一种铁路机车运行动态仿真测试装置及其仿真方法
【专利摘要】本发明提供了一种铁路机车运行动态仿真测试装置及其仿真方法。所述铁路机车运行动态仿真测试装置包括：操控和显示界面模块，机车模型库模块、环境仿真模块、机车运行能耗优化模块、机车运行控制仿真模块、和机车运行仿真模块。本发明的技术方案的优点是：能够对所提出的机车运行能耗优化方案的有效性和合理性进行有效测试，另外还可以测试机车运行的安全性和准时性。
【专利说明】一种铁路机车运行动态仿真测试装置及其仿真方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机车节能优化运行仿真测试领域，更具体而言，涉及一种铁路机车运行动态仿真测试装置及其仿真方法。
【背景技术】
[0002]现有的机车运行仿真测试平台主要包含:实时监控系统，信号处理装置，数据采集模块等，其测试环境均为采用仿真测试平台模拟真实环境而获得，能够实现低成本、便捷、快速地对整车控制器进行各种测试以提高整车控制器的开发效率。
[0003]但是现有的这种仿真测试平台存在以下的缺点:首先这些仿真测试平台对机车动力学特性的仿真效率较低；其次现有的仿真测试平台一般缺少对能耗的仿真估计测试。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种铁路机车运行动态仿真测试装置，其包括:操控和显示界面模块，机车模型库模块、环境仿真模块、机车运行能耗优化模块、机车运行控制仿真模块和机车运行仿真模块，其中:
[0005]所述操控和显示界面模块用于通过界面接受用户输入的各种信息和动态显示各种信息；
[0006]所述机车模型库模块用于存储各种机车和车辆信息；
[0007]所述环境仿真模块用于存储各种线路环境信息和运用环境信息；
[0008]所述机车运行能耗优化模块根据所选择机车的参数和所选择的线路环境信息和运用环境信息来生成一条所选机车在所选线路运行的理想运行最低能耗目标曲线，并将其提供给机车运行控制仿真模块；
[0009]所述机车运行控制仿真模块根据接收的机车的理想运行最低能耗目标曲线实时确定用于控制机车运行的控制指令，并将其发送给机车运行仿真模块；
[0010]所述机车运行仿真模块用于按照接收到的控制指令运行，并将运行时的各种参数发送给操控和显示界面模块。
[0011]其中通过操控和显示界面模块选择要进行测试的机车和线路信息，以及启动机车运行能耗优化模块。
[0012]其中所述理想运行最低能耗目标曲线是指所选定的机车在所选定的线路状况下按照该目标曲线运行时在满足运行安全性要求、到站准时性要求和停车准确性要求下实现能耗最小化。
[0013]其中机车依据理想运行最低能耗目标曲线运行时所实现最佳节省能耗的方法如下:
[0014]制定机车在不同坡度段的操纵档位规则，根据档位序列通过遗传算法搜索最佳节省能耗的机车操纵序列时间分配，该遗传算法的整体数学模型如下:
[0015]E = minf(X) 二 InmXlL1A EiCgi, v^Tj(1-1)[0016]其中V^Vijim
[0017]同时Ti 满足:ΔΤ = T - Σ?=ι Ti且 Λ I'≤ Tmax
[0018]XeG (1-2)
[0019]Geu (1-3)
[0020]其中,E为机车总体运行能耗,i为步长计数，h为步长总数,gi为i步长时的档位，Vi为i步长时的机车速度，Ti为i步长时的运行时间，AE^gi, Vi)为i步长时的单位能耗，Vi—Iim为i步长时的运行限速，ΔΤ为总运行时间误差,T为计划总运行时间,Tmax为总运行时间误差允许值。X为决策变量，其表示制定的档位规则中档位序列对应的时间分配比例序列而表示所有满足时间约束和限速约束条件的时间分配比例序列组成的集合山表示所有时间分配比例序列所组成的基本空间；
[0021]通过遍历寻找最优的档位时间分配比例来获得最小的运行能耗。
[0022]其中所述机车运行仿真模块包括:机车制动仿真模块、机车牵引仿真模块、运动学仿真模块和能耗统计仿真模块，其中:
[0023]所述机车制动仿真模块用于根据所选机车的制动系统特性曲线对机车制动系统的制动力输出特性进行仿真模拟；
[0024]所述机车牵引仿真模块用于根据所选机车的牵引系统特性曲线对机车牵引系统的牵引力输出特性进行仿真模拟；
[0025]所述运动学仿真模块用于仿真输出机车所受的合力并求取机车运行速度参数变化；
[0026]所述能耗统计仿真模块用于仿真输出机车在不同速度和线路状况下的能耗情况和累计能耗情况。
[0027]其中所述运动学仿真模块仿真输出机车所受合力的数值的计算方法如下:
[0028]A)取距离步长Λ S，针对当前步长平均求取该步长内平均单位附加阻力Wp，具体步骤包括:
[0029]在距离步长Λ S内将该步长等分成k等份，在每等份的距离上分别求取多质点的单位附加阻力、i=l, 2，...，k ;设定机车包括有η个等质量车厢质点，所述多质点的单位附加阻力Wi的计算方法为:
【权利要求】
1.一种铁路机车运行动态仿真测试装置，其包括:操控和显示界面模块，机车模型库模块、环境仿真模块、机车运行能耗优化模块、机车运行控制仿真模块和机车运行仿真模块，其中: 所述操控和显示界面模块用于通过界面接受用户输入的各种信息和动态显示各种信息； 所述机车模型库模块用于存储各种机车和车辆信息； 所述环境仿真模块用于存储各种线路环境信息和运用环境信息； 所述机车运行能耗优化模块根据所选择机车的参数和所选择的线路环境信息和运用环境信息来生成一条所选机车在所选线路运行的理想运行最低能耗目标曲线，并将其提供给机车运行控制仿真模块； 所述机车运行控制仿真模块根据接收的机车的理想运行最低能耗目标曲线实时确定用于控制机车运行的控制指令，并将其发送给机车运行仿真模块； 所述机车运行仿真模块用于按照接收到的控制指令运行，并将运行时的各种参数发送给操控和显示界面模块。
2.根据权利要求1所述的铁路机车运行动态仿真测试装置，其特征在于通过操控和显示界面模块选择要进行测试的机车和线路信息，以及启动机车运行能耗优化模块。
3.根据权利要求1所述的铁路机车运行动态仿真测试装置，其特征在于所述理想运行最低能耗目标曲线是指所选定的机车在所选定的线路状况下按照该目标曲线运行时在满足运行安全性要求、到站准时性要求和停车准确性要求下实现能耗最小化。
4.根据权利要求1所述的铁路机车运行动态仿真测试装置，其特征在于机车依据理想运行最低能耗目标曲线运行时所实现最佳节省能耗的方法如下: 制定机车在不同坡度段的操纵档位规则，根据档位序列通过遗传算法搜索最佳节省能耗的机车操纵序列时间分配，该遗传算法的整体数学模型如下:
5.根据权利要求1所述的铁路机车运行动态仿真测试装置，其特征在于所述机车运行仿真模块包括:机车制动仿真模块、机车牵引仿真模块、运动学仿真模块和能耗统计仿真模块，其中:所述机车制动仿真模块根据所选机车的制动系统特性曲线对机车制动系统的制动力输出特性进行仿真模拟； 所述机车牵引仿真模块根据所选机车的牵引系统特性曲线对机车牵引系统的牵引力输出特性进行仿真模拟； 所述运动学仿真模块用于仿真输出机车所受的合力并求取机车运行速度参数变化；所述能耗统计仿真模块用于仿真输出机车在不同速度和线路状况下的能耗情况和累计能耗情况。
6.根据权利要求5所述的铁路机车运行动态仿真测试装置，其特征在于所述运动学仿真模块仿真输出机车所受合力的数值的计算方法如下: A)取距离步长ΛS，针对当前步长平均求取该步长内平均单位附加阻力Wp，具体步骤包括: 在距离步长Λ S内将该步长等分成k等份，在每等份的距离上分别求取多质点的单位附加阻力w” i=l, 2，...，k ;设定机车包括有η个等质量车厢质点，所述多质点的单位附加阻力Wi的计算方法为:
7.根据权利要求4所述的铁路机车运行动态仿真测试装置，其特征在于所述不同坡度包括陡上坡、陡下坡和缓坡。
8.根据权利要求1所述的铁路机车运行动态仿真测试装置，其特征在于所述机车运行时的各种参数包括速度、加速度、牵引力、制动力、实时能耗信息和累计能耗信息。
9.一种基于独立权利要求1所述的铁路机车运行动态仿真测试装置的仿真测试方法，该方法包括: 1)测试人员通过操控和显示界面模块从机车模型库模块中选择一种要进行测试的机车； 2)测试人员通过操控和显示界面模块从环境仿真模块中选择一种要进行测试的线路信息，包括线路环境信息和运用环境信息； . 3)测试人员通过操控和显示界面模块来启动机车运行能耗优化模块； . 4)所述机车运行能耗优化模块读取所选择的机车的参数和所选择的线路信息，生成一条所述机车在该线路运行的理想运行最低能耗目标曲线，并将其提供给机车运行控制仿真模块； .5 )所述机车运行控制仿真模块接收到理想运行最低能耗目标曲线后，实时确定用于控制机车运行的控制指令，并将其发送给机车运行仿真模块； . 6)所述机车运行仿真模块接收控制指令，然后分别从机车模型库模块和环境仿真模块中调出所选择的机车和线路，按照接收到的控制指令运行，并将运行时的各种参数发送给操控和显示界面模块； .7)所述操控和显示界面模块动态显示所接收到的机车运行时的各种参数。
10.根据权利要求9所述的仿真测试方法，其特征在于所述机车运行时的各种参数包括速度、加速度、牵引力、制动力、实时能耗信息和累计能耗信息。
【文档编号】G05B23/02GK103869809SQ201410117046
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2014年3月26日 优先权日:2014年3月26日
【发明者】顾明, 赵曦滨, 黄晋, 臧大昕, 刘光涛 申请人:北京清软英泰信息技术有限公司