基于云仿真的铁道车辆动力学仿真系统开发.pdf

147第4 0 卷第6 期2023年6 月机真仿算文章编号：10 0 6-9 34 8（2 0 2 3)0 6-0 14 7-0 5基于云仿真的铁道车辆动力学仿真系统开发蒋涛唐兆，张涛，凌亮（西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都6 10 0 31）摘要：针对桌面端铁道车辆动力学仿真软件在计算资源利用效率、多任务并行等方面存在的不足，基于云仿真理论和模型，提出以网络为基础的铁道车辆动力学云仿真系统框架并开发相应的原型系统。上述系统将算法求解器抽象为服务接口，通过Web技术提供跨平台能力，将WebCL谊染与云染技术应用到模型查看和结果可视化。以某型号动车组列车动力学仿真过程验证该系统，结果表明，上述系统能够提供传统桌面端仿真软件的大部分功能，在实时的结果谊染、可扩展性、多人协作效率和硬件计算资源利用效率等方面具有明显优势，系统框架对其它行业仿真软件向云仿真迁移具有一定的借鉴意义。关键词：车辆系统动力学仿真；云仿真；系统开发；云谊染中图分类号：TP391.9文献标识码：BDevelopment of Railway Vehicle Dynamics SimulationSystem Based on Cloud SimulationJIANG Tao,TANG Zhao,ZHANG Tao,LING Liang(State Key Laboratory of Traction Power,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China)ABSTRACT:To make up for the deficiencies of the desktop railway vehicle dynamics simulation software in terms ofcomputing resource utilization efficiency and multi-task parallelism,a network-based railway vehicle dynamics cloudsimulation system framework is proposed based on the cloud simulation theory and mode,and a corresponding proto-type system is developed.The system abstracts the algorithm solver as a service interface,provides cross-platform ca-pabilities through Web technology,and applies WebGL rendering and cloud rendering technologies to model viewingand result visualization,The system was verified by the train dynamics simulation process of a certain type of EMU,and the results show that:the system can provide most of the functions of the traditional desktop simulation software,and has obvious advantages in real-time result rendering,scalability,multi-person collaboration efficiency,and hard-ware computing resource utilization efficiency;the system framework has certain reference significance to themigration from simulation software to cloud simulation in other industries.KEYWORDS:Vehicle system dynamics simulation;Cloud simulation;System development;Cloud rendering1引言目前在我国铁道车辆仿真和建模领域广泛使用的多体动力学仿真软件主要包括德国的Simpack、俄罗斯的UniversalMechanism、美国的Adams、英国的Vampire等。这些商业软件往往采用闭源策略或者仅提供有限的扩展能力，难以针对特定问题进行定制化的算法集成。此外，在当前的国际形势下，潜在的许可证问题进一步突出，自主可控的铁道车辆动力学软件开发势在必行。基金项目：国家重点研发计划项目（2 0 2 0 YFB1711402,2019YFB1405401）收稿日期：2 0 2 1-12-2 8修回日期：2 0 2 2-0 1-0 6国内的一些研究机构一直在致力于开发自主可控的，或者针对特定研究方向的多体动力学仿真软件。如西南交通大学针对车辆-轨道的耦合作用先后开发了仿真软件VICT1和TTISIM2,针对磨耗型踏面的轮轨接触关系开发了软件TPLWRSim3。大连交通大学为了研究列车的空气制动及纵向动力学开发了集成仿真软件 4 。这些软件往往把开发的重心放在算法求解上，在前后处理上只实现基础的功能；在架构上也会选择最为简单的单体架构，即将算法和数据模型的前后处理耦合在一起。这种on-the-fly的开发模式虽然具有较高的灵活性和可控性，但是任何代码的变动都需要重新编译整个程序，开发效率低，代码重用度不高 5因此，这些仿真软件虽然具有商业推广的价值，但是由于用148户交互体验不佳，功能单一，通常只在机构内部使用。近年来，随着互联网技术的快速发展，越来越多的计算服务被迁移到云端，再借助Web技术辐射到多种终端平台，“云计算 成为信息领域研究的热点 6 。本文在分析云仿真 7 的概念和应用现状的基础上，提出将云仿真应用到铁道车辆系统动力学仿真中，首先介绍了系统的总体架构设计，接着描述了应用中的实际问题与关键技术实现，最后以某动车组的动力学仿真为例，阐释了系统的操作逻辑和数据流向，验证了可行性。2云仿真的概念及应用现状云仿真是一种构建于网络之上，通过云计算平台，按照用户需求组织网上仿真资源并为用户提供各类仿真服务的一种新的仿真方法，由李伯虎院士于2 0 0 9 年首次提出并给出典型应用示范系统 7 。云仿真向上可以追溯到以实现模型互联为主要目标的分布交互式仿真 8 和以仿真资源共享来完成仿真的基于Web的仿真 9,10 ,并最终形成以实现通过网络随时随地无障碍地获取所需建模仿真服务为目标的云仿真 目前，云仿真在国内外催生了大量的仿真应用实例。2015年，Ansys推出AnsysCloud云仿真服务，充分证明了云仿真的可行性，也体现了巨大的应用前景。Shekhar12提出为资源有限的个人或组织提供分布式计算密集型仿真服务的云仿真平台SiMaaS。周利敏 13 基于虚拟化技术提出一种实现了高可用的云仿真平台框架。何越 14 充分利用云计算平台弹性资源调度、运维敏捷的优点搭建了TMSR云仿真平台，并应用到核能仿真系统中，解决了原有系统资源利用率低,部署和扩展困难的问题。曾佑伟 15 将原本只支持CS架构的SiROS仿真软件迁移到云平台，在保证结果准确可靠的前提下，支持了多用户并行仿真等功能。在铁道车辆动力学仿真领域，几乎没有应用云仿真的案例，研究人员常用的仿真工具仍然以商业多体动力学软件和自主研发的动力学软件为主。一方面商业软件核心算法不开放，许可证问题严峻，另一方面自主研发的软件扩展性不强，用户交互体验不佳，难以推广使用。基于此，本文提出利用云仿真的优势降低模型等仿真资源的管理维护成本，规范和模块化仿真的前后处理流程，为自主可控的求解算法研究提供便利的应用和推广环境。3系统架构一个完整的仿真流程总体上可以分为前处理，求解计算和后处理三个步骤。根据研究目的的不同，用户首先通过GUI界面建立相应的仿真模型，具体包括研究对象的物理参数输人，研究对象之间约束条件的建立，以及必要的模型交互和编辑；接着，软件内部将用户的参数输人以及必要的求解器设置参数整合成配置文件的形式，传输给核心的求解器进行计算；最终,求解器输出结果文件，再由相应的后处理程序对结果进行可视化展示。以此为理论基础，本系统采用“纵向分层，横向切面”的总体策略，建立了如图1所示的系统架构。计算层：从求解器中抽象出参数解析，数据校验，求解计算和结果输出四个接口，为实现接口的任何求解算法提供快速集成与无缝升级能力；建立求解器实例池，以负载均衡网络统一调度求解实例；通过结果输出接口的数据源向数据平面提供实时计算数据逻辑层：整合资源平面的各类资源为应用层提供多种仿真资源的管理服务；调用计算层的相应接口为应用层提供逻辑独立的计算服务；处理应用层及计算层的数据，向资源平面持久化存储；监听数据平面的结果数据为整个系统提供状态监控功能；统合各层之间的网络通信数据，为整个系统提供登录授权，日志记录等安全服务。应用层：注人逻辑层的安全机制，为管理人员提供用户管理等服务；监听交互层的交互事件，聚合逻辑层的操作逻辑，从前后处理两个维度提供服务；监听数据平面的结果数据，驱动场景染，提供可视化服务。交互层：构建良好的用户交互体验，建立用户与逻辑层之间的连接。移动终端整合前处理能力，满足用户随时随地访问仿真资源，发起计算请求的需求；数据大屏整合后处理能力，提供功能强大的场景煊染，结果可视化服务；桌面终端整合前后处理服务，为用户提供全面的仿真服务。4关键技术4.1资源复用共享问题与基于元数据的仿真资源组合技术文件版本兼容性，跨设备、跨用户的仿真项目共享，跨项目的模型复用是使用桌面端仿真软件的痛点，基于元数据的仿真资源组合技术能够有效解决以上痛点，是随时随地无障碍地访问仿真项目以及快速高效地共享仿真项目的关键技术,其核心是中心化的数据存储以及基于元数据的资源标识。中心化的资源存储以数据库为主要的参数资源存储，以文件系统为主要的模型资源存储，将项目数据上云，由逻辑层提供统一的管理接口，响应多用户、多设备终端的资源请求，有效解决了文件版本兼容性，跨设备、跨用户的仿真项目共享问题。基于元数据的资源标识为所有项目参数资源及模型资源建立一组唯一的资源标识符或元数据标签，在交互层以元数据为参数向逻辑层请求具体的数据，并将页面元素与相应的资源数据绑定，用户对页面元素的改动等价于在资源平面中对相应资源的改动，有效解决了跨项目的模型复用问题，同时大大降低了首次请求仿真项目时的资源请求量。4.2求解器耦合问题与可插拔技术求解器是一个仿真软件的核心，也是软件逻辑中相对独立的存在,其“输人一一求解一输出”的简单逻辑决定了求一解器良好的复用性和可替换性。然而，在现有的仿真软件149用户群研究人员管理人员决策人员交互层资源平面数据平面移动终端桌面终端数据大屏管理侧用户资源应用层前处理后处理日志资源websocket项目管理（资源组合技术）场景煊染（云谊染技术）参数录人资源预览结果展示数据分析数据分发中心仿真侧安全机制模型资源逻辑层项目资源websocket日志记录用户管理参数校验状态监控参数资源唯一标识符资源整合服务调度结果资源可插拔技术计算层设备侧websocket接口参数解析数据检验求解计算结果输出存储资源负载均衡计算资源实例池计算实例1计算实例计算实例n图1系统架构图中，求解器通常和前处理程序深度耦合，因此难以并行运行多个求解任务，也无法快速提供对新算法的有效支持。林忠伟提出以plug-in-play模式 5 实现了求解器独立于主程序更新，但仍然没有解决多任务求解的问题，且每次更新算法程序需要用户侧的操作。本系统遵循plugable的理念，以网络通信代替进程通信解决求解器与主程序耦合的问题，采用抽象功能接口的方式实现新算法快速、用户无感知的集成能力。在实现上，首先基于WebService技术将任何符合标准接口的求解器封装为提供参数解析，数据校验，求解计算和结果输出四个功能的服务；接着基于Docker的容器化技术将求解器打包进独立的运行环境，基于Kubernetes的容器编排技术创建求解器的运行实例池，通过负载均衡算法动态调用实例；最后，通过暴露服务的形式对外提供统一的求解支持。通过此方法，逻辑层只需要调用对应的接口，而不用关心内部实现的逻辑与具体运行的求解实例，有效解决了多任务求解和新算法的支持问题。4.3实时场景染的性能问题与云染技术尽管Web技术具有良好的用户交互体验及跨平台终端一致性，但是囿于本身的性能限制,浏览器在处理复杂的，实时的场景谊染时会存在较为严重的卡顿,延迟现象 16 本系统采用基于UnityWeb的谊染方式，即在Unity中编写逻辑，通过仿真结果数据驱动场景谊染，再通过发布为Web终端的方式部署到网页端实现可视化展示。在实际的应用过程中，存在严重的性能问题，具体表现为首次加载大模型时可观的加载延迟，数据更新过程中较大的网络延迟，执行场景交互时明显的失顿等。为了解决上述问题，引人基于RenderStreaming的云染技术，即在之前方案的基础上，通过在服务器端进行复杂的场景预煊染，通过视频流的形式将数据分发到客户端，通过建立的网络通信管道响应客户端的交互事件。针对该方案引人的交互响应延迟问题，适当引人缓存技术，提高服务150器端的带宽流量可以有效解决。5系统应用与验证以某型号动车组车辆的动力学仿真研究为基础，横向扩展项目仿真资源，纵向增加资源管理，场景染等系统功能，将其与Simpack仿真软件进行对比，验证系统的可用性。5.1基于元数据的仿真资源组合技术验证我国的高速铁路网八纵八横，轨道上运行的铁路车辆也多种多样，在每一个仿真项目中都为同样的动车组车辆或轨道线路建模则产生大量的重复劳动，效率低下。以仿真项目为聚合根资源，通过元数据标识符引用的方式聚合车辆资源，轨道资源，运行工况资源，仿真结果资源，场景染资源等。更进一步地，以车辆为聚合根资源，聚合编组参数，轮对资源，转向架资源，减振器资源等，最终形成以仿真项目为聚合根，逐级聚合的完整的仿真项目描述。通过传递具体仿真项目唯一元数据标识符的形式实现跨设备，跨用户的仿真项目共享。针对跨项目的模型复用问题，引人资源模板功能，如图2所示。资源模板功能从引用和克隆两个维度解决实际问题。引用模板功能在新的仿真项目中引用现有仿真资源的唯一标识，解决相同车辆类型在不同轨道线路、不同工况下运行的仿真问题。克隆模板功能在新的仿真项目中获取现有仿真资源全部数据并生成新的仿真资源，允许用户针对个别参数进行定制化更新，满足了复用CR400BF车辆资源的数据生成CR400BF-BZ车辆资源的需求。CRHEGDA车车辆操板项目模板列表CRH2E用此CRA0OBF引用此烘级CR4008F-BZ引用此携CRHOC图2车辆设置页面5.2多功能模拟运行能力验证本系统的后处理平台实现了两种模拟运行功能：对于运行中的求解过程实时仿真运行结果，对于运行完成的求解过程回放仿真运行模拟。其交互流程如图3所示，在初始化阶段根据求解过程标识符向服务器请求求解过程的状态，对于仍在运行中的求解过程，监听数据分发服务器以获取最新的实时仿真结果进行染；对于已经完成的求解过程，直接通过逻辑层服务获取存储的仿真结果进行染。用户终端服务器敏娱库求解酷数据分发中心查警火解过求解过程标识符HTTP谢求获取求解过樱状态TCP谢求TCP胸应alt求解已完成】求解过程标识符HTTP湾家装取求装TCP谢求TCP购应HTTP求解米完成Loop发送结数据存解过覆结果供状态监控数频ock监听实时能果数据loop提供发时特果数据波染仿真结果（实时）用户终端服务器数据库求解器数据分发中心图3结果染流程示意图5.3前后处理功能验证前处理流程以项目列表为起点，支持仿真项目的新建，删除，编辑，导入，导出等功能。每一个仿真项目中支持车辆、轨道、轮轨接触参数、运行参数等设置页面，以图4 所示的轨道参数设置页面为例，任意编辑左侧参数设置栏，右侧轨道预览栏也会实时更新，方便用户直观地查看数据的正确性与合理性。前处理流程的终点为系统参数自检页面，在此页面终端设备自动将所有项目相关资源数据上传到服务器，服务器进行参数校验，资源存储并返回结果。CRH380A仿囊1-成都限航通1001001005020100130$56图4 车轨道参数设置页面后处理流程以实时模拟运行为主，一个典型的实时模拟运行页面如图5所示。其中，区域1、2 提供仿真过程的控制能力，用户通过区域2 的拖拽式滑块可以快速定位当前场景谊染的时间，实现结果回放功能。区域3、4、5以及中心区域提供场景的必要信息以及切换能力，用户可以通过区域3下拉列表切换场景中心区域染的内容，区域4 提供了当前轨道的线路预览以及运行车辆的实时位置，区域5提供了车辆151的整体预览以及当前编组的信息。区域6、7、8 提供核心的数据展示能力，用户通过区域6 选择按钮切换区域7、8 的显示与隐藏，通过区域7 控制折线图要展示的具体数据，通过区域8 展示实时数据。5.4与Simpack仿真软件的对比将本系统与铁道车辆动力学仿真研究中常用的Simpack仿真软件进行对比，具体对比项目与对比结果如表1所示。结果表明：本系统在多人协作，使用效率，用户交互等方面具有明显优势，在数据分析方面存在较大改善空间。总体上，本系统能够在一定程度上代替传统桌面端仿真软件，在自主可控的仿真计算算法的研发，应用与推广方面能够起到一定的推进作用。CRH380A仿责1-进行搬拟?机系数2速度：4 6.8 7WXAZDATA3546.873图5实时运行模拟页面表1Simpack与本系统使用对比功能Simpack本系统说明多用户项目资源Simpack需手动传输文件，本系统可自动同步基于文件基于网络共享资源更新本系统基于易用性考虑针对个别平台限制部跨平台使用体验Windows,Linux任何支持Web的终端平台分功能轮对、轨道、减振器、构架、车辆Simpack仅支持克隆预置模型数据，本系统同跨项目的模型复用轮对、轨道资源等资源时支持引用模型数据多仿真任务并行不支持，一台设备一次只能运行支持，并行数量取决于用户设置Simpack的计算资源由主机提供，本系统的计计算一个仿真与服务器性能算资源由服务器提供不支持，计算结果一次性输出到对于积分类算法支持实时传输实时仿真本系统的实时仿真需要求解算法的支持结果文件单次积分步结果本系统支持结果回放，实时可视化，运行场景交互式结果可视化不支持支持谊染仿真结果分析支持部分支持本系统暂时只提供最基本的数据统计6结论本文提出一套可用于铁道车辆动力学仿真的云仿真系统，描述其系统架构，阐明系统开发中遇到的关键问题与技术解决方案，为同类软件系统的开发提供参考思路，具有一定借鉴意义。通过具体的仿真过程验证关键技术的可实现性，系统的可操作性，具有实际的应用推广价值。系统相较于传统桌面端仿真软件解决了多个痛点，通过可插拔技术将求解器与前后处理流程完全解耦，具有良好的通用性与扩展性，可以快速迁移到铁路车辆动力学仿真领域的其它研究中。系统的下一步工作包括：1)增强系统的后处理能力，除了提供仿真结果的场景谊染和可交互展示，增加自动化的数据分析、报表生成、结果对比等功能。2)增加求解器算法的种类，更新负载均衡算法实现自主的算法选择功能，开发实现多种算法结果的对比分析功能。参考文献：1翟婉明，孙翔，詹斐生.机车车辆与轨道垂向相互作用的计算机仿真研究 J.中国铁道科学，19 9 3，（1）：4 2-50.2王开云，翟婉明.车辆一轨道耦合动力学仿真软件TTISIM及其试验验证 J.中国铁道科学,2 0 0 4，（6）：4 9-54.3干锋，戴焕云，高浩.磨耗车轮踏面精确轮轨接触关系计算方法 J.交通运输工程学报，2 0 14，14（3）：4 3-51.4魏伟，赵旭宝，姜岩，等.列车空气制动与纵向动力学集成仿真J.铁道学报,2 0 12,34（0 4)：39-4 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