CN113848756A - 一种基于物联网、5g技术的电力机车仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统，包括用于采集电力机车牵引控制单元外部环境信息数据的物联网传感器单元；将采集到的数据转换成指定类型数据的协议适配器单元；将协议适配器中数据进行存储的实时数据库单元；将实时数据库中数据进行传输的5G通信单元；接收5G通信单元传输的数据的服务器单元；从服务器单元读取数据进行半实物仿真的分布式协同半实物仿真系统；存储仿真数据的数据中心单元。本发明公开了一种基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统，能够在仿真平台上实时精确的模拟现场工况，使该仿真系统具有高精度、实时化的特点。
Description
技术领域
本发明涉及半实物仿真系统技术领域，尤其是一种基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统。
背景技术
半实物仿真作为仿真技术的一个重要分支，采取了虚拟模型与实物无缝对接的仿真方式，通过有效的建模方法可对现场工况进行模拟，在实验室环境下实现产品调试验证，并能一定程度甚至全面替代产品试验。而轨道交通领域的特点为作业电压等级高、电流强度大，现场环境复杂多变、易产生极端偶发工况。针对于其上述特点，半实物仿真系统在轨道交通中的应用极为重要。
如图1所示为目前国内轨道交通领域采用的半实物仿真系统为硬件在回路(HIL)仿真系统，包括用于模拟外部环境的半实物仿真模型、用于运行仿真模型的实时仿真机、用于进行半实物仿真监控的上位机监控和用于运行仿真控制算法的控制器，该仿真系统基于Matlab/Xilinx进行数学建模，没有采用多学科、多种软件进行数学、物理建模，仿真结果精度较低，与现场实际工况存在一定的差别，无法精准的模拟电机等被控对象，不能准确的模拟出现场真实工况；模型参数均是输入的给定值，不能及时的反映现场真实工况，所以目前HIL半实物仿真系统常用于电力机车牵引控制单元(TCU)控制算法的功能性验证。
发明内容
本发明针对以上问题提出了一种基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统。
本发明采用的技术手段如下：
一种基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统，包括，
物联网传感器单元，设置在铁轨线路及电力机车上，用于采集电力机车牵引控制单元的外部环境信息数据；
协议适配器单元，与所述物联网传感器单元连接，用于接收所述外部环境信息数据，并将所述外部环境信息数据转换成指定类型的数据；
实时数据库单元，与所述协议适配器单元连接，用于存储转换成指定类型的外部环境信息数据；
5G通信单元，与所述实时数据库单元连接，用于将存储至所述实时数据库单元中的外部环境信息数据进行无线传输；
服务器单元，接收所述5G通信单元发送的所述外部环境信息数据并将接收的数据传输至分布式协同仿真系统；以及，
分布式协同仿真系统，与所述服务器单元连接，将接收的数据用于仿真模型的运算获得仿真波形数据；建立自动化测试平台，针对不同仿真阶段所建立的模型进行协同仿真验证。
进一步地，还包括数据中心单元，与所述分布式协同仿真系统连接，用于存储所述分布式协同仿真系统的仿真数据。
进一步地，所述5G通信单元可以实现实时传输和离线传输。
与现有技术比较，本发明公开的基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统具有以下有益效果：本发明公开的基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统能够通过物联网传感器单元实时的采集TCU的外部环境信号，以实现实时采集现场各种环境信息，通过5G通信单元进行实时或离线传输至分布式协同仿真系统，进而能够在仿真平台上实时模拟现场工况；采用了分布式协同仿真系统，能够实现多学科、多种软件进行数学、物理建模，保证了仿真的高精度、实时化；采用了分布式协同仿真系统建立自动化测试平台，针对不同仿真阶段所建立的模型进行协同仿真验证，可实现流程化的自动化测试平台，缩短了项目时间周期，降低了项目成本；采用了数据处理系统，存储现场环境信息数据以及仿真波形数据，形成数据库，便于后续故障处理分析及故障诊断、故障预测算法的研究。
附图说明
图1为现有HIL半实物仿真系统架构结构图；
图2为本发明公开的基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统的系统构架图；
图3为本发明公开的基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统的系统拓扑图；
图4为本发明中分布式协同仿真系统的Co-Simulation模式原理图；
图5为本发明中数据中心单元存储对应数据表示意图。
图中：1、物联网传感器单元，2、协议适配器单元，3、实时数据库单元，4、5G通信单元，5、服务器单元，6、分布式协同仿真系统，7、数据中心单元。
具体实施方式
如图2所示本发明公开的基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统分为四大部分：构建物联网系统，实时收集半实物仿真系统所需的现场环境数据；构建5G通信系统，将现场数据回传至半实物仿真系统的服务器中；构建分布式协同半实物仿真系统，采用多种仿真平台及软件进行物理模型及数学模型的协同仿真并进行自动化测试；构建数据处理系统，存储现场数据以及仿真波形数据，形成数据库，便于后续故障处理分析及故障诊断、故障预测算法的研究。
本发明公开的新型仿真系统利用物联网技术采集现场各种环境信号，通过5G技术实时回传至半实物仿真平台，能够在仿真平台上实时模拟现场情况，或者离线传输形式回传至半实物仿真平台，能使该仿真系统的仿真结果更加贴近于现场实际工况，以便于用于现场特殊工况的复现；采用多种仿真软件及仿真平台搭建物理模型及数学模型，采用HIL半实物仿真方式进行分布式协同仿真，使搭建的模型精度提高；建立自动化测试平台，针对不同仿真阶段所建立的模型进行协同仿真验证，可实现流程化的自动化测试平台，缩短了项目时间周期，降低了项目成本；建立数据中心，形成数据库，将现场数据、仿真波形数据存储至数据中心，以便后续对数据的处理分析。
具体地，如图2和图3所示，本发明公开的基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统架构，包括，
物联网传感器单元1，设置在铁轨线路及电力机车上用于采集TCU的外部环境信息数据，如图3所示，物联网传感器单元具有多个传感器，图中的传感器1至传感器n分别设置在铁轨线路及电力机车上，用于采集TCU的外部环境信息数据，例如将湿度传感器安装在轨面上，采集轨面湿度数据；将温度传感器安装在电机上，采集电机温度数据。不同的传感器设备可采用不同的总线(如MVB总线、CAN总线等)将采集的信号传输至协议适配器单元中；
协议适配器单元2，与所述物联网传感器单元连接，用于接收所述外部环境信息数据，并将各传感器设备传输的所述外部环境信息数据转换成指定类型的数据，例如以太网形式数据；
实时数据库单元3，与所述协议适配器单元连接，用于存储转换成指定类型的外部环境信息数据，具体地，实时数据库单元(Real-Time Data Base，RTDB)，协议适配器将接收的数据进行转换后发送至RTDB中进行存储。RTDB中的数据表按“电力机车模拟量信号”、“电力机车数字量信号”、“铁轨线路模拟量信号”等进行分类命名，将转换出的数据按分类存储至相应的数据表中；
5G通信单元4，与所述实时数据库单元连接，用于将存储至所述实时数据库单元中的外部环境信息数据进行无线传输，具体地，RTDB将数据传输至5G通信单元，利用5G通信技术，可采用实时传输形式和离线传输形式两种传输方式将数据传输至半实物仿真室的服务器中；
服务器单元5，接收所述5G通信单元发送的所述外部环境信息数据，并将接收的数据传输至分布式协同半实物仿真系统，具体地，服务器单元从5G通信单元接收外部环境信息数据，并将外部环境信息数据传输至分布式协同仿真平台中。服务器单元将接收的外部环境信息数据分别传输到对应的仿真平台中，需值得注意的是，各仿真平台的传输速率需与该平台仿真模型的采样率相匹配。服务器单元输出的数据应遵循FMI(Functional Mock-up Interface)标准进行数据通信；以及，
分布式协同仿真系统6，与所述服务器单元连接，将从服务器单元中获取的数据用于半实物仿真运算，获得相应的仿真数据，具体地，分布式协同仿真系统将从服务器单元中接收到的数据作为输入参数进行仿真模型的运算；分布式仿真平台还能够实现自动化测试流程，具体地，分布式仿真平台能够对不同仿真阶段所建立的模型进行协同仿真，为验证设计流程中模型提供了完整的验证环境，可实现流程化的自动测试平台。分布式协同仿真系统由图3中的仿真平台1至仿真平台n构成，采用FMI标准中的Co-Simulation(联合仿真)模型重用的方法，以主从架构进行分布式方式的Co-Simulation模式的仿真。规定仿真平台1为主控软件所在的平台，仿真平台2至仿真平台n为从属软件所在的平台。分布式方式的Co-Simulation模式的原理如图4所示。仿真平台中传输的数据应遵循FMI标准，数据传输的速率应符合目标平台中模型的采样率需求。
进一步地，还包括数据中心单元7，与所述分布式协同仿真系统连接，用于存储所述分布式协同仿真系统的仿真数据及参数数据，具体地，数据中心单元将仿真平台1传输的参数数据(从服务器单元中接收到的数据)及各仿真平台汇总的仿真波形数据进行存储，便于后续的数据分析。数据中心应依据仿真平台建立相应的数据表，如图5所示。如图5所示，仿真波形名称1至仿真波形名称n为仿真平台x输出的各仿真波形名称，在实际构建数据表时，应将仿真波形名称命名为“Out_具体名称”形式；仿真参数名称1至仿真参数名称m为仿真平台x输入的各仿真参数名称，在实际构建数据表时，应将仿真参数名称命名为“In_具体名称”形式。
本发明中，所述5G通信单元在上位机的控制下可以实现实时传输或离线传输。
①实时传输形式
实时传输形式为将RTDB中的数据利用5G通信单元的核心网实时传输至半实物仿真室。实时传输可满足仿真系统仿真实时性的需求，但其传输的数据量有一定的限制，精度略有下降。实时传输形式中每秒发送的数据量n如公式1所示：
其中，Ts为仿真模型中配置的基础采样周期，T为5G通信配置的通信周期。采用公式1计算出的每秒发送数据量能够满足半实物仿真模型计算的需求，避免了每秒传输的数据量低于仿真模型中每秒数据的采样量，从而造成仿真结果出现误差。
实时传输形式能使该仿真系统实时的进行现场工况的模拟仿真，但其模拟的精度略低，其主要作用为监控电力机车的现场运行情况，及时发现现场出现的特殊工况。
②离线传输形式
离线传输形式为将RTDB中的数据利用华为AirFLASH技术实现大数量点对点传输，传输至半实物仿真室。离线传输形式具有高精度的特点，能使该仿真系统的仿真结果更加贴近于现场实际工况，主要用于现场特殊工况的复现：当采用实时传输形式监控到现场出现特殊工况后，将该特殊工况用离线传输形式得到的数据作为仿真模型的输入参数，进行更加精准的半实物仿真，为TCU中的控制程序调试提供仿真支撑。
本发明公开的基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统有益效果是：
1)自动化测试流程
分布式仿真平台能够对不同仿真阶段所建立的模型进行协同仿真，为验证设计流程中模型提供了完整的验证环境，可实现流程化的自动测试平台，缩短了项目时间周期，降低了项目成本。
2)实时模拟现场运行状况
采用分布式仿真平台能使不同的仿真软件及仿真平台进行协同仿真，将物理模型和数学模型有机的结合起来，有效的提高模型的精确度；采用物联网技术采集现场数据，通过5G技术回传至仿真平台，实时进行半实物仿真，使半实物仿真平台能够实时模拟真实的现场运行状况。
3)数据记录及分析
新型半实物仿真平台将现场环境信息、实时仿真波形存储至实验室的数据中心。通过对数据中心的数据进行分析处理，可得知不同车型、不同线路的数据信息，为后续疑难故障的解决、新车型的TCU设计起到数据支撑作用。
4)故障响应更加快速
通过采集现场数据实时回传至仿真平台，实时进行半实物仿真，有效的模拟现场TCU运行状况，能够及时发现故障情况，故障波形以及故障发生时外部环境等信息，及时进行故障响应，提高产品售后质量。
5)个性化测试
如2)所述，通过数据记录及分析，针对特定车型、特定线路存在的极端工况，可进行特定的极端工况测试，从而降低公司产品的故障率，提高产品质量，降低售后成本。
6)减少出差费用
当出现故障时可通过新型仿真系统及时发现，并能采集到故障发生时的外部环境信息等，工程师可以立即在公司复现故障，并进行分析解决，替代了目前出差去现场才能解决故障的模式。
7)降低仿真硬件成本
在保证相同的仿真模型精度的前提下，采用分布式仿真技术可使用几台性能较低的仿真机来替代一台高性能的仿真机，降低仿真硬件成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统，其特征在于：包括，
物联网传感器单元，设置在铁轨线路及电力机车上，用于采集电力机车牵引控制单元的外部环境信息数据；
协议适配器单元，与所述物联网传感器单元连接，用于接收所述外部环境信息数据，并将所述外部环境信息数据转换成指定类型的数据；
实时数据库单元，与所述协议适配器单元连接，用于存储转换成指定类型的外部环境信息数据；
5G通信单元，与所述实时数据库单元连接，用于将存储至所述实时数据库单元中的外部环境信息数据进行无线传输；
服务器单元，接收所述5G通信单元发送的所述外部环境信息数据，并将接收的数据传输至分布式协同仿真系统；以及，
分布式协同仿真系统，与所述服务器单元连接，将接收的数据用于仿真模型的运算获得仿真波形数据。
2.根据权利要求1所述的基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统，其特征在于：还包括数据中心单元，与所述分布式协同仿真系统连接，用于存储所述分布式协同仿真系统的仿真数据。
3.根据权利要求2所述的基于物联网、5G技术的电力机车仿真系统，其特征在于：所述5G通信单元可以实现实时传输和离线传输。
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