的两端各以2 830 mm为半径画圆, 寻找车钩转动中心。延长17 500 mm直线至R 2 830 mm圆弧上后, 删除R 2 830 mm圆弧。再在R 180 000 mm圆弧上任意作17 500 mm直线, 以相同方式找到R2 830 mm上的延长线的点。以这3个延长线的点为“三点画圆”, 生成的圆上任意一点均是“车钩转动中心的位置”。以车钩转动中心为圆心以1 840 mm (2×920=1 840) 为半径画圆。此圆与车钩转动中心圆弧相交的点便是另一辆车的车钩转动中心点。连接此两车钩转动中心点为一直线。车辆纵向中心线与此直线的夹角为车钩摆角。
经过此方法得到, 当两车辆完全在R 180 m曲线上时, 车钩横向摆角为4°, 两车体端墙间的最小距离为268 mm。
2 DMU功能验证
DMU是数字样机 (Digital Mock-Up) 的简称, 采用DMU技术, 在计算机中建立完整的产品数字样车, 对产品进行计算机模拟装配、模拟试验、模拟维修, 组成数字样机的每个部件都具有实物的尺寸及公差、装配、材料等特性, 用以验证产品设计、运动校核、部件拆装维护等。
数字样机技术使人们在工程决策和过程决策的协同工作时, 能够对任何复杂的模型进行内部观察、周游、检查和模拟。CATIA软件中的DMU模块主要是通过调用大量已有的多个种类的运动副或通过自动转换机械装配约束条件而产生的运动副, 对任何规模的电子样机进行运动机构定义。通过运动干涉检验和校核最小间隙来进行机构运动分析。利用DMU模块实现列车在小曲线上的运动仿真, 可以真实反映车钩的运动状态, 帮助工程师减少开发成本, 提高效率[2]。
3 验证过程
3.1 CATIA建模
在CATIA软件中建立一个产品, 包括车辆、车钩及钢轨路基等零件。钢轨路基设置成一条囊括直线段、R 180 m的曲线段及反曲线路段的曲线, 这样运动仿真一次就可以模拟出所有路况下车辆的运动状态, 省去了基于几何计算方法下一个路况一次计算的麻烦。车辆及车钩根据表1所列的车辆参数进行建模, 车辆过曲线模型见图2。
3.2 设置运动关系副
首先, 利用DMU运动机构模块设置一个机械装置, 在此机械装置下添加接合关系、固定零件及驱动命令等。车辆在沿轨道运行时, 理想状态下, 转向架的中心销始终在两轨中心线的轨迹上, 也就是车体的枕梁中心点始终处于轨道中心线上。因此, 添加“点曲线接合”命令, 将每一车辆的枕梁中心点均设置沿着R180 m的小曲线半径轨迹运行 (见图3) 。车钩与车体连接采用“旋转结合”命令, 设置成车钩绕车钩转动中心轴旋转运动。最后, 设置固定零件为“钢轨路基”。
3.3 机构的运动模拟及瞬时值实时监测
设置完运动关系副, 命令以枕梁中心点沿曲线驱动, 当自由度显示为“0”时, 机械装置就可以进行运动模拟 (见图4) 。在整个运动仿真的过程中, 可打开“传感器”中的“瞬间值”进行实时观察车钩摆角及车体间的最小距离。并可以调整步骤数来调节列车在小曲线上运行的速度, 便于更好地观测车钩摆角及车间距离的变化 (见图5) 。
3.4 对应关系的图表表达
整个运动仿真结束后, 可以输出整个曲线轨迹上任一点的车体间最小距离及车钩摆角的图表 (见图6) , 上半部分为车体间最小距离的曲线, 中间部分为轨道曲线, 下半部分为车钩摆角曲线。从图表中可以直观地看出, 当车辆处于直线段时, 车辆间的距离就是两个伸出的车钩的长度, 即车端间距500 mm。当车辆经过线路从直线段过渡到R 180 m的圆弧段时, 车辆间距从500 mm逐渐变为268 mm。两车辆完全在圆弧上时, 此时车辆间的距离也是恒定最小的, 即268 mm。车辆进入反曲线时, 两车间最小距离由268 mm变为460 mm, 完全进入下一个R180 m的圆弧后, 最小距离恒定为268 mm。
再看车钩摆角, 从图6中可以明显看到, 当两车辆处于直线段时, 车钩摆角为0°。当车辆处于反曲线时车钩摆角最大, 为10.7°。当车辆完全进入到R 180 m的圆弧后, 其车钩摆角恒定保持在4°。
可见, 当车体处于R 180 m的曲线上时, 其车体间最小距离268 mm及车钩摆角4°都与几何画图方法计算得到的结果吻合, 也互相验证2种方法的准确、可靠, 但利用运动仿真输出图表的方式更加直观。当验证得到车钩的最大摆角及车体间的最小距离后, 一方面验证车钩的最大摆角是否超出其极限范围, 另一方面可以指导设计进行车钩周边及车体端墙上设备的布置。
4 结束语
基于CATIA软件的列车过小曲线运动仿真校核方法, 不仅直观、准确可靠, 更重要的是方便。如果利用传统的几何图形法, 直线曲线段、曲线段及反曲段就要分不同的路况分别进行绘图。而DMU运动仿真方法只需将这些路况在一条轨迹线上表达出即可。在此方法的基础上, 还可进行以下的扩展应用。
(1) 高速动车组头部关系比较复杂, 包括车钩、开闭机构、头罩及一些制动管路。进行详细的三维建模后, 进行头车联挂后运动仿真, 可以真实地反映实车连挂运行的状态, 找到运动干涉点, 然后进行改进。
(2) 参数化设置, 如将枕梁中心距车钩转动中心的距离、车钩转动中心距车钩面的距离等设置成参数, 甚至将路基轨迹设置成参数化。这样, 验证不同车型在不同轨迹上运行的关系时, 只需更改下参数即可。
(3) 考虑车钩压缩量, 车体相对于转向架的横向偏移量对运动仿真结果的影响。将这些变量进行参数化设置, 将更加逼真地进行运动仿真的校核。
(4) 进行列车过竖曲线校核, 同时考虑转向架轮缘磨损及空气弹簧失气工况下的车钩上下摆动量, 与车钩的横向摆动量形成一个包络体, 此区域内禁止有其他设备。
参考文献
[1]罗仁, 干峰, 腾万秀, 等.连挂车辆几何曲线通过计算[J].电力机车与城轨车辆, 2013 (4) :16-19.
列车仿真 篇8
问题3.1:对于时间最优化列车运行的问题, 其最小化为当nz=1时受 (4) - (10) 约束的tn-t0, 其中t0和tn表示旅行开始时间和结束时间, 因此tn-t0为总行车时间。
基于经典理论的最优控制[13]、[15] (最大值原理) , 很明显, 解决方案是通过取决于约束条件的开关控制继电器式控制得到的, 换句话说, 不受约束条件限制的极值之间的控制道岔, 在通过约束条件所决定的情况下起到了控制作用, 找到转换点的数值计算, 其中包括极值之间的控制道岔或者到达或离开的约束条件, 在第四节给出。
在这篇文章中, 它与列车在车站或中间停车点 (因为限速或列车故障) 停多长时间或者停车后何时重启无关;这仅仅会导致总时间出现偏差。
注3.1:为了找到控制方案和所有目标 (1) - (4) 的转换点, 可以采用有限元、有限差分或多重打靶方法对边界值问题进行解决, 然而, 在时间最优情况下, 这项任务被大大简化:静态转换点的计算通过减少常微分方程的边值问题和初值问题, 达到简化和实现离线进行的目的, 见第四节。
问题3.2:大型网络中由 (4) - (10) 定义的时间最优列车运行控制问题, 其最小化为tundefined-tundefined, 其中i=1, …nz, 包含了所有限速条件下的所有个人旅行时间, 即允许的最大速度、安全互动、通信、优先权和追踪顺序, 正如单列车在时间最优运行的情况下, 每列车的控制作用受继电器式控制的约束, 除非限速情况下通过限速进行控制。
注3.2:开关控制继电器式控制策略本身并不会关闭系统的任何反馈回路, 即它是一种开环控制或时刻表处理方式, 是如何关闭反馈回路的理论, 见第六节, 然而, LDT和MaxWT (注2.2) 的引入顺序关闭了一个固有的 (不是一个控制) 反馈回路, 回想一下, 如果没有这个最小值 (一个时间最优列车运行时间) 可能成为无穷大, 因此, 准确地说, 鲁棒性使得数学问题有了很好的定义。
下面的定义对未来发展会有帮助。
定义3.1:一个加速度曲线是一列车在路径上以最大牵引力加速得到的, 它可以是静态或动态的。静态加速度曲线是从任一个区间的起点或一个安全分区终点开始的, 前者称为一个区间加速度曲线, 而后者称为安全分区加速度曲线, 这将在下一节看到, 所有静态加速度曲线可在离线情况下得到, 动态加速度曲线从动态反向点 (见下一节) 开始, 而且必须在模拟过程中确定。
定义3.2:制动曲线是一列车在路径上采用全制动减速得到的, 如果它在一个区间结束时为止, 它被称为间隔制动曲线, 如果它在一个安全分区终点结束, 它被称为安全分区制动曲线。制动曲线有一个静态的性质, 总能离线得到。
加速和制动曲线图见图4, 在此图中, D2-A2, D3-A3, D5-C1, D6-C3, 和D6-C4是区间加速度曲线, D1-A1和D4-C2是安全分区加速度曲线, B2-E1, C1-E3, C2-E3, C4-E4, B3-E6, F4-E6和B4-E9是区间制动曲线, B1-E2, C3-E5, F1-E8, F2-F3-E7, 和F5-E10是安全分区制动曲线, F1-F2, F3-F4和F5-G1是动态的加速度曲线。
3转换点的计算
在本节中, 介绍了所有可能转换点的计算数值算法, 为了达到这个目的, 首先在时间最优旅程中对所有可能的转换时间提出了分类, 道岔转换点可以是静态或动态的, 静态的道岔转换点是可以离线获得的, 而且是下列情况之一: (SS1) 静态到达点, 采用最大牵引使列车加速到静态加速曲线以后得到区间限速; (SS2) 离开点或制动点, 全制动和制动曲线开始点的区间限速将丢失 (到达限速以后) ; (SS3) 静态反向点, 控制从一个静态加速度曲线到制动曲线上的全制动的转换; (SS4) 至少一个导通点, 是一个静态加速度曲线的始端; (SS5) 至多一个切断点, 是制动曲线的末端, 一个动态的转换点不能离线计算 (见注4.3) , 但可按下列方式求出:
(DS1) 一个动态反向点, 控制从一个安全制动曲线的全制动力到动态加速曲线的最大牵引的逆转, 反之亦然。更确切地说, 假设一列火车按照安全制动曲线运行, 如果突然取消锁闭条件, 则控制必须从全制动切换到最大牵引, 这一点被称为动态反向点, 是动态加速曲线的起点, 如果这条动态加速曲线结束于制动曲线, 那么这一点也被称为动态反向点; (DS2) 动态到达点, 在这一点动态加速度曲线终止于区间限速。
对于静态和动态转换点的说明, 见图4, 在此图中, A1-A3是静态到达点, B1-B4是离开点, C1-C4是静态的反向点, D1-D6最少接通点, E1-E10最多切断点, F1-F5是动态的反向点, G1是一个动态的到达点。
上述分类学为找到转换点提供了程序编制语言。
3.1 静态到达点
为符合开关控制继电器式控制策略, 一列火车必须以最大牵引力加速到限速, 当它的速度低于限速的时候, 我们认为, 该列车速度低于区间i的速度, 列车必须加速并且到达点将在区间j内 (j≥i;如果区间i太短和/或加速度不够, 列车达到区间j>i的限速, 否则j=i。) 为了查找静态到达点, 当速度达到限速的时刻undefined, 即undefined时, 会被找到, 这个时间点是单调函数σr (t) =vmax (s (tt) -v (t) 的根, 它可以由任何平分求根法计算得到, 例如二分法或固定点迭代法[11], 下面将采用二分法。
算法4.1[6]:用来计算达到限速时的时间点的二分法
输入:准确度ε, 起始步长Δ (t) 和初始值to、S0和v0 (对应于在区间i给定的初始点) 。
输出:时间点tundefined和位置sundefined的数值, 在区间j (j≥i) 达到限速值。
1) 设置undefined和xo=[sovo]T
2) 设置undefined。
3) 通过解决初始值问题计算σrundefined1。
undefined
4) 如果|σr (undefined1) |<ε, 设置undefined并且停车。
5) 如果σr (undefined1) <0, 限速值被超过。划分步长:
Δ (t) ∶= (1) / (2) Δ (t)
6) 如果σr (undefined1) >0, 还没有达到限速值。设置undefined。
7) 到第2) 步。
3.2 发车点
为了与区间起点的限速保持一致, 这个区间的最大允许速度低于前一个区间 (或停止在一个安全区间终点) , 在此区间或前一区间的限速必须在发车点发车, 或者必须有一个静态的反向点在此区间或前一区间, 因此, 如果在区间k的末端限速下降, 即vk+1max (sk+0)
发车点可通过保守计算得到, 第k个区间的制动曲线由下面的公式求得, (一个安全区间的制动曲线是用类似的方法处理) , 类似于一个到达点的情况, 算法4.1可用下式得:
undefined
并且初始值t=0, s=0, 该式的解是制动曲线的长度, 即Sb=Sk-sundefined, 和决定于制动曲线的绝对时间tb, 因此发车点的实际位置可以由下式得:
Sundefined=sk-sb, 发车点的实际时间的计算公式为tundefined=tundefined+tundefined, 其中tundefined从第四节-A是已知的, tundefined是区间j决定于限速的时间, 即tundefined是方程σc (t) =s (t) -sundefined的根, s (t) 是初值undefined的解。
3.3 静态反向点
如前所述, 如果一个区间的发车点在它的到达点之前, 那么在此区间既没有到达点也没有发车点, 只有静态反向点, 静态反向点为制动曲线和静态加速度曲线的交点, 很显然, 静态反向点的速度小于或等于该点的区间限速。
为了找到在区间j的静态反向点, 正向的初始值问题 (11) 的速度vfw的轨迹和反向的初始值问题 (12) 的速度vbw的轨迹是相交的, 为此, 在时间点undefined还必须确定undefined和undefined, 因此, 如果undefined是undefined和undefined的根, 则它就是答案。其中vfw (undefined1) 是正向的初始值问题 (11) 的解, undefined和undefined是反向初始值问题 (12) 的解, 上述过程是由以下算法实现,
算法4.2[6]:计算从全牵引转到全制动的时间点的二分法
输入:准确度ε, 开始步长Δ (t) , 在区间i给定点的位置S0、速度v0和时间tn, 在区间k+1开始时的限速vk+1 (Sk+0) 和位置Sk。
输出:控制策略从全牵引转到全制动时的时间tjrev, 位置Sjrev和速度vjrev的数值。
1) 设置undefined。
2) 设置undefined。
3) 解决当undefined和undefined时的初值问题 (12) , 得到undefined和undefined。
4) 解决当t∈[undefinedO, tundefined1]和undefined时的初值问题 (11) , 得到时间undefined1, 在这个时刻Sfw (undefined1) 。
5) 计算undefined。
6) 如果undefined, 设置
undefined
7) 如果undefined, 静态反向点还没达到, 设置:undefined。
8) 如果undefined, 已经超过了静态反向点, 划分步长为:
9) 转到第2) 步。
静态转换点 (SS1) - (SS3) 是根据上述数值算法离线计算的, 很明显, 导通点和切断点 (SS4) 和 (SS5) 可通过解析方法求出。
备注4.1:只有对应的锁闭和解锁条件均满足, 静态转换点相关的安全模块才能求出。例如, 在图3, 只有当第二列车进入安全区j, 而第一列车在安全区l, 由安全区j的制动曲线决定的转换点, 即bj本身, 才能实现。一个和转换点有关的安全区的实现可能会阻止一些转换点, 例如, 在图4, 对D1-A1的实现并不妨碍D2, 但E2的实现会阻止B2的产生。
备注4.2:任何时候实现的最大允许速度[图3 (d) ]都由运行间隔速度、运行间隔制动曲线[图3 (b) ]和安全闭塞制动曲线[图3 (c) ]指示的最小速度给出 (备注4.1) 。
备注4.3:一个动态的反向点, 即一个动态加速度曲线的起点, 可能仅在在线仿真的过程中生成 (由于解锁条件的成立) , 因此, 不可以脱机计算, 然而, 一个动态加速度曲线的终点 (这可以是动态到达点或动态反向点) 可以在半离线状态下计算, 换句话说, 当生成了一个动态加速度曲线的起点, 其终点可以在实现之前计算, 为此, 每当一个动态的加速度曲线的起点生成的时候, 其终点除了在线仿真以外, 其余与静态到达点和静态反向点是一样的。
4实际网络
在实际网络中, 如德国铁路, 有的规则可适当放宽, 更准确地说, 在许多实际网络中, 可以作出如下假设: (A1) 在所有的区间, 最大允许速度是一个位置的常数函数 (如图3和图4) ; (A2) 加速和制动力是位移的常数函数和速度的连续函数; (A3) 在区间的终点, 可控力uc的跳变。
根据这些假设, 很容易判断是否有必要为了得到制动曲线去解决初始值问题, 相反, 制动曲线是由以下简单的代数公式得:
undefined
其中常数a是最大制动率, (s, v, t) 和 (s0, v0, t0) 表示位置, 速度和它的位置的两个时间点, 特别是, (s0, v0) 可被选为制动曲线的终点, 因为切断点不用任何计算就可得到, 此外, 提供uc=umax (v) 足以满足限速, 也没有必要解决ODE的问题, 并且简单的代数公式v=at表示区间限速。
注5.1:据观察, 只有加速度曲线需要解决初值问题, 当列车达到其最大允许速度 (注4.2) , 其下一个位置和速度通过一些简单的代数计算得到, 因此, 上述假设实际上是在该网络明显加速仿真的前提下而做的一些有效的简化, 在[4]中提出了仿真策略, 实施细节, 和制定的一些详细的例子的详细描述。
5结束语和今后的工作
最后, 该论文包括了我们所做的贡献和今后的工作展望, 分下面几节分别介绍。
5.1 结束语
在像德国铁路一样的铁路交通网中, 一种限制状态空间模型得到了发展, 该模型通过将有向图转化为, 或更确切地说, 还原为一些并行表以及表示他们之间交互与时刻表的相关性而得到, 因此, 该模型是分散的, 是决定于代表上述相关性的一些所谓的简单和扩展的锁闭和解锁条件, 在此模型的基础上, 得到了时间最优列车运行的理论实质, 对基于该模型的现有网络的运行系统的建立进行了讨论, 该网络的仿真将在很多细节方面得到测试。
很显然, 该方法能得到比一个完整的集成系统更快的仿真, 实际上它被认为已经实现了快于实时的仿真, 但是这只能是系统在实际运行中心实现才有效, 不过, 下面的描述已经可以得到大型网络的模拟时间, 作为一个经验法则的顺序处理器 (即一个处理机) , 模拟时间正比于:
a) 交互次数;
b) 行驶距离;
c) 交互列车数目;
d) 活跃的交动式列车的数目。
在一个典型的平均500 kM行驶距离就有2000列车的大型网络中, 交互的列车数约为300, 活跃的交动式列车的数目约100～200, 即平均而言, 在整个时间内只有100～200 (交互式的300) 列车在互动, 因此, 仿真时间预计为 (100-200/1) × (500/80) ×0.29s≈3～6min, 必须低于 (300/1) × (500/80) ×0.29s≈9min。
因此, 用并行处理器, 模拟时间会更短。另一方面, 我们都知道, 模拟时间反比于:
e) 局部及全局步长;
f) 在算法4.1和4.2提到的准确度ε;
g) 在图5的正确框图中的插入误差;
h) 机器的速度和内存。
这超出了目标和本文的范围, 因此不需要进一步深入探讨。
本文所提倡的建模, 分析, 综合和仿真的方法有以下优点:
i) 它很简单, 并且避免了问题的数学复杂性;
ii) 利用该模型可以实现所有现有网络的功能;
iii) 它是通用的, 可以被用来建立一个新的网络操作系统;
iv) 有一定的灵活性, 以及一些鲁棒性, 可以引入到该系统的运作;
v) 能达到比实时更快的仿真;
vi) 它提供了一个模拟时间的定量估算;
vii) 有利于实时控制和实现大型网络决策。
由该模型呈现的最后这三个特点, 是本文的主要贡献, 通过其唯一性大大区别于现有的其他方法。
5.2 未来的工作展望
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