CN108154743A

CN108154743A - 一种列车运行仿真系统

Info

Publication number: CN108154743A
Application number: CN201711368486.4A
Authority: CN
Inventors: 韩志伟; 王道敏; 朱胜利; 张传琪; 杨峰; 蒲豫园; 王海燕; 王佳
Original assignee: Beijing MTR Construction Administration Corp
Current assignee: Beijing MTR Construction Administration Corp
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2017-12-18
Publication date: 2018-06-12

Abstract

本发明提供了一种列车运行仿真系统，包括：依次通信连接的车辆参数获取模块、运行仿真初始模型建立模块、牵引及制动特性信息添加模块、电路模型建立模块和仿真运行模块；车辆参数获取模块获取车辆参数；运行仿真初始模型建立模块根据车辆参数和运行条件建立运行仿真初始模型；牵引及制动特性信息添加模块在运行仿真初始模型中添加牵引特性和制动特性信息，得到运行仿真模型；电路模型建立模块基于运行仿真模型建立电路模型；仿真运行模块根据列车的运行仿真模型和电路模型对该列车进行仿真运行操作。本发明可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的一种列车运行仿真系统，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

Description

一种列车运行仿真系统

技术领域

本发明涉及驾驶仿真技术领域，具体涉及一种列车运行仿真系统。

背景技术

列车模拟驾驶虚拟驾驶，是指利用现代高科技手段如：三维图像即时生成技术、动力学仿真物理系统、大视场显示技术(如多通道立体投影系统)、六自由度运动平台(或三自由度运动平台)、用户输入硬件系统、立体声音响、中控系统等，让体验者在一个虚拟的驾驶环境中，感受到接近真实效果的视觉、听觉和体感的列车驾驶体验。适用于研究机构进交通工程以及作为列车研究领域的模拟实验平台，由其适用于实习列车驾驶员的模拟驾驶练习。

目前，现有的列车模拟实验平台由于功能不完善、技术复杂度高、造价昂贵且功能不完善，还一直停留在简单的实验室阶段，无法为实习列车驾驶员提供完整且仿真度高的列车模拟驾驶练习体验。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种列车运行仿真系统，可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的一种列车运行仿真系统，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

为解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：

第一方面，本发明提供一种列车运行仿真系统，所述列车运行仿真系统包括：依次通信连接的车辆参数获取模块、运行仿真初始模型建立模块、牵引及制动特性信息添加模块、电路模型建立模块和仿真运行模块；

车辆参数获取模块，用于获取列车在不同的运行环境下对应的车辆参数；

运行仿真初始模型建立模块，用于根据所述车辆参数和列车的运行条件，建立列车的运行仿真初始模型；

牵引及制动特性信息添加模块，用于在所述列车的运行仿真初始模型中添加该列车的牵引特性信息和制动特性信息，得到该列车的运行仿真模型；

电路模型建立模块，用于基于所述列车的运行仿真模型，建立该列车的电路模型；

仿真运行模块，用于根据所述列车的运行仿真模型和电路模型，对该列车进行仿真运行操作。

进一步地，所述运行环境包括：线路环境和气候环境，其中，所述线路环境包括：弯道、坡道、道岔、折返线和库线，所述气候环境包括：晴天、雨天、雪天、沙尘和雷电；

相对应的，所述车辆参数获取模块用于数根据列车的所述线路环境和气候环境，获取列车的车辆参数；其中，所述车辆参数包括：载重参数、轮对磨损参数和编组参数。

进一步地，所述运行条件包括：

第一运行条件，包括：线路坡度、道岔及曲线半径；

第二运行条件，包括：在地面、高架、隧道内等不同路段的运行阻力；

第三运行条件，包括：列车自重和乘客负载情况；

第四运行条件，包括：轮轨粘着系数、车轮空转和滑行情况。

进一步地，所述运行仿真初始模型建立模块用于根据所述车辆参数和列车的第一至第四运行条件，建立列车的运行仿真初始模型；

其中，所述运行仿真初始模型包括：逻辑控制单元、列车纵向力计算单元和列车运行阻力计算单元。

进一步地，所述运行条件还包括：

第五运行条件，包括：牵引供电、牵引电机的特性和状态；

第六运行条件，包括：电制动和空气制动的特性与状态、停放制动特性，以及，混合制动和制动反应时间。

进一步地，所述牵引及制动特性信息添加模块包括：

牵引特性信息添加单元，用于根据所述第五运行条件，在所述列车的运行仿真初始模型中添加该列车的牵引特性信息；

制动特性信息添加单元，用于根据所述第六运行条件，在所述列车的运行仿真初始模型中添加该列车的制动特性信息，得到该列车的运行仿真模型。

进一步地，所述牵引特性信息添加单元包括：

牵引特性信息获取子单元，用于根据所述第五运行条件，以及，所述列车在干燥及清洁的平直轨道和额定电压下的牵引特性，获取所述列车的牵引特性信息；

牵引特性信息添加子单元，用于根据所述列车的牵引特性信息生成牵引力计算单元，并将所述牵引力计算单元添加至所述列车的运行仿真初始模型。

进一步地，所述制动特性信息添加单元包括：

制动特性信息获取子单元，用于根据所述第六运行条件，获取所述列车的制动特性信息；

制动特性信息添加子单元，用于根据所述列车的制动特性信息生成制动力计算单元，并将所述牵引力计算单元添加至所述列车的运行仿真初始模型，得到该列车的运行仿真模型；

其中，所述制动特性信息包括：电制动信息和空气制动信息。

进一步地，所述电路模型建立模块包括：

电路划分单元，用于根据列车中的各电器设备的功能、作用和电压等级，划分得到列车的主电路、辅助电路和控制电路；

电路模型建立单元，用于将列车的主电路、辅助电路和控制电路进行连接，得到所述列车的电路模型。

进一步地，所述电路模型用于表示列车运行在正常或故障工况条件下，包括导线在内的相关电器间的得电和失电关系。

由上述技术方案可知，本发明提供的一种列车运行仿真系统，包括：依次通信连接的车辆参数获取模块、运行仿真初始模型建立模块、牵引及制动特性信息添加模块、电路模型建立模块和仿真运行模块；车辆参数获取模块获取车辆参数；运行仿真初始模型建立模块根据车辆参数和运行条件建立运行仿真初始模型；牵引及制动特性信息添加模块在运行仿真初始模型中添加牵引特性和制动特性信息，得到运行仿真模型；电路模型建立模块基于运行仿真模型建立电路模型；仿真运行模块根据列车的运行仿真模型和电路模型对该列车进行仿真运行操作。本发明可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的一种列车运行仿真系统，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

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是本发明实施例一中的一种列车运行仿真系统的流程示意图；

图2是本发明的列车运行仿真系统中牵引及制动特性信息添加模块30的结构示意图；

图3是本发明的列车运行仿真系统中电路模型建立模块40的结构示意图；

图4是本发明实施例二中的一种列车运行仿真方法的流程示意图；

图5是本发明的列车运行仿真方法中步骤300的流程示意图；

图6是本发明的列车运行仿真方法中步骤400的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明的实施例一提供一种列车运行仿真系统的具体实施方式，参见图1，所述列车运行仿真系统具体包括如下内容：

依次通信连接的车辆参数获取模块10、运行仿真初始模型建立模块20、牵引及制动特性信息添加模块30、电路模型建立模块40和仿真运行模块50；

车辆参数获取模块10，用于获取列车在不同的运行环境下对应的车辆参数；

运行仿真初始模型建立模块20，用于根据所述车辆参数和列车的运行条件，建立列车的运行仿真初始模型；

牵引及制动特性信息添加模块30，用于在所述列车的运行仿真初始模型中添加该列车的牵引特性信息和制动特性信息，得到该列车的运行仿真模型；

电路模型建立模块40，用于基于所述列车的运行仿真模型，建立该列车的电路模型；

仿真运行模块50，用于根据所述列车的运行仿真模型和电路模型，对该列车进行仿真运行操作。

在上述描述中，所述运行环境包括：线路环境和气候环境，其中，所述线路环境包括：弯道、坡道、道岔、折返线和库线，所述气候环境包括：晴天、雨天、雪天、沙尘和雷电；

相对应的，所述车辆参数获取模块10用于数根据列车的所述线路环境和气候环境，获取列车的车辆参数；其中，所述车辆参数包括：载重参数、轮对磨损参数和编组参数。

在上述描述中，所述运行条件包括：

第一运行条件，包括：线路坡度、道岔及曲线半径；

第三运行条件，包括：列车自重和乘客负载情况；

第四运行条件，包括：轮轨粘着系数、车轮空转和滑行情况；

第五运行条件，包括：牵引供电、牵引电机的特性和状态；

在上述描述中，所述运行仿真初始模型建立模块20用于根据所述车辆参数和列车的第一至第四运行条件，建立列车的运行仿真初始模型；其中，所述运行仿真初始模型包括：逻辑控制单元、列车纵向力计算单元和列车运行阻力计算单元。

在一种具体实施方式中，参见图2，所述牵引及制动特性信息添加模块30包括：

牵引特性信息添加单元31，用于根据所述第五运行条件，在所述列车的运行仿真初始模型中添加该列车的牵引特性信息；

制动特性信息添加单元32，用于根据所述第六运行条件，在所述列车的运行仿真初始模型中添加该列车的制动特性信息，得到该列车的运行仿真模型。

其中，所述牵引特性信息添加单元31包括：

其中，所述制动特性信息添加单元32包括：

制动特性信息添加子单元，用于根据所述列车的制动特性信息生成制动力计算单元，并将所述牵引力计算单元添加至所述列车的运行仿真初始模型，得到该列车的运行仿真模型；其中，所述制动特性信息包括：电制动信息和空气制动信息。

在一种具体实施方式中，参见图3，所述电路模型建立模块40包括：

电路划分单元41，用于根据列车中的各电器设备的功能、作用和电压等级，划分得到列车的主电路、辅助电路和控制电路；

电路模型建立单元42，用于将列车的主电路、辅助电路和控制电路进行连接，得到所述列车的电路模型，所述电路模型用于表示列车运行在正常或故障工况条件下，包括导线在内的相关电器间的得电和失电关系。

从上述描述可知，本发明的实施例提供的列车运行仿真系统，可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的一种列车运行仿真方法，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

本发明的实施例二提供一种列车运行仿真方法的具体实施方式，参见图4，所述列车运行仿真方法具体包括如下内容：

步骤100：获取列车在不同的运行环境下对应的车辆参数。

可以理解的是，所述运行环境包括：线路环境和气候环境，其中，所述线路环境包括：弯道、坡道、道岔、折返线和库线，所述气候环境包括：晴天、雨天、雪天、沙尘和雷电。

在上述描述中，列车运行仿真系统根据列车的所述线路环境和气候环境，获取列车的车辆参数，其中，所述车辆参数包括：载重参数、轮对磨损参数和编组参数。

步骤200：根据所述车辆参数和列车的运行条件，建立列车的运行仿真初始模型。

在上述描述中，所述运行条件包括：

第一运行条件，包括：线路坡度、道岔及曲线半径；

第三运行条件，包括：列车自重和乘客负载情况；

第五运行条件，包括：牵引供电、牵引电机的特性和状态；

在步骤200中，根据所述车辆参数和列车的第一至第四运行条件，建立列车的运行仿真初始模型；其中，所述运行仿真初始模型包括：逻辑控制单元、列车纵向力计算单元和列车运行阻力计算单元。

步骤300：在所述列车的运行仿真初始模型中添加该列车的牵引特性信息和制动特性信息，得到该列车的运行仿真模型。

步骤400：基于所述列车的运行仿真模型，建立该列车的电路模型。

步骤500：根据所述列车的运行仿真模型和电路模型，对该列车进行仿真运行操作。

从上述描述可知，本发明的实施例提供的列车运行仿真方法，可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的一种列车运行仿真方法，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

在一种具体实施方式中，参见图5，所述列车运行仿真方法中的步骤300具体包括如下内容：

步骤301：根据所述第五运行条件，在所述列车的运行仿真初始模型中添加该列车的牵引特性信息。

在上述描述中，所述步骤301具体包括如下内容：根据所述第五运行条件，以及，所述列车在干燥及清洁的平直轨道和额定电压下的牵引特性，获取所述列车的牵引特性信息，以及，根据所述列车的牵引特性信息生成牵引力计算单元，并将所述牵引力计算单元添加至所述列车的运行仿真初始模型。

步骤302：根据所述第六运行条件，在所述列车的运行仿真初始模型中添加该列车的制动特性信息，得到该列车的运行仿真模型。

在上述描述中，所述步骤302具体包括如下内容：根据所述第六运行条件，获取所述列车的制动特性信息；以及，根据所述列车的制动特性信息生成制动力计算单元，并将所述牵引力计算单元添加至所述列车的运行仿真初始模型，得到该列车的运行仿真模型；其中，所述制动特性信息包括：电制动信息和空气制动信息。

在一种具体实施方式中，参见图6，所述列车运行仿真方法中的步骤400具体包括如下内容：

步骤401：根据列车中的各电器设备的功能、作用和电压等级，划分得到列车的主电路、辅助电路和控制电路。

步骤402：将列车的主电路、辅助电路和控制电路进行连接，得到所述列车的电路模型。

可以理解的是，所述电路模型用于表示列车运行在正常或故障工况条件下，包括导线在内的相关电器间的得电和失电关系。

为进一步的说明本方案，本发明还提供一种列车运行仿真方法的具体应用例，具体包括如下内容：

(1)列车运行仿真

列车运行仿真系统能够提供各种不同的运行环境，包括但不局限于不同的线路环境：弯道、坡道、道岔、折返线、库线等；不同的气候环境：晴天、雨天、雪天、沙尘、雷电等；不同的车辆参数：载重、轮对磨损、编组等。完全模拟真实列车的牵引/制动在上述各种工况下的操纵特性。

列车运行仿真系统的好坏取决于软件部分的功能强弱和完善，这与仿真系统运行仿真的数学模型的正确建立、仿真的手段、参数的准确获得有关。有些数据由设计参数直接定，有些数据需通过试验而获得。数学模型的建立除了要能准确反映地铁列车的实际运行情况外，还需适合数字计算机的仿真运用，而且便于修改和扩充。仿真系统软件主要是在运行仿真时实现：列车操作的控制方式、司机操纵台中仪表及指示灯显示、列车的牵引力计算、列车的粘着和空转、列车电路及制动系统正常和故障时的逻辑、列车的动力制动、空气制动的计算、列车动力学的计算等。这些功能的模拟，主要由列车电路的逻辑控制模型、列车纵向力计算模型、牵引力计算模型、制动力计算模型、列车运行阻力计算模型的建立和仿真实现的。

(2)运行条件

列车运行仿真模型包括对下述运行条件的处理：线路坡度、道岔及曲线半径；在地面、高架、隧道内等不同路段的运行阻力；列车自重和不同情况下的乘客负载情况；牵引供电；牵引电机的特性和状态；电制动和空气制动的特性与状态；混合制动和制动反应时间；不同情况下的轮轨粘着系数；车轮空转和滑行情况；停放制动特性和应用。

(3-1)牵引特性

正确地仿真列车的牵引特性，对于列车超员载荷，车轮半磨耗状态，在干燥、清洁的平直轨道和额定电压下的牵引特性的具体数据需由主机厂提供。

(3-2)制动特性

正确地仿真列车的制动特性，包括：电制动与空气制动特性；按下“停放制动施加”按钮后，模拟由每个轴上的弹簧施加的制动力；具体的制动特性数据在设计联络时提供。

(4)列车电路数学模型

地铁列车包括有动车和拖车，列车电路数学模型必须包括所有车辆的电路设备，才能实现列车的完全电路仿真。车辆电路按电路中的各种电器设备的功能和作用、电压等级，可分为主电路、辅助电路和控制电路等几个部分，各电路通过电——磁、电——空、电——机械传动方式相互联系起来。

车辆电路中所有电器以及连接它们的导线都是它的组成部分，相互之间有着密不可分的联系，其中的许多电器本身又可分成几个部分，如继电器由线圈、常开和常闭触头组成，可出现在电路中许多不同的地方，各部分又存在有耦合关系。实际上，列车电路中的所有电器都只有得电或失电两种状态，可以把列车电路当作逻辑电路来处理。

车辆电路数学模型是指列车运行在正常和故障工况条件下，电路中包括导线在内的相关电器间的得电、失电关系。电路工作受头车操纵台开关、控制器的输入、列车运行所设置或解除的故障所控制，并与各电器部件状态及它们的连接关系相关。

另外，执行所述列车运行仿真方法的列车运行仿真系统还可以具体包括如下内容：

故障仿真系统：故障仿真系统是列车仿真系统的重要组成部分，设计的故障系统一方面准确模拟故障现象，另外还能培训司机发现故障、判断并分析故障、解除故障的能力。故障系统由故障与突发事件现象模拟系统、故障处理及培训系统、故障评分系统、故障管理系统组成。故障系统的设计兼顾可扩充性、手段多样性、易操作性，能完成列车的故障和突发事件的模拟功能。采用硬件与软件相结合的方式进行故障的模拟，可模拟列车运行过程中相关的各类故障现象，以及内部逻辑和相应的表现情况。

视景系统：完全模拟列车在真实线路上的运行环境，包括牵引、制动和惰行等运行性能，视景、声音等运行环境仿真具有与真实列车性能的高逼真度仿真和运行环境的高逼真度仿真的统一，具有真车运行一致的感受。视景系统采用计算机成像技术、声音系统采用5.1声道的杜比环绕立体声音响以及1:1的全实物仿真操纵台、仿真司机室内部设备，能满足对运行环境进行高逼真度模拟的要求，操纵、视景、声音、信号、故障等完全仿真，符合车辆的技术要求。

需完成工作：列车仿真系统的建设需要车辆主机厂和子系统生产厂家的全力配合才能完成。主机厂需提供整车原理图、网络控制拓扑图、牵引制动曲线、逻辑控制策略等于仿真相关资料；相关子系统厂家除需提供部分仿真系统用硬件外，还需提供子系统组成原理图、电气原理图等资料，用于原理模拟、故障模拟等。

其中，所述列车仿真系统可以包括：车载装置实物和计算机模拟系统；其中的硬件组成包括车载装置和计算机模拟系统两部分，为真实模拟仿真车辆运行状态，两头车的车辆网络控制系统、司控器采用车载实物模拟，可以直接下载车辆逻辑控制程序；子系统如PIS、CCTV、PA、TETRA、EDCU采用部分车载实物模拟，其它子系统如牵引、制动、空调等采用计算机模拟。

计算机模拟系统用于模拟车载子系统运行过程，可模拟牵引、制动曲线，空调运行温度曲线，门开关逻辑等。计算机模拟装置由平板计算机，MVB通讯卡、远程I/O模块等硬件组成，具备MVB通讯、RS485通讯、以太网通讯功能，具备数字信号模拟/检测、PWM信号模拟/检测功能。计算机模拟系统连接在TCMS网络上，接受网络控制信号，模拟车载子系统运行曲线、动作逻辑、故障等功能，同步将运行反馈信号回馈至TCMS系统，其中，具体的列车运行仿真系统的组成设备如表1所示。

表1

从上述描述可知，本发明的应用实例提供的列车运行仿真方法及列车运行仿真系统，可靠性高且功能完善，能够为实习列车驾驶员提供一种完整且仿真度高的一种列车运行仿真方法，并为列车交通工程的研究提供了精确的研究技术。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种列车运行仿真系统，其特征在于，所述列车运行仿真系统包括：依次通信连接的车辆参数获取模块、运行仿真初始模型建立模块、牵引及制动特性信息添加模块、电路模型建立模块和仿真运行模块；

2.根据权利要求1所述的列车运行仿真系统，其特征在于，所述运行环境包括：线路环境和气候环境，其中，所述线路环境包括：弯道、坡道、道岔、折返线和库线，所述气候环境包括：晴天、雨天、雪天、沙尘和雷电；

3.根据权利要求1所述的列车运行仿真系统，其特征在于，所述运行条件包括：

第一运行条件，包括：线路坡度、道岔及曲线半径；

第三运行条件，包括：列车自重和乘客负载情况；

4.根据权利要求3所述的列车运行仿真系统，其特征在于，所述运行仿真初始模型建立模块用于根据所述车辆参数和列车的第一至第四运行条件，建立列车的运行仿真初始模型；

5.根据权利要求3所述的列车运行仿真系统，其特征在于，所述运行条件还包括：

第五运行条件，包括：牵引供电、牵引电机的特性和状态；

6.根据权利要求5所述的列车运行仿真系统，其特征在于，所述牵引及制动特性信息添加模块包括：

7.根据权利要求6所述的列车运行仿真系统，其特征在于，所述牵引特性信息添加单元包括：

8.根据权利要求7所述的列车运行仿真系统，其特征在于，所述制动特性信息添加单元包括：

9.根据权利要求1所述的列车运行仿真系统，其特征在于，所述电路模型建立模块包括：

10.根据权利要求1至8任一项所述的列车运行仿真系统，其特征在于，所述电路模型用于表示列车运行在正常或故障工况条件下，包括导线在内的相关电器间的得电和失电关系。