高速列车大系统耦合动力学仿真平台技术方案

本发明专利技术公开了一种高速列车大系统耦合动力学仿真平台。该平台采用基于C/S模式的分布式仿真体系，包括前台人机交互界面部分和后台基于分布式的核心计算部分。后台基于分布式的核心计算模块包括：任务调度模块、耦合控制模块、执行机代理模块、车辆动力学计算模块、线路动力学计算模块、弓网动力学计算模块、牵引供电计算模块、空气动力学计算模块。前台人机交互界面部分包括：主控模块、前处理模块、计算资源管理模块、计算监控模块、后处理模块和系统管理模块。本发明专利技术可支持多工况同时进行高速列车大系统耦合动力学仿真，对计算过程进行实时监控，可扩展性良好，支持异构异操作系统。为高速列车与线路、接触网、供电系统耦合仿真及运行模拟和高速列车与其他子系统的耦合关系研究及其性能评估提供了良好的平台。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及仿真控制技术，尤其是高速列车大系统耦合仿真平台

技术介绍
随着我国高铁网络的火热建设、运营速度纪录的一次次被刷新、和俄罗斯、美国等高铁技术输出备忘的签订等，新形势下的高速列车的运行安全保障是刻不容缓的刚性需求。这对高速铁路行车安全研究提出了严峻的挑战，也提供了前所未有的机遇。高速列车的运行受到线路和接触网等固定设施条件的影响，牵引供电和列车运行控制系统的控制，同时还受到空气扰动、阻力及噪音的制约等。因此，高速动车组与高速铁路各子系统之间构成相互联系、相互依存、相互制约的关系，如与线路之间的轮轨关系，与接触网之间弓网关系，与空气之间的流固关系，与供电及牵引传动系统之间的机电关系等。在高速运行条件下，列车和线路轨道、接触网、气流等之间的相互作用加剧，如轮轨和弓网的磨耗、磨损加速，甚至导致失效，严重影响运行；高速气流也不再仅仅是运行阻力，同时影响动车组的运行性能，甚至导致列车运行安全性问题；高速所需的大功率和高密度行车，对供电系统的电力释放和吸收提出更高的要求，一旦车与供电系统的关系没有匹配好，就可能导致电压的波动，甚至供电系统因超压、低压或冲击而崩溃。与此同时，由于速度的提高，特别是振动的加剧，会带来一系列极端的科学问题，如高速列车的全局非线性稳定性问题，轮轨间的粘着系数急剧下降导致的粘着极限问题，在考虑接触网张力限制后的波速逼近问题，结构疲劳超长寿命问题。为解决上述问题，必须把与高速列车运行品质和安全性相关联的高速铁路各子系统耦合起来进行高速列车系统动力学的研究。目前高速列车相关的动力学研究主要集中在子系统级别，如列车动力学、线路动力学、弓网动力学等，这些子系统研究及计算平台总体上相对独立，未成体系，虽然部分研究已逐步向高速列车耦合大系统动力学延伸，比如车-线-桥动力学研究，但这些无法完全满足当前高速列车大系统耦合动力学仿真分析的要求。而迄今为止，国内外尚无成熟的可为高速列车大系统耦合动力学仿真分析提供计算支撑的软件系统。
技术实现思路
鉴于现有技术的不足，本专利技术的目的是研究提供一种高速列车大系统耦合动力学仿真平台，使之克服现有技术的以上缺点。本专利技术的目的是通过如下的手段实现的。高速列车大系统耦合动力学仿真平台，采用基于C/S模式的分布式仿真体系，包括前台人机交互界面部分和后台基于分布式的核心计算部分，其中，所述后台基于分布式的核心计算模块包括任务调度模块，用于用户所提交仿真工况任务的调度，根据任务的计算要求、优先级、计算网络的资源情况等，采用合适的调度策略，将计算任务调度到合适的计算资源上，如果计算资源不足，则将计算任务按优先级排队等候，支持多工况自动调度，支持有管理权限的用户对调度策略进行扩展；耦合控制模块，用于对用户提交的仿真工况任务实施积分步长级的耦合计算，利用耦合控制算法协调列车、线路、弓网、牵引供电及传动、空气动力学等子系统各子系统的仿真步长使其保持时空一致、控制各子系统的计算流程、并进行数据的接收、处理和分发，实现各子系统间的耦合计算；执行机代理模块，用于获取各个计算资源CPU的性能及使用率、内存容量及使用情况、操作系统的类型，通 过与计算资源管理模块通信，实现网络拓扑的管理及计算资源的查询，同时用于启动各子系统计算模块，通过与耦合控制模块通信，告知各子系统计算模块的运行状态；同时为故障诊断和恢复提供基础；车辆动力学计算模块，用于车辆动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；线路动力学计算模块，用于线路动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；弓网动力学计算模块，用于弓网动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；牵引供电计算模块，用于牵引供电子系统单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算;空气动力学计算模块，用于列车空气动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；所述前台人机交互界面部分包括主控模块，用于各种仿真流程的建立和仿真数据的管理，具体包括负责整个系统的数据分发与管理；负责数据的有效性检查；负责专业计算模型库、计算结果分类库的管理；负责耦合仿真模型的组织；负责仿真工况的配置和计算工况库的管理；负责系统需要数据的初始化，各个模型库的初始化，各个数据结构的定义和初始化；前处理模块，用于建立各耦合仿真子系统的前处理模型，将各子系统的实际物理模型映射为仿真模型，从而建立各子系统仿真所需的前处理输入模型，包括高速列车动力学前处理子模块、线路动力学前处理子模块、弓网动力学前处理子模块、列车空气动力学前处理子模块和牵引供电及传动仿真前处理子模块；计算资源管理模块，用于获取执行机代理模块返回的信息，监控网络内可用的计算资源及各计算资源的使用情况，实施异构异操作系统计算资源的统一管理，为计算任务的调度提供依据，同时提供网络拓扑信息及硬件故障辅助诊断功能；计算监控模块，用于对计算过程进行实时可视监控，对异常情况进行提示或警报，使计算过程透明化；后处理模块，用于对仿真结果进行数据处理分析，得到性能时程曲线或演变规律，包括通用二维数据后处理子模块、三维运行模拟子模块及专业后处理子模块；系统管理模块，用于对整个平台进行运行维护和管理，如用户管理、角色管理、权限管理；所述前台人机交互界面部分的主控模块，是用户使用平台的进入界面，集成了前处理模块、后处理模块、计算资源管理模块、计算监控模块及系统管理维护模块的入口，包括下列菜单项项目菜单项，用于项目创建及管理相关的操作，包括新建项目、项目库管理和退出子菜单项，其中新建项目子菜单项用于新建一个项目，项目库管理子菜单项用于项目库的查询、修改、删除，退出子菜单项用于退出程序；计算模型菜单项，用于计算模型创建及管理相关的操作，包括子系统前处理建模、初始模型库管理和部件模型库管理三个子菜单项，其中子系统前处理建模子菜单项是前处理模块的入口，用于进入车辆动力学、线路动力学、弓网动力学、牵引供电、空气动力学子系 统的仿真前处理建模界面，初始模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、空气动力学子系统的仿真模型，部件模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、弓网、牵引供电子系统的仿真模型，利用部件模型库中的模型可部分替换初始模型库中的模型的相应部分，在初始模型库和部件模型库中，列车子系统的部件包括轮对踏面、刚性车体和构架、各阶模态的弹性车体和构架，线路子系统的部件包括线路轨下结构、钢轨参数、钢轨踏面和轨道不平顺，弓网子系统的部件包括受电弓、接触网，牵引供电子系统的部件包括供电设施；计算工况菜单项，用于计算工况的配置及计算工况库的管理，包括新建/打开工况、新建/打开本地工况、计算工况库管理子菜单项，其中新建/打开工况子菜单项用于从模型数据库中选择子系统仿真模型来组织耦合仿真计算工况，其中新建/打开本地工况子菜单项用于从用户本机文件夹中本文档来自技高网...

【技术保护点】
高速列车大系统耦合动力学仿真平台，采用基于C/S模式的分布式仿真体系，包括前台人机交互界面部分和后台基于分布式的核心计算部分，其中，所述后台基于分布式的核心计算模块包括：任务调度模块，用于用户所提交仿真工况任务的调度，根据任务的计算要求、优先级、计算网络的资源情况等，采用合适的调度策略，将计算任务调度到合适的计算资源上，如果计算资源不足，则将计算任务按优先级排队等候，支持多工况自动调度，支持有管理权限的用户对调度策略进行扩展；耦合控制模块，用于对用户提交的仿真工况任务实施积分步长级的耦合计算，利用耦合控制算法协调列车、线路、弓网、牵引供电及传动、空气动力学等子系统各子系统的仿真步长使其保持时空一致、控制各子系统的计算流程、并进行数据的接收、处理和分发，实现各子系统间的耦合计算；执行机代理模块，用于获取各个计算资源CPU的性能及使用率、内存容量及使用情况、操作系统的类型，通过与计算资源管理模块通信，实现网络拓扑的管理及计算资源的查询，同时用于启动各子系统计算模块，通过与耦合控制模块通信，告知各子系统计算模块的运行状态；同时为故障诊断和恢复提供基础；车辆动力学计算模块，用于车辆动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；线路动力学计算模块，用于线路动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；弓网动力学计算模块，用于弓网动力学单步仿真，输出该步的仿真结果， 并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；牵引供电计算模块，用于牵引供电子系统单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；空气动力学计算模块，用于列车空气动力学单步仿真，输出该步的仿真结果，并与耦合控制模块通信和进行耦合数据传输，在耦合控制模块的协调下实施与其他子系统的耦合计算；所述前台人机交互界面部分包括：主控模块，用于各种仿真流程的建立和仿真数据的管理，具体包括：负责整个系统的数据分发与管理；负责数据的有效性检查；负责专业计算模型库、计算结果分类库的管理；负责耦合仿真模型的组织；负责仿真工况的配置和计算工况库的管理；负责系统需要数据的初始化，各个模型库的初始化，各个数据结构的定义和初始化；前处理模块，用于建立各耦合仿真子系统的前处理模型，将各子系统的实际物理模型映射为仿真模型，从而建立各子系统仿真所需的前处理输入模型，包括高速列车动力学前处理子模块、线路动力学前处理子模块、弓网动力学前处理子模块、列车空气动力学前处理子模块和牵引供电及传动仿真前处理子模块；计算资源管理模块，用于获取执行机代理模块返回的信息，监控网络内可用的计算资源及各计算资源的使用情况，实施异构异操作系统计算资源的统一管理，为计算任务的调度提供依据，同时提供网络拓扑信息及硬件故障辅助诊断功能；计算监控模块，用于对计算过程进行实时可视监控，对异常情况进行提示或警报，使计算过程透明化；后处理模块，用于对仿真结果进行数据处理分析，得到性能时程曲线或演变规律，包括通用二维数据后处理子模块、三维运行模拟子模块及专业后处理子模块；系统管理模块，用于对整个平台进行运行维护和管理，如用户管理、角色管理、权限管理；所述前台人机交互界面部分的主控模块，是用户使用平台的进入界面，集成了前处理模块、后处理模块、计算资源管理模块、计算监控模块及系统管理维护模块的入口，包括下列菜单项：项目菜单项，用于项目创建及管理相关的操作，包括新建项目、项目库管理和退出子菜单项，其中新建项目子菜单项用于新建一个项目，项目库管理子菜单项用于项目库的查询、修改、删除，退出子菜单项用于退出程序；计算模型菜单项，用于计算模型创建及管理相关的操作，包括子系统前处理建模、初始模型库管理和部件模型库管理三个子菜单项，其中子系统前处理建模子菜单项是前处理模块的入口，用于进入车辆动力学、线路动力学、弓网动力学、牵引供电、空气动力学子系统的仿真前处理建模界面，初始模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、空气动力学子系统的仿真模型，部件模型库管理用于新建、修改、删除、查询列车、线路、弓网、牵引供电子系统的仿真模型，利用部件模型库中的模型部分可替换初始模型库中的模型的相应部分，在初始模型库和部件模型库中，列车子系统的部件包括：轮对踏面、刚性车体和构架、各阶模态的弹性车体和构架，线路...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫华，丁国富，邹益胜，黄海于，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：