高速列车制动系统仿真试验平台及试验方法

摘要

本发明实施例提供的一种高速列车制动系统仿真平台及试验方法，高速列车制动系统仿真平台包括虚拟部分和实物部分，虚拟部分包括：车辆多刚体仿真系统，基础制动仿真系统、动力制动仿真系统、附加制动仿真系统和虚拟现实终端；实物部分包括：模拟司机室，制动控制装置，空气制动系统，轮轨粘着模拟系统，以及数据采集及转换接口；所述虚拟部分和所述实物部分通过所述数据采集及转换接口进行信息交互。本发明实施例提供的高速列车制动系统仿真平台及试验方法，通过高速列车制动控制装置的硬件在环方式，真实的再现线路制动全过程，其中，可以通过仿真系统进行修改参数，或通过实物部分修改参数，提高实验安全性，降低试验成本。

说明书

技术领域

本发明涉及仿真技术领域，更具体的说，涉及一种高速列车制动系统仿 真平台及试验方法。

背景技术

制动系统作为高速列车(如高速动车组)的关键字系统，关乎乘客和铁 路系统的生命及财产安全。高速列车运行速度普遍在200km/h以上，国产“和 谐号”CRH380A高速动车组线路试验最高运行时速甚至达到了486.1公里。运 动物体具有的动能与其速度的平方成正比，速度的上升意味着列车制动所需 要吸收的制动能量急剧增加，同时也意味着对于列车制动系统的实际线路试 验越来越危险。

另外，在实际的线路中进行试验，要按试验要求改变需要研究的制动试 验参数，如闸瓦摩擦系数、列车运行阻力、轮轨粘着力等，非常困难，需要 耗费大量人力、物力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速列车制动系统仿真平台及试验方法，以 提高实验安全性，降低试验成本。

为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

一种高速列车制动系统仿真平台，包括：实物部分和虚拟部分；其中，

实物部分包括：模拟司机室，与所述模拟司机室相连接的制动控制装置， 与所述制动控制装置相连接的空气制动系统，轮轨粘着模拟系统，以及分别 与所述空气制动系统和所述轮轨粘着模拟系统相连接的数据采集及转换接 口；

虚拟部分包括：车辆多刚体仿真系统，与所述车辆多刚体仿真系统相连 接的基础制动仿真系统、动力制动仿真系统、附加制动仿真系统和虚拟现实 终端；其中，

所述车辆多刚体仿真系统用于仿真列车在制动过程中的运动和动力学状 态，至少包括：各种制动工况下的制动距离、制动减速度、列车纵向动力状 态、轮对转速、轮轨关系；

所述基础制动仿真系统用于对制动盘进行仿真，至少包括：制动盘的制 动力的施加过程，以及制动盘的温度、应力、应变，制动盘与闸瓦之间的摩 擦系数；

所述动力制动仿真系统用于仿真动力制动过程，至少包括：动力制动系 统制动过程中提供的制动力、防滑控制、列车运行阻力以及动力制动与其它 制动方式的关系；

所述附加制动仿真系统用于仿真空气动力制动或涡流制动的制动作用过 程，以及空气动力制动或涡流制动的制动效应；

所述虚拟现实终端用于显示所述高速列车制动系统仿真平台的运行过程 及运行结果；

所述虚拟部分和所述实物部分通过所述数据采集及转换接口进行信息交 互。

上述高速列车制动系统仿真平台，优选的，所述模拟司机室，所述制动 控制装置，所述空气制动系统和所述轮轨粘着模拟系统采用1:1实物模拟。

上述高速列车制动系统仿真平台，优选的，所述轮轨粘着模拟系统采用 单车轮形式模拟。

上述高速列车制动系统仿真平台，优选的，所述轮轨粘着模拟系统包括：

轨道轮及轨道轮驱动子系统，车轮及车轮驱动子系统，液压加载子系统 和环境模拟子系统。

上述高速列车制动系统仿真平台，优选的，所述模拟司机室通过列车网 络和/或列车硬线与所述制动控制装置相连接。

一种高速列车制动系统仿真试验方法，应用于如上所述的高速列车制动 系统仿真平台，所述方法包括：

模拟司机室向制动控制装置发送制动指令；

车辆多刚体仿真系统通过所述数据采集及转换接口向所述制动控制装置 发送车轮转速信息，所述车轮转速信息包括：轮对转速；

所述制动控制装置依据所述制动指令以及所述车轮转速信息进行分析计 算，得到与所述制动指令和所述车轮转速信息相对应的控制指令，依据所述 控制指令对空气制动系统进行控制；

实物部分输出的各项参数信息通过所述数据采集及转换接口输出到虚拟 部分的各仿真系统中；各仿真系统对实物系统产生的各项参数信息进行分析、 计算、仿真，将结果反馈给实物部分的各组成部分；

所述虚拟现实终端显示所述高速列车制动系统仿真平台的运行过程及运 行结果。

通过以上方案可知，本发明实施例提供的一种高速列车制动系统仿真平 台及试验方法，高速列车制动系统仿真平台包括虚拟部分和实物部分，虚拟 部分包括：车辆多刚体仿真系统，与所述车辆多刚体仿真系统相连接的基础 制动仿真系统、动力制动仿真系统、附加制动仿真系统和虚拟现实终端；实 物部分包括：模拟司机室，与所述模拟司机室相连接的制动控制装置，与所 述制动控制装置相连接的空气制动系统，轮轨粘着模拟系统，以及分别与所 述控制制动系统和所述轮轨粘着模拟系统相连接的数据采集及转换接口；所 述虚拟部分和所述实物部分通过所述数据采集及转换接口进行信息交互。本 发明实施例提供的高速列车制动系统仿真平台，通过高速列车制动控制装置 的硬件在环方式，真实的再现线路制动全过程，而不再需要将列车放置到实 际线路中进行试验，其中，闸瓦摩擦系数、列车运行阻力等试验参数可以通 过仿真系统进行修改，轮轨粘着力可以通过轮轨粘着系统进行修改，从而提 高实验安全性，降低试验成本。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高速列车制动系统仿真平台的一种结构示意 图；

图2为本发明实施例提供的轮轨粘着模拟系统的一种结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 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做 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。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的高速列车制动系统仿真平台的一 种结构示意图，包括实物部分和虚拟部分；其中，

实物部分包括：模拟司机室11，与所述模拟司机室11相连接的制动控制 装置13，与所述制动控制装置13相连接的空气制动系统14，轮轨粘着模拟 系统15，以及分别与所述空气制动系统14和所述轮轨粘着模拟系统15相连 接的数据采集及转换接口16；

其中，轮轨粘着模拟系统15用于模拟车轮与轨道之间在各种环境工况下 的相对运动状态，以便于计算出各种环境工况下的轮轨粘着系数。

虚拟部分可以通过仿真计算机进行仿真，虚拟部分具体可以包括：基础 制动仿真系统21，动力制动仿真系统22，附加制动仿真系统车23和辆多刚 体仿真系统24，虚拟现实终端25；基础制动仿真系统21，动力制动仿真系统 22，附加制动仿真系统车23，虚拟现实终端25分别与所述车辆多刚体仿真系 统24相连接；其中，

所述基础制动仿真系统21用于对制动盘进行仿真，至少包括：制动盘的 制动力的施加过程，以及制动盘的温度、应力、应变，制动盘与闸瓦之间的 摩擦系数；

所述动力制动仿真系统22用于仿真动力制动过程，至少包括：动力制动 系统制动过程中提供的制动力、防滑控制、列车运行阻力以及动力制动与其 它制动方式的关系；

所述附加制动仿真系统23用于仿真空气动力制动或涡流制动的制动作用 过程，以及空气动力制动或涡流制动的制动效应；

所述车辆多刚体仿真系统24用于仿真列车在制动过程中的运动和动力学 状态，至少包括：各种制动工况下的制动距离、制动减速度、列车纵向动力 状态、轮对转速、轮轨关系；

所述虚拟现实终端25用于显示所述高速列车制动系统仿真平台的运行过 程及运行结果；

所述虚拟部分和所述实物部分通过所述数据采集及转换接口16进行信息 交互。

本发明实施例提供的高速列车制动系统仿真平台，通过高速列车制动控 制装置的硬件在环方式，可以真实的再现线路制动全过程，而不再需要将列 车放置到实际线路中进行试验，其中，闸瓦摩擦系数、列车运行阻力等试验 参数可以通过仿真系统进行修改，轮轨粘着力可以通过轮轨粘着系统进行修 改，从而提高实验安全性，降低试验成本

可选的，为了提高仿真试验的真实效果，本发明实施例中，模拟司机室 11，制动控制装置13，空气制动系统14和所述轮轨粘着模拟系统15均采用 1:1实物模拟。如空气制动系统可以采用高速列车的实物样机，这样能够再现 高速列车制动系统的性能，便于分析和优化空气制动系统，便于分析电控制 动配合效果，还有利于未来启动系统数字样机的验证。

可选的，轮轨粘着模拟系统15可以采用单车轮形式模拟。

可选的，轮轨粘着模拟系统15可以包括：

轨道轮151及轨道轮驱动子系统152、车轮153及车轮驱动子系统154， 液压加载子系统155和环境模拟子系统156。

其中，轨道轮151用于模拟轨道。

液压加载子系统155用于为车轮153加压，以模拟车轮153所承载的车 厢的压力。

环境模拟子系统156用于模拟环境信息，如温度、雨、雪、风、沙等。

轮轨模拟系统将不同环境工况参数，以及不同环境工况下的轨道轮和车 轮的速度传递给虚拟部分的各个仿真系统，由虚拟部分的各个仿真系统根据 环境工况参数以及相应环境工况下的轨道轮和处理的速度计算出粘着系数反 馈给轮轨粘着模拟系统。

上述实施例中，可选的，模拟司机室11与制动控制装置13之间可以通 过列车网络和/或列车硬线12相连接，以便进行信息交换。

本发明实施例中，模拟司机室11与制动控制装置13之间可以只通过列 车网络进行通信，也可以只通过列车硬线进行通信，或者可以通过列车网络 和列车硬线相结合的方式进行通信。

需要说明的是，实物部分的各个组成部分均预留了与其他组成部分之间 的通信结构，因此，实物部分的各个组成部分之间也可以通过列车网络和/或 列车硬线12实现信息交互，只是图1中未示出其连接关系，例如，如模拟司 机室11和数据采集与转换接口16之间可以通过列车网络和/或列车硬线12进 行信息交互，轮轨粘着模拟系统15与制动控制装置13之间也可以通过列车 网络和/或列车硬线12进行信息交互。

本发明实施例提供的高速列车制动系统仿真平台可以适用于多节车厢编 组的车辆，如16辆编组车辆、8辆编组车辆等。当为n(n为大于1的正整数) 辆编组车辆时，可以由n套本发明实施例提供的高速列车制动系统仿真平台 组合成一个n辆编组车辆的全部制动系统，当然，这n套高速列车制动系统 仿真平台中，只有司机控制室所对应的车厢的制动系统仿真平台的实物部分 具有模拟司机室，其它车厢则没有模拟司机室。

基于如上所述的高速列车制动系统仿真平台，本申请还提供一种高速列 车制动系统仿真试验方法，可以包括：

步骤S31：模拟司机室向制动控制装置发送制动指令；

所述制动指令包括但不限于以下几种：常用制动指令或快速制动指令或 紧急制动指令；

试验员对模拟司机室进行操作，以使模拟司机室向制动控制装置发送制 动指令。

步骤S32：车辆多刚体仿真系统通过所述数据采集及转换接口向所述制动 控制装置发送车辆速度信息；

车辆速度信息由车辆多刚体仿真系统根据所仿真的信息(包括：各种制 动工况下的制动距离、制动减速度、列车纵向动力状态、轮对转速、轮轨关 系等)计算得到。

步骤S33：所述制动控制装置依据所述制动指令、预先获取的粘着系数以 及所述车辆速度信息进行分析计算，得到与所述制动指令和所述车轮转速信 息相对应的控制指令，依据所述控制指令对空气制动系统进行控制；

步骤S34：实物部分输出的各项参数信息通过所述数据采集及转换接口输 出到虚拟部分的各仿真系统中；各仿真系统和车辆多刚体仿真系统对实物系 统产生的各项参数信息进行分析、计算、仿真，将结果反馈给实物部分的各 组成部分，即模拟司机室，制动控制装置，空气制动系统，轮轨粘着模拟系 统；

实物部分输出的各项参数可以包括：模拟司机室发送的制动指令；制动 控制装置发送的电制动力请求，以及制动控制装置根据虚拟部分针对所述电 制动力请求发送的反馈信息进一步计算得到的数据；空气制动系统发送的各 空簧压力、总风压力以及各制动缸压力等。

步骤S35：所述虚拟现实终端显示所述高速列车制动系统仿真平台的运行 过程及运行结果。

虚拟现实终端一方面实现对仿真过程的实物形式进行再现，采用虚拟现 实和模拟驾驶的手段，对制动过程的场景变化(如雨、雪、风、沙、温度等 天气情况的变化)进行模拟；采用图像实时传输技术，监测制动系统仿真过 程各运动变化部件的监测，如空气制动系统的图像监测、轮轨粘着模拟系统 的图像监测等；另一方面实现对制动系统仿真过程的相关技术参数进行同步 显示等，如制动过程制动缸压力变化曲线对比等。本领域普通技术人员可以 意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够 以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬 件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业 技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是 这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法， 可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的， 例如，所述装置的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外 的划分方式，例如多个装置或组件可以结合或者可以集成到另一个装置，或 一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或 直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置的间接耦合或通信连接，可 以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各控制装置可以集成在一个处理单元中， 也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单 元中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用 本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易 见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例， 而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。