CN102880758B - 高速列车系统动力学耦合仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速列车系统动力学耦合仿真方法，在基于接口的多设备参数、多领域间的相互作用关系及控制参数的环境中实现协同仿真基于仿真步长级的多向耦合控制，采用如下的手段，协调仿真步长不一致的各子系统实现耦合控制仿真。本发明全面考虑列车动力学、弓网动力学、空气动力学、车-线耦合动力学，车辆-空气耦合动力学等相关领域的影响，实现高速列车-线路-弓网-气动-牵引供电等领域间基于积分步长级的耦合计算，充分考虑高速列车与轨道线路、接触网、气流等周边环境的相互影响。

Description

高速列车系统动力学耦合仿真方法

技术领域

本发明涉及仿真控制，尤其是多变量子系统实现耦合控制仿真技术领域。

背景技术

在高速运行环境下，高速列车的运行安全性是需要关注的主要目标之一，而这又取决于高速列车动力学决定的高速列车性能本身。高速列车运行环境复杂，动力学性能受到轨道线路、接触网、周边气流等的复杂耦合作用影响。然而在现有的高速铁路研究体系中，研究者们主要开展单子系统或局部耦合的仿真研究，单子系统的研究如高速列车动力学、高速弓网动力学、高速列车空气动力学等，对于高速列车耦合系统的研究多是基于两个系统的，比较典型的有高速列车和轨道线路(含桥梁)之间的车-线(桥)耦合动力学，高速列车与周边流场间的流固耦合动力学，这些研究都只部分考虑了高速列车运行性能相关的影响因素，不能全面反映高速列车的运行品质。因此，为全面反映高速列车的运行品质，必须把高速列车与高速铁路其他相关子系统耦合起来进行作为整体进行高速列车耦合系统动力学仿真研究。而目前没有成熟的商业软件可以进行高速列车系统动力学的仿真计算研究，因此必须构建一种考虑多子系统相互作用的、且适合于当前高速列车性能仿真研究的耦合系统动力学仿真计算方法。

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系统动力学耦合仿真方法，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。

高速列车系统动力学耦合仿真方法，在基于接口的多设备参数、多领域间的相互作用关系及控制参数的环境中实现协同仿真基于仿真步长级的多向耦合控制，采用如下的手段，协调仿真步长不一致的各子系统实现耦合控制仿真：

(1)根据子系统的仿真步长，将子系统划分为三层，第一层包括列车子系统、线路子系统和弓网子系统，该层的仿真步长记为S=5×10^-5s，耦合仿真控制步长记为SI1=5×10^-5s，第二层为空气动力学子系统，该层的耦合仿真控制步长记为SI2=1×10^-3s，第三层为牵引供电子系统，该层的耦合仿真控制步长记为SI3=1×10^-1s，并设置耦合仿真结束条件；

(2)为每个层次设置一个累积仿真步长，第一层累积仿真步长记为SA1，第二层累积仿真步长记为SA2，第三层累积仿真步长记为SA3，并初始化SA1=0，SA2=0，SA3=0；

(3)初始化各子系统间的耦合关系接口数据；

(4)加载各子系统仿真模型，初始化各子系统；

(5)各层累积仿真步长值增加第一层仿真步长值，并作如下判别：

1)如果第一层累积仿真步长值大于等于第一层耦合仿真控制步长值，即SA1>=SI1，则更新第一层子系统间的耦合关系接口数据，激活第一层子系统进行单步长仿真计算，否则仿真退出并告警(告警是因为第一层是最小计算单元，如果该层无法计算，说明程序存在异常)；

2)如果第二层累积仿真步长值大于等于第二层耦合仿真控制步长值，即SA2>=SI2，则更新第一和第二层子系统间的耦合关系接口数据，激活第二层子系统进行单步长仿真计算，否则跳到(7)，判别程序是否结束；

3)如果第三层累积仿真步长值大于等于第三层耦合仿真控制步长值，即SA3>=SI3，则更新第一、第二和第三层子系统间的耦合关系接口数据，激活第三层子系统进行单步长仿真计算，否则跳到(7)，判别程序是否结束；

(6)子系统被激活进行单步长仿真，各子系统被激活进行单步长仿真计算时，其计算流程相同，以列车子系统为例，其流程如下：

1)激活列车子系统仿真计算；

2)获取系统输入数据，系统输入数据是指该子系统上一次仿真计算结果中需要作为本次仿真的输入条件的数据，在第一步仿真计算时，系统输入数据为该子系统的初始化数据；

3)获取耦合输入数据，系统耦合数据是指有耦合关系的相关子系统作用于该子系统的数据，作为该子系统的边界输入条件，由有耦合关系的相关子系统在上一次仿真计算时生成，在第一步仿真计算时，耦合输入数据为相关子系统的耦合关系接口数据的初始化数据；

4)列车子系统单步长仿真计算，列车子系统利用给定的仿真步长、输入条件和边界条件，进行一次仿真计算，SA1的值增加列车子系统的仿真步长值；

5)输出系统单步仿真结果数据，该结果数据包含两部分内容：系统中间数据和系统分析数据，系统中间数据是指该子系统本次仿真计算结果中需要作为下一次仿真的输入条件的数据，系统分析数据是指该子系统本次仿真计算结果中用于后处理应用分析的数据；

6)生成耦合输出数据，耦合输出数据是作用于有耦合关系的相关子系统的数据，经耦合作用更新相关子系统间的耦合关系接口数据后，作为这些子系统的边界输入条件；

7)列车子系统计算等待，本次仿真计算完成后，列车子系统等待下一次仿真激活；

(7)判断是否满足仿真结束条件，如果满足条件，则仿真结束退出，否则，返回到第(5)步，继续仿真。

采用本发明方法，实现了高速列车各子系统间基于仿真步长级的多向耦合仿真，可以满足各子系统间关系复杂的耦合仿真应用需求。同时，本发明方法考虑了耦合计算稳定性及精确性保障措施，提高了耦合边界数据的精度，并最终提高整个协同仿真系统耦合计算的精度，将高速列车与周边环境作为一个整体进行研究，更准确地反映出高速列车运行时的动力学性能，提高了仿真研究的准确性。。

附图说明

图1耦合子系统在耦合器作用下的仿真流程图

图2多层次的耦合仿真步长控制系统描述图

图3分布式高速列车系统动力学耦合计算流程及仿真同步控制算法框图。

具体实施方式

下面，结合附图，对本发明的内容作进一步的详述。

在采用图3所示分布式高速列车系统动力学耦合计算流程及仿真同步控制中，耦合器(同图3中的中间件服务器)是联接各子系统实施耦合计算的关键。各子系统在耦合器的驱动下进行仿真的时空同步推进，通过求解高速列车系统动力学耦合关系模型，更新各子系统的仿真计算边界，驱动相关子系统间实施耦合作用，最终实现高速列车-线路-弓网-牵引供电-列车空气动力学子系统间基于积分步长级的耦合计算，达到对高速列车系统动力学进行计算机仿真的目标。

耦合器的基本功能包括：

1)耦合计算流程控制功能：可以控制高速列车各耦合计算子系统的启动、等待和停止；

2)耦合计算组织功能：可以按用户所提的全耦合或部分耦合计算需求自适应组织相应的计算模型进行耦合计算；

3)耦合计算协调功能：由于高速列车各耦合子系统计算步长不一，可以按一定策略(如多层次的仿真步长同步协调策略及基于虚拟时间轴的仿真时长同步协调策略等)对各计算子系统的仿真推进过程进行协调，实现耦合计算功能；

4)耦合边界数据处理功能：在设定的耦合点进行耦合计算时，可以对高速列车各子系统的边界数据进行处理，为各子系统提供本步计算所需的输入数据，同时采用边界缓和过渡算法、分类数据插值算法等，保障耦合计算的稳定性和精确性；

5)耦合数据通信功能：可以和各耦合子系统进行实时通信，及时接收将各耦合子系统输出的数据，并将处理好的耦合数据及时发送至各耦合子系统以更新其输入。

根据高速列车耦合系统动力学计算模型，在耦合器协调下的高速列车系统动力学仿真的一般流程为：

1)各子系统在一个积分步长内独立求解；

2)向耦合器发送与其他子系统相关的计算结果；

3)求解各子系统间耦合关系模型及耦合控制算法，并进行耦合数据处理；

4)耦合器向各系统发送耦合数据，更新各子系统的计算边界；

5)判断耦合系统计算终止条件；

6)如果满足条件，系统退出；否则，返回第1)步。

高速列车各耦合子系统的仿真计算流程是一致的，主要分为三个阶段：计算等待及数据准备、单步积分计算、计算结果输出，在耦合器的驱动下，三个阶段循环进行。高速列车各耦合子系统包括列车子系统、线路子系统、弓网子系统、空气动力学子系统、牵引供电子系统，下面以其中的任意两个子系统为例，阐述其在耦合器作用下实施耦合仿真的流程，不失一般性，这两个子系统分别命名为子系统1和子系统2，如图1所示。在耦合计算时各子系统的输入包含两个部分：一部分是从本子系统获得的数据，称为之子系统输入，比如从系统初始化获得的数据、从本子系统的上一步计算输出中获得的数据等；另一部分为从耦合器获得的来自其他有耦合关系的子系统数据，称之为耦合输入。只有在子系统输入和耦合输入都准备完成，子系统才能启动本步的积分计算。输出也包含两个部分：系统输出和耦合输出，其中系统输出是指本步计算完成的结果，部分结果可能为下一步计算做准备，其他结果用于监控或评价等，而耦合输出则是向耦合器输出，为与本子系统有耦合关系的子系统提供下一步的耦合输入数据。子系统的耦合输出(如子系统1和子系统2的耦合输出)，是耦合器的输入，是求解耦合关系模型的基础，而耦合关系模型的求解结果，是耦合器的输出，同时也是各耦合子系统的输入(如分别作为子系统1和子系统2的耦合输入)。正是耦合器通过协调组织，将需要的数据从各耦合子系统获取，然后求解耦合关系模型及耦合控制算法，并对相关数据进行处理后，再将所需结果传递到相应的子系统中，实现对系统耦合仿真的控制和推进。

在高速列车系统动力学耦合仿真中，各子系统的仿真步长不一致，如列车子系统的仿真步长为5×10^-5s，线路子系统的仿真步长为5×10^-5s，弓网子系统的仿真步长为5×10^-5s，空气动力学子系统的仿真步长为1×10^-3s，牵引供电子系统的仿真步长为1×10^-1s，各子系统的仿真步长分布在三个数量级上，为此在耦合仿真中采用了三层耦合控制仿真方法，如图2所示：

(1)根据各子系统的仿真步长，将各子系统划分为三层，第一层包括列车子系统、线路子系统和弓网子系统，该层的仿真步长记为S=5×10^-5s，耦合仿真控制步长记为SI1=5×10^-5s，第二层为空气动力学子系统，该层的耦合仿真控制步长记为SI2=1×10^-3s，第三层为牵引供电子系统，该层的耦合仿真控制步长记为SI3=1×10^-1s，并设置耦合仿真结束条件；

(2)为每个层次设置一个累积仿真步长，第一层累积仿真步长记为SA1，第二层累积仿真步长记为SA2，第三层累积仿真步长记为SA3，并初始化SA1=0，SA2=0，SA3=0；

(3)初始化各子系统间的耦合关系接口数据；

(4)加载各子系统仿真模型，初始化各子系统；

(5)各层累积仿真步长值增加第一层仿真步长值，并作如下判别：

1)如果第一层累积仿真步长值大于等于第一层耦合仿真控制步长值，即SA1>=SI1，则更新第一层子系统间的耦合关系接口数据，激活第一层子系统进行单步长仿真计算，否则仿真退出并告警(告警是因为第一层是最小计算单元，如果该层无法计算，说明程序存在异常)；

2)如果第二层累积仿真步长值大于等于第二层耦合仿真控制步长值，即SA2>=SI2，则更新第一和第二层子系统间的耦合关系接口数据，激活第二层子系统进行单步长仿真计算，否则跳到(7)，判别程序是否结束；

3)如果第三层累积仿真步长值大于等于第三层耦合仿真控制步长值，即SA3>=SI3，则更新第一、第二和第三层子系统间的耦合关系接口数据，激活第三层子系统进行单步长仿真计算，否则跳到(7)，判别程序是否结束；

(6)相关层的子系统被激活进行单步长仿真，各子系统的输入都由两部分组成：一部分是本系统前一步的仿真结果数据或中间数据，另一部分是其他子系统输出的耦合数据，通过这两部分输入，便可进行子系统该步的耦合计算；同样，各子系统的输出也都由两部分组成：一部分是进行本系统下一步仿真需要的数据及后处理应用分析需要的数据，另一部分是输出给其他子系统的耦合数据，通过这两部分输出，为耦合系统的下一步计算准备数据；

对于耦合输入数据，由于各子系统的积分步长不一致，在经过第一步计算以后，各子系统之间在时空上是不一致的，因此，在耦合时，必须对积分步长大于当前层耦合仿真控制步长的子系统的耦合数据进行处理，利用该子系统上一步的仿真结果、耦合仿真控制步长和该子系统积分步长之间的关系，进行数据插值处理或直接利用其上一个耦合积分步的仿真结果数据，此处不同的子系统根据本子系统对边界数据的敏感性，可采用不同的数据处理方法，同样，在耦合数据的加载上，也可以进行不同的处理方法，比如直接加载或分步多次过渡加载；

各子系统被激活进行单步长仿真计算时，其计算流程相同，以列车子系统为例，其流程如下：

1)激活列车子系统仿真计算；

2)获取系统输入数据，系统输入数据是指该子系统上一次仿真计算结果中需要作为本次仿真的输入条件的数据，在第一步仿真计算时，系统输入数据为该子系统的初始化数据；

3)获取耦合输入数据，系统耦合数据是指有耦合关系的相关子系统作用于该子系统的数据，作为该子系统的边界输入条件，由有耦合关系的相关子系统在上一次仿真计算时生成，在第一步仿真计算时，耦合输入数据为相关子系统的耦合关系接口数据的初始化数据；

4)列车子系统单步长仿真计算，列车子系统利用给定的仿真步长、输入条件和边界条件，进行一次仿真计算，SA1的值增加列车子系统的仿真步长值；

5)输出系统单步仿真结果数据，该结果数据包含两部分内容：系统中间数据和系统分析数据，系统中间数据是指该子系统本次仿真计算结果中需要作为下一次仿真的输入条件的数据，系统分析数据是指该子系统本次仿真计算结果中用于后处理应用分析的数据；

6)生成耦合输出数据，耦合输出数据是作用于有耦合关系的相关子系统的数据，经耦合器作用更新相关子系统间的耦合关系接口数据后，作为这些子系统的边界输入条件；

7)列车子系统计算等待，本次仿真计算完成后，列车子系统等待下一次仿真激活；

(7)判断是否满足仿真结束条件，如果满足条件，则仿真结束退出，否则，返回到第(5)步，继续仿真。

Claims (3)

1.高速列车系统动力学耦合仿真方法，在基于接口的多设备参数、多领域间的相互作用关系及控制参数的环境中实现协同仿真基于仿真步长级的多向耦合控制，采用如下的手段，协调仿真步长不一致的各子系统实现耦合控制仿真：

(1)根据子系统的仿真步长，将子系统划分为三层，第一层包括列车子系统、线路子系统和弓网子系统，该层的仿真步长记为S＝5×10^-5s，耦合仿真控制步长记为SI1＝5×10^-5s，第二层为空气动力学子系统，该层的耦合仿真控制步长记为SI2＝1×10^-3s，第三层为牵引供电子系统，该层的耦合仿真控制步长记为SI3＝1×10^-1s，并设置耦合仿真结束条件；

(2)为每个层次设置一个累积仿真步长，第一层累积仿真步长记为SA1，第二层累积仿真步长记为SA2，第三层累积仿真步长记为SA3，并初始化SA1＝0，SA2＝0，SA3＝0；

(3)初始化各子系统间的耦合关系接口数据；

(4)加载各子系统仿真模型，初始化各子系统；

(5)各层累积仿真步长值增加第一层仿真步长值，并作如下判别：

1)如果第一层累积仿真步长值大于等于第一层耦合仿真控制步长值，即SA1>＝SI1，则更新第一层子系统间的耦合关系接口数据，激活第一层子系统进行单步长仿真计算，否则仿真退出并告警；

2)如果第二层累积仿真步长值大于等于第二层耦合仿真控制步长值，即SA2>＝SI2，则更新第一和第二层子系统间的耦合关系接口数据，激活第二层子系统进行单步长仿真计算，否则跳到(7)，判别程序是否结束；

3)如果第三层累积仿真步长值大于等于第三层耦合仿真控制步长值，即SA3>＝SI3，则更新第一、第二和第三层子系统间的耦合关系接口数据，激活第三层子系统进行单步长仿真计算，否则跳到(7)，判别程序是否结束；

(6)子系统被激活进行单步长仿真，各子系统被激活进行单步长仿真计算时，其计算流程相同，以列车子系统为例，其流程如下：

1)激活列车子系统仿真计算；

2)获取系统输入数据，系统输入数据是指该子系统上一次仿真计算结果中需要作为本次仿真的输入条件的数据，在第一步仿真计算时，系统输入数据为该子系统的初始化数据；

3)获取耦合输入数据，系统耦合数据是指有耦合关系的相关子系统作用于该子系统的数据，作为该子系统的边界输入条件，由有耦合关系的相关子系统在上一次仿真计算时生成，在第一步仿真计算时，耦合输入数据为相关子系统的耦合关系接口数据的初始化数据；

4)列车子系统单步长仿真计算，列车子系统利用给定的仿真步长、输入条件和边界条件，进行一次仿真计算，SA1的值增加列车子系统的仿真步长值；

5)输出系统单步仿真结果数据，该结果数据包含两部分内容：系统中间数据和系统分析数据，系统中间数据是指该子系统本次仿真计算结果中需要作为下一次仿真的输入条件的数据，系统分析数据是指该子系统本次仿真计算结果中用于后处理应用分析的数据；

6)生成耦合输出数据，耦合输出数据是作用于有耦合关系的相关子系统的数据，经耦合器作用更新相关子系统间的耦合关系接口数据后，作为这些子系统的边界输入条件；

7)列车子系统计算等待，本次仿真计算完成后，列车子系统等待下一次仿真激活；

(7)判断是否满足仿真结束条件，如果满足条件，则仿真结束退出，否则，返回到第(5)步，继续仿真。

2.根据权利要求1所述之仿真方法，其特征在于，所述第(6)步骤各子系统的输入都由两部分组成：一部分是本系统前一步的仿真结果数据或中间数据，另一部分是其他子系统输出的耦合数据，通过这两部分输入，进行子系统该步的耦合计算；同样，各子系统的输出也都由两部分组成：一部分是进行本系统下一步仿真需要的数据及后处理应用分析需要的数据，另一部分是输出给其他子系统的耦合数据，通过这两部分输出，为耦合系统的下一步计算准备数据。

3.根据权利要求2所述之仿真方法，其特征在于，耦合输入数据在耦合时，必须对积分步长大于当前层耦合仿真控制步长的子系统的耦合数据进行处理：利用该子系统上一步的仿真结果、耦合仿真控制步长和该子系统积分步长之间的关系，进行数据插值处理或直接利用其上一个耦合积分步长的仿真结果数据，此处不同的子系统根据本子系统对边界数据的敏感性，采用不同的数据处理方法，同样，在耦合数据的加载上，也可以采用直接加载或分步多次过渡加载。