CN104570761A - 一种动车组牵引制动的可视化仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，包括动车组牵引系统模型、制动系统模型、供风系统模型以及辅助系统模型；结合动车组牵引、制动技术，编写动车组牵引、制动算法；建立数据库；根据a的动车组牵引系统模型、制动系统模型、供风系统模型以及辅助系统模型和b中的动车组牵引、制动算法以及c中的数据，建立控制模块；根据d的控制模型建立相应的动车组运行过程的显示界面，实时获取动车组牵引、制动工况下的设备状态，将动车组运行过程中的牵引、制动操作功能、算法、故障设置等实时动态仿真，并通过可视化仿真平台实时显示。

Description

一种动车组牵引制动的可视化仿真方法

技术领域

本发明涉及动车组运行过程牵引制动计算仿真、牵引制动设备状态可视化仿真平台的仿真技术领域，具体是指一种动车组牵引制动的可视化仿真方法。

背景技术

动车组作为现代城市便捷、快速、高效的交通工具，已成为一个国家铁路综合实力的重要标志。为了更好地适应我国高速铁路高速、高效、安全运营发展的需要，加强动车组牵引运行及故障监控的训练已成为培养我国高铁动车组人才的重要环节。然而，相对于德国、日本、法国等世界上高速铁路发达国家，我国高速铁路系统的研究及应用起步较晚，动车组相应的成套技术规范及培训体系仍不完善，这使得包括动车组牵引、制动计算在内各种仿真平台相对缺乏或滞后。因此，采用基于计算机模拟方法的动车组运行仿真平台对优化动车组操作规范和培训动车组司机具有十分重要的意义。其目的是使学员更快更好地理解动车组的运行原理及其动车内部结构状态，并能熟悉地进行故障的监控和处理，快速提高学员基本技能及综合素质。

目前，关于动车组牵引制动可视化仿真方法研究较少，绝大数仿真研究仅局限于牵引制动算法的仿真。虽然商业上也存在许多气路、电路等仿真软件，包括Matlab/Simulink、AMEsim等，但没有一项仿真平台可以满足当前动车组牵引制动操作性要求，无法实时仿真动车牵引制动过程及实时显示牵引制动设备状态。在动车专业培训方面，使用真车培训可以满足专业技能考试和实际操作培训，但其培训方式的不足之处在于容易干扰动车组正常运营，无法有效地完成动车应急处理培训，很难到达动车组司机技能培训要求。可见，加快动车组牵引制动可视化仿真研究成为解决上述问题的最佳方式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，将动车运行过程中的牵引、制动操作功能、算法、故障设置等实时动态仿真，并通过可视化仿真平台实时显示。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，包括以下步骤：

a、建立动车组牵引制动可视化仿真平台，包括建立动车组牵引系统模型、制动系统模型；

b、根据动车组牵引、制动理论知识与试验数据，编写动车组牵引、制动算法；

c、建立数据库，包括铁路线路数据库、车辆结构数据库以及虚拟运行环境数据库；

d、根据a的动车组牵引系统模型、制动系统模型、供风系统模型以及辅助系统模型和b中的动车组牵引、制动算法以及c中的车辆结构数据库数据，建立控制模块；

e、根据d的控制模型建立相应的动车组运行过程的显示界面，实时获取动车组牵引、制动工况下的设备状态。

所述步骤b的具体过程为：

b1、牵引算法：在动车组运行过程中，通过司机牵引控制器指令，调用相应的牵引算法模块，通过牵引算法控制的数据传送到的动车组牵引模型平台，通过该模型平台的逻辑运算，获取整车牵引系统的电机、牵引力、牵引速度等实时运算结果，完成对整车牵引计算的实时控制；

b2、制动算法：对动车组电制动与空气制动的实时控制，结合动车组制动技术，实现制动控制模式的分配以及制动力的分配功能；

b3、动车组运行过程中获取制动命令后，将结合牵引状态实时对整车制动算法、制动模型进行控制和运算。

所述步骤d中，牵引系统模型包括主变压器、高压侧变流器以及牵引逆变器，受电弓电压通过牵引系统作用，将高压交流电能转换成电机所需的三相交流电；所述制动系统模型包括转向架气路接口、制动缸控制阀、制动缸，其中每根轴均相应的控制阀完成制动缸的充气和排气控制。

所述步骤e中，动车组运行过程的显示界面包括动车运行状态显示和动车组牵引制动平台操作过程显示。

所述动车组运行状态显示包括运行时间、运行速度、运行距离和线路状态，通过实时曲线形式显示，为方便查看车辆运行实时状态，且显示界面提供系统运行暂停/继续功能。

所述动车组牵引制动平台操作过程显示包括牵引运行过程界面显示和制动运行过程界面显示；点击牵引，动车组车根据不同牵引级位获相应的加速，然后记录每节车的牵引力、平均加速和瞬时加速度，同时可以设置恒速及排除恒速；最后通过手柄控制动车组的运行方向以完成动车组的牵引；点击制动级位，动车组根据不同牵引级位获相应的制动减速度；记录每节车的制动力、平均加速和瞬时加速度，同时可以选择制动模式以实现动车的制动。

所述步骤d中，控制模块还包括故障设置模型，结合动车组运行过程中常见的故障实例，完成模型的建立和仿真；故障设置模型由牵引故障设置模型和制动故障设置模型构成；

牵引故障设置模型包括牵引控制器失效、牵引变流器故障、受电弓故障和牵引电机故障；

制动故障设置模型包括电制动失效、制动闸瓦失效、制动缸压力泄漏、总风压力不足和制动控制器失效。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明可实时运算动车每个模型所涉及的逻辑运算，并实时显示动车每个模块相应的设备状态，且本发明最大优势在于建模的方便性、运算结果的直观性、操作过程的简易性；本发明还包括故障设置模块，且该模块功最大的特点就是能仿真不同工况下的突发事件，不仅能够检验车辆运行的安全性和可靠性，还能有效地培训司机或动车工作人员解决突发事件的能力，对提高铁路运营效益有很大的作用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的系统总体架构图；

图2为牵引运行过程中的界面显示图；

图3为制动运行过程中的界面显示图；

图4为故障设置类型图；

图5为制动系统模型图；

图6为牵引系统模型图；

图7为供风系统模型图；

附图中标记及相应的零部件名称：

1-控制风缸、2- EP阀、3-中继阀、4-制动缸、5-紧急制动控制阀、6-接触网、7-主变压器、8-高压侧变流器、9-牵引逆变器、10-电机、A-输出端1、B-输出端2。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

本发明涉及的可视化仿真平台主要用于将动车组运行过程中的牵引、制动操作功能、算法、故障设置等实时动态仿真，并通过可视化仿真平台实时显示，其包含的步骤为：

建立可视化的动车组牵引、制动平台，包括动车组牵引系统模型、制动系统模型；结合动车组牵引、制动技术，编写动车牵引、制动算法；建立数据库，包括铁路线路数据库、车辆结构数据库以及虚拟运行环境数据库；根据a的动车组牵引系统模型、制动系统模型、供风系统模型以及辅助系统模型和b中的动车组牵引、制动算法以及c中的车辆结构数据库数据，建立控制模块；根据d的控制模型建立相应的动车组运行过程的显示界面，实时获取动车牵引、制动工况下的设备状态。

如图1所示，本发明主要由五个步骤构成，即先建立可视化动车组牵引、制动平台，结合动车组牵引、制动技术，编写牵引、制动算法，再建立底层的数据库，最后基于牵引、制动平台以及牵引、制动算法和数据库建立控制模块，根据控制模块建立能够实时获取动车牵引、制动工况下的运行状态，方便学员在进行动车组实时模拟时快速熟悉列车性能，并及时完成动车的应急处理，到达动车组司机技能培训要求。其中，

如图2和图3所示，所述动车组运行状态显示不仅包括运行时间、运行速度、运行距离和线路状态，通过实时曲线形式显示，为方便查看车辆运行实时状态，且显示界面提供系统运行暂停/继续功能；还包括动车组运行状态显示包含有动车基本信息显示，包括车长、车重、基本阻力、附加阻力、牵引电机、空气制动效率等，每节车牵引、制动状态显示，包括每节车牵引力、电制动力、空气制动力等；以及动车组司机室牵引、制动操作按钮的控制。其中，A曲线为动车运行过程速度曲线，B曲线为动车运行时间曲线；

当动车牵引时，点击动车组运行状态显示界面上的“牵引”，动车组根据不同牵引级位获相应的加速，然后记录每节车的牵引力、平均加速和瞬时加速度，同时可以设置恒速及排除恒速；最后通过手柄控制动车组的运行方向以完成动车的牵引；

当动车制动时，点击动车组运行状态显示界面上的“制动级位”，动车组根据不同牵引级位获相应的制动减速度；记录每节车的制动力、平均加速和瞬时加速度，同时可以选择制动模式以实现动车的制动。

具体地说，如图4所示，所述步骤d中，控制模块还包括故障设置模型，结合动车组运行过程中常见的故障实例，完成模型的建立和仿真；故障设置模型由牵引故障设置模型和制动故障设置模型构成；牵引故障设置模型包括牵引控制器失效、牵引变流器故障、受电弓故障和牵引电机故障；制动故障设置模型包括电制动失效、制动闸瓦失效、制动缸压力泄漏、总风压力不足和制动控制器失效等。故障设置功能是牵引、制动可视化仿真平台的核心业务，验证该平台所建立的每个系统模型的正确与否，不仅仅要求正确模拟动车正常运行过程的实时状态，更应能够模拟仿真动车非正常运行过程的实时状态。此外，该模块能仿真不同工况下的突发事件，不仅能够检验车辆运行的安全性和可靠性，还能有效地培训司机或动车工作人员解决突发事件的能力，对提高铁路运营效益有很大的作用。

实施例2

所述步骤a中，如图5所示，制动系统模型在当列车发生制动时，EP阀2电磁阀产生电流，通过磁感应电流的作用力打开供气阀阀门，由风源输送过程的高压空气顺着供排气阀口流到中继阀3管路，并作为中继阀3的控制压力；中继阀3的控制压力有两种，中继阀3输入端1A接受来自常用制动的控制压力，输入端2B接受来自紧急制动的控制压力。发生常用制动时，中继阀3接受来自输入端1A的控制压力；当发生紧急制动时，紧急制动阀得电，紧急制动控制阀5口连通，中继阀3接受输入端1A和输入端2B的高压控制压力，推动中继阀3供排气阀门，控制风缸1高压空气顺着中继阀3供排气阀口流到制动缸4，制动缸4压力上升，推动活塞产生列车制动。

如图6所示，牵引系统模型在受电弓从接触网6中接受25KV、50Hz的高压交流电能时，通过牵引系统的主变压器7将高压电能转为为900V、50Hz的低压交流电能，降压过后的低压交流电能再经网侧变流器转换成1650V、DC直流电能，最后将直流电能通过牵引逆变器9转化成为牵引电机10所需要的三相交流电，以此实现牵引电机10的工作运行。

实施例3

如图7所示，供风系统模型主要由风源、总风缸、止回阀、风缸、受电弓、辅助空压机以及系统连接管路等组成。列车运行过程中，空气制动控制模块和辅助制动模块根据制动控制器产生的电信号进行风缸的充排气；总风缸、风缸设置额定压强和最低压强，当风缸低于最低压强时，由风源直接给总风缸充风。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、建立动车组牵引制动可视化仿真平台，包括建立动车组牵引系统模型、制动系统模型；

b、根据动车组牵引、制动理论知识与试验数据，编写动车组牵引、制动算法；

c、建立数据库，包括铁路线路数据库、车辆结构数据库以及虚拟运行环境数据库；

d、根据a的动车组牵引系统模型、制动系统模型、供风系统模型以及辅助系统模型和b中的动车组车牵引、制动算法以及c中的车辆结构数据库数据，建立控制模块；

e、根据d的控制模型建立相应的动车运行过程的显示界面，实时获取动车牵引、制动工况下的设备状态。

2.根据权利要求1所述的一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，其特征在于，所述步骤b的具体过程为：

b1、牵引算法：在动车组运行过程中，通过司机牵引控制器指令，调用相应的牵引算法模块，通过牵引算法控制的数据传送到的动车组牵引模型平台，通过该模型平台的逻辑运算，获取整车牵引系统的电机、牵引力、牵引速度等实时运算结果，完成对整车牵引计算的实时控制；

b2、制动算法：对动车组电制动与空气制动的实时控制，结合动车制动技术，实现制动控制模式的分配以及制动力的分配功能；

b3、动车组运行过程中获取制动命令后，将结合牵引状态实时对整车制动算法、制动模型进行控制和运算。

3.根据权利要求1所述的一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，其特征在于：所述步骤d中，所述牵引系统模型包括主变压器、高压侧变流器以及牵引逆变器，受电弓电压通过牵引系统作用，将高压交流电能转换成电机所需的三相交流电；所述制动系统模型包括转向架气路接口、制动缸控制阀、制动缸，其中每根轴均相应的控制阀完成制动缸的充气和排气控制。

4.据权利要求1所述的一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，其特征在于：所述步骤e中，动车组运行过程的显示界面包括动车运行状态显示和动车组牵引、制动平台操作过程显示。

5.据权利要求4所述的一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，其特征在于： 所述动车组运行状态显示包括运行时间、运行速度、运行距离和线路状态，通过实时曲线形式显示，为方便查看车辆运行实时状态，且显示界面提供系统运行暂停/继续功能。

6.据权利要求4所述的一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，其特征在于：所述动车组牵引、制动平台操作过程显示包括牵引运行过程界面显示和制动运行过程界面显示；点击牵引，动车组根据不同牵引级位获相应的加速，然后记录每节车的牵引力、平均加速和瞬时加速度，同时可以设置恒速及排除恒速；最后通过手柄控制动车组的运行方向以完成动车组的牵引；点击制动级位，动车组根据不同牵引级位获相应的制动减速度；记录每节车的制动力、平均加速和瞬时加速度，同时可以选择制动模式以实现动车的制动。

7.据权利要求1所述的一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，其特征在于：所述步骤d中，控制模块还包括故障设置模型，结合动车组运行过程中常见的故障实例，完成模型的建立和仿真；故障设置模型由牵引故障设置模型和制动故障设置模型构成；

牵引故障设置模型包括牵引控制器失效、牵引变流器故障、受电弓故障和牵引电机故障；

制动故障设置模型包括电制动失效、制动闸瓦失效、制动缸压力泄漏、总风压力不足和制动控制器失效。

8.据权利要求1所述的一种动车组牵引制动的可视化仿真方法，其特征在于：所述步骤a中，所述动车组牵引、制动平台还包括供风系统模型，供风系统模型包括制动控制器、风源、总风缸、辅助空压机、制动缸、管路、止回阀；列车运行过程中，空气制动控制模块和辅助制动模块根据制动控制器产生的电信号进行风缸的充排气；总风缸、风缸设置额定压强和最低压强，当风缸低于最低压强时，由风源直接给风缸充风。