一种货物运输安全虚拟仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及公路铁路货物运输安全仿真技术领域，尤其涉及一种公路铁路货物运输安全虚拟仿真系统及方法。

背景技术

公路铁路货物运输的过程中，往往容易遇到如下问题：

1)货物在运输过程中受到的力学环境因素时刻发生着变化，如：车辆运行状态、运行速度、载重，以及由此而导致的车厢中力学响应情况，如车厢垂向振动、横向冲击、纵向冲击等；

2)货物在运输过程中受到温度、湿度、气压等的气候环境影响；

3)货物在高速铁路运输过程中，受到列车供电系统、信号与通信系统、轨道电路系统等因素导致的电磁环境影响。

以上问题对于运输过程中的人身安全和货物安全都具有极大的威胁性，因此，本领域亟需一种解决方案，在公路铁路货物运输的过程中，实时获取全方位的环境信息，以及时甚至提前作出有效应对。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是：如何在公路铁路货物运输的过程中，实时获取全方位的环境信息，进而及时甚至提前作出有效应对，由此保障货物运输安全。

为解决上述技术问题，本发明提供一种货物运输安全虚拟仿真系统，其包括相互之间进行通信连接的：系统管理单元、三维环境仿真单元、货物运输仿真计算单元、动画控制与运输过程可视化单元、以及历史仿真任务查询与加载单元。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

优选地，所述系统管理单元包括相互之间进行通信连接的：系统管理模块、条件设置模块、以及环境设置模块。

优选地，所述三维环境仿真单元包括相互之间进行通信连接的：车辆模型构建模块、货物模型构建模块、铁路站点及周边设施模型模块、道路模型构建模块、气象环境模拟模块、以及特效模拟仿真模块。

优选地，所述货物运输仿真计算单元包括相互之间进行通信连接的：车辆-公路系统动力学仿真模块、车厢-货箱系统有限元仿真模块、货箱-货物系统有限元仿真模块、气候仿真模块、以及电磁仿真模块。

优选地，所述动画控制与运输过程可视化单元包括相互之间进行通信连接的：运输工具可视化模块、运输货物可视化模块、以及运输环境可视化模块。

优选地，所述历史仿真任务查询与加载单元包括相互之间进行通信连接的：历史仿真任务查询模块和历史仿真任务加载模块。

在此基础上，本发明提供一种货物运输安全虚拟仿真方法，所述方法应用于上述货物运输安全虚拟仿真系统，包含如下步骤：

进行系统管理，包括：对系统设置进行管理、进行条件设置、以及进行环境设置；

进行三维环境仿真；

进行货物运输仿真计算；

进行动画控制与运输过程可视化；

进行历史仿真任务查询与加载，包括：进行历史仿真任务查询、和进行历史仿真任务加载。

优选地，所述进行三维环境仿真，包括：构建车辆模型、构建货物模型、构建铁路站点及周边设施模型、构建道路模型、模拟气象环境、以及进行特效模拟仿真。

优选地，所述进行货物运输仿真计算，包括：进行车辆-公路系统动力学仿真计算、进行车厢-货箱系统有限元仿真计算、进行货箱-货物系统有限元仿真计算、进行气候仿真计算、以及进行电磁仿真计算。

优选地，所述进行动画控制与运输过程可视化，包括：进行运输工具可视化、进行运输货物可视化、以及进行运输环境可视化。

与现有技术相比，本发明具有如下技术特征：

1、本发明根据给定的货物包装单元、装载运输工具、道路运输环境等，设计仿真货物包装单元运输的实际情况，开展货物运输安全性分析、安全性评价，有效提高货物运输方案编制的科学性；

2、本发明将在不同道路等级、不同载重下对各种的车辆运行状态视为不同的公路运输力学环境，将在不同运行速度、不同载重下对各种的车辆运行状态视为不同的铁路运输力学环境，以便探究不同力学环境下车厢内部及货物的动力响应情况；

3、由于车厢内包装箱及货物受温度影响后会出现不同程度的热膨胀/收缩，可能使车厢内包装箱间的缝隙缩小甚至夹紧、货物受到的应力改变等，所以本发明在货物运输环境分析方面主要考虑温度因素的影响；

4、由于动车等列车接触网电压较强，其他因素电磁影响经过车厢的阻隔与接触网以及与接触网电压相同的承力索与馈线的电磁影响相比显得微乎其微，因此本发明在列车的电磁场分析方面主要围绕接触网进行分析；

5、本发明对公路铁路运输使用的代表车型、代表货物、以及相应的环境条件等，进行了力学环境仿真和气候环境仿真计算，并将计算结果的数据与实验和文献进行对比，验证计算结果的合理性和准确性；进而关于计算结果建立数据库，对仿真计算结果进行拟合，还延伸出更多工况的算例结果，为货物公路铁路运输安全提供帮助、保驾护航。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的货物运输安全虚拟仿真系统的结构示意图；

图2为本发明的货物运输安全虚拟仿真方法的步骤流程图。

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：

1-货物运输安全虚拟仿真系统；

10-系统管理单元，101-系统管理模块，102-条件设置模块，103-环境设置模块；

20-三维环境仿真单元，201-车辆模型构建模块，202-货物模型构建模块，203-铁路站点及周边设施模型模块，204-道路模型构建模块，205-气象环境模拟模块，206-特效模拟仿真模块；

30-货物运输仿真计算单元，301-车辆-公路系统动力学仿真模块，302-车厢-货箱系统有限元仿真模块，303-货箱-货物系统有限元仿真模块，304-气候仿真模块304，305-电磁仿真模块；

40-动画控制与运输过程可视化单元，401-运输工具可视化模块，402-运输货物可视化模块，403-运输环境可视化模块；

50-历史仿真任务查询与加载单元，501-历史仿真任务查询模块，502-历史仿真任务加载模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于虚拟仿真技术，结合力学仿真模型、气候仿真模型与电磁仿真模型，通过多参数的融合，实现车辆动力学、货物有限元数据仿真计算，设计并研究开发公路铁路货物运输安全虚拟仿真系统，用于计算、模拟并辅助制定货物公路铁路安全运输流程。本发明实现三维模拟货物运输流程，仿真数据驱动车辆在不同公路与铁路上行进过程、动画视觉效果、车厢内货物及其相对运动动态效果，提供仿真交互功能，为用户提供更为真实的货物运输场景，为运输仿真提供形象且直观的技术支撑。

以下通过实施例分别对本发明的货物运输安全虚拟仿真系统及方法进行介绍。

请参照图1所示，其为本发明的货物运输安全虚拟仿真系统的结构示意图；在第一实施例中，货物运输安全虚拟仿真系统1包括相互之间进行通信连接的：系统管理单元10、三维环境仿真单元20、货物运输仿真计算单元30、动画控制与运输过程可视化单元40以及历史仿真任务查询与加载单元50。

所述系统管理单元10用于提供系统管理功能，可供工作人员选择、设定道路等级、环境信息、站点信息、车辆信息、货物信息等参数；所述系统管理单元10包括相互之间进行通信连接的：系统管理模块101、条件设置模块102、以及环境设置模块103。

所述系统管理模块101可供工作人员进行仿真任务的新建、历史任务的管理、系统文件输出路径设置与资料库查看；输入新建任务名称生成新仿真任务；历史任务查看面板可对历史任务进行查看，历史任务可根据车辆或货物信息进行筛选；历史任务可进行仿真录屏回放，仿真任务加载，任务删除；查看运输仿真中几种车辆、几种典型货物信息，信息可进行打印，支持信息打印与模型导入功能；输出路径设置功能可设置录屏文件与仿真计算数据文件输出路径。

所述条件设置模块102可供工作人员设置货物运输仿真过程中所需各种条件，包括但不限于运输货物、运输工具等。

所述环境设置模块103可供工作人员对道路、车速、温湿度、气候信息、路线进行设置。其中，环境设置界面可对运输工具行进速度、天气、温度湿度信息进行设置，气候可选择晴天、雨天、下雪，温湿度可通过滑动条进行设置。对于铁路运输路线选择，系统设置站点选择界面，界面中可对起点站与终点站进行点击选择，系统默认提供两条路线，对应仿真演示过程中不同环境场景与路线长度。对于公路运输路线选择，可设置五种道路类型，分别为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路与四级公路，每种道路类型对应着不同的道路模型。在本发明的货物运输安全虚拟仿真系统中，用户可自定义设置道路类型，路段类型，直线路与弯道；最终展示出的道路是通过一个个道路单元拼接而成，每种类型的道路对应不同的道路单元；界面设置生成默认道路按钮，生成默认路段。

所述三维环境仿真单元20用于对货物运输的环境进行三维仿真，其包括相互之间进行通信连接的：车辆模型构建模块201、货物模型构建模块202、铁路站点及周边设施模型模块203、道路模型构建模块204、气象环境模拟模块205、以及特效模拟仿真模块206。

所述车辆模型构建模块201基于运输车辆实物尺寸的几种车辆模型、按照1:1等比例构建而成，与车辆实物具有相同的几何结构、尺寸形状和材质表现，所述运输车辆实体包括：东风型运输车、斯太尔型运输车、解放型运输车、P60型棚车、C70型敞车、以及CRH2型动车等公路铁路运输设备中的一种或几种，但不以此为限。为保证各类型车、各个工况下行驶状态对应时长保持一致，参考运行状态表设置对应路段长度与中国交通运输行业标准，设置车辆运输线路五段，即直线-缓和曲线-圆曲线-缓和曲线-直线。

所述货物模型构建模块202用于构建不同尺寸、重量的几种货物模型。

所述铁路站点及周边设施模型模块203用于构建多种铁路站点及周边设施等高精度模型；在本发明中，为了体现铁路运输站点差异性与提高展示效果，系统中设计开发多种样式站点模型，例如，“站点一”作为起始站点，运输车辆均从该站点出发，“站点二”与“站点三”作为终点站点，运输车辆根据终点站选择不同，最终行进到站点二或站点三；本发明并不将铁路运输站点仅限于三种，本领域技术人员可根据项目需求进行扩展。

所述道路模型构建模块204用于构建五种公路等级道路模型，分别为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路与四级公路。

所述气象环境模拟模块205用于进行气象环境模拟，例如：展示云层，模拟雨、雪、雾等效果。

所述特效模拟仿真模块206用于模拟仿真货物受力热力图特效。

所述货物运输仿真计算单元30建立仿真模型对货物运输过程中车辆动力学数据、车厢内货物有限元数据进行仿真计算，具体地，采用热力耦合分析法、瞬时动态分析法、电磁纵截面分析法，对车辆-公路系统动力学模型、车厢-货箱系统有限元模型、货箱-货物有限元模型、气候仿真模型、电磁仿真模型等进行仿真计算，获得车辆动力学仿真结果、货物箱体有限元仿真结果；所述货物运输仿真计算单元30包括相互之间进行通信连接的：车辆-公路系统动力学仿真模块301、车厢-货箱系统有限元仿真模块302、货箱-货物系统有限元仿真模块303、气候仿真模块304、以及电磁仿真模块305，由此，在本发明中，能够根据运输货物、车辆、环境信息进行仿真，生成车辆动力数据、箱体有限元加速度、箱体有限元位移、箱体力学数据；仿真过程中，仿真数据依托仿真流程依次生成，根据设置的运输工具与货物信息生成装载方案，根据环境道路工况信息，结合装载情况生成仿真数据。

所述车辆-公路系统动力学仿真模块301包括车辆仿真子模块和道路仿真子模块，其中，所述车辆仿真子模块进行车体、前悬挂系统、后悬挂系统、传动系统等的仿真计算；所述道路仿真子模块可进行高速铁路和普通铁路的仿真计算，其中，高速铁路中仿真模型主要包括车体、前转向架子系统、后转向架子系统与轨道等；普通铁路中仿真模型主要包括车体、前转向架子系统、后转向架子系统与轨道等。

所述车厢-货箱系统有限元仿真模块302结合车辆-道路系统的动力学的仿真结果，确定车厢的力学环境，在车厢-货箱系统有限元仿真模块的车厢部分施加振动激励；提取车厢-货箱系统有限元仿真模块中车厢内箱体的振动响应，确定振动幅度最明显的箱体，为后续货箱-货物系统有限元仿真模块的细化分析提供极端力学环境；由此，针对不同货物在不同运输工具内呈现不同空间排布方式，建立车厢-货箱系统有限元仿真模块。

所述货箱-货物系统有限元仿真模块303针对货箱、货箱内货物及缓冲材料进行具体分析，以车厢-货箱系统有限元仿真模块中确定的振动幅度最为明显的箱体为主要研究对象，确定箱体的力学环境，在货箱-货物系统有限元仿真模块的箱体部分施加振动激励；提取货箱-货物系统有限元仿真模块中货物的振动响应，确定振动幅度最大的货物，进而确定货物中关键部分的应力应变情况。

所述气候仿真模块304为货箱-货物热力耦合有限元模型，具体包括如下设定：1)各部分及其排布；2)力学边界条件；3)温度边界条件。

1)所述各部分及其排布具体为：所述有限元模型包括车体和多个排列整齐的箱体，所述车体采用离散刚性壳单元模型，所述箱体则是柔性实体单元模型；货物材料弹性模量为206000，泊松比为0.3；所述车体与箱体、箱体与箱体之间均采用通用接触，法向行为为硬接触，切向行为设置摩擦系数为0.2，以模拟实际的装载情况。由于是刚体建模，对整体边界采取单点锁定6自由度的方式，载荷设置为整个系统受到竖直方向的重力；整个模型有限元分析中分为三步：第一步，给整体施加重力；第二步，给整体施加冲击；第三步，等待冲击稳定。从而，提取6个方向的加速度和位移。

2)所述力学边界条件具体为：本发明参考铁道行业技术标准，设定如下：高速铁路运行速度范围应小于350km/h，所匹配的最小圆曲线半径应为5500m；普通铁路运行速度范围应小于120km/h，所匹配的最小圆曲线半径应为800m；公路运输力学环境中道路等级分为五种，即高速公路、一级公路、二级公路、三级公路、四级公路，不同道路等级有其对应速度要求，高速公路运行速度范围应小于120km/h、一级公路运行速度范围应小于80km/h、二级公路运行速度范围应小于80km/h、三级公路运行速度范围应小于40km/h、四级公路运行速度范围应小于20km/h。由此，以探讨不同力学边界条件对货物的受力影响。

3)所述温度边界条件具体为：本发明根据现有实验条件及中国大多数运输线路气候状况，选取的温度范围为-20℃至40℃；由于运输过程中动车内部环境密闭，并且内部设置空调，故运输时内部温度恒定，设置为10℃；运输过程中棚车、敞车与运输汽车非密闭，故可认为车厢与外界环境存在同一温度场，仿真时选取该温度场温度分别为-20℃与40℃，以探讨不同温度对货物的受力影响。

所述电磁仿真模块305包括动车牵引供电系统，具体地，首先，将所述动车牵引供电系统等效为290A的接触网导线电流、等效为145A钢轨回流，模型的车厢与接触网导线采用与电场分析模型相同的数值，钢轨设置为两条相距1435mm的长方体，截面为70×58㎜；然后，于车内同样建立部分空间的堆垛货物，按照货箱大小建立在不同的坐标位置；最后，求解域为矩形，单元划分为自适应剖分。

所述动画控制与运输过程可视化单元40在构建了逼真的三维空间环境的基础上，依靠仿真计算结果驱动货物公路铁路运输过程，实现相关事件过程的三维可视化仿真；所述动画控制与运输过程可视化单元40包括相互之间进行通信连接的：运输工具可视化模块401、运输货物可视化模块402、以及运输环境可视化模块403；其中，所述运输工具可视化模块401用于进行车辆沿公路或铁轨行进、车轮转动模拟、车厢动态隐藏与透明、车辆翻车模拟的可视化；所述运输货物可视化模块402用于进行货物货箱闪烁、货箱跌落模拟、货物受力热力图模拟的可视化；所述运输环境可视化模块403用于进行公路动态生成模拟的可视化。

所述动画控制与运输过程可视化单元40能够根据设置的条件进行场景的三维呈现，展示在设置条件下的运输过程，演示过程中可以进行仿真录屏；通过货物包装外观三维模型展示设定的货物种类、数量和包装尺寸等信息，通过各类运输车辆外观三维模型和车厢内外三维模型展示设定的车辆型号和参数，通过各类公路三维模型展示设定的公路信息，通过设定铁路运输路线展示铁路三维模型，通过文字或图片的形式展示仿真数据，通过车辆外观模型和车辆上装载的货物运动状态展示设定的力学信息；三维场景中展示车辆沿着设定路线在公路或铁路上行进过程。

所述历史仿真任务查询与加载单元50用于在仿真任务结束后，可对仿真任务进行读取，可以查看和修改任一阶段参数，可以再次进行仿真计算与仿真演示；可以播放仿真任务录屏视频，查看仿真结果报告；所述历史仿真任务查询与加载单元50包括相互之间进行通信连接的：历史仿真任务查询模块501和历史仿真任务加载模块502。

为使附图整洁、免于繁乱，图1中未示出通信连接关系，本领域技术人员可根据实际需求、应用现有技术对单元和模块进行通信连接，以使各单元之间和各模块之间均可进行数据交互。

在本发明的货物运输安全虚拟仿真系统中，工作人员通过所述系统管理单元10进行参数选择、系统管理等操作；所述三维环境仿真单元20根据上述操作构建三维物体及环境模型、形成三维仿真界面，对照各运输工具实物的组成和位置关系，对虚拟体模型进行构建，确保虚拟体模型真实反映各运输工具实物的组成及位置关系；所述货物运输仿真计算单元30则根据上述操作构建数字模型，根据运输货物信息、车辆信息，如运输货物包装尺寸、重量信息与运输工具载重、车厢大小等信息，在规定的装载方式下，同时满足载重要求与空间要求进行运输货物装载的自动设计，生成装载方案，以供进行装载状态的三维演示；所述动画控制与运输过程可视化单元40根据运输货物信息、车辆信息计算生成的装载设计信息可在三维场景中进行效果展示，且提供手动转载功能；所述历史仿真任务查询与加载单元50用于向工作人员提供历史仿真任务查询与加载功能。

在本发明的货物运输安全虚拟仿真系统中，三维引擎基于Unity3D引擎构建并进行配置，构建逼真的三维空间环境；着色器基于Unity Shader进行构建、基于所述三维引擎进行初始化，完成对仿真数字孪生体的适配；在实时数据基础上同构虚拟化的流程模拟，依据现场实时数据进行信息化、虚拟化监控和展示，进行三维动画模型的设备位置、姿态、状态、报警情况等数据信息显示及动作模拟，实现姿态状态控制仿真。

在本发明的货物运输安全虚拟仿真系统中，根据货物运输仿真计算单元得出结果给出运输装载方案，自动生成安全评价结果信息；根据计算得出的应力信息，找到运输过程中应力最大和应力变化幅度最大的位置，给出防护加固建议支持货物运输安全仿真报告生成，包括货物、车辆、环境信息，装载方式，安全评价结果、防护加固建议等内容。

在本发明的货物运输安全虚拟仿真系统中，根据给定的货物包装单元、装载运输工具、道路运输环境，设计仿真货物包装单元运输的实际情况，开展货物运输安全性分析、安全性评价。系统完成三种铁路运输列车分析，涵盖载重50-70t，四种公路运输车辆分析，涵盖载重6-10t。包括七种运输货物种类。运输环境种类涵盖力学环境、气候环境、电磁环境。系统按照运输使用的七种代表车型、七种货物、以及相应的环境条件，通过主流的CAE工具软件进行了动力学分析、有限元分气候仿真和电磁仿真计算，并将计算结果的数据与实验和文献进行对比，验证了计算结果的合理性和准确性。将计算结果建立数据库，基于Unity引擎，对仿真计算结果进行了拟合计算，可以延伸出更多工况的算例结果，可有效提高货物运输方案编制的科学性、规范性和效率。

在此基础上，本发明还提供一种货物运输安全虚拟仿真方法，请参照图2，其为本发明的货物运输安全虚拟仿真方法的步骤流程图；所述方法应用于上述货物运输安全虚拟仿真系统，具体地，所述货物运输安全虚拟仿真方法包括如下步骤：

S1：进行系统管理，所述系统管理包括：对系统设置进行管理、进行条件设置、以及进行环境设置。

S2：进行三维环境仿真，所述三维环境仿真包括：构建车辆模型、构建货物模型、构建铁路站点及周边设施模型、构建道路模型、模拟气象环境、以及进行特效模拟仿真。

S3：进行货物运输仿真计算，所述货物运输仿真计算包括：进行车辆-公路系统动力学仿真计算、进行车厢-货箱系统有限元仿真计算、进行货箱-货物系统有限元仿真计算、进行气候仿真计算、以及进行电磁仿真计算。

S4：进行动画控制与运输过程可视化，所述动画控制与运输过程可视化包括：进行运输工具可视化、进行运输货物可视化、以及进行运输环境可视化；在本发明中，首先，根据运输工具与运输货物各物理实物图纸、相关文件，提取各部分的尺寸数据信息，根据每一个组件的物理信息，识别并仿真模型的组成、设备位置关系及连接关系，1:1构建设备三维模型；然后，读取运输工具及货物模型中包含的参数，对各参数进行属性命名并关联相关系统模块。

S5：进行历史仿真任务查询与加载，所述历史仿真任务查询与加载包括：进行历史仿真任务查询、和进行历史仿真任务加载。

在本发明中，对铁路运输使用的3种代表车型、公路运输使用的4种代表车型、7种货物、以及相应的环境条件，通过主流CAE工具软件进行动力学分析、有限元分气候仿真和电磁仿真计算，并将计算结果的数据与实验和文献进行对比，验证计算结果的合理性和准确性。将计算结果建立数据库，通过采用三维游戏引擎等软件工具，对仿真计算结果进行了拟合计算，开发了货物运输虚拟仿真平台，可以延伸出更多工况的算例结果。

综上所述，本发明针对运输工具选择、货物选择、货物装载、道路设置、环境设置、仿真演示等过程进行信息化、虚拟化展示，能够满足货物公路运输仿真数据计算与结果数据的存储、展示，提供仿真过程中录屏、截屏功能，支持仿真报告；本发明针对货物公路铁路运输过程进行仿真计算和虚拟化展示，能够满足运输货物选择装载、运输环境设置及仿真计算要求，提供仿真计算结果数据、历史数据查看等功能，可视化、虚拟仿真全要素展示货物运输过程数据，有效辅助货物运输过程安全评估、防护加固建议的顺利生成。本发明的货物运输安全虚拟仿真系统及方法，可以有效对货物运输进行进度计划管理、流程管理、流程规范等问题进行梳理、分析，发掘货物运输过程中存在的问题和风险。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。