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(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

軌道交通移動(dòng)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(dòng)裝備的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中仍存在多類問題：（1）確定部件級(jí)模型的關(guān)聯(lián)模型；（2）復(fù)雜系統(tǒng)仿真計(jì)算方法；（3）整體設(shè)計(jì)流程化、標(biāo)準(zhǔn)化；（4）多學(xué)科總體優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)以及仿真測(cè)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(tái)為軌道交通移動(dòng)裝備的新一輪設(shè)計(jì)開發(fā)帶來了機(jī)遇。

軌道交通移動(dòng)裝備動(dòng)力學(xué)性能分析以及牽引控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是移動(dòng)裝備總體設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)[1]。在列車實(shí)際運(yùn)行過程中，空氣動(dòng)力學(xué)性能、系統(tǒng)動(dòng)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(dòng)裝備關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)及驗(yàn)證。本文通過對(duì)軌道交通移動(dòng)裝備動(dòng)力學(xué)、牽引控制系統(tǒng)計(jì)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(jì)、子模塊定制、系統(tǒng)無縫集成和輕量化儲(chǔ)存的技術(shù)搭建聯(lián)合仿真平臺(tái)，所建平臺(tái)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(jìn)現(xiàn)有產(chǎn)品的改進(jìn)，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(dòng)裝備流—固聯(lián)合仿真研究

軌道交通移動(dòng)裝備空氣動(dòng)力學(xué)以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能分析是裝備設(shè)計(jì)研發(fā)過程中的重要組成，從實(shí)際運(yùn)行的角度來說，兩者相互關(guān)聯(lián)。目前，對(duì)于兩者的耦合作用分析采用離線仿真的方法，通過對(duì)環(huán)境下氣動(dòng)載荷的計(jì)算，以固定值加載的方式對(duì)移動(dòng)裝備系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。該方法忽略了裝備運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和同步性，無法反映出實(shí)質(zhì)狀態(tài)[3]。

為節(jié)省計(jì)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(jì)算方法實(shí)現(xiàn)兩者的聯(lián)合仿真，利用嵌入式技術(shù)將移動(dòng)裝備系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序和空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算程序結(jié)合，采用線性插值的方式保證計(jì)算迭代的連續(xù)性，從而實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合仿真的實(shí)時(shí)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(jì)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(shí)間段氣動(dòng)載荷的激變。t時(shí)刻氣動(dòng)載荷F修正計(jì)算公式如下：

式中，F(xiàn)n為t時(shí)刻的氣動(dòng)載荷；Fn?1為tn?1時(shí)刻的氣動(dòng)載荷。

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

1.2 軌道交通移動(dòng)裝備系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)—運(yùn)行控制聯(lián)合仿真研究

軌道交通移動(dòng)裝備的運(yùn)行控制主要表現(xiàn)為牽引、惰行和制動(dòng)3 種方式，本文利用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件Simpack 及控制類軟件Simulink 聯(lián)合仿真，進(jìn)行軌道交通不同運(yùn)行控制下的建模與運(yùn)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(jìn)行移動(dòng)裝備動(dòng)力學(xué)性能分析及評(píng)價(jià)[5]，所建立的移動(dòng)裝備系統(tǒng)動(dòng)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，具體流程如下：

（1）軌道交通移動(dòng)裝備系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。依據(jù)車型信息建立輪對(duì)、轉(zhuǎn)向架、車體和懸掛系統(tǒng)等機(jī)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(dòng)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(diǎn)是接口高效且能實(shí)時(shí)提供所有的幾何數(shù)據(jù)。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的輸出是指其對(duì)控制系統(tǒng)的變量傳輸，輸入則是控制系統(tǒng)對(duì)于動(dòng)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(dòng)建模實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的信息傳遞。

（4）采用交互的方式實(shí)現(xiàn)軌道交通移動(dòng)裝備動(dòng)力學(xué)?運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真。

1.3 軌道交通移動(dòng)裝備空氣動(dòng)力學(xué)—運(yùn)行控制聯(lián)合仿真研究

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

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

運(yùn)行控制器發(fā)出指令，將當(dāng)前移動(dòng)裝備的運(yùn)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(jì)算引擎，實(shí)時(shí)提供聯(lián)合仿真所需要的空氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)；Simulink 接受氣動(dòng)參數(shù)信息，求解下一時(shí)刻移動(dòng)裝備的運(yùn)動(dòng)參數(shù)及動(dòng)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(shí)現(xiàn)閉環(huán)[6]。

軌道交通移動(dòng)裝備空氣動(dòng)力學(xué)?運(yùn)行控制聯(lián)合仿真是對(duì)移動(dòng)裝備實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)行為的分析，由基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的仿真方法提供各時(shí)間節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)邊界條件以及力學(xué)參數(shù)，聯(lián)合實(shí)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(cè)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(jìn)程管理。聯(lián)合仿真指令下達(dá)后，該監(jiān)測(cè)程序啟動(dòng)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(shí)時(shí)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(duì)監(jiān)測(cè)程序的共享信息進(jìn)行訪問與提取[7]。

2 軌道交通數(shù)字仿真平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案

2.1 需求分析

軌道交通移動(dòng)裝備多學(xué)科數(shù)字仿真平臺(tái)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(tái)，具備子系統(tǒng)拓展、知識(shí)沉淀和項(xiàng)目管理等擴(kuò)展功能[8]。

所建平臺(tái)應(yīng)具備Web 化、模塊化、高安全性和開放性特點(diǎn)，包含平臺(tái)門戶，分析子系統(tǒng)以及仿真數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)。平臺(tái)門戶提供集中的操作維護(hù)界面，開放性設(shè)計(jì)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(dòng)交通裝備分析設(shè)計(jì)的常用學(xué)科仿真計(jì)算，各學(xué)科針對(duì)具體分析場(chǎng)景包含并拓展對(duì)應(yīng)的仿真模板，模板有若干個(gè)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(jì)算簡(jiǎn)報(bào)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(jì)

數(shù)字仿真平臺(tái)是面向工程專業(yè)領(lǐng)域、工程數(shù)據(jù)、人員、工具、知識(shí)、項(xiàng)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(tái)，以Client 形式實(shí)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(gè)層面完成整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3 所示。

圖3 軌道交通移動(dòng)裝備數(shù)字仿真平臺(tái)整體架構(gòu)

仿真項(xiàng)目與項(xiàng)目管理的結(jié)合可以對(duì)仿真任務(wù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的分配，計(jì)劃任務(wù)節(jié)點(diǎn)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(tái)的工作流，即業(yè)務(wù)層與應(yīng)用層對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖4 所示，針對(duì)不同仿真任務(wù)，仿真平臺(tái)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(dòng)生成計(jì)算報(bào)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(kù)中，可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(jì)

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

圖5 仿真平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)基礎(chǔ)框架功能。平臺(tái)具備獨(dú)立的圖形界面、賬號(hào)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(tái)上進(jìn)行專業(yè)分析等應(yīng)用。

（2）仿真流程管理功能。平臺(tái)具備項(xiàng)目管理功能，對(duì)各種仿真任務(wù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的分配，工程數(shù)據(jù)的顯示，計(jì)劃任務(wù)節(jié)點(diǎn)的控制，以及用戶權(quán)限等管理功能。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)功能。平臺(tái)具備軌道交通移動(dòng)裝備動(dòng)力學(xué)和控制系統(tǒng)模型庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)模型的導(dǎo)入和編輯功能；數(shù)據(jù)庫(kù)具備計(jì)算仿真文件存儲(chǔ)功能，包括計(jì)算文件、簡(jiǎn)報(bào)、載荷等信息，并可實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢索調(diào)閱。

（4）計(jì)算仿真功能?；诮o出的Fluent 計(jì)算軟件、Simpack 軟件以及Simulink 計(jì)算軟件對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)模塊，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模塊，運(yùn)行控制模塊3 大子系統(tǒng)進(jìn)行封裝，并實(shí)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(shí)現(xiàn)平臺(tái)可視化，設(shè)計(jì)過程中生成的CAD/CAE 文件能夠輕量化地上傳，對(duì)各類數(shù)據(jù)直接進(jìn)行圖形瀏覽。

3 軌道交通移動(dòng)裝備仿真數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)軌道交通移動(dòng)裝備的設(shè)計(jì)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(tái)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(jìn)行集中、高效與統(tǒng)一的管理，實(shí)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(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范[10]。本文所建軌道交通移動(dòng)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(dòng)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(dú)立于數(shù)字仿真平臺(tái)，使得不同的功能單元利用通用的方式進(jìn)行交互，其二次開發(fā)功能將數(shù)據(jù)庫(kù)與各類仿真軟件有效結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)從任務(wù)發(fā)起至任務(wù)完成的標(biāo)準(zhǔn)化。

3.1 仿真流程管理

為消除單一個(gè)體經(jīng)驗(yàn)仿真帶來的結(jié)果多樣化且難以驗(yàn)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(shí)現(xiàn)仿真流程控制及優(yōu)化。包含軌道交通移動(dòng)裝備空氣動(dòng)力學(xué)、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、牽引控制、聯(lián)合仿真4 個(gè)仿真流程子模塊，可實(shí)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(duì)仿真過程中產(chǎn)生的異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)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(shí)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(jí)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(duì)于軌道交通移動(dòng)裝備仿真知識(shí)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(rèn)證以及數(shù)據(jù)加密的功能。數(shù)字仿真平臺(tái)提供的權(quán)限管理功能針對(duì)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(rèn)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(shí)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(shí)現(xiàn)整體數(shù)字仿真平臺(tái)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(duì)定制的各類學(xué)科分析軟件進(jìn)行二次開發(fā)，平臺(tái)用戶可通過直接輸入?yún)?shù)的方式獲得計(jì)算結(jié)果，并可以實(shí)時(shí)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(dòng)力學(xué)?系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)行控制?系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)行控制?系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)仿真的流程化，為軌道交通移動(dòng)裝備的設(shè)計(jì)與研發(fā)提供參考；從多學(xué)科耦合、平臺(tái)集成、仿真數(shù)據(jù)管理3 個(gè)方面完成軌道交通移動(dòng)裝備數(shù)字仿真平臺(tái)整體框架構(gòu)建以及功能設(shè)計(jì)，所建數(shù)字仿真平臺(tái)有效解決了現(xiàn)如今多學(xué)科總體設(shè)計(jì)難以協(xié)同、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互困難、流程管理閉環(huán)難以共享等問題。