CN110928214A - 一种基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统及其方法，所述系统包括显示器、机车模拟操作台、机车操控记录装置、线路数据服务器和智能控制装置。本发明考虑了人为控制对列车牵引计算的影响，可以最大限度的做到对列车控制的模拟仿真，在牵引能耗的计算中，通过采集和记录机车操控信息进行的计算，与传统的模拟仿真软件不同，与实际偏差小，运算结果更加准确。另外，发明能够实现多机互联，能够同时模拟不同型号机车牵引运行，与实际供电臂运行工况接近，提高供电臂负荷计算的准确性。

Description

一种基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统及方法

技术领域

本发明涉及列车牵引供电技术领域，具体涉及一种基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统及方法。

背景技术

列车牵引供电能耗计算涉及力学、运动学和电学等计算，需要考虑的实际因素较多，例如：列车载重、操控策略、线路情况、气候自然环境、机车动力特性、车辆编组、运行编排、供电制式等，各种因素相互交织、相互制约。行业内通常采用软件仿真，但是存在最大的问题就是计算条件设定单一，往往将机车驾驶与供电脱节，与实际偏差较大。

在机车驾驶方面，目前有动车组模拟驾驶系统，多用于对员工进行岗前技能培训。作为列车模拟系统的一种，该系统主要由前端显示器、列车控制装置、通讯装置、声音仿真子系统、六自由度动感子系统、运行仿真子系统、故障仿真子系统组成，结合计算机仿真技术、列车动力学、列车控制理论和影像、音响技术，对列车特性、ATP、ATO、线路运行要求等从视觉、听觉、体感、触觉等方面做到对动车组运行控制的模拟，对驾驶员起到较好的意识深化、技巧培训的作用。然而，该系统具有如下若干问题：1)忽略了列车重载、轻载、车轮黏着特性、牵引定数等实际问题，更无法做到列车牵引出力、用电能耗等参数的计算；2)其只能对典型的几个高速动车组进行安全驾驶模拟，没有考虑到普速列车的操控；3)线路工况也仅仅是既有的个别案例，无法联系到实际线路数据；4)系统独立，无法进行网络共享。

在牵引计算方面的模拟仿真软件较多，国外有Webnet、Dynamic等，国内铁科院在2000年开发列车牵引计算软件、北京交通大学开发的列车牵引供电仿真软件等。这些软件能够按照实际线路纵断面，对列车启动、运行、惰性、制动、停站等仿真，计算列车走行速度时分及牵引能耗，但是，这些计算都是基于对列车最大黏着牵引力或者最大启动电流的前提下进行的计算，与实际偏差较大；况且，列车在隧道、桥梁、限速区等的速度控制都是按照制动反算来进行的，有雷同于ATC，但又与实际存在偏差，导致牵引计算结果不准确。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统及方法，考虑了人为控制对列车牵引计算的影响，可以最大限度的做到对列车控制的模拟仿真。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统，包括显示器、机车模拟操作台、机车操控记录装置、线路数据服务器和智能控制装置；

所述机车模拟操作台主要由操作面板、控制主机、控制手柄构成；

所述控制手柄用于完成列车的操控，包括启动、牵引、惰性、制动；

控制主机分别与所述智能控制装置和显示器通讯连接，用于：设定机车条件数据并发送至智能控制装置，所述机车条件数据包括线路编组、发车间隔、机车型号、车辆数据、牵引载重；接收智能控制装置的计算结果，据此生成机车运动、线路、速度场景画面并投放到显示器中；

所述操作面板通讯连接于所述控制主机，用于供操作者和控制主机之间进行人机交互；

所述机车操控记录装置主要包括位置传感器，所述位置传感器用于采集机车模拟操作台的控制手柄的位置信号并传输至智能控制装置；

线路数据服务器：通讯连接于所述控制主机、机车操控记录装置和智能控制装置，其用于：存储线路的相关数据并传输至智能控制装置，所述线路的相关数据包括坡道、曲线、限速、隧道、桥梁；

所述智能控制装置通讯连接于所述控制主机和线路数据服务器，用于：接收机车操控记录装置采集到的控制手柄的位置信号；接收来自机车模拟操作台的控制主机的机车条件数据；接收来自线路数据服务器的线路的相关数据；根据控制手柄的位置信号、机车设定条件数据和线路的相关数据计算得到机车速度、加速度、牵引出力、牵引能耗并回传至机车模拟操作台的控制主机，控制主机根据智能控制装置的计算结果生成机车运动、线路、速度场景画面并投放到显示器。

进一步地，所述系统还包括有驾驶座椅。

进一步地，所述线路数据服务器独立设置，并通讯连接于多个列车牵引模拟系统的智能控制装置，各个列车牵引模拟系统的智能控制装置通过线路数据服务器进行数据共享。

本发明还提供一种利用上述系统的方法，包括如下步骤：

S1、在机车模拟操作台上，操作人员通过操作面板向控制主机中设定机车条件数据，发送至智能控制装置；控制主机将设定的机车条件数据发送至智能控制装置；

S2、开始进行机车模拟操作后，操作人员通过控制手柄完成列车的操控，包括启动、牵引、惰性、制动；

S3、所述机车操控记录装置的位置传感器采集机车模拟操作台的控制手柄的位置信号并传输至智能控制装置；

S4、所述智能控制装置接收到机车操控记录装置采集到的控制手柄的位置信号、来自机车模拟操作台的控制主机的机车条件数据和来自线路数据服务器的线路的相关数据后，据此计算得到机车速度、加速度、牵引出力、牵引能耗并回传至机车模拟操作台的控制主机；

S5、控制主机根据智能控制装置的计算结果生成机车运动、线路、速度场景画面并投放到显示器。

本发明的有益效果在于：

1、本发明方法在牵引能耗的计算中，是通过采集和记录机车操控信息进行的计算，与传统的模拟仿真软件不同，与实际偏差小，运算结果更加准确；

2、该发明能够实现多机互联，能够同时模拟不同型号机车牵引运行，与实际供电臂运行工况接近，提高供电臂负荷计算的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例1的系统结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

实施例1

本实施例提供一种基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统，如图1所示，包括显示器1、机车模拟操作台2、机车操控记录装置3、线路数据服务器4和智能控制装置6；

所述机车模拟操作台2主要由操作面板、控制主机、控制手柄构成；

所述控制手柄用于完成列车的操控，包括启动、牵引、惰性、制动；

具体地，高速列车的控制手柄主要包括牵引手柄和制动手柄，而在普速列车的操作中，需要适当对控制手柄的功能进行相应的调整。

控制主机分别与所述智能控制装置和显示器通讯连接，用于：设定线路编组、发车间隔、机车型号、车辆数据、牵引载重等机车条件数据并发送至智能控制装置；接收智能控制装置的计算结果，据此生成机车运动、线路、速度场景画面并投放到显示器中；

所述操作面板通讯连接于所述控制主机，用于供操作者和控制主机之间进行人机交互；例如供操作者在控制主机中进行机车条件数据的设定操作；

所述机车操控记录装置3主要包括位置传感器，所述位置传感器用于采集机车模拟操作台的控制手柄的位置信号并传输至智能控制装置；

线路数据服务器4：通讯连接于所述控制主机和所述智能控制装置5，其用于：存储线路的相关数据并传输至智能控制装置5，所述线路的相关数据包括坡道、曲线、限速、隧道、桥梁；

所述智能控制装置5通讯连接于所述机车操控记录装置3、控制主机和线路数据服务器4，用于：接收机车操控记录装置3采集到的控制手柄的位置信号；接收来自控制主机的机车条件数据；接收来自线路数据服务器4的线路的相关数据；根据控制手柄的位置信号、机车设定条件数据和线路的相关数据计算得到机车速度、加速度、牵引出力、牵引能耗并回传至机车模拟操作台2的控制主机，控制主机根据智能控制装置5的计算结果生成机车运动、线路、速度场景画面并投放到显示器1。

智能控制装置5的具体计算原理如下：

1、列车受力计算

根据列车在运行过程中的出力大小和方向，列车的运行过程可以分为启动、牵引、惰行和制动四种工况，在不同的工况下列车的受力分析不同。

(1)启动工况

列车启动运行时，牵引力较大。在此定义列车启动工况为列车速度v≤10km/h下的运行工况，其单位合力计算公式为：

式中，c-单位合力(N/kN)，F-牵引力(N)，(∑P+G)-列车总质量(t)，g-重力加速度(9.81m/s2)，e-起动阻力经验常数(N/kN)。

(2)牵引工况

在牵引工况下，列车受到的力包括：牵引力、基本阻力、附加阻力，其单位合力计算公式为：

式中，wj-加算坡道单位合力，w_j＝i+A/R+0.00013L_s(N/kN)。

(3)惰行工况

在惰行工况下，列车受到的力包括：基本阻力、附加阻力，牵引力与制动力都为零，其单位合力的计算公式为：

式中，wj-加算坡道单位合力，w_j＝i+A/R+0.00013L_s(N/kN)。

(4)制动工况

在制动工况下。列车受到的力包括：制动力、基本阻力、附加阻力，其中制动力分为两部分，动力制动与空气制动。此时列车单位合力计算公式为：

式中，wj-加算坡道单位合力，w_j＝i+A/R+0.00013L_s(N/kN)。

2、列车运动方程推导

考虑到列车结构的复杂性，在作平移运动的同时还有一些其他部分(如轮对等)在作回转运动，因此列车整体的动能应当由两方面来构成，即：

式中，Ek-列车的整体动能，m-列车的整体质量，v-列车速度，I-回转部分的转动惯量，ω-回转部分的角速度。

设回转部分的回转半径为Rh(m)，则v/Rh，代入上式可得：

式中，

即回转质量系数。

此时列车的动能可以写为：

对上式进行微分，可计算出列车的动能增量为：

dE_k＝v·dv·m·(1+γ) (8)；

合力对列车做的功为：

W＝1000Cvt (9)；

式中，C-列车所受合力，kN；t-合力做功时间，s。

根据动能定理，合力对物体所做的功等于物体动能的变化，对公式两边进行求导可以得到：

dE_k＝v·dv·m·(1+γ)＝C·dS＝C·v·dt (11)；

由此可得：

式中，γ-回转质量系数，g-重力加速度，取9.81m/s2。

将加速度的单位转换为km/h²，有

式中，ξ＝127/(1+γ)，称为加速度系数。

设定任意时刻列车的速度为Vi，列车所在位置公里标为Si，列车所受合力为ci。在计算中若设置的仿真步长足够小，则可以认为在这段时间列车的受力、加速度一直保持不变，由此可知列车在经过一个单位步长之后的速度、公里标的计算公式为：

在仿真计算的过程中根据列车运动方程推导出来的解算列车运行速度、运行距离的公式，通过不断迭代得到列车运行过程中的计算数据。

3、列车功率计算模型

列车电气牵引负荷特性是进行牵引供电系统计算和设计的基础，对于供电系统来说，列车的电气牵引负荷特性指的是受电弓处的取电功率。

高速列车通常使用的是大功率的交-直-交动车组，受电弓从接触网上取得的电能需要经过列车的牵引变压器、整变流器、逆变器、电动机、齿轮传动等缓解才能传递到列车的轮周，同时还要向列车的空调、照明、控制设备等提供能量，通常传递到列车轮轴的功率为列车牵引功率的一部分。

列车的轮周输出功率可以表示为：

P_轴＝F_轴×v (16)

列车受电弓处的取电功率为：

P_取电＝[P_轴/(η_传动电_动机η_变流器)+P_辅助]/η_变压器＝[P_轴/η₁+P_辅助]/η₂ (17)

式中η表示功率传动效率；P辅助为列车中控制设备和空调、照明等辅助设备所需功率，需根据实际的列车来给定值。一般，齿轮传动效率取0.98-0.99，电动机效率取0.9-0.94，变流器的效率取0.95-0.97，变压器的效率取0.94-0.97。

由此得到机车速度、加速度、牵引出力、牵引能耗计算值。

进一步地，在本实施例中，所述智能控制装置5主要由液晶显示屏、控制板和电源组成；所述控制板为核心组件，为主要由DSP单元、FPGA单元、16路模拟调理电路、DAC单元、通信接口等组成的通用控制电路板，用于接收来自机车模拟操作台的位置信号、机车条件数据和来自线路数据服务器的线路相关参数，经DSP单元计算得到并输出机车速度、加速度、牵引出力、牵引能耗的数据。

进一步地，在本实施例中，所述智能控制装置5主要由液晶显示屏、控制板和电源组成；所述控制板为核心组件，为主要由DSP单元、FPGA单元、16路模拟调理电路、DAC单元、通信接口等组成的通用控制电路板，用于接收来自机车模拟操作台的位置信号、机车条件数据和来自线路数据服务器的线路相关参数，经DSP单元计算得到并输出机车速度、加速度、牵引出力、牵引能耗的数据。

在本实施例中，所述线路数据服务器4主要是由一台控制计算机组成，用于存储线路的坡道、曲线、限速、隧道、桥梁等文件并传递到智能控制装置，供牵引能耗计算。

所述系统还包括有驾驶座椅6。所述驾驶座椅仿动车组驾驶室配置。

实施例2

本实施例的系统构成和实施例1基本相同，但是在本实施例中，所述线路数据服务器独立设置，并通讯连接于多个列车牵引模拟系统的智能控制装置，各个列车牵引模拟系统的智能控制装置通过线路数据服务器进行数据共享。各个列车的数据共享可以完成一条供电臂多个不同车型列车的供电分析计算。

实施例3

本实施例提供一种利用实施例1或实施例2所述系统的方法，包括如下步骤：

S1、在机车模拟操作台上，操作人员通过操作面板向控制主机中设定机车条件数据，发送至智能控制装置；控制主机将设定的机车条件数据发送至智能控制装置；

S2、开始进行机车模拟操作后，操作人员通过控制手柄完成列车的操控，包括启动、牵引、惰性、制动；

S3、所述机车操控记录装置的位置传感器采集机车模拟操作台的控制手柄的位置信号并传输至智能控制装置；

S4、所述智能控制装置接收到机车操控记录装置采集到的控制手柄的位置信号、来自机车模拟操作台的控制主机的机车条件数据和来自线路数据服务器的线路的相关数据后，据此计算得到机车速度、加速度、牵引出力、牵引能耗并回传至机车模拟操作台的控制主机；

S5、控制主机根据智能控制装置的计算结果生成机车运动、线路、速度场景画面并投放到显示器。

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统，其特征在于，包括显示器、机车模拟操作台、机车操控记录装置、线路数据服务器和智能控制装置；

所述机车模拟操作台主要由操作面板、控制主机、控制手柄构成；

所述控制手柄用于完成列车的操控，包括启动、牵引、惰性、制动；

控制主机分别与所述智能控制装置和显示器通讯连接，用于：设定机车条件数据并发送至智能控制装置，所述机车条件数据包括线路编组、发车间隔、机车型号、车辆数据、牵引载重；接收智能控制装置的计算结果，据此生成机车运动、线路、速度场景画面并投放到显示器中；

所述操作面板通讯连接于所述控制主机，用于供操作者和控制主机之间进行人机交互；

所述机车操控记录装置主要包括位置传感器，所述位置传感器用于采集机车模拟操作台的控制手柄的位置信号并传输至智能控制装置；

线路数据服务器：通讯连接于所述控制主机和所述智能控制装置，其用于：存储线路的相关数据并传输至智能控制装置，所述线路的相关数据包括坡道、曲线、限速、隧道、桥梁；

所述智能控制装置通讯连接于所述控制主机和线路数据服务器，用于：接收机车操控记录装置采集到的控制手柄的位置信号；接收来自机车模拟操作台的控制主机的机车条件数据；接收来自线路数据服务器的线路的相关数据；根据控制手柄的位置信号、机车设定条件数据和线路的相关数据计算得到机车速度、加速度、牵引出力、牵引能耗并回传至机车模拟操作台的控制主机，控制主机根据智能控制装置的计算结果生成机车运动、线路、速度场景画面并投放到显示器。

2.根据权利要求1所述的基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统，其特征在于，所述系统还包括有驾驶座椅。

3.根据权利要求1所述的基于智能化模拟的列车牵引供电能耗计算系统，其特征在于，所述线路数据服务器独立设置，并通讯连接于多个列车牵引模拟系统的智能控制装置，各个列车牵引模拟系统的智能控制装置通过线路数据服务器进行数据共享。

4.一种利用上述任一权利要求所述系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、在机车模拟操作台上，操作人员通过操作面板向控制主机中设定机车条件数据，发送至智能控制装置；控制主机将设定的机车条件数据发送至智能控制装置；

S2、开始进行机车模拟操作后，操作人员通过控制手柄完成列车的操控，包括启动、牵引、惰性、制动；

S3、所述机车操控记录装置的位置传感器采集机车模拟操作台的控制手柄的位置信号并传输至智能控制装置；

S4、所述智能控制装置接收到机车操控记录装置采集到的控制手柄的位置信号、来自机车模拟操作台的控制主机的机车条件数据和来自线路数据服务器的线路的相关数据后，据此计算得到机车速度、加速度、牵引出力、牵引能耗并回传至机车模拟操作台的控制主机；

S5、控制主机根据智能控制装置的计算结果生成机车运动、线路、速度场景画面并投放到显示器。

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