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基于HLA/RTI的摆式列车多学科协同仿真技术
2015年10月19日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:范文慧,肖田元
    单位:清华大学自动化系

    摘要:介绍了摆式列车为了解的基本原理,分析了摆式列车仿真技术现状和难点,提出了基于HLA/RTI摆式列车多学科协同仿真环境体系结构。建立了基于HLA/RTI摆式列车多学科协同仿真的团队、任务分解和工作流程,通过对摆式列车多学科系统分析,在Matlab中建立了摆式列车控制模型,在Hopsan软件中建立了液压模型,在Adams软件中建立了动力学模型。基于适配器构成了基于HLA/RTI摆式列车多学科协同仿真环境,仿真运行结果可以看出倾摆装置在进入弯道后较短的时间内进入了稳定状态。
 
    1  引言

    经过多年的发展与完善,目前已经出现了大量成熟的商用仿真软件,典型的如Adams、Nastran、Matlab、QUEST等等,可以分别对动力学、热力学、控制系统、生产线等各个过程进行仿真分析。这些仿真软件广泛应用到产品开发过程中,极大地提高了企业的产品设计开发能力。但随着需求的进一步发展,传统的单学科仿真技术的不足也组件显露出来。一般来说,现实世界中的复杂产品通常都是多学科的,由多种工具设计出来的属于不同领域的多个分系统组成[1],如图1所示。随着产品规模和复杂程度的不断增长,产品设计过程中涉及到的学科领域越来越多,分系统间的关系也越来越复杂。虽然现有的仿真工具可以有效辅助产品某个功能单元的设计开发,能够很好地解决大部分单领域的分析评估问题,但对于涉及到多学科知识的复杂系统(整个产品或其某个复杂子系统)仿真支持不够。仅靠传统的单领域仿真已经很难满足对整个产品或其某个复杂子系统的功能/行为分析,仿真工具之间相互协同的需求开始逐渐变得强烈。

    为了解决传统的单领域仿真模式在复杂产品设计过程中遇到的困难,人们开始将协同仿真的思想引入产品设计领域,多学科协同仿真技术开始受到重视并成为研究的热点。


图1  复杂产品通常涉及多学科知识

    协同仿真是随着计算机环境协作能力的提高和仿真方法论的进步发展起来的一种先进的系统仿真方法,主要面向复杂系统的分析和设计。协同仿真可以将位于不同地点、基于不同计算机平台、采用不同建模方法建立的混合异构层次化仿真模型,在分布式环境中进行仿真运行。

    协同仿真是一个处于发展中的概念,目前尚未形成统一的观点。Victer和Paul认为,协同仿真是一种复杂系统仿真方法,它支持处于不同地点、基于不同计算机平台的仿真人员, 采用不同建模方法建立混合异构层次化的仿真模型[2],并在分布环境上进行仿真运行。

    在产品设计领域,协同仿真主要出现在不同学科领域之间,即表现为多学科协同仿真的形式。我们认为多学科协同仿真是指在复杂产品设计过程中,通过多个分布在不同地点的、属于不同学科的仿真模型之间的并行运行、实时交互,共同实现对整个产品或其某个复杂子系统的仿真分析。

    多学科协同仿真技术将面向不同学科领域的仿真工具结合起来共同构成一个统一的仿真系统,进行针对整个系统的仿真,可以充分发挥仿真工具各自的优势,同时还可以加强不同领域开发人员之间的协调与合作。协同仿真技术充分发挥了多学科仿真工具的优势,体现了不同分系统间的联系,相对于单领域仿真方式更具有系统性和合理性,仿真结果的置信度也更高。协同仿真不需要拆散一个系统,使其全貌得以保持;使得对系统的分析、设计和评价过程尽可能地接近人们认识系统的方法和习惯;使得分析、设计、实现系统地方法学原理与人们认识客观世界的过程尽可能一致。协同仿真技术的出现和发展,将会对复杂产品的设计过程提供更加强大的支持,从而促进产品设计能力的提高。

    根据协同仿真指导思想的不同,协同仿真方法可以分为基于统一语言(Unified Language)和基于接口两大类。

    基于统一建模语言的方法希望通过提供一种统一的语言,实现多学科协同建模与仿真[3-7]。其中有代表性的是Modelica语言的相关研究。Modelica是瑞典Linköping大学Modelica协会开发的一种免费的、面向对象的建模语言,其设计目标是用来处理大型的、复杂的、混合的物理系统问题。Modelica的两个重要特点是面向对象和非因果关系。Modelica既是一种建模语言,也是一种模型交换规则。基于统一语言的协同仿真方法具有一定的理论研究价值。

    基于接口的多学科协同仿真模式通过提供统一的接口标准来实现不同仿真应用之间的信息交互,现有的仿真软件只需要对自身的信息交互接口进行改造和封装,无需对内部具体的算法和实现机制进行改动。这种模式以协同仿真的关键问题,即仿真运行过程中实时的信息交互为出发点,突出了对现有仿真资源的继承和重用,支持对未来新技术的充分兼容,相对基于统一语言的方法具有更好的适用性和可行性,是目前产品制造领域协同仿真的主要研究方向。软总线接口方式是比较典型的,类似于计算机总线机制,各个仿真应用遵循统一的接口规范插入到仿真总线上,通过仿真总线实现实时分布交互,如图2所示。软总线式结构具有许多明显的优点,如支持即插即用、易扩展、易维护等等。


图2  软总线式协同仿真结构

    HLA规范(IEEE 1516)的提出为基于软总线的协同仿真提供了可以遵循的国际标准。目前市场上出现了RTI支撑环境,也为其应用提供了方便,这种协同仿真方式在军事领域已经有了许多成功的应用案例,在产品设计领域的应用研究也已经全面展开。本文采用基于HLA/RTI的多学科协同仿真技术来实现摆式列车的协同仿真。

    2  摆式列车的基本原理

    铁路交通是我国主要的运输方式,如何提高列车运行速度是目前铁路领域关注的重要问题。由于我国的大部分既有线路修建时间较早,对曲线问题考虑得不是很多,导致在这些线路上实现高速化有一定的困难。提速最彻底的办法是修建和改造高速铁路,但这种方案投资大,所费的人力物力多,修建时间长,只有那些有很大的客流量,确有经济效益的地方才有可能和有必要修建高速铁路。相对来说,采用改进机车车辆性能办法来提高列车原有速度具有更好的可行性,摆式列车技术是其中代表性技术之一。[8-11]

    摆式列车技术主要解决列车通过曲线时因离心加速度过大造成的限速问题。在线路实际设定超高一定的条件下,提速车辆进入曲线时,让车体向轨道内侧再倾摆一个角度,相当于再增加一份超高,于是车上的重力加速度横向分量可以平衡更大的离心加速度,从而提高通过曲线的速度。在主动倾摆式车体的开发过程中,涉及到多体动力学、控制系统、液压系统等分属多个领域的分系统,而且各个分系统之间关系紧密。在传统的单领域仿真模式下,如果要对这种机、电、液一体化的复杂系统仿真进行仿真分析,只能每个领域分别进行,而且必须对其他领域的分系统进行简化处理。这种对系统人为的割裂和简化必然导致仿真置信度的降低,严重影响了仿真的效果。

    列车在曲线段运行时的允许最高速度与曲线半径、最小外轨超高、允许欠超高、允许过超高等参数有关。当列车以高速通过曲线区间时,产生的离心加速度会导致以下问题:(1)乘坐舒适性恶化;(2)线路外车受到偏向力的作用,容易导致线路位置失常;(3)列车容易在曲线外侧脱轨;(4)列车有在曲线内侧翻车的危险。我国铁路设计标准规定:通过曲线时未平衡的离心加速度最大不能超过0.77g。在常规线路的曲线部分通常采用加高外轨的方法,使列车产生一个向心力,用以平衡列车在曲线段运行时产生的离心力。在有超高的曲线上,车辆向曲线内侧倾斜,使总理加速度的横向分量与离心加速度相互抵消一部分,从而使得离心加速度保持在一定范围之内。如图3所示。超高的大小是根据曲线半径和列车速度来确定的,为了兼顾货车和客车的不同需求,保证列车运行安全性,外轨超高应该受到限制。我国规定最大超高为150mm。


图3  外轨超高

    由于列车速度的不断提高,既有线路上的曲线外轨超高已经不能满足平衡离心力的要求。在这种情况下,如能使车体向曲线内侧倾斜,也可以弥补外轨超高的不足,这也就是摆式列车技术得以发展的原因。

    根据倾摆方式的不同,摆式车体可以分为两种:

    (1)被动倾摆式,又称为自然倾摆式。利用通过曲线时的离心力作用,使车体自然地向曲线内侧倾摆,没有外加的动力。例如西班牙的Talgo列车和日本的381电动车组。

    (2)主动倾摆式,又称为强制倾摆式。通过外加的动力强制车体向曲线内侧倾摆,例如意大利的ETR450电动车组、瑞典的X2000型列车和德国的VT611内燃动车组。

    一般而言,被动摆比较简单,不需要作动器、能源、控制和信号采集系统,但由于摆动中心较高,车体重心横移比较大,摆动角度小,加上摆动滞后等原因,对乘坐舒适度的改善比较有限。主动摆的摆角大,但需要有外加能源以及相应的信号采集、控制和执行机构。目前主动倾摆已经称为技术发展的主流,目前主动摆的倾角可达8度,可以补偿大约65%的离心加速度。

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标签:HLARTI列车多学科协同
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