CN117473769B - 一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及工程技术领域，公开了一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，包括：根据线路实际风切变风速的演变情况判断是否考虑连续风切变；当相邻风切变间隔时间大于或等于预设阈值时，考虑独立风切变影响，当相邻风切变间隔时间小于预设阈值时，考虑连续风切变影响；通过风切变‑列车动力学相应耦合数值模拟方法分析基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间、风切变峰值持续时间、相邻风切变间隔时间以及风向变化对目标高速列车动力学特性的影响，得到最不利风切变情况与表征参数；基于最不利风切变情况与表征参数组合确定目标列车安全行驶阈值速度；本发明解决现有的大风下高速列车安全形势阈值速度确定方法没有考虑风切变影响的问题。

Description

一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法及系统
技术领域
本发明涉及工程技术领域，尤其涉及一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法及系统。
背景技术
随着列车技术的快速发展，高速列车技术越来越成熟，其高速列车的行驶速度也越来越快，高速列车在实际行驶过程中，其受到的环境风干扰并不是大小方向一成不变的恒定风，当高速列车行驶过某些受气象和地形条件影响较大的风区时，线路上会出现局部区段风速风向突变的现象，这便是铁路沿线的风切变现象，风切变现象会对高速列车的正常安全行驶造成显著的影响，因此，需要对高速列车在风切变情况下的运行状态进行研究，以减少风切变情况对高速列车的安全威胁。
现有评估规范中，主要采用时域阵风模型来评估风速变化对高速列车运行安全的影响。然而，中国内陆风区铁路往往要穿越多种复杂地形地貌，特别是在中国兰新高铁、南疆铁路百里风区等，环境风受沿线地形地貌的影响，出现了风速在时域和空间上的突变，以及风向的突然反向等，当列车高速运行通过时，作用在车体上的风载荷突然增大或者是风载荷突然反向，造成车体出现剧烈的晃摆，也就是“晃车”现象。而现有评估规范中的阵风模型，忽略了风速突变快慢、峰值风速持续时间、风速突变高度、以及风向反向等因素的影响，导致风区高速列车开行方案难以准确考虑风切变的影响，使得一旦出现“晃车”，列车司机被迫依据个人体感及经验频繁紧急降速或停车处理，严重影响了高速列车的正常运行和铁路运输效率。可见，现有的风切变下高速列车安全行驶阈值速度的确定方法存在准确率低的问题。
发明内容
本发明提供了一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法及系统，以解决现有的风切变下高速列车安全行驶阈值速度的确定方法存在准确率低的问题。
为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
第一方面，本发明提供一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，包括：
根据线路实际风切变情况，构建目标高速列车风切变演变风速模型，并在所述风切变演变风速模型中获取目标高速列车行驶过程中的基础风速范围、风切变峰值风速范围以及风速演变总时间范围；
基于所述基础风速和所述风速演变总时间确定基础风速时间范围，基于所述风切变峰值风速和风速演变总时间确定风切变峰值持续时间范围和阶跃时间范围；
根据所述基础风速时间和所述阶跃时间范围确定相邻风切变间隔时间，并对所述相邻风切变间隔时间进行大小判断；
当所述相邻风切变间隔时间大于或等于预设阈值时，只需考虑独立风切变影响，当所述相邻风切变间隔时间小于预设阈值时，需考虑连续风切变影响；
通过风切变-列车动力学相应耦合数值模拟方法分析基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间、风切变峰值持续时间、相邻风切变间隔时间以及风向变化对目标高速列车动力学特性的影响，得到最不利风切变情况与表征参数组合；
基于最不利风切变情况与表征参数组合确定目标列车安全行驶阈值速度。
可选的，基于基础风速范围和风速演变总时间范围确定基础风速时间范围，包括：
在风速演变总时间中确定基础风速维持的时间段，并将该时间段作为基础风速时间范围。
可选的，所述基于风切变峰值风速范围和风速演变总时间确定风切变峰值持续时间范围和阶跃时间范围，包括：
在风速演变总时间中确定风切变峰值风速维持的时间段，并将该时间段作为风切变峰值持续时间变化范围；
将风切变峰值持续时间和基础风速时间从风速演变总时间中剔除，便可得到阶跃时间范围。
可选的，所述根据基础风速时间和阶跃时间确定相邻风切变间隔时间，包括：
将相邻风切变中后一个风切变上阶跃时间的开始时刻减去相邻风切变中前一个风切变下阶跃时间的结束时刻，得到相邻风切变间隔时间。
可选的，所述当相邻风切变间隔时间大于或等于预设阈值时，只需考虑独立风切变影响；包括：
当相邻风切变间隔时间大于或等于6s时，只需要考虑独立风切变影响。
可选的，所述考虑独立风切变影响，包括：
在考虑独立风切变影响时，考虑基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间以及风切变峰值持续时间。
可选的，所述当相邻风切变间隔时间小于预设阈值时，需考虑连续风切变影响，包括：
当相邻风切变间隔时间小于6s时，判断相邻风切变相对关系，并在除相邻风切变中前一个风切变影响大于相邻风切变中后一个风切变影响时只需考虑独立风切变影响外，其余情况下需要考虑连续风切变影响。
可选的，所述考虑连续风切变影响，包括：
在考虑连续风切变影响时，考虑相邻风切变中前一个风切变的基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间、风切变峰值持续时间以及相邻风切变中后一个风切变的基础风速、风切变峰值风速、风切变阶跃时间、风切变峰值持续时间。
第二方面，本申请实施例提供一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定系统，包括处理器、存储器；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现第一方面中任一所述的方法步骤。
有益效果：
本发明提供的风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，根据基础风速时间和阶跃时间、峰值风速持续时间确定相邻风切变间隔时间，并对相邻风切变间隔时间进行大小判断；当相邻风切变间隔时间大于或等于预设阈值时，只需考虑独立风切变影响，当相邻风切变间隔时间小于预设阈值时，需考虑连续风切变影响；通过风切变-列车动力学相应耦合数值模拟方法分析基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间、风切变峰值持续时间、相邻风切变间隔时间以及风向变化对目标高速列车动力学特性的影响，得到最不利风切变情况与表征参数组合；基于最不利风切变情况与表征参数组合确定目标列车安全行驶阈值速度，通过上述方法能够考风速突变快慢、峰值风速持续时间、风速突变高度、以及风向反向等因素的影响，解决了现有的风切变下高速列车安全行驶阈值速度的确定方法存在准确率低的问题。
附图说明
图1为本发明优选实施例的风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法的流程图；
图2为本发明优选实施例的风切变演变风速模型示意图；
图3为本发明优选实施例的风切变下列车安全运行阈值风速计算流程图；
图4为本发明优选实施例的独立风切变下列车安全运行阈值风速曲线图；
图5为本发明优选实施例的连续风切变下列车安全运行阈值风速曲线图。
具体实施方式
下面对本发明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作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。
除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
实施例1
请参见图1，本申请实施例提供一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，包括：
根据线路实际风切变情况，构建目标高速列车风切变演变风速模型，并在所述风切变演变风速模型中获取目标高速列车行驶过程中的基础风速范围、风切变峰值风速范围以及风速演变总时间范围；
基于所述基础风速和所述风速演变总时间确定基础风速时间范围，基于所述风切变峰值风速范围和风速演变总时间确定风切变峰值持续时间范围和阶跃时间范围；
根据所述基础风速时间范围和所述阶跃时间范围确定相邻风切变间隔时间，并对所述相邻风切变间隔时间进行大小判断；
当所述相邻风切变间隔时间大于或等于预设阈值时，只需考虑独立风切变影响，当所述相邻风切变间隔时间小于预设阈值时，需考虑连续风切变影响；
通过风切变-列车动力学相应耦合数值模拟方法分析基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间、风切变峰值持续时间、相邻风切变间隔时间以及风向变化对目标高速列车动力学特性的影响，得到最不利风切变情况与表征参数组合；
基于最不利风切变情况与表征参数组合确定目标列车安全行驶阈值速度。
可选的，基于基础风速范围和风速演变总时间范围确定基础风速时间范围，包括：
在风速演变总时间中确定基础风速维持的时间段，并将该时间段作为基础风速时间范围。
可选的，所述基于风切变峰值风速和风速演变总时间确定风切变峰值持续时间和阶跃时间范围，包括：
在风速演变总时间中确定风切变峰值风速维持的时间段，并将该时间段作为风切变峰值持续时间变化范围；
将风切变峰值持续时间和基础风速时间从风速演变总时间中剔除，便可得到阶跃时间范围。
可选的，所述根据基础风速时间、阶跃时间、峰值风速持续时间确定相邻风切变间隔时间，包括：
将相邻风切变中后一个风切变上阶跃时间的开始时刻减去相邻风切变中前一个风切变下阶跃时间的结束时刻，得到相邻风切变间隔时间。
可选的，所述当相邻风切变间隔时间大于或等于预设阈值时，只需考虑独立风切变影响；包括：
当相邻风切变间隔时间大于或等于6s时，只需要考虑独立风切变影响。
可选的，所述考虑独立风切变影响，包括：
在考虑独立风切变影响时，考虑基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间以及风切变峰值持续时间。
可选的，所述当相邻风切变间隔时间小于预设阈值时，需考虑连续风切变影响，包括：
当相邻风切变间隔时间小于6s时，判断相邻风切变相对关系，并在除相邻风切变中前一个风切变影响大于相邻风切变中后一个风切变影响时只需考虑独立风切变影响外，其余情况下需要考虑连续风切变影响。
可选的，所述考虑连续风切变影响，包括：
在考虑连续风切变影响时，考虑相邻风切变中前一个风切变的基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间、风切变峰值持续时间以及相邻风切变中后一个风切变的基础风速、风切变峰值风速、风切变阶跃时间、风切变峰值持续时间。
实施例2
请参见图2-5
(1)提出一种多参数表征的作用于列车的切变风风速模型。该模型中综合考虑基础风速(vw,mean)、风切变速率、峰值风速作用时长、风切变峰值风速(vwi)、风向的反向(与来流方向相反，-vwi)。此外，若两相邻风切变间隔距离较近时，对列车而言可认为遭遇连续风切变，因此，提出的风速模型中还考虑是否会形成连续风切变。其中，风速切变速率通过阶跃时间tsi来衡量(tsi＝t2–t1＝t4–t3)；峰值风速持续时间tLi(tLi＝t3–t2＝t7–t6)；是否连续风切变通过间隔时间tg来衡量(tg＝t5–t4)；
如表1所示，设定在t0～t1区间内保持基础风速vw,mean恒定，从t1到t2时刻内风速近线性增加到峰值风速vw1(-vw表示风速反向)，在t2～t3区间内保持峰值风速vw1恒定，从t3到t4时刻风速近线性减小到基础风速vw,mean，在t4～t5区间内保持基础风速vw,mean恒定，从t5到t6时刻内风速再次近线性增加到峰值风速vw2，在t6～t7区间内保持峰值风速vw2恒定，从t7到t8时刻风速近线性减小到基础风速vw,mean，在t8～t9区间内保持基础风速vw,mean恒定。
表1参数定义
(2)根据列车实际运行环境来确定是否考虑连续风切变的影响。一般的，当列车以最高速度运行时，相对列车而言相邻风切变间隔时间小于6s时，要考虑连续风切变的影响；
(3)确定需要考虑的风切变关键参数。若为独立风切变，仅需考虑基础风速vw,mean，峰值风速vw，阶跃时间Δts以及峰值风速持续时间ΔtL的影响。若为连续风切变，首先应判读vw1与vw2相对关系，若vw1对列车影响大于vw2，则仅需考虑第一次风切变影响，与独立风切变相同。其余情况下需考虑Δts1，Δts2，ΔtL1，ΔtL2，Δtg，vw1，vw2的共同影响。一般的，计算最不利工况，阶跃时间、峰值风速持续时间、以及间隔时间仅计算一个车体侧滚运动周期时长即可；
(4)通过空气动力学计算或风洞试验来获取不同侧滑角下气动力系数，并通过准稳态方法计算风切变下不同风切变下的列车气动载荷；
(5)通过风切变-列车动力学响应耦合数值模拟方法，分析阶跃时间、峰值风速持续时间、间隔时间、风速切变高度、风向反向等对列车动力学特性的影响，得出最不利风切变情况与表征参数组合；
(6)进而以安全指标(倾覆系数等)或舒适性等为限值，获得风切变下列车安全运行阈值风速区间。
输出结果如图4图5所示，图中，曲线AC表示风向不变时允许的峰值风速最大限值，即风向不变时的峰值风速阈值曲线；曲线BC表示风速反向时允许的峰值风速最大限值，即峰值风速反向时的峰值风速阈值曲线；直线OC是过原点的45°线，表示基础风速；风向不变时的峰值风速阈值曲线AC与风速反向时的峰值风速阈值曲线BC交点C表示，恒定风速下的列车安全运行阈值风速。在曲线AC与BC围成的面积内的任一点，表示列车在不同基础风速下运行时不会出现由风切变造成的列车倾覆，两曲线所围成面积外的任一点，表示列车会出现安全风险。
本申请实施例还提供一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定系统，包括处理器、存储器；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法中任一所述的方法步骤。
上述的风切变下高速列车安全运行阈值速度确定系统，可以实现上述的风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法的各个实施例，且能达到相同的有益效果，此处，不做赘述。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，其特征在于，包括：
根据线路实际风切变情况，构建目标高速列车风切变演变风速模型，并在所述风切变演变风速模型中获取目标高速列车行驶过程中的基础风速范围、风切变峰值风速范围以及风速演变总时间；
基于所述基础风速和所述风速演变总时间确定基础风速时间范围，基于所述风切变峰值风速范围和风速演变总时间确定风切变峰值持续时间范围和阶跃时间范围；
根据所述基础风速时间范围、所述风切变峰值持续时间范围和所述阶跃时间范围确定相邻风切变间隔时间范围，并对所述相邻风切变间隔时间进行大小判断；
当所述相邻风切变间隔时间大于或等于预设阈值时，只需考虑独立风切变影响，当所述相邻风切变间隔时间小于预设阈值时，需考虑连续风切变影响；
其中，考虑独立风切变影响，包括：
在考虑独立风切变影响时，考虑基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间以及风切变峰值持续时间；
考虑连续风切变影响，包括：
在考虑连续风切变影响时，考虑相邻风切变中前一个风切变的基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间、风切变峰值持续时间以及相邻风切变中后一个风切变的基础风速、风切变峰值风速、风切变阶跃时间、风切变峰值持续时间；
通过风切变-列车动力学相应耦合数值模拟方法分析基础风速、风切变峰值风速、阶跃时间、风切变峰值持续时间、相邻风切变间隔时间以及风向变化对目标高速列车动力学特性的影响，得到最不利风切变情况与表征参数组合；
基于最不利风切变情况与表征参数组合确定目标列车安全行驶阈值速度。
2.根据权利要求1所述的风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，其特征在于，所述基于所述基础风速和所述风速演变总时间确定基础风速时间范围，包括：
在风速演变总时间中确定基础风速维持的时间段，并将该时间段作为基础风速时间范围。
3.根据权利要求1所述的风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，其特征在于，所述基于所述风切变峰值风速范围和风速演变总时间确定风切变峰值持续时间范围和阶跃时间范围，包括：
在风速演变总时间中确定风切变峰值风速维持的时间段，并将该时间段作为风切变峰值持续时间变化范围；
将风切变峰值持续时间和基础风速时间从风速演变总时间中剔除，便可得到阶跃时间范围。
4.根据权利要求1所述的风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，其特征在于，所述根据所述基础风速时间范围、所述风切变峰值持续时间范围和所述阶跃时间范围确定相邻风切变间隔时间，包括：
将相邻风切变中后一个风切变上阶跃时间的开始时刻减去相邻风切变中前一个风切变下阶跃时间的结束时刻，得到相邻风切变间隔时间。
5.根据权利要求1所述的风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，其特征在于，所述当所述相邻风切变间隔时间大于或等于预设阈值时，只需考虑独立风切变影响；包括：
当相邻风切变间隔时间大于或等于6s时，只需要考虑独立风切变影响。
6.根据权利要求1所述的风切变下高速列车安全运行阈值速度确定方法，其特征在于，所述当所述相邻风切变间隔时间小于预设阈值时，需考虑连续风切变影响，包括：
当相邻风切变间隔时间小于6s时，判断相邻风切变相对关系，并在除相邻风切变中前一个风切变影响大于相邻风切变中后一个风切变影响时只需考虑独立风切变影响外，其余情况下需要考虑连续风切变影响。
7.一种风切变下高速列车安全运行阈值速度确定系统，其特征在于，包括处理器、存储器；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1-6中任一所述的方法步骤。
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