基于數字孿生的軌道車輛動力學實踐教學探索

關鍵詞： 數字孿生 軌道車輛動力學 虛擬仿真 實踐教學

隨著我國高速鐵路全國范圍的組網、各大中心城市地鐵網絡的拓展、超高速軌道車輛的研發，相關行業對軌道車輛人才的專業技能要求越來越高。因此，高校需不斷創新教學方法，提高教學效果，培養本專業學生解決實際工程問題的能力。“軌道車輛動力學”作為車輛工程專業本科生和研究生課程，主要介紹軌道/動車組運動形式；基本的輪軌接觸理論，車輛運動安全性、穩定性及相關評價指標，車輛系統動力學模型建立方法等。目前，在該課程的理論教學過程中，教師對關鍵知識點的講解主要借助PPt 等手段，利用演示法和講述法等方法。在實踐教學方面，由于軌道車輛實驗室建設成本很高，目前國內只有少數原鐵道部屬大學具備相關實驗室，且實驗成本較高；而許多地方院校由于條件限制，無法有效地開展該課程的實踐教學。實踐與實驗教學的缺乏不利于學生對該課程重要性的認識及關鍵知識點的掌握。

“孿生”的概念可追溯到美國的1969 年的阿波羅計劃時代，當時建造了兩艘相同的飛船，一艘在太空運行，而另一艘留在地面，稱為“孿生體”[1]。美國密歇根大學的GRIEVES M 教授提出并討論了產品生命周期管理模型和鏡像空間模型，并探究了兩種模型涉及的概念和技術問題[2]。2011 年，GRIEVES M 教授與NASA專家VICKERS J 共同提出了“數字孿生”的概念[3-4]，認為真實空間、虛擬空間、從真實空間到虛擬空間的數據流和從虛擬空間到真實空間的信息流是數字孿生的3個基本要素。TAO F 等人[5]在三維模型基礎上提出了數字孿生五維模型，即物理實體、虛擬模型、孿生數據、服務和連接。其中的物理實體是數字孿生模型的基礎，虛擬模型是物理實體的鏡像。孿生數據包括物理實體數據和虛擬模型數據，并且可驅動物理實體和虛擬模型。數字孿生反映了物理實體和虛擬模型之間的雙向動態映射。一方面，來自物理實體的狀態數據通過傳感器感知并傳輸到虛擬模型，驅動模型完成仿真、驗證和動態調整；另一方面，數字孿生體對物理實體進行仿真分析，指導物理實體的預測、優化設計等。隨著物聯網、大數據融合、人工智能、虛擬現實（VR）與增強現實（AR）技術的快速發展，數字孿生技術在最近5 年成為研究和應用熱點[6-8]。雖然該技術在國外已有較多成功應用案例，但目前數字孿生技術在我國工程實際應用還處于起步階段。國內學者在數字孿生技術教學方面的應用仍然處于探索階段，并在教學體系和模式[9-12]、單片機[13]、船舶動力工程[14]、汽車工程[15]實踐教學方面取得研究成果。

數字孿生技術的發展為高校軌道車輛動力學課程的實踐與實驗教學帶來巨大的變革。通過建立列車轉向架系統的數字孿生平臺，可在虛擬模型上完成該課程所涉及的實驗教學。不僅可以使學生對車輛走行部關鍵部件結構組成、運動特征有直觀了解，而且還能提高學生運用課程知識點解決實際工程問題能力。

1 軌道車輛動力學實踐教學現狀

“軌道車輛動力學”涉及機車車輛構造、機械振動學、輪軌接觸學、理論力學、數值分析、控制原理、計算動力學等多個學科。該課程主要研究內容涉及運行安全性、穩定性、平穩性和曲線通過能力。需要考慮的問題主要包括：（1）直線運行平穩性；（2）蛇行運動橫向穩定性；（3）曲線通過能力；（4）脫軌安全性；（5）傾覆安全性；（6）運動與控制。對于本科人才的培養，培養目標主要是應用型人才，側重于對車輛動力學理論及模型的應用、動力學性能評價方法及指標方面的講授，不必要求學生能推導公式、編制程序算法。而對于研究生的培養，其目標為研究型人才，教學中則需側重基礎理論、數學建模方法及工程應用的講授。

目前“軌道車輛動力學”的教學仍然以PPT 或者板書為主，繁雜的建模過程和公式推導使學生對該課程缺乏學習熱情。部分教師教學中運用數學建模軟件（如MATLAB）、車輛動力學軟件（如Simpack、UM、Adams）通過仿真模擬為學生展示車輛在運行過程中的動力學響應。然而，“軌道車輛動力學”是一門與工程實際緊密結合的課程，目前學生對該課程的學習基本停留在對理論公式的學習中，對車輛動力學理論在實際工程中的應用掌握不足[16]。且該課程涉及了動力學性能測試技術及其應用對傳感器技術、現代測試技術及信號分析技術要求很高，無論是試驗臺測試還是實際線路測試均成本很高。例如：軌道車輛輪軌力測試通常采用的是測力輪對技術，需要專用的輪對標定試驗臺、高精度應變片、集流環、數據采集系統；近年已發展為無線遙測、感應供電等新技術。由于試驗設備極其昂貴，實踐教學無法大規模應用，很多本科生甚至本專業的研究生并沒有機會接觸這些新技術。

2 轉向架數字孿生教學系統設計

軌道車輛通常由車體、走行部（轉向架）、車輛聯接裝置、制動裝置、車內設備、電氣系統六大部分組成。其中，轉向架承受著整個車體重量、驅動并引導列車在鋼軌上運行、衰減車輪傳遞車體的振動，決定著整車的動力學性能（安全性、穩定性、平穩性）。在“軌道車輛動力學”教學中，蛇行運動橫向穩定性、曲線通過能力、脫軌安全性等知識點集中在轉向架部分。因此，建立轉向架系統數字孿生體可滿足該課程教學目標。

參考北航研究團隊提出數字孿生五維模型[5]，本文提出一種基于轉向架數字孿生技術的軌道車輛動力學教學系統，如圖1 所示。該系統由轉向架物理實體、轉向架虛擬模型、孿生數據、動態數據交互及教學服務五部分組成。物理轉向架實體由轉向架（含構架、輪對、軸箱、懸掛系統等）、安裝在轉向架軸箱和構架上的傳感器、安裝在車上的實時數據采集及傳輸裝置組成。車載數據采集系統實時采集轉向架系統的振動、位移、溫度數據，通過無線網絡實時傳輸到地面監控中心的虛擬模型，支持轉向架孿生模型的仿真分析。轉向架虛擬模型包括轉向架幾何模型、物理模型、運動學/力學模型的高保真模型，能準確映射物理轉向架實體的運動狀態和動力學響應。數據交互是運用現代高效檢測數據無線傳輸技術、高速信息網絡傳遞技術，實現轉向架實體、轉向架虛擬模型、教學服務之間的實時信息交互。教學服務是融合轉向架實時監測數據和虛擬模型仿真數據進行處理，根據車輛動力學標準，如《鐵道車輛動力學性能評定和試驗鑒定規范》（GB/T 5599-2018）、《鐵路車輛的試驗與驗收依據動態性能-安全性、軌道疲勞、乘坐質量》（UIC 518）等，對車輛動力學模型、輪軌接觸、蛇形運動穩定性、曲線通過特性等車輛動力學主要知識點進行教學。

基于轉向架數字孿生的教學服務與傳統教學的區別在于前者所用數據來自線路實時采集，模型所用數據來自企業真實的參數。其動力學性能評估算法及結果已經為高校和企業所認可，因此采用該孿生模型進行的教學是理論與實際相結合的創新教學。

3 轉向架數字孿生教學實驗設計

3.1 轉向架物理實體在線監測系統

物理模型中的轉向架檢測系統由振動加速度傳感器、位移傳感器、應變片、數據傳輸采集子系統、數據綜合分析子系統組成。系統構成如圖2 所示。在轉向架構架4 個端點位置和中部空氣彈簧座位置安裝振動加速度傳感器，如圖3 所示。在軸箱上安裝三向加速傳感器（如圖4 所示）用于在線測量輪對橫向、垂向、縱向加速度，加速度數據主要用于輪軌力的推導。位移傳感器安裝于軸箱和轉向架之間，用于在線測量一系彈簧的橫向位移、左右兩側垂向位移，位移數據主要用于輪軌力的推導。應變片安裝于軸箱轉臂表面，用于在線測量軸箱轉臂表面應力，應力數據主要用于輪軌力的推導。數據傳輸采集子系統采用有線傳輸，在輪對高速旋轉條件下實現力信號的可靠傳輸，抗干擾能力強；采用信號采集設備和數據采集軟件將力和振動加速度原始信號采集保存到存儲設備中。數據綜合分析子系統將原始信號合成計算各項動力學響應參數。

在不影響車輛正常運營的前提下系統可實現以下功能：（1）對輪軌相互作用力進行檢測，評估車輛運行安全性指標（如脫軌系數、輪重減載率）；（2）對軸箱、構架振動加速度進行檢測，評估車輛運行穩定性指標；（3）通過對輪軌力檢測數據和振動加速度的分析，評估判斷車輪踏面損傷、磨耗、軌道存在的缺陷及其嚴重程度，指導車輛和軌道的日常維修；（4）通過對長期跟蹤檢測數據進行深入挖掘，分析車輛動力學性能的長期演變規律。

輪對系統傳感器及應變片的安裝位置具體見圖4。高精度激光位移傳感器測量一系垂向相對位移，安裝于軸箱和轉向架之間的左側和右側。高精度激光位移傳感器測量一系橫向相對位移，安裝于軸箱與轉向架左側和右側。加速度傳感器安裝于輪對軸箱上，在線測量輪對的橫向加速度、垂向加速度、縱向加速度，安裝位置如圖4 中13、14 標注位置所示；應變片安裝在左右側軸箱轉臂的上表面和左右側面，在線測量軸箱轉臂的節點橫向力，安裝位置如圖4 中15、16、17、18、19、20、21、22 標注位置所示。

3.2 數字孿生實踐教學典型案例設計

高保真的轉向架孿生虛擬模型是實踐教學的基礎，而同時滿足精度和時效性的孿生虛擬模型依賴于仿真分析模型和模型降階技術。仿真分析模型可以是學生在動力學軟件（如Simpack、Adams、UM 等）里建立的模型，也可是根據理論公式建立的力學模型。對于本科生實踐教學，可設計建模項目（如圖5 所示）：基于Simpack/Adams 的單輪對建模、轉向架建模、整車建模。學生建立的模型可與平臺的模型對比驗證。對于研究生教學，可設計的建模項目：單輪對動力學、構架動力學Matlab 數學模型。

模型降階技術方法較多，常用的有簡化模型法和數據擬合法。數據擬合法建立模型輸入輸出參數之間的映射關系，從而代替耗時冗長的分析過程。對于本科教學，可設計的實踐教學項目：（1）最小二乘法；（2）多項式擬合；（3）回歸模型。對于研究生教學，可設計的教學實踐項目：（1）支持向量集；（2）神經網絡；（3）深度學習等。

車輛運行的安全性指標、穩定性指標和曲線通過性能評估（根據GB/T 5599-2018）是車輛動力學教學的重要內容。在教學中，可設計典型的實踐項目：車輛安全性指標計算與評估。學生根據孿生模型數據計算車輛運行過程中的安全性指標隨時間動態變化（見圖6），并做出自己的評估結論。

前述的轉向架物理實體在線監測系統可輸出轉向架橫向振動加速度，而數字孿生模型可實時輸出轉向架蛇形穩定性指標動態變化情況。在教學中，也可設計實踐項目：車輛穩定性指標計算與評估。通過對測量得到的轉向架構架橫向加速度信號進行0.5～10 Hz帶通濾波處理，若存在連續6 個加速度峰值達到或超過8～10 m/s2 時，判定轉向架橫向失穩。學生可根據此標準編制程序計算車輛運行過程中的蛇形運動穩定性指標隨時間動態變化曲線（如圖7 所示），并做出自己的判定結論。

在實踐課程中，可將學生分為三組（每組3～5 人）：第一組學生任務是運用Simpack/Adams/MATLAB 軟件進行建模仿真；第二組學生任務基于第一組學生完成的仿真結果，應用數學方法建立代理模型；第三組學生的任務是處理仿真、試驗數據，并將數據導入孿生模型計算車輛動力學指標并給出評價結果。通過對三組學生輪流交換實踐內容，可提升學生的動力學軟件操作、算法程序開發、數據處理及工程評價能力。

4 結語

“軌道車輛動力學”教學改革的目標是使學生掌握運用理論知識來解決軌道車輛工程運用中存在的各種問題。針對當前本專業教學實際需求，結合現代檢測技術、高速信息網絡技術、大數據融合、深度學習等技術，建立基于轉向架數字孿生的實踐教學模式研究探索。數字孿生虛擬仿真的實踐來源于實際工程應用，其不僅可提高學生學習的興趣和自主性，還可將教師從枯燥傳統PPT 教學中解放出來，使其將更多精力集中在實踐教學方法的改進，提高學生解決實際問題的專業能力。