（交通运输规划与管理专业论文）列车节能操纵优化问题的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 能源是人类生存和生活必不可少的物质基础。我国能源生产量居世界第三，然而 由于人口众多，人均拥有量较低，再加上能源利用率不高，节能势在必行。在我国， 铁路运输担负着运输事关国计民生国家重点资源的重要任务。虽然它相对于其他运输 方式具有能耗低的特点，但是由于运量非常大，其所消耗的能源总量也十分巨大。因 此，铁路运输节能提效具有重大的意义。 在铁路运输能耗中，机车牵引能耗占到铁路能耗的6 0 7 0 。因此，降低机车牵 引能耗对于降低铁路运输能耗具有举足轻重的作用。论文以安徽大学程家兴、程锦松 教授等提出的优化型运行方案结合启发式算法寻优的研究方法为理论基础，结合现场 情况对该方法的模型进行了一定的改进。优化型运行方案结合启发式算法寻优的研究 方法假设了列车控制手柄位有限并且预确定。论文将这一理想化假设现实化，使列车 的控制手柄位与实际情况相符，并且将手柄位控制序列作为算法输出结果之一。在优 化型运行方案结合启发式算法寻优的研究方法所建立的模型的基础上，论文吸纳了西 南交通大学王自力教授等提出的局部优化仿真结合全局寻优策略方法的研究思路，在 运用遗传算法全局寻优之前以优化运行原则为指导对各种参数进行纵断面坡道化简、 限速初始化、坡道最大均衡速度计算、调整坡道确定等局部优化计算，以缩小决策变 量的范围、改进目标函数并提高启发式算法的搜索速度。 最后，论文应用v c + + 6 0 和m a t l a b 软件以合肥枢纽合肥东至三十里铺区间数 据资料为实例计算出了列车在区间运行的最优方案，并绘制了列车的速度一距离曲线 图和机车手柄位一距离操纵曲线图，与该区间的原有计算结果进行对比分析，证明了 该算法可行，并且具有较优的计算结果。 关键词：列车牵引计算，操纵优化，节能，遗传算法 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1l 页 a b s t r a c t e n e r g yi sd e f i n i t e l ye s s e n t i a lt op e o p l e ss u r v i v a la n dq u a l i t yo fl i v e s c h i n a se n e r g y p r o d u c t i o nr a n k s 血i r di nt h ew o r l d t h e r e f o r e 1 0 wv o l u m ep e rc a p i t ad u et oh u g ep o p u l a t i o n a sw e l la st h el o we n e r g yu t i l i z a t i o nr a t i om a k e si ti m p e r a t i v et os a v ee n e r g y i no u rc o u n t r y t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o nb e a r st h ei m p o r t a n tm i s s i o no ft r a n s p o r t a t i o no fc r u c i a lr e s o u r c e s w h i c hh a v es t r o n ga f f e c to nt h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h ep e o p l e sl i v e l i h o o d a l t h o u g hi t f e a t u r e si nl o w - e n e r g yc o m p a r i n g 诹t l lo t h e rw a y so ft r a n s p o r t a t i o n ，t h et o t a la m o u n to f e n e r g yc o n s u m p t i o ni sq u i t eh u g eo w i n gt ot h ee x t r a o r d i n a r yl a r g ev o l u m e h e n c e ，t h e r a i l w a ye n e r g ys a v i n gi so fg r e a ts i g n i f i c a n c e 砀el o c o m o t i v et r a c t i o nf u e lc o n s u m p t i o no c c u p i e s6 0t o7 0p e r c e n to ft h er a i l w a ye n e r g y c o n s u m p t i o n 砀姻t h er e d u c t i o no ft h el o c o m o t i v et r a c t i o nf u e lc o n s u m p t i o np l a y sa n i m p o r t a n tr o l e i nl o w i n gd o w nt h er a i l w a ye n e r g yc o n s u m p t i o n t h et h e s i st h e o r e t i c a l l y b a s e so nt h em e t h o d ，p r o p o s i n gb yp r o f e s s o rc h e n gj i a x i n ga n dp r o f e s s o rc h e n gj i n s o n g ， w h i c hi st h ec o m b i n a t i o no fs t r a t e g i e so fo p t i m a lt y p ea n dh e u r i s t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n , a n dm a k e ss o m ei m p r o v e m e n ti na s s u m p t i o n s ，m o d e l sa n da l g o r i t h m sa c c o r d i n gt ot h ef i e l d c o n d i t i o n n l ep r e v i o u sr e s e a r c ha s s l l n l e st h a to n l yc e r t a i nd i s c r e t et h r o t t l es e t t i n g sa r e p o s s i b l ea n dt h es e q u e n c eo ft h r o t t l es e t t i n g si sg i v e nb e f o r e h a n d t h et h e s i sa c t u a l i z e st h i s i d e a la s s u m p t i o na n dm a k e st h es e q u e n c eo ft h r o t t l es e t t i n g so u t p u to ft h ea l g o r i t h m o nt h e b a s i so ft h ep r e v i o u sr e s e a r c h e s m o d e l ，t h i sp a p e re x e c u t e ss o m ei n i t i a lc a l c u l a t i o n ，s u c ha s p r o f i l er a m ps i m p l i f i c a t i o n , s p e e dl i m i t si n i t i a l i z a t i o n , c a l c u l a t i o ne a c hr a m p s s u p r e m e b a l a n c i n gs p e e d ，d e c i s i o no fa d j u s t i n gr a m p ，a n ds oo n ，t on a l t o wt h es c o p eo ft h ed e c i s i o n v a r i a b l e ，s i m p l i f yt h em o d e la n di n c r e a s et h es e a r c h i n gs p e e do ft h eh e u r i s t i ca l g o r i t h m a tl a s t t h i sp a p e rf i g u r e so u tt h es e c t i o nt r a v e l i n go p t i m a ls c h e m eb yu s i n gv c + + 6 0a n d m a t l a bs o f t w a r ea c c o r d i n gt ot h ed a t a o ft h es e c t i o nb e t w e e nh ef e ie a s ta n ds a ns h il i p ui nh ef e ih u b ，p l o t st h ev e l o c i t y - d i s t a n c ec u l v ea n dt h et h r o t t l es e t t i n g s d i s t a n c ec u r v e a n dp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h ea l g o r i t h m a n dc o m p a r e st h er e s u l t s 、撕mt h ep r e v i o u sr e s u l t s o fo t h e ra l g o r i t h mi nt h es a m es e c t i o na n dp r o v e st h ea l g o r i t h m sf e a s i b i l i t ya n db e t t e r r e s u l t s k e y w o r d s ：t r a i nt r a c t i o nc a l c u l a t i o n , o p e r a t i o no p t i m i z a t i o n , e n e r g ys a v i n g ，g e n e t i c a l g o r i t h m 西南交通大学曲甯父逋大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西 南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在 年解密后适用本授权书； 2 不保密团，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：强熟 指导老师签名：厶 日期：乒口l 口岁拍 醐一限f 7 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 运用文献资料研究方法，归纳总结出国内外学术界在列车节能操纵优化领域所提 出的问题、研究成果以及待解决的问题，在此基础上探讨本课题的研究思路。 2 从列车实际运行情况入手，全面的分析了影响列车运行的各种主要因素，综合考 虑列车静态限速、列车运行时间和距离、手柄位持续时间等约束条件，建立定时约束 条件下的双线区段单方向单列车节能操纵模型。 3 以系统工程的思想为指导设计出由纵断面坡道化简、限速初始化、坡道最大均衡 速度计算、调整坡道确定等子算法所组成的启发式算法。 4 通过调查研究方法收集实例数据进行计算，并将计算结果与已有算法的实例结果 进行比较分析，以验证算法的正确性、可行性与优越性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：拟堑 日期：矽f o j 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 1 1 1 研究背景 1 运输部f - l f i 皂耗铁路运输能源消费主要的是煤炭、柴油与电力。在铁路各部门中， 运输部门的能耗占到铁路能耗的8 7 以上，如表1 - 1 所示。1 9 8 5 年一2 0 0 6 年，铁路运输 能耗从以煤为主发展到以柴油和电力为主，柴油消耗量增加了2 6 倍，电力消耗量增 加了8 0 倍，而原煤消耗量大幅降低，这主要是因为我国铁路牵引动力结构的变化。 表卜11 9 8 5 2 0 0 6 年铁路能耗情况6 7 l 2 机车牵引能耗机车牵引能耗占到铁路能耗的6 0 - 7 0 ，如表1 - 2 所示。机车牵引 能耗是铁路能耗的主要部分，因此，降低机车牵引能耗对于降低铁路能耗，从而降低 铁路运输成本，增加铁路运输效益有着举足轻重的作用1 3 1 。 表1 - 21 9 8 0 2 0 0 6 铁路运输部门能耗【3 6 i 3 机车拥有量我国铁路机车经历了以蒸汽牵引为主到以内燃、电力牵引为主的巨大 变化，能耗较大的蒸汽机车的数量正在迅速减少，内燃与电力机车则正在不断增加， 如表l - 3 所示。 表卜3 全路机车拥有餐f 4 3 1 随着科技的进步，我国铁路机车单位能耗逐步下降。1 9 8 0 年，蒸汽机车每万吨公 里耗煤“6 5 千克，内燃机车每万吨公里耗油3 9 0 千克，电力机车每万吨公里耗电1 4 2 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 千瓦小时：2 0 0 6 年，内燃机车每万吨公里耗油2 4 3 2 千克，电力机车每万吨公里耗电 1 1 0 0 千瓦小时。1 9 8 0 年，蒸汽牵引工作量( 总重吨公里) 占总牵引工作量的7 9 9 ，内 燃、电力牵引工作量只占2 0 1 ；2 0 0 1 年，蒸汽牵引工作量比例仅占0 4 ，内燃、电 力牵引工作量比例增至6 5 1 与3 5 2 。我国铁路牵引动力结构的变化对提高运能、增 加车速、节约能源和减少污染均有重要的意义t t l 。 1 1 2 选题的意义 能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类活动的物质基础。作 为世界上最大的发展中国家，我国是个能源生产和消费大国。能源生产量仅次于美 国和俄罗斯，居世界第三位。然而，由于我国人口众多，人均能源资源拥有量在世界 上处于较低水平。例如，煤炭和水力资源人均拥有量相当于世界平均水平的5 0 ；石 油、天然气人均资源量仅为世界平均水平的1 1 5 左右。除此之外，我国能源利用率很 低，2 0 0 5 年中国石油和石化工程研究会在京主办的燃油节能及环保技术研讨会上得出 我国能源利用率只有约3 2 ，比国外先进水平低十多个百分点。这就意味着我国节能 潜力巨大，能否以较少的能源投入实现经济增长的目标，在很大程度上取决于节能潜 力能否被有效挖掘。铁路运输部门是国民经济中耗能最大的单位之一，对于铁路节能 的研究具有重要的现实意义，从整个国家能源消耗来看也是值得注意的问题。 铁路运输担负着运输大宗矿石、石油、粮食、三农、煤炭等事关国民经济发展的 国家重点资源的重要任务。由于运量非常大，铁路运输所消耗的能源总量也十分巨大。 铁路运输的能源消耗涉及诸多因素，作为铁路运营工作的一项重要经济指标。在铁路 运输能耗中，机车牵引能耗占到铁路能耗的6 0 7 0 ，它不仅影响到运营成本的高低， 还反映了铁路运输组织工作的水平。因此，降低机车牵引能耗对于降低铁路能耗具有 举足轻重的作用。综上所述，在一定的牵引机车、车辆线路等硬件环境下和既定的运 行图、列车编组计划等运营管理状况下，改进机车的操纵方法以实现列车的节能运行， 是一条经济有效且直接可行的节能途径。通过研究列车节能操纵优化的相关问题，提 出切实可行的列车节能操纵算法，对铁路运输的可持续发展具有重要意义。 1 2 研究现状和待解决问题 1 2 1 研究现状 1 2 1 1 模型算法研究现状 由于列车运行环境复杂、影响因素多，因此给定时间条件下列车节能操纵问题是 一个非线性有约束动态最优化问题，各国学者在这一领域的研究大体可以分为三类： 第一类，优化型运行方案结合启发式算法寻优的方法。以给定的操纵控制杆的状态集 合为控制变量，以能耗为费用函数，建立基于离散控制的能耗模型。由于模型复杂， 求解困难，因此大量的研究都致力于算法设计和模型求解之上。研究学者有南澳大利 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 贞 亚大学s c g 研究所以及安徽大学程家兴教授、程锦松教授等。第二类，局部优化仿真 计算结合全局寻优策略的方法。研究学者有北京交通大学赵爱菊教授、西南交通大学 王自力教授、金炜东教授等。第三类，列车运行仿真结合启发式算法的研究方法。根 据节时、节能模式的运行结果，设计出列车定时运行的算法，同时利用计算机进行模拟 实现。研究学者有北京交通大学毛保华教授、丁勇、刘海东等。 1 优化型运行方案结合启发式算法寻优的研究方法 ( 1 ) 畿耗模型该类型的研究是在给定时间条件下，以电传动内燃机车为研究对象， 假设机车功率与单位能耗呈正比，依次研究某一区间水平坡道、水平坡道无曲线并带 有限速、分段常数坡道、连续变化坡度、分段常数坡度并带有限速情况下列车机械能 能耗最小的问题。 1 ) 水平坡道情况1 9 8 0 年，i p m i l r o y 以加速度为控制变量，而以驱动列车所需 的机械能为费用函数，建立基于连续控制的机械能模型。由于通常机车的手柄位是离 散的，因此连续控制的假设在实际情况中难以实现，这种模型未能如实反映控制的机 械原理，进而也不能正确表示出实际的耗费 9 1 。 1 9 8 9 年b e n j a m i n 等假设列车有有限个离散的操纵控制杆，每个操纵控制杆对应固 定的单位时间能耗，以给定的操纵控制杆的状态集合为控制变量，以能耗为费用函数， 建立基于离散控制的能耗模型1 。由于该模型是建立在假定机车功率与单位能耗呈正 比的情况下的，因此与实际情况不符。文献 1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 5 的研究都建立在这一 假设的基础上。为了弥补这一缺陷，1 9 9 9 年中国安徽大学程家兴教授研究了在给定时 间条件下，某一区间水平坡道列车能耗最小的问题，建立了机车功率与单位能耗不成 正比情况下的一般模型f 2 气。 1 9 9 2 年程家兴和p g t t o w le t t 1 41 ”5 1 引入关键速度的概念和两个决定关键速度的 参数，用牛顿迭代法调整关键速度的大小，提出对于任一确定的手柄位操纵序列，只 有在达到关键速度时实施手柄位转换，才能使燃油消耗最小化，得到可行的优化型运 行方案，然后对各不同手柄位序列的优化型运行方案进行比较得到最优方案。 2 ) 水平坡道无曲线并带有限速情况1 9 9 4 年p u d n e y 和h o w l e t t 研究了水平坡道无曲 线并带有限速的列车节能运行问题f 1 6 】。它的研究与 1 4 ，1 5 ，2 5 的研究类似，假设机车操 纵手柄位离散，操纵手柄位序列预先给出，然后利用三个关键速度找出控制模式转换 时的必要条件。 3 ) 分段常数坡道情况1 9 9 6 年h o w l e r 在水平轨道的优化型运行方案的基础上，将 其推广到坡度轨道的情形，给出了坡度轨道条件下优化类型运行方案的三个必要条件 和关键方程，并证明解的存在性及唯一性。它提出了通过将行驶距离划分成若干小的 区间而在该区间上解坡度为常数的若干个方程就可以以任意精度求出该问题的解i l 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 弟4 页 4 ) 连续变化坡度情况1 9 9 7 年h o w l e a 和程家兴的研究建立在 1 4 ，1 5 ，2 5 ，1 7 的基础上， 它假设电传动内燃机车制动力恒定不变，讨论了区间连续变化坡度列车优化操纵问题， 并建立了几个决定最优操纵策略的关键方程n 引。 5 ) 分段常数坡度并带有限速情况1 9 9 9 年o a v y d o v a ，p u d n e y ，h o w l e t t 和程家兴研 究了分段常数坡度并带有限速的情形f 19 1 。 6 ) 其他2 0 0 1 年，h o w l e t t 讨论了机车手柄位离散情况下的通用机车控制问题。在 没有手柄位控制序列限制，没有转换点数量限制的前提下搜索最优策略。他提出在一 般情况下优化策略包含了一些理想抖振控制分段，这种抖振控制在实际中需要一系列 的具有大量转换点的纯控制来实现。通过找到抖振控制和纯控制的转换点来解决该控 制问趔3 4 1 。 2 0 0 1 年，h o w l e t t 运用一般的运动方程来解决通用的列车控制问题。在给定时间 条件下，某区间连续变化坡道能耗最小问题。作者注意到离散控制能耗模型可以通过 不断在惰行与牵引工况间切换来无限接近连续控制机械能模型，他还提出了关键方程 的两个新的推导f 3 5 】。 2 0 0 9 年，h o w l e t t ( 未刊登) 在具有陡峭坡道的线路条件下，通过对每一陡峭分段 运用新的局部能量最小化原则可以分别算出每一陡峭分段的关键转换点。这个方法已 经成功的用于计算最优转换点并以车载设备的形式用于长途货物列车的操纵【3 6 i 。 ( 2 ) 算法求解安徽大学程家兴教授、程锦松教授与其他研究人员致力于算法设计与 模型求解上，近年来的主要工作包括：应用模拟退火算法与动态罚函数法1 2 6 1 、自适应 计算过程与遗传算法相结合 2 72 8 1 、调整转换速度的二维牛顿迭代方法1 2 5 1 、龙格一库塔法 与欧拉法及遗传算、法【2 9 1 、并行遗传算法【3 0 l 等方法求解列车节能控制的模型。 2 局部优化仿真计算结合全局寻优策略的方法 1 9 9 0 年，北京交通大学赵爱菊教授1 4 2 】研制了一套以单片机为主从结构的机车优化 操纵的微机指导系统，以优化原理与模糊控制理论为基础，离线优化计算和在线模糊 控制相结合。 1 9 9 4 年，西南交通大学王自力教授分析了列车运行的能耗构成，他引入了两个概 念：惰行进坡速度和动力制动进坡速度。他将线路分为若干子区间，在子区间内部局 部优化的基础上，通过比较各子区间的能耗降低率，优化的分配各子区间的运行时间， 合理地确定各子区间的进坡速度，使迭代向着整个区间总能耗最少的方向搜烈1 1 。 1 9 9 7 年，金炜东教授等在给定运行时间的前提下，研究一般线路( 具有起伏坡道) 某一区间单方向单列车节能运行的优化问题，建立一种局部优化仿真计算与全局寻优 策略相配合的仿真优化计算模型。首先，将线路进行预处理，即将列车运行区间分为 n 个子区间，一个典型的子区间是一个起伏坡道，包括若干上坡道，接着若干下坡道， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 其间可夹有平道，至下坡道出坡点结束。子区间优化操纵序列为：牵引，惰行，必要 时动力制动，必要时空气制动，缓解。通过离线仿真计算获得每个子区间优化操纵方 式的数值规律( 能耗和予区间运行时间之间的函数值关系) ，结合在线实时调整以获得 可行的满意解1 2 】。 1 9 9 8 年，金炜东教授等进一步重点讨论生成列车优化操纵速度模式曲线的智能计 算问题【3 3 】。该优化计算模型的结构是，将整个优化问题分解成局部优化和全局优化两 部分；通过仿真计算获得局部优化的数值规律；通过神经网络实现局部优化规律的数 据组织，作为在线实时信息处理的基础数据；用遗传算法进行全局优化计算，生成列 车优化操纵的速度模式曲线【2 1 。 3 列车运行仿真结合启发式算法的研究方法 1 9 9 9 2 0 0 3 年，毛保华教授，刘海东老师等开发了一套可用于不同运行条件下的列 车节能运行模拟软件，重点讨论在给定运行时间的前提下，研究一般线路( 具有起伏 坡道) 某一区间单方向单列车节能运行的优化问题，并建立列车节能操纵模型，给出 了求解的启发式算法。其计算步骤为：计算节时策略下列车运行数据；算出区间富裕 时分；计算各高低限速段分配的富裕时分；线路限速初始化( 线路初始化和高速到低速 过渡段初始化) ；确定列车操纵手柄位。开发的系统具有较好的通用性，它可以在不同 的列车控制策略下模拟不同线路条件，不同设备的运营效果，分析工程投资与运营费 用，提出在一定需求下的优化运营方案。在定时策略方面，所建立的系统在定时运行 时运算速度还比较慢，运算的精度还不够高f 3 4 5 6 j 。 2 0 0 3 - 2 0 0 5 年，毛保华教授，丁勇老师等在安全正点的前提下，研究双线区段下行 ( 上行) 方向单列车节能运行优化操纵问题，建立了适应国内运输特点的定时约束条 件下列车节能运行优化操纵的模型及启发式算法。其计算步骤为：列车运行限速的初 始化计算；目标速度算法设计；机车工况转换与手柄位确定算法设计。它的创新点： 第一，在以往研究的基础上，将研究线路由区间延伸至区段，考虑了列车正晚点，列 车在车站是否通过，列车种类，旅客舒适性，停车精度等条件。第二，引入了目标速 度的概念，它是确保列车正点运行的重要参数。第三，引入了坡道控制参数和平衡坡 道的概念，它们是求解机车的工况转换与手柄位确定问题的重要参数。第四，工况转 换和手柄位确定时提出了前推算法，并考虑了手柄位持续时间和高手柄位保持时间约 束1 7 8 1 。 1 2 1 2 操纵策略研究现状 1 9 8 1 年，i p m i l r o y 提出对于短途列车而言节能运行方案包括三个控制段：最 大加速运行、惰行和最大制动这三个阶段1 1 m 。1 9 8 7 年，b e n j a m i n 等通过实验证明了 m i l r o y 提出的操纵策略是节能的。1 9 8 4 年，p g h o w l e t t 证明：如果列车行驶时间相 对较长则必须有匀速行驶阶段而且优化运行方案应该包括最大加速运行、匀速运行、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 滑行和制动这四个阶段i 1 2 1 。 1 9 9 7 年，金炜东，王自力教授等【1 2 】提出节能的主要原则：减少列车动能的损失， 减少列车运行时克服基本阻力做功。他们还总结出有利于节能的列车运行工况：运行 时间一定时列车以匀速牵引运行克服的基本阻力功最小；列车以最大加速度加速可减 小加速过程中的基本阻力功；列车以最大制动能力制动有利于节能；列车制动前惰行 以降低制动前的运行速度有利于减少列车动能的损失：下坡时尽可能利用列车的势能， 尽量避免或减少下坡道调速制动。 2 0 0 1 年，冯晓云，何鸿云，朱金陵1 4 0 1 提出了列车运行的基本规则和列车优化操纵原 则。前者包括：状态迁移规则，状态保持规则和运行速度限制原则；后者包括：运行 状态选择原则，运行状态切换时刻的选择原则，消除过低速度原则及优化附加原则。 2 0 0 2 年，刘海东，丁勇等1 提出了节能原则：加速过程按最大牵引力计算；停车 制动按最大制动来计算；除了停车制动外，避免采用空气制动；在约束条件下协调采用 均速及惰行策略。 1 2 1 3 应用研究现状 1 9 8 5 年，s c g 在机械能模型的基础上开发了计算机在线操纵指导系统 m e t r o m i s e r ，并应用于指导列车优化操纵，它可以在列车运营过程中，实时计算分 析最优的列车运行模式，给出节能操纵序列，辅助列车驾驶员优化行车。该系统适用 于市郊和城市中区间较短的旅客列车运行，可以产生节能1 5 的效果并使列车在正点 到达方面有所提高p 7 1 ，但是它并不适用于长区段，带有起伏坡道的长区段以及带有多 限速的长区段。 1 9 8 9 年，b e n j a m i n 等在机车手柄位离散的条件下又开发了适用于长途货运列车的 节能控制系统c r u s e m i s e r ，用于长区段、多限速及初始列车参数未知的情况1 1 1 1 。 1 9 9 1 1 9 9 5 年，西南交通大学结合国家“八五”重点科技攻关项目减轻重载列车与 线路相互作用及优化操纵的研究，研制了新型车载微机系统“列车优化操纵指导装 置”，采用了离线寻优建立优化操纵运行数据库再结合在线实时调整的方法。 1 9 9 0 年，赵爱菊【4 2 】4 2 研制了一套以单片机为主从结构的机车优化操纵的微机指导系 统，以优化原理与模糊控制理论为基础，离线优化计算和在线模糊控制相结合，并在 北京型内燃机车上进行实验。实验结果表明，该系统提高了列车正点率、节省了燃油 消耗。2 0 0 0 年，毛保华等探讨了通用型铁路列车运行牵引过程模拟问题，开发了一套可 用于不同机车类型、不同闭塞制式、不同列车参数条件的通用模拟软件。系统重点探 讨了给定时分条件下列车操纵策略优化的模型及其启发式解法，初步实现了不同条件下 列车运行的优化 6 1 。 2 0 0 0 年，何鸿云、朱金陵等人设计了列车操纵示意图软件f 3 83 9 1 ，其目的在于代替 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 手工生成列车操纵的示意图，用于培训列车驾驶员。该系统主要应用于离散控制模式 的货物列车上，碰到复杂线路经常需要退回重算，因此，该系统的适应能力和应用范 围是较局限的。 1 2 2 待解决问题 对该研究领域的学者的研究进行对比分析不难发现在现有研究中仍然存在着待解 决的问题。 1 优化型运行方案结合启发式算法寻优的研究方法 学者侧重于列车优化操纵的理论研究，将列车节能操纵问题的前提条件逐步从理 想化向现实化转移，遵循了解决问题的的科学研究程序。然而其计算模型是建立在机 车手柄位控制序列预确定的假设条件下的，需要列出所有可能的机车手柄位控制序列， 并计算出每一种手柄位控制序列下的优化型运行方案( 能耗最小方案) ，然后从所有优 化型运行方案中选择最优，因此该种方法计算模型复杂、计算量大、求解较困难。列 车作为质点考虑，在坡道起伏变化较大的线路上，计算误差会较大。 2 局部优化仿真计算结合全局寻优策略的研究方法 学者采用了局部优化仿真与全局寻优相结合的计算结构，较好地兼顾了优化计算 的时效性及对环境状态( 计算参数) 变化的适应性与优化计算精度的要求。但该方法 是在设定的操纵序列下进行局部优化仿真计算的，并不能根据线路的实际情况确定出 优化的手柄位操纵序列。列车作为质点考虑，在坡道起伏变化较大的线路上，计算误 差会较大【埘。 3 列车运行仿真结合启发式算法的研究方法 学者运用已有的节时算法及节能算法( 不给定运行时间的节能) 以计算列车在区 间运行的最小时分以及在设定条件下的最大时分，为定时模式提供参照数据，设计出 列车定时节能操纵算法，同时利用计算机进行模拟实现，最后给出了模拟验算的结果。 由于该方法要运用节时算法及节能算法提供参照数据，所以在定时运行时运算速度还 比较慢，运算的精度还不够高。列车作为质点考虑，在坡道起伏变化较大的线路上， 计算误差会较大。 1 3 论文结构 1 3 1 研究目标 论文研究的目标为：在带有坡道无曲线的某铁路线路的某一区间，内燃机车牵引 某一货物列车从起始站出发，在给定的时间按节能运行原则通过终点站，在满足安全、 准时的前提下，建立定时约束条件下的单方向单列车节能操纵模型，以系统工程的思 想为指导设计出切实可行的启发式算法实现能耗最小。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 运用文献资料研究方法，归纳总结出国内外学术界在列车节能操纵优化领域所 提出的问题、研究成果以及待解决的问题，在此基础上探讨本课题的研究思路。 ( 2 ) 从列车实际运行情况入手，全面的分析了影响列车运行的各种主要因素，综合 考虑列车静态限速、列车运行时间和距离、手柄位持续时间等约束条件，建立定时约 束条件下的双线区段单方向单列车节能操纵模型。 ( 3 ) 以系统工程的思想为指导设计出由纵断面坡道化简、限速初始化、坡道最大均 衡速度计算、调整坡道确定等子算法所组成的启发式算法。 ( 4 ) 通过调查研究方法收集实例数据进行计算，并将计算结果与已有算法的实例结 果进行比较分析，以验证算法的正确性、可行性与优越性。 1 。3 3 论文创新 论文以优化型运行方案结合启发式算法寻优的研究方法为理论基础，并对其模型 进行了一定的改进，以弥补该方法脱离实际情况、模型复杂、计算量大和算法难解等 缺点，然后吸纳了局部优化仿真计算结合全局寻优策略的方法的研究思路，在运用遗 传算法全局寻优之前进行局部优化计算，以提高算法的整体效率。 1 前提假设优化型运行方案结合启发式算法寻优的研究方法假设了列车控制手柄 位有限并且预确定。论文将这一理想化假设现实化，使列车的控制手柄位与实际情况 相符，并且将手柄位控制序列作为算法输出结果之一。 2 模型和算法在优化型运行方案结合启发式算法寻优的研究方法所建立的模型的 基础上，论文吸纳了西南交通大学王自力教授等提出的局部优化仿真结合全局寻优策 略方法的研究思路，在运用遗传算法全局寻优之前以优化运行原则为指导对各种参数 进行纵断面坡道化简、限速初始化、坡道最大均衡速度计算、调整坡道确定等局部优 化计算，以缩小决策变量的范围、改进目标函数并提高启发式算法的搜索速度。 1 4 研究方法和技术路线 1 4 1 研究方法 本文综合运用文献资料法、实验法以及经验总结法等研究方法，以实现列车节能 操纵优化为研究目的，广泛的收集并分析国内外期刊、学位论文、科技成果以及网络 资料。运用列车牵引计算的基本原理，以列车牵引计算规程和机车操纵规程 为基本原则，深入的分析各学术资料需要解决的问题，解决问题的思路以及解决问题 的程度并进行归纳和总结。运用系统工程的思想和方法，在对前人经验进行总结的基 础上，构建列车节能操纵模型，研究并设计出具有自身技术特点、业务特点的启发式 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 算法。 通过代入实例数据，对已有算法的操纵方案与本算法操纵方案进行比较分析，以 证实列车节能操纵算法的正确性和实用性。 1 4 2 技术路线 搜 建列验 集提分 操立 算车 证 数 文献资料法 出列车操纵规程。析系统工程纵列法节案例分析算 据 经验总结法7问牵引计算规程7问 模车设能法 资题题 型节计操可 料能 纵行 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 第2 章列车牵引计算的基本原理 2 1 影响列车运行的因素 列车在各种外力的作用下沿轨道运行的过程中，受力情况复杂，影响因素繁多， 增加了牵引计算的难度。现列出影响列车运行的几种主要因素： 1 线路条件 铁路线路的区间长度、区间坡度、区间曲线、区间限速以及车站限速等对列车运 行受力情况、运行时间、运行速度的计算有着较大的影响。 2 列车条件 不同的机车类别、机车型号以及车辆类别、车辆型号、车辆载重情况、车辆数量 会得到不同的列车运行受力情况和不同的列车能源消耗。 3 信号条件 信号用于指挥列车运行、确保安全和提高生产效率。当存在多列车运行时，信号 会影响列车运行。 4 列车运行原则 列车运行有着一定的基本原则，有的以节能降耗为运行原则，有的以高速节时为 原则，有的以给定时间下的节能为运行原则。不同的列车运行原则会产生不同的牵引 计算结果。 2 2 列车受力分析 列车在运行过程中受到方向和大小不同的力的作用，受力情况非常复杂，但一般 在进行列车牵引计算时通常只考虑列车沿轨道前进方向( 纵向) 的作用力。与列车运行速 度有关的纵向力有三种：机车牵引力，、列车运行阻力矽、列车制动力b 。 机车牵引力f 指由动力传动装置引起的与列车运行方向相同的外力。这是司机可 以控制的使列车发生运动或加速的力。 列车运行阻力形指列车运行中由于各种原因自然发生的与列车运行方向相反的外 力。它的大小是司机不能控制的。它的作用是阻止列车发生运动或使列车自然减速。 列车制动力b 指由制动装置引起的与列车运行方向相反的外力。它是人为的阻力， 它的大小是司机可以控制的。它的作用是使列车产生较大的减速度或者在长大下坡道 防止列车超速运行，或者防止列车在车站停车时由于坡度或大风而自然溜走。列车纵 向受力示意图如图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 矿 _ - - - _ - - - 1 牵引运行时的单位合力 图2 - i 列车纵向受力示意图 ，一f 矿+ b ) 1 0 0 0 弘1 声前g ( g + 2 尸) ( 2 - 1 ) 式中 f 单位合力，( n k n ) ； g 牵引重量，t ； p 兀。车计算质量，多级牵引或有补机时为各机车计算质量之和，t 。 2 惰行时的单位合力 ；5丽-1000w 协2 ， 3 常用制动的单位合力 c ：- ( f b f + w ) 一 o o o ( 2 3 ) 弘忑丽 旺3 2 2 1 列车牵引力的计算 机车牵引力是与列车运行方向相同并且可由司机根据需要调节的外力。它是由机 车动力装置发出的内力( 不同类型机车的源动力装置不一样) 经传动装置传递，在轮 周上形成切线力，再通过轮轨间的粘着而产生的由钢轨反作用于动轮上的外力。 机车牵引力的大小由牵引特性曲线决定，其取值与列车运行速度和操纵手柄位有 关，此外，还要考虑粘着力的限制。由于牵引特性曲线是采用离散法输入的，任意点 上列车速度对应的取值需要进行计算，在具体计算牵引力的过程中，列车牵引计算规 程上对于手柄位的描述也是不连续的，因此需要根据已有数据，对中间手柄位的数 据需要采用线性插值法计算。图2 - 2 为机车牵引力的线性插值计算示意图。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 f f 场 矿 巧 场 矿 巧 图2 - 2 机车牵引力的线性差值计算 根据机车牵引特性曲线图查出距离手柄位n k 与速度v 最近的四组数据( 厶，) ， ( 乃o ，) ，( z l ，h ) 和( 乃l ，q ) ，根据线性插值法计算相应的牵引力以，计算公式如下： z ：厶+ 篮五幽 z ：厶+ 盟五鲨型( 2 - 4 ) 丘：六+ 盟五刿 对于仅提供最大手柄位的机车牵引特性曲线图或是计算手柄位比机车牵引特性曲 线图提供的最小手柄位还小，需要根据单条牵引力曲线计算，计算公式如下f 7 】： - f , 。) ( q 峰一吩 ( 2 5 ) 牵引力取值需要尽量精确而且符合实际情况。一般地，列车速度在2 5 k m h 以下时 被认为是起动状态，可采用粘着牵引力；超过该速度时，原则上可以按牵引特性曲线 取牵引力的值。 2 2 2 列车运行阻力计算 列车运行阻力，按其产生的原因，可分为基本阻力和附加阻力。基本阻力是列车 在运行中任何情况下都存在的阻力，附加阻力是列车在运行中个别条件下才产生的阻 力。例如：在坡道上运行时有坡道附加阻力，在曲线上运行时有曲线附加阻力，在隧 道内运行时有隧道附加阻力。 亟 望啤 担 盟吩 磊 乃 = l i z 石 ，0j、， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 2 2 - 2 1 基本阻力 列车运行中影响基本阻力的因素极为复杂，在实际运用中很难用理论公式来计算。 因此，通常按照由大量试验综合出的经验公式进行计算。 单位基本阻力的计算公式一般形式如下 1 4 = a + b v + c v 2 式中1 ，列车运行速度，k m h ，当1 ， 1 0 时，取1 ，= 1 0 计算； w 单位基本阻力，n k n ； 么、召、c 随机车车辆类型而异的常数系数，如表2 - 1 所示。 表2 1 常用各型机车、车辆单位基本阻力计算公式系数 ( 2 6 ) 2 2 2 2 附加阻力 附加阻力与基本阻力不同，受机车车辆类型的影响很小，主要决定于运行的线路 条件。因此附加阻力不分机车、车辆，而是按列车计算，如前所述，附加阻力主要有 坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力。 1 坡道附加阻力列车在坡道上运行时，除基本阻力外，还受到重力沿轨道方向的分 力的影响，这个分力就是坡道附加阻力。列车在上坡道运行时，坡道附加阻力与列车 运行方向相反，阻力值为正值；列车在下坡道运行时，坡道附加阻力与列车运行方向 相同，阻力是负值( 起的是负作用，即阻力变成了“坡道下滑力”) 。 线路坡道的坡度以坡道终点对起点的高度差与两点间水平距离的比值计算，以字 母f 表示，单位为千分率( ) ，规定取至二位小数。图2 2 为一辆车( 代表一列车) 运行于上坡道的示意图。b c 为终点b 对于起点a 的高度差，a c 为终点b 与起点a 的水平距离。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 c 图2 - 2 坡道附加阻力示意图 根据图2 2 所示的受力分析及各组成力的几何关系，由于铁路线路坡道的口角很 小，经推导可得： w ，= 1 0 0 0 s i n 0 1 0 0 0 t a n 0 = i ( 2 - 7 ) 式中i 线路坡道的坡度，o ； 彬机车、车辆的坡道附加单位阻力，n k n 。 也就是说机车、车辆的坡道附加单位阻力w i 在数值上等于该坡道的坡度千分数f 。 例如，上坡i = 6 时，单位坡道阻力w a = 6 ( n k n ) ；若为下坡道，即f = - - 6 ，则w i = - - 6 ( n l 【n ) 。 2 曲线附加阻力列车进入曲线时，部分车轮轮缘压向外轨头产生滑动摩擦，车轮在 轨面产生的横向滑动以及转向架中心盘和旁承的摩擦都加剧。这些因进入曲线运行而 增加的摩擦损失所造成的阻力，称为曲线附加阻力。曲线附加阻力与曲线半径、列车 运行速度、曲线的外轨超高以及轨距加宽、机车车辆的轴距等许多因素有关，很难用 理论方法推导，一般也采用综合经验公式计算。 ( 1 ) 列车长度小于或者等于曲线长度 按