软件开发论文发表接触网仿真数据处理

　　摘要：针对目前国内主流使用的弓网动态仿真计算软件人机交互繁琐的情况，本文研究并设计了仿真软件的数据处理程序JClink。通过简单的人机交互过程，该程序能创建基于弓网参数的仿真模型，并自动的创建仿真软件需要的参数文件，并分析仿真计算结果，生成指导性的数据图表和仿真方案报告等。

　　关键词：JClink ,接触网,仿真

　　1. 概述

　　目前国内主流使用的弓网动态仿真计算软件，可以评估接触线和受电弓之间的接触压力或受电弓弹簧和滑板之间的作用力、描述受电弓的平移和旋转运动、仿真指定检测点在弓网作用下的动态情况以及仿真吊弦的摆动情况等，并根据仿真计算结果生成统计数据和图表。但该软件基于dos版的内核，全英文版，数据脚本完全靠人工以命令行的方式录入，易出错，难排查。同时没有适合中国国情的机车受电弓模型库。我们和上海锦申信息科技有限公司合作开发了接触网仿真数据处理软件 JClink 系统。

　　1.1. 仿真软件指令和数据分析

　　1.1.1. 输入数据基本要求

　　在向仿真中的指令和参数文件输入指令和数据时，输入格式必须严格满足规定的要求：

　　l 指令和数据行必须是连续的字符或空格，不能包含制表符;

　　l 各条指令的各个数据文本必须插入在指定的列范围;

　　l 指令的编号内容必须使用整数，数字文本不以不能包含小数点符号“.” ;

　　l 指令的数值内容必须在小数位使用小数点符号“.”，如“10”必须输入为“10.” 。

　　1.1.2. 弓网数据

　　1.1.3. 受电弓仿真参数

　　仿真中使用的每一个受电弓(对应于弓网数据中PANT指令)使用一个数据文件，数据名称的格式为PAN0_n.DAT，其中n为受电弓编号(n=1,2,3,4,5,6)。同时仿真将支持的受电弓分为2、3和5、4、6、7、8、9、10型，参数输入内容需要根据受电弓的类型来确定。

　　1.2. 仿真使用的难点

　　仿真软件操作过程比较繁琐。仿真软件的输入文件均需要手工编辑输入，输入文件的格式要求严格，人工输入时很难保证数据的准确性;仿真参数中的吊弦上下线夹质量、定位管等效质量、定位器等效质量等参数均需要事先计算，虽然在仿真的软件包中包含了相关仿真参数的计算数据表，但是仍然增加了手工操作的步骤。

　　2. 需求分析

　　由于仿真仿真软件的输入参数十分繁杂，同时仿真软件的仿真计算和生成图表是靠独立的应用程序来完成的，增加了操作的步骤，因此，需要设计一个接口程序以简化仿真的操作，提高工作效率。主要的需求如下：

　　l 能够提供一个统一的程序界面，完成模型数据输入、进行仿真计算、生成仿真数据和图表等工作，让用户在一个集成的环境中完成整个仿真内容;

　　l 能够实现一个仿真参数输入接口，避免直接输入仿真指令，而直接输入接触网和受电弓的安装或属性参数，由程序自动完成仿真参数的计算，并创建仿真输入文件;

　　l 能够自动调用仿真程序，自动进行仿真计算，并能获取仿真的计算结果并创建图表。

　　2.1. 弓网仿真模型

　　根据仿真软件的数据输入要求，接口程序对仿真过程中需要的数据进行整合，建立一个完整的弓网仿真模型。仿真软件的输入数据包括弓网数据、受电弓数据等，根据其内容可以将仿真软件的输入数据分为三部分：接触网模型参数、受电弓模型参数和仿真配置参数。接触网模型参数主要包括仿真区段的接触网线索参数、支柱布置情况、跨距内的吊弦吊索等布置情况、支柱装配参数等;受电弓模型参数包括仿真使用的每个受电弓的类型、位置和与参数;仿真配置参数则包括仿真的基础设置和需要生成的图表的参数等，整个模型的结构如图3所示。

　　2.2. 仿真参数的计算

　　如前文所诉，弓网数据中有部分指令是需要事先计算的“等效参数”，而这些参数不能从接触网的零件参数中简单获得，而且不容易理解，因此接口程序需要实现输入常规零件参数而计算成仿真计算需要的“等效参数”的功能。根据仿真软件包的用户手册和提供的计算表格，需要间接计算的参数有：吊弦上下线夹质量、定位管等效质量、定位管等效重量和定位器等效质量、弧度量。

　　2.2.1. 吊弦线夹质量

　　根据仿真用户手册中关于HENG指令的描述：由于吊弦的质量依赖与吊弦的长度，因此吊弦的长度需要在仿真计算过程中以迭代的方式修正吊弦的长度。吊弦的长度输出在*.OUT文件中，因此接口程序需要从该文件中读取吊弦参数，并修正HENG指令。HENG指令中上下线夹的质量必须包括承力索线夹或接触线线夹本体的质量和吊弦线归算至线夹上的质量。

　　2.2.2. 等效质量

　　定位管等效质量、定位管等效重量以及定位器等效质量均是由接触网支柱装配相关的几何参数和零件的质量或单位质量计算。对于无定位安装和无定位管吊弦安装的支柱，通常只考虑定位器等效质量，而对于弹性链形悬挂中使用定位管吊弦的支柱装配方式，则还要考虑定位管的等效质量和等效重量。计算这些等效质量的几何参数和零件质量包括：定位管根部至定位管吊线的距离、定位管根部至定位底座的距离、定位管全长、定位管单位长度质量、定位管吊线长度、定位管吊弦单位长度质量、定位器长度、定位器单位长度质量、定位线夹质量、吊弦钩质量、定位底座质量、定位钩质量等。

　　2.2.3. 弧度量

　　在圆曲线上，仿真中的弧度量可以通过相邻的跨距长度和曲线半径来计算，而在缓和曲线上的支柱，则需要相邻三根支柱每两根支柱的距离计算。

　　2.2.4. 集中质量

　　在仿真中有两种情况下需要使用集中质量参数。

　　(1)接触线和承力索上安装的线夹引起的线索某点的质量突然增大，在仿真中需要在该处添加一个集中质量参数。

　　l 中心锚结线夹

　　中心锚结处的跨距，由于安装了中心锚结线夹，在输入该跨距参数时需要考虑线夹的质量。在接口程序中可以通过指定接触线中心锚结线夹和承力索中心锚结线夹的质量，以及两线夹的相对位置来生成该跨的集中质量参数。

　　l 电连接线夹

　　由于接触悬挂的个别跨距还需要安装横向电连接和锚段关节电连接，此处也需要考虑集中质量。在接口程序中，可以通过指定电连接线夹的质量，及安装位置来确定集中质量参数的内容。

　　l 终端锚固

　　在锚段的始末跨距，需要安装终端锚固线夹以及绝缘子，因此也要使用集中质量参数，处理方式与电连接线夹的相同。

　　跨距中的线夹处理流程如下：

　　(2)在锚段关节处，同一跨距的两组悬挂中，吊弦的布置情况或线夹的安装情况不同，由于仿真在定义锚段关节的跨距时要求同一跨距的两组悬挂在同一安装位置处必须有吊弦-吊弦或吊弦-集中质量对应关系，如果不满足该关系，则需要添加一个较小的不影响接触网动态特性的辅助点，即集中质量参数。

　　锚段关节处使用集中质量进行对齐的处理流程如下：

　　3. 仿真数据处理程序组成

　　仿真数据处理程序主要实现弓网模型参数输入数据、仿真计算接口和仿真结果数据处理。弓网模型参数实现一个易用的输入数据处理，让用户能以更贴近于常规接触网设计工作的方式来创建仿真模型，通过输入接触网的常规结构参数，由接口程序来完成仿真指令和参数文件的创建;仿真计算接口自动调用仿真程序完成仿真计算，捕获计算过程中产生的警告、错误等信息;仿真结果数据处理主要能根据仿真结果进行分析并以数据和图表的形式展现，结构如下图所示。

　　3.1. 弓网模型参数输入数据

　　弓网模型参数输入数据是整个数据处理程序的核心，实现弓网仿真模型的创建和编辑功能。通过模型数据输入，用户无需直接创建仿真输入参数文件，而以更直观的方式编辑仿真需要的悬挂线索、支柱布置、跨距布置、受电弓等参数。创建和编辑的模型数据的主要步骤如下：

　　1) 设置仿真模型使用的零件和线索参数，如接触线的单位长度质量、张力，吊弦线夹的质量等;

　　2) 布置支柱和划分锚段;

　　3) 编辑支柱属性参数，如定位管件的结构参数、线索的安装高度和拉出值等;

　　4) 编辑各跨距的吊弦布置，添加因中心锚结或附加线夹等引起的集中质量参数;

　　5) 编辑各受电弓的初始位置、类型和性能和结构参数;

　　6) 仿真基本设置，如列车的行驶速度;

　　7) 设置需要生成的图表的配置参数。

　　3.2. 仿真计算接口

　　3.2.1. 仿真计算接口根据仿真模型的数据生成仿真输入指令参数并创建包含弓网数据、受电弓仿真参数等的数据文件，然后调用仿真仿真程序完成仿真计算。整个仿真文件的创建过程均不需要用户进行控制，程序能根据模型数据进行计算，得到仿真指令需要的仿真参数，同时能自动格式化输入参数文件以符合仿真的输入要求。完成仿真计算后，仿真计算接口能输出仿真计算过程中产生的提示或错误信息反馈给用户。

　　3.3. 仿真结果数据处理和展示

　　对仿真软件输出数据进行分析，统计以表格和图形的形式体现。输出仿真接触压力统计、标准接触压力统计、离线统计、吊弦数据、定位器数据、悬挂布置图、接触压力曲线和受电弓抬升曲线等信息。

　　4. 接口程序的实现

　　以Visual Studio 2010为平台，使用C#语言实现了数据处理程序。接口程序的操作采用下拉菜单和对话框的模式进行人机交互。

　　4.1. 主要界面介绍

　　接口程序的主界面如图所示。该界面包括三部分，首先最上面是程序的主菜单，可以进行项目管理、仿真计算、程序设置、获取帮助信息等操作;然后左侧是一个树状目录，可以显示当前打开的仿真项目的内容，如接触网模型的相关参数、仿真计算的图表信息;界面的右侧则是用来显示左侧树状目录选择的节点对应的内容。

　　接触网仿真模型输入的主界面如图所示。界面的顶部是主菜单，通过菜单可以进行模型编辑的操作;界面主要的部分显示了当前仿真模型的示意图，包括悬挂的布置示意图和拉出值布置示意图。

　　4.1.1. 仿真结果数据处理

　　仿真数据处理程序对仿真结果自动进行分析，处理，统计。在查看统计数据界面可以查看仿真接触压力统计、标准接触压力统计和离线统计等各类仿真统计信息。在查看吊弦数据界面查看仿真范围的包含锚段编号，上下线架高度，吊弦长度，张力等吊弦计算数据。在查看定位器数据界面可以查看支柱位置、定位器质量，张力等信息。可以自由组合的选择悬挂布置图、接触压力曲线和受电弓抬升曲线进行对仿真数据的分析、比较。通过仿真数据处理程序可以直接生成仿真报告。

　　5. 总结

　　仿真数据处理程序的设计和实现，根据仿真输入数据的内容创建了弓网仿真模型，用弓网的安装和属性参数代替仿真输入指令和参数，使仿真参数的输入更容易理解，降低了仿真工作的难度，同时能自动创建符合要求的输入参数文件，极大的简化了仿真软件的操作步骤，提高了仿真的易用性，并对仿真数据的分析可以为设计方案的选择提供参考。

　　参考文献：

　　1. Kissling.电气化铁道接触网.北京：中国铁道出版社，2004;

　　2. 王宁,单圣熊.受电弓与接触网间接触压力的分析.北京：电气化铁道;2000年02期

　　3. 于万聚. 高速电气化铁路接触网. 成都：西南交通大学出版社，2003;

　　4. 梅桂明. 受电弓—接触网系统动力学研究.成都：西南交通大学博士学位论文;2011年