专利名称：一种列车运动仿真系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及城轨列车技术领域，尤其涉及一种列车运动仿真系统。
背景技术：
近年来，随着无线通信技术和安全计算机技术发展的支撑，城轨信号系统朝着更加综合化、更加高效和更自动化的方向发展。为保障城轨信号系统的研发和改进，一个能运行在通用计算机上的纯软件、精确程度和性能能够接近实用水平的列车运行及控制模型不仅是基础同时也是推动力，它使得ATS、ATO、ATP等子系统的功能开发更加快捷和方便。城轨列车的运行环境相当复杂，列车在运行过程中的受力情况如图1所示，除了受到电机的牵引力和制动力外，还受到其他因素的影响，如列车运动过程中迎面的空气阻力，列车车轨与轨道之间的摩擦力，轮轴之间的滑动摩擦阻力，线路坡度导致的列车自身重力以及列车牵引系统、制动系统对控制命令的响应延迟等。目前，列车运动仿真系统中所使用的列车运动模型都较为简单，仅仅从电机的牵引力和滑橇的摩擦制动力的角度考虑了列车的运动特性，而没有从列车内部因素本身出发寻找影响列车运动特性的原因，因此无法满足工程化应用的要求。此外，目前列车运动仿真系统所使用的列车运动模型多为单一的物理运动模型，因此，系统仅仅是模拟仿真出列车的运动状态和轨迹，不涉及列车控制策略和控制目标要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种列车运动仿真系统，用以解决现有的仿真系统所使用的模型简单，仅从列车电机的牵引力和滑橇的摩擦制动力，而没从列车内部因素的角度考虑列车运动特性，从而无法满足工程化应用要求的问题。技术方案如下:一种列车运动仿真系统，包括:数据库模块、配置界面模块和仿真模块；所述数据库模块包括:模型库和参数库；所述模型库包括:制动系统模型、牵引系统模型、基本阻力系统模型、线路系统模型和运动学物理模型；所述参数库包括:制动系统模型、牵引系统模型、基本阻力系统模型、线路系统模型和运动学物理模型所需要的输入参数；所述配置界面模块，用于通过界面接受用户从所述模型库中选择模型；还用于通过界面接受用户从所述参数库中选择模型所需要的输入参数；所述仿真模块包括:制动系统仿真模快、牵引系统仿真模块、基本阻力系统仿真模块、线路系统仿真模块和运动学物理仿真模块；所述制动系统仿真模块，用于根据所述制动系统模型、所述制动系统模型的输入参数和制动系统的特性曲线对列车制动系统的制动力输出特性进行仿真模拟；所述牵引系统仿真模块，用于根据所述牵引系统模型、所述牵引系统模型的输入参数和牵引电机的特性曲线对列车牵引系统的牵引力输出特性进行仿真模拟；
所述基本阻力系统仿真模块，用于根据所述基本阻力系统模型、所述基本阻力系统模型的输入参数仿真模拟出列车在运动过程的基本阻力，并输出基本阻力的大小信息；所述线路系统仿真模块，用于根据所述线路系统模型、所述线路系统模型的输入参数和线路的基本信息仿真模拟列车运行过程中的线路状况信息，并计算出当前位置坡道加算千分数；所述运动学物理仿真模块，用于综合制动系统仿真模块输出的制动力、牵引系统仿真模块输出的牵引力、基本阻力系统仿真模块输出的基本阻力以及线路系统仿真模块输出的线路状况信息，根据运动物理学模型仿真模拟出列车的加速度输出特性，并根据加速度获取列车的速度和位置信息；所述基本阻力系统模型的输入参数还包括所述运动学物理仿真模块反馈的列车速度；所述线路系统模型的输入参数还包括所述运动学物理仿真模块反馈的列车位置。所述制动系统仿真模块包括电制动系统仿真模块和/或机械制动系统仿真模块，所述制动系统仿真模型包括电制动系统模型和/或机械制动系统模型，所述制动系统仿真模块输出的制动力包括电制动力和/或机械制动力；所述电制动系统模型的输入参数为列车速度、励磁电流、黏着系数、制动电流、制动电阻和电机个数，所述制动系统的特性曲线为电制动特性曲线，所述电电制动系统仿真模块输出电制动力；所述机械制动系统模型的输入参数为黏着系数、闸瓦压力和摩擦系数，所述制动系统的特性曲线为空气制动特性曲线，所述机械制动系统仿真模块输出机械制动力。所述牵引系统模型的输入参数为黏着系数、牵引电流、电机转矩常数、动轮直径、电机个数、磁通量、牵引电机效率和齿轮传动效率。所述线路系统仿真模块包括:坡度阻力仿真模块、曲线阻力仿真模块和/或隧道阻力仿真模块；所述线路系统模型包括:坡度阻力模型、曲线阻力模型和/或隧道阻力模型；所述坡度阻力仿真模块根据坡度阻力模型输出单位坡道阻力，所述曲线阻力仿真模块根据曲线阻力模型输出单位曲线阻力，所述隧道阻力仿真模块根据隧道阻力模型输出单位隧道阻力；所述线路系统仿真模块根据坡度阻力模型、曲线阻力模型和/或隧道阻力模型输出单位加算坡道阻力，所述单位加算坡道阻力为单位坡道阻力、单位曲线阻力、单位隧道阻力中的任意一个或任意组合的和。所述基本阻力系统仿真模块的输入参数为列车的速度和列车换算质量，所述基本阻力仿真模块根据所述列车的速度、列车换算质量和基本阻力系统模型输出基本阻力。所述数据库的模型库中还包括运行控制器模型，所述数据库的参数库中还包括所述运行控制器模型的输入参数；所述仿真模块还包括运行控制器仿真模块、逻辑处理模块；所述运行控制器仿真模块的输出信息经过逻辑处理模块处理后送入制动系统仿真模块和牵引系统仿真模块，控制制动力和牵引力的大小；所述运行控制器仿真模块，用于根据所述运行控制器模型、所述运行控制器模型的输入参数、列车控制要求和所述运动学物理仿真模块反馈的列车的速度和位置信息仿真模拟出控制器控制列车运行的控制信号输出，控制列车的运行状态和运行轨迹。所述列车的控制要求包括:安全性要求、舒适度要求、准时性要求和停车准确性要求。本发明提供的列车运动仿真系统中所使用的模型包括了牵引系统模型、制动系统模型、基本阻力系统模型、线路系统模型、运动学物理模型，由于这些模型对影响列车运动状态的内部和外部因素进行了透彻分析，因此使得牵引系统仿真模块、制动系统仿真模块、运动物理学仿真模块、基本阻力系统仿真模块、线路系统仿真模块以及运动学物理仿真模块根据相应模型仿真出的结果更加接近真实的列车状态，更加接近工程化应用的要求。此夕卜，该系统中还增加了列车控制器模型并增加了相应的列车控制器仿真模块，实现对控制器控制列车的仿真模拟，这使得该系统对列车运行的仿真模拟更加的接近真实列车状态，更加智能，更加接近工程化应用的要求。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例一提供的列车在运行过程中的受力情况示意图；图2为本发明实施例一提供的列车运动仿真系统的仿真模块示意图；图3为本发明实施例一提供的列车运动仿真系统的电制动系统模型示意图；图4为本发明实施例一提供的列车运动仿真系统的机械制动系统模型示意图；图5为本发明实施例一提供的列车运动仿真系统的牵引系统模型示意图；图6为本发明实施例一提供的列车运动仿真系统的基本阻力系统模型示意图；图7为本发明实施例一提供的列车运动仿真系统的运动学物理模型示意图；图8为本发明实施例二提供的列车运动仿真系统的仿真模块示意图；图9为本发明实施例二提供的列车运行控制模式示意图；图10为本发明实施例二提供的列车最短时间运行控制模式示意图。
具体实施例方式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，所描述的实施例仅仅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。实施例一本发明实施例一提供了一种列车运动仿真系统，该系统包括:数据库模块、配置界面模块和仿真模块；数据库模块包括:模型库和参数库，模型库包括:制动系统模型、牵引系统模型、基本阻力系统模型、线路系统模型和运动学物理模型；参数库包括:制动系统模型、牵引系统模型、基本阻力系统模型、线路系统模型和运动学物理模型所需要的输入参数；配置界面模块，用于接受用户从所述数据库的模型库中选择模型，还用于接受用户从所述数据库的参数库中选择模型所需要的输入参数；如图2所述，仿真模块包括:制动系统仿真模块11、牵引系统仿真模块12、基本阻力系统仿真模块13、线路系统仿真模块14和运动学物理仿真模块15。制动系统仿真模块11、牵引系统仿真模块12、基本阻力系统仿真模块13、线路系统仿真模块14和运动学物理仿真模块15，各个模块之间相互作用，通过物理运动学原理和列车牵弓I计算基础结合在一起。制动系统仿真模块11，用于根据制动系统模型、制动系统模型的输入参数和制动系统特性曲线对列车制动系统的制动力输出特性进行仿真模拟。列车的制动系统所产生的力王要来自电机广生的电制动力和制动系统的机械制动力，列车在制动过程中，电制动力和机械制动力会同时存在或其中一种力单独存在，这取决于列车的制动策略。因此，制动系统仿真模块11包括电制动系统仿真模块和/或机械制动系统仿真模块，相应地，制动系统模型包括电制动系统模型和/或机械制动系统模型；电制动系统仿真模块根据电制动系统模型、电制动系统模型的输入参数和电制动特性曲线输出电制动力；机械制动系统仿真模块根据机械制动系统模型、机械制动系统模型的输入参数和空气制动特性曲线输出机械制动力。本发明实施例采用空电联合制动，即电制动和机械制动同时存在，列车在高速制动情况下先由电制动系统提供电制动力，机械制动作为辅助补充，当列车速度降低到一定程度，电制动系统失效后，机械制动及时补充取代电制动，从而完整制动过程，在这个制动过程中，两种制动方式相互补充。电制动力主要是由列车牵引电机转子在高速磁场中运动产生的电磁力。目前，电制动的类型有多种，包括电阻制动、再生制动等，因此，电制动力的影响因素很多，包括电机特性、电网电压、列车速度、电制动类型，本实施例以电阻制动方式建立电制动模型，考虑到以上影响因素，电制动模型如图3所示。列车的电制动力的计算式为:
`
从上式可知，影响电制动力的因素包括冽车速度V(t)、励磁电流I制动电流Iz、制动电阻Rd、常数参数a和电机个数n，这些参数作为电制动系统模型的输入参数。在本实施例中，当列车速度V (t) > 6km/h时，有电制动。机械制动力主要是列车刹车片和列车刹车盘之间粘着系数μ z的摩擦产生的摩擦力。列车通过调节制动缸的空气压力推动制动连轴运动，进而控制制动闸瓦和列车刹车盘之间的压力，以达到控制调节机械制动力大小的目标。影响列车机械制动力的因素包括列车闸瓦的材料、机械制动特性、制动缸的特性，闸瓦压力、列车制动初始速度等，综合以上因素，机械制动模型如图3所示。图4中的机械制动模型的影响因素包括:空气制动特性曲线KT (t)、粘着系数μ z、闸瓦压力K、摩擦系统δ。列车的机械制动力的计算式为:Faz = K* δK的计算式为:K = K 順Λ
4*106δ的计算式为:
权利要求
1.一种列车运动仿真系统，其特征在于，包括:数据库模块、配置界面模块和仿真模块； 所述数据库模块包括:模型库和参数库； 所述模型库包括:制动系统模型、牵引系统模型、基本阻力系统模型、线路系统模型和运动学物理模型； 所述参数库包括:制动系统模型、牵引系统模型、基本阻力系统模型、线路系统模型和运动学物理模型所需要的输入参数； 所述配置界面模块，用于通过界面接受用户从所述模型库中选择模型；还用于通过界面接受用户从所述参数库中选择模型所需要的输入参数； 所述仿真模块包括:制动系统仿真模块、牵引系统仿真模块、基本阻力系统仿真模块、线路系统仿真模块和运动学物理仿真模块； 所述制动系统仿真模块，用于根据所述制动系统模型、所述制动系统模型的输入参数和制动系统的特性曲线对列车制动系统的制动力输出特性进行仿真模拟； 所述牵引系统仿真模块，用于根据所述牵引系统模型、所述牵引系统模型的输入参数和牵引电机的特性曲线对列车牵引系统的牵引力输出特性进行仿真模拟； 所述基本阻力系统仿真模块，用于根据所述基本阻力系统模型、所述基本阻力系统模型的输入参数仿真模拟出列车在运动过程的基本阻力，并输出基本阻力的大小信息； 所述线路系统仿真模块，用于根据所述线路系统模型、所述线路系统模型的输入参数和线路的基本信息仿真模拟列车运行过程中的线路状况信息，并计算出当前位置坡道加算千分数； 所述运动学物理仿真模块，用于综合制动系统仿真模块输出的制动力、牵引系统仿真模块输出的牵引力、基本阻力系统仿真模块输出的基本阻力以及线路系统仿真模块输出的线路状况信息，根据运动物理学模型仿真模拟出列车的加速度输出特性，并根据加速度获取列车的速度和位置； 所述基本阻力系统模型的输入参数还包括所述运动学物理仿真模块反馈的列车速度； 所述线路系统模型的输入参数还包括所述运动学物理仿真模块反馈的列车位置。
2.根据权利要求1所述的列车运动仿真系统，其特征在于，所述制动系统仿真模块包括电制动系统仿真模块和/或机械制动系统仿真模块，所述制动系统模型包括电制动系统模型和/或机械制动系统模型，所述制动系统仿真模块输出的制动力包括电制动力和/或机械制动力； 所述电制动系统模型的输入参数为列车速度、励磁电流、黏着系数、制动电流、制动电阻和电机个数，所述制动系统的特性曲线为电制动特性曲线，所述电制动系统仿真模块输出电制动力； 所述机械制动系统模型的输入参数为黏着系数、闸瓦压力和摩擦系数，所述制动系统的特性曲线为空气制动特性曲线，所述机械制动系统仿真模块输出机械制动力。
3.根据权利要求2所述的列车运动仿真系统，其特征在于，所述牵引系统模型的输入参数为牵引电流、电机转矩常数、动轮直径、电机个数、磁通量、牵引电机效率和齿轮传动效率。
4.根据权利要求3所述的列车运动仿真系统，其特征在于，所述线路系统仿真模块包括:坡度阻力仿真模块、曲线阻力仿真模块和/或隧道阻力仿真模块；所述线路系统模型包括:坡度阻力模型、曲线阻力模型和/或隧道阻力模型； 所述坡度阻力仿真模块根据坡度阻力模型输出单位坡道阻力，所述曲线阻力仿真模块根据曲线阻力模型输出单位曲线阻力，所述隧道阻力仿真模块根据隧道阻力模型输出单位隧道阻力； 所述线路系统仿真模块根据坡度阻力模型、曲线阻力模型和/或隧道阻力模型输出单位加算坡道阻力，所述单位加算坡道阻力为单位坡道阻力、单位曲线阻力、单位隧道阻力中的任意一个或任意组合的和。
5.根据权利要求4所述的列车运动仿真系统，其特征在于，所述基本阻力系统模型的输入参数为列车的速度和列车换算质量，所述基本阻力仿真模块根据所述列车的速度、列车换算质量和基本阻力系统模型输出基本阻力。
6.根据权利要求5所述的列车运动仿真系统，其特征在于，所述数据库的模型库中还包括运行控制器模型，所述数据库的参数库中还包括所述运行控制器模型的输入参数；所述仿真模块还包括运行控制器仿真模块、逻辑处理模块； 所述运行控制器仿真模块的输出信息经过逻辑处理模块处理后送入制动系统仿真模块和牵弓I系统仿真模块，控制制动力和牵弓I力的大小； 所述运行控制器仿真模块，用于根据所述运行控制器模型、所述运行控制器模型的输入参数、列车控制要求和所述运动学物理仿真模块反馈的列车的速度和位置信息仿真模拟出控制器控制列车运行的控制信号输出，控制列车的运行状态和运行轨迹。
7.根据权利要求6所述的列车运动仿真系统，其特征在于，所述列车的控制要求包括:安全性要求、舒适度要求、准时性要求和停车准确性要求。
全文摘要
本发明提供了一种列车运动仿真系统，该系统所使用的模型包括牵引系统模型、制动系统模型、基本阻力系统模型、线路系统模型和运动学物理模型，由于这些模型对影响列车运动状态的内部和外部因素进行了透彻分析，因此使得牵引系统仿真模块、制动系统仿真模块、运动物理学仿真模块、基本阻力系统仿真模块、线路系统仿真模块以及运动学物理仿真模块根据相应的仿真模型仿真出的结果更加接近真实的列车状态，更加接近工程化应用的要求。此外，该系统中还增加了列车控制器模型并增加了相应的列车控制器仿真模块，实现对控制器控制列车的仿真模拟，这使得该系统对列车运行的仿真模拟更加的接近真实列车状态，更加智能，更加接近工程化应用的要求。
文档编号G05B17/02GK103105779SQ201110353780
公开日2013年5月15日 申请日期2011年11月9日 优先权日2011年11月9日
发明者刘亮, 黎邓根 申请人:北京南车时代信息技术有限公司