一种高速磁浮列车牵引和运动仿真系统及方法与流程

1.本发明涉及高速磁浮交通技术领域，尤其涉及一种高速磁浮列车牵引和运动仿真系统及方法。


背景技术：

2.高速磁浮交通系统由运控、牵引供电、磁浮车辆、线路等子系统或设备组成，共同保障磁浮列车的安全可靠运行。其中，运控系统由中央运控系统、分区运控系统、车载运控系统和通信子系统组成。
3.现有技术中的一种高速磁浮运控系统的架构如图1所示。高速磁浮列车运行的主要流程如下：运控系统的中央运控系统根据调度计划向分区运控系统发送排列进路及发车等指令；分区运控系统向牵引供电系统中的牵引控制单元发送列车防护速度曲线以及列车发车和停车点步进等命令；牵引控制单元根据分区运控系统发送的防护速度曲线和列车运行命令通过铺设于线路上的长定子为磁浮列车提供相应的牵引力或制动力，控制列车运行的实际速度不高于防护曲线规定的速度，并控制列车在分区运控系统指定的停车点停车；测速定位系统实现磁浮列车的测速和定位功能，并通过通信子系统将列车的速度和位置信息发送给车载运控系统和分区运控系统。
4.高速磁浮运控系统是安全相关系统，其功能的完整、正确实现需要进行完备的系统动态测试和验证，比如，需要磁浮列车在运行过程中测试和验证运控系统的相关功能。
5.上述现有技术中的高速磁浮运控系统的缺点如下：
6.高速磁浮列车的运控系统、牵引供电系统、测速定位系统和车辆系统等的研制和生产往往是由不同单位(可能不同城市)独立进行的，将运控系统与其他系统在开发阶段进行联合调试，可行性不好；当各系统研制完成后在建成的线路和车辆上进行联调往往费工费力，效率低下。
7.高速磁浮牵引供电系统和车辆系统价格昂贵且体积庞大，运控系统研制单位直接购买不经济，并且一般也不具备足够大的放置空间。
8.高速磁浮运控系统在研发过程中，不可能保证开发完成就功能完全正确，如果直接在真实牵引供电和车辆系统中进行调试，可能会损坏价格昂贵的牵引供电系统或车辆系统，造成财产损失。


技术实现要素：

9.本发明的实施例提供了一种高速磁浮列车牵引和运动仿真系统及方法，以实现有效地模拟出高速磁浮牵引供电系统状态、牵引控制单元功能以及磁浮列车运动过程。
10.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
11.一种高速磁浮列车牵引和运动仿真系统，包括：磁浮列车牵引和运动仿真主机、显示单元和电源，所述磁浮列车牵引和运动仿真主机与所述显示单元、所述电源相连接，还与高速磁浮列车的分区运控系统和车载运控系统相连接；
12.磁浮列车牵引和运动仿真主机，用于模拟高速磁浮列车的牵引供电系统的牵引状态和牵引控制单元的牵引/制动力以及模拟磁浮列车的运动过程。
13.显示单元，用于显示磁浮列车牵引和运动仿真主机计算得到的磁浮列车当前的牵引力和制动力，以及磁浮列车的当前运行速度和位置信息。
14.电源，用于为磁浮列车牵引和运动仿真系统供电。
15.优选地，所述磁浮列车牵引和运动仿真主机与分区运控系统和车载运控系统相连的物理连接方式及通信协议与高速磁浮交通系统中运控系统和牵引供电系统以及车辆系统的物理连接方式及通信协议相同。
16.优选地，所述的磁浮列车牵引和运动仿真主机包括：
17.状态转换单元，用于接收分区运控系统发送的牵引状态转换命令，根据所述牵引状态转换命令模拟牵引供电系统转换至相应的状态，并将该状态反馈给分区运控系统；
18.停车点推荐速度曲线计算和存储单元，用于接收分区运控系统发送的防护速度曲线命令，该防护速度曲线命令包含列车运行前方要停靠的各个停车点编号和列车运行至各个停车点的安全防护速度曲线，根据所述防护速度曲线命令计算并存储磁浮列车运行至各个停车点的推荐速度曲线；
19.列车运行参考速度曲线计算单元，用于接收分区运控系统发送的停车点步进命令，该停车点步进命令包含列车需要步进的目标停车点编号，根据所述目标停车点编号查询存储的各个停车点的推荐速度曲线，得到所述目标停车点对应的推荐速度曲线，并作为列车运行的参考速度曲线；
20.列车运行控制单元，用于根据列车运行的参考速度曲线计算磁浮列车运行所需要的牵引力和制动力，根据得到的牵引力和制动力以及已知的磁浮列车动力学参数和线路参数计算磁浮列车的实际运行速度和位置，并将该实际运行速度和位置信息发送给车载运控系统和分区运控系统，最终使磁浮列车在所述目标停车点停车。
21.优选地，所述的列车运行控制单元，具体用于设置仿真主机程序的运行周期，设置磁浮列车的初始速度和位置；
22.步骤s402、在每个运行周期，磁浮列车牵引和运动仿真主机根据列车当前速度、当前位置以及参考速度曲线在当前位置的参考速度判断磁浮列车的牵引/制动状态，如果当前速度低于参考速度，则磁浮列车牵引，牵引力为正最大值；如果当前速度高于参考速度，则磁浮列车制动，牵引力为负最大值；如果当前速度等于参考速度，则磁浮列车惰行，牵引力为零，仿真主机将得到的牵引力发送给显示单元；
23.步骤s403、在每个运行周期，磁浮列车牵引和运动仿真主机根据s402得到的牵引力或制动力以及磁浮列车动力学参数和线路参数计算磁浮列车的实际运行速度和位置，并将该速度和位置信息发送给车载运控系统和分区运控系统。
24.步骤s404、重复步骤s402-s403，直到磁浮列车运行至参考速度曲线指定的目标停车点停车。
25.根据本发明的另一个方面，提供了一种高速磁浮列车牵引和运动仿真方法，应用于所述的系统，所述的方法包括：
26.磁浮列车牵引和运动仿真主机接收分区运控系统发送的牵引状态转换命令，根据所述牵引状态转换命令模拟牵引供电系统转换至相应的状态，并将该状态反馈给分区运控
系统；
27.磁浮列车牵引和运动仿真主机接收分区运控系统发送的防护速度曲线命令，该防护速度曲线命令包含列车运行前方要停靠的各个停车点编号和列车运行至各个停车点的安全防护速度曲线，根据所述防护速度曲线命令计算并存储磁浮列车运行至各个停车点的推荐速度曲线；
28.磁浮列车牵引和运动仿真主机接收分区运控系统发送的停车点步进命令，该停车点步进命令包含列车需要步进的目标停车点编号，根据所述目标停车点编号查询存储的各个停车点的推荐速度曲线，得到所述目标停车点对应的推荐速度曲线，并作为列车运行的参考速度曲线；
29.步骤s40、磁浮列车牵引和运动仿真主机根据列车运行的参考速度曲线计算磁浮列车运行所需要的牵引力和制动力，根据得到的牵引力和制动力以及已知的磁浮列车动力学参数和线路参数计算磁浮列车的实际运行速度和位置，并将该实际运行速度和位置信息发送给车载运控系统和分区运控系统，最终使磁浮列车在所述目标停车点停车。
30.优选地，所述的步骤s40具体包括：
31.步骤s401、设置仿真主机程序的运行周期，设置磁浮列车的初始速度和位置；
32.步骤s402、在每个运行周期，磁浮列车牵引和运动仿真主机根据列车当前速度、当前位置以及参考速度曲线在当前位置的参考速度判断磁浮列车的牵引/制动状态，如果当前速度低于参考速度，则磁浮列车牵引，牵引力为正最大值；如果当前速度高于参考速度，则磁浮列车制动，牵引力为负最大值；如果当前速度等于参考速度，则磁浮列车惰行，牵引力为零，仿真主机将得到的牵引力发送给显示单元；
33.步骤s403、在每个运行周期，磁浮列车牵引和运动仿真主机根据s402得到的牵引力或制动力以及磁浮列车动力学参数和线路参数计算磁浮列车的实际运行速度和位置，并将该速度和位置信息发送给车载运控系统和分区运控系统。
34.步骤s404、重复步骤s402-s403，直到磁浮列车运行至参考速度曲线指定的目标停车点停车。
35.由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例的磁浮列车牵引和运动仿真系统及方法可以完全模拟出高速磁浮牵引供电系统状态、牵引控制单元功能以及磁浮列车运动过程，既满足了运控系统与牵引供电系统和车辆系统的功能测试跟真实系统测试完全一致的条件，又使测试摆脱了真实牵引供电系统和车辆系统的限制。
36.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1为现有技术中的一种高速磁浮运控系统架构图；
39.图2为本发明实施例提供的一种高速磁浮列车牵引和运动仿真系统的架构图；
40.图3为本发明实施例提供的一种磁浮列车牵引和运动仿真主机的结构图。
具体实施方式
41.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
42.本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
43.本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
44.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
45.本发明实施例提供的一种高速磁浮列车牵引和运动仿真系统的架构图如图2所示，包括：磁浮列车牵引和运动仿真主机、显示单元和电源。磁浮列车牵引和运动仿真主机与分区运控系统、车载运控系统、显示单元和电源相连接。
46.磁浮列车牵引和运动仿真主机与分区运控系统和车载运控系统相连的物理连接方式及通信协议与高速磁浮交通系统中运控系统和牵引供电系统以及车辆系统的物理连接方式及通信协议相同。这样实现的优点是，运控系统无需对现有外围接口作任何修改就可以与牵引和运动仿真系统相连，进而进行相应的测试功能，提高了运控系统功能测试的标准化和便捷性。
47.磁浮列车牵引和运动仿真主机，用于模拟牵引供电系统的牵引状态和牵引控制单元的牵引/制动力以及模拟磁浮列车的运动过程。
48.显示单元，用于显示磁浮列车牵引和运动仿真主机计算得到的磁浮列车当前的牵引力和制动力，以及磁浮列车的当前运行速度和位置等信息。
49.电源，用于为磁浮列车牵引和运动仿真系统供电。
50.本发明实施例提供的一种磁浮列车牵引和运动仿真主机的结构如图3所示，包括如下的单元：
51.状态转换单元，用于接收分区运控系统发送的牵引状态转换命令，根据所述牵引状态转换命令模拟牵引供电系统转换至相应的状态，并将该状态反馈给分区运控系统；
52.停车点推荐速度曲线计算和存储单元，用于接收分区运控系统发送的防护速度曲线命令，该防护速度曲线命令包含列车运行前方要停靠的各个停车点编号和列车运行至各个停车点的安全防护速度曲线，根据所述防护速度曲线命令计算并存储磁浮列车运行至各
个停车点的推荐速度曲线；
53.列车运行参考速度曲线计算单元，用于接收分区运控系统发送的停车点步进命令，该停车点步进命令包含列车需要步进的目标停车点编号，根据所述目标停车点编号查询存储的各个停车点的推荐速度曲线，得到所述目标停车点对应的推荐速度曲线，并作为列车运行的参考速度曲线；
54.列车运行控制单元，用于根据列车运行的参考速度曲线计算磁浮列车运行所需要的牵引力和制动力，根据得到的牵引力和制动力以及已知的磁浮列车动力学参数和线路参数计算磁浮列车的实际运行速度和位置，并将该实际运行速度和位置信息发送给车载运控系统和分区运控系统，最终使磁浮列车在所述目标停车点停车。
55.具体处理过程包括：设置仿真主机程序的运行周期，设置磁浮列车的初始速度和位置；
56.步骤s402、在每个运行周期，磁浮列车牵引和运动仿真主机根据列车当前速度、当前位置以及参考速度曲线在当前位置的参考速度判断磁浮列车的牵引/制动状态，如果当前速度低于参考速度，则磁浮列车牵引，牵引力为正最大值；如果当前速度高于参考速度，则磁浮列车制动，牵引力为负最大值；如果当前速度等于参考速度，则磁浮列车惰行，牵引力为零，仿真主机将得到的牵引力发送给显示单元；
57.步骤s403、在每个运行周期，磁浮列车牵引和运动仿真主机根据s402得到的牵引力或制动力以及磁浮列车动力学参数和线路参数计算磁浮列车的实际运行速度和位置，并将该速度和位置信息发送给车载运控系统和分区运控系统。
58.步骤s404、重复步骤s402-s403，直到磁浮列车运行至参考速度曲线指定的目标停车点停车。
59.基于图2所示的系统，本发明实施例提供的一种磁浮列车牵引和运动仿真方法包括如下的处理步骤：
60.步骤s10、磁浮列车牵引和运动仿真主机接收分区运控系统发送的牵引状态转换命令，磁浮列车牵引和运动仿真主机执行上述牵引状态转换命令，模拟牵引供电系统转换至相应的状态，并将该状态反馈给分区运控系统；
61.步骤s20、磁浮列车牵引和运动仿真主机接收分区运控系统发送的防护速度曲线命令，该防护速度曲线命令包含列车运行前方要停靠的停车点编号和列车运行至该停车点的安全防护速度曲线。磁浮列车牵引和运动仿真主机根据所述防护速度曲线命令计算并存储磁浮列车运行至各个停车点的推荐速度曲线。
62.步骤s30、磁浮列车牵引和运动仿真主机接收分区运控系统发送的停车点步进命令，该停车点步进命令包含列车需要步进的目标停车点编号，根据所述目标停车点编号查询存储的各个停车点的推荐速度曲线，得到所述目标停车点对应的推荐速度曲线，并作为列车运行的参考速度曲线；
63.步骤s40、磁浮列车牵引和运动仿真主机根据列车运行的参考速度曲线计算磁浮列车运行所需要的牵引力和制动力，进而根据得到的牵引力和制动力以及已知的磁浮列车动力学参数(如，列车质量、基本阻力系数等)和线路参数(如，线路坡度、线路曲率等)计算磁浮列车的实际运行速度和位置(即测速定位功能)，并将该实际运行速度和位置信息发送给车载运控系统和分区运控系统，最终使磁浮列车在目标停车点停车。
64.磁浮列车牵引和运动仿真主机模拟分区牵引供电系统的牵引功能以及磁浮车辆系统的运动功能，具体步骤如下：
65.步骤s401、设置仿真主机程序的运行周期(比如，200毫秒)，设置磁浮列车的初始速度和位置；
66.步骤s402、在每个运行周期，磁浮列车牵引和运动仿真主机根据列车当前速度、当前位置以及参考速度曲线在当前位置的参考速度判断磁浮列车的牵引/制动状态。如果当前速度低于参考速度，则磁浮列车牵引，即牵引力为正最大值；如果当前速度高于参考速度，则磁浮列车制动，牵引力为负最大值；如果当前速度等于参考速度，则磁浮列车惰行，牵引力为零。同时，仿真主机将得到的牵引力发送给显示单元。
67.步骤s403、在每个运行周期，磁浮列车牵引和运动仿真主机根据s402得到的牵引力或制动力以及磁浮列车动力学参数(如，列车质量、基本阻力系数等)和线路参数(如，线路坡度、线路曲率等)计算磁浮列车的实际运行速度和位置(即模拟测速定位功能)，并将该速度和位置信息发送给车载运控系统和分区运控系统。
68.步骤s404、重复步骤s402-s403，直到磁浮列车运行至参考速度曲线指定的目标停车点停车。
69.综上所述，本发明实施例的磁浮列车牵引和运动仿真系统及方法可以完全模拟出高速磁浮牵引供电系统状态、牵引控制单元功能以及磁浮列车运动过程，既满足了运控系统与牵引供电系统和车辆系统的功能测试跟真实系统测试完全一致的条件，又使测试摆脱了真实牵引供电系统和车辆系统的限制，使得测试更加全面和便捷。
70.基于本发明进行的磁浮运控系统测试有效避免可能出现的损坏价格昂贵的真实牵引供电系统和车辆系统的情况，改善了测试的经济性和安全性。
71.本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
72.通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
73.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
74.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。