多目標(biāo)列車自動運行控制策略研究與仿真

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1、蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文1緒論1．1論文背景及意義中國的國土面積共九百六十萬平方公里，是世界第三大國，同時，十三億人口，讓中國當(dāng)之無愧的成為世界上人121最多的國家，這也意味著中國各地區(qū)之間的人員流動量是相當(dāng)巨大的，每年的春運時分，長假時節(jié)，都會帶來數(shù)量巨大的人員流動。鐵路作為一種常見的交通工具，有著運輸量巨大，速度較快，運輸距離長等特點，這也使得鐵路在中國的交通運輸中起著舉足輕重的作用。目前，中國鐵路正處于高速發(fā)展階段，無論是既有線的改造還是新型高速線路的建設(shè)，都大踏步的前進。隨著鐵路發(fā)展，火車的速度也不斷地提升著，從不足100km／h，提升到200km／h，直到突破300k

2、m／h。京津高鐵、京廣高鐵等高鐵線路的建成，極大的縮短了旅途的時間?？梢哉f，近十年來中國鐵路的發(fā)展取得了舉世矚目的成就。然而，在輝煌的同時，應(yīng)該看到中國鐵路存在的差距及問題。這主要體現(xiàn)于以下幾個方面。(1)鐵路運輸能耗巨大，造成能源壓力近年來，全球能源問題日益突出，而鐵路運輸部門一直以來是我國國民經(jīng)濟中能源消耗最大的部門之一。我國的能源供給一向面臨諸多方面的困難，而鐵路系統(tǒng)的巨大能源消耗更是加重了我國能源供給的壓力，同時，這種高消耗也極大地限制了鐵路運營商的效益獲得。而在鐵路所消耗的能源中，列車運行能耗占據(jù)了大部分，達到六七成之多。而列車運行中的能耗，與列車的控制策略是息息相關(guān)

3、的，在同一條線路中，不同的控制策略所消耗的能耗也是不同的，而且有時這種差異是明顯的。因此如何控制列車運行而使得能耗減小具有現(xiàn)實價值意義。(2)晚點情況普遍，限制運輸效率的提升在一些鐵路發(fā)達國家，如日本的新干線，年平均晚點時間不到一分鐘。而在我國鐵路運輸中，晚點現(xiàn)象較為普遍，少則幾分鐘，多則一個小時。鐵路系統(tǒng)是一個環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)，往往牽一發(fā)而動全身，一輛列車的晚點往往導(dǎo)致一系列晚點現(xiàn)象的發(fā)生，因此這種晚點情況會極大降低鐵路系統(tǒng)的運輸效率。而晚點的發(fā)生通常是因為某列列車控制策略的不當(dāng)導(dǎo)致的，未來的鐵路是以高效運輸為一個重要發(fā)展方向，因此通過優(yōu)化控制策略而間接降低晚點率對提高運輸效率

4、具有實際意義。(3)停車精度差，不利于長遠發(fā)展在大鐵火車站中，站臺的長度通常較長，所以一直以來對于列車停靠站臺的精度要多目標(biāo)列車自動運行控制策略研究與仿真求并不高，然而，隨著鐵路效率的提升以及列車運行間隔時間的縮短，列車?？空揪炔畹谋锥藭饾u顯現(xiàn)出來，這也會成為制約鐵路正常運轉(zhuǎn)的重要因素。在地鐵中，列車?？空九_的精度可控制誤差O．3m以內(nèi)，?？课恢玫母呔_度不僅方便了乘客的候車過程，更是增加了乘客上下車的效率，這些優(yōu)勢是顯而易見的。因此對現(xiàn)有控制策略進行改進使得?？烤鹊玫奖ＷC是具有長遠發(fā)展意義的。(4)列車運行舒適度有待提高隨著列車運行速度的不斷提升，意味著列車速度的變化幅

5、度也會越來越大。在運行過程中，一套不合理的控制策略會可能導(dǎo)致列車的突然加速以及突然減速，這些都會影響到乘客乘坐列車的舒適度，嚴(yán)重時會危及到乘客的身體健康。為避免此種情況發(fā)生，需要在制定控制策略時考慮到乘客的舒適度問題。在以人為本的大前提下，當(dāng)前鐵路的發(fā)展中，舒適度也將會作為一項重要的發(fā)展指標(biāo)。綜上所述，可以看出，尋找到一種控制策略，在保證安全、準(zhǔn)點與舒適的情況下，盡量節(jié)省能耗與提高?？烤龋瑢τ阼F路的高效發(fā)展具有重大意義。1．2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀列車控制問題一直以來都是鐵路運輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題，國內(nèi)外有關(guān)科技工作者對于此類問題做出了廣泛深入的研究。國外學(xué)者對于列車運行過程控制問題的

6、研究開展較早，無論在基礎(chǔ)理論還是仿真優(yōu)化研究方面都有著豐碩的研究成果。早在二十世紀(jì)六十年代，日本、美國以及前蘇聯(lián)等國家便已開始了這方面的研究。文獻[1】中將動態(tài)規(guī)劃理論引入列車運行過程問題，把問題轉(zhuǎn)化為一系列單階段問題進行求解，這種方法時間復(fù)雜度偏高且浪費計算資源，不利于計算機實時計算。文獻[2]深入研究了列車運行過程中惰行控制與控制策略的關(guān)系，并闡明了惰行控制調(diào)整運行時間的方法。最初的研究都是在假定線路無坡道、無限速的前提下進行的，這使得理論研究與實際情況存在較大差異。針對此問題，之后的學(xué)者提出了“常坡道”模型以及變坡道模型理論。文獻[3]以極小值原理研究列車能耗優(yōu)化問題，推

7、導(dǎo)出一組列車最優(yōu)控制序列，并指出列車短距離下的最佳節(jié)能操縱策略為最大加速，惰行和最大制動的順序組合。文獻[4]使用離散型機車模型研究了在復(fù)雜線路下的優(yōu)化控NI灑-J題，通過一系列的轉(zhuǎn)換點求解列車在邊坡、限速以及陡坡情況下的列車運行策略。制動的位置等。文獻[3，4]的研究雖然仍然存在某些局限性，但不可否認(rèn)的是他的工作奠定TYU車節(jié)能操縱問題的理論基礎(chǔ)。文獻[5]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在列車長距離運行情況下，經(jīng)濟的操縱策略還應(yīng)當(dāng)有恒速運行階段，并且進行了大量的仿真研究，以證實推論的正確性。蘭州交通大學(xué)碩士