专利名称：高速列车大系统耦合动力学仿真平台的制作方法
技术领域：
本发明涉及仿真控制技术，尤其是高速列车大系统耦合仿真平台技术领域。
背景技术：
随着我国高铁网络的火热建设、运营速度纪录的一次次被刷新、和俄罗斯、美国等高铁技术输出备忘的签订等，新形势下的高速列车的运行安全保障是刻不容缓的刚性需求。这对高速铁路行车安全研究提出了严峻的挑战，也提供了前所未有的机遇。高速列车的运行受到线路和接触网等固定设施条件的影响，牵引供电和列车运行控制系统的控制，同时还受到空气扰动、阻力及噪音的制约等。因此，高速动车组与高速铁路各子系统之间构成相互联系、相互依存、相互制约的关系，如与线路之间的轮轨关系，与接触网之间弓网关系，与空气之间的流固关系，与供电及牵引传动系统之间的机电关系等。
在高速运行条件下，列车和线路轨道、接触网、气流等之间的相互作用加剧，如轮轨和弓网的磨耗、磨损加速，甚至导致失效，严重影响运行；高速气流也不再仅仅是运行阻力，同时影响动车组的运行性能，甚至导致列车运行安全性问题；高速所需的大功率和高密度行车，对供电系统的电力释放和吸收提出更高的要求，一旦车与供电系统的关系没有匹配好，就可能导致电压的波动，甚至供电系统因超压、低压或冲击而崩溃。与此同时，由于速度的提高，特别是振动的加剧，会带来一系列极端的科学问题，如高速列车的全局非线性稳定性问题，轮轨间的粘着系数急剧下降导致的粘着极限问题，在考虑接触网张力限制后的波速逼近问题，结构疲劳超长寿命问题。为解决上述问题，必须把与高速列车运行品质和安全性相关联的高速铁路各子系统耦合起来进行高速列车系统动力学的研究。目前高速列车相关的动力学研究主要集中在子系统级别，如列车动力学、线路动力学、弓网动力学等，这些子系统研究及计算平台总体上相对独立，未成体系，虽然部分研究已逐步向高速列车耦合大系统动力学延伸，比如车-线-桥动力学研究，但这些无法完全满足当前高速列车大系统耦合动力学仿真分析的要求。而迄今为止，国内外尚无成熟的可为高速列车大系统耦合动力学仿真分析提供计算支撑的软件系统。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的目的是研究提供一种高速列车大系统耦合动力学仿真平台，使之克服现有技术的以上缺点。本发明的目的是通过如下的手段实现的。高速列车大系统耦合动力学仿真平台，采用基于C/S模式的分布式仿真体系，包括前台人机交互界面部分和后台基于分布式的核心计算部分，其中，所述后台基于分布式的核心计算模块包括任务调度模块，用于用户所提交仿真工况任务的调度，根据任务的计算要求、优先级、计算网络的资源情况等，采用合适的调度策略，将计算任务调度到合适的计算资源上，如果计算资源不足，则将计算任务按优先级排队等候，支持多工况自动调度，支持有管理权限的用户对调度策略进行扩展；耦合控制模块，用于对用户提交的仿真工况任务实施积分步长级的耦合计算，利用耦合控制算法协调列车、线路、弓网、牵引供电及传动、空气动力学等子系统各子系统的仿真步长使其保持时空一致、控制各子系统的计算流程、并进行数据的接收、处理和分发，实现各子系统间的耦合计算；执行机代理模块，用于获取各个计算资源CPU的性能及使用率、内存容量及使用情况、操作系统的类型，通 过与计算资源管理模块通信，实现网络拓扑的管理及计算资源的查询，同时用于启动各子系统计算模块，通过与耦合控制模块通信，告知各子系统计算模块的运行状态；同时为故障诊断和恢复提供基础；车辆动力学计算模块，用于车辆动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；线路动力学计算模块，用于线路动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；弓网动力学计算模块，用于弓网动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；牵引供电计算模块，用于牵引供电子系统单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算;空气动力学计算模块，用于列车空气动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；所述前台人机交互界面部分包括主控模块，用于各种仿真流程的建立和仿真数据的管理，具体包括负责整个系统的数据分发与管理；负责数据的有效性检查；负责专业计算模型库、计算结果分类库的管理；负责耦合仿真模型的组织；负责仿真工况的配置和计算工况库的管理；负责系统需要数据的初始化，各个模型库的初始化，各个数据结构的定义和初始化；前处理模块，用于建立各耦合仿真子系统的前处理模型，将各子系统的实际物理模型映射为仿真模型，从而建立各子系统仿真所需的前处理输入模型，包括高速列车动力学前处理子模块、线路动力学前处理子模块、弓网动力学前处理子模块、列车空气动力学前处理子模块和牵引供电及传动仿真前处理子模块；计算资源管理模块，用于获取执行机代理模块返回的信息，监控网络内可用的计算资源及各计算资源的使用情况，实施异构异操作系统计算资源的统一管理，为计算任务的调度提供依据，同时提供网络拓扑信息及硬件故障辅助诊断功能；计算监控模块，用于对计算过程进行实时可视监控，对异常情况进行提示或警报，使计算过程透明化；后处理模块，用于对仿真结果进行数据处理分析，得到性能时程曲线或演变规律，包括通用二维数据后处理子模块、三维运行模拟子模块及专业后处理子模块；系统管理模块，用于对整个平台进行运行维护和管理，如用户管理、角色管理、权限管理；所述前台人机交互界面部分的主控模块，是用户使用平台的进入界面，集成了前处理模块、后处理模块、计算资源管理模块、计算监控模块及系统管理维护模块的入口，包括下列菜单项项目菜单项，用于项目创建及管理相关的操作，包括新建项目、项目库管理和退出子菜单项，其中新建项目子菜单项用于新建一个项目，项目库管理子菜单项用于项目库的查询、修改、删除，退出子菜单项用于退出程序；计算模型菜单项，用于计算模型创建及管理相关的操作，包括子系统前处理建模、初始模型库管理和部件模型库管理三个子菜单项，其中子系统前处理建模子菜单项是前处理模块的入口，用于进入车辆动力学、线路动力学、弓网动力学、牵引供电、空气动力学子系 统的仿真前处理建模界面，初始模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、空气动力学子系统的仿真模型，部件模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、弓网、牵引供电子系统的仿真模型，利用部件模型库中的模型可部分替换初始模型库中的模型的相应部分，在初始模型库和部件模型库中，列车子系统的部件包括轮对踏面、刚性车体和构架、各阶模态的弹性车体和构架，线路子系统的部件包括线路轨下结构、钢轨参数、钢轨踏面和轨道不平顺，弓网子系统的部件包括受电弓、接触网，牵引供电子系统的部件包括供电设施；计算工况菜单项，用于计算工况的配置及计算工况库的管理，包括新建/打开工况、新建/打开本地工况、计算工况库管理子菜单项，其中新建/打开工况子菜单项用于从模型数据库中选择子系统仿真模型来组织耦合仿真计算工况，其中新建/打开本地工况子菜单项用于从用户本机文件夹中选择配置好的子系统仿真模型来组织耦合仿真计算工况，计算工况库管理用于修改、删除、查询已配置完成或已提交的各种计算工况；耦合计算菜单项，用于将用户配置好的计算工况提交到后台进行耦合仿真及对耦合计算相关的信息进行查询和控制，包括启动耦合计算、计算资源管理、计算过程监控三个子菜单项，其中启动耦合计算子菜单项用于将用户配置好的计算工况提交到后台进行耦合仿真，计算资源管理子菜单项是计算资源管理模块的入口，用于查看和管理计算资源，计算过程监控子菜单项是计算过程监控模块的入口，用于监控用户提交的所有计算工况，对异常情况进行告警；计算结果菜单项，用于各子系统仿真计算结果的处理分析及结果库的管理，包括子系统后处理和结果库管理子菜单项，其中子系统后处理子菜单项是后处理模块的入口，用于车辆动力学、线路动力学、弓网动力学、牵引供电、空气动力学子系统的仿真结果处理分析，包括通用二维数据后处理、三维运行模拟及流场分析等专业后处理功能，结果库管理子菜单项用于各子系统仿真结果的查看、下载和删除等；系统维护和管理菜单项，是系统管理模块的入口，用于平台的维护和管理；帮助菜单项，用于显示系统相关信息。所述前台人机交互界面部分的主控模块计算工况菜单项中新建/打开工况界面，包括以下按钮
车辆模型名称文本框右侧选择按钮，用于从初始模型库或工况模型库中选择车辆/列车仿真模型；线路模型名称文本框右侧选择按钮，用于从初始模型库或工况模型库中选择线路仿真模型；弓网模型名称文本框右侧选择按钮，用于从部件模型库或工况模型库中选择受电弓和接触网仿真模型；牵供模型名称文本框右侧选择按钮，用于从部件模型库或工况模型库中选择供电仿真模型；流固模型名称文本框右侧选择按钮，用于从初始模型库或工况模型库中选择列车空气动力学仿真模型；仿真设置按钮，用于设置仿真时间、各子系统仿真步长、输出步长，对于车辆子系 统，还可设置列车运行速度；保存工况按钮，用于保存用户配置的仿真计算工况数据，必须在仿真工况的有效性检查通过后方可成功保存，否则会提示无法通过的检查项信息；耦合计算按钮，用于提交用户刚配置好且可以成功保存的计算工况，进行后台的率禹合计算；退出按钮，用于退出计算工况编辑界面。本发明可支持多工况同时进行高速列车大系统耦合动力学仿真，对计算过程进行实时监控，可扩展性良好，支持异构异操作系统。为高速列车与线路、接触网、供电系统耦合仿真及运行模拟和高速列车与其他子系统的耦合关系研究及其性能评估提供了良好的平台。本发明的高速列车大系统耦合动力学仿真平台，具有I)支持高速列车大系统耦合动力学仿真，可以在高速列车-线路-弓网-牵引供电-空气动力学所形成的大系统中同时考虑轮轨耦合关系、弓网耦合关系、流固耦合关系、机电耦合关系，进行大系统耦合动力学仿真，也可进行部分系统耦合仿真；2)支持在异构异操作系统的计算资源上运行，可以部分计算模块运行在windows操作系统下的普通PC上，部分计算模块运行在Iinux操作系统下的高性能并行计算机集群上，进行大系统耦合动力学仿真；3)支持多工况同时耦合仿真，在计算资源充足的前提下，可以支持多工况的同时耦合仿真，在计算资源不足时，按提交的时间顺序和优先级进行排队待算；4)支持对计算过程进行实时监控，可对所有提交的在算计算工况进行仿真过程的图形化监控，对仿真过程中的异常信息进行告警；5)开放式的体系结构，良好的可扩展性，当计算资源充足且耦合器负载较大时，可以通过软件设置，自动分配一台计算资源为耦合器，实施负载均衡，反之亦然，同时调度算法、耦合数据处理算法等提供开放接口，可以增加或删除，另外，子系统计算模块接口具有通用性，只要符合接口规范，通过软件更新耦合关系后，即可纳入耦合计算体系；6)良好的人机交互功能，计算组织便捷，可以快速组织各种层次的部分耦合模型，各子系统的仿真输入模型可从模型库中选择，也可从本地配置，或从已创建的工况库中选择，且部分模型可替换，有效提高建模效率，且计算过程可视可控。
采用本发明，可以进行高速列车与线路、接触网、供电系统耦合仿真及运行模拟，可以进行高速列车与其他子系统的耦合关系研究，可以进行高速列车及其耦合系统的优化分析，可以进行高速列车及其耦合系统的设计评估，为我国高速列车及相关系统的创新设计、优化、性能评估及运行维护决策提供平台支撑。
图I高速列车大系统耦合动力学仿真平台模块组成2人机交互界面部分的主控模块组成3工况菜单项中新建/打开工况组成4高速列车大系统耦合动力学仿真平台工作流程图5高速列车大系统耦合动力学仿真平台前处理模块界面 图6高速列车大系统耦合动力学仿真平台计算过程监控模块图7高速列车大系统耦合动力学仿真平台通用二维数据后处理模块图8高速列车大系统耦合动力学仿真平台列车三维运行模拟后处理模块
具体实施例方式下面，结合附图，对本发明的内容作进一步的详述。由于各子系统对计算资源要求、运行环境要求等各不相同，同时为了保证多子系统耦合后的整体仿真效率，本发明的高速列车系统动力学仿真平台部署在由高速网络连接的分布式计算环境中，其架构主要包括子系统仿真计算执行机、仿真用户端计算机、系统仿真耦合器、调度器、数据库服务器、文件服务器、仿真过程监控计算机、高性能并行计算集群以及相关的网络设备。其中仿真用户端是用户直接操作平台的客户端计算机，用于仿真前处理、提交仿真计算工况、仿真后处理等，采用windows操作系统，由图形工作站或高性能的普通PC机组成。子系统仿真计算执行机采用windows操作系统，可以运行列车、线路、弓网、牵引供电及传动子系统的仿真计算模块，由一系列高性能的普通PC机组成，可根据应用需求随时动态增加或删除。高性能计算机集群采用linux/unix操作系统为主,部分节点可采用windows操作系统，计算核心多，运算效率高，优先用于空气动力学子系统的计算。系统仿真耦合服务器(简称耦合器)是耦合数据的处理和收发集散中心，所有耦合数据都向其汇集并经其分发到各子系统，在多工况运行的情况下，数据吞吐量较大，系统比较繁忙，要求CPU处理能力高，网卡数据吞吐性能好,采用windows操作系统。在多工况运行的情况下，可以部署多个耦合器，同时可根据应用的需要，动态增删耦合器。计算任务调度服务器(简称调度器)用于将计算任务分发到各空闲的计算资源上，要求计算资源的稳定性好，在计算资源足够的情况下应考虑调度器的冗余部署，采用windows、Iinux或unix操作系统皆可。仿真过程监控器主要用于仿真过程数据的监控，其主要功能是从数据库获得仿真计算的过程数据，并通过独立的计算过程监控系统进行展示，以便及时发现计算中出现的问题的，提高应用的效率。仿真过程监控器由用户进行自主配置，可以监控一个工况的多种信息，也可监控多个工况的多种信息。该设备的特点是需要有较好的数据处理能力，同时也需要一定的图形处理能力，采用一台或多台高性能的PC机或图形工作站都可，采用windows操作系统。数据库服务器存放各种模型数据、工况设置数据、计算结果数据等。对于存储量大、存储频率高的计算，可以优先采用内存数据库服务器，对于其他存储，可采用一般服务器，采用windows、Iinux或unix操作系统皆可。文件服务器数据读存频率一般不会太高，可采用一般的服务器，要求服务器的容量较大，采用windows、Iinux或unix操作系统皆可。高速列车系统动力学仿真平台的主网络为千兆网，由两台万兆级核心路由交换机做热备，各子系统接入层交换机采用千兆接入，高性能计算机集群内部包括计算网络和管理网络，其中计算网络采用Infiniband网，带宽为40GB/s，管理网络为千兆网。
本发明的高速列车大系统耦合动力学仿真平台包括前台人机交互界面部分和后台基于分布式的核心计算部分，如图I所示，其中，所述前台人机交互界面部分包括主控模块、前处理模块、计算资源管理模块、计算监控模块、后处理模块和系统管理模块。所述后台基于分布式的核心计算模块包括任务调度模块、耦合控制模块、执行机代理模块、车辆动力学计算模块、线路动力学计算模块、弓网动力学计算模块、牵引供电计算模块、空气动力学计算模块。在图2中主控模块，是用户使用平台的进入界面，集成了前处理模块、后处理模块、计算资源管理模块、计算监控模块及系统管理维护模块的入口，包括下列菜单项项目菜单项，用于项目创建及管理相关的操作，包括新建项目、项目库管理和退出子菜单项，其中新建项目子菜单项用于新建一个项目，项目库管理子菜单项用于项目库的查询、修改、删除，退出子菜单项用于退出程序；计算模型菜单项，用于计算模型创建及管理相关的操作，包括子系统前处理建模、初始模型库管理和部件模型库管理三个子菜单项，其中子系统前处理建模子菜单项是前处理模块的入口，用于进入车辆动力学、线路动力学、弓网动力学、牵引供电、空气动力学子系统的仿真前处理建模界面，初始模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、空气动力学子系统的仿真模型，部件模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、弓网、牵引供电子系统的仿真模型，利用部件模型库中的模型可部分替换初始模型库中的模型的相应部分，在初始模型库和部件模型库中，列车子系统的部件包括轮对踏面、刚性车体和构架、各阶模态的弹性车体和构架，线路子系统的部件包括线路轨下结构、钢轨参数、钢轨踏面和轨道不平顺，弓网子系统的部件包括受电弓、接触网，牵引供电子系统的部件包括供电设施；计算工况菜单项，用于计算工况的配置及计算工况库的管理，包括新建/打开工况、新建/打开本地工况、计算工况库管理子菜单项，其中新建/打开工况子菜单项用于从模型数据库中选择子系统仿真模型来组织耦合仿真计算工况，其中新建/打开本地工况子菜单项用于从用户本机文件夹中选择配置好的子系统仿真模型来组织耦合仿真计算工况，计算工况库管理用于修改、删除、查询已配置完成或已提交的各种计算工况；耦合计算菜单项，用于将用户配置好的计算工况提交到后台进行耦合仿真及对耦合计算相关的信息进行查询和控制，包括启动耦合计算、计算资源管理、计算过程监控三个子菜单项，其中启动耦合计算子菜单项用于将用户配置好的计算工况提交到后台进行耦合仿真，计算资源管理子菜单项是计算资源管理模块的入口，用于查看和管理计算资源，计算过程监控子菜单项是计算过程监控模块的入口，用于监控用户提交的所有计算工况，对异常情况进行告警；计算结果菜单项，用于各子系统仿真计算结果的处理分析及结果库的管理，包括子系统后处理和结果库管理子菜单项，其中子系统后处理子菜单项是后处理模块的入口，用于车辆动力学、线路动力学、弓网动力学、牵引供电、空气动力学子系统的仿真结果处理分析，包括通用二维数据后处理、三维运行模拟及流场分析等专业后处理功能，结果库管理子菜单项用于各子系统仿真结果的查看、下载和删除等；系统维护和管理菜单项，是系统管理模块的入口，用于平台的维护和管理；帮助菜单项，用于显示系统相关信息。
在图3中前台人机交互界面部分的主控模块计算工况菜单项中新建/打开工况界面，包括以下按钮车辆模型名称文本框右侧选择按钮，用于从初始模型库或工况模型库中选择车辆/列车仿真模型；线路模型名称文本框右侧选择按钮，用于从初始模型库或工况模型库中选择线路仿真模型；弓网模型名称文本框右侧选择按钮，用于从部件模型库或工况模型库中选择受电弓和接触网仿真模型；牵供模型名称文本框右侧选择按钮，用于从部件模型库或工况模型库中选择供电仿真模型；流固模型名称文本框右侧选择按钮，用于从初始模型库或工况模型库中选择列车空气动力学仿真模型；仿真参数设置按钮，用于设置仿真时间、各子系统仿真步长、输出步长，对于车辆子系统，还可设置列车运行速度；保存工况按钮，用于保存用户配置的仿真计算工况数据，必须在仿真工况的有效性检查通过后方可成功保存，否则会提示无法通过的检查项信息；提交耦合计算按钮，用于提交用户刚配置好且可以成功保存的计算工况，进行后台的耦合计算；退出按钮，用于退出计算工况编辑界面。本发明的仿真工作流程如图4所示(I)主控模块是客户端的启动入口，启动主控模块，进入系统界面；(2)点击主控模块中计算模型菜单项的子系统前处理建模子菜单项，启动相关系统的前处理模块，如图5所示，生成列车(车辆)、线路、弓网、牵引供电及传动、空气动力学子系统的计算模型，存入到各子系统的计算模型数据库中或本地文件夹中；(3)设置耦合计算工况设置参与耦合的计算模块，再从各子系统的初始模块库、工况模型库或本地获取需要的计算模型，设置仿真参数，组织成耦合计算模型，如图3所
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(4)保存仿真工况在保存前自动进行仿真工况有效性检查，如果检查判定有效，则成功保存工况，如果判定无效，则系统做出提示，显示判定无效的检查项；(5)提交耦合计算。其工作流程如下I)耦合计算模块中的任务调度子模块接到耦合计算申请后，调用计算资源管理模块查询计算资源的状态信息，计算资源管理模块通过调用执行机代理模块获得相关资源信息；2)任务调度子模块应用一定的调度策略，利用执行机代理模块将任务调度到合适的计算资源上，向耦合器注册调度信息，再启动各子系统计算模块完成初始化，将状态信息及初始结果返回耦合器；3)启动耦合计算任务，利用耦合器控制各子系统计算模块的计算流程，并应用耦合策略和数据处理算法，实现相关模块间的耦合计算。耦合器和各子系统仿真执行机将计
算过程数据分类存入相应的数据库；4)启动计算过程监控模块，对高速列车系统动力学耦合仿真过程中各子系统需要监控的参数进行实时监控，对异常状态进行告警，有独立的计算机对其进行监控，也可通过点击主控模块的耦合计算菜单项中的计算过程监控子菜单项，进行计算过程的监控，但显示效率可能会受到网络状态的影响，如图6所示。(6)点击主控模块中计算结果菜单项的子系统后处理建模子菜单项，启动后处理模块，进行计算结果的展示和评价。平台提供了二维通用后处理子模块，可进行流程化的仿真结果处理，提供常用的动力学指标评价方法，并按格式自动生成结果报告，如图7所示，平台也提供三维运行仿真模块，可进行基于大系统耦合动力学仿真结果驱动的列车虚拟运行展示，如图8所示，通过二维和三维结合的方式，全面展示高速列车与各耦合子系统相互作用下的性能仿真结果。
权利要求
1.高速列车大系统耦合动力学仿真平台，采用基于C/s模式的分布式仿真体系，包括前台人机交互界面部分和后台基于分布式的核心计算部分，其中， 所述后台基于分布式的核心计算模块包括 任务调度模块，用于用户所提交仿真工况任务的调度，根据任务的计算要求、优先级、计算网络的资源情况等，采用合适的调度策略，将计算任务调度到合适的计算资源上，如果计算资源不足，则将计算任务按优先级排队等候，支持多工况自动调度，支持有管理权限的用户对调度策略进行扩展； 耦合控制模块，用于对用户提交的仿真工况任务实施积分步长级的耦合计算，利用耦合控制算法协调列车、线路、弓网、牵引供电及传动、空气动力学等子系统各子系统的仿真步长使其保持时空一致、控制各子系统的计算流程、并进行数据的接收、处理和分发，实现各子系统间的耦合计算； 执行机代理模块，用于获取各个计算资源CPU的性能及使用率、内存容量及使用情况、操作系统的类型，通过与计算资源管理模块通信，实现网络拓扑的管理及计算资源的查询，同时用于启动各子系统计算模块，通过与耦合控制模块通信，告知各子系统计算模块的运行状态；同时为故障诊断和恢复提供基础；车辆动力学计算模块，用于车辆动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；线路动力学计算模块，用于线路动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；弓网动力学计算模块，用于弓网动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；牵引供电计算模块，用于牵引供电子系统单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算； 空气动力学计算模块，用于列车空气动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算； 所述前台人机交互界面部分包括 主控模块，用于各种仿真流程的建立和仿真数据的管理，具体包括负责整个系统的数据分发与管理；负责数据的有效性检查；负责专业计算模型库、计算结果分类库的管理；负责耦合仿真模型的组织；负责仿真工况的配置和计算工况库的管理；负责系统需要数据的初始化，各个模型库的初始化，各个数据结构的定义和初始化； 前处理模块，用于建立各耦合仿真子系统的前处理模型，将各子系统的实际物理模型映射为仿真模型，从而建立各子系统仿真所需的前处理输入模型，包括高速列车动力学前处理子模块、线路动力学前处理子模块、弓网动力学前处理子模块、列车空气动力学前处理子模块和牵引供电及传动仿真前处理子模块； 计算资源管理模块，用于获取执行机代理模块返回的信息，监控网络内可用的计算资源及各计算资源的使用情况，实施异构异操作系统计算资源的统一管理，为计算任务的调度提供依据，同时提供网络拓扑信息及硬件故障辅助诊断功能；计算监控模块，用于对计算过程进行实时可视监控，对异常情况进行提示或警报，使计算过程透明化； 后处理模块，用于对仿真结果进行数据处理分析，得到性能时程曲线或演变规律，包括通用二维数据后处理子模块、三维运行模拟子模块及专业后处理子模块； 系统管理模块，用于对整个平台进行运行维护和管理，如用户管理、角色管理、权限管理； 所述前台人机交互界面部分的主控模块，是用户使用平台的进入界面，集成了前处理模块、后处理模块、计算资源管理模块、计算监控模块及系统管理维护模块的入口，包括下列菜单项 项目菜单项，用于项目创建及管理相关的操作，包括新建项目、项目库管理和退出子菜 单项，其中新建项目子菜单项用于新建一个项目，项目库管理子菜单项用于项目库的查询、修改、删除，退出子菜单项用于退出程序； 计算模型菜单项，用于计算模型创建及管理相关的操作，包括子系统前处理建模、初始模型库管理和部件模型库管理三个子菜单项，其中子系统前处理建模子菜单项是前处理模块的入口，用于进入车辆动力学、线路动力学、弓网动力学、牵引供电、空气动力学子系统的仿真前处理建模界面，初始模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、空气动力学子系统的仿真模型，部件模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、弓网、牵引供电子系统的仿真模型，利用部件模型库中的模型部分可替换初始模型库中的模型的相应部分，在初始模型库和部件模型库中，列车子系统的部件包括轮对踏面、刚性车体和构架、各阶模态的弹性车体和构架，线路子系统的部件包括线路轨下结构、钢轨参数、钢轨踏面和轨道不平顺，弓网子系统的部件包括受电弓、接触网，牵引供电子系统的部件包括供电设施； 计算工况菜单项，用于计算工况的配置及计算工况库的管理，包括新建/打开工况、新建/打开本地工况、计算工况库管理子菜单项，其中新建/打开工况子菜单项用于从模型数据库中选择子系统仿真模型来组织耦合仿真计算工况，新建/打开本地工况子菜单项用于从用户本机文件夹中选择配置好的子系统仿真模型来组织耦合仿真计算工况，计算工况库管理用于修改、删除、查询已配置完成或已提交的各种计算工况； 耦合计算菜单项，用于将用户配置好的计算工况提交到后台进行耦合仿真及对耦合计算相关的信息进行查询和控制，包括启动耦合计算、计算资源管理、计算过程监控三个子菜单项，其中启动耦合计算子菜单项用于将用户配置好的计算工况提交到后台进行耦合仿真，计算资源管理子菜单项是计算资源管理模块的入口，用于查看和管理计算资源，计算过程监控子菜单项是计算过程监控模块的入口，用于监控用户提交的所有计算工况，对异常情况进行告警； 计算结果菜单项，用于各子系统仿真计算结果的处理分析及结果库的管理，包括子系统后处理和结果库管理子菜单项，其中子系统后处理子菜单项是后处理模块的入口，用于车辆动力学、线路动力学、弓网动力学、牵引供电、空气动力学子系统的仿真结果处理分析，包括通用二维数据后处理、三维运行模拟及流场分析等专业后处理功能，结果库管理子菜单项用于各子系统仿真结果的查看、下载和删除等； 系统维护和管理菜单项，是系统管理模块的入口，用于平台的维护和管理；帮助菜单项，用于显示系统相关信息。
所述前台人机交互界面部分的主控模块计算工况菜单项中新建/打开工况界面，包括以下按钮 车辆模型名称文本框右侧选择按钮，用于从初始模型库或工况模型库中选择车辆/列车仿真模型； 线路模型名称文本框右侧选择按钮，用于从初始模型库或工况模型库中选择线路仿真模型； 弓网模型名称文本框右侧选择按钮，用于从部件模型库或工况模型库中选择受电弓和接触网仿真模型； 牵供模型名称文本框右侧选择按钮，用于从部件模型库或工况模型库中选择供电仿真模型； 流固模型名称文本框右侧选择按钮，用于从初始模型库或工况模型库中选择列车空气动力学仿真模型； 仿真设置按钮，用于设置仿真时间、各子系统仿真步长、输出步长，对于车辆子系统，还可设置列车运行速度； 保存工况按钮，用于保存用户配置的仿真计算工况数据，必须在仿真工况的有效性检 查通过后方可成功保存，否则会提示无法通过的检查项信息； 耦合计算按钮，用于提交用户刚配置好且可以成功保存的计算工况，进行后台的耦合计算; 退出按钮，用于退出计算工况编辑界面。
全文摘要
本发明公开了一种高速列车大系统耦合动力学仿真平台。该平台采用基于C/S模式的分布式仿真体系，包括前台人机交互界面部分和后台基于分布式的核心计算部分。后台基于分布式的核心计算模块包括任务调度模块、耦合控制模块、执行机代理模块、车辆动力学计算模块、线路动力学计算模块、弓网动力学计算模块、牵引供电计算模块、空气动力学计算模块。前台人机交互界面部分包括主控模块、前处理模块、计算资源管理模块、计算监控模块、后处理模块和系统管理模块。本发明可支持多工况同时进行高速列车大系统耦合动力学仿真，对计算过程进行实时监控，可扩展性良好，支持异构异操作系统。为高速列车与线路、接触网、供电系统耦合仿真及运行模拟和高速列车与其他子系统的耦合关系研究及其性能评估提供了良好的平台。
文档编号G06F17/50GK102880759SQ20121037523
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者张卫华, 丁国富, 邹益胜, 黄海于 申请人:西南交通大学