弓网离线硬件在环混合测试方法研究

《Mechanism and Machine Theory》：Pantograph-catenary offline hardware-in-the-loop hybrid testing

　　

摘要专业翻译 针对铁路受电弓与接触网系统，提出了一种离线迭代式硬件在环（Hardware-in-the-Loop, HiL）混合测试方法。该方法将接触网模型的动态计算完全移至测试前离线完成，从而消除了实时计算的约束，允许采用更大规模、更复杂的接触网有限元（Finite Element Method, FEM）模型。在迭代测试流程中，研究人员交替进行受电弓台架试验与接触网数值仿真，直至接触力与导线运动响应收敛。试验结果表明，在所测试的工况下，接触力与导线位移均实现了收敛。研究工作进一步探讨了抬升力（uplift force）与导线之字值（wire stagger）对接触质量的影响，验证了该方法在再现弓网动态交互行为方面的可行性与有效性。

论文解读文章

一、研究背景与问题

铁路电气化是满足现代交通需求、平衡提速与环保责任的关键举措。受电弓安装于列车车顶，必须与架空接触网保持可靠接触以向牵引电机持续供电，接触损失不仅危及行车安全，还会增加故障风险与维护成本。弓网之间的动态耦合一直是活跃的研究领域，涉及动态性能与接触质量、虚拟认证与互操作性、状态监测、空气动力学及磨损等多个学科方向。

尽管铁路研究持续产出创新方案，但行业在采纳方面趋于保守，多数验收程序依赖昂贵的线路试验，这减缓了新方案的推广。因此，业界致力于减少或取消此类试验要求，代之以更高效、更快速、更经济的替代方案。数值工具已在弓网动态交互分析中发挥关键作用，并被行业标准与技术规范广泛接受，为减少试验范围、更多依赖经过验证的仿真创造了条件。

当受电弓物理样机可用时，纯数值工具只能部分支持测试，此时必须与物理样机对接以捕捉数值模型无法完全表征的非线性效应。硬件在环（HiL）环境因此更适合后期开发阶段。常规的弓网HiL实现将受电弓置于专用试验台上，通过作动器复现接触网导线相对于运行列车的运动，作动器输入由实时仿真的接触网数值模型基于受电弓施加的力产生。

然而，现有HiL试验台均为定制化配置，且绝大多数实现仅考虑导线的垂向运动，未复现导线之字值。研究表明，仅进行垂向混合测试会低估接触力统计参数。控制架构是HiL实现的关键要素，鲁棒控制方法可提高测试精度，但实时计算约束限制了接触网模型的复杂度与规模，尤其在需要考虑轨道曲率、超高、大导线坡度或附加离散特征等更复杂工况时，能力缺口更加明显。

二、研究内容与结论

针对上述能力缺口，本文提出了一种新颖的迭代混合仿真框架，接触网动态行为在受电弓台架试验之前完全离线计算，从而对接触网模型不施加任何计算限制。该方法在弓网测试领域具有创新性，与结构工程和混合仿真研究中的既有方法存在相似性。与Hybrid System Response Convergence（HSRC）方法相比，本方法在迭代过程中不依赖数值受电弓模型，可在初始弓网动力学估计之后无需任何数值替代模型即可进行混合测试，并通过参数α引入迭代间力修正的稳定与加速策略，以更少的迭代次数实现收敛。该方法还消除了物理系统与虚拟系统通信的时间延迟，并简化了作动器动力学效应的补偿方式。

为验证方法的可行性与收敛性，研究人员在英国哈德斯菲尔德大学铁路研究所的全尺寸受电弓试验台上实施了该方法，针对约1.5公里直线轨道上的全尺寸有限元（FEM）接触网模型开展了不同工况的测试，详细阐述了迭代收敛流程、实验技术实施步骤，并分析了接触力结果。

三、关键技术方法

本研究采用的核心技术方法包括：离线迭代硬件在环（HiL）混合测试框架，通过受电弓台架试验与接触网数值仿真交替迭代直至收敛；固定点迭代方案，由全数值弓网动态仿真提供初始估计；基于参数α的迭代间力修正公式，用于稳定与加速收敛；全尺寸有限元（FEM）接触网建模，模型长度约1.5公里；全尺寸受电弓试验台架实施，位于英国哈德斯菲尔德大学铁路研究所。

四、研究结果

离线混合测试方案。 论文详细阐述了所提出的固定点迭代离线HiL测试序列，由初始化、受电弓台架试验、接触网离线仿真及收敛判定四部分组成。初始化阶段通过全数值弓网动态仿真提供接触导线坐标与接触力的初始估计。

迭代收敛过程。 试验表明，在所测试工况下，接触力与导线位移均实现了收敛，验证了该迭代框架的可行性与有效性。参数α的引入有效减少了达到收敛所需的迭代次数。

接触质量影响因素。 研究探讨了抬升力（uplift force）与导线之字值（wire stagger）对接触质量的影响，表明准确表征之字值对于接触力统计参数的准确获取至关重要。

五、讨论与结论

讨论部分比较了离线与在线（实时）HiL方法的优劣。离线方法消除了实时接触网模型评估的需求，是开展更大规模、更复杂接触网模型弓网混合测试的第一步，避免了实时驱动简化，同时消除了物理与虚拟系统间通信的时间延迟，简化了作动器动力学补偿。结论部分总结了该方法的可行性，通过全尺寸试验台验证了收敛性，并提出了未来改进方向。该方法为弓网混合测试提供了一种不受实时计算约束的新途径，有望支持更复杂工况下的受电弓性能评估与验证。