CN103105779A - 一种列车运动仿真系统 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种列车运动仿真系统

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。

附图说明

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引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主要来自电机产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：

$F_{\mathrm{dz}}\left(t\right)=a*n\frac{I_L*R_d}{V\left(t\right)}{I_z}^2$

从上式可知，影响电制动力的因素包括：列车速度V(t)、励磁电流I_L、制动电流I_z、制动电阻R_d、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：

F_qz＝K*δ

K的计算式为：

$K=\frac{\mathrm{\π}{d}_z^2{p}_z{\mathrm{\η}}_z{\mathrm{\γ}}_z{n}_z}{4*{10}^6}$

δ的计算式为：

$\mathrm{\δ}=a*\frac{(K+b)}{(K+b)}*\frac{(\mathrm{dV}\left(t\right)+b)}{(\mathrm{eV}\left(t\right)+b)}+f*(g-v_0)$

从上式中可知，影响闸瓦压力K的因素有制动缸压力p_z、制动缸直径d_z、制动缸数n_z、传动倍率γ_z、传动倍率η_z、圆周率π；影响摩擦系数δ的因素有列车速度V(t)、闸瓦材料、制动初速度v₀和闸瓦压力K，其中，a、b、d、e、f、g为随闸瓦所使用材料的类型而异的常数参数。上述参数为机械制动模型的输入参数。

牵引系统仿真模块12，用于根据牵引系统模型、牵引系统模型的输入参数和牵引系统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。

列车的牵引力是由列车牵引电机产生的，列车通过控制牵引电机的电流来控制牵引力输出的大小。但在实际过程中，列车的牵引力大小还受许多其它因素的影响，包括粘着系数、动轮直径、牵引电机效率等，考虑以上因素，牵引系统模型如图5所示。牵引力的计算式为：

$F_{\mathrm{qy}}\left(t\right)=\frac{2}{D}m{C}_m\mathrm{\φ}{I}_d{\mathrm{\η}}_d{\mathrm{\η}}_c*{10}^3\left(\mathrm{KN}\right)$

由从上式可知，影响列车牵引力的因素有：牵引电流I_d、电机转矩常数C_m、动轮直径D、电机个数m、每极磁通量φ、牵引电机效率η_d、齿轮传动效率η_c，这些参数作为列车牵引系统模型的输入参数。

其中，电机转矩常数C_m的计算式为：

$C_m=\frac{\mathrm{pN}}{2\mathrm{\πa}}$

由上式可知，电机转矩常数C_m又受电枢绕组支路数a、电机绕组导体数N和主极对数p影响。

基本阻力系统仿真模块13，用于根据基本阻力系统模型和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。

列车的基本阻力是运行中客观存在的阻力，列车的基本阻力由机械阻力和气动阻力组成。机械阻力主要包括车轴轴承之间的摩擦力，轮轨之间的滚动摩擦阻力、轮轨之间的滑动摩擦阻力、由于钢轨不平产生的冲击阻力等；气动阻力又称空气阻力，主要是列车在运行过程中的风阻。列车的基本阻力与列车的速度关系十分重要，列车在低速行驶时，列车的主要基本阻力来自机械阻力；列车在高速行驶时，列车的基本阻力主要来自气动阻力。由于影响基本阻力的因素十分复杂，难以用纯理论的公式求解，只能通过经验公式来计算。因此本实施例采用《牵规》中的通用模型，如图6所示。图6中，牵引力F_z(t)的计算式为：

F_z(t)＝(aV(t)²+bV(t)+c)×M(t)

其中，V(t)为列车运动速度，M(t)为列车换算质量，a、b、c为随机车车辆类型而异的常数参数。列车运动速度和列车换算质量作为输入参数输入到基本阻力系统仿真模块13。

线路系统仿真模块14，用于根据线路系统模型、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；线路系统仿真模块主要考虑列车运行线路对列车运动所产生的影响因素，这些因素包括线路的坡度、线路的曲线半径、隧道。

线路系统仿真模块14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。线路系统仿真模型包括：坡度阻力模型、曲线阻力模型和/或隧道阻力模型。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，隧道阻力仿真模块根据隧道阻力模型输出单位隧道阻力。线路系统仿真模块根据坡度阻力模型、曲线阻力模型和/或隧道阻力模型以及线路基本信息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。

列车在坡道上运行时，除基本阻力外，还受到重力沿轨道方向的分力的影响，这个分力就是坡度阻力，坡度阻力与列车运行速度无关，其单位阻力等于坡度千分数，因此坡度阻力模型为：

W_i＝i

其中，i为坡道千分数。

列车进入曲线时，部分车轮轮缘压向外轨头产生滑动摩擦，车轮在轨面产生的横向滑动以及转向中心盘和旁承的摩擦都加剧，这些因进入曲线运行而增加的摩擦损失所造成的阻力为曲线阻力。曲线阻力计算一般换算成坡度千分数，换算模型为：

$W_r=\frac{600}{R}$

其中，R为曲线半径。

列车进入隧道后，列车驱使空气移动，造成列车头部的正压与尾部的负压的压力差，产生阻碍列车运行的阻力，同时，由于列车外形结构的原因，隧道内的空气产生紊流，造成空气与列车表面、隧道表面的摩擦，也产生阻碍列车运动的阻力，以上两项阻力之和总称为隧道阻力。隧道阻力与列车的速度与长度、迎风面积、隧道长度的截面积、隧道与列车表面粗糙程度等相关。根据实验数据得到的经验公式，隧道阻力模型分为两种情况：

(1)隧道内有限制性坡道时，隧道阻力模型为：

W_s＝L_s*v²/10⁷(N/kN)

其中，L_s为隧道长度，v为列车速度。

(2)隧道内无限制性坡道时，隧道阻力模型为：

W_s＝0.00013*L_s(N/kN)

其中，L_s为隧道长度。

坡道阻力与列车运行速度无关，虽然曲线阻力与隧道阻力与列车运行速度有关，但是按照试验得到的公式计算，公式忽略了速度影响。因此，当三种力同时存在时，曲线和隧道的单位阻力可以和单位坡道阻力和在一起计算，称为单位加算坡道阻力W_j：

W_j＝W_i+W_r+W_s(N/kN)

其中，W_i为单位坡道阻力，W_r为单位曲线阻力，W_s为单位隧道阻力。

运动学物理仿真模块15，用于综合制动系统仿真模块11输出的制动力、牵引系统仿真模块12输出的牵引力、基本阻力系统仿真模块13输出的基本阻力以及线路系统仿真模块14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。

综合列车的受力分析，考虑到单质点模型可满足城轨信号系统研发大多数时候的需要，运动物理模型如图7所示。加速度计算公式为：

$A\left(t\right)=\frac{F\left(t\right)}{M\left(t\right)}$

上式中，F(t)为制动力、牵引力、基本阻力等的合力，M(t)为列车换算质量，F(t)与M(t)作为运动学物理仿真模块15的输入参数。

根据加速度可得到速度计算公式：

$V\left(t_1\right)=V\left(t_0\right)+{\∫}_{t_0}^{t_1}A\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(1\right)$

根据速度可得到位移计算公式：

$S\left(t_1\right)=S\left(t_0\right)+{\∫}_{t_0}^{t_1}V\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

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。

实施例二

列车运行控制是一个多目标综合决策的问题，除保障安全运行外，主要考虑的因素包括区间的运行时间、旅客的舒适度。为体现列车运动控制对列车运行的影响，本发明实施例二在实施例一的基础上增加了列车控制策略，即实施例二提供的列车仿真系统与实施例一相比，如图8所示，仿真模块除了包括制动系统仿真模块21、牵引系统仿真模块22、基本阻力系统仿真模块23、线路系统仿真模块24和运动学物理仿真模块25之外，还包括运行控制器仿真模块26和逻辑处理模块27，相应的，数据库的模型库中还包括运行控制器模型，参数库还包括运行控制器模型的输入参数。运行控制器仿真模块26，用于根据运行控制器模型、运行控制器模型的输入参数、列车控制要求和运动学物理仿真模块25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。运行控制器仿真模块26的输出信息经过逻辑处理模块27进行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。其中，逻辑处理模块27根据反馈的列车位置和速度以及当前的限速等情况，以及预测算法或其它算法计算列车当前状态所需要的牵引/制动状态以及所需要的加/减速率，逻辑处理模块27处理后的信息输出至制动系统仿真模块和牵引系统仿真模块进行后续的仿真模拟。

运行控制器仿真模块26根据列车控制要求和线路环境等因素生成一条列车的运行目标曲线，该目标曲线满足所有的列车控制要求，如安全性要求、舒适度要求、准时性要求、停车准确性要求等，通过运动学物理仿真模25反馈的列车的速度和位置信息调节控制列车的速度来满足列车控制要求。

列车的控制策略可简化为牵引、惰行和制动，图9为列车运行控制模式示意图，图中i表示第i个限速区，在第i个限速区内，列车可能经历三种工况：牵引、惰行和制动，当

时，没有牵引工况，当时，没有惰行工况，当

时，没有制动工况。根据图7可推导出加速度的计算公式：

$a_t^i=\left\{\begin{array}{cc}{J}_1^i\×t& t\∈[0,t_1^i]\\ a_{\max ,1}^i& t\∈[t_1^i,t_2^i)\\ J_2^i\×(t_3^i-t)& t\∈[t_2^i,t_3^i)\\ 0& t\∈[t_3^i,t_4^i)\\ J_3^i\×(t-t_4^i)& t\∈[t_4^i,t_5^i)\\ a_{\max ,2}^i& t\∈[t_5^i,t_6^i)\\ J_4^i\×(t_7^i-t)& t\∈[t_6^i,t_7^i]\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，

根据式(3)计算得到的加速度

可得到速度计算公式：

$v_t^i=v_{\mathrm{start}}^i+\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{a}_t^i\mathrm{dt}---\left(4\right)$

根据式(4)计算得到的

可得到位移的计算公式：

$L_t^i=\underset{0}{\overset{t}{\∫}}{v}_t^i\mathrm{dt}$

若要满足列车的安全性要求，则列车在任何时刻的运行速度不能超过列车在所在限速区的最大允许速度

第i个限速区列车目标运行曲线的最大速度为

时刻的速度，

时刻的速度可由式(1)推导得出：

$v_{t_3^i}^i=v_{\mathrm{start}}^i+\underset{0}{\overset{t_3^i}{\∫}}{a}_t^i\mathrm{dt}=v_{\mathrm{start}}^i+\frac{-t_1^i+t_2^i+t_3^i}{2}\×a_{\max ,1}^i$

其中，

计算公式如下：

$v_{\mathrm{start}}^i=\left\{\begin{array}{cc}{v}_{\mathrm{end}}^{i-1}& i=2\·\·\·n\\ 0& i=1\end{array}\right.$

因此，第i个限速区列车目标运行曲线的最大速度

不超过最大允许速度

才能满足列车的安全性要求，即安全性约束为：

$0\≤v_{\mathrm{start}}^i+\frac{-t_1^i+t_2^i+t_3^i}{2}\×a_{\max ,1}^i\≤v_{\max }^i$

由于列车在第i个限速区的出口速度

不能大于第i+1个限速区的最大允许速度

同时又不能大于第i个限速区的最大允许速度因此列车的安全性要求还需增加如下约束：

$0\≤v_{\mathrm{end}}^i\≤v_{\max -\mathrm{end}}^i$

$v_{\max -\mathrm{end}}^i=\min (v_{\max }^i,v_{\max }^{i+1})$

$v_{\max }^{n+1}=0$

其中，第i的限速区的出口速度

的计算式如下：

$v_{\mathrm{end}}^i=v_{\mathrm{start}}^i+\frac{-t_1^i+t_2^i+t_3^i}{2}\×a_{\max ,1}^i+\frac{-t_4^i-t_5^i+t_6^i+t_7^i}{2}\×a_{\max ,2}^i$

若满足列车的舒适度要求，则列车运行的加速度变化率不能超过允许的Jerk值-Jerk_max，因此舒适度约束为：

$0\≤a_{\max ,1}^i\≤t_1^i\×{\mathrm{Jerk}}_{\max }$

$0\≤a_{\max ,1}^i\≤(t_3^i-t_2^i)\×{\mathrm{Jerk}}_{\max }$

$0\≤{-a}_{\max ,2}^i\≤(t_5^i-t_4^i)\×{\mathrm{Jerk}}_{\max }$

$0\≤{-a}_{\max ,2}^i\≤(t_7^i-t_6^i)\×{\mathrm{Jerk}}_{\max }$

若满足列车的准时性要求，则列车应尽可能按照列车运行时刻表运行，允许误差0.5秒，因此准时性约束为：

$|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_7^i-T|\≤0.5$

其中，

表示列车在第i个限速区的运行时间，将n个限速区的

求和便可以计算出列车运行的总时间。

若满足列车停车准确性要求，则要求列车准确到站，因此停车准确性约束为：

Lⁱ＝Sⁱ

其中，Sⁱ为列车在第i个限速区运行的位移，Sⁱ可通过式(2)计算：

$S^i=S_{t_7^i}^i=\underset{t=0}{\overset{t_7^i}{\∫}}{v}_t^i\mathrm{dt}$

$=t_7^i{v}_{\mathrm{start}}^i+\frac{-t_1^i{t}_7^i-t_2^i{t}_3^i+3t_2^i{t}_7^i+3t_3^i{t}_7^i+{\left(t_1^i\right)}^2-{\left(t_2^i\right)}^2-{\left(t_3^i\right)}^2}{6}\×a_{\max ,1}^i$

$+\frac{t_4^i{t}_5^i-3t_4^i{t}_7^i-3t_5^i{t}_7^i+{2t_6^i{t}_7^i+\left(t_4^i\right)}^2+{\left(t_5^i\right)}^2-{\left(t_6^i\right)}^2}{6}\×a_{\max ,2}^i$

最短时间是指列车在各个限速区运行的一个时间下限，通过计算最短时间，可以进一步裁剪解空间，从而提高求解速度。图10为列车最短时间运行控制模式示意图，在该模式下列车在第i个限速区运行的时间比图9的列车运行控制模式下运行的时间短，从图中可以看出，列车首先使用最大加速度变化率Jerk_max牵引运行到

然后惰行到

最后在最大减速度变化率-Jerk_max下制动运行到t_min时刻，同时必须满足准确和安全性要求。列车在最短时间运行控制模式下运行的距离公式如下：

$S^i=v_{\mathrm{start}}^i{t}_7^i-\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{3}{\left(t_{1-\min }^i\right)}^3+\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{2}{\left(t_{1-\min }^i\right)}^2{t}_{\min }^i-\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{6}{\left(t_{1-\min }^i\right)}^3$

$+\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{6}{\left(t_{2-\min }^i\right)}^3-\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{2}{\left(t_{2-\min }^i\right)}^2{t}_{\min }^i+\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{2}{\left(t_{\min }^i\right)}^2{t}_{2-\min }^i$

在该运行模式下，停车准确性约束为：

Sⁱ＝Lⁱ

安全性约束为：

$v_{\mathrm{start}}^i+\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{2}{\left(t_{1-\min }^i\right)}^2\≤v_{\max }^i$

根据安全性要求，同时考虑最短时间目标，约束为：

$v_{\mathrm{end}}^i=v_{\max -\mathrm{end}}^i$

其中，第i个限速区的出口速度

的计算公式如下：

$v_{\mathrm{end}}^i=v_{\mathrm{start}}^i+\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{2}{\left(t_{1-\min }^i\right)}^2-\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{2}{\left(t_{2-\min }^i\right)}^2-\frac{{\mathrm{Jerk}}_{\max }}{2}{\left(t_{\min }^i\right)}^2+{\mathrm{Jerk}}_{\max }{t}_{2-\min }^i{t}_{\min }^i$

因此，列车的最短时间运行模型为：

求解

后得到列车运动的最短时间，将这个时间加到时间约束当中。

综合上述约束，得到列车运行控制最优目标曲线的多目标规划模型：

本发明实施例提供的列车运动仿真系统中所使用的模型采用MATLAB作为模型搭建工具，模型和模型的输入参数采用文本文件格式进行储存。系统提供可操作的人机界面，用户可以从界面选择模型和参数，同时可以提供V-S、V-T、S-T、V-S-T视图。本实施例并不限定所使用的模型搭建工具，只要所使用的模型搭建工具可实现本系统中模型的搭建即可，也不限定模型和参数的存储形式，只要可实现模型和参数的存储，便于后续的仿真使用即可。

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。

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，在其它实施例中实现。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。

Claims (7)

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。

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。

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