一種鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置及其仿真方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置及其仿真方法。所述鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置包括：操控和顯示界面模塊，機(jī)車模型庫模塊、環(huán)境仿真模塊、機(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化模塊、機(jī)車運(yùn)行控制仿真模塊、和機(jī)車運(yùn)行仿真模塊。本發(fā)明的技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)是：能夠?qū)λ岢龅臋C(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化方案的有效性和合理性進(jìn)行有效測試，另外還可以測試機(jī)車運(yùn)行的安全性和準(zhǔn)時(shí)性。
【專利說明】一種鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置及其仿真方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)車節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行仿真測試領(lǐng)域，更具體而言，涉及一種鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置及其仿真方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的機(jī)車運(yùn)行仿真測試平臺主要包含:實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，信號處理裝置，數(shù)據(jù)采集模塊等，其測試環(huán)境均為采用仿真測試平臺模擬真實(shí)環(huán)境而獲得，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、便捷、快速地對整車控制器進(jìn)行各種測試以提高整車控制器的開發(fā)效率。
[0003]但是現(xiàn)有的這種仿真測試平臺存在以下的缺點(diǎn):首先這些仿真測試平臺對機(jī)車動(dòng)力學(xué)特性的仿真效率較低；其次現(xiàn)有的仿真測試平臺一般缺少對能耗的仿真估計(jì)測試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供了一種鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置，其包括:操控和顯示界面模塊，機(jī)車模型庫模塊、環(huán)境仿真模塊、機(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化模塊、機(jī)車運(yùn)行控制仿真模塊和機(jī)車運(yùn)行仿真模塊，其中:
[0005]所述操控和顯示界面模塊用于通過界面接受用戶輸入的各種信息和動(dòng)態(tài)顯示各種信息；
[0006]所述機(jī)車模型庫模塊用于存儲(chǔ)各種機(jī)車和車輛信息；
[0007]所述環(huán)境仿真模塊用于存儲(chǔ)各種線路環(huán)境信息和運(yùn)用環(huán)境信息；
[0008]所述機(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化模塊根據(jù)所選擇機(jī)車的參數(shù)和所選擇的線路環(huán)境信息和運(yùn)用環(huán)境信息來生成一條所選機(jī)車在所選線路運(yùn)行的理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線，并將其提供給機(jī)車運(yùn)行控制仿真模塊；
[0009]所述機(jī)車運(yùn)行控制仿真模塊根據(jù)接收的機(jī)車的理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線實(shí)時(shí)確定用于控制機(jī)車運(yùn)行的控制指令，并將其發(fā)送給機(jī)車運(yùn)行仿真模塊；
[0010]所述機(jī)車運(yùn)行仿真模塊用于按照接收到的控制指令運(yùn)行，并將運(yùn)行時(shí)的各種參數(shù)發(fā)送給操控和顯示界面模塊。
[0011]其中通過操控和顯示界面模塊選擇要進(jìn)行測試的機(jī)車和線路信息，以及啟動(dòng)機(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化模塊。
[0012]其中所述理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線是指所選定的機(jī)車在所選定的線路狀況下按照該目標(biāo)曲線運(yùn)行時(shí)在滿足運(yùn)行安全性要求、到站準(zhǔn)時(shí)性要求和停車準(zhǔn)確性要求下實(shí)現(xiàn)能耗最小化。
[0013]其中機(jī)車依據(jù)理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線運(yùn)行時(shí)所實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)省能耗的方法如下:
[0014]制定機(jī)車在不同坡度段的操縱檔位規(guī)則，根據(jù)檔位序列通過遺傳算法搜索最佳節(jié)省能耗的機(jī)車操縱序列時(shí)間分配，該遺傳算法的整體數(shù)學(xué)模型如下:
[0015]E = minf(X) 二 InmXlL1A EiCgi, v^Tj(1-1)[0016]其中V^Vijim
[0017]同時(shí)Ti 滿足:ΔΤ = T - Σ?=ι Ti且 Λ I'≤ Tmax
[0018]XeG (1-2)
[0019]Geu (1-3)
[0020]其中,E為機(jī)車總體運(yùn)行能耗,i為步長計(jì)數(shù)，h為步長總數(shù),gi為i步長時(shí)的檔位，Vi為i步長時(shí)的機(jī)車速度，Ti為i步長時(shí)的運(yùn)行時(shí)間，AE^gi, Vi)為i步長時(shí)的單位能耗，Vi—Iim為i步長時(shí)的運(yùn)行限速，ΔΤ為總運(yùn)行時(shí)間誤差,T為計(jì)劃總運(yùn)行時(shí)間,Tmax為總運(yùn)行時(shí)間誤差允許值。X為決策變量，其表示制定的檔位規(guī)則中檔位序列對應(yīng)的時(shí)間分配比例序列而表示所有滿足時(shí)間約束和限速約束條件的時(shí)間分配比例序列組成的集合山表示所有時(shí)間分配比例序列所組成的基本空間；
[0021]通過遍歷尋找最優(yōu)的檔位時(shí)間分配比例來獲得最小的運(yùn)行能耗。
[0022]其中所述機(jī)車運(yùn)行仿真模塊包括:機(jī)車制動(dòng)仿真模塊、機(jī)車牽引仿真模塊、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊和能耗統(tǒng)計(jì)仿真模塊，其中:
[0023]所述機(jī)車制動(dòng)仿真模塊用于根據(jù)所選機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)特性曲線對機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力輸出特性進(jìn)行仿真模擬；
[0024]所述機(jī)車牽引仿真模塊用于根據(jù)所選機(jī)車的牽引系統(tǒng)特性曲線對機(jī)車牽引系統(tǒng)的牽引力輸出特性進(jìn)行仿真模擬；
[0025]所述運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊用于仿真輸出機(jī)車所受的合力并求取機(jī)車運(yùn)行速度參數(shù)變化；
[0026]所述能耗統(tǒng)計(jì)仿真模塊用于仿真輸出機(jī)車在不同速度和線路狀況下的能耗情況和累計(jì)能耗情況。
[0027]其中所述運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊仿真輸出機(jī)車所受合力的數(shù)值的計(jì)算方法如下:
[0028]A)取距離步長Λ S，針對當(dāng)前步長平均求取該步長內(nèi)平均單位附加阻力Wp，具體步驟包括:
[0029]在距離步長Λ S內(nèi)將該步長等分成k等份，在每等份的距離上分別求取多質(zhì)點(diǎn)的單位附加阻力、i=l, 2，...，k ;設(shè)定機(jī)車包括有η個(gè)等質(zhì)量車廂質(zhì)點(diǎn)，所述多質(zhì)點(diǎn)的單位附加阻力Wi的計(jì)算方法為:
【權(quán)利要求】
1.一種鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置，其包括:操控和顯示界面模塊，機(jī)車模型庫模塊、環(huán)境仿真模塊、機(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化模塊、機(jī)車運(yùn)行控制仿真模塊和機(jī)車運(yùn)行仿真模塊，其中: 所述操控和顯示界面模塊用于通過界面接受用戶輸入的各種信息和動(dòng)態(tài)顯示各種信息； 所述機(jī)車模型庫模塊用于存儲(chǔ)各種機(jī)車和車輛信息； 所述環(huán)境仿真模塊用于存儲(chǔ)各種線路環(huán)境信息和運(yùn)用環(huán)境信息； 所述機(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化模塊根據(jù)所選擇機(jī)車的參數(shù)和所選擇的線路環(huán)境信息和運(yùn)用環(huán)境信息來生成一條所選機(jī)車在所選線路運(yùn)行的理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線，并將其提供給機(jī)車運(yùn)行控制仿真模塊； 所述機(jī)車運(yùn)行控制仿真模塊根據(jù)接收的機(jī)車的理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線實(shí)時(shí)確定用于控制機(jī)車運(yùn)行的控制指令，并將其發(fā)送給機(jī)車運(yùn)行仿真模塊； 所述機(jī)車運(yùn)行仿真模塊用于按照接收到的控制指令運(yùn)行，并將運(yùn)行時(shí)的各種參數(shù)發(fā)送給操控和顯示界面模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置，其特征在于通過操控和顯示界面模塊選擇要進(jìn)行測試的機(jī)車和線路信息，以及啟動(dòng)機(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置，其特征在于所述理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線是指所選定的機(jī)車在所選定的線路狀況下按照該目標(biāo)曲線運(yùn)行時(shí)在滿足運(yùn)行安全性要求、到站準(zhǔn)時(shí)性要求和停車準(zhǔn)確性要求下實(shí)現(xiàn)能耗最小化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置，其特征在于機(jī)車依據(jù)理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線運(yùn)行時(shí)所實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)省能耗的方法如下: 制定機(jī)車在不同坡度段的操縱檔位規(guī)則，根據(jù)檔位序列通過遺傳算法搜索最佳節(jié)省能耗的機(jī)車操縱序列時(shí)間分配，該遺傳算法的整體數(shù)學(xué)模型如下:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置，其特征在于所述機(jī)車運(yùn)行仿真模塊包括:機(jī)車制動(dòng)仿真模塊、機(jī)車牽引仿真模塊、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊和能耗統(tǒng)計(jì)仿真模塊，其中:所述機(jī)車制動(dòng)仿真模塊根據(jù)所選機(jī)車的制動(dòng)系統(tǒng)特性曲線對機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力輸出特性進(jìn)行仿真模擬； 所述機(jī)車牽引仿真模塊根據(jù)所選機(jī)車的牽引系統(tǒng)特性曲線對機(jī)車牽引系統(tǒng)的牽引力輸出特性進(jìn)行仿真模擬； 所述運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊用于仿真輸出機(jī)車所受的合力并求取機(jī)車運(yùn)行速度參數(shù)變化；所述能耗統(tǒng)計(jì)仿真模塊用于仿真輸出機(jī)車在不同速度和線路狀況下的能耗情況和累計(jì)能耗情況。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置，其特征在于所述運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊仿真輸出機(jī)車所受合力的數(shù)值的計(jì)算方法如下: A)取距離步長ΛS，針對當(dāng)前步長平均求取該步長內(nèi)平均單位附加阻力Wp，具體步驟包括: 在距離步長Λ S內(nèi)將該步長等分成k等份，在每等份的距離上分別求取多質(zhì)點(diǎn)的單位附加阻力w” i=l, 2，...，k ;設(shè)定機(jī)車包括有η個(gè)等質(zhì)量車廂質(zhì)點(diǎn)，所述多質(zhì)點(diǎn)的單位附加阻力Wi的計(jì)算方法為:
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置，其特征在于所述不同坡度包括陡上坡、陡下坡和緩坡。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置，其特征在于所述機(jī)車運(yùn)行時(shí)的各種參數(shù)包括速度、加速度、牽引力、制動(dòng)力、實(shí)時(shí)能耗信息和累計(jì)能耗信息。
9.一種基于獨(dú)立權(quán)利要求1所述的鐵路機(jī)車運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真測試裝置的仿真測試方法，該方法包括: 1)測試人員通過操控和顯示界面模塊從機(jī)車模型庫模塊中選擇一種要進(jìn)行測試的機(jī)車； 2)測試人員通過操控和顯示界面模塊從環(huán)境仿真模塊中選擇一種要進(jìn)行測試的線路信息，包括線路環(huán)境信息和運(yùn)用環(huán)境信息； . 3)測試人員通過操控和顯示界面模塊來啟動(dòng)機(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化模塊； . 4)所述機(jī)車運(yùn)行能耗優(yōu)化模塊讀取所選擇的機(jī)車的參數(shù)和所選擇的線路信息，生成一條所述機(jī)車在該線路運(yùn)行的理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線，并將其提供給機(jī)車運(yùn)行控制仿真模塊； .5 )所述機(jī)車運(yùn)行控制仿真模塊接收到理想運(yùn)行最低能耗目標(biāo)曲線后，實(shí)時(shí)確定用于控制機(jī)車運(yùn)行的控制指令，并將其發(fā)送給機(jī)車運(yùn)行仿真模塊； . 6)所述機(jī)車運(yùn)行仿真模塊接收控制指令，然后分別從機(jī)車模型庫模塊和環(huán)境仿真模塊中調(diào)出所選擇的機(jī)車和線路，按照接收到的控制指令運(yùn)行，并將運(yùn)行時(shí)的各種參數(shù)發(fā)送給操控和顯示界面模塊； .7)所述操控和顯示界面模塊動(dòng)態(tài)顯示所接收到的機(jī)車運(yùn)行時(shí)的各種參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的仿真測試方法，其特征在于所述機(jī)車運(yùn)行時(shí)的各種參數(shù)包括速度、加速度、牽引力、制動(dòng)力、實(shí)時(shí)能耗信息和累計(jì)能耗信息。
【文檔編號】G05B23/02GK103869809SQ201410117046
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月26日
【發(fā)明者】顧明, 趙曦濱, 黃晉, 臧大昕, 劉光濤 申請人:北京清軟英泰信息技術(shù)有限公司