CN112000086B - 一种列车运行状态仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种列车运行状态仿真系统，通过搭建仿真系统，模拟列车实际运行状态，提高了对列车的控制系统的测试效率。该系统包括车轮受力状态模拟单元；所述车轮受力状态模拟单元用于根据不同车轮的受力情况，分别计算各个车轮在牵引、制动、惰行这3个运行阶段的车轮加速度以及由各个车轮各自反映出的列车加速度，然后计算由所有车轮综合反映出的列车加速度，最后根据车轮加速度计算得到车轮速度以及根据所有车轮综合反映出的列车加速度计算得到列车速度和列车位移。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通技术领域，更具体地说，涉及一种列车运行状态仿真系统。
背景技术
当前我国的轨道交通行业正处于新一轮上升阶段，在列车正式运营之前，需要对列车的控制系统进行测试，以尽可能的提前发现并消除问题。但在现场进行测试，普遍存在测试效率低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种列车运行状态仿真系统，以实现通过搭建仿真系统，模拟列车实际运行状态，提高对列车的控制系统的测试效率。
一种列车运行状态仿真系统，包括车轮受力状态模拟单元；
所述车轮受力状态模拟单元用于根据不同车轮的受力情况，分别计算各个车轮在牵引、制动、惰行这3个运行阶段的车轮加速度以及由各个车轮各自反映出的列车加速度，然后计算由所有车轮综合反映出的列车加速度，最后根据车轮加速度计算得到车轮速度以及根据所有车轮综合反映出的列车加速度计算得到列车速度和列车位移。
可选的，所述车轮受力状态模拟单元包括：牵引阶段动力轴受力状态模拟子单元3221、牵引阶段其他轴受力状态模拟子单元3222、制动阶段滚动轴受力状态模拟子单元3231、制动阶段其他轴受力状态模拟子单元3232、惰行阶段车轮受力状态模拟子单元324、周期加速度设置子单元325、车轮速度计算子单元326以及列车速度和位移计算子单元327；
首先，定义各参数含义如下：
axle_traction_adhension_acc：各车轮牵引黏着系数加速度；
axle_brake_adhension_acc：各车轮制动黏着系数加速度；
axle_traction_acc：各车轮牵引加速度；
axle_barke_acc：各车轮制动加速度；
axle_basic_acc：各车轮基本阻力加速度；
axle_gradient_acc：车轮所在坡道加速度；
this_cycle_current：本周期电流值；
min_current：控车使用最小电流值；
max_current：控车使用最大电流值；
traction_train_r：动车转动惯量系数；
trailer_train_r：拖车转动惯量系数；
ebp_start_speed：制动时的起步速度；
minBrakeAcceleration：最小的制动减速度，为一绝对值；
temp_1_acc：由单个车轮反应出的列车加速度；
temp_2_acc：单个车轮的加速度；
其中，所述牵引阶段动力轴受力状态模拟子单元3221，用于在列车处于牵引阶段并且车轮的轴为动力轴时，先根据控制电流在电流范围的比例和当前速度下对应的牵引加速度，依次对temp_1_acc和temp_2_acc初始化，对应的计算公式为：
然后，通过比较temp_1_acc和axle_traction_adhension_acc判断该车轮是否发生空转，当temp_1_acc > axle_traction_adhension_acc时，说明发生了空转，否则没发生空转；
在空转状态下，考虑动车转动惯量系数，去除坡道、基本阻力的影响，依次更新temp_1_acc和temp_2_acc，对应的计算公式为：
在非空转状态下，考虑动车转动惯量系数，去除坡道、基本阻力的影响，依次更新temp_1_acc和temp_2_acc，对应的计算公式为：
所述牵引阶段其他轴受力状态模拟子单元3222，用于在列车处于牵引阶段并且车轮的轴为制动轴或滚动轴时，判断axle_traction_adhension_acc是否为0；
若axle_traction_adhension_acc=0，说明车轮可能发生了空转，则车轮加速度temp_2_acc不可信，设置为0；列车加速度temp_1_acc只考虑坡道加速度，依次计算列车和车轮加速度，对应的计算公式为：
若axle_brake_adhension_acc≠0，说明车轮未发生空转，则车轮和列车加速度相同，均设置为坡道和基本阻力引起的加速度，对应的计算公式为：
所述制动阶段滚动轴受力状态模拟子单元3231，用于在列车处于制动阶段并且车轮的轴为滚动轴时，判断axle_brake_adhension_acc是否等于0；
若axle_brake_adhension_acc=0，说明可能发生了滑行，则车轮加速度temp_2_acc不可信，设置为0，列车加速度temp_1_acc只考虑坡道加速度，对应的计算公式如下：
若axle_brake_adhension_acc≠0，说明未发生滑行，则仅有坡道和基本阻力影响列车速度，列车加速度和车轮加速度计算公式如下：
所述制动阶段其他轴受力状态模拟子单元3232，用于在列车处于制动阶段并且车轮的轴为动力轴或制动轴时，先对temp_1_acc进行初始化，使用牵引等级和基本阻力，计算列车加速度，具体为：
若本周期速度>最小的EB制动速度也即ebp_start_speed，则列车的制动加速度列表中，能获取当前速度对应的加速度temp_1_acc计算结果如下：
若本周期速度≤最小的EB制动速度，且temp_1_acc>最小制动加速度
minBrakeAcceleration，则temp_1_acc取值-minBrakeAcceleration；考虑基本阻力的影
响，
；
然后，分别使用上述两种不同情况下初始化得到的temp_1_acc进行空转滑行判断，具体为：
若|temp_1_acc|>axle_brake_adhension_acc，则说明发生了滑行，列车加速度需要考虑转动惯量系数和坡道的影响，计算公式如下：
如果是动力轴，则计算时使用动车转动惯量系数，计算公式如下：
如果是制动轴，则计算时使用拖车转动惯量系数，计算公式如下：
若未发生空转滑行，则根据牵引等级和当前速度对应的减速度，考虑基本阻力和坡道的影响，计算列车和车轮的加速度，此时：
如果是动力轴，则计算公式如下：
如果是制动轴，则计算公式如下：
所述惰行阶段车轮受力状态模拟子单元324，用于在列车处于惰行阶段时：
若axle_traction_adhension_acc=0或axle_brake_adhension_acc=0，说明可能发生了空转或滑行，能确定坡道的影响，列车和车轮加速度计算如下：
若axle_brake_adhension_acc≠0，说明未发生空转滑行，若坡道加速度<0，设置车轮状态为-1，否则设置为1， 列车和车轮加速度计算如下：
定义本周期车轮1~N计算的列车加速度Train_acc_N，N为车轮总个数，所述周期加速度设置子单元325用于针对每个车轮进行以上过程的计算，赋值Train_acc_N =temp_1_acc，然后对N个列车加速度Train_acc_N求平均，计算得到本周期列车加速度Train_acc，计算公式如下：
本周期对于每个车轮，赋值车轮加速度axle_this_cycle_acc=temp_2_acc；
假设本周期车轮加速度为axle_this_cycle_acc，本周期车轮速度axle_this_cycle_speed，上周期车轮速度axle_last_cycle_speed，则所述车轮速度计算子单元326用于计算本周期车轮速度的计算公式如下：
假设本周期列车加速度为Train_acc，上周期速度为last_Train_Speed，则所述列
车速度和位移计算子单元327用于计算本周期列车速度Train_Speed和列车位移
的公式如下：
可选的，所述列车运行状态仿真系统还包括牵引制动控制模拟单元；
从控车系统发出牵引制动指令到列车开始执行牵引、制动时，需要经历如下4个阶段：
阶段s1：指令传输延时，此阶段时需用时t1，控车电流值不变；
阶段s2：电容充电过程，此阶段需用时t2，控车电流值不变；其中若是同状态转换，则电容无需再充电；
阶段s3：TCU/BCU交互过程，此阶段需用时t3，控车电流值不变；
阶段s4：牵引、制动生效，此阶段需用时t4，然后控车电流值不变；
所述牵引制动控制模拟单元包括：无状态变化时的牵引控制子单元3121、无状态变化时的制动控制子单元3122、无状态变化时的惰行控制子单元3123、制动转牵引控制单元3131、惰行转牵引控制单元3132、牵引转制动控制单元3133、惰行转制动控制单元3134、牵引或制动转惰行控制单元3111；
无状态变化的牵引控制子单元3121用于在牵引状态下：若当前电流值已达到目标电流值，运行阶段保持在s1；若当前电流值小于目标电流值，依次经历阶段s1~ s4；若当前电流值大于目标电流值，依次经历阶段s1~ s4；
无状态变化时的制动控制子单元3122用于在制动状态下：若电流值已达到目标电流值，运行阶段保持在s1；若当前电流值小于目标电流值，依次经历阶段s1~ s4；若当前电流值大于目标电流值，依次经历阶段s1~ s4；
无状态变化时的惰行控制子单元3123，用于在惰行状态下，保持输出电流不变，不进行阶段转换；
制动转牵引控制单元3131，用于先由制动转为惰行，卸掉制动力，然后由惰行转为牵引，提升牵引力；
惰行转牵引控制单元3132，用于依次经历s1、s2、s3、s4阶段；
牵引转制动控制单元3133，用于先由牵引转为惰行，卸掉牵引力，然后由惰行转为制动，提升制动力；
惰行转制动控制单元3134，用于依次经历s1、s2、s3、s4阶段；
牵引或制动转惰行控制单元3111，用于：若从牵引转惰行，从s1或s2直接跳转到s3，经过时间t3后，各TCU/BCU单元协商完毕，进入s4阶段，在t4阶段逐渐减小电流值，若电流值小于最小的控车电流min_current状态转到s1，计时清零，进入惰行状态，保持在惰行状态；若从制动转换到惰行，从s1或s2直接跳转到s3，经过时间t3后，各TCU/BCU单元协商完毕，进入s4阶段，在t4阶段逐渐减小电流值，若电流值小于最小的控车电流min_current状态转到s1，计时清零，进入惰行状态，保持在惰行状态。
可选的，所述列车运行状态仿真系统还包括传感器输出模拟单元；
所述传感器输出模拟单元包括3个轮轴速度传感器的输出模拟、2个雷达速度传感器的输出模拟以及3个加速度计的输出模拟，将传感器与随机值之和作为传感器原始速度值，使用所述随机值来区分不同的传感器，随机值的取值考虑各个传感器的分辨率、根据传感器的性能设置。
可选的，所述列车运行状态仿真系统还包括空转模拟单元和滑行模拟单元；
空转模拟单元，用于在加速过程中对3个车轮进行设置，设置空转等级为M空转等级，1≤空转等级≤10，设置等级后，将参数传递给列车控制模型，对车轮1、2、3的加速度进行修改，造出空转状态，则车轮1、2、3的加速度计算公式均为：
滑行模拟单元，用于在减速过程中对3个车轮进行设置，设置滑行等级为M滑行等级，-10≤M滑行等级≤-1，设置等级后，将参数传递给列车控制模型，对车轮1、2、3的加速度进行修改，造出滑行状态，则车轮1、2、3的加速度计算公式均为：
可选的，所述列车运行状态仿真系统还包括跳跃功能模拟单元；
所述跳跃功能模拟单元用于模拟向前跳跃和先后跳跃；
跳跃时将位移等分为2部分，前一半用固定加速度加速，后一半用固定加速度减
速，当前半部分加速过程的累计位移
达到目标跳跃距离的1/2时，进入后半部
分减速过程；
前半部分位移速度计算公式如下：
此时列车的加速度
取值如下：
后半部分位移速度计算公式如下：
此时列车的加速度
取值如下：
其中：
为本周期位移，
为累计跳跃距离，
为
本周期跳跃速度，
为跳跃时使用的加速度，
为周期运行时间；
接下来，判断列车运行方向：
当列车运行方向为向前时，在列车的位移上累加
，列车速度和模
拟的速度传感器输出均为
：
当列车运行方向为向后时，在列车的位移上累减
，列车速度和模拟
的速度传感器输出均为
；
从上述的技术方案可以看出，本发明通过模拟列车车轮受力情况，计算得到车轮速度和加速度以及列车速度和加速度，在一定程度上模拟了列车实际运行状态，相比在现场进行测试，能够有效提高对列车的控制系统的测试效率。
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为本发明实施例公开的一种列车运行状态仿真系统结构示意图；
图2为本发明实施例公开的又一种列车运行状态仿真系统结构示意图；
图3为本发明实施例公开的一种运行状态未发生变化时的控制逻辑示意图；
图4为本发明实施例公开的一种运行状态发生变化时的控制逻辑示意图；
图5为本发明实施例公开的又一种列车运行状态仿真系统结构示意图。
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。
参见图1，本发明实施例公开了一种列车运行状态仿真系统，包括车轮受力状态模拟单元。
具体的，在列车的控制系统中，TCU(Traction Control Unit，牵引控制单元)和BCU(Brake Control Unit，制动控制单元)尤为重要。外部的牵引、制动指令传输到列车中，列车收到指令后，TCU和BCU结合列车当前的运行状态，对列车的牵引、制动力度进行调整，以实现对列车的控制，让列车处于牵引、制动或惰行的状态。
随着科技的发展，列车由动力集中在一端，渐渐改进为两端均有动力的推拉式列车，或动力分散式列车，列车上同时存在多个TCU和BCU单元，各自控制列车不同模块。为了保证列车整体运行的一致性，在最终执行牵引、制动指令时，各个TCU和BCU会进行交互。并且在电路控制中，当运行状态发生变化(牵引↔制动、惰行→牵引、惰行→制动)，电容会有一个充电过程，以连通牵引或制动的控制电路。最终通过输出的电流大小，来控制列车执行牵引、制动或惰行的计划。
列车运行时，主要的动力作用在车轮上，车轮除了受到控车系统的牵引/制动力，还有轮轨间的摩擦力和黏着力。当轮轨间的作用力和车轮动能不协调时，就会发生空转/滑行，对列车的安全性影响较大。所谓空转，即车轮速度>列车整体速度(例如加速时牵引力过大，车轮转速过快而列车尚未启动，导致车轮空转，甚至破坏钢轨)。所谓滑行，即车轮速度<列车整体速度(例如道路结冰时，车轮打滑并未转动，但车仍然向前运行)。
本发明实施例公开的车轮受力状态模拟单元，用于通过对车轮受力状态进行模拟，根据不同车轮的受力情况，分别计算各个车轮在牵引、制动、惰行这3个运行阶段的车轮加速度以及由各个车轮各自反映出的列车加速度，然后计算由所有车轮综合反映出的列车加速度，最后根据车轮加速度计算得到车轮速度以及根据所有车轮综合反映出的列车加速度计算得到列车速度。
本发明实施例设计所述车轮受力状态模拟单元的思路如下：
对车轮受力状态的模拟主要考虑以下四项因素：
1）车轮受力状态的模拟要考虑到车轮的黏着系数、牵引受力、制动受力、基本阻力、坡道影响这5个方面的受力情况。
2）当前列车多为动力分散式，车轮的轴区分为动力轴、制动轴和滚动轴。动力轴可用来牵引，也可用来制动；制动轴只能用来制动，不能提供牵引；滚动轴上无动力，仅能跟随变化。由于不同轴具有不同特性，所以车轮受力状态的模拟要区分这3种轴的类型。
3）列车在不同的运行阶段受力不同，因此车轮受力状态的模拟要区分牵引、制动、惰行这3个运行阶段。
4）车轮受力状态的模拟还需考虑列车的重量，当前列车一般设计3种重量：车辆空载、客座满载、定员荷载。根据牛顿第二运行定律公式F=ma，估算列车的加速度a后，结合列车质量，可推算出列车受力，从而计算列车的功率和能耗。
综合车轮受力状态的模拟要考虑的上述各项因素，通过车轮上不同作用力施加后的加速度来分析列车的受力情况，这些加速度包括：
1) axle_traction_adhension_acc：各车轮牵引黏着系数加速度；
2) axle_brake_adhension_acc：各车轮制动黏着系数加速度；
3) axle_traction_acc：各车轮牵引加速度（根据列车性能和牵引等级计算）；
4) axle_barke_acc：各车轮制动加速度（根据列车制动性能和制动等级计算）；
5) axle_basic_acc：各车轮基本阻力加速度（根据基本阻力计算）；
6) axle_gradient_acc：车轮所在坡道加速度（根据车轮所处坡道计算）。
在得到车轮上各个作用力施加后的加速度后，并考虑车轮是否有空转\滑行的特殊状态，计算列车的加速度，具体为：
1）计算牵引阶段列车加速度：区分动力轴、非动力轴(制动轴或滚动轴)；
2）计算制动阶段列车加速度：区分滚动轴、非滚动轴(动力轴或制动轴)；
3）计算惰行阶段列车加速度：不区分轴类型。
在得到车轮的加速度和列车的加速度后，即可通过简单计算得到车轮的速度和列车的速度。
基于上述设计车轮受力状态模拟单元的思路，本发明实施例首先给出不同阶段计算车轮加速度和列车加速度的公式，然后计算周期加速度，最后计算车轮速度和列车速度。对应的，所述车轮受力状态模拟单元包括：牵引阶段动力轴受力状态模拟子单元3221、牵引阶段其他轴受力状态模拟子单元3222、制动阶段滚动轴受力状态模拟子单元3231、制动阶段其他轴受力状态模拟子单元3232、惰行阶段车轮受力状态模拟子单元324、周期加速度设置子单元325、车轮速度计算子单元326以及列车速度和位移计算子单元327。
下面，对所述车轮受力状态模拟单元中包含的各个单元进行详述。
首先定义各参数含义如下：
1) this_cycle_current：本周期电流值；
2) min_current：控车使用最小电流值；
3) max_current：控车使用最大电流值；
4) traction_train_r：动车转动惯量系数；
5) trailer_train_r：拖车转动惯量系数；
6) ebp_start_speed：制动时的起步速度；
7) minBrakeAcceleration：最小的制动减速度（绝对值）；
8) temp_1_acc：由单个车轮反应出的列车加速度；
9) temp_2_acc：单个车轮的加速度。
所述牵引阶段动力轴受力状态模拟子单元3221，用于在列车处于牵引阶段并且车轮的轴为动力轴时，先根据控制电流在电流范围的比例和当前速度下对应的牵引加速度，依次对temp_1_acc和temp_2_acc初始化，对应的计算公式为：
然后，通过比较temp_1_acc和axle_traction_adhension_acc判断该车轮是否发生空转，具体的，当temp_1_acc > axle_traction_adhension_acc时，说明发生了空转，否则没发生空转；
在空转状态下，考虑动车转动惯量系数，去除坡道、基本阻力的影响，依次更新temp_1_acc和temp_2_acc，对应的计算公式为：
在非空转状态下，考虑动车转动惯量系数，去除坡道、基本阻力的影响，依次更新temp_1_acc和temp_2_acc，对应的计算公式为：
所述牵引阶段其他轴受力状态模拟子单元3222，用于在列车处于牵引阶段并且车轮的轴为制动轴或滚动轴时，判断axle_traction_adhension_acc是否为0；
若axle_traction_adhension_acc=0，说明车轮可能发生了空转，则车轮加速度temp_2_acc不可信，设置为0；列车加速度temp_1_acc只考虑坡道加速度，依次计算列车和车轮加速度，对应的计算公式为：
若axle_brake_adhension_acc≠0，说明车轮未发生空转，则车轮和列车加速度相同，均设置为坡道和基本阻力引起的加速度，对应的计算公式为：
制动阶段滚动轴受力状态模拟子单元3231，用于在列车处于制动阶段并且车轮的轴为滚动轴时，判断axle_brake_adhension_acc是否等于0；
若axle_brake_adhension_acc=0，说明可能发生了滑行，则车轮加速度temp_2_acc不可信，设置为0，列车加速度temp_1_acc只考虑坡道加速度，对应的计算公式如下：
若axle_brake_adhension_acc≠0，说明未发生滑行，则仅有坡道和基本阻力影响列车速度，列车加速度和车轮加速度计算公式如下：
制动阶段其他轴受力状态模拟子单元3232，用于在列车处于制动阶段并且车轮的轴为动力轴或制动轴时，先对temp_1_acc进行初始化，使用牵引等级和基本阻力，计算列车加速度，具体为：
若本周期速度>最小的EB制动速度也即ebp_start_speed，则列车的制动加速度列表中，能获取当前速度对应的加速度temp_1_acc计算结果如下：
若本周期速度≤最小的EB制动速度，且temp_1_acc>最小制动加速度
minBrakeAcceleration，则temp_1_acc取值-minBrakeAcceleration；考虑基本阻力的影
响，
；
然后，分别使用上述两种不同情况下初始化得到的temp_1_acc进行空转滑行判断，具体为：
若|temp_1_acc|>axle_brake_adhension_acc，则说明发生了滑行，列车加速度需要考虑转动惯量系数和坡道的影响，计算公式如下：
如果是动力轴，则计算时使用动车转动惯量系数，计算公式如下：
如果是制动轴，则计算时使用拖车转动惯量系数，计算公式如下：
若未发生空转滑行，则根据牵引等级和当前速度对应的减速度，考虑基本阻力和坡道的影响，计算列车和车轮的加速度，此时：
如果是动力轴，则计算公式如下：
如果是制动轴，则计算公式如下：
惰行阶段车轮受力状态模拟子单元324，用于在列车处于惰行阶段时（惰行阶段不区分轴类型）：
若axle_traction_adhension_acc=0或axle_brake_adhension_acc=0，说明可能发生了空转或滑行，能确定坡道的影响，列车和车轮加速度计算如下：
若axle_brake_adhension_acc≠0，说明未发生空转滑行，若坡道加速度<0，设置车轮状态为-1，否则设置为1， 列车和车轮加速度计算如下：
定义本周期车轮1~N计算的列车加速度Train_acc_N，N为车轮总个数，周期加速度设置子单元325用于针对每个车轮进行以上过程的计算，赋值Train_acc_N=temp_1_acc，然后对N个列车加速度Train_acc_N求平均，计算得到本周期列车加速度Train_acc，计算公式如下：
本周期对于每个车轮，赋值车轮加速度axle_this_cycle_acc=temp_2_acc。
假设本周期车轮加速度为axle_this_cycle_acc，本周期车轮速度axle_this_cycle_speed，上周期车轮速度axle_last_cycle_speed，则车轮速度计算子单元326用于计算本周期车轮速度的计算公式如下：
假设本周期列车加速度为Train_acc，上周期速度为last_Train_Speed，则列车速度和位移计算子单元327用于计算本周期列车速度Train_Speed的计算公式如下：
列车速度和位移计算子单元327用于计算列车位移的计算公式如下：
需要说明的是，列车运行状态仿真系统周期性运行，其运行周期为可配置值，例如默认设置为50ms，可根据系统精度要求进行调整。
可选的，如图2所示，所述列车运行状态仿真系统还包括牵引制动控制模拟单元。
具体的，从控车系统发出牵引制动指令到列车开始执行牵引、制动时，需要经历4个阶段，如下所示：
阶段s1：指令传输延时，此阶段时需用时t1，控车电流值不变；
阶段s2：电容充电过程（若是同状态转换，则无需再充电），此阶段需用时t2，控车电流值不变；
阶段s3：TCU/BCU交互过程，此阶段需用时t3，控车电流值不变；
阶段s4：牵引、制动生效（即牵引、制动电流开始变化），此阶段需用时t4，然后控车电流值不变。
其中，t1时间考虑为传输延时（指令从控车系统到达TCU、BCU单元的延时），因指令传到TCU和BCU单元时，已是t1时间之后，所以s1阶段不再单独计时。当指令经过t1传输到TCU/BCU单元，经过电容充放电，TCU/BCU交互完毕后，到t4阶段才真正输出变化后的控制电流。
每个运行周期，检测列车的当前运行状态和目标运行状态，根据牵引、制动、惰行三种状态之间的转换，确定实际的执行流程。识别列车状态变化的情况后，通过比较本周期电流值和目标电流值判断牵引、制动力是增还是减，并记录每一个阶段的时间，判断下一个执行阶段。
列车状态变化分以下两大类共6种情况：
一、运行状态未变化（保持在牵引，或保持在制动，或保持在惰行），具体包括：
1）牵引状态：无状态变化的牵引控制逻辑，仅在牵引等级上进行改变；
2）制动状态：无状态变化的制动控制逻辑，仅在制动等级上进行改变；
3）惰行状态：无状态变化的惰行控制逻辑，保持不变即可。
二、运行状态发生变化（牵引和制动转换，惰行和牵引转换，惰行和制动转换），具体包括：
1）从制动或惰行转到牵引：状态变化时的牵引控制逻辑；
2）从牵引或惰行转到制动：状态变化时的制动控制逻辑；
3）从牵引或制动转到惰行：状态变化时的惰行控制逻辑。
对应的，牵引制动控制模拟单元包括：无状态变化时的牵引控制子单元3121、无状态变化时的制动控制子单元3122、无状态变化时的惰行控制子单元3123、制动转牵引控制子单元3131、惰行转牵引控制单元3132、牵引转制动控制单元3133、惰行转制动控制单元3134、牵引或制动转惰行控制单元3111。
无状态变化时的牵引控制子单元3121、无状态变化时的制动控制子单元3122、无状态变化时的惰行控制子单元3123属于运行状态未变化时的控制逻辑。状态指牵引状态、制动状态、惰行状态。无状态变化，指只是牵引或制动等级发生变化，或保持在惰行，没有在牵引、制动、惰行之间转变。
当制动转换到牵引，或牵引转换到制动状态时，会先经过一个惰行状态。例如：从制动5级转到牵引7级时，会首先逐渐卸掉制动力，一直到无制动力输出也无牵引力的状态（即惰行状态），然后在逐步将牵引力从升到7级。所以控车状态发生变化时，除了CU/BCU的运行阶段，还需要考虑列车的运行状态的转化。
以下对上述各子单元的控制逻辑进行介绍。
首先，进行变量说明：
1）target_current：目标电流值；
2）last_current：当前电流值；
3）last_time：当前阶段的持续时间；
4）last_state：上周期处理阶段；
5）min_current_change：电流变化分辨率的门限值，配置参数;
6）min_current：控车的最小电流值，配置参数；
7）max_current：控车的最大电流值，配置参数。
无状态变化的牵引控制子单元3121用于在牵引状态下：
1）若当前电流值已达到目标电流值，即列车当前已达到目标牵引状态，此时无需考虑t1、t2、t3阶段，保持输出电流值不变即可。然后将阶段转到s1，以等待下一次有变化的指令。其中，判断电流值是否达到目标电流值，当两者差值小于分辨率min_current_change即可，即：
2）若当前电流值小于目标电流值，说明需要增加牵引力，需要从接收牵引指令开始，依次经历s1~s4阶段：
进入s1阶段，指令在传输过程，经过时间t1后，指令传递给牵引模块，转到S2阶段；
进入s2阶段后，经过时间t2后，各TCU/BCU单元做好准备，转到s3阶段；
进入s3阶段后，经过时间t3后，各TCU/BCU单元交互完毕，达成共识，转到s4阶段；
进入s4阶段后，逐步加大牵引电流，提升至目标电流值后保持不变，运行阶段也保持在s4，直至牵引/制动命令发生变化。
3）若当前电流值大于目标电流值，说明需要降低牵引力，需要从接收牵引指令开始，依次经历s1~s4阶段：
进入s1阶段，指令在传输过程，经过时间t1后，指令传递给牵引模块，转到S2阶段；
进入s2阶段后，经过时间t2后，各TCU/BCU单元做好准备，转到s3阶段；
进入s3阶段后，经过时间t3后，各TCU/BCU单元交互完毕，达成共识，转到s4阶段；
进入s4阶段后，逐步减小牵引电流，降低至目标电流值后保持不变，运行阶段也保持在s4，直至牵引/制动命令发生变化。
无状态变化时的制动控制子单元3122用于在制动状态下：
1）若电流值已达到目标电流值，即列车已达到目标制动状态无需考虑s1、s2、s3阶段，输出电流值保持不变，然后将阶段转到s1，以等待下一次有变化的指令。
2）若当前电流值小于目标电流值，说明需要增加制动力，需要从接收指令开始，经历s1~s4过程：
进入s1阶段，指令在传输过程，经过时间t1后，指令传递给牵引模块，转到S2阶段；
进入s2阶段后，经过时间t2后，各TCU/BCU单元做好准备，转到s3阶段；
进入s3阶段后，经过时间t3后，各TCU/BCU单元交互完毕，达成共识，转到s4阶段；
进入s4阶段后，逐步加大制动电流，提升至目标电流值后保持不变，运行阶段也保持在s4，直至牵引/制动命令发生变化。
3）若当前电流值大于目标电流值，说明需要降低制动力,需要从接收指令开始，经历s1~s4过程：
进入s1阶段，指令在传输过程，经过时间t1后，指令传递给牵引模块，转到S2阶段；
进入s2阶段后，经过时间t2后，各TCU/BCU单元做好准备，转到s3阶段；
进入s3阶段后，经过时间t3后，各TCU/BCU单元交互完毕，达成共识，转到s4阶段；
进入s4阶段后，逐步降低制动电流，提升至目标电流值后保持不变，运行阶段也保持在s4，直至牵引/制动命令发生变化。
无状态变化时的惰行控制子单元3123，用于在惰行状态下，保持输出电流不变。因为惰行阶段无牵引也无制动控制，且上周期已处于惰行阶段，则保持输出电流不变，无需进行阶段转换。
制动转牵引控制单元3131，用于：
1）先由制动转为惰行，卸掉制动力，具体为：制动时电容已充电，所以可直接从s1或s2转到s3阶段，然后转到s4阶段；
2）在s4阶段将电流值降低到0后，进入惰行，设置阶段为s1阶段。
3）由惰行转为牵引，提升牵引力，具体为：依次经历s1、s2、s3、s4阶段，在s4阶段中，将电流值提升至目标电流值，即将牵引力提高至目标牵引力。
惰行转牵引控制单元3132，用于依次经历s1、s2、s3、s4阶段。惰行转到牵引状态，惰行状态时，电容未充电，所以需要依次经历s1、s2、s3、s4阶段。
牵引转制动控制单元3133，用于：
1）先由牵引转为惰行，卸掉牵引力，具体为：牵引状态下电容已充电，所以可直接从s1或s2转到s3阶段，然后转到s4阶段；
2）在s4阶段将电流值降低到0后，进入惰行，设置阶段为s1阶段；
3）由惰行转为制动，提升制动力，具体为：依次经历s1、s2、s3、s4阶段，在s4阶段中，将电流值提升至目标电流值，即将制动力提高至目标制动力。
惰行转制动控制单元3134，用于依次经历s1、s2、s3、s4阶段。惰行转到制动状态，惰行状态时，电容未充电，所以需要依次经历s1、s2、s3、s4阶段。
牵引或制动转惰行控制单元3111，用于：
若从牵引转惰行，因上周期即为牵引状态，电容已充电，可直接使用，因此可从s1或s2直接跳转到s3；经过时间t3后，各TCU/BCU单元协商完毕，进入s4阶段；在t4阶段逐渐减小电流值，若电流值小于最小的控车电流min_current状态转到s1，计时清零，进入惰行状态，保持在惰行状态；
若从制动转换到惰行，因上周期即为牵引状态，电容已充电，可直接使用，因此可从s1或s2直接跳转到s3；经过时间t3后，各TCU/BCU单元协商完毕，进入s4阶段；在t4阶段逐渐减小电流值，若电流值小于最小的控车电流min_current状态转到s1，计时清零，进入惰行状态，保持在惰行状态。
运行状态未变化时的控制逻辑如图3所示，运行状态变化时的控制逻辑如图4所示。
空转/滑行发生时，可通过列车的速度和加速度的变化进行识别。一般通过安装速度传感器或加速度传感器来采集列车的原始信息。控车系统需要传感器的周期采样数据，识别列车的速度和位移，以便接收信号并监测列车的运行状态。轮轴速度传感器可监测车轮的运行速度，雷达传感器监测列车的运行速度，加速度传感器监测列车的加速度。
分析受力情况后，根据F=ma的牛顿第二运行定律公式，分别设计车轮的加速度和列车整体的加速度，将加速度分别积分后得到车轮速度axle_this_cycle_speed和列车速度Train_Speed，并由速度计算位移TrainPosition。
可选的，所述列车运行状态仿真系统还包括传感器输出模拟单元，参见图5。
所述传感器输出模拟单元包括3个轮轴速度传感器的输出模拟、2个雷达速度传感器的输出模拟以及3个加速度计的输出模拟，将传感器与随机值之和作为传感器原始速度值，使用所述随机值来区分不同的传感器。随机值根据传感器的性能添加，需考虑各个传感器的分辨率。
其中，3个轮轴速度传感器输出的原始速度值使用车轮速度赋值axle_this_cycle_speed，具体为：
轮轴速度传感器1的速度Wheel1Speed = 车轮速度axle_this_cycle_speed+第一随机值；
轮轴速度传感器2的速度Wheel2Speed = 车轮速度axle_this_cycle_speed+第二随机值；
轮轴速度传感器3的速度Wheel3Speed = 车轮速度axle_this_cycle_speed+第三随机值；
2个雷达传感器输出的原始速度值使用列车速度赋值Train_Speed，具体的：
雷达速度传感器1的速度Radar1Speed =列车速度 Train_Speed+第四随机值；
雷达速度传感器2的速度Radar2Speed =列车速度 Train_Speed+第五随机值；
3个加速度传感器输出的原始速度值使用列车加速度赋值Train_acc，具体的：
加速度计1的加速度Accl1Acc=列车加速度 Train_acc+第六随机值；
加速度计2的加速度Accl2Acc=列车加速度 Train_acc+第七随机值；
加速度计3的加速度Accl3Acc=列车加速度 Train_acc+第八随机值。
可选的，在上述公开的任一实施例中，所述列车运行状态仿真系统还包括空转模拟单元和滑行模拟单元，仍参见图5；
模拟空转滑行时，可对3个车轮进行设置。设置3个参数：轮1空滑状态（axle_slip_1）、轮2空滑状态（axle_slip_2）、轮3空滑状态（axle_slip_3），分别对应轮1、轮2、轮3的空转滑行等级。空转时，将车轮的加速度增大；滑行时，将车轮的加速度减小。3个参数均为整型，可设置空转、滑行的等级，因列车牵引制动分级均不超过10级，因此空转/滑行等级应设置为不超过10的整数。设置等级后，将参数传递给列车控制模型，对车轮1、2、3的加速度进行修改，造出空转、滑行状态。
空转模拟单元，仅在加速过程中可设置，若设置空转等级为M空转等级，1≤M空转等级≤10，则计算公式如下：
结合车轮加速度计算公式，即在当前的加速程度上，增大列车的加速度。
滑行模拟单元，仅在减速过程中可设置，若设置滑行等级为M滑行等级，-10≤M滑行等级≤-1，则计算公式如下：
结合车轮加速度计算公式，即在当前的加速度程度上，减小列车的加速度。
当列车停车时，发现距离目标点有误差，可能需要执行跳跃的命令，即向前后向后运行一小段距离，一般在1m左右。可选的，在上述公开的任一实施例中，所述列车运行状态仿真系统还包括跳跃功能模拟单元，仍参见图5。
因跳跃时一般距离较短，执行跳跃功能时，默认使用
（默认0.25m/s2）的加
速度进行跳跃。执行跳跃功能时，需要设置两个参数：跳跃的方向（direction）和跳跃的距
离（distance）。
向前跳跃60cm：设置跳跃方向0xAA，跳跃距离为0.6m；
向后跳跃60cm：设置跳跃方向非0xAA，跳跃距离为0.6m；
跳跃时将位移等分为2部分，前一半用固定加速度加速，后一半用固定加速度减速。当前半部分加速过程的累计位移达到目标跳跃距离的1/2时，进入后半部分减速过程。
前半部分位移速度计算公式如下：
此时列车的加速度
取值如下：
后半部分位移速度计算公式如下：
此时列车的加速度
取值如下：
其中：
为本周期位移，
为累计跳跃距离，
为
本周期跳跃速度，
为跳跃时使用的加速度，
为周期运行时间。
接下来，判断列车运行方向：
当列车运行方向为向前时，在列车的位移上累加
，列车速度和模
拟的速度传感器输出均为
：
当列车运行方向为向后时，在列车的位移上累减
，列车速度和模拟的
速度传感器输出均为
；
本发明可模拟列车牵引/制动控制、车轮受力情况、传感器输出、空转滑行、跳跃，提供了较多的运行场景，能够满足绝大多数的系统需求。本发明尽可能的模拟了列车实际运行时的状态，用于制作测试环境，可提高测试效率。
本申请各公式中，对于同一公式的等号左右两侧出现的相同变量而言，等号右侧出现的该变量为当前值，等号左侧出现的该变量为基于该当前值计算得到的更新后的值。
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实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例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 (5)
1.一种列车运行状态仿真系统，其特征在于，包括车轮受力状态模拟单元；
所述车轮受力状态模拟单元用于根据不同车轮的受力情况，分别计算各个车轮在牵引、制动、惰行这3个运行阶段的车轮加速度以及由各个车轮各自反映出的列车加速度，然后计算由所有车轮综合反映出的列车加速度，最后根据车轮加速度计算得到车轮速度以及根据所有车轮综合反映出的列车加速度计算得到列车速度和列车位移；
所述车轮受力状态模拟单元包括：牵引阶段动力轴受力状态模拟子单元、牵引阶段其他轴受力状态模拟子单元、制动阶段滚动轴受力状态模拟子单元、制动阶段其他轴受力状态模拟子单元、惰行阶段车轮受力状态模拟子单元、周期加速度设置子单元、车轮速度计算子单元以及列车速度和位移计算子单元；
首先，定义各参数含义如下：
axle_traction_adhension_acc：各车轮牵引黏着系数加速度；
axle_brake_adhension_acc：各车轮制动黏着系数加速度；
axle_traction_acc：各车轮牵引加速度；
axle_barke_acc：各车轮制动加速度；
axle_basic_acc：各车轮基本阻力加速度；
axle_gradient_acc：车轮所在坡道加速度；
this_cycle_current：本周期电流值；
min_current：控车使用最小电流值；
max_current：控车使用最大电流值；
traction_train_r：动车转动惯量系数；
trailer_train_r：拖车转动惯量系数；
ebp_start_speed：制动时的起步速度；
minBrakeAcceleration：最小的制动减速度，为一绝对值；
temp_1_acc：由单个车轮反应出的列车加速度；
temp_2_acc：单个车轮的加速度；
其中，所述牵引阶段动力轴受力状态模拟子单元，用于在列车处于牵引阶段并且车轮的轴为动力轴时，先根据控制电流在电流范围的比例和当前速度下对应的牵引加速度，依次对temp_1_acc和temp_2_acc初始化，对应的计算公式为：
然后，通过比较temp_1_acc和axle_traction_adhension_acc判断该车轮是否发生空转，当temp_1_acc > axle_traction_adhension_acc时，说明发生了空转，否则没发生空转；
在空转状态下，考虑动车转动惯量系数，去除坡道、基本阻力的影响，依次更新temp_1_acc和temp_2_acc，对应的计算公式为：
在非空转状态下，考虑动车转动惯量系数，去除坡道、基本阻力的影响，依次更新temp_1_acc和temp_2_acc，对应的计算公式为：
所述牵引阶段其他轴受力状态模拟子单元，用于在列车处于牵引阶段并且车轮的轴为制动轴或滚动轴时，判断axle_traction_adhension_acc是否为0；
若axle_traction_adhension_acc=0，说明车轮可能发生了空转，则车轮加速度temp_2_acc不可信，设置为0；列车加速度temp_1_acc只考虑坡道加速度，依次计算列车和车轮加速度，对应的计算公式为：
若axle_brake_adhension_acc≠0，说明车轮未发生空转，则车轮和列车加速度相同，均设置为坡道和基本阻力引起的加速度，对应的计算公式为：
所述制动阶段滚动轴受力状态模拟子单元，用于在列车处于制动阶段并且车轮的轴为滚动轴时，判断axle_brake_adhension_acc是否等于0；
若axle_brake_adhension_acc=0，说明可能发生了滑行，则车轮加速度temp_2_acc不可信，设置为0，列车加速度temp_1_acc只考虑坡道加速度，对应的计算公式如下：
若axle_brake_adhension_acc≠0，说明未发生滑行，则仅有坡道和基本阻力影响列车速度，列车加速度和车轮加速度计算公式如下：
所述制动阶段其他轴受力状态模拟子单元，用于在列车处于制动阶段并且车轮的轴为动力轴或制动轴时，先对temp_1_acc进行初始化，使用牵引等级和基本阻力，计算列车加速度，具体为：
若本周期速度>最小的EB制动速度也即ebp_start_speed，则列车的制动加速度列表中，能获取当前速度对应的加速度temp_1_acc计算结果如下：
若本周期速度≤最小的EB制动速度，且temp_1_acc>最小制动加速度minBrakeAcceleration，则temp_1_acc取值-minBrakeAcceleration；考虑基本阻力的影响，
；
然后，分别使用上述两种不同情况下初始化得到的temp_1_acc进行空转滑行判断，具体为：
若|temp_1_acc|>axle_brake_adhension_acc，则说明发生了滑行，列车加速度需要考虑转动惯量系数和坡道的影响，计算公式如下：
如果是动力轴，则计算时使用动车转动惯量系数，计算公式如下：
如果是制动轴，则计算时使用拖车转动惯量系数，计算公式如下：
若未发生空转滑行，则根据牵引等级和当前速度对应的减速度，考虑基本阻力和坡道的影响，计算列车和车轮的加速度，此时：
如果是动力轴，则计算公式如下：
如果是制动轴，则计算公式如下：
所述惰行阶段车轮受力状态模拟子单元，用于在列车处于惰行阶段时：
若axle_traction_adhension_acc=0或axle_brake_adhension_acc=0，说明可能发生了空转或滑行，能确定坡道的影响，列车和车轮加速度计算如下：
若axle_brake_adhension_acc≠0，说明未发生空转滑行，若坡道加速度<0，设置车轮状态为-1，否则设置为1， 列车和车轮加速度计算如下：
定义本周期车轮1~N计算的列车加速度Train_acc_N，N为车轮总个数，所述周期加速度设置子单元用于针对每个车轮进行以上过程的计算，赋值Train_acc_N =temp_1_acc，然后对N个列车加速度Train_acc_N求平均，计算得到本周期列车加速度Train_acc，计算公式如下：
本周期对于每个车轮，赋值车轮加速度axle_this_cycle_acc=temp_2_acc；
假设本周期车轮加速度为axle_this_cycle_acc，本周期车轮速度axle_this_cycle_speed，上周期车轮速度axle_last_cycle_speed，则所述车轮速度计算子单元用于计算本周期车轮速度的计算公式如下：
假设本周期列车加速度为Train_acc，上周期速度为last_Train_Speed，则所述列车速度和位移计算子单元用于计算本周期列车速度Train_Speed和
列车位移
的公式如下：
2.根据权利要求1所述的列车运行状态仿真系统，其特征在于，所述列车运行状态仿真系统还包括牵引制动控制模拟单元；
从控车系统发出牵引制动指令到列车开始执行牵引、制动时，需要经历如下4个阶段：
阶段s1：指令传输延时，此阶段时需用时t1，控车电流值不变；
阶段s2：电容充电过程，此阶段需用时t2，控车电流值不变；其中若是同状态转换，则电容无需再充电；
阶段s3：TCU/BCU交互过程，此阶段需用时t3，控车电流值不变；
阶段s4：牵引、制动生效，此阶段需用时t4，然后控车电流值不变；
所述牵引制动控制模拟单元包括：无状态变化时的牵引控制子单元、无状态变化时的制动控制子单元、无状态变化时的惰行控制子单元、制动转牵引控制单元、惰行转牵引控制单元、牵引转制动控制单元、惰行转制动控制单元、牵引或制动转惰行控制单元；
无状态变化的牵引控制子单元用于在牵引状态下：若当前电流值已达到目标电流值，运行阶段保持在s1；若当前电流值小于目标电流值，依次经历阶段s1~ s4；若当前电流值大于目标电流值，依次经历阶段s1~ s4；
无状态变化时的制动控制子单元用于在制动状态下：若电流值已达到目标电流值，运行阶段保持在s1；若当前电流值小于目标电流值，依次经历阶段s1~ s4；若当前电流值大于目标电流值，依次经历阶段s1~ s4；
无状态变化时的惰行控制子单元，用于在惰行状态下，保持输出电流不变，不进行阶段转换；
制动转牵引控制单元，用于先由制动转为惰行，卸掉制动力，然后由惰行转为牵引，提升牵引力；
惰行转牵引控制单元，用于依次经历s1、s2、s3、s4阶段；
牵引转制动控制单元，用于先由牵引转为惰行，卸掉牵引力，然后由惰行转为制动，提升制动力；
惰行转制动控制单元，用于依次经历s1、s2、s3、s4阶段；
牵引或制动转惰行控制单元，用于：若从牵引转惰行，从s1或s2直接跳转到s3，经过时间t3后，各TCU/BCU单元协商完毕，进入s4阶段，在t4阶段逐渐减小电流值，若电流值小于最小的控车电流min_current状态转到s1，计时清零，进入惰行状态，保持在惰行状态；若从制动转换到惰行，从s1或s2直接跳转到s3，经过时间t3后，各TCU/BCU单元协商完毕，进入s4阶段，在t4阶段逐渐减小电流值，若电流值小于最小的控车电流min_current状态转到s1，计时清零，进入惰行状态，保持在惰行状态。
3.根据权利要求1所述的列车运行状态仿真系统，其特征在于，所述列车运行状态仿真系统还包括传感器输出模拟单元；
所述传感器输出模拟单元包括3个轮轴速度传感器的输出模拟、2个雷达速度传感器的输出模拟以及3个加速度计的输出模拟，将传感器与随机值之和作为传感器原始速度值，使用所述随机值来区分不同的传感器，随机值的取值考虑各个传感器的分辨率、根据传感器的性能设置。
4.根据权利要求1所述的列车运行状态仿真系统，其特征在于，所述列车运行状态仿真系统还包括空转模拟单元和滑行模拟单元；
空转模拟单元，用于在加速过程中对3个车轮进行设置，设置空转等级为M空转等级，1≤空转等级≤10，设置等级后，将参数传递给列车控制模型，对车轮1、2、3的加速度进行修改，造出空转状态，则车轮1、2、3的加速度计算公式均为：
滑行模拟单元，用于在减速过程中对3个车轮进行设置，设置滑行等级为M滑行等级，-10≤M滑行等级≤-1，设置等级后，将参数传递给列车控制模型，对车轮1、2、3的加速度进行修改，造出滑行状态，则车轮1、2、3的加速度计算公式均为：
5.根据权利要求1所述的列车运行状态仿真系统，其特征在于，所述列车运行状态仿真系统还包括跳跃功能模拟单元；
所述跳跃功能模拟单元用于模拟向前跳跃和先后跳跃；
跳跃时将位移等分为2部分，前一半用固定加速度加速，后一半用固定加速度减速，当前半部分加速过程的累计位移
达到目标跳跃距离的1/2时，进入后半部分减速过程；
前半部分位移速度计算公式如下：
此时列车的加速度
取值如下：
后半部分位移速度计算公式如下：
此时列车的加速度
取值如下：
其中：
为本周期位移，
为累计位移，
为本周期跳跃速度，
为跳跃时使用的加速度，
为周期运行时间；
接下来，判断列车运行方向：
当列车运行方向为向前时，在列车的位移上累加
，列车速度和模拟的速度传感器输出均为
：
当列车运行方向为向后时，在列车的位移上累减
，列车速度和模拟的速度传感器输出均为
；
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011172498.1A CN112000086B (zh) | 2020-10-28 | 2020-10-28 | 一种列车运行状态仿真系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202011172498.1A CN112000086B (zh) | 2020-10-28 | 2020-10-28 | 一种列车运行状态仿真系统 |
Publications (2)
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