軌道交通移動裝備數(shù)字仿真平臺設(shè)計研究

王 翔，周 超，馮瑞龍，趙俊華

（1. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

軌道交通移動裝備是集多學(xué)科協(xié)同、集成、優(yōu)化的高新產(chǎn)品。目前，在移動裝備的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)過程中仍存在多類問題：（1）確定部件級模型的關(guān)聯(lián)模型；（2）復(fù)雜系統(tǒng)仿真計算方法；（3）整體設(shè)計流程化、標準化；（4）多學(xué)科總體優(yōu)化設(shè)計。隨著虛擬樣機技術(shù)以及仿真測試的發(fā)展，基于復(fù)雜系統(tǒng)下的多學(xué)科集成仿真平臺為軌道交通移動裝備的新一輪設(shè)計開發(fā)帶來了機遇。

軌道交通移動裝備動力學(xué)性能分析以及牽引控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計是移動裝備總體設(shè)計中必不可少的環(huán)節(jié)[1]。在列車實際運行過程中，空氣動力學(xué)性能、系統(tǒng)動力學(xué)性能和牽引控制系統(tǒng)3 者亦是相互影響，存在一系列耦合作用，傳統(tǒng)的單一學(xué)科數(shù)字仿真方法已經(jīng)無法滿足移動裝備關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)及驗證。本文通過對軌道交通移動裝備動力學(xué)、牽引控制系統(tǒng)計算模型的研究建立了學(xué)科交互的邏輯關(guān)系，并創(chuàng)建能夠描述系統(tǒng)過程的關(guān)聯(lián)模型作為聯(lián)合仿真的理論依據(jù)；通過整體架構(gòu)設(shè)計、子模塊定制、系統(tǒng)無縫集成和輕量化儲存的技術(shù)搭建聯(lián)合仿真平臺，所建平臺不僅具備復(fù)雜學(xué)科聯(lián)合分析的功能，亦可指導(dǎo)新產(chǎn)品的開發(fā)、推進現(xiàn)有產(chǎn)品的改進，為產(chǎn)品全生命周期提供數(shù)據(jù)支撐[2]。

1 聯(lián)合仿真算法研究

1.1 軌道交通移動裝備流—固聯(lián)合仿真研究

軌道交通移動裝備空氣動力學(xué)以及系統(tǒng)動力學(xué)性能分析是裝備設(shè)計研發(fā)過程中的重要組成，從實際運行的角度來說，兩者相互關(guān)聯(lián)。目前，對于兩者的耦合作用分析采用離線仿真的方法，通過對環(huán)境下氣動載荷的計算，以固定值加載的方式對移動裝備系統(tǒng)動力學(xué)性能進行分析評價。該方法忽略了裝備運行的實時性和同步性，無法反映出實質(zhì)狀態(tài)[3]。

為節(jié)省計算資源且保證2 種求解器中的數(shù)據(jù)交互，本文通過耦合迭代的計算方法實現(xiàn)兩者的聯(lián)合仿真，利用嵌入式技術(shù)將移動裝備系統(tǒng)動力學(xué)計算程序和空氣動力學(xué)計算程序結(jié)合，采用線性插值的方式保證計算迭代的連續(xù)性，從而實現(xiàn)了聯(lián)合仿真的實時一致性，具體流程，如下圖1 所示。

圖1 流-固耦合仿真流程

為解決迭代過程中的計算發(fā)散問題，本文利用線性插值的方法提供，以避免迭代過程中相鄰時間段氣動載荷的激變。t時刻氣動載荷F修正計算公式如下：

式中，F(xiàn)n為t時刻的氣動載荷；Fn?1為tn?1時刻的氣動載荷。

軌道交通移動裝備流?固聯(lián)合仿真計算方法由最初穩(wěn)定流場作為迭代計算的起始網(wǎng)格，根據(jù)每個迭代步中邊界條件的變化情況自動完成網(wǎng)格更新，每次計算過程中的氣動載荷實時提供給系統(tǒng)動力學(xué)計算程序完成動力學(xué)性能的分析（具體表現(xiàn)為移動裝備的運行姿態(tài)），隨即反饋給空氣動力學(xué)計算程序完成迭代計算過程[4]。

1.2 軌道交通移動裝備系統(tǒng)動力學(xué)—運行控制聯(lián)合仿真研究

軌道交通移動裝備的運行控制主要表現(xiàn)為牽引、惰行和制動3 種方式，本文利用系統(tǒng)動力學(xué)軟件Simpack 及控制類軟件Simulink 聯(lián)合仿真，進行軌道交通不同運行控制下的建模與運行能力分析。

Simpack 軟件Wheel/Rail 模塊主要通過整體模型建立，輪軌接觸參數(shù)設(shè)置，子結(jié)構(gòu)約束設(shè)定以及軌道譜選取的方式進行移動裝備動力學(xué)性能分析及評價[5]，所建立的移動裝備系統(tǒng)動力學(xué)模型以函數(shù)形式輸出至Simulink 中，通過Simulink 自帶SIMAT 接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)聯(lián)合仿真，具體流程如下：

（1）軌道交通移動裝備系統(tǒng)動力學(xué)模型。依據(jù)車型信息建立輪對、轉(zhuǎn)向架、車體和懸掛系統(tǒng)等機械結(jié)構(gòu)，通過鉸鏈建立關(guān)聯(lián)，設(shè)定約束以及作用載荷。

（2）系統(tǒng)動力學(xué)模型的輸入與輸出。SIMAT 接口作為兩類仿真數(shù)據(jù)交互的媒介，其優(yōu)點是接口高效且能實時提供所有的幾何數(shù)據(jù)。系統(tǒng)動力學(xué)模型的輸出是指其對控制系統(tǒng)的變量傳輸，輸入則是控制系統(tǒng)對于動力學(xué)參數(shù)輸入的反饋，兩者形成閉環(huán)。

（3）控制系統(tǒng)模型。在Matlab 中創(chuàng)建控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，既描述系統(tǒng)過程的傳遞函數(shù)模型，在已建立的輸入輸出信息封閉循環(huán)中用數(shù)據(jù)驅(qū)動建模實現(xiàn)與系統(tǒng)動力學(xué)模型的信息傳遞。

（4）采用交互的方式實現(xiàn)軌道交通移動裝備動力學(xué)?運動控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真。

1.3 軌道交通移動裝備空氣動力學(xué)—運行控制聯(lián)合仿真研究

軌道交通移動裝備空氣動力學(xué)?運行控制聯(lián)合仿真主要研究對象為磁懸浮、真空管道載運工具等新型軌道交通移動裝備，用于處理移動裝備運動行為與氣動載荷之間耦合問題。軌道交通移動裝備空氣動力學(xué)?運行控制聯(lián)合仿真方法，如圖2 所示。

圖2 軌道交通移動裝備空氣動力學(xué)?運行控制聯(lián)合仿真方法

運行控制器發(fā)出指令，將當前移動裝備的運行控制和狀態(tài)信息傳遞給執(zhí)行器，由Fluent 軟件求解器作為Simulink 的計算引擎，實時提供聯(lián)合仿真所需要的空氣動力學(xué)參數(shù)；Simulink 接受氣動參數(shù)信息，求解下一時刻移動裝備的運動參數(shù)及動力系統(tǒng)的控制參數(shù)并反饋給控制器；再由控制器輸入至Fluent中實現(xiàn)閉環(huán)[6]。

軌道交通移動裝備空氣動力學(xué)?運行控制聯(lián)合仿真是對移動裝備實時運動行為的分析，由基于動網(wǎng)格技術(shù)的仿真方法提供各時間節(jié)點的瞬時邊界條件以及力學(xué)參數(shù)，聯(lián)合實現(xiàn)依賴于Simulink 與Fluent兩種不同仿真環(huán)境下的數(shù)據(jù)交互，因此需要一種監(jiān)測程序?qū)崿F(xiàn)并行，該程序的主要作用便是共享信息創(chuàng)建以及仿真進程管理。聯(lián)合仿真指令下達后，該監(jiān)測程序啟動Simulink 與Fluent 軟件并以共享文件的形式為兩類仿真環(huán)境提供實時數(shù)據(jù)的更新與傳遞；Simulink 與Fluent 軟件分別以M 函數(shù)以及Userdefined Adjust UDF 的形式對監(jiān)測程序的共享信息進行訪問與提取[7]。

2 軌道交通數(shù)字仿真平臺總體設(shè)計方案

2.1 需求分析

軌道交通移動裝備多學(xué)科數(shù)字仿真平臺是多學(xué)科仿真的分析系統(tǒng)，集仿真數(shù)據(jù)、資源調(diào)度和人員權(quán)限的管理平臺，具備子系統(tǒng)拓展、知識沉淀和項目管理等擴展功能[8]。

所建平臺應(yīng)具備Web 化、模塊化、高安全性和開放性特點，包含平臺門戶，分析子系統(tǒng)以及仿真數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。平臺門戶提供集中的操作維護界面，開放性設(shè)計體現(xiàn)在提供開放的集成接口，支持第三方系統(tǒng)集成。分析子系統(tǒng)覆蓋移動交通裝備分析設(shè)計的常用學(xué)科仿真計算，各學(xué)科針對具體分析場景包含并拓展對應(yīng)的仿真模板，模板有若干個功能模塊組成。仿真數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)管理仿真前后處理的數(shù)據(jù)，如列車模型、計算簡報和結(jié)果文件等各類型的異構(gòu)數(shù)據(jù)。

2.2 架構(gòu)設(shè)計

數(shù)字仿真平臺是面向工程專業(yè)領(lǐng)域、工程數(shù)據(jù)、人員、工具、知識、項目及流程的系統(tǒng)化集成管理系統(tǒng)[9]，本文基于BS/CS 混合架構(gòu)搭建仿真平臺，以Client 形式實現(xiàn)多學(xué)科聯(lián)合仿真，分別從用戶層、業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層、基礎(chǔ)層4 個層面完成整體架構(gòu)設(shè)計，如圖3 所示。

圖3 軌道交通移動裝備數(shù)字仿真平臺整體架構(gòu)

仿真項目與項目管理的結(jié)合可以對仿真任務(wù)進行管理，實現(xiàn)任務(wù)的分配，計劃任務(wù)節(jié)點的控制，以及用戶權(quán)限等管理功能。授權(quán)用戶在仿真平臺的工作流，即業(yè)務(wù)層與應(yīng)用層對應(yīng)關(guān)系。如圖4 所示，針對不同仿真任務(wù)，仿真平臺按照流程模板選擇幾何/有限元模型，以及輸入載荷和邊界條件等信息，完成任務(wù)并自動生成計算報告。任務(wù)結(jié)束后，過程、結(jié)果數(shù)據(jù)保存到工程數(shù)據(jù)庫中，可實現(xiàn)平臺調(diào)閱和各類數(shù)據(jù)檢索。

圖4 業(yè)務(wù)流程與應(yīng)用層順序關(guān)系

2.3 功能設(shè)計

仿真平臺功能設(shè)計包括系統(tǒng)基礎(chǔ)框架、仿真流程管理、數(shù)據(jù)庫、仿真及后處理5 大功能模塊，如圖5 所示。

圖5 仿真平臺功能設(shè)計

（1）系統(tǒng)基礎(chǔ)框架功能。平臺具備獨立的圖形界面、賬號創(chuàng)建、權(quán)限管理功能。不同權(quán)限的工程師可根據(jù)分配的任務(wù)在平臺上進行專業(yè)分析等應(yīng)用。

（2）仿真流程管理功能。平臺具備項目管理功能，對各種仿真任務(wù)進行管理，實現(xiàn)任務(wù)的分配，工程數(shù)據(jù)的顯示，計劃任務(wù)節(jié)點的控制，以及用戶權(quán)限等管理功能。

（3）數(shù)據(jù)庫功能。平臺具備軌道交通移動裝備動力學(xué)和控制系統(tǒng)模型庫，可實現(xiàn)模型的導(dǎo)入和編輯功能；數(shù)據(jù)庫具備計算仿真文件存儲功能，包括計算文件、簡報、載荷等信息，并可實時數(shù)據(jù)檢索調(diào)閱。

（4）計算仿真功能。基于給出的Fluent 計算軟件、Simpack 軟件以及Simulink 計算軟件對空氣動力學(xué)模塊，系統(tǒng)動力學(xué)模塊，運行控制模塊3 大子系統(tǒng)進行封裝，并實現(xiàn)多學(xué)科分析軟件的集成和封裝管理。

（5）后處理功能。實現(xiàn)平臺可視化，設(shè)計過程中生成的CAD/CAE 文件能夠輕量化地上傳，對各類數(shù)據(jù)直接進行圖形瀏覽。

3 軌道交通移動裝備仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

為實現(xiàn)軌道交通移動裝備的設(shè)計流程與仿真流程的有效融合以及海量仿真異構(gòu)數(shù)據(jù)的管理，本文提出一種仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以適應(yīng)數(shù)字仿真平臺流程化建設(shè)。

仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)具備仿真流程管理、仿真數(shù)據(jù)管理、仿真工具集成以及數(shù)據(jù)安全管理功能，用于管理仿真過程中產(chǎn)生的仿真流程數(shù)據(jù)、中間數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和文檔數(shù)據(jù)等，能夠?qū)Ａ慨悩?gòu)的仿真數(shù)據(jù)進行集中、高效與統(tǒng)一的管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重用性和可追溯性，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準與規(guī)范[10]。本文所建軌道交通移動裝備仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整體框架，如圖6 所示。

圖6 軌道交通移動裝備仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整體框架

仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA），獨立于數(shù)字仿真平臺，使得不同的功能單元利用通用的方式進行交互，其二次開發(fā)功能將數(shù)據(jù)庫與各類仿真軟件有效結(jié)合，從而實現(xiàn)從任務(wù)發(fā)起至任務(wù)完成的標準化。

3.1 仿真流程管理

為消除單一個體經(jīng)驗仿真帶來的結(jié)果多樣化且難以驗證性，本文提出一種集單一學(xué)科仿真與多學(xué)科聯(lián)合的仿真流程管理方法以實現(xiàn)仿真流程控制及優(yōu)化。包含軌道交通移動裝備空氣動力學(xué)、系統(tǒng)動力學(xué)、牽引控制、聯(lián)合仿真4 個仿真流程子模塊，可實現(xiàn)仿真任務(wù)分配、人員協(xié)同、過程監(jiān)控、規(guī)范執(zhí)行和提升效率的功能。

3.2 仿真數(shù)據(jù)管理

仿真數(shù)據(jù)管理子模塊以輕量化的方式對仿真過程中產(chǎn)生的異構(gòu)數(shù)據(jù)進行存儲及其它功能操作。異構(gòu)數(shù)據(jù)包括仿真過程數(shù)據(jù)、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)、仿真模型數(shù)據(jù)和仿真模板數(shù)據(jù)，該模塊可實現(xiàn)多學(xué)科仿真數(shù)據(jù)的交互與傳輸，具備元數(shù)據(jù)管理、過程數(shù)據(jù)管理、高級數(shù)據(jù)檢索、數(shù)據(jù)權(quán)限管理以及數(shù)據(jù)版本控制等功能，對于軌道交通移動裝備仿真知識管理、多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化具有積極的作用。

3.3 數(shù)據(jù)安全管理

數(shù)據(jù)安全管理子模塊具備權(quán)限管理、身份認證以及數(shù)據(jù)加密的功能。數(shù)字仿真平臺提供的權(quán)限管理功能針對特定管理員及用戶開放特定的數(shù)據(jù)，特定人員具備特定數(shù)據(jù)的功能性操作權(quán)限，并采用身份認證，數(shù)據(jù)加密的方式來保證仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的安全性。

3.4 外部系統(tǒng)集成

外部系統(tǒng)集成子模塊主要是為了實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的信息交互和傳遞，該模塊具備CAD/CAE、另類學(xué)科仿真的外部接口，支持企業(yè)內(nèi)部的定制與開發(fā)，并通過預(yù)留接口的方式實現(xiàn)整體數(shù)字仿真平臺的二次開發(fā)及完善。

3.5 仿真工具集成

仿真工具集成子模塊包含仿真數(shù)據(jù)集成、開發(fā)工具集成以及聯(lián)合仿真集成，該模塊針對定制的各類學(xué)科分析軟件進行二次開發(fā)，平臺用戶可通過直接輸入?yún)?shù)的方式獲得計算結(jié)果，并可以實時調(diào)用過程文件，監(jiān)控仿真過程。

4 結(jié)束語

本文基于多學(xué)科內(nèi)在交互耦合關(guān)系提出了軌道交通空氣動力學(xué)?系統(tǒng)動力學(xué)、運行控制?系統(tǒng)動力學(xué)和運行控制?系統(tǒng)動力學(xué)聯(lián)合仿真計算方法，實現(xiàn)了實時仿真的流程化，為軌道交通移動裝備的設(shè)計與研發(fā)提供參考；從多學(xué)科耦合、平臺集成、仿真數(shù)據(jù)管理3 個方面完成軌道交通移動裝備數(shù)字仿真平臺整體框架構(gòu)建以及功能設(shè)計，所建數(shù)字仿真平臺有效解決了現(xiàn)如今多學(xué)科總體設(shè)計難以協(xié)同、動態(tài)實時交互困難、流程管理閉環(huán)難以共享等問題。