列车自动驾驶方案优化及仿真研究.doc

兰州交通大学硕士学位论文列车自动驾驶方案优化及仿真研究姓名：葛小龙申请学位级别：硕士专业：交通运输规划与管理指导教师：李引珍20110614 是幕。珹是虯的技术延伸和发展的最高状态。 琧琣甌 琣琣； 选题的背景与意义在未来的十多年里，中国铁路将会长期处于高速发展的时期，进一步形成高速化的运专线将会达到万公里以上。为了满足我国国内日益增长的旅客运输需求，国家为了满足列车运行速度的不断增长，我国科学家一直都在努力进行着列车控制系统 列车自动驾驶方案优化及仿真研究中得到了广泛的应用。自动控制系统。科学家们在实践中发现，许多比较繁琐的、无法用电脑来实现的列车运行控制，列车驾驶员却可以很轻松的完成。于是科学家们从中得到了启发，将这些驾驶员的经验制作成为一个经验库。常用的智能控制算法有：模糊控制算法、模糊预测控制算法、专家控制算法、遗传控制算法以及神经网路控制算法等。在这一领域研究比较早的科学家有日本的 了实验测试口。新加坡的学者甋系统的运行控制。这一控制理论神经网络控制系统到列车自动驾驶系统中，将传统的通过速度控制转换为通过位置来控制的控制方法睛】。原理和模糊控制理论相结合，提出了基于最大值原理的模糊控制算法，并将这一算法成 列车自动驾驶方案优化及仿真研究第一章绪论第三章牵引计算的力学模型 列车自动驾驶简介列车自动驾驶子系统的主要作用是能够代替列车驾驶员，自动地驾驶列车在已有的铁路线路上安全运行。利用列车上的车载信息和运行区间的地面信息实现对列车启动、牵引、制动、惰行运行等一系列的运行控制。它使列车可以安全平稳地自动加速到合适的行驶速度，并且根据线路状态的不同来自动调节列车的运行速度，最终将列车停在车站的准确位置上。列车超速防护子系统是控制系统中主要负责列车安全运行监测的部分，具有列车运 ：山 用，从而完成运输任务。列车运行中要满足多个目标，主要包括以下几个方面： 列车自动驾驶方案优化及仿真研究 如果列车轮对规定的半径是尺。，轮对与钢轨摩擦所产生的损耗上线为口，则轮对在 列车自动驾驶方案优化及仿真研究生的各种各样的摩擦、列车轮对与线路轨道之间的摩擦以及整列车与空气之间所产生的压力差所导致的阻碍列车运行的力。附加阻力的构成包括列车在坡道上运行时由于重力势能所产生的阻碍列车向前运行的力、列车在通过线路曲线时由于曲线上向心力的影响以及外轨超高所引起的阻碍列车向前运行的力和列车在线路上运行通过隧道时由于前。列车运行的基本阻力主要由五个方面的因素构成： 兰州交通人妒垦：论文 空气阻力系数有关。它们的关系表达式如式所示口：涣谐翟诵兴俣 列车在坡道上运行时由于重力势能所产生的阻碍列车向前运行的力就是坡道附加涣谐抵柿百饥一单位曲线阻力 列车自动驾驶方案优化及仿真研究 使它的运行速度可以达到痟以上，而且本款列车的最高的测试速度可以达到痟以上，满足了现有的铁路线路的速度要求。动车组由八辆车体组成，其中包括四个动车和四个拖车，并且前四个车体为一个动力单元，后四个车体为一个动力单元，每个动力单元分别由二个动力车和二个拖车组成。其组成方式为狹。动车组编组中代号意义如表所示。盒投底楸嘧橹写乓庖濉 列车自动驾驶方案优化及仿真研究缁缪埂畑膌：琷弱、二鎙。乙乙。崎；如逶盔：款，嘴髫：縷投底榈那匦郧咄糿蚋图插值计算牵引力 在图中点，偷鉈，直鹞6底榍匦郧呱系个已知点，点：疺 列车自动驾驶方案优化及仿真研究可以分别采用两种不同的制动方式：空气制动和再生制动。其工作原理如图所示。猅一电气 仇仇一闸瓦与车轮踏面的摩擦系数再生制动是另外的一种制动方式，是列车在限速要求的情况下或者是在停车进站的时候采用的一种制动方式，它的制动力要比空气制动的制动力小。当列车采用制动工况时，作用在列车动车轮对上的电力转换装置将自动的转变为发电机，它的工作原理是将 广弧。霄嘲稍鹚力一：海甹!馸瘛，二鼍溺一二：；觯痟 卜列车所受合力，一列车所受的附加阻力痵 旷整个动车组的重量根据动能定律可知，动能的增量应该等于作用在列车上的合力所作的总功，即 施，讲!令旦：破湮铀俣认凳牍可以得到列车运动方程的一般形式为：所以动车组的运动方程可以写为： 对上式进行两边积分，可以得到求解列车运行距离的方程：去幽由于被积分式中的单位合力是速度的复杂函数，如果直接利用公式来求解动车组的运行时分和运行距离会有很大的难度。所以通常在实际的运行时分和运行距离计算时，采用简化的方法，如图所示的单位合力简化图一样，通过把列车速度的范围划分为若干个速度区间，以有限小的速度区间来代替无限小的速度变化值，由于区间无限小，所以就可以认为在这一区间内的单位合力是常数。因此，在每一个速度 上所以列车在每一速度区间内运行的距离为：令兰亏生，：一，可得：幻扛鏊俣惹涞乃俣仍隽浚琸痟 列车自动驾驶方案优化及仿真研究 列车自动驾驶方案优化及仿真研究传统的多质点模型百 图列车所受内部作用力示意图如图所示，整个列车中第胛辆车前车钩与后车钩所受的力分别是和，在加凇坏冢疘辆车所受的附加阻力 竺所以第刀辆车所受的合力为：出第一辆车的后车钩所受的力。根据作用力与反作用力的原理，就可以得出第二辆车的口唬籅后籅輑籞。 本文研究的列车运行仿真系统，主要是模拟高速客运专线的运行，并且为了使得软件的模拟达到比较好的效果，采用为计算单位合力的步长，所以将以为单位将整个列车分成确郑恳坏确志涂梢钥醋魇且桓鲋实悖佣纬沙任狽的质点链。如图所示：列车在平坡道上采用单质点受力还是采用多质点受力效果都是一样的，而在变坡道上，曲线上，隧道上的受力就有很大的区别。以图为例：将六个质点分别图多质点受力分析一 列车运行的目标曲线是列控系统的输入，列车运行的过程看上去是通过算法的控制，而实际上是列车对列车运行目标曲线跟踪的过程，在传统的列车运行的时候，司机将严格按照列车目标曲线来驾驶列车运行，从而保证列车安全、正点运行。由此可知，目标曲线的正确与否将会影响到列车的实际运行状态，列车驾驶司机将围绕列车的运行目标曲线采取牵引、惰行、制动等操作。一般的将列车运行目标曲线分为三部分：启动目标曲线、区间目标曲线、停站目标曲线。其中启动目标曲线主要是采用最大的牵引力使列车启动；区间目标曲线侧重于保证列车在限制速度以内实现旅客舒适、准时以及节能的要求；停站目标曲线则侧重于保证列车的定点停车，即停车精度。下面将具体说明列车运行目标曲线的生成方法。在本文中，程序的设计将以为一个单位步长进行计算，所以列车在区间内的 呵J迹宰畲笄谐翟诵校瑅痟，；区间目标曲线的形成停站运行目标曲线的形成 列车自动驾驶是一个非常复杂的运动过程，不仅要考虑到列车运行的特点以及线路的状态，还要综合考虑列车的安全性、节能性、旅客的舒适度、列车运行的正点率以及列车的进站停车精度等。采用合理的驾驶策略是保证列车安全、正点运行的关键。本文应用了预测控制理论，对列车限速处理策略、工况选择策略和列车自动驾驶控制策略进行分析研究。在预测控制中的优化主要集中表现在优化的目标不同与全局的优化控制性能，而采用的是在有限时段的滚动优化策略来表现的。在每一个采样的时刻，优化的性能指标只能涉及到从该时刻起到未来有限的时间点为止，然后再到下一采样时刻开始，与此同时，这一优化的时间段同时向前推移。所以，在整个预测控制中，优化的整个过程不是简单的一次离线进行，而是反复地在线进行的。 限速处理策略，高低型低一高型图两种比较典型的限速组合当列车从高速运行区间向低速运行区间转换时，就要采取相应的操作策略，一般将会采取惰行操作或者制动操作。无论采取什么样的操作都将会面临同样的问题：减速距离的计算，如果采取的工况不恰当或者不及时将会不能满足限速的要求，从而无法保证列车的行车安全。这就要求在采取不同策略的同时设计合理的算法来实现列车的减速运行。毫谐导绦凑盏鼻肮鱿蚯霸诵兄钡絪鱏落在徽迹琒范围之内转 杭偕璨捎弥贫鲈诵校扑懔谐翟诵兴俣却，到坏弥贫嗬胛!鱏。，在本文中假设列车此时在低速区间运行，当前的运行速度为呦匏傥猇。勰，低捎们觯蛔猄旱绷谐翟诵械乃俣萔，麟一时，采用牵引工况；当列车运行的速度工况选择策略表工况转换表 列车自动驾驶方案优化及仿真研究列车自动驾驶系统应该具有的性能指标主要包括：高效性、准时性、停车精度、舒适性、节能等。在这些性能目标中，高效性可以在实现列车自动驾驶中在通过能力等方面体现；旅客的舒适度可以通过控制列车的最大加减速度和加减速度的变化率来体现，这里不作详细的叙述。本文将对列车的节能性、运行的准时性、列车停站精度等方面加以描述。其中：正，杉，琗，琭，丁形一每个子区间所运行的目标速度 通过以上分析得知，节能的优化目标由两部分组成：一部分是各个子区间的优化；本文设计如下启发式定时算法：焊谐档淖茉诵惺狈諸； 列车自动驾驶方案优化及仿真研究，。”应豳图列车自动运行软件模块设计示意图 的程序设计语言，具有丰富的数据类型和结构化程序设计结构，其代码结构清晰、简捷易懂。同时具有强大的数值和字符串处理功她；丰富的图形指令；支持顺序文件访问和随机文件访问以及完善的运行出错处理机制等。 列车自动驾驶方案优化及仿真研究软件的主体框架介绍及模型程序设计图列车自动驾驶软件主界面 表线路数据“；二。“；：。一！籭为了方便程序的设计，将线路数据划分为五个子区间，区间划分表的划分依据是根表区间划分表。、。，、 列车自动驾驶方案优化及仿真研究；，弱笺鬻簿秽”棼。”一。，篿”薯“譬。，：竹，雾繁刈蹋籭，：瘴毓爵套。，誊艚，一早，十图线路纵断面图表适应站台高度最高运行速度最高试验速度 列车自动驾驶方案优化及仿真研究表单质点与多质点的线路数据一弧簀粒瑃当叠鼍鼍吐砧薯琠 ，。协、， 墨千一寺卜图是通过软件设计的单质点模型与多质点模型比较自动驾驶算法实现模块由六个子模块组成：目标曲线模块、牵引模块、惰行模块、制动模块、惰行距离模块、制动距离模块。在以上六个子模块中包含了限速处理算法、节能算法、准确停站算法等。通过上述算法的设计，将计算出列车运行的猄曲线图，以及列车的停战精度、列车的运行时分精度和列车运行总能耗。如图，所示为本文设计的自动驾驶运行结果图： 列车自动驾驶方案优化及仿真研究。灰弧鎗乏。，鼍潮毒漳螺翳摅玻灰籵。蜘蚋每曼蓐。毒影，“璧一东一，一岁厂晏名图自动驾驶算法模块目标曲线呈示曩鬃秀誮萋黪髯簀蘩零黪静：争 ：爱曼丢 列车自动驾驶方案优化及仿真研究列车自动运行模式列车手动驾驶模式列车运行距离列车运行时分列车终点速度列车累计能耗 力，其中包括列车的启动牵引力、列车的制动力、列车运行时的基本阻力和附加阻力以捎谙钟械淖柿先狈低持饕Q芯苛薈，型动车组在线路合宁线永宁镇站 参考文献，：董海鹰，党建武基于框架式模糊谐底铱刂葡低持J侗硎狙芯縖铁道场学报，。，国资委网站中国通号城轨列车自动运行系统通过技术审查畇，崔世文，冯晓云列车优化操纵与自动驾驶模式的研究与仿真阑盗荆 樊金生经典编程齕北京：光明日报出版社， 点模型循环程序料料料料料料 訡綾，匕癿 列车自动驾驶方案优化及仿真研究定义列车的初速度定义列车运行上一时刻总定义列车运行当前时刻总定义列车运行上一时刻总定义列车运行当前时刻总定义列车运行的循环变量木木木爿肱耄琁枣宰宰串宰宰幸枣木木幸宰掌串串水木多质点弓瞿拘以自啄枣木奉幸唯掌母幸木木幸木木幸奉枣木木木木宰木 痸猰綱綾獀譪木木，木琑，够木毒幸木木木木专奉乖木木乖木拳木乖枣木木木木幸木木木径栊怨鲋写料料纝枣乖枣木枣木幸謇幸木幸綾拳 列车自动驾驶方案优化及仿真研究启动阶段代码如下定义列车提供的原始动力，包括机车牵引力和列车制动力 定义坡道的变量定义列车走行时间的变量 木奉木宰襳襝 车堆綾一，牛，籺，枣一一一畍琑， 木狢 瓹 甈甃，木一木，瓹够表示列车运行单位基本阻力宰狢 一一猰襐褻綜惰行距离计算模块 表示列车运行单位基本阻力表示列车运行的距离表示列车的长度表示列车运行