CN113844507B - 一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法。该方法包括搭建列车物理实体模型；获取所述列车物理实体模型运行中的运行情况，并根据所述运行情况确定数字孪生数据；根据所述列车物理实体模型构建数字孪生模型；对数字孪生数据进行预处理和分类，确定列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库；根据列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库对所述数字孪生模型进行训练和质量检测；构建复盘总结分析模块。本发明能够大大节省实际列车运行所需的时间和资源成本，给实际线路调度方案提供决策依据。

Description

一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法

技术领域

本发明涉及数字孪生技术领域，特别是涉及一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法。

背景技术

城市轨道交通具有安全高效、便捷可靠、环保低碳等优点，已成为大城市居民出行的重要交通方式。但随着城市轨道交通网络规模进一步快速发展扩大，各种随机因素和突发事件对列车运行的干扰越来越频繁，列车运行安全问题面临挑战。另外，由于城市轨道交通通常具有线路简单，车头时距短和客流量大等特征，任何一辆列车的延误可能会变成大规模的延误，特别是在高峰期，这将导致严重的运输能力下降问题。此外，滞留的乘客可能会扩大延迟传播的规模，从而扰乱整个城市轨道网络的运行，给乘坐轨道交通出行的乘客造成极大的困扰。为了避免这种情况的发生，对轨道交通中既有线路的运行调度必须进行研究和优化，对城市轨道交通不同场景下的列车运行调整问题一直是专家研究的重点，其理论计算的方法存在明显不足，采用实验方法成本过高且得不偿失。

因此，提供一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法，在软件中利用数字孪生模型重现列车运行状况并且还可以预测模拟和验证线路与列车调度运行方案设计是否可行，对城市轨道交通不同场景下的列车运行调整问题以及轨道交通中既有线路的运行调度问题进行研究，具有重要的实用意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法，能够节省实际列车运行所需的时间以及降低资源成本，给实际线路调度方案提供决策依据。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法，包括：

搭建列车物理实体模型；所述列车物理实体模型用于模拟列车运行中的运行情况；所述运行情况包括：行驶时间、行驶速度、最高速度、不同列车加速度、站点距离、站点数量、到站所需时间以及行驶时间的对应行驶路程；所述列车物理实体模型根据电机电压的变化进行运行；所述电机电压的变化通过计算机的指令进行调整；

获取所述列车物理实体模型运行中的运行情况，并根据所述运行情况确定数字孪生数据；

根据所述列车物理实体模型构建数字孪生模型；所述数字孪生模型通过数字孪生数据重现列车物理实体模型的运行情况；

对数字孪生数据进行预处理和分类，确定列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库；所述列车模拟运行系统模型训练数据库用于数字孪生模型训练，增加模型预测功能；所述列车模拟运行系统模型质量检测数据库用于数字孪生模型预测功能质量检测；

根据列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库对所述数字孪生模型进行训练和质量检测；

构建复盘总结分析模块；所述复盘总结分析模块用于复盘列车模型运行情况并利用可视化展示技术，对运行数据进行展示。

可选地，所述搭建列车物理实体模型，具体包括：

构建物理列车模型和轨道模型；

根据物理列车模型和轨道模型确定列车物理实体模型。

可选地，所述根据列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库对所述数字孪生模型进行训练和质量检测，具体包括：

利用高斯过程回归方法，对列车模拟运行系统模型训练数据库进行数据处理；

数据处理后的运行情况训练所述数字孪生模型；

利用列车模拟运行系统模型质量检测数据库对训练后的数字孪生模型进行质量检测。

可选地，所述构建复盘总结分析模块，具体包括：

对列车模拟运行情况进行复盘，重新利用数字孪生模型进行展示；

利用可视化展示技术，以柱形图、散点图、折线图的形式对运行数据进行展示。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法，通过数字孪生技术仿真模拟城市轨道交通列车运行，利用数字孪生模型重现列车运行状况并且还可以预测模拟和验证线路与列车调度运行方案设计是否可行，对城市轨道交通不同场景下的列车运行调整问题以及轨道交通中既有线路的运行调度问题进行研究。可大大节省实际列车运行所需的时间和资源成本，给实际线路调度方案提供决策依据。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法整体流程示意图；

图2为本发明所提供的一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法流程示意图；

图3为列车物理实体模型的原理示意图。

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。

本发明的目的是提供一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法，能够大大节省实际列车运行所需的时间和资源成本，给实际线路调度方案提供决策依据。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法整体流程示意图；图2为本发明所提供的一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法流程示意图，如图1和图2所示，本发明所提供的一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法，包括：

S101，搭建列车物理实体模型；所述列车物理实体模型用于模拟列车运行中的运行情况；所述运行情况包括：行驶时间、行驶速度、最高速度、不同列车加速度、站点距离、站点数量、到站所需时间以及行驶时间的对应行驶路程；所述列车物理实体模型根据电机电压的变化进行运行；所述电机电压的变化通过计算机的指令进行调整；

如图3所示，对物理实体进行运行控制时，计算机通过无线传输模块发送列车加速、减速、匀速行驶以及最高速度指令给下位机，下位机通过输出脉冲的有效值、占空比以及频率控制列车电机的电压，从而完成对列车物理实体模型运行控制的功能。

S101具体包括：

构建物理列车模型和轨道模型；

根据物理列车模型和轨道模型确定列车物理实体模型。

S102，获取所述列车物理实体模型运行中的运行情况，并根据所述运行情况确定数字孪生数据；

进行数据采集与存储时，必须严格复现列车物理实体模型的运行情况，并且采集数据的时间必须间隔一天以上时间。采集数字孪生数据均需要包含七种信号数据，即行驶速度(列车进入匀速行驶状态时的行驶速度)，最高速度，启动加速度，行驶时间、站点距离、到站所需时间和行驶时间的对应行驶路程。

S103，根据所述列车物理实体模型构建数字孪生模型；所述数字孪生模型通过数字孪生数据重现列车物理实体模型的运行情况；

在.NET平台，通过建模工具，应用OpenGL，以所述列车物理实体模型为基础，构建数字孪生模型，计算机利用数字孪生模型通过调用数字孪生数据重现物理实体模型运行情况。

利用建模软件构建数字孪生模型时，同时构建列车模型和轨道模型，利用模型层实现用户定义线路模型的模拟。模型层是根据用户定义的线路模型，以轨道模型的圈数为界限将用户定义的模拟线路模型虚拟为若干的层。模型层的引入，使得在有限的轨道上能够模拟任意长距离的任意线路。模型层是以物理列车模型在轨道运行的一圈显示的站点、监测点等图像为一层划分为若干的层。分图层的方法是将分属在同一圈的站点、监测点保存在同一个容器中，每运行到当前圈最后一站系统自动从保存下一圈站点、监测点等图像信息容器获得图像与坐标调用绘制函数绘制在窗口界面上。完成后，使数字孪生模型实现计算机调用数字孪生数据重现列车物理实体模型运行情况功能。

S104，对数字孪生数据进行预处理和分类，确定列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库；所述列车模拟运行系统模型训练数据库用于数字孪生模型训练，增加模型预测功能；所述列车模拟运行系统模型质量检测数据库用于数字孪生模型预测功能质量检测；

对数字孪生数据进行预处理和分类时，将间隔时间采集的数字孪生数据分为两组，然后将数字孪生数据中除到站所需时间或行驶时间的对应行驶路程以外均相同的数据视为重复数据，所有出现重复的数据均只保留一个。对两组数据中明显不符合实际的数据去除。然后随机选择两组筛选后的数字孪生数据中的一组作为列车模拟运行系统模型训练数据库，另一个作为列车模拟运行系统模型质量检测数据库。

S105，根据列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库对所述数字孪生模型进行训练和质量检测；

S105具体包括：

利用高斯过程回归方法，对列车模拟运行系统模型训练数据库进行数据处理；即从列车模拟运行系统模型训练数据库中随机选取若干数据点，进行两次相互独立高斯过程回归数据处理。

数据处理后的运行情况训练所述数字孪生模型；

以行驶速度(列车进入匀速行驶状态时的行驶速度)、最高速度、启动加速度和站点距离为输入变量，输出变量为到站所需时间进行一次数据处理；以行驶速度(列车进入匀速行驶状态时的行驶速度)、最高速度、启动加速度、站点距离和行驶时间为输入变量，输出变量为行驶时间的对应行驶路程进行第二次数据处理。进而实现对到站所需时间和行驶时间的对应行驶路程预测功能。

利用列车模拟运行系统模型质量检测数据库对训练后的数字孪生模型进行质量检测。

如图2所示，使用列车模拟运行系统模型质量检测数据库进行数字孪生模型置信度检测，即将列车模拟运行系统模型质量检测数据库中的行驶速度(列车进入匀速行驶状态时的行驶速度)和站点距离为输入变量，得到到站所需时间预测值；将列车模拟运行系统模型质量检测数据库中的行驶速度(列车进入匀速行驶状态时的行驶速度)、站点距离和行驶时间为输入变量，得到行驶时间的对应行驶路程预测值；计算该预测数据与列车模拟运行系统模型质量检测数据库中的真实值之间的均方差；若该均方差小于一定阈值则说明数字孪生模型具有较高的置信度，否则重新进行数字孪生数据收集，再进行训练和质量检测。

S106，构建复盘总结分析模块；所述复盘总结分析模块用于复盘列车模型运行情况并利用可视化展示技术，对运行数据进行展示。

S106之后还包括：

对列车模拟运行情况进行复盘，重新利用数字孪生模型进行展示；

利用可视化展示技术，以柱形图、散点图、折线图的形式对运行数据进行展示。

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。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (1)

1.一种基于数字孪生的列车模拟运行系统构建方法，其特征在于，包括：

搭建列车物理实体模型；所述列车物理实体模型用于模拟列车运行中的运行情况；所述运行情况包括：行驶时间、行驶速度、最高速度、不同列车加速度、站点距离、站点数量、到站所需时间以及行驶时间的对应行驶路程；所述列车物理实体模型根据电机电压的变化进行运行；所述电机电压的变化通过计算机的指令进行调整；

获取所述列车物理实体模型运行中的运行情况，并根据所述运行情况确定数字孪生数据；

根据所述列车物理实体模型构建数字孪生模型；所述数字孪生模型通过数字孪生数据重现列车物理实体模型的运行情况；

对数字孪生数据进行预处理和分类，确定列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库；所述列车模拟运行系统模型训练数据库用于数字孪生模型训练，增加模型预测功能；所述列车模拟运行系统模型质量检测数据库用于数字孪生模型预测功能质量检测；

根据列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库对所述数字孪生模型进行训练和质量检测；

构建复盘总结分析模块；所述复盘总结分析模块用于复盘列车模型运行情况并利用可视化展示技术，对运行数据进行展示；

所述搭建列车物理实体模型，具体包括：

构建物理列车模型和轨道模型；

根据物理列车模型和轨道模型确定列车物理实体模型；

所述根据列车模拟运行系统模型训练数据库和列车模拟运行系统模型质量检测数据库对所述数字孪生模型进行训练和质量检测，具体包括：

利用高斯过程回归方法，对列车模拟运行系统模型训练数据库进行数据处理；

数据处理后的运行情况训练所述数字孪生模型；

利用列车模拟运行系统模型质量检测数据库对训练后的数字孪生模型进行质量检测；

所述构建复盘总结分析模块，具体包括：

对列车模拟运行情况进行复盘，重新利用数字孪生模型进行展示；

利用可视化展示技术，以柱形图、散点图、折线图的形式对运行数据进行展示。