一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真系统及方法，其包括：数据输入模块：用于直接向车辆系统参数子模块、轨道结构参数子模块、运行参数子模块分别输入车辆参数、轨道参数和运行参数；仿真系统：通过轨道曲线设置模块、轨道不平顺设置模块、牵引制动信号模块、积分迭代模块、轮轨接触模块、法向力求解模块、切向力求解模块向加速度计算模块提供数据，并通过积分迭代模块与加速度计算模块之间的循环实现计算车辆、轨道、轮轨相互作用力的输出数据；结果输出模块：用于输出车辆部件、轨道部件和轮轨相互作用力的对应数据,其建立了完整系统，根据实际需求调用即可实现列车实时仿真。时仿真。时仿真。

【技术实现步骤摘要】
一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真系统及方法


[0001]本专利技术属于轨道交通和车辆
‑
轨道耦合系统动力学
，具体涉及一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真系统及方法。

技术介绍

[0002]随着我国城市轨道交通建设的迅速发展，地铁列车的运营里程和开行密度大幅度增加，对列车运行的安全性、可靠性提出了更高的要求。
[0003]我国各个城市地铁线路运营采用的地铁类型各有差异，复杂多变的运行环境对地铁列车运行性能存在较大影响。其中车型、编组以及动力配置关系到列车的长度、质量、振动特性和牵引制动能力等；不同轨道结构下的列车的轮轨动力性能会有所差异；轮轨表面接触状态的改变会导致车轮出现打滑或空转等问题。因此需要建立一种便捷、实用、高效的动力学实时仿真系统，其包含完备的地铁车辆模型库和轨道结构模型库，能够让用户针对特定问题快速开展分析和研究，且能根据用户实际需求不断迭代更新以满足一线工程师开展轨道列车动力学研究的需求。
[0004]同时，考虑到对列车长期运行安全监测与维护的需求，有必要对地铁列车的运行状态进行实时监测评估，从而使地面控制中心及时了解列车运行情况。其中列车的部分动力学响应以及安全性、平稳性等评价指标需要通过仿真计算得出，因此实现地铁列车动力学实时仿真计算是关键。然而若采用传统动力学软件进行建模分析，不仅需要一定的理论基础，且受到现场设备的限制，其算力不能满足现场实时计算的需要，相对而言采用自编程的动力学程序更有利于模型的修改和运行工况设置，能够更好地与现有或未来安装的检测仪器设备连接并互通数据，从而实现列车运行安全的在线监测与评估。
[0005]因此，建立一种适用于地铁车辆的基于云计算的车线耦合系统动力学系统对于列车实际运行安全检测及维护具有非常重要的意义。

技术实现思路

[0006]为克服上述存在之不足，提出了一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真系统及方法，其建立了完整系统，根据实际需求调用即可，实现轮轨黏着模型同车线耦合系统动力学模型高效结合，车辆模型参数、轨道型式参数自定义便捷，线路条件准确还原，实现列车任意车轮黏着系数实时计算。
[0007]为实现上述目的本专利技术所采用的技术方案是：提供一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其步骤包括：获取基础数据：根据需要分析的数据，分析建立模块连接关系方便仿真计算，初步分析所需数据并获取原始数据；设置各模块参数：车辆参数，对车辆系统参数子模块设置车辆参数，根据车辆参数设置构建生成车辆动力学模型；轨道参数，对轨道结构参数子模块分别进行轨道平纵断面参数设置及轨道形式设置；运行参数，对运行参数子模块设置动力学计算的基本参数，包括
仿真积分步长、初始运行速度、预平衡轨道长度、仿真计算时间和距离；根据车辆参数、轨道参数、运行参数得知轮轨接触模块对应的轮轨接触参数、轨道不平顺设置模块的不平顺参数、轨道曲线设置模块的轨道曲线参数、牵引制动信号模块的牵引制动参数；仿真计算：设置各模块参数的步骤在操作端完成，操作端将输入的各模块参数传输到云端，利用云端算力进行计算；结束仿真，操作端接收云端的结果并输出。
[0008]根据本专利技术所述的基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其进一步的优选技术方案是：设置车辆参数步骤中，车辆参数包括列车的编组参数、车体参数、轮对参数、构架参数、电机参数、结构参数、悬挂参数及减振器参数，编组参数包括列车编组数量和动车、拖车分布情况；车体参数、构架参数、轮对参数和电机参数设置需要输入各个部件的数量、质量和转动惯量；结构参数包含一系悬挂和二系悬挂的横向跨距、悬挂点距离构架质心和车体质心的高度以及轴箱拉杆和二系横向止挡的高度；悬挂参数包括一系悬挂和二系悬挂在纵向、横向、垂向的刚度和阻尼大小；减振器参数包括一系垂向减振器和二系垂向、横向减振器特性参数。
[0009]根据本专利技术所述的基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其进一步的优选技术方案是：设置轨道参数步骤中，平断面参数包括不同的曲线半径、曲线长度、缓和曲线长度和曲线超高；轨道形式是根据仿真需求选择整体道床轨道、弹性支撑块式轨道、钢弹簧浮置板轨道或梯形轨枕轨道；纵断面是指坡道运行工况，输入的参数包括坡度和坡道长度。
[0010]根据本专利技术所述的基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其进一步的优选技术方案是：设置各模块参数步骤中，对轮轨接触模块进行黏着条件设置和黏着区段设置，黏着条件设置通过定义摩擦系数、接触斑内黏着区缩减系数、接触斑内滑动区缩减系数和函数型摩擦特性中的系数AP、BP以实现对干燥、潮湿、油污、落叶和冰雪几种不同黏着状态的模拟，黏着区段设置用于设置不同黏着条件的起点里程和终点里程；对轨道不平顺设置模块输入不平顺激励，设置不平顺文件名和保存路径，并选择要保存的文件格式类型，仿真计算项目会在指定路径下生成不平顺文件方便后续调用；对轨道曲线设置模块的竖曲线子模块输入坡度和坡道长度生成线路纵断面线型，对平面曲线子模块输入曲线半径、曲线长度、缓和曲线长度和曲线超高生成线路平断面线型；对牵引制动信号模块输入牵引制动参数。
[0011]根据本专利技术所述的基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其进一步的优选技术方案是：仿真计算步骤包括：1）轮轨接触模块将计算得到的轮轨接触点和轮轨接触参数输入至法向力求解模块和切向力求解模块；2）法向力求解模块计算得到轮轨法向力后输出至切向力求解模块；3）切向力求解模块根据轮轨接触点、轮轨接触参数和轮轨法向力计算轮轨切向力，将轮轨法向力和切向力均输出至加速度计算模块；4）除轮轨法向力和切向力外，加速度计算模块的输入量还包括轨道曲线设置模块输出的当前时刻下车体、构架和轮对位置处的曲线参数，轨道不平顺设置模块输出的不同车轮位置处的轨道不平顺激励和牵引制动信号模块输出的列车牵引制动力的大小；5）加速度计算模块根据4）中输入的参数以及积分迭代模块输出的车辆或轨道结构的位移和速度，求解车辆或轨道结构的加速度，其中初始时刻车辆或轨道结构的位移和速度假设为0；6）积分迭代模块利用当前时刻和前一时刻下车辆或轨道结构的位移、速度和加速度计算模块输出的加速度求解下一时刻各部
件的位移和速度；7）通过积分迭代模块与加速度计算模块之间的循环实现计算车辆、轨道、轮轨相互作用力的输出数据。
[0012]根据本专利技术所述的基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其进一步的优选技术方案是：结束仿真步骤中，云端计算结果以数据形式和由云端进行渲染的图形、视频形式输送到操作端，操作端同步显示车辆运行在轨道上的线路图，仿真所用的列车三维模型，实时显示车辆运行时间、里程以及速度；选择性显示实时脱轨系数、轮重减载率和磨耗指数；实时显示当前各个轮对脱轨系数、轮重减载率和磨耗系数的变化图。
[0013]一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真系统，其包括：原始数据输入模块：用于直接向车辆系统参数子模块、轨道结构参数子模块、运行参数子模块分别输入车辆参数、轨道参数和运行参数，并将数据输送到云端；仿真系统：利用云端的算力，通过轨本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其特征在于，其步骤包括：获取基础数据：根据需要分析的数据，分析建立模块连接关系方便仿真计算，初步分析所需数据并获取原始数据；设置各模块参数：车辆参数，对车辆系统参数子模块设置车辆参数，根据车辆参数设置构建生成车辆动力学模型；轨道参数，对轨道结构参数子模块分别进行轨道平纵断面参数设置及轨道形式设置；运行参数，对运行参数子模块设置动力学计算的基本参数，包括仿真积分步长、初始运行速度、预平衡轨道长度、仿真计算时间和距离；根据车辆参数、轨道参数、运行参数得知轮轨接触模块对应的轮轨接触参数、轨道不平顺设置模块的不平顺参数、轨道曲线设置模块的轨道曲线参数、牵引制动信号模块的牵引制动参数；仿真计算：设置各模块参数的步骤在操作端完成，操作端将输入的各模块参数传输到云端，利用云端算力进行计算；结束仿真，操作端接收云端的结果并输出。2.根据权利要求1所述的一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其特征在于，设置车辆参数步骤中，车辆参数包括列车的编组参数、车体参数、轮对参数、构架参数、电机参数、结构参数、悬挂参数及减振器参数，编组参数包括列车编组数量和动车、拖车分布情况；车体参数、构架参数、轮对参数和电机参数设置需要输入各个部件的数量、质量和转动惯量；结构参数包含一系悬挂和二系悬挂的横向跨距、悬挂点距离构架质心和车体质心的高度以及轴箱拉杆和二系横向止挡的高度；悬挂参数包括一系悬挂和二系悬挂在纵向、横向、垂向的刚度和阻尼大小；减振器参数包括一系垂向减振器和二系垂向、横向减振器特性参数。3.根据权利要求1所述的一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其特征在于，设置轨道参数步骤中，平断面参数包括不同的曲线半径、曲线长度、缓和曲线长度和曲线超高；轨道形式是根据仿真需求选择整体道床轨道、弹性支撑块式轨道、钢弹簧浮置板轨道或梯形轨枕轨道；纵断面是指坡道运行工况，输入的参数包括坡度和坡道长度。4.根据权利要求1所述的一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其特征在于，设置各模块参数步骤中，对轮轨接触模块进行黏着条件设置和黏着区段设置，黏着条件设置通过定义摩擦系数、接触斑内黏着区缩减系数、接触斑内滑动区缩减系数和函数型摩擦特性中的系数AP、BP以实现对干燥、潮湿、油污、落叶和冰雪几种不同黏着状态的模拟，黏着区段设置用于设置不同黏着条件的起点里程和终点里程；对轨道不平顺设置模块输入不平顺激励，设置不平顺文件名和保存路径，并选择要保存的文件格式类型，仿真计算项目会在指定路径下生成不平顺文件方便后续调用；对轨道曲线设置模块的竖曲线子模块输入坡度和坡道长度生成线路纵断面线型，对平面曲线子模块输入曲线半径、曲线长度、缓和曲线长度和曲线超高生成线路平断面线型；对牵引制动信号模块输入牵引制动参数。5.根据权利要求1所述的一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其特征在于，仿真计算步骤包括：1）轮轨接触模块将计算得到的轮轨接触点和轮轨接触参数输入至法向力求解模块和切向力求解模块；2）法向力求解模块计算得到轮轨法向力后输出至切向力求解模块；3）切向力求解模块根据轮轨接触点、轮轨接触参数和轮轨法向力计算轮轨切向力，将轮轨法向力和切向力均输出至加速度计算模块；4）除轮轨法向力和切向力外，加速度计算模块的输入量还包括轨道曲线设置模块输出的当前时刻下车体、构架和轮对位置处
的曲线参数，轨道不平顺设置模块输出的不同车轮位置处的轨道不平顺激励和牵引制动信号模块输出的列车牵引制动力的大小；5）加速度计算模块根据4）中输入的参数以及积分迭代模块输出的车辆或轨道结构的位移和速度，求解车辆或轨道结构的加速度，其中初始时刻车辆或轨道结构的位移和速度假设为0；6）积分迭代模块利用当前时刻和前一时刻下车辆或轨道结构的位移、速度和加速度计算模块输出的加速度求解下一时刻各部件的位移和速度；7）通过积分迭代模块与加速度计算模块之间的循环实现计算车辆、轨道、轮轨相互作用力的输出数据。6.根据权利要求1所述的一种基于云计算的列车轨道模型的实时仿真方法，其特征在于，结束仿真步骤中，云端计算结果以数据形式和由云端进行渲染的图形、视频形式输送到操作端，操作端同步显示车辆运行在轨道上的线路图，仿真所用的列车三维模型，实时显示车辆运行时间、里程以及速度；选择性显示实时脱轨系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张涛，凌亮，唐兆，刘林，金潇，陈清华，蒋涛，黄珊，杨云帆，王开云，翟婉明，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：