本發(fā)明大氣環(huán)境下高速鐵路接觸網(wǎng)覆冰研究領(lǐng)域，尤其涉及一種接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、接觸網(wǎng)表面特有的異形凹槽結(jié)構(gòu)導致其覆冰輪廓生長存在高度非對稱性，另一方面由于高速鐵路接觸網(wǎng)的剛度高，覆冰質(zhì)量對其弧垂的影響小，因此覆冰輪廓成為影響滑動電接觸的直接因素。弓網(wǎng)受流對早期接觸網(wǎng)覆冰敏感，容許覆冰的界限小，但接觸網(wǎng)覆冰輪廓數(shù)據(jù)面臨著在線監(jiān)測難、樣本不足、難以預(yù)測的問題。

2、現(xiàn)有技術(shù)中提出基于冰凍環(huán)境大氣參數(shù)的電氣化鐵路接觸網(wǎng)覆冰監(jiān)測方法，該方法利用大氣覆冰參數(shù)優(yōu)化了接觸網(wǎng)覆冰質(zhì)量與密度的計算方式，結(jié)合comsol軟件搭建了單根接觸網(wǎng)覆冰形狀模型，其存在以下缺點：

3、該技術(shù)將接觸網(wǎng)等效為圓形導線，未考慮接觸網(wǎng)異性結(jié)構(gòu)對覆冰過程的影響。針對接觸網(wǎng)覆冰的非定常變化過程，利用固有影響大氣環(huán)境因素和泛函模型勢必造成覆冰監(jiān)測精度下降。

4、現(xiàn)有技術(shù)中提出一種接觸網(wǎng)覆冰預(yù)警方法，該技術(shù)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建接觸網(wǎng)覆冰預(yù)測模型，其中輸入層主要包括了覆冰歷史數(shù)據(jù)，解決了覆冰預(yù)警精度差、抗干擾能力弱的問題，其存在以下缺點：

5、該技術(shù)對早期覆冰特征不厚敏感，且接觸網(wǎng)通過滑動電接觸進行弓網(wǎng)受流，接觸網(wǎng)覆冰輪廓造成弓網(wǎng)受流進一步劣化，但該覆冰預(yù)警方法無法對覆冰輪廓進行準確預(yù)測。

6、綜上，弓網(wǎng)滑動電接觸受流是高速列車獲取能量的唯一途徑，接觸網(wǎng)覆冰進一步導致弓網(wǎng)沖擊振動加劇、電弧頻發(fā)等現(xiàn)象，嚴重威脅高鐵能量供給安全。因此，基于以上背景，目前存在針對接觸網(wǎng)覆冰輪廓增長過程不清、規(guī)律不明、表征困難等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供的一種接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法，通過本發(fā)明探明了接觸網(wǎng)覆冰輪廓演變規(guī)律，解決了接觸網(wǎng)覆冰輪廓狀態(tài)監(jiān)測難、難以預(yù)測的問題，保障了覆冰工況下高速鐵路安全穩(wěn)定運營。

2、為了達到以上目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法，包括以下步驟：

3、s1、對接觸網(wǎng)覆冰影響因素進行分析；

4、s2、根據(jù)分析結(jié)果，以熱平衡方程為基礎(chǔ)，對每個碰撞粒子的覆冰關(guān)鍵參數(shù)進行計算，并構(gòu)建接觸網(wǎng)覆冰生長模型；

5、s3、根據(jù)接觸網(wǎng)覆冰生長模型，以動態(tài)網(wǎng)格和流場分析為基礎(chǔ)對接觸網(wǎng)覆冰輪廓進行動態(tài)數(shù)值模擬；

6、s4、對接觸網(wǎng)覆冰輪廓進行預(yù)處理；

7、s5、以環(huán)境溫度、風速、水滴中值直徑、液態(tài)水含量為輸入變量，經(jīng)接觸網(wǎng)覆冰輪廓動態(tài)數(shù)值模擬后，以預(yù)處理后的接觸網(wǎng)覆冰輪廓構(gòu)建訓練樣本集及測試集，并利用cnn-gru網(wǎng)絡(luò)建立接觸網(wǎng)覆冰輪廓預(yù)測模型；

8、s6、利用接觸網(wǎng)覆冰輪廓預(yù)測模型，以自適應(yīng)的方式調(diào)整接觸網(wǎng)覆冰輪廓，完成對接觸網(wǎng)覆冰輪廓的預(yù)測。

9、進一步地，所述s2具體為：

10、根據(jù)分析結(jié)果，接觸網(wǎng)覆冰與空氣中水滴在覆冰表面的碰撞、捕獲、凍結(jié)過程相關(guān)；

11、以熱平衡方程為基礎(chǔ)，獲取接觸網(wǎng)覆冰關(guān)鍵參數(shù)凍結(jié)率；

12、在風速vp和微元控制體在覆冰導線的表面長度lc的影響下，利用下式得到空氣中水滴含量(lwc)形成冰層的特性：

13、

14、其中，m表示覆冰質(zhì)量，t表示覆冰時間，α1、α2和α3分別表示空氣中水滴的碰撞率、捕獲率和凍結(jié)率，l表示單位導線長度；

15、依據(jù)不同覆冰時間步下形成的冰層特性，迭代更新覆冰質(zhì)量，構(gòu)建接觸網(wǎng)覆冰生長模型。

16、再進一步地，所述s3具體為：

17、利用vb語言對gambit軟件的腳本文件對進行二次開發(fā)，并采用自適應(yīng)的推進波法分別對邊界和區(qū)域進行網(wǎng)格劃分；

18、在流場分析中，采用同位網(wǎng)格算法求解不可壓縮的雷諾平均方程rans和sst-k-w湍流模型，得到空氣流場；

19、根據(jù)接觸網(wǎng)覆冰生長模型，以及流場分析結(jié)果，結(jié)合凍結(jié)系數(shù)、碰撞系數(shù)以及水滴速度對接觸網(wǎng)覆冰輪廓進行動態(tài)數(shù)值模擬。

20、再進一步地，所述s4具體為：

21、以接觸網(wǎng)中心點為圓點，對接觸網(wǎng)覆冰進行扇形分割，并選擇扇形間隔；

22、將不同扇形分區(qū)內(nèi)的覆冰輪廓點進行二維坐標和極坐標變換；

23、選取不同扇形分區(qū)內(nèi)的一個極值點作為預(yù)測樣本對象，完成對接觸網(wǎng)覆冰輪廓的預(yù)處理。

24、再進一步地，所述s5具體為：

25、以環(huán)境溫度、風速、水滴中值直徑、液態(tài)水含量為輸入變量，將輸入變量帶入接觸網(wǎng)覆冰動態(tài)數(shù)值模擬，得到不同工況下的覆冰輪廓試驗數(shù)據(jù)；

26、對不同工況下的覆冰輪廓試驗數(shù)據(jù)進行標準歸一化處理；

27、將經(jīng)標準歸一化處理后的覆冰輪廓試驗數(shù)據(jù)劃分為訓練樣本集及測試集；

28、利用cnn-gru網(wǎng)絡(luò)建立接觸網(wǎng)覆冰輪廓預(yù)測模型，并利用訓練樣本集及測試集對接觸網(wǎng)覆冰輪廓預(yù)測模型進行訓練和測試，完成接觸網(wǎng)覆冰輪廓預(yù)測模型的構(gòu)建。

29、再進一步地，所述s6具體為：

30、利用接觸網(wǎng)覆冰輪廓預(yù)測模型，將不同覆冰時間下的覆冰環(huán)境參數(shù)，作為輸入量，以覆冰輪廓的坐標點為輸出量，并自適應(yīng)的方式預(yù)測接觸網(wǎng)覆冰輪廓，完成對接觸網(wǎng)覆冰輪廓的預(yù)測，其中，覆冰環(huán)境參數(shù)包括溫度、風速、水滴中值直徑以及液態(tài)水含量。

31、本發(fā)明的有益效果：

32、(1)本發(fā)明提出了高速鐵路接觸網(wǎng)覆冰動態(tài)模擬及輪廓預(yù)測方法，模擬了過冷水滴在接觸網(wǎng)異形凹槽結(jié)構(gòu)表面的碰撞、捕獲、凍結(jié)的動態(tài)演變過程，揭示接觸網(wǎng)導線覆冰生長的演化機理，解決了接觸網(wǎng)覆冰機理不明、難以監(jiān)測的問題，實現(xiàn)了風速、溫度、水滴中值直徑液態(tài)水含量4種環(huán)境因素下接觸網(wǎng)覆冰動態(tài)模擬和覆冰輪廓預(yù)測。

33、(2)本發(fā)明建立了機理-數(shù)據(jù)雙驅(qū)動的接觸網(wǎng)覆冰預(yù)測模型，實現(xiàn)了多工況下覆冰輪廓的早期預(yù)測，解決了接觸網(wǎng)覆冰狀態(tài)監(jiān)測難、難以預(yù)測的問題，為覆冰工況高速鐵路安全穩(wěn)定運營奠定理論基礎(chǔ)。

34、(3)本發(fā)明針對接觸網(wǎng)覆冰輪廓增長過程不清、規(guī)律不明、表征困難等問題，提出了接觸網(wǎng)覆冰動態(tài)模擬方法，并結(jié)合深度學習算法構(gòu)建了接觸網(wǎng)覆冰輪廓預(yù)測模型。通過本發(fā)明探明了接觸網(wǎng)覆冰輪廓演變規(guī)律，解決了接觸網(wǎng)覆冰輪廓狀態(tài)監(jiān)測難、難以預(yù)測的問題，保障了覆冰工況下高速鐵路安全穩(wěn)定運營。

技術(shù)特征：

1.一種接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法，其特征在于，所述s2具體為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法，其特征在于，所述s3具體為：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法，其特征在于，所述s4具體為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法，其特征在于，所述s5具體為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法，其特征在于，所述s6具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種接觸網(wǎng)覆冰的動態(tài)數(shù)值模擬及輪廓預(yù)測方法，涉及大氣環(huán)境下高速鐵路接觸網(wǎng)覆冰研究領(lǐng)域，包括對接觸網(wǎng)覆冰影響因素進行分析；以熱平衡方程為基礎(chǔ)，對每個碰撞粒子的覆冰關(guān)鍵參數(shù)進行計算，并構(gòu)建接觸網(wǎng)覆冰生長模型；以動態(tài)網(wǎng)格和流場分析為基礎(chǔ)對接觸網(wǎng)覆冰輪廓進行動態(tài)數(shù)值模擬；對接觸網(wǎng)覆冰輪廓進行預(yù)處理；確定輸入變量，經(jīng)接觸網(wǎng)覆冰輪廓動態(tài)數(shù)值模擬后，以預(yù)處理后的接觸網(wǎng)覆冰輪廓構(gòu)建訓練樣本集及測試集，并利用CNN?GRU網(wǎng)絡(luò)建立接觸網(wǎng)覆冰輪廓預(yù)測模型；以自適應(yīng)的方式調(diào)整接觸網(wǎng)覆冰輪廓。本發(fā)明解決了接觸網(wǎng)覆冰輪廓狀態(tài)監(jiān)測難、難以預(yù)測的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：李政,黃桂灶,吳廣寧,高國強,楊澤鋒,楊熙,甘功偉
受保護的技術(shù)使用者：西南交通大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9