CN112800613A - 一种铁道车辆在线监测算法开发系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁道车辆在线监测算法开发系统，包括动力学仿真模块、验证模块以及实物计算模块；所述动力学仿真模块包括依次连接的车辆边界条件输入单元、车辆刚柔耦合动力学模型单元以及存储发送单元，所述车辆刚柔耦合动力学模型还与验证模块连接，所述存储发送单元与实物计算模块连接，所述实物计算模块包括算法输入单元以及硬件单元，所述硬件单元分别与存储发送单元以及验证模块连接。本发明基于半实物仿真的方式，可以验证算法和控制硬件的可靠性，通过液晶显示屏向用户直观的展示计算结果。本发明降低了在线监测算法和控制硬件的开发成本、难度，提高其开发效率。

Description

一种铁道车辆在线监测算法开发系统

技术领域

本发明属于铁道车辆监测算法领域，具体涉及一种铁道车辆在线监测算法开发系统。

背景技术

近年来，轨道交通飞速发展，高铁、地铁、城际铁路等形式层出不穷。轨道交通运营安全的首要条件是运营车辆的安全，随着车辆走行里程的增加，不免会出现各种问题，比如车辆稳定性问题、平稳性问题、结构部件的疲劳可靠性问题等。因此，对铁道车辆进行健康监测的需求十分迫切，在目前的工程应用中，已有多种健康监测设备投入使用，比如转向架蛇形失稳的报警系统、轴箱内的轴温报警系统等，这些设备通过采集振动加速度、温度等物理信号，通过一定的算法对采集到的信号进行处理，而后反馈出相应的结论，取得了较有成效的效果，具有较大的工程应用价值。

算法和控制硬件是健康监测系统中的重要组成部分，但是在实际开发过程中，企业开发的健康监测产品，需要经过严格的审查和报备，才可能运用到线路中进行试验，进而验证算法和控制硬件的可靠性，这对很多小企业造成了困难。因此，降低算法和控制硬件的开发成本、难度，提高其开发效率是十分必要的。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种铁道车辆在线监测算法开发系统解决了现有技术中存在的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种铁道车辆在线监测算法开发系统，包括动力学仿真模块、验证模块以及实物计算模块；

所述动力学仿真模块包括依次连接的车辆边界条件输入单元、车辆刚柔耦合动力学模型单元以及存储发送单元，所述车辆刚柔耦合动力学模型还与验证模块连接，所述存储发送单元与实物计算模块连接，所述实物计算模块包括算法输入单元以及硬件单元，所述硬件单元分别与存储发送单元以及验证模块连接。

进一步地，所述车辆边界条件输入单元用于输入车辆边界条件；所述车辆刚柔耦合动力学模型用于根据车辆边界条件获取车辆部件振动加速度时域数据、车辆部件动应力时域数据以及轮轨力时域数据；所述存储发送单元用于存储车辆部件振动加速度时域数据、车辆部件动应力时域数据以及轮轨力时域数据，且调用时域数据发送至硬件单元；所述算法输入单元用于输入需要开发的算法；所述硬件单元用于根据输入的算法和时域数据运行算法；所述验证模块用于对时域数据进行离线分析，并将分析结果和硬件单元输出的结果进行对比验证。

进一步地，所述根据车辆边界条件获取车辆部件振动加速度时域数据的具体方法为：

A1、将车辆边界条件输入车辆刚柔耦合动力学模型，并使用模态分析获取柔性体的各阶截断模态矩阵u和截断模态坐标矩阵q为：

q＝[q₁(t),q₂(t),…,q_n(t)]^T

A2、根据矩阵u和矩阵q获取任意时刻t的柔性体变形矢量x(t)为：

{x(t)}＝u·q

A3、对柔性体变形矢量x(t)进行求导，得到车辆部件振动加速度时域数据；

其中，q₁(t),q₂(t),...,q_n(t)均表示截断模态坐标，T表示转置；

均表示1-n阶截断模态，其上标表示阶次，其下标表示自由度号。

进一步地，所述根据车辆边界条件获取车辆部件动应力时域数据的具体方法为：

B1、基于车辆刚柔耦合动力学模型，通过在接口节点处施加单位载荷，获取弹性体上接口节点处的每阶惯性释放模态

为：

B2、根据惯性释放模态

获取每阶残余向量

为：

B3、将车辆边界条件输入车辆刚柔耦合动力学模型，获取车辆部件动应力时域数据σ为：

其中，

表示第j模态应力，a_jk表示惯性释放模态和结构模态的修正系数，j＝1,2,..,n_re，n_re表示使用模态应力恢复法选择的模态数目，n_all表示所有模态数目，k_all表示残余模态数目，

表示第j阶模态坐标，

表示残余模态坐标。

进一步地，所述根据车辆边界条件获取轮轨力时域数据包括轮轨切向力和轮轨法向力；所述轮轨切向力采用kalker简化方法FASTSIM进行计算，轮轨法向力采用非线性Hertz弹性接触方法获取；所述轮轨法向力p(t)具体为：

其中，G表示轮轨接触常数，δ表示轮轨间的弹性压缩量。

进一步地，所述车辆刚柔耦合动力学模型用于识别铁道车辆柔性结构的时域数据，所述柔性结构包括柔性轮对、柔性轴箱、柔性钢簧、柔性构架、柔性车体、柔性构架和柔性附属部件。

进一步地，所述算法输入单元的输入算法包括动力学监测算法以及疲劳结构监测算法，所述动力学监测算法用于监测车辆稳定性、车辆平稳性以及车辆安全性；所述疲劳结构监测算法用于检测铁道车辆结构部件的寿命监测以及模态检测。

进一步地，所述硬件单元具体为单片机系统，所述单片机系统上设置有显示屏、算法烧录串口以及时域数据接收串口；所述显示屏用于显示算法的计算结果，所述算法烧录串口用于将算法录入单片机，所述时域数据接收串口用于实时接收时域数据。

本发明的有益效果为：

(1)本发明可以充分发挥动力学仿真工况多、成本低的优势，用户可针对动力学和结构疲劳方面的特定问题，进行车辆在线监测设备以及算法的研发。

(2)本发明基于半实物仿真的方式，可以验证算法和控制硬件的可靠性，通过液晶显示屏向用户直观的展示计算结果。另外，用户也可以将算法代码化，基于动力学仿真输出数据进行离线分析，进而验证算法的准确性。

(3)本发明降低了在线监测算法和控制硬件的开发成本、难度，提高其开发效率。

附图说明

图1为本发明提出的一种铁道车辆在线监测算法开发系统示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

下面结合附图详细说明本发明的实施例。

如图1所示，一种铁道车辆在线监测算法开发系统，包括动力学仿真模块、验证模块以及实物计算模块；

所述动力学仿真模块包括依次连接的车辆边界条件输入单元、车辆刚柔耦合动力学模型单元以及存储发送单元，所述车辆刚柔耦合动力学模型还与验证模块连接，所述存储发送单元与实物计算模块连接，所述实物计算模块包括算法输入单元以及硬件单元，所述硬件单元分别与存储发送单元以及验证模块连接。

所述车辆边界条件输入单元用于输入车辆边界条件；所述车辆刚柔耦合动力学模型用于根据车辆边界条件获取车辆部件振动加速度时域数据、车辆部件动应力时域数据以及轮轨力时域数据；所述存储发送单元用于存储车辆部件振动加速度时域数据、车辆部件动应力时域数据以及轮轨力时域数据，且调用时域数据发送至硬件单元；所述算法输入单元用于输入需要开发的算法；所述硬件单元用于根据输入的算法和时域数据运行算法；所述验证模块用于对时域数据进行离线分析，并将分析结果和硬件单元输出的结果进行对比验证。

所述根据车辆边界条件获取车辆部件振动加速度时域数据的具体方法为：

A1、将车辆边界条件输入车辆刚柔耦合动力学模型，并使用模态分析获取柔性体的各阶截断模态矩阵u和截断模态坐标矩阵q为：

q＝[q₁(t),q₂(t),…,q_n(t)]^T

A2、根据矩阵u和矩阵q获取任意时刻t的柔性体变形矢量x(t)为：

{x(t)}＝u·q

A3、对柔性体变形矢量x(t)进行求导，得到车辆部件振动加速度时域数据；

其中，q₁(t),q₂(t),...,q_n(t)均表示截断模态坐标，T表示转置；

均表示1-n阶截断模态，其上标表示阶次，其下标表示自由度号。

所述根据车辆边界条件获取车辆部件动应力时域数据的具体方法为：

B1、基于车辆刚柔耦合动力学模型，通过在接口节点处施加单位载荷，获取弹性体上接口节点处的每阶惯性释放模态

为：

B2、根据惯性释放模态

获取每阶残余向量

为：

B3、将车辆边界条件输入车辆刚柔耦合动力学模型，获取车辆部件动应力时域数据σ为：

其中，

表示第j模态应力，a_jk表示惯性释放模态和结构模态的修正系数，j＝1,2,..,n_re，n_re表示使用模态应力恢复法选择的模态数目，n_all表示所有模态数目，k_all表示残余模态数目，

表示第j阶模态坐标，

表示残余模态坐标。

在本实施例中，只考虑有限个模态的叠加。

所述根据车辆边界条件获取轮轨力时域数据包括轮轨切向力和轮轨法向力；所述轮轨切向力采用kalker简化方法FASTSIM进行计算，轮轨法向力采用非线性Hertz弹性接触方法获取；所述轮轨法向力p(t)具体为：

其中，G表示轮轨接触常数，δ表示轮轨间的弹性压缩量。

在本实施例中，G取3.86R^-0.115×10^-8m/N^2/3。

所述车辆刚柔耦合动力学模型用于识别铁道车辆柔性结构的时域数据，所述柔性结构包括柔性轮对、柔性轴箱、柔性钢簧、柔性构架、柔性车体、柔性构架和柔性附属部件。

所述算法输入单元的输入算法包括动力学监测算法以及疲劳结构监测算法，所述动力学监测算法用于监测车辆稳定性、车辆平稳性以及车辆安全性；所述疲劳结构监测算法用于检测铁道车辆结构部件的寿命监测以及模态检测。

所述硬件单元具体为单片机系统，所述单片机系统上设置有显示屏、算法烧录串口以及时域数据接收串口；所述显示屏用于显示算法的计算结果，所述算法烧录串口用于将算法录入单片机，所述时域数据接收串口用于实时接收时域数据。

本发明的工作原理为：将车辆边界条件通过车辆边界条件输入单元输入至车辆刚柔耦合动力学模型，获取时域数据，并将时域数据分别传输至存储发送单元以及验证模块中，将待开发算法通过算法输入单元传输至硬件单元，根据时域数据并通过硬件单元运行待开发算法，并将算法结果传输至验证模块；通过验证模块对时域数据进行离线分析，并使用分析结果验证算法结果；根据验证结果对算法进行改进开发。

实施例二

一种铁道车辆在线监测算法开发系统，包括动力学仿真模块、验证模块以及实物计算模块；所述动力学仿真模块包括依次连接的车辆边界条件输入单元、车辆刚柔耦合动力学模型单元以及存储发送单元，所述车辆刚柔耦合动力学模型还与验证模块连接，所述存储发送单元与实物计算模块连接，所述实物计算模块包括算法输入单元以及硬件单元，所述硬件单元分别与存储发送单元以及验证模块连接。

通过动力学仿真模块，针对特定问题特定工况进行计算，输出指定物理量，作为实物计算模块的数据输入，进而验证算法和控制硬件的可靠性。通过验证模块验证算法的准确性。

1.动力学仿真模块

动力学仿真模块，主要是针对特定工程问题(如车辆稳定性问题、平稳性问题、结构部件疲劳问题等)采用多体动力学软件建立车辆刚柔耦合动力学模型，输入边界条件，基于该动力学模型计算车辆部件振动加速度、应力、轮轨力等时域响应并保存，最后通过程序控制将数据发送至PC机COM口。

(1)车辆边界条件的输入

该部分主要考虑轮轨激扰动，轮轨关系模型部分包含车轮踏面缺陷和钢轨表面不平顺两个方面的数学模型。

车轮踏面状态主要分为周向和横向两个方面。周向不平顺即车轮不圆，可考虑为扁疤擦伤、剥离掉块、脱层和其他形式的长波局部非圆化，和表现为车轮多边形磨损的车轮全周非圆化，周向不平顺可能会带来车辆平稳性、部件疲劳等问题。横向主要考虑磨耗后的车轮踏面廓形，因为等效锥度的变化，可能会引发车辆稳定性问题。

钢轨表面不平顺主要考虑为长波不平顺和短波不平顺，长波不平顺主要是波长为1m以上的不平顺，短波不平顺主要指波长为1m以下的不平顺。轨道不平顺会对车辆的动态响应具有显著的影响。

(2)车辆刚柔耦合动力学模型

车辆刚柔耦合动力学模型，可考虑轨道柔性和车辆结构部件柔性，结构部件包括：柔性轮对、柔性轴箱、柔性钢簧、柔性构架、柔性车体、柔性构架和柔性附属部件(如天线梁、车体悬吊设备)等，根据具体问题也可将上述部件考虑为刚性。

1)车辆结构部件柔性的考虑，可采用有限元法对车辆部件进行离散处理，并制作柔性文件，基于多体动力学软件分析其柔性动态变形。对于有限元结构，可以将其视为多自由度系统进行建模，其振动微分方程为：

式中：M、C、K分别为车辆部件的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；F为外界激励向量矩阵；X为形向量，

为速度向量，

为加速度向量。

2)轨道柔性的考虑，可以将钢轨考虑为离散支撑的铁木辛柯梁模型，其响应利用模态叠加法进行计算。基于铁木辛柯梁理论，钢轨的弯曲振动可由平动和界面转动两个偏微分方程表示，考虑钢轨横向，垂向和扭转振动，其振动方程如下。

垂向振动：

横向振动：

钢轨扭转振动：

其中x为钢轨的纵向位置，y为钢轨横向位移；z为钢轨垂向位移；φ为钢轨扭转角度；ψ_y为钢轨绕y轴的截面转角；ψ_z为钢轨绕z轴的截面转角；F_szi为轨道第i个支点垂向支承反力；F_syi为轨道第i个支点横向支承反力；F_wrzj第j位车轮的轮轨垂向载荷；F_wryj为第j位车轮的轮轨横向载荷；M_si为第i支点处轨道支反力矩；M_Gj为第j为车轮作用于轨道的力矩；E为钢轨的弹性模量；I_z为钢轨截面对z轴的惯性矩；I₀为钢轨的极惯性矩；ρ钢轨单位长度密度；G钢轨剪切模量；GK钢轨抗扭转刚度；A为钢轨截面面积；κ_z钢轨截面的垂向剪切形状因子；κ_y钢轨截面的横向剪切形状因子；δ为狄拉克函数。

柔性轨道模型采用自编程序的方法进行计算。基于多体动力学软件计算输出轮轨力，输入到柔性轨道模型中，轨道模型采用翟方法计算钢轨的响应，再反馈给多体动力学软件中的车辆模型，从而影响轮轨力。

(3)时域数据的计算

模型离线积分计算时，依据不同的采样频率，采用动力学软件中内置的积分算法，模型输出可特定物理量的时域数据。如车辆部件振动加速度的时域数据、轮轨力时域数据和车辆部件动应力时域数据。输出数据形式如下所示

X_物理量—Δt

其中X_物理量表示车辆部件振动加速度、动应力、轮轨力等物理量的值，Δt表示时间间隔，计算公式如下

式中f_采样为仿真离线积分时，采用的采样频率。

1)针对车辆柔性部件的振动加速度计算方法如下：

经模态分析得到柔性体的各阶截断模态矩阵u和截断模态坐标矩阵q为

q＝[q₁(t),q₂(t),…,q_n(t)]^T

对线性不变系统，依据模态叠加法，其任意时刻t的柔性体变形矢量x(t)可写成矩阵

{x(t)}＝u·q

其中，每一个模态坐标值q相应阶主振型{u}在系统中所占的比例，反映了该阶模态向量对构成物理坐标下位形响应{x}的参与程度。对上式进行求导，即可得到振动加速度时域数据。

2)针对车辆柔性部件的动应力计算方法如下

针对柔性部件，利用模态应力恢复方法，基于模态应力矩阵，且使用惯性释放模态对模态高阶的截断误差进行修正，计算分析关键部位的动应力。根据模态应力恢复法，弹性体上任意点的动应力幅值可以表示为：

式中：n_re为模态应力恢复法选择的模态数目，

是第j阶模态应力，

是第j阶模态坐标。为了减少模态截断误差的影响，在每个接口自由度考虑惯性释放模态IRM。惯性释放IRM通过在接口节点处施加单位载荷得到；每个惯性释放模态

也可以通过模态的叠加表示，如下所示：

其中:a_jk为惯性释放模态和结构模态的修正系数；由于在分析中只考虑有限个模态的叠加，因此残余向量

可以表示为：

通过残余向量来修正模态应力恢复的高阶截断误差，虽然并不是精确解，但是可以在很大程度上修正残余误差，最终得到应力的表达式：

(4)数据存储、发送

动力学软件离线积分输出的时域数据先被存储在PC机中，通过程序控制按照实际运营中，数据采集器将数据发送至工控机的时间间隔，发送至PC机的COM口，以模仿实际运营中数据采集器的数据发送频率，该部分数据将作为后续实物计算模块的输入。

2.实物计算模块

实物计算模块包含两部分组成，分别是算法和控制硬件。

1)算法依靠算法输入单元输入

基于半实物仿真的铁道车辆在线监测算法开发系统，主要用于开发动力学和结构疲劳监测的算法。

动力学的监测算法。主要面向车辆稳定性问题、车辆平稳性问题、车辆安全性问题。前两个问题主要基于车辆部件的振动加速度数据进行计算，安全性问题主要基于轮轨力时域数据进行计算。

结构疲劳的监测算法。主要面向结构部件的寿命监测、模态监测等问题，主要基于车辆部件的振动加速度和动应力时域数据进行计算。

2)控制硬件依靠硬件单元实现

通过硬件单元中的第一串口实时接收PC机上动力学软件输出的仿真时域数据，单片机将数据分批存储，并预先设计好的算法进行实时处理，将计算结果通过第二串口进行计算结果的输出至液晶显示屏，而后液晶显示屏将结果呈现给用户。单片机可以根据实际需要，由用户进行自己选择，本平台一方面可以验证算法的可靠性，也可以验证控制硬件的可靠性。

采用单片机模块作为硬件单元，具体以下优点：

1.散热性能好，功耗低。平台中的控制硬件将直接用于开发产品，由于产品在线监测的过程可能较长，因此要求硬件部分功耗尽可能小，且散热功能好。

2.接收数据速率快，通信稳定。由于时域数据的采样频率很高，一般都会大于2000Hz，控制硬件每秒需要接收的数据量较大，因此要求硬件接收数据的速率快，且通信稳定，尽量不出现丢包现象，以保证算法输入数据的准确性。

Claims (8)

1.一种铁道车辆在线监测算法开发系统，其特征在于，包括动力学仿真模块、验证模块以及实物计算模块；

所述动力学仿真模块包括依次连接的车辆边界条件输入单元、车辆刚柔耦合动力学模型单元以及存储发送单元，所述车辆刚柔耦合动力学模型还与验证模块连接，所述存储发送单元与实物计算模块连接，所述实物计算模块包括算法输入单元以及硬件单元，所述硬件单元分别与存储发送单元以及验证模块连接。

2.根据权利要求1所述的铁道车辆在线监测算法开发系统，其特征在于，所述车辆边界条件输入单元用于输入车辆边界条件；所述车辆刚柔耦合动力学模型用于根据车辆边界条件获取车辆部件振动加速度时域数据、车辆部件动应力时域数据以及轮轨力时域数据；所述存储发送单元用于存储车辆部件振动加速度时域数据、车辆部件动应力时域数据以及轮轨力时域数据，且调用时域数据发送至硬件单元；所述算法输入单元用于输入需要开发的算法；所述硬件单元用于根据输入的算法和时域数据运行算法；所述验证模块用于对时域数据进行离线分析，并将分析结果和硬件单元输出的结果进行对比验证。

3.根据权利要求2所述的铁道车辆在线监测算法开发系统，其特征在于，所述根据车辆边界条件获取车辆部件振动加速度时域数据的具体方法为：

A1、将车辆边界条件输入车辆刚柔耦合动力学模型，并使用模态分析获取柔性体的各阶截断模态矩阵u和截断模态坐标矩阵q为：

q＝[q₁(t),q₂(t),…,q_n(t)]^T

A2、根据矩阵u和矩阵q获取任意时刻t的柔性体变形矢量x(t)为：

{x(t)}＝u·q

A3、对柔性体变形矢量x(t)进行求导，得到车辆部件振动加速度时域数据；

其中，q₁(t),q₂(t),...,q_n(t)均表示截断模态坐标，T表示转置；

均表示1-n阶截断模态，其上标表示阶次，其下标表示自由度号。

4.根据权利要求2所述的铁道车辆在线监测算法开发系统，其特征在于，所述根据车辆边界条件获取车辆部件动应力时域数据的具体方法为：

B1、基于车辆刚柔耦合动力学模型，通过在接口节点处施加单位载荷，获取弹性体上接口节点处的每阶惯性释放模态

为：

B2、根据惯性释放模态

获取每阶残余向量

为：

B3、将车辆边界条件输入车辆刚柔耦合动力学模型，获取车辆部件动应力时域数据σ为：

其中，

表示第j模态应力，a_jk表示惯性释放模态和结构模态的修正系数，j＝1,2,..,n_re，n_re表示使用模态应力恢复法选择的模态数目，n_all表示所有模态数目，k_all表示残余模态数目，

表示第j阶模态坐标，

表示残余模态坐标。

5.根据权利要求2所述的铁道车辆在线监测算法开发系统，其特征在于，所述根据车辆边界条件获取轮轨力时域数据包括轮轨切向力和轮轨法向力；所述轮轨切向力采用kalker简化方法FASTSIM进行计算，轮轨法向力采用非线性Hertz弹性接触方法获取；所述轮轨法向力p(t)具体为：

其中，G表示轮轨接触常数，δ表示轮轨间的弹性压缩量。

6.根据权利要求2所述的铁道车辆在线监测算法开发系统，其特征在于，所述车辆刚柔耦合动力学模型用于识别铁道车辆柔性结构的时域数据，所述柔性结构包括柔性轮对、柔性轴箱、柔性钢簧、柔性构架、柔性车体、柔性构架和柔性附属部件。

7.根据权利要求2所述的铁道车辆在线监测算法开发系统，其特征在于，所述算法输入单元的输入算法包括动力学监测算法以及疲劳结构监测算法，所述动力学监测算法用于监测车辆稳定性、车辆平稳性以及车辆安全性；所述疲劳结构监测算法用于检测铁道车辆结构部件的寿命监测以及模态检测。

8.根据权利要求7所述的铁道车辆在线监测算法开发系统，其特征在于，所述硬件单元具体为单片机系统，所述单片机系统上设置有显示屏、算法烧录串口以及时域数据接收串口；所述显示屏用于显示算法的计算结果，所述算法烧录串口用于将算法录入单片机，所述时域数据接收串口用于实时接收时域数据。

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