CN114564874A - 面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建方法及系统。接触网故障定位诊断多依靠人工巡检的方式进行，有效性、及时性和准确性无法满足目前运管需求。本方法包括：设定接触网几何参数、材料参数、传感器的类型及安装位置；对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型；求解承力索上节点的三维坐标,建立接触网三维可视化模型，生成接触网有限元模型；在接触网有限元模型上加载接触网故障，获取传感器的输出数据。本发明充分考虑接触网多种故障类型，对接触网进行模型搭建，在此模型的基础上可以模拟各类接触网故障，提取故障发生时的关键信息，以更加直观、便捷的方式反应故障发生时接触网各参数以及形态的变化。

Description

面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建方法及系统

技术领域

本发明涉及接触网故障数字仿真技术领域，具体涉及一种面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建方法及系统。

背景技术

电气列车能够到达的地方就是受电弓需要到达的地方，接触线在充当配电线路的同时又是受电弓的滑道，弓网系统的动态性能以及零部件服役情况直接影响受流质量的好坏。近年来，电气化铁路发生接触网故障的频率逐渐增多，接触网故障主要是由外部环境和零部件松脱造成的，故障类型包括异物类故障、断线类故障、线夹脱落类故障、定位器故障以及棘轮卡滞类故障等。如异物类故障中的接触网覆冰，该故障是电气化铁路系统中广泛存在的问题，接触网覆冰使得接触网硬点增加，增加了弓网电弧，加速受电弓滑板磨耗。

接触网故障会影响到接触网的受流质量，降低铁路供电安全性与可靠性。目前，为保证电气列车的安全运营，对接触网的故障定位及诊断多依靠人工巡检的方式进行，在有效性、及时性和准确性上都以无法满足目前的运管需求，为了能在接触网出现故障时可以快速的做出定位分析，接触网的故障仿真分析变得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建方法及系统，以至少解决目前人工方式定位诊断接触网故障存在的有效性、及时性和准确性问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建方法，所述方法包括：

设定接触网几何参数；

设定接触网材料参数；

设定传感器的类型及安装位置；

对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型，包括：

S401：根据接触线的高度信息，求解接触线对吊弦施加的荷载；

S402：根据接触线对吊弦施加的荷载以及吊弦的长度，求解吊弦对承力索施加的荷载；

S403：考虑承力索在不同位置所受的作用力，利用力矩平衡法或有限元法求解承力索的变形量；

S404：根据承力索的变形量，修正吊弦的长度，当吊弦长度的修正量大于设定值时，重复步骤402-404；

S405：当吊弦长度的修正量小于或等于设定值时，提取出承力索的变形量，接触网的静力学求解完成；

求解承力索上节点的三维坐标, 建立接触网三维可视化模型，生成接触网有限元模型，包括：

根据承力索的变形量，求解出承力索的三维坐标；

根据接触线的三维坐标以及承力索的三维坐标，连接对应的节点，生成吊弦以及弹性吊索的三维坐标；

在同一坐标系下按照节点进行参数化绘图，生成接触网三维可视化模型，建立接触网有限元模型；

在接触网有限元模型上加载接触网故障，获取传感器的输出数据。

进一步地，所述接触网几何参数包括接触网基本几何参数、锚段关节几何参数、电分相几何参数；

所述接触网基本几何参数包括跨距、拉出值、吊弦数量、中间跨数、接触线高度、结构高度、第一弹链吊弦距定位点距离、弹性吊索长度、第一简链吊弦距定位点距离、弹性吊索张力；

所述锚段关节几何参数包括五跨锚段关节几何参数和四跨锚段关节几何参数；所述五跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、屋脊点抬高、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；所述四跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、腕臂间距、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；

所述电分相几何参数包括腕臂间距、过渡点抬高及结构高度、右支拉出值、三支柱抬高、左支拉出值、小锚柱抬高及跨距、转换柱是否为弹链、隔离开关承力索高差、转化柱抬高及结构高度。

进一步地，所述接触网材料参数包括接触网零部件的尺寸、重量、张力、弹性模量、泊松比，以及接触网上附加设备的重量。

进一步地，所述传感器的类型包括张力传感器、加速度传感器；

所述传感器的安装位置包括接触线、承力索。

进一步地，在接触网有限元模型上加载接触网故障，获取传感器的输出数据包括：

当需要评估故障下的弓网动态性能时，将接触网故障加载到接触网有限元模型当中，并在接触网有限元模型基础上加入受电弓模型，完成弓网动态仿真，提取弓网仿真过程中传感器输出数据；

当需要评估故障下的接触网响应时，直接将接触网故障加载到接触网有限元模型当中，接触网由于故障发生形变将产生新的平衡状态，提取接触网形变过程中的传感器输出数据。

另一方面，提供面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建系统，所述系统用于完成上述的方法，包括：

几何参数设定模块，用于设定接触网几何参数；

材料参数设定模块，用于设定接触网材料参数；

传感器设定模块，用于设定传感器的类型及安装位置；

第一模型建立模块，用于对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型；

第二模型建立模块，用于求解承力索上节点的三维坐标, 建立接触网三维可视化模型，生成接触网有限元模型；

加载模块，用于在接触网有限元模型上加载接触网故障，获取传感器的输出数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明充分考虑了接触网的多种故障类型，对接触网进行模型搭建，获得面向故障仿真的接触网三维可视化模型，在此模型的基础上可以模拟各类接触网故障，提取故障发生时的关键信息，以更加直观、便捷的方式反应故障发生时接触网各参数以及形态的变化，为接触网故障的定位诊断提供了有力支撑。

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实施例的附图。

图1是本发明一个实施例的方法流程图。

图2是本发明一个实施例的系统结构图。

图3是本发明一个实施例的设定接触网几何参数的示意图。

图4是本发明一个实施例的设定接触网材料参数的示意图。

图5是本发明一个实施例的仿真结果示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

应注意到，相似的名称、符号和字母表示类似项，因此，一旦某一项在一个实施例中被定义，则在随后的实施例中不需要对其进行进一步定义和解释。术语“包括”等以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。术语 “第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。当然的，这样的对象在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

实施例1：

本实施例涉及了一种面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建方法，步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行。如图1，方法包括：

S1：设定接触网几何参数。

所述接触网几何参数包括接触网基本几何参数、锚段关节几何参数、电分相几何参数。其中：

所述接触网基本几何参数包括跨距、拉出值、吊弦数量、中间跨数、接触线高度、结构高度、第一弹链吊弦距定位点距离、弹性吊索长度、第一简链吊弦距定位点距离、弹性吊索张力；

所述锚段关节几何参数包括五跨锚段关节几何参数和四跨锚段关节几何参数；所述五跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、屋脊点抬高、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；所述四跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、腕臂间距、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；

所述电分相几何参数包括腕臂间距、过渡点抬高及结构高度、右支拉出值、三支柱抬高、左支拉出值、小锚柱抬高及跨距、转换柱是否为弹链、隔离开关承力索高差、转化柱抬高及结构高度。

当然地，上述参数也可根据接触网几何参数和故障类型之间的关联性进行调整，与特定故障类型相关的其他接触网几何参数也可纳入该步骤的设定。图3中显示的是设定接触网几何参数的一个具体实例。

S2：设定接触网材料参数。

所述接触网材料参数包括所有接触网零部件的尺寸、重量、张力、弹性模量、泊松比，以及接触网上所有附加设备的重量。

所述接触网零部件包括接触线、承力索、弹性吊索、吊弦、中心锚结绳、定位器、棘轮等，所述尺寸可为截面积或等效截面积。当然地，上述参数也可根据接触网零部件的类型进行调整，与特定接触网零部件可能发生特定故障相关的参数也可纳入该步骤的设定。

所述接触网上所有附加设备的重量包括横向电连接集中载荷质量、纵向电连接集中载荷质量、上网引线集中载荷质量、避雷线集中载荷质量、承力索绝缘子集中载荷质量、接触线绝缘子集中载荷质量、护线条集中载荷质量。

当然地，上述参数也可根据故障类型进行调整，与特定故障类型相关的其他附加设备重量也可纳入该步骤的设定。图4中显示的是设定接触网材料参数的一个具体实例。

S3：设定传感器的类型及安装位置。

所述传感器的类型包括张力传感器、加速度传感器；所述传感器的安装位置包括接触线、承力索。

其中：

张力传感器用以采集接触线和承力索的绳索张力。

加速度传感器用以采集接触线或承力索上某一处，在动态过程中（动态过程发生在受电弓通过的时候，或故障发生后短时间内接触网的变形过程）的顺线路方向、垂直线路方向和重力方向三个方向的加速度。

S4：对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型。具体过程为：

S401：根据接触线的高度信息，求解接触线对吊弦施加的荷载。

S402：根据接触线对吊弦施加的荷载以及吊弦的长度，求解吊弦对承力索施加的荷载。

S403：考虑承力索在不同位置所受的作用力（如拉力等），利用力矩平衡法、有限元法等方法求解承力索的变形量。

S404：根据承力索的变形量，修正吊弦的长度，当吊弦长度的修正量大于设定值时，设定值可限定为0.1mm，重复步骤402-404。

S405：当吊弦长度的修正量小于或等于设定值时，证明接触网达到了静力学平衡，提取出承力索的变形量，接触网的静力学求解完成。

S5：求解承力索上节点的三维坐标, 建立接触网三维可视化模型，生成接触网有限元模型。具体过程为：

S501：根据承力索的变形量，求解出承力索的三维坐标。

S502：根据接触线的三维坐标以及承力索的三维坐标，连接对应的节点，生成吊弦以及弹性吊索的三维坐标。

S503：利用三维绘图软件，在同一坐标系下按照所有的节点进行参数化绘图，生成接触网三维可视化模型，建立接触网有限元模型。

S6：在接触网有限元模型上加载接触网故障，获取传感器的输出数据。

当需要评估故障下的弓网动态性能时，将接触网故障加载到接触网有限元模型当中，并在接触网有限元模型基础上加入受电弓模型（可根据受电弓的参数建立受电弓的力学模型，如三质量块模型），完成弓网动态仿真，提取弓网仿真过程中传感器输出数据；

当需要评估故障下的接触网响应时，直接将接触网故障加载到接触网有限元模型当中，接触网由于故障发生形变将产生新的平衡状态，提取接触网形变过程中的传感器输出数据。

加载接触网故障，即选择接触网故障的位置，生成故障信息，将故障信息加载到接触网有限元模型当中。故障信息包括故障类型、故障位置以及故障特征。以异物侵扰故障为例，其故障信息的故障类型为异物侵扰故障，而不同形式的异物侵扰故障具有不同的故障位置和故障特征。如被大风吹至接触网上的树枝，故障位置可在接触网上的任何位置，承力索或接触线或腕臂上，故障特征就是点状质量异物，造成接触网局部质量增加及硬点；被风吹至接触网上的大片塑料篷布，故障位置也可在接触网上的任何位置，承力索或接触线或腕臂上，故障特征就是线形质量异物，造成某一段承力索或接触线单位质量整体增加，典型的如覆冰。

通过以上方法构建的接触网三维可视化模型，可用于接触网故障的仿真，根据故障类型与相关参数的关联性，通过调整参数数值就可以等效模拟故障，并通过三维可视的方式直观的观察到全线路接触网形态相应变化，并获得传感器的数据，为故障定位诊断提供基础。上述方法是在考虑多种故障类型的前提下构建接触网三维可视化模型的，因此，在该模型上也可等效模拟多种故障，达到非单一故障发生的仿真效果。图5中显示的是故障仿真的一个具体实例。

在接触网三维可视化模型上加载接触网故障，相当于在接触网三维可视化模型上注入接触网故障力学等效模型，例如：

（1）异物侵扰故障的等效方式可采用：

将小尺寸异物等效为集中质量荷载，等效方法为将异物质量沿重力方向施加到接触线或承力索的某一点；

将大尺寸异物等效为具有长度的分散质量荷载，等效方法为将异物质量平均分配给某一段接触网或承力索，将异物质量除以长度，沿重力方向施加到接触线或承力索上。

（2）定位器线夹脱落故障的等效方式可采用：

定位器线夹与接触线分离，可以处理为定位器线夹节点与此处接触线的节点的耦合被删除，但由于定位器在不受拉力后，会因为重力而快速运动，因此，此故障等效为删除定位器。

本实施例的方法构建了接触网三维可视化模型，生成了接触网有限元模型，可直接将故障的力学效用加载在接触网有限元模型上,利用传感器输出的数据分析故障的特征,相比于现有技术,力学效用直接加载相对于电信号模拟更直接、更贴近实际故障产生的来源；用传感器的输出数据表征故障的特征，实际中采集到的也是传感器的数据，因此在进行故障识别时，同类数据比对，确定故障的类别及程度更准确。

实施例2：

本实施例涉及一种面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建系统，能以硬件或软件方式实现，用于完成实施例1所述的方法。如图2，所述系统包括：

几何参数设定模块，用于设定接触网几何参数，对应实施例1中步骤S1的内容。

材料参数设定模块，用于设定接触网材料参数，对应实施例1中步骤S2的内容。

传感器设定模块，用于设定传感器的类型及安装位置，对应实施例1中步骤S3的内容。

第一模型建立模块，用于对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型，对应实施例1中步骤S4的内容。

第二模型建立模块，用于求解承力索上节点的三维坐标, 建立接触网三维可视化模型，生成接触网有限元模型，对应实施例1中步骤S5的内容。

加载模块，用于在接触网有限元模型上加载接触网故障，获取传感器的输出数据，对应该实施例1中步骤S6的内容。

本领域技术人员可以理解，本发明实施例的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (6)

1.面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建方法，其特征在于：

所述方法包括：

设定接触网几何参数；

设定接触网材料参数；

设定传感器的类型及安装位置；

对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型，包括：

S401：根据接触线的高度信息，求解接触线对吊弦施加的荷载；

S402：根据接触线对吊弦施加的荷载以及吊弦的长度，求解吊弦对承力索施加的荷载；

S403：考虑承力索在不同位置所受的作用力，利用力矩平衡法或有限元法求解承力索的变形量；

S404：根据承力索的变形量，修正吊弦的长度，当吊弦长度的修正量大于设定值时，重复步骤402-404；

S405：当吊弦长度的修正量小于或等于设定值时，提取出承力索的变形量，接触网的静力学求解完成；

求解承力索上节点的三维坐标, 建立接触网三维可视化模型，生成接触网有限元模型，包括：

根据承力索的变形量，求解出承力索的三维坐标；

根据接触线的三维坐标以及承力索的三维坐标，连接对应的节点，生成吊弦以及弹性吊索的三维坐标；

在同一坐标系下按照节点进行参数化绘图，生成接触网三维可视化模型，建立接触网有限元模型；

在接触网有限元模型上加载接触网故障，获取传感器的输出数据。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述接触网几何参数包括接触网基本几何参数、锚段关节几何参数、电分相几何参数；

所述接触网基本几何参数包括跨距、拉出值、吊弦数量、中间跨数、接触线高度、结构高度、第一弹链吊弦距定位点距离、弹性吊索长度、第一简链吊弦距定位点距离、弹性吊索张力；

所述锚段关节几何参数包括五跨锚段关节几何参数和四跨锚段关节几何参数；所述五跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、屋脊点抬高、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；所述四跨锚段关节几何参数包括前支拉出值、腕臂间距、转换柱抬高及结构高度、后支拉出值及跨距；

所述电分相几何参数包括腕臂间距、过渡点抬高及结构高度、右支拉出值、三支柱抬高、左支拉出值、小锚柱抬高及跨距、转换柱是否为弹链、隔离开关承力索高差、转化柱抬高及结构高度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述接触网材料参数包括接触网零部件的尺寸、重量、张力、弹性模量、泊松比，以及接触网上附加设备的重量。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述传感器的类型包括张力传感器、加速度传感器；

所述传感器的安装位置包括接触线、承力索。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

在接触网有限元模型上加载接触网故障，获取传感器的输出数据包括：

当需要评估故障下的弓网动态性能时，将接触网故障加载到接触网有限元模型当中，并在接触网有限元模型基础上加入受电弓模型，完成弓网动态仿真，提取弓网仿真过程中传感器输出数据；

当需要评估故障下的接触网响应时，直接将接触网故障加载到接触网有限元模型当中，接触网由于故障发生形变将产生新的平衡状态，提取接触网形变过程中的传感器输出数据。

6.面向故障仿真的接触网三维可视化模型构建系统，其特征在于：

所述系统用于完成权利要求1-5任一项所述的方法，包括：

几何参数设定模块，用于设定接触网几何参数；

材料参数设定模块，用于设定接触网材料参数；

传感器设定模块，用于设定传感器的类型及安装位置；

第一模型建立模块，用于对接触网进行静力学求解，建立接触网的静力学平衡数学模型；

第二模型建立模块，用于求解承力索上节点的三维坐标, 建立接触网三维可视化模型，生成接触网有限元模型；

加载模块，用于在接触网有限元模型上加载接触网故障，获取传感器的输出数据。

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