一种列车外形相似度的计算方法

1.本发明主要涉及列车外形特征研究技术领域，尤其涉及一种列车外形相似度的计算方法。


背景技术：

2.在产品外形特征研究中，现有的外形相似度量化方法主要从产品各项特征参数出发，量化产品在迭代过程中各外形特征的相关程度，并辅助提取高相关性外形特征，以指导迭代过程中新产品的外形设计。其中，主要计算模型即皮尔森相关系数计算模型，用于衡量两个变量的线性相关程度，其计算式为：
[0003][0004]
其中，r是x、y两个变量之间的相关系数，为其设定一个阈值[r],当计算模型中的r值[-1,1]超过该阈值时，则认为两个变量呈线性相关，r取值为负则两个变量呈负相关，反之呈正相关，r绝对值越高，相关性越强。
[0005]
但由于高速列车不同于一般产品，在设计和迭代过程中必须考虑空气动力学等性能问题，其变形区域尺寸随运营速度的提升不断增加，且跨度大。将不同量级的产品参数代入上述计算式所得到的结果不能正确反应其相关程度。因此亟需改进计算方法以适用于高速列车。


技术实现要素：

[0006]
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种列车外形相似度的计算方法。
[0007]
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0008]
一种列车外形相似度的计算方法，包括如下步骤：
[0009]
s1，在统一的空间直角坐标系对各对比列车进行建模；其中，列车模型流线型长度ls方向与x轴方向一致，列车模型的流线型结束位置位于坐标x＝0处、鼻尖朝向x轴正方向，且x轴与列车模型的对称面重合；列车模型的高度方向与z轴方向一致，且轨面位于坐标z＝0处、车顶朝向z轴正方向；
[0010]
s2，对各对比列车模型的表面点坐标参数进行无量纲化处理；
[0011]
s3，采集各对比列车模型的形面特征点的坐标参数；
[0012]
s4，根据形面特征点的坐标参数计算相似系数r。
[0013]
作为上述技术方案的进一步改进：
[0014]
在所述步骤s2中，采用以下公式对各对比列车模型的表面点坐标参数进行无量纲化处理：
[0015][0016][0017][0018]
其中，为无量纲化后的坐标值，x、y、z分别为列车表面点原始坐标参数，ls为列车流线型长度，ws为整车宽度，hs为整车高度。
[0019]
在所述步骤s3中，包括以下步骤：
[0020]
s31，确定各对比列车模型的共有形面特征点；
[0021]
s32，获取所述共有形面特征点的坐标参数。
[0022]
在所述步骤s31中，包括以下步骤：
[0023]
s311，从列车模型的流线型结束位置起，沿x轴的正向，以k个相距ls/k且与x轴垂直的平面截取k条列车模型的x向外形相贯线l
x
；
[0024]
s312，从列车模型的对称面起，沿y轴的正向或负向，以m个相距ws/2m且与y轴垂直的平面截取m条列车模型的y向外形相贯线ly；
[0025]
s313，从列车模型的轨面起，沿z轴的正向，以n个相距hs/n且与z轴垂直的平面截取n条列车模型的z向外形相贯线lz；
[0026]
s314，将各列车模型的x向外形相贯线l
x
与其y向外形相贯线ly的交点，以及x向外形相贯线l
x
与其z向外形相贯线lz的交点记录为特征点，并按预设规则依次编号；
[0027]
s315，将各对比列车模型共有编号的所述特征点标确定为所述共有形面特征点。
[0028]
在所述步骤s4中，还包括以下步骤：
[0029]
s41，对各列车模型相同编号的特征点按以下公式计算相似系数r：
[0030][0031][0032][0033][0034]
其中，r为相似系数，为坐标节点i在x、y和z三个坐标方向中总体相关系数乘积的绝对值，取值范围是[0,1]；和分别为各特征点的无量纲坐标参数；x
*
、y
*
和z
*
分别为特征点在x、y和z坐标方向上的取值；和分别为各特征点在x、y和z坐标方向上取值的平均值。
[0035]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0036]
通过设置步骤s1，将所有参与对比的列车以统一标准进行建模，以避免因坐标系存在差异导致无法进行准确比较的情况。因为各车型的尺寸并不完全统一，针对不同车型尺寸跨度大带来的表面点绝对坐标值不具可比性的问题，通过设置步骤s2，对列车表面点坐标参数进行无量纲化，将其绝对坐标值变为相对坐标值，使得大尺寸车型中的各个特征点均能在小尺寸车型中映射到对应特征点，并且其相对坐标值可代入计算模型计算相关性。又通过设置步骤s3和步骤s4，针对原相关系数计算模型仅能比较两个变量的问题，通过新的取点方式，得到各组对应特征点的坐标值仅在有效方向浮动，使计算模型可以一次性代入三个变量进行计算，但计算结果仍具数学意义，即计算式中必定有一部分单项计算式运算结果为1，使实际计算式等同于比较两个未被抵消的变量的相关性，最终获得能够反映相似程度的相似系数r。与现有技术相比，本发明的计算方法能够克服皮尔森相关系数计算模型的局限性，以适用于对高速列车的计算。
附图说明
[0037]
图1是建模用空间直角坐标系的x轴、y轴和z轴的方向示意图；
[0038]
图2是相贯线的标记示意图；
[0039]
图3是整车形面特征点分布示意图；
[0040]
图4是列车模型形面特征点权重划分以及外形相似度量化示意图。
具体实施方式
[0041]
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0042]
如图1至图4所示，一种列车外形相似度的计算方法，包括如下步骤：
[0043]
步骤s1，在统一的空间直角坐标系对各对比列车进行建模；其中，列车模型流线型长度ls方向与x轴方向一致，列车模型的流线型结束位置位于坐标x＝0处、鼻尖朝向x轴正方向，且x轴与列车模型的对称面重合；列车模型的高度方向与z轴方向一致，且轨面位于坐标z＝0处、车顶朝向z轴正方向；
[0044]
步骤s2，对各对比列车模型的表面点坐标参数进行无量纲化处理；
[0045]
步骤s3，采集各对比列车模型的形面特征点的坐标参数；
[0046]
步骤s4，根据形面特征点的坐标参数计算相似系数r。
[0047]
通过设置步骤s1，将所有参与对比的列车以统一标准进行建模，以避免因坐标系存在差异导致无法进行准确比较的情况。因为各车型的尺寸并不完全统一，针对不同车型尺寸跨度大带来的表面点绝对坐标值不具可比性的问题，通过设置步骤s2，对列车表面点坐标参数进行无量纲化，将其绝对坐标值变为相对坐标值，使得大尺寸车型中的各个特征点均能在小尺寸车型中映射到对应特征点，并且其相对坐标值可代入计算模型计算相关性。又通过设置步骤s3和步骤s4，针对原相关系数计算模型仅能比较两个变量的问题，通过新的取点方式，得到各组对应特征点的坐标值仅在有效方向浮动，使计算模型可以一次性代入三个变量进行计算，但计算结果仍具数学意义，即计算式中必定有一部分单项计算式运算结果为1，使实际计算式等同于比较两个未被抵消的变量的相关性，最终获得能够反映相似程度的相似系数r。与现有技术相比，本发明的计算方法能够克服皮尔森相关系数计算
模型的局限性，以适用于对高速列车的计算。
[0048]
本实施例中，在所述步骤s2中，采用以下公式对各对比列车模型的表面点坐标参数进行无量纲化处理：
[0049][0050][0051][0052]
其中，为无量纲化后的坐标值，x、y、z分别为列车表面点原始坐标参数，ls为列车流线型长度，ws为整车宽度，hs为整车高度。
[0053]
无量纲化后，列车模型所有形面参数均由绝对值变成相对值，不同车型之间不受流线型区域尺寸跨度的影响，可进行外形参数相关程度的比较。
[0054]
本实施例中，在所述步骤s3中，包括以下步骤：
[0055]
步骤s31，确定各对比列车模型的共有形面特征点；
[0056]
步骤s32，获取所述共有形面特征点的坐标参数。
[0057]
由于不同车型对应外形相贯线交点数量或存在不一致的情况，为保证计算可行性，仅保留在全部对比车型中均出现的特征点，即为共有形面特征点，使不同车型上的特征点能够成组匹配。
[0058]
本实施例中，在所述步骤s31中，包括以下步骤：
[0059]
步骤s311，从列车模型的流线型结束位置起，沿x轴的正向，以k个相距ls/k且与x轴垂直的平面截取k条列车模型的x向外形相贯线l
x
；
[0060]
步骤s312，从列车模型的对称面起，沿y轴的正向或负向，以m个相距ws/2m且与y轴垂直的平面截取m条列车模型的y向外形相贯线ly；
[0061]
步骤s313，从列车模型的轨面起，沿z轴的正向，以n个相距hs/n且与z轴垂直的平面截取n条列车模型的z向外形相贯线lz；
[0062]
步骤s314，将各列车模型的x向外形相贯线l
x
与其y向外形相贯线ly的交点，以及x向外形相贯线l
x
与其z向外形相贯线lz的交点记录为特征点，并按预设规则依次编号；
[0063]
步骤s315，将各对比列车模型共有编号的所述特征点标确定为所述共有形面特征点。
[0064]
在选取特征点时，从x轴、y轴和z轴三个维度分别等分模型，从而能够保证特征点均匀分布，以能够更好地体现列车模型的外形特征。又因为各列车模型的外形存在差异，必须选取各模型共有的特征点才能最真实地反映出外形的变化趋势，因此以预设的规则对各列车模型上的特征点进行编号，并挑选出各列车模型共有的特征点进行分析比对。
[0065]
为了帮助理解步骤s31，现以新干线e2 series车型进行展示：
[0066]
如图2左侧模型所示，沿x轴的正向将列车流线型长度ls均分为11等分，得到11条x向外形相贯线l
x
(x＝a,b,
…
,k)；如图2右侧模型所示，在列车正视图中，沿y轴的正向绘制竖向5等分线、沿z轴的正向绘制横向11等分线，形成长宽等分线网格。且沿y轴正向绘制的5等分线的上侧从左至右依次标记为白色1至5，下侧从右至左依次标记为白色5至9；沿z轴正
向绘制的11等分线，除去最顶端和最底端的两根后从上至下依次标记为灰色1至9。将各等分线沿x轴进行投影，以形成列车模型的y向外形相贯线ly和z向外形相贯线lz，如图3所示，各相贯线交织成网格，各交点在三维坐标中标记于列车模型表面，形成整车形面特征点分布图。为了更为清楚地展示编号方法，以x向外形相贯线lk为例，lk分别与横向等分线灰色6、灰色7、灰色8和灰色9相交，依次得到节点灰色k-6、灰色k-7、灰色k-8和灰色k-9。同时，lk与对称面相交一次，标记节点为上侧标号，即白色k-1；与沿y轴正向的第二条竖向等分线相交两次，上侧记为白色k-2，下侧记为白色k-8，依次标记得到白色k-3和白色k-7，共9个节点，即为x向外形相贯线lk上的9个特征点。
[0067]
以相同方式标记各列车模型，并找到共有编号的特征点，即为共有形面特征点。
[0068]
本实施例中，在所述步骤s4中，还包括以下步骤：
[0069]
步骤s41，对各列车模型相同编号的特征点按以下公式计算相似系数r：
[0070][0071][0072][0073][0074]
其中，r为相似系数，为坐标节点i在x、y和z三个坐标方向中总体相关系数乘积的绝对值，取值范围是[0,1]；和分别为各特征点的无量纲坐标参数；x
*
、y
*
和z
*
分别为特征点在x、y和z坐标方向上的取值；和分别为各特征点在x、y和z坐标方向上取值的平均值。
[0075]
当时，当时，x
*
＝1；当时，当时，y
*
＝1；当时，当时，z
*
＝1，该计算模型可排除计算过程中单项式置0使r值随之置0的情况。
[0076]
优选地，设置关于相似系数r的阈值以反映各列车模型间的相似程度。其中，0.8≤r＜1为高度相关；0.6≤r＜0.8为中高度相关；0.4≤r＜0.6为中度相关；0.2≤r＜0.4为中低度相关；0＜r＜0.2为不相关。
[0077]
以新干线e2 series车型为例，如图4所示，仅前脸、侧墙中下部、侧墙后缘出现三组特征点为高度相关(0.8≤r＜1)，无明显特征点聚集区域；前脸后段、前脸与侧墙转折处出现零星聚集区域，该部分区域呈中高度相似(0.6≤r＜0.8)；前脸司机室段和后段、侧墙、前脸和侧墙转折处司机室段、以及侧墙走形部段出现大量聚集区域，该部分区域呈中高度相似(0.4≤r＜0.6)；鼻端、前脸、前脸司机室段、侧墙转折处司机室段出现少量特征点聚集区域，该部分区域呈中低度相似(0.2≤r＜0.4)。
[0078]
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。