貨運(yùn)列車節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化與智能控制方法.pdf

1、軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、污染小、安全高效、準(zhǔn)點(diǎn)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，正在逐漸成為國民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈和現(xiàn)代城市交通運(yùn)輸?shù)闹黧w骨架。隨著我國高速鐵路網(wǎng)的快速建設(shè)，既有鐵路的功能定位將逐漸向貨物運(yùn)輸傾斜，形成更加高效、安全、快捷的貨運(yùn)通道。近年來，社會(huì)對(duì)能源安全和環(huán)境保護(hù)問題日益關(guān)注，軌道交通節(jié)能，特別是大功率電力機(jī)車牽引的貨運(yùn)列車的節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化與控制問題，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　貨運(yùn)列車是一個(gè)高度非線性、大慣性、運(yùn)行環(huán)境惡劣、

2、控制難度大的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，其運(yùn)行過程是復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜環(huán)境相緊密耦合，形成的更為復(fù)雜的非線性、多約束、多目標(biāo)、時(shí)變過程。本文圍繞綠色、安全、智能的貨運(yùn)列車運(yùn)行控制，開展了如下幾個(gè)方面的工作:
　　貨運(yùn)列車集總模型構(gòu)建:論文在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上對(duì)列車系統(tǒng)的受力分析、運(yùn)動(dòng)方程、約束條件的建模進(jìn)行凝練和拓展，結(jié)合被控對(duì)象特征，采用分段線性化、模糊邏輯、多模態(tài)建模等方法對(duì)模型進(jìn)行了完善，構(gòu)建了列車運(yùn)行集總模型，較全面地體現(xiàn)了被控對(duì)象的關(guān)鍵特征

3、，為后續(xù)的優(yōu)化計(jì)算和智能控制提供更為堅(jiān)實(shí)的模型基礎(chǔ)。同時(shí)，集總建模是對(duì)傳統(tǒng)建模方法的一種拓展，也是對(duì)復(fù)雜對(duì)象建模的一種有效嘗試。
　　列車運(yùn)行能耗關(guān)鍵要素敏感度分析:論文對(duì)影響列車運(yùn)行能耗的主要影響因素進(jìn)行了仿真計(jì)算和對(duì)比分析，直觀地體現(xiàn)各個(gè)因素對(duì)運(yùn)行能耗的影響程度，以便在速度曲線優(yōu)化和運(yùn)行控制過程中對(duì)各種因素進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，并作為相關(guān)操縱策略選擇的決策依據(jù)。論文通過仿真證實(shí)了最優(yōu)惰行關(guān)系在一定的計(jì)算精度下，表現(xiàn)為一個(gè)區(qū)域，而非僅僅

4、是一個(gè)點(diǎn)。為了便于程序?qū)\(yùn)行時(shí)問的精確控制，和統(tǒng)籌把握計(jì)算速度與計(jì)算精度之間的平衡關(guān)系，本文提出將能耗曲線的谷底區(qū)段按照能耗隸屬度函數(shù)設(shè)置為基于置信區(qū)間的最優(yōu)切換區(qū)域。從對(duì)能耗的影響程度來看，對(duì)于計(jì)劃運(yùn)行時(shí)分的充分利用才是速度曲線優(yōu)化和運(yùn)行控制過程中最為關(guān)鍵的要素。
　　列車節(jié)能運(yùn)行目標(biāo)速度曲線優(yōu)化:論文在列車運(yùn)行過程四模態(tài)理論的基礎(chǔ)上提出了六模態(tài)劃分方法?；诶硐霔l件下的最優(yōu)速度曲線與實(shí)際工況的有機(jī)結(jié)合，以人類的先驗(yàn)知識(shí)對(duì)優(yōu)化過

5、程進(jìn)行啟發(fā)式引導(dǎo)，提出了基于步長自適應(yīng)和雙向迭代的速度曲線優(yōu)化算法，可以快速確定模態(tài)序列及其切換點(diǎn)在時(shí)間和距離維度上的位置坐標(biāo)，然后按照充分利用計(jì)劃運(yùn)行時(shí)分的原則，結(jié)合最優(yōu)切換區(qū)域?qū)η袚Q點(diǎn)在給定鄰域內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整。對(duì)于陡坡區(qū)段，論文按照分層優(yōu)化的思路，提出了平均速度等效算法進(jìn)行局部近似，在不影響能耗水平的前提下，將復(fù)雜的全局優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的局部?jī)?yōu)化問題。
　　列車運(yùn)行速度跟蹤控制:針對(duì)貨運(yùn)列車運(yùn)行過程的非線性、大滯后、多目

6、標(biāo)、多約束的特點(diǎn)，在目標(biāo)速度曲線給定的基礎(chǔ)上，采用了牽引力前饋的方法，有效緩解了貨運(yùn)列車的大滯后特性帶來的收斂速度慢的問題，較好地提升了控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)列車運(yùn)行過程多模態(tài)的特征，論文對(duì)應(yīng)設(shè)置多個(gè)FPID子控制器構(gòu)成MM-FPID控制器，各個(gè)子控制器根據(jù)所對(duì)應(yīng)模態(tài)的需求特征進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，較好地回避了控制器設(shè)計(jì)過程中不同要素的相互制約與平衡問題。針對(duì)車速超調(diào)在低限速區(qū)段引起的撞線制動(dòng)問題，采用了牽引力自適應(yīng)限幅的方法，在無需增加限

7、速安全裕量的前提下，收到了滿意的控制效果。并充分融入NN在學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)，提出了MM-FPID+NN的組合控制器，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定的列車速度跟蹤控制。
　　列車運(yùn)行控制計(jì)算機(jī)仿真平臺(tái)設(shè)計(jì):論文在列車節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化和車速智能跟蹤控制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套列車運(yùn)行控制計(jì)算機(jī)仿真軟件，使得優(yōu)化及控制的仿真效果能夠得到直觀展示。該仿真軟件既可以為相關(guān)的科學(xué)研究提供仿真計(jì)算工具，也可以為實(shí)際鐵路生產(chǎn)中的生產(chǎn)計(jì)劃編制、優(yōu)化、調(diào)整提供理

8、論指導(dǎo)和參考依據(jù)。
　　論文通過對(duì)上述問題的研究，揭示惰行范圍對(duì)能耗的影響程度以及再生制動(dòng)對(duì)最優(yōu)惰行關(guān)系的影響規(guī)律，對(duì)現(xiàn)有列車節(jié)能運(yùn)行基礎(chǔ)理論起到了有效補(bǔ)充和完善，初步探索運(yùn)行能耗與計(jì)劃運(yùn)行時(shí)分、線路條件、運(yùn)行速度、牽引定數(shù)、牽引特性等要素之間的關(guān)系及其大致規(guī)律，提出簡(jiǎn)單、快捷、精確、高效，且易于工程化的速度曲線優(yōu)化方法，為列車速度跟蹤控制提供跟蹤對(duì)象。車速跟蹤控制器較好地克服了列車系統(tǒng)的大滯后、非線性特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)速度精確、高