一种单向导通装置母排优化设计方法.pdf

本发明公开了一种单向导通装置母排优化设计方法，包括以下步骤：1）、通过参数化建模建立单向导通装置主回路的三维模型，设置n个尺寸为驱动参数；2）、以n个驱动参数组成n维优化变量x(n)，确立粒子群大小p及迭代次数T，确定p个初始粒子；3）、分别获得各粒子的适应值； 4）、确定并储存个体最优粒子和全局最优粒子；5）、判断迭代数是否到达T，到达则输出此时的全局最优粒子并进入步骤7），否则进行步骤6）；6）、更新粒子群，生产新一代粒子群；7）、用输出的全局最优粒子替换主回路三维模型的驱动参数并更新主回路三维模型；8）、最后对母排模型的尺寸进行圆整；本方法可以优化母排尺寸，降低产品成本，提高产品可靠性。

权利要求书
1.   一种单向导通装置母排优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）、通过参数化建模技术建立单向导通装置主回路的参数化三维模型，设置n个尺寸为驱动参数，驱动参数能使各支路的母排模型发生有效变化而尽可能的少；
2）、以n个驱动参数组成n维优化变量x(n)，确立粒子群大小p及迭代次数T，确定p个初始粒子；
3）、分别获得各粒子的适应值，过程为：用粒子的各分量值替换三维模型对应的驱动参数值，用替换后的参数更新三维模型，获得更新后的母排模型总质量为此粒子的适应值；
4）、确定并储存个体最优粒子和全局最优粒子，其中，以适应值小的粒子为优；
5）、判断迭代数是否到达T，到达则输出此时的全局最优粒子并进入步骤7），否则进行步骤6）；
6）、更新粒子群，生产新一代粒子群，各粒子依次按如下步骤进行：
S601：备份粒子的当前位置，调整粒子的粒子位置和粒子速度；
S602：干涉过滤：用新位置的各分量值替换对应的驱动参数值，用替换后的参数值更新三维模型，对母排模型进行干涉检查及最小间隙测量，若没有发生干涉且最小间隙符合要求值则进入步骤S603，否则舍弃此新位置而调用备份的位置作为新位置，并进入步骤S601进行下一个粒子的更新，若已遍历所有粒子则返回步骤3）；
S603：均流度过滤：对更新后的主回路三维模型求解均流度，若均流度小于指定值则舍弃此新位置而调用备份的位置作为新位置，否则使用此新位置；进入步骤S601进行下一粒子更新，若已遍历所有粒子则返回步骤3）；
7）、用输出的全局最优粒子替换主回路三维模型的驱动参数并更新主回路三维模型；
8）、最后对母排模型的尺寸进行圆整以符合生产要求。

2.   根据权利要求1所述的一种单向导通装置母排优化设计方法，其特征在于，所述主回路三维模型的均流度求解过程为：划分主回路模型成为多个支路模型→提取各支路模型的电气属性→将各支路的电气属性代入电路模型→在电气分析软件中求解电路模型得各支路电流→由各支路电流计算均流度。

说明书一种单向导通装置母排优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种单向导通装置，具体是一种单向导通装置母排优化设计方法，属于地铁系统中杂散电流腐蚀防护领域。
背景技术
目前，我国绝大多数的地铁设计方案中，在一些特殊地段如在车辆段的检修与停车库中、过江隧道的进出口处等地方，采用在轨道上设置绝缘结并增加单向导通装置的方法，对杂散电流进行防护；随着我国的城市轨道交通进入了大规模建设的高峰时期，对单向导通装置设计和制造提出了更高的要求。
单向导通装置的主回路占据了柜体内的大部分空间，且主回路对装配及空间配置要求较高，主回路的布局设计也将决定二次回路的布局设计。通常主回路由二极管套件、电流传感器、快速熔断器、隔离开关及连接这些元件的母排构成，其中，母排起到电气连接和机械连接的作用，母排位置及形状的设计是主回路布局设计的主要内容，包括控制母排的成本及对均流度的影响。
目前，单向导通装置母排的设计主要依靠经验进行设计，缺乏对母排的优化设计，没有实现满足均流度要求及装配要求的情况下有效控制母排用量。因此，如何对单向导通装置母排进行优化设计，实现母排最优布置效果，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种单向导通装置母排优化设计方法，对单向导通装置母排进行优化设计，实现满足装配要求和均流度要求的母排最少用量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种单向导通装置母排优化设计方法，包括以下步骤：
1）、通过参数化建模技术建立单向导通装置主回路的参数化三维模型，设置n个尺寸为驱动参数，驱动参数能使各支路的母排模型发生有效变化而尽可能的少；
2）、以n个驱动参数组成n维优化变量x(n)，确立粒子群大小p及迭代次数T，确定p个初始粒子；
3）、分别获得各粒子的适应值，过程为：用粒子的各分量值替换三维模型对应的驱动参数值，用替换后的参数更新三维模型，获得更新后的母排模型总质量为此粒子的适应值；
4）、确定并储存个体最优粒子和全局最优粒子，其中，以适应值小的粒子为优；
5）、判断迭代数是否到达T，到达则输出此时的全局最优粒子并进入步骤7），否则进行步骤6）；
6）、更新粒子群，生产新一代粒子群，各粒子依次按如下步骤进行：
S601：备份粒子的当前位置，调整粒子的粒子位置和粒子速度；
S602：干涉过滤：用新位置的各分量值替换对应的驱动参数值，用替换后的参数值更新三维模型，对母排模型进行干涉检查及最小间隙测量，若没有发生干涉且最小间隙符合要求值则进入步骤S603，否则舍弃此新位置而调用备份的位置作为新位置，并进入步骤S601进行下一个粒子的更新，若已遍历所有粒子则返回步骤3）；
S603：均流度过滤：对更新后的主回路三维模型求解均流度，若均流度小于指定值则舍弃此新位置而调用备份的位置作为新位置，否则使用此新位置；进入步骤S601进行下一粒子更新，若已遍历所有粒子则返回步骤3）；
7）、用输出的全局最优粒子替换主回路三维模型的驱动参数并更新主回路三维模型；
8）、最后对母排模型的尺寸进行圆整以符合生产要求。
所述主回路三维模型的均流度求解过程为：划分主回路模型成为多个支路模型→提取各支路模型的电气属性→将各支路的电气属性代入电路模型→在电气分析软件中求解电路模型得各支路电流→由各支路电流计算均流度。
与现有的母排方法相比：本发明建立了参数化的单向导通装置主回路三维模型，通过简单的改变驱动参数值就能建立和分析新的模型，提高母排的优化设计效率；
通过优化母排尺寸降低母排重量可直接的降低单向导通装置的生产成本；
通过对干涉、最小间隙和均流度进行约束，可保证优化后装置的可靠性。
附图说明
图1是本发明单向导通装置母排优化设计方法流程框图；
图2是优化前的单向导通装置主回路三维模型示意图；
图3是优化后的单向导通装置主回路三维模型示意图。
图中：1、二极管套件模型，2、隔离开关模型，3、电流传感器模型，4、快速熔断器模型，a-i、母排模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在单向导通装置主回路中，二极管套件及隔离开关占据较大空间且对装配要求较高，对于通用产品，按照规格书中柜体要求首先设计二极管套件及隔离开关的安装方式及安装位置，因此在进行母排的优化设计时二极管套件及隔离开关是相对固定的，可简化设计工作，提高效率。
母排在主回路中起到电气连接的作用，因此母排的设计结果将影响单向导通装置的均流度，对母排优化结果进行均流度约束可提高装置的可靠性。
如图1所示，该图是本发明单向导通装置母排优化设计方法的流程框图。
1)、通过参数化建模技术建立单向导通装置主回路的参数化三维模型，设置n个尺寸为驱动参数，驱动参数能使各支路的母排模型发生有效变化而尽可能的少；
如图2和图3所示，主回路三维模型包括有：二极管套件模型1、隔离开关模型2、电流传感器模型3、快速熔断器模型4及母排模型a-i。
主回路三维模型包括两个母排通路：（1）进线母排模型e,i-二极管套件模型1-电路传感器模型3-母排模型h-快速熔断器模型4-出线母排模型g,f,a；（2）进线母排模型e,d,c-隔离开关模型2-出线母排模型b、a；其中，所述二极管套件模型1及隔离开关模型2的空间位置及姿态固定。
母排模型的尺寸及位置受驱动参数控制，快速熔断器模型4的位置随所连接的母排模型的变化而变化。
可在三维软件中实现所述驱动参数通过关系式与母排三维模型中的母排长度尺寸或位置约束尺寸相关联，驱动参数的选择以能够驱动母排三维模型产生有效变化且驱动参数数量最少为原则，有效变化是指母排总长度或者母排在各支路的长度分布发生变化；因此优化不会减少母排通路，优化结果只影响母排尺寸及位置。
参见图2及图3，可设置最少6个尺寸为驱动参数使母排模型发生有效变化。参数1为母排b的长度尺寸，母排b的右端点与隔离开关模型2上部固定；参数2为母排a水平段长度尺寸，其水平段末端与母排b左端始终约束对其；参数3为母排f左端在母排g长度方向的位置尺寸，母排f左端与母排g顶端有距离约束，母排f右端与母排a紧贴约束，母排a竖直段下端连接进线电缆，电缆接线点竖直高度固定，母排g下端与快速熔断器模型4连接约束；参数4为母排h长度尺寸，其一端与分流器3连接约束，另一端与快速熔断器模型4紧贴约束，电流传感器模型3在二极管套件模型1上的位置固定；参数5为母排c水平段长度尺寸，其水平末端与隔离开关2下部固定，竖直端长度固定，竖直段末端与母排d右端对齐约束；参数6为母排d的长度尺寸，其左端与母排e上端对齐约束，母排i右端与母排e紧贴约束，母排i左端在二极管套件模型1上固定。
参加图2及图3可知，参数1可改变母排b及母排f，参数2可改变母排a及母排f，参数4可改变母排h及母排f，参数5可改变母排c及母排i，参数6可改变母排d及母排i。
2)、以n个驱动参数组成n维优化变量X(n)，确立粒子群大小p及迭代次数T，确定p个初始粒子；
由于过滤约束优化对初始粒子要求较高，可随机产生多个粒子，人为试验满足过滤条件的可用为初始粒子。
3)、分别获得各粒子的适应值，过程为：用粒子的各分量值替换三维模型对应的驱动参数值，用替换后的参数更新三维模型，获得更新后的母排模型总质量为此粒子的适应值；
母排总质量可通过建模软件的分析功能获得，也可是计算长度和获得体积和，体积和与密度乘积为质量和；
4)、通过比较粒子的适应值确定并储存个体最优粒子和全局最优粒子，适应值小的粒子为优；
5)、判断迭代数是否到达T，到达则输出此时的全局最优粒子并进入步骤7)，否则进行步骤6)；
6)、更新粒子群，生产新一代粒子群，各粒子依次按如下步骤进行：
S601：备份粒子的当前位置，调整粒子的粒子位置和粒子速度；
S602：干涉过滤：用新位置的各分量值替换对应的驱动参数值，用替换后的参数值更新三维模型，对母排模型进行干涉检查及最小间隙测量，若没有发生干涉且最小间隙符合要求值则进入步骤S603，否则舍弃此新位置而调用备份的位置作为新位置，并进入步骤S601进行下一个粒子的更新，若已遍历所有粒子则返回步骤3)；
S603：均流度过滤：对更新后的主回路三维模型求解均流度，若均流度小于指定值则舍弃此新位置而调用备份的位置作为新位置，否则使用此新位置；进入步骤S601进行下一粒子更新，若已遍历所有粒子则返回步骤3)；
7)、用输出的全局最优粒子替换主回路三维模型的驱动参数并更新主回路三维模型；
8)、最后对母排模型的尺寸进行圆整以符合生产要求。
所述主回路三维模型的均流度求解过程为：划分主回路模型成为多个支路模型→提取各支路模型的电气属性→将各支路的电气属性代入电路模型→在电气分析软件中求解电路模型得各支路电流→由各支路电流计算均流度。
对干涉过滤后的粒子对应的三维模型进行均流度计算，可通过提取三维模型中母排模型的体积，将体积与体积电阻率相乘得到母排电阻，将母排电阻及其他元件参数代入相应的电路模型，生产电气分析文件输入电路仿真软件中进行电路模型的求解，根据输出的分析结果得到回路电流并计算得均流度。
如图2所示，该图是优化前的单向导通装置主回路三维模型示意图；
如图3所示，该图是优化后的单向导通装置主回路三维模型示意图；
图中，通过参数化建模技术，由参数1-6驱动母排模型实现三维模型的更新，将图示三维模型按照前面所述优化设计方法进行优化，粒子群大小p=3，迭代此时T=20，得到优化前后的参数1-6，图2和图3所对应的优化参数及优化结果可通过表1显示：
 表1
 参数1参数2参数3参数4参数5参数6母排质量优化前500mm100mm250mm100mm100mm350mm18.48kg优化后300mm80mm150mm70mm90mm100mm16.77kg
由表1可知，通过本实施例所述母排优化设计方法，母排的尺寸得到优化，在不发生装配干涉且满足均流度要求的条件下，有效减少了母排的用量，降低了成本。
综上所述，本发明主要特点和积极效果是：
建立参数化的单向导通装置主回路三维模型，通过简单的改变驱动参数值就能建立和分析新的模型，提高母排的优化设计效率；通过优化母排尺寸降低母排重量可直接的降低单向导通装置的生产成本；通过对干涉、最小间隙和均流度进行约束，可保证优化后装置的可靠性。