本发明涉及轨道交通仿真技术领域，特别是涉及一种轨道交通车辆系统半实物仿真方法、装置及系统。
背景技术
研究轨道交通车辆系统性能时，需要建立轨道交通车辆系统的仿真模型，具体方法是：先利用仿真软件建立轨道交通车辆系统主电路的数学模型，达到模拟被控对象的目的，再将建立的数学模型下载至仿真器内，再制作电信号转换箱将仿真器和轨道交通车辆系统内的实物列车控制器联通，实现虚拟被控对象与实物列车控制器的硬件在环半实物仿真。参见图1和图2所示，图1为一种交直交机车牵引电传动系统的拓扑结构示意图；图2为现有技术中一种轨道交通车辆半实物仿真系统结构示意图。
但是目前在对轨道交通车辆系统建模时，常常简化和理想化了被控对象的数学模型，也忽略了一些影响因素和极端状况；如电机：1、忽略高次谐波和漏磁的影响，设三相绕组对称，在空间互差120电角度，所产生的磁动势沿气隙周围按正弦规律分布；2、忽略磁路饱和，各绕组的自感和互感都是恒定的；3、忽略涡流损耗和磁滞损耗；4、不考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响等。这种数学模型虽然容易构建，数据量小，但是会导致被控对象的仿真模型精度不高，无法准确全面进行系统性能验证。
因此，如何提供一种准确性、精度高的轨道交通车辆系统半实物仿真方法、装置及系统是本领域技术人员目前需要解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种轨道交通车辆系统半实物仿真方法、装置及系统，能够提高轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件仿真模型的精度，进而更加准确全面的进行系统性能验证，且能够尽可能减小仿真模型构建时的数据量。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种轨道交通车辆系统半实物仿真方法，包括：
建立所述轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的有限元模型，以及所述牵引电路内其余部件的数学模型；
接收所述轨道交通车辆系统内的牵引控制器发送的控制信号；
依据所述控制信号控制所述有限元模型以及所述数学模型进行相应的动作，得到动作后的输出参数；
反馈所述输出参数至所述牵引控制器，并对所述输出参数进行显示。
优选地，所述牵引电路内关键部件为变压器和牵引电机。
优选地，所述有限元模型中的变量包括：
高次谐波、漏磁、涡流损耗、磁滞损耗、频率、温度、牵引电机绕组电阻、磁路饱、自感、互感的影以及电压、电流中任意几种的组合。
优选地，还包括：
将所述有限元模型以及所述数学模型转化为脚本文件进行保存；
相应的，接收所述控制信号后，调用所述脚本文件并运行，将所述控制信号输入所述脚本文件内，得到所述输出参数。
优选地，所述所述牵引电路内其余部件包括弓网系统、四象限整流器、直流滤波器、逆变器以及轮轨系统。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种轨道交通车辆系统半实物仿真装置，包括：
仿真模块，用于建立所述轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的有限元模型，以及所述牵引电路内其余部件的数学模型；
处理模块，用于接收所述轨道交通车辆系统内的牵引控制器发送的控制信号；依据所述控制信号控制所述有限元模型以及所述数学模型进行相应的动作，得到动作后的输出参数；反馈所述输出参数至所述牵引控制器。
优选地，还包括：
存储模块，用于将所述有限元模型以及所述数学模型转化为脚本文件进行保存；
相应的，所述处理模块具体用于在接收所述控制信号后，调用所述存储模块内的所述脚本文件并运行，将所述控制信号输入所述脚本文件内，得到所述输出参数；反馈所述输出参数至所述牵引控制器。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种轨道交通车辆系统半实物仿真系统，包括如以上所述的半实物仿真装置、总体控制器、牵引控制器以及电信号转换接口装置；
所述总体控制器分别与所述半实物仿真装置以及所述牵引控制器连接，用于对所述半实物仿真装置进行总体控制；依据所述半实物仿真装置的输出参数生成并发送控制指令至所述牵引控制器；对所述半实物仿真装置的输出参数进行显示；
所述电信号转换接口装置两端分别连接所述半实物仿真装置以及所述牵引控制器，用于进行所述半实物仿真装置与所述牵引控制器之间的信号转换和信号传输；
所述轨道交通车辆系统内的所述牵引控制器，用于依据所述控制指令生成控制信号并发送至所述半实物仿真装置；接收所述半实物仿真装置反馈的输出参数；
仿真模块，用于建立所述轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的有限元模型，以及所述牵引电路内其余部件的数学模型；
处理模块，用于接收所述轨道交通车辆系统内的牵引控制器发送的控制信号；依据所述控制信号控制所述有限元模型以及所述数学模型进行相应的动作，得到动作后的输出参数；反馈所述输出参数至所述牵引控制器。
优选地，所述轨道交通车辆系统具体为：
电力机车系统、动车机车系统、城轨地铁系统、有轨电车、单轨车辆和磁浮车系统中的任一种。
本发明提供了一种轨道交通车辆系统半实物仿真方法、装置及系统，采用有限元分析法来建立轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的有限元模型，而牵引电路内其余部件仍采用数学模型进行仿真。由于有限元模型是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟的仿真模型，能够综合考虑真实物理系统内的各项非线性、强耦合的物理元素、外界影响因素以及极端情况，故本发明采用有限元模型作为轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的仿真模型，能够提高这些牵引电路内关键部件仿真模型的精度，以及仿真的实时性，进而更加准确全面的进行系统性能验证。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种交直交机车牵引电传动系统的拓扑结构示意图；
图2为现有技术中一种轨道交通车辆半实物仿真系统结构示意图；
图3为本发明提供的一种轨道交通车辆系统半实物仿真的过程的流程图；
图4为本发明提供的一种轨道交通车辆半实物仿真装置的结构示意图；
图5为本发明提供的一种轨道交通车辆半实物仿真系统的结构示意图；
图6为本发明提供的一种轨道交通车辆半实物仿真系统的具体实施例的结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种轨道交通车辆系统半实物仿真方法、装置及系统，能够提高轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件仿真模型的精度，进而更加准确全面的进行系统性能验证，且能够尽可能减小仿真模型构建时的数据量。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种轨道交通车辆系统半实物仿真方法，参见图3所示，图3为本发明提供的一种轨道交通车辆系统半实物仿真的过程的流程图；该方法包括：
步骤s1：建立轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的有限元模型，以及牵引电路内其余部件的数学模型；
有限元分析(fea，finiteelementanalysis)是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟的分析方式，建立的有限元模型内包含有真实物理系统所包含的各项物理元素参数以及外界影响因素，还可包含极端情况对应的约束条件等，因此可见，构建的有限元模型不是将非线性的物理参数、外界影响因素以及极端情况影响等均理想化处理，而是能够尽可能的接近真实物理系统的运行情况，使得后续依据有限元模型对轨道交通车辆系统进行性能验证时，验证效果更加准确全面。
步骤s2：接收轨道交通车辆系统内的牵引控制器发送的控制信号；
可以理解的是，本发明是用于半实物仿真系统内的，所谓半实物仿真指的是依据被控实物对象建立仿真模型，并将该仿真模型与被控实物对象的控制器建立联系，之后依据被控实物对象的控制器来控制仿真模型进行动作，并观察动作结果，达到仿真的目的。具体的，本发明构建的有限元模型和数学模型主要是用于对轨道交通车辆系统中的牵引电路进行仿真模拟，因此，首先需要令构建的仿真模型与该牵引电路的控制器(即牵引控制器)建立连接，之后构建的模型依据该牵引控制器发送的控制信号执行相应的动作。
步骤s3：依据控制信号控制有限元模型以及数学模型进行相应的动作，得到动作后的输出参数；
这里的输出参数即为仿真结果，该仿真结果表明的是：本发明的仿真模型对应的被控对象在相同控制信号下的理想动作执行结果。
步骤s4：反馈输出参数至牵引控制器，并对输出参数进行显示。
其中，这里将输出结果反馈至牵引控制器的目的，是为了实现闭环控制，从而使整个轨道交通车辆系统实现快速收敛、稳定。
另外，由于仿真的目的，是为了使工作人员能够了解被控对象在过不同控制信号下的动作情况，进而分析被控对象的性能，因此，需要对输出参数进行显示来使工作人员能够查看每次的控制结果。
其中，上述牵引电路内关键部件为变压器和牵引电机。
可以理解的是，在轨道交通车辆系统内，变压器和牵引电机属于重要组件，但这两部分均属于强电磁耦合、非线性的多变量对象，是传统数学建模最难精确的两个对象，通常会对这两个对象进行理想化处理，而这两部分的理想化属性模型也是影响半实物仿真精度的主要原因，因此需要对这两部分进行有限元分析，构建有限元模型，综合考虑这两部分的实际物理特性以及外界影响等参数，提高半实物仿真的精度和准确性。当然，牵引电路内关键部件可以为以上两者中的任一个，其他采用数学模型后会影响系统仿真精度的组件也可作为本发明中的牵引电路内关键部件存在，本发明并不限定牵引电路内关键部件的具体类型。
进一步可知，有限元模型中的变量包括：
高次谐波、漏磁、涡流损耗、磁滞损耗、频率、温度、牵引电机绕组电阻、磁路饱、自感、互感的影以及电压、电流中任意几种的组合。
对于变压器、牵引电机来说，其包含的非线性参数主要为以上几种，这几种参数会影响牵引电机传动系统的性能，且通常在数学模型内会被简化，而本发明在有限元模型内增加以上参数的变量，使得构建的有限元模型在仿真时能够考虑到磁化曲线和损耗曲线随温度的变化情况，考虑高次谐波对漏磁的影响，考虑磁路饱和对自感和互感的影响，以及考虑频率变化和温度变化对绕组电阻的影响等，使构建的有限元模型更加精确且更加接近实际被控对象，因此可以充分验证各种工况下的控制系统性能，也有助于提高测试覆盖效率，发现隐蔽式故障和发生概率极低的问题。
当然，由于被控对象可以不为牵引电机或者变压器，相应的有限元模型内包含的变量也会根据被控对象的不同进行变化，本发明不限定有限元模型内的变量类型。
作为优选地，该方法还包括：
将有限元模型以及数学模型转化为脚本文件进行保存；
相应的，接收控制信号后，调用脚本文件并运行，将控制信号输入脚本文件内，得到输出参数。
可以理解的是，本实施例将构建完成后的仿真模型转换为脚本文件进行保存后，在后续每次进行仿真时可直接调用该脚本文件，避免了重复构建仿真模型带来的复杂的数学公式运算，减少了实时运算的数据量，提高了半实物仿真的实时性和效率。其中，上述牵引电路内其余部件包括弓网系统、四象限整流器、直流滤波器、逆变器以及轮轨系统。当然，在其他类型的牵引电路内，可能包含其他类型的部件，本发明对牵引电路内的其余部件类型不做特别限定。
本发明提供了一种轨道交通车辆系统半实物仿真方法，采用有限元分析法来建立轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的有限元模型，而牵引电路内其余部件仍采用数学模型进行仿真。由于有限元模型是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟的仿真模型，能够综合考虑真实物理系统内的各项非线性的物理元素、外界影响因素以及极端情况，故本发明采用有限元模型作为轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的仿真模型，能够提高这些牵引电路内关键部件仿真模型的精度，以及仿真的实时性，进而更加准确全面的进行系统性能验证。并且，本发明仅在牵引电路内关键部件处采用有限元分析，其余部件处仍采用数学模型，能够在保证模型精度的基础上，尽可能减小仿真模型构建时的数据量。
本发明还提供了一种轨道交通车辆系统半实物仿真装置，参见图4所示，图4为本发明提供的一种轨道交通车辆半实物仿真装置的结构示意图；该装置包括：
仿真模块1，用于建立轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的有限元模型，以及牵引电路内其余部件的数学模型；
处理模块3，用于接收轨道交通车辆系统内的牵引控制器发送的控制信号；依据控制信号控制有限元模型以及数学模型进行相应的动作，得到动作后的输出参数；反馈输出参数至牵引控制器。
其中，这里的处理模块3可以为高性能处理器或者多核处理器，本发明不限定处理器的类型。
作为优选地，该装置还包括：
存储模块2，用于将有限元模型以及数学模型转化为脚本文件进行保存；
相应的，处理模块3具体用于在接收控制信号后，调用存储模块2内的脚本文件并运行，将控制信号输入脚本文件内，得到输出参数；反馈输出参数至牵引控制器。
本发明提供了一种轨道交通车辆系统半实物仿真装置，采用有限元分析法来建立轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的有限元模型，而牵引电路内其余部件仍采用数学模型进行仿真。由于有限元模型是利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟的仿真模型，能够综合考虑真实物理系统内的各项非线性的物理元素、外界影响因素以及极端情况，故本发明采用有限元模型作为轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的仿真模型，能够提高这些牵引电路内关键部件仿真模型的精度，以及仿真的实时性，进而更加准确全面的进行系统性能验证。并且，本发明仅在牵引电路内关键部件处采用有限元分析，其余部件处仍采用数学模型，能够在保证模型精度的基础上，尽可能减小仿真模型构建时的数据量。
本发明还提供了一种轨道交通车辆系统半实物仿真系统，参见图5所示，图5为本发明提供的一种轨道交通车辆半实物仿真系统的结构示意图；该系统包括如以上的半实物仿真装置200、总体控制器100、牵引控制器400以及电信号转换接口装置300；
总体控制器100分别与半实物仿真装置200以及牵引控制器400连接，用于对半实物仿真装置200进行总体控制；依据半实物仿真装置200的输出参数生成并发送控制指令至牵引控制器400；对半实物仿真装置200的输出参数进行显示；
电信号转换接口装置300两端分别连接半实物仿真装置200以及牵引控制器400，用于进行半实物仿真装置200与牵引控制器400之间的信号转换和信号传输；这里的信号转换包含电平转换和通讯转换；其中，这里的通讯转换指的是不同总线时通讯协议的转换；
轨道交通车辆系统内的牵引控制器400，用于依据控制指令生成控制信号并发送至半实物仿真装置200；接收半实物仿真装置200反馈的输出参数；
仿真模块，用于建立轨道交通车辆系统中牵引电路内关键部件的有限元模型，以及牵引电路内其余部件的数学模型；
处理模块，用于接收轨道交通车辆系统内的牵引控制器400发送的控制信号；依据控制信号控制有限元模型以及数学模型进行相应的动作，得到动作后的输出参数；反馈输出参数至牵引控制器400。
具体的，总体控制器100的功能具体包括：实现对半实物仿真装置200的总体控制和数据库支持(这里的数据库主要用于存储构建完毕的有限元模型以及数学模型)，负责整个仿真系统的信息同步处理、系统完整性检测和运行状态监视，负责仿真系统参数设置、运行模式选择，形成具体的控制指令控制整个仿真系统在各种工况下运行，并对输出参数进行图形化显示、分析和保存。其中，这里的总体控制器100可以为总体控制计算机，当然，总体控制器100是否以计算机的形式存在，本发明并不做限定。
可以理解的是，总体控制器100根据半实物仿真装置200的输出参数能够进行被控对象的性能分析，方便了解被控对象在相应的控制信号下的动作情况，之后将输出参数反馈至牵引控制器400后，能够使牵引控制器400在该输出参数的基础上，来生成下一次的控制信号。
其中，这里的电信号转换接口装置300具体可以为电信号转换接口箱，当然，本发明不限定电信号转换接口装置300的具体结构形式。
具体的，本发明中的轨道交通车辆系统具体为：
电力机车系统、动车机车系统、城轨地铁系统、有轨电车、单轨车辆和磁浮车系统中的任一种。
参见图6所示，图6为本发明提供的一种轨道交通车辆半实物仿真系统的具体实施例的结构示意图。
可以理解的是，针对于不同类型的轨道交通车辆系统类型，只需调整相应的主电路参数或模块配置即能够很好地进行半实物仿真，故本发明提供的仿真系统通用性极强。当然，本发明中的轨道交通车辆系统还可以为其他类型的列车系统，本发明对此不作限定。
以上的几种具体实施方式仅是本发明的优选实施方式，以上几种具体实施例可以任意组合，组合后得到的实施例也在本发明的保护范围之内。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，相关专业技术人员在不脱离本发明精神和构思前提下推演出的其他改进和变化，均应包含在本发明的保护范围之内。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。