軟件開(kāi)發(fā)論文發(fā)表接觸網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)處理

　　摘要：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)主流使用的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算軟件人機(jī)交互繁瑣的情況，本文研究并設(shè)計(jì)了仿真軟件的數(shù)據(jù)處理程序JClink。通過(guò)簡(jiǎn)單的人機(jī)交互過(guò)程，該程序能創(chuàng)建基于弓網(wǎng)參數(shù)的仿真模型，并自動(dòng)的創(chuàng)建仿真軟件需要的參數(shù)文件，并分析仿真計(jì)算結(jié)果，生成指導(dǎo)性的數(shù)據(jù)圖表和仿真方案報(bào)告等。

　　關(guān)鍵詞：JClink ,接觸網(wǎng),仿真

　　1. 概述

　　目前國(guó)內(nèi)主流使用的弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算軟件，可以評(píng)估接觸線和受電弓之間的接觸壓力或受電弓彈簧和滑板之間的作用力、描述受電弓的平移和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、仿真指定檢測(cè)點(diǎn)在弓網(wǎng)作用下的動(dòng)態(tài)情況以及仿真吊弦的擺動(dòng)情況等，并根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和圖表。但該軟件基于dos版的內(nèi)核，全英文版，數(shù)據(jù)腳本完全靠人工以命令行的方式錄入，易出錯(cuò)，難排查。同時(shí)沒(méi)有適合中國(guó)國(guó)情的機(jī)車受電弓模型庫(kù)。我們和上海錦申信息科技有限公司合作開(kāi)發(fā)了接觸網(wǎng)仿真數(shù)據(jù)處理軟件 JClink 系統(tǒng)。

　　1.1. 仿真軟件指令和數(shù)據(jù)分析

　　1.1.1. 輸入數(shù)據(jù)基本要求

　　在向仿真中的指令和參數(shù)文件輸入指令和數(shù)據(jù)時(shí)，輸入格式必須嚴(yán)格滿足規(guī)定的要求：

　　l 指令和數(shù)據(jù)行必須是連續(xù)的字符或空格，不能包含制表符;

　　l 各條指令的各個(gè)數(shù)據(jù)文本必須插入在指定的列范圍;

　　l 指令的編號(hào)內(nèi)容必須使用整數(shù)，數(shù)字文本不以不能包含小數(shù)點(diǎn)符號(hào)“.” ;

　　l 指令的數(shù)值內(nèi)容必須在小數(shù)位使用小數(shù)點(diǎn)符號(hào)“.”，如“10”必須輸入為“10.” 。

　　1.1.2. 弓網(wǎng)數(shù)據(jù)

　　1.1.3. 受電弓仿真參數(shù)

　　仿真中使用的每一個(gè)受電弓(對(duì)應(yīng)于弓網(wǎng)數(shù)據(jù)中PANT指令)使用一個(gè)數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)名稱的格式為PAN0_n.DAT，其中n為受電弓編號(hào)(n=1,2,3,4,5,6)。同時(shí)仿真將支持的受電弓分為2、3和5、4、6、7、8、9、10型，參數(shù)輸入內(nèi)容需要根據(jù)受電弓的類型來(lái)確定。

　　1.2. 仿真使用的難點(diǎn)

　　仿真軟件操作過(guò)程比較繁瑣。仿真軟件的輸入文件均需要手工編輯輸入，輸入文件的格式要求嚴(yán)格，人工輸入時(shí)很難保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;仿真參數(shù)中的吊弦上下線夾質(zhì)量、定位管等效質(zhì)量、定位器等效質(zhì)量等參數(shù)均需要事先計(jì)算，雖然在仿真的軟件包中包含了相關(guān)仿真參數(shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)表，但是仍然增加了手工操作的步驟。

　　2. 需求分析

　　由于仿真仿真軟件的輸入?yún)?shù)十分繁雜，同時(shí)仿真軟件的仿真計(jì)算和生成圖表是靠獨(dú)立的應(yīng)用程序來(lái)完成的，增加了操作的步驟，因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)接口程序以簡(jiǎn)化仿真的操作，提高工作效率。主要的需求如下：

　　l 能夠提供一個(gè)統(tǒng)一的程序界面，完成模型數(shù)據(jù)輸入、進(jìn)行仿真計(jì)算、生成仿真數(shù)據(jù)和圖表等工作，讓用戶在一個(gè)集成的環(huán)境中完成整個(gè)仿真內(nèi)容;

　　l 能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)仿真參數(shù)輸入接口，避免直接輸入仿真指令，而直接輸入接觸網(wǎng)和受電弓的安裝或?qū)傩詤?shù)，由程序自動(dòng)完成仿真參數(shù)的計(jì)算，并創(chuàng)建仿真輸入文件;

　　l 能夠自動(dòng)調(diào)用仿真程序，自動(dòng)進(jìn)行仿真計(jì)算，并能獲取仿真的計(jì)算結(jié)果并創(chuàng)建圖表。

　　2.1. 弓網(wǎng)仿真模型

　　根據(jù)仿真軟件的數(shù)據(jù)輸入要求，接口程序?qū)Ψ抡孢^(guò)程中需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，建立一個(gè)完整的弓網(wǎng)仿真模型。仿真軟件的輸入數(shù)據(jù)包括弓網(wǎng)數(shù)據(jù)、受電弓數(shù)據(jù)等，根據(jù)其內(nèi)容可以將仿真軟件的輸入數(shù)據(jù)分為三部分：接觸網(wǎng)模型參數(shù)、受電弓模型參數(shù)和仿真配置參數(shù)。接觸網(wǎng)模型參數(shù)主要包括仿真區(qū)段的接觸網(wǎng)線索參數(shù)、支柱布置情況、跨距內(nèi)的吊弦吊索等布置情況、支柱裝配參數(shù)等;受電弓模型參數(shù)包括仿真使用的每個(gè)受電弓的類型、位置和與參數(shù);仿真配置參數(shù)則包括仿真的基礎(chǔ)設(shè)置和需要生成的圖表的參數(shù)等，整個(gè)模型的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2.2. 仿真參數(shù)的計(jì)算

　　如前文所訴，弓網(wǎng)數(shù)據(jù)中有部分指令是需要事先計(jì)算的“等效參數(shù)”，而這些參數(shù)不能從接觸網(wǎng)的零件參數(shù)中簡(jiǎn)單獲得，而且不容易理解，因此接口程序需要實(shí)現(xiàn)輸入常規(guī)零件參數(shù)而計(jì)算成仿真計(jì)算需要的“等效參數(shù)”的功能。根據(jù)仿真軟件包的用戶手冊(cè)和提供的計(jì)算表格，需要間接計(jì)算的參數(shù)有：吊弦上下線夾質(zhì)量、定位管等效質(zhì)量、定位管等效重量和定位器等效質(zhì)量、弧度量。

　　2.2.1. 吊弦線夾質(zhì)量

　　根據(jù)仿真用戶手冊(cè)中關(guān)于HENG指令的描述：由于吊弦的質(zhì)量依賴與吊弦的長(zhǎng)度，因此吊弦的長(zhǎng)度需要在仿真計(jì)算過(guò)程中以迭代的方式修正吊弦的長(zhǎng)度。吊弦的長(zhǎng)度輸出在*.OUT文件中，因此接口程序需要從該文件中讀取吊弦參數(shù)，并修正HENG指令。HENG指令中上下線夾的質(zhì)量必須包括承力索線夾或接觸線線夾本體的質(zhì)量和吊弦線歸算至線夾上的質(zhì)量。

　　2.2.2. 等效質(zhì)量

　　定位管等效質(zhì)量、定位管等效重量以及定位器等效質(zhì)量均是由接觸網(wǎng)支柱裝配相關(guān)的幾何參數(shù)和零件的質(zhì)量或單位質(zhì)量計(jì)算。對(duì)于無(wú)定位安裝和無(wú)定位管吊弦安裝的支柱，通常只考慮定位器等效質(zhì)量，而對(duì)于彈性鏈形懸掛中使用定位管吊弦的支柱裝配方式，則還要考慮定位管的等效質(zhì)量和等效重量。計(jì)算這些等效質(zhì)量的幾何參數(shù)和零件質(zhì)量包括：定位管根部至定位管吊線的距離、定位管根部至定位底座的距離、定位管全長(zhǎng)、定位管單位長(zhǎng)度質(zhì)量、定位管吊線長(zhǎng)度、定位管吊弦單位長(zhǎng)度質(zhì)量、定位器長(zhǎng)度、定位器單位長(zhǎng)度質(zhì)量、定位線夾質(zhì)量、吊弦鉤質(zhì)量、定位底座質(zhì)量、定位鉤質(zhì)量等。

　　2.2.3. 弧度量

　　在圓曲線上，仿真中的弧度量可以通過(guò)相鄰的跨距長(zhǎng)度和曲線半徑來(lái)計(jì)算，而在緩和曲線上的支柱，則需要相鄰三根支柱每?jī)筛е木嚯x計(jì)算。

　　2.2.4. 集中質(zhì)量

　　在仿真中有兩種情況下需要使用集中質(zhì)量參數(shù)。

　　(1)接觸線和承力索上安裝的線夾引起的線索某點(diǎn)的質(zhì)量突然增大，在仿真中需要在該處添加一個(gè)集中質(zhì)量參數(shù)。

　　l 中心錨結(jié)線夾

　　中心錨結(jié)處的跨距，由于安裝了中心錨結(jié)線夾，在輸入該跨距參數(shù)時(shí)需要考慮線夾的質(zhì)量。在接口程序中可以通過(guò)指定接觸線中心錨結(jié)線夾和承力索中心錨結(jié)線夾的質(zhì)量，以及兩線夾的相對(duì)位置來(lái)生成該跨的集中質(zhì)量參數(shù)。

　　l 電連接線夾

　　由于接觸懸掛的個(gè)別跨距還需要安裝橫向電連接和錨段關(guān)節(jié)電連接，此處也需要考慮集中質(zhì)量。在接口程序中，可以通過(guò)指定電連接線夾的質(zhì)量，及安裝位置來(lái)確定集中質(zhì)量參數(shù)的內(nèi)容。

　　l 終端錨固

　　在錨段的始末跨距，需要安裝終端錨固線夾以及絕緣子，因此也要使用集中質(zhì)量參數(shù)，處理方式與電連接線夾的相同。

　　跨距中的線夾處理流程如下：

　　(2)在錨段關(guān)節(jié)處，同一跨距的兩組懸掛中，吊弦的布置情況或線夾的安裝情況不同，由于仿真在定義錨段關(guān)節(jié)的跨距時(shí)要求同一跨距的兩組懸掛在同一安裝位置處必須有吊弦-吊弦或吊弦-集中質(zhì)量對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果不滿足該關(guān)系，則需要添加一個(gè)較小的不影響接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的輔助點(diǎn)，即集中質(zhì)量參數(shù)。

　　錨段關(guān)節(jié)處使用集中質(zhì)量進(jìn)行對(duì)齊的處理流程如下：

　　3. 仿真數(shù)據(jù)處理程序組成

　　仿真數(shù)據(jù)處理程序主要實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)模型參數(shù)輸入數(shù)據(jù)、仿真計(jì)算接口和仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理。弓網(wǎng)模型參數(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)易用的輸入數(shù)據(jù)處理，讓用戶能以更貼近于常規(guī)接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)工作的方式來(lái)創(chuàng)建仿真模型，通過(guò)輸入接觸網(wǎng)的常規(guī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，由接口程序來(lái)完成仿真指令和參數(shù)文件的創(chuàng)建;仿真計(jì)算接口自動(dòng)調(diào)用仿真程序完成仿真計(jì)算，捕獲計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的警告、錯(cuò)誤等信息;仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理主要能根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行分析并以數(shù)據(jù)和圖表的形式展現(xiàn)，結(jié)構(gòu)如下圖所示。

　　3.1. 弓網(wǎng)模型參數(shù)輸入數(shù)據(jù)

　　弓網(wǎng)模型參數(shù)輸入數(shù)據(jù)是整個(gè)數(shù)據(jù)處理程序的核心，實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)仿真模型的創(chuàng)建和編輯功能。通過(guò)模型數(shù)據(jù)輸入，用戶無(wú)需直接創(chuàng)建仿真輸入?yún)?shù)文件，而以更直觀的方式編輯仿真需要的懸掛線索、支柱布置、跨距布置、受電弓等參數(shù)。創(chuàng)建和編輯的模型數(shù)據(jù)的主要步驟如下：

　　1) 設(shè)置仿真模型使用的零件和線索參數(shù)，如接觸線的單位長(zhǎng)度質(zhì)量、張力，吊弦線夾的質(zhì)量等;

　　2) 布置支柱和劃分錨段;

　　3) 編輯支柱屬性參數(shù)，如定位管件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、線索的安裝高度和拉出值等;

　　4) 編輯各跨距的吊弦布置，添加因中心錨結(jié)或附加線夾等引起的集中質(zhì)量參數(shù);

　　5) 編輯各受電弓的初始位置、類型和性能和結(jié)構(gòu)參數(shù);

　　6) 仿真基本設(shè)置，如列車的行駛速度;

　　7) 設(shè)置需要生成的圖表的配置參數(shù)。

　　3.2. 仿真計(jì)算接口

　　3.2.1. 仿真計(jì)算接口根據(jù)仿真模型的數(shù)據(jù)生成仿真輸入指令參數(shù)并創(chuàng)建包含弓網(wǎng)數(shù)據(jù)、受電弓仿真參數(shù)等的數(shù)據(jù)文件，然后調(diào)用仿真仿真程序完成仿真計(jì)算。整個(gè)仿真文件的創(chuàng)建過(guò)程均不需要用戶進(jìn)行控制，程序能根據(jù)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到仿真指令需要的仿真參數(shù)，同時(shí)能自動(dòng)格式化輸入?yún)?shù)文件以符合仿真的輸入要求。完成仿真計(jì)算后，仿真計(jì)算接口能輸出仿真計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的提示或錯(cuò)誤信息反饋給用戶。

　　3.3. 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理和展示

　　對(duì)仿真軟件輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)以表格和圖形的形式體現(xiàn)。輸出仿真接觸壓力統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)接觸壓力統(tǒng)計(jì)、離線統(tǒng)計(jì)、吊弦數(shù)據(jù)、定位器數(shù)據(jù)、懸掛布置圖、接觸壓力曲線和受電弓抬升曲線等信息。

　　4. 接口程序的實(shí)現(xiàn)

　　以Visual Studio 2010為平臺(tái)，使用C#語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理程序。接口程序的操作采用下拉菜單和對(duì)話框的模式進(jìn)行人機(jī)交互。

　　4.1. 主要界面介紹

　　接口程序的主界面如圖所示。該界面包括三部分，首先最上面是程序的主菜單，可以進(jìn)行項(xiàng)目管理、仿真計(jì)算、程序設(shè)置、獲取幫助信息等操作;然后左側(cè)是一個(gè)樹(shù)狀目錄，可以顯示當(dāng)前打開(kāi)的仿真項(xiàng)目的內(nèi)容，如接觸網(wǎng)模型的相關(guān)參數(shù)、仿真計(jì)算的圖表信息;界面的右側(cè)則是用來(lái)顯示左側(cè)樹(shù)狀目錄選擇的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容。

　　接觸網(wǎng)仿真模型輸入的主界面如圖所示。界面的頂部是主菜單，通過(guò)菜單可以進(jìn)行模型編輯的操作;界面主要的部分顯示了當(dāng)前仿真模型的示意圖，包括懸掛的布置示意圖和拉出值布置示意圖。

　　4.1.1. 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)處理

　　仿真數(shù)據(jù)處理程序?qū)Ψ抡娼Y(jié)果自動(dòng)進(jìn)行分析，處理，統(tǒng)計(jì)。在查看統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)界面可以查看仿真接觸壓力統(tǒng)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)接觸壓力統(tǒng)計(jì)和離線統(tǒng)計(jì)等各類仿真統(tǒng)計(jì)信息。在查看吊弦數(shù)據(jù)界面查看仿真范圍的包含錨段編號(hào)，上下線架高度，吊弦長(zhǎng)度，張力等吊弦計(jì)算數(shù)據(jù)。在查看定位器數(shù)據(jù)界面可以查看支柱位置、定位器質(zhì)量，張力等信息?？梢宰杂山M合的選擇懸掛布置圖、接觸壓力曲線和受電弓抬升曲線進(jìn)行對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析、比較。通過(guò)仿真數(shù)據(jù)處理程序可以直接生成仿真報(bào)告。

　　5. 總結(jié)

　　仿真數(shù)據(jù)處理程序的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，根據(jù)仿真輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)容創(chuàng)建了弓網(wǎng)仿真模型，用弓網(wǎng)的安裝和屬性參數(shù)代替仿真輸入指令和參數(shù)，使仿真參數(shù)的輸入更容易理解，降低了仿真工作的難度，同時(shí)能自動(dòng)創(chuàng)建符合要求的輸入?yún)?shù)文件，極大的簡(jiǎn)化了仿真軟件的操作步驟，提高了仿真的易用性，并對(duì)仿真數(shù)據(jù)的分析可以為設(shè)計(jì)方案的選擇提供參考。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. Kissling.電氣化鐵道接觸網(wǎng).北京：中國(guó)鐵道出版社，2004;

　　2. 王寧,單圣熊.受電弓與接觸網(wǎng)間接觸壓力的分析.北京：電氣化鐵道;2000年02期

　　3. 于萬(wàn)聚. 高速電氣化鐵路接觸網(wǎng). 成都：西南交通大學(xué)出版社，2003;

　　4. 梅桂明. 受電弓—接觸網(wǎng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究.成都：西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文;2011年