動車組車輛電氣計算系統研究

杜遷 李志宏 吳兵

摘要：基于行業供給側改革的發展態勢下，我國的綜合國力和經濟實力取得顯著提升，同時推進了動車組領域的發展。高速動車組的電氣系統作為關鍵技術之一，關乎著動車組運行的可靠性與穩定性。然而傳統高速動車組電氣平臺的設計理念與目前的需求存在矛盾，應當優化與升級動車組的電氣平臺設計。鑒于此，本文依據動車組車輛電氣計算系統作為入手點，概述了傳統動車組電氣開發存在的設計弊端，并闡述了動車電氣計算系統的設計與研究。

關鍵詞：動車組;電氣計算系統;設計;功能;研究

現階段，動車組在高鐵系統作為核心裝備，其電氣系統的開發與設計顯得格外重要。電氣系統的設計主要目的在于為乘客提供更加舒適的乘坐體驗。現如今，傳統的電氣開發模式已經無法適應時代的要求，因此，在動車組電氣開發的設計理念上，可以將系統級作為設計基礎，繼而建立全新的電氣計算系統。新的電氣計算系統既能夠解決傳統電氣系統時常發生的如效率低、仿真精準度低、安全系數低等問題，又能夠較大程度的節約設計維護成本。

一、概述新舊電氣系統平臺設計的缺陷與優勢

（一）傳統電氣系統平臺設計的缺陷

動車組的傳統電氣開發系統，在設計上存在以下幾點缺陷：一是，系統平臺設計效率較低;二是，在電氣系統平臺上運行仿真數據與真實運行數據存在較大偏差，致使仿真數據的精準度較低;三是，在電氣系統平臺上數據代碼需要人工的方式進行編寫和后期校對，既耗費人力資源又導致安全系數較低;四是，只有等到系統完成之后，才能夠對控制算法進行驗證工作。一旦在后續的控制算法驗證工作中出現問題，則需要重新開始系統的設計。除此之外，傳統電氣系統的測試方法存在片面性，或多或少地存在隱性問題。久而久之，勢必會對動車組運行造成威脅[1]。

（二）新型電氣系統平臺設計的優勢

動車組的新型電氣開發系統，在設計上有以下幾點優勢：一是，預見性。在電氣開發系統的任何設計編程過程中，一旦發現相應的問題，都能夠及時作出修改，同時判斷與預定的需求是否符合，避免產生設計層次上的風險;二是，合理優化系統組件在質量控制以及成本節約上的作用;三是，全自動生成代碼，避免手工代碼的輸入而引起的錯誤，進一步提高了代碼的安全性和執行性。

二、闡述動車組電氣計算系統平臺的構建環節

（一）控制系統模型的設計平臺

全新的動車組車輛電氣計算系統設計平臺，在方案設計完成之后，不需要相應人員編程或代碼進行硬件集成工作，而是僅依靠輔助工具的幫助下，既可將控制方案圖轉換為相應的代碼程序并加載到硬件平臺，將方案設計以原型的方式快速展現。隨后，可以借助多種測試方式對預先控制方案的效果作出真實模擬，以得到最佳的控制方案。要想對模型作出幾點修改工作，僅在硬件平臺上即可操作，而且修改后的模型形成也不會耗費較長時間[2]。

（二）定制式實時嵌入式操作系統

對于動車組車輛電氣系統的開發與設計階段，為了更加滿足應用環境的需求，應當定制化操作系統。本文動車組電氣計算系統，采用微內核的實時嵌入式操作系統，優勢在于實時處理多任務。

（三）圖形化建模設計平臺

采用圖形化建模設計平臺，可優化控制算法的體現方式。其中設計平臺內部涵蓋模塊庫，極大程度的方便了圖形化建模和動態系統的搭建。

（四）代碼自動生成設計平臺

控制方案代碼自動生成設計平臺涵蓋通信功能、操作系統、啟動與加載、算法控制等多個環節，繼而加載到硬件平臺上，完成相應的控制方案檢測。

（五）網絡仿真建模平臺的設計

一方面，網絡仿真與建模平臺可以構建仿真節點和通訊功能，并判斷前期通訊功能設計的合理性與科學性;另一方面，實時模擬各個設計節點的控制指令以及通信功能，為接下來的設計與仿真創設良好的條件[3]。

（六）軟件與硬件仿真平臺的設計

在控制方案圖加載到硬件平臺后形成產品初樣，之后需要對產品初樣作好全面測試工作，以保證產品初樣和預先指標設計要求相一致。在產品初樣檢測時，通常來講，雖然無法用實際對象作為測試依據，存在環境條件和代價方面較大的劣勢，但是可以采用輔助工具完成測試工作。例如，借助半實物仿真系統能夠測試在不同情況下的使用情況。

（七）平臺標定，在線測量與調整

對于設計表格和特征曲線或者是特征值，可以用在線或離線的方式進行優化調整。當對動車組車輛環境和百度車載專用計算平臺作出信號的采集工作時，能夠優化相應的參數。除此之外，在標定平臺和在線測量工作之外，還擁有百度車載專用計算平臺的管理項目，以及數據分析和標定配置等作用。

三、分析動車組車輛電氣計算系統的設計與功能

（一）動車組電氣計算系統的設計分析

設計階段，參考國際先進的V設計模型，在專業性的功能驗證和理論性驗證的前提下，保證設計產品的每一個環節均與預期保持一致。同時根據現代計算機基本理念，用圖形化仿真模型搭建動車組電氣計算系統，按照Similink體系下，設計程序編程，以此保證系統模型的設計代碼與系統的功能相符。電氣計算系統與動車組的控制系統相關聯，涵蓋了軟件設計、算法控制以及模擬數據變化的全過程，且以可視化的形式展現。另外，采用與國際接軌的V型設計方式，為動車控制系統的調試與優化提供良好的環境。還需要注意一點，電氣計算平臺的牽引系統，綜合考慮可能存在的因素，繼而制定針對性的仿真實驗與測試[4]。

（二）動車組電氣計算系統的功能分析

功能一，采用圖形化模擬仿真技術，既可以利用離線仿真建立系統控制模型，又能夠結合嵌入式軟件設計完成功能的精密驗證與檢測;功能二，采用控制方案圖原型的設計方式，可以直接生成實時仿真代碼，并在控制方案確定前，對最終方案展開進一步測試，保證了測試環境的實時性;功能三，采用針對性的標定與測量工具，進行百度車載專用計算平臺的標定，同時在分析與測試工具的支撐下，快速完成數字化測試工作。因此，電氣模擬仿真設計平臺，為動車組控制系統軟件的可控性提供了依據。

總結：綜上所述，動車組車輛電氣計算系統的設計與研究，既可以全方位驗證仿真模型的可靠性與精準度，又能夠保證產品自始至終均保持與預期的樣品一致。動車組電氣計算系統的系統化、參數化、模型化設計原則，均體現在電氣系統的功能控制環節中，最終為乘客提供高度的舒適感與更快的速度。

參考文獻：

[1]劉群欣，霍芳.CRH_2型動車組控制系統冗余安全設計[J].機車電傳動，2019（3）.

[2]謝興龍.動車組輔助電氣系統的分析與比較[J].信息周刊，2019（2）：0117-0117.

[3]呂希奎，楊峰，王奇勝.高速鐵路牽引計算與仿真系統研究[J].鐵道標準設計，2019（4）：9-16.

[4]矯健.動車組檢修成本管理系統研究[J].鐵路計算機應用，2019（9）.