（电力电子与电力传动专业论文）基于遗传算法和模糊专家系统的列车优化控制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v c i o p m to fh i g hs p dr a i l w a yi no wc o u n t 啦t r a i ns p e e d 蚰d t r a n s p o r t a t i o nd s i t y a r e i n 口e a s i n g n 血【u o u s ly t h d i t i o n a lm 锄u a lt r a _ i o p e r a t i o nm e t h o d sa r eo u to fr e q u i r 唧e n t a tt h es 锄et i m e ，t r a i n 勰s i s t 觚to p e r a t i o n s y s t e mw 蕾i c hm a k e sf c a tu s eo fa d v a n c c d 啪p u t c rt e c h n 0 1 0 9 yc a ng e tr c a s o n d b l e s o l u t i o n sb ys i m u l a t i n g 眦df o r e c 嬲t i n gt h ep r o c e s so ft r a i nm i g t h cs o l u t i o 璐 n o to n l ya s s u r et h cs a f e t yo ft r a i n 髓dt h cc o m f o no fp 躯s e n g e r s ，b u ta l s oi n c r e 髂e t r a i ns p e e da n ds a v ee n c r g y t h er e s e a r c ha b o u t t r a i l la s s i s t 姐to p e m t i o ns y s t e mi s p o w e 僦s u p p o r tt o c u r r c n tm a l l u a l 劬i no p c r a t i o n a n di ti st h en e c e s s a r y r e q u i r e m e n to fi a i l w a ya u t o m a t i o ni nm yc o u n t r y 1 协sp a p e rp r o p o s c s 托o n l i n cf l l z z yc x p c ns y s t 锄蛆dag c n e t i ca l g o r i n u n ( g a ) f o r l m i no p t i m i z e do p e r a t i o n ，t i l r o u g l is t u d yo fs o m eb 鹊i ct r a i no p e m t i o n s t r a t e 舀e sa n de v a l u a t i o nf i l n c t i o 璐，w h i c hh a v e9 0 0 dp e b 珊a n c ei np r a c t i c e t h c m a i nc o n t e m so ft h ct h e s i sa r ea sf b l l o w s ： ( 1 y r r a i no p e r a t i o ns t r a t e 西髓a r ce x p a l i a i c d 蛐d 彻i a l y z c d 丘o mt h r c e 船p c c t s ， n a m e l ye n e r g ys 棚n g ，p u n c t u a l i t y 她d m f o n ，b 踮c do np m d e c e s s o r sw 町k s o m e u n i q u ei d e a s 盯es u g g e s t e df o ro o m p l i c 砒e dt r a i n 叩e r a t i ( 2 ) as o l u t i o ns c h e m eo ff l l z z ye x p e ns y s t e mi sp f e n t e db 酷c do n 吼a l y s i so f t r a i nm o v c m c n t e x p e nh 帕w l e d g ed a t a b 髂c 姐dm l e sd a t a b 觞ea 托e s t a b l i s h e d 丘o m e x p e r i e n c c so fe x c c l l e t 仃a j nd r i v e 体w i l hd e c i s i 嘶o fe x a c i 蚰df i l 跣yv a r i a b l e s a n d af u z z ye x p e r ts y s t c mm c c h 如i s mw a sb u i l tt l l r o u g hd i s c r e t cc v c nb u r s tm o d e ( 3 ) n em o d e lo ft r a i no p e r a t i o np r o b l e ma i l dt h en e wc o n p t i o o f “k c y p o i n t s ”a r e 百v e ni nm i sp a p e r t h ec o n t r o ls t r a t e g i e so ft r a i n n t r 0 1i i li n t e rs t a t i o n s a r ed e s 喇b e d b yat a b l eo f k e yp o i i l t s ，_ 1 1 1 e nt h et a b l eo f l k c yp o i n 乜”i se n c o d e d a st h cb e 西n n i n gp r o c c d u r ei nw h o l cg a i m p l e m c n t t h cr c 辄l t so fg ao p t i m i z a t i o n 盯es a t i s f a c t o r yf o re n e r g ys a v i n g ，p u n c t l l a l i t ya i l dc o m f o f tb yc o m p a r i s o n sb e m e c n o r i 百n a l 吼d 叩t i m i z e dt r a i no p e r a t i o n 乒印h s ( 4 ) c o m b i n e dw i t ht h co n - l i n ef u z z yc x p e ns y s t c m ，at r a i l la s s i s t 神to p 盯a t i o n s y s t c mi sd e s i g n e da n di e a l i z c di n t h j sp a p c la n dnc o u l db c0 p c r a t c do n n a i n 亘堕窒堕奎堂堕主堡塞皇堂焦笙塞篁坐蔓 o p e r a t j o ns i m u l a t o r t h er e s e 盯c hi st h eb a s i so fa l u t o m a l i cn a i no p e r a t i o n ( a t d ) a n d m e a i l sg r e a t t or c a l i z ef i l l lf i l n c d 衄a la i i lo u r c o u n t 珥 k e yw o r d s ：仃a i no p t i m i z e dc o n t r o l ；t r a i n 船s i s t 趾t 叩c r a t i o n ；缸您ye x p e ns y s t e m ； g e n c t i ca l g o f i t l l m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 目前，为更好的提高劳动生产效率，从而提高企业的运营效益。铁道部决 定在部分机务段实行单乘司机制度，即一个司机操纵一列旅客列车，取消了原 副司机。随着单乘司机驾驶制度的实施和列车大幅度提速，许多机务段的运行 区段由原先几百公里延长到1 2 千公里。高速长交路的逐渐普及对机车司机的 操纵技术越来越高，按以往传统的操纵方式，很难适应新情况带来的新变化， 为了有效实现列车的安全正点高速运行，有必要开发一套列车优化操作指导装 置，以指导司机正确操纵列车，适应铁路运输发展的需要。 本文的研究工作正是基于目前铁道部当前这种情况而展开的，把模糊专家 系统与列车优化操纵预测相结合，构建一套单司机在线指导驾驶系统，并对该 系统的预测操纵结果进行遗传算法优化，得到满足安全性、舒适性及准点性的 近似最优操纵序列。 1 1 列车控制技术的国内外发展情况 上个世纪八十年代以来，各个发达国家均致力于列车自动控制c a 方面 的研究并已在若干年内应用到实际铁路中。 德国通过开发一种列车操纵方式模拟模型，研究了降低最高速度、惰行和 重力加速及其组合等多种节能的操纵方式【5 l 。 英国在实用化方面也做了许多工作，开发了用计算机控制的列车情行系统 t c a sf m i i lc o a s t i n ga d v i s o r ys y s t e m ) ，该装置在保证列车不晚点的情况下， 适时地提示司机惰行，该程序用p a s c a l 语言编制，占内存7 2 k ，并有3 2 k 的标 准数据，主要用于市郊列车上【6 】。 美国的先进列车控制系统c a 卫c s ) 也是始于八十年代，其目的是实现列车高 速运行，缩短行车间隔，到九十年代中期各大公司研制出了列车增量控制系统 ( i t c s ) 、自动列车控制系统( a a t c ) 和列车间隔控制系统( p t s ) ，通过列车精确定 位来实现列车间隔控制，防止重大事故发生n 法国高速铁路闻名遐迩，主要是法国高速铁路t v m 2 3 0 0 型列控系统，是我 国在郑武线引进的列控系统的项目。随着高速铁路速度不断的提高，法国铁路感 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 到采用分级控制及紧急制动方式对高速铁路的安全与效率有着潜在的威胁。为 了得到更完善的列控系统，研制了t v m 2 4 0 0 系列，即通常所说的t v m 2 4 3 0 型 列车超速防护系统。t 、，m 2 4 3 0 系统保持了原来t v m 2 3 0 0 系统的载频，但调制 方式由键控移频变为调频，低频信息由0 1 8 8i i z 到1 7 1 5h z ，共2 7 个低频信息作 为艇数字信息，另外设一个2 5 1 6h z 低频信息作为列车检测信息。t v m 2 4 3 0 型列控系统在接收到地面速度信息后，取得出、入口速度，用距离码及线路坡 度及其出入口速度得到“速度一距离”模式曲纠。 日本在列车优化操纵方面取得了长足的进步，其新干线系列列车采用速度 模式曲线自动控制方式( 向汜) ，多年来以运行安全、正点、精确定位停车、操 纵平稳、乘车舒适和节能而闻名世界。在仙台地铁、东京临海新交通、东京都 营1 2 号线等城市轨道交通中已经采用具有一定智能控制功能的列车自动驾驶 系统m 】。八十年代中期，东京工业大学教授km o r i 提出自律分布系统( a d s ) ， 让各个子系统独立运作互不依赖，从而大大提高了系统的健壮性。a d s 系统被 率先应用在日本列车自动控制系统中，实现了列车的高速有效控制和管理【h j 5 1 。 近年来，在列车自动通信和控制这个领域，值得注意的研究成果要数y a s u n o b u 和他的同事们针对列车自动驾驶( ) 研究出的预测模糊控制器( p f c ) 【垃”】， 包括控制列车启动，速度调节和在每个站点目标位置停车。这个模糊j 控制 器被固化到车载系统中作为一个服务程序【1 3 l 。为了满足其他操作要求比如均匀 控制( r e g i i l a r i t y ) 、节能性和安全性，作者提出了改进的模糊操纵方法。改进的 控制器实现了多目标控制从而满足了各种线路操纵需要。 我国铁路事业蓬勃发展，铁路机车车辆装备现代化坚决贯彻了“引进先进 技术、联合设计生产、打造中国品牌”的总体要求，走市场换技术的路子，以 较低的成本、较短的时间实现了各个阶段的预期目标。成功引进了国外先进成 熟的时速2 0 0 公里以上动车组和大功率内燃、电力机车。2 0 0 4 年1 0 月和2 0 0 5 年1 1 月，铁道部分两次采购了2 8 0 列时速2 0 0 公里和3 0 0 公里的动车组，2 0 0 5 年上半年分别采购了4 2 0 台大功率交流传动电力机车和6 0 0 台大功率交流传动 内燃机车，通过面向国内企业采购，走市场换技术的路子，引进了国际上先进、 成熟的动车组和大功率电力机车、内燃车技术。引进动车组和大功率机车所采 用的总成、车体、转向架、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、牵引控制系 统、网络控制系统、制动系统等技术和产品先进、成熟、可靠，通过全面地引 进、消化、吸收国外先进成熟的动车组和大功率机车的技术，结合国内线路条 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 件和运输环境的需要，进行了设计改进。将在3 年到5 年的时间内在与国际接 轨的高起点上建立中国铁路时速2 0 0 公里和3 0 0 公里动车组的技术生产力和大 功率交流传动机车的生产力。 在“十一五期间”，要生产出具有自主知识产权的时速2 5 0 公里、3 0 0 公里 及以上高速动车组、中国品牌的大功率交流传动电力、内燃机车。到“十一五” 末，我国机车车辆装备制造业必将跨入到国际同行列先进企业的行列。 “十一五”期间国内铁路加大新线建设和基础建设能力。“十一五”建设规 划已经研究确定到2 0 1 0 年中国铁路的建设将由目前的7 5 万公里增加到9 5 万 公里，客运专线将达到9 8 0 0 公里，也就是说到2 0 1 0 年。我国快速客运各大区 域之间的通道网络都将会逐渐建成，东部铁路率先实现现代化。 在我国铁路建设的跨越式发展的浪潮下，列车控制技术的国产化研究显得 尤为重要。西南交通大学的冯晓云教授做了许多有益的工作【1 】。她提出了将模 糊预测控制和满意优化方法应用于列车自动驾驶系统的思想；给出了以满意优 化控制取代传统的最优控制对模糊预测控制中的控制性能进行优化的方法；论 述了列车优化操纵原则及其控制指标评价体系；针对列车运行控制系统的特点， 对列车控制系统模糊预测控制算法进行了研究。 西南交通大学崔世文研究生在冯教授的基础上进一步对列车自动驾驶算法 作了深入研究【3 】，主要提出了列车最大能力的控制算法。并在多条线路的列车 仿真计算中取得了与实际非常接近的结果。 西南交通大学智能控制与仿真工程研究中心利用仿真技术进行了列车模拟驾 驶装置的研究与开发，取得了丰硕的研究成果跚，他们把牵引计算和列车自动 控制理论与实际司机培训评价系统相结合创建了一套良好的a t o 仿真试验平 台。 1 2 专家系统的发展及在铁路系统中的应用 自从电子计算机诞生以来，其主要的功能就是进行数值计算与数据处理， 其知识处理能力即智能却很低，然而人工智能的出现，改变了这一现状。人工 智能经过几十年的发展，已经形成了八个大的方向，分别是：专家系统、模式 识别、自动定理证明、自然语言理解、自动程序设计、机器人学、知识库系统 和博弈理论。而这些当中以专家系统理论最为成熟、应用最为广泛。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 专家系统( e x p e ns y s t e m ) 是人工智能的一个重要的领域。它产生于上个世 纪6 0 年代，经过4 0 多年的研究，理论和技术已经日趋成熟，其应用也得到了 飞速的发展。与传统的程序设计方案：“数据+ 算法= 程序”不同，专家系统的 设计方法为：“知识+ 推理= 系统”。专家系统正是由于它特殊的形式和功能， 使得它能够快速完成那些需要专门知识的专家在几分钟或者是几个小时内完成 的量大而重要的任务，如诊断、规划和决策等等。 所谓专家系统就是一个( 或者一组) 能在某个特定的领域内，以人类专家水 平去解决该领域中困难问题的计算机程序。之所以称它为专家系统是因为专家 系统在许多方面有类似于人类专家的特点。 专家系统的发展大致分为四个阶段：孕育期( 1 9 6 5 年以前) ，产生期( 1 9 6 5 1 9 7 1 年) ，成熟期( 1 9 7 2 1 9 7 7 ) ，发展期( 1 9 7 7 年至今) 。 1 9 5 6 年，人工智能诞生。在初期，研究者从具体的问题入手的。由a n c w e l l ， j s h a w 和h a s i m o n 编制的i j o 西cn c o r i s t 系统，实现定理的证明。而由 a l s 锄u c l 研制的西洋跳棋程序也是这一时期最早的启发式程序之一。这些程 序开发的目的在于探索智能科学的基本原理和基本策略。6 0 年代初期，人工智 能的研究者就集中精力开发通用的方法和技术，通过研究一般的方法来改变知 识的表示和搜索。这一时期，产生了著名的表处理语言u s p 。 6 0 年代中期以后，s t 姐f o r d 大学计算机系的e a f e i g c n b 呦等人在对专家 解决问题的方式进行大量的研究之后，提出利用问题领域的特殊知识来模拟专 家进行推理，还成功开发了m y c 系统。 7 0 年代被称之为专家系统的成熟期。专家系统的观念逐渐被人们广泛接 受，先后出现了一批卓有成效的专家系统，这些系统涉及医疗、自然语言处理、 数学、教学、地质等众多领域。这一时期中，有关专家系统进入了飞速发展时 期。而且，现在专家系统处理问题的能力也不断得到提高。 专家系统正是由于它处理问题的特殊能力，使得其在工业领域及铁路系统 得到了广泛的应用。 专家系统率先应用于机车安全运行控制口】，机车安全运行专家系统综 合专家知识，利用已经装备机车的安全信息综合检测装置提供的行车 数据和系统存储的线路、装备等数据，进行列车运行安全的分析推理， 用安全指数这一智能指标评价目前列车运行的安全程度。 在列车运行图编制中引入了专家系统【4 2 】，我国铁路线路错综复杂，编 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图要求和特点各不相同，因此，设想设计一个计算机程序包罗万象是 十分困难的，而采用专家系统则只需作适量的变动就能适应新的情况。 它使人们把注意力集中在编图方法的改进上，避免了在程序设计上大 量地浪费人力。 内部协同式列车运行调整专家系统【2 4 】【4 1 1 ，把专家系统与列车行车指挥 相结合，用专家系统对列车运行调整进行指导。以调度员在实际运营 中的列车运行调整经验成为启发性的知识，来减少搜索状态空间，取 得了很大的成功。 实践证明专家控制系统是便于实现、运算速度快且控制效果较好的一种智 能控制方式。而传统的专家系统，包括专家控制系统，只能用精确的数字或精 确的符号值来表示专家知识，只能采用二值逻辑。采用这种在规则尾部用确定 性因子表示这个规则的不确定性在很多情况下不能很好地模拟优秀司机的经 验、窍门和求解问题的方法。为了更好地表示列车驾驶优化操纵的规则和知识， 就需要将不确定性引入专家的内部，这就必然使专家系统进入模糊专家系统。 1 3 遗传算法对列车控制序列的最优化 预测模糊控制器( p f c ) 使得a t o 控制器能处理大规模轨道交通( m i 盯) 的非线性问题并引入了专家控制规则。但是，在保证控制的精确性和健壮性方 面其成员函数没有发挥重要的作用。另一方面重点需要考虑的是输入变量的选 择，到目前为止，这些问题只在有限的几种情况下做了启发式研究1 1 2 ”矧。为 了证明p f c 的有效性，笔者仅仅提供了有限的几个例子，也没有报道设计条件 以外的相关功能测试。 新加坡国立大学c h a n g 教授针对地铁列车站站间运行提出一种全局遗传优 化方法【柏l 。把列车运行简单的分为牵引和惰行两种，并假设列车牵引惰行交替 进行，对情行点进行编码遗传计算。通过移动惰行点的位置达到寻优的目的。 此遗传算法在列车控制上的应用除了优化速度较慢以为，能处理所有的操纵情 况。但是此方法是运用在地铁运行及已安装a 羽d 和a 皿的列车上计算仿真的， 国内现状与此不尽相同，国内现在并没有自主产权的列车自动驾驶系统，本文 研究的对象是长交路列车操纵而非地铁控制，所以有必要对此遗传优化算法进 行改进，从而适合对国内列车操纵序列进行最优优化( 见第四章) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 4 本文的结构与主要研究内容 论文酌主要结构和工作如图1 1 所示。 图1 1 论文框架 图1 2 论文的2 个主要研究内容 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 论文研究的两个主要内容如图1 2 所示： 在线优化一基于模糊专家系统对列车操纵进行实时预测 离线优化一基于遗传算法对站与站之间列车操纵序列进行再优化 本文分为5 章围绕这两个研究的主要内容展开论述： 第1 章为绪论。首先对列车自动驾驶技术的概念作了初步介绍，回顾了国 内外发展的历史与现状，然后根据我国铁路发展的实际情况，阐述了选用模糊 专家系统与列车控制优化操纵相结合的研究方式。最后对论文的结构及主要研 究内容进行了说明。 第2 章对列车优化操纵的方法和自动驾驶策略进行了介绍和研究。明确了 优化操纵的各项约束条件，确定了列车优化操纵的目标。首先提出了列车操纵 的评价函数。可以针对任意一条列车操纵示意图从节能、准点、舒适三个方面 进行客观评价，判断其操纵的优劣。对列车节能方法进行了讨论，提出了降低 速度不均匀性和增加惰行时间两种节能操纵方法。提出了准点运行的方案，从 列车起动、运行和停车三方面阐述列车舒适性控制。 第3 章构建了为列车运行优化操纵决策的在线模糊专家系统。在已有的优 秀司机操纵经验的基础上建立专家知识库，根据当前列车的状态参数的模糊量 输入和多目标满意评价模型，在线实时推理出优化操纵方案，从而间接指导列 车司机安全、准点、舒适行车。 第4 章引入遗传算法对在线优化操纵方案进一步离线优化。通过对列车“关 键点”位置的编码构造染色，然后对基因池中的染色体采取复制、交叉、变异 及增删基因操作进行遗传优化，再对子代染色体按照位置大小排序和适应度筛 选，得到适应度更好的子代染色体，即更节能、更舒适、更准点的操纵序列。 第5 章详细介绍了单司机优化操纵系统的各种功能和软硬件实现过程。目 前该系统已经通过模拟器调试，准备进入了实车调试阶段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第二章列车操纵策略与评判 2 1 列车操纵目标约束 列车的运行过程非常复杂，受到限速、坡道、机车状况等诸多因素的制约 和影响1 2 j 。同时由于给定的列车运行时分总是多于目标区间上的最少运行时 间，所以存在着无穷多满足运行时分要求的列车操纵序列。不同操纵序列在能 耗、安全性、舒适性等方面的表现各不相同【2 6 卸。列车优化操纵目标就是要尽 可能地找出给定运行区闻、运行时分和列车编组条件下满足安全、正点等约束 的最优操纵序列。 由于列车的操纵过程与线路、列车编组、运行时间等有密切关系，加上司 机个人的操纵水平参差不齐，单纯依靠司机个人在实践中不断摸索操纵的方法 进行节能有很大的局限性i l j 。借助于先进的计算机技术结合节能原理，对列车 操纵进行优化并应用于列车驾驶将会取得更好的效果。 列车从a 站在规定的时间内运行至b 站，其状态方程为： 咖，d f - ，一r ( v ) 一g o ) 或 v ( 西出) - ，一r o ) 一g o ) 式中： v 一列车运行的速度。 ，一与列车操纵有关的单位合力。 ，o ) 一r 0 ) - 4 + 如+ “2 ，列车运行的单位基本阻力。 9 0 ) 一a 站至b 站线路坡度的分段函数。 其性能指标为： m i n j - f “( f 砂 式中： z 一规定的运行时分。 z 一规定的运行时分。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 “ 一与机车工况及速度有关的能耗函数。 其距离约束为： 毫诎“ 式中： s a 站至b 站的距离。 时间约束为： r r ( 2 - 5 ) 式中： 丁一实际运行时间。 限速约束为： o v o ) v a ) m “( 2 - 6 ) 式中： “f ) 一第f 个线路断面列车的运行速度。 v ( f ) m “一第f 个线路断面列车运行的限速或列车的最大牵引均速。 其边界条件为： v ( o ) = v ( d = o ( 2 7 ) 工( o ) = o ，d = s ( 2 8 ) 由于线路断面、机车牵引力、电阻制动力、空气制动力、阻力等的非线性， 故这是一个有约束条件、边界条件的非线性寻优问题，直接针对状态方程求解 是不可能的1 1 】，只能在满足列车操纵约束的条件下利用节能的原则指导列车运 行并达优化操纵的目的。 在满足安全的前提下如何选择节能、准点、舒适的优化操纵方法，是国内 列车自动驾驶技术研究的一项重要基础内容。在介绍合理操纵的基础上，本文 将分别从节能、准点、舒适三个方面对列车操纵展开论述。 2 2 合理操纵 计算机选择操纵序列的基本依据是列车牵引计算的相关理论，在满足限速、 时间等约束条件的情况下可以任意切换列车运行状态。而实际的列车往往由于 自身机械装置或电气设备等的限制不能完成，因此需要对操纵序列的合理性给 出标准。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 机车的运行工况有三种：牵引、惰行和制动。牵引时，机车产生向前的牵 引力带动列车运动；惰行时，列车不受机车牵引或制动力的影响，依靠惯性向 前运动；制动时，机车产生与运动方向相反的制动力阻止列车的进一步运动。 不同工况之间的转换并不是任意的，必须满足一定的转换规则，如表2 1 所示。 表2 1 工况转换原则 当前 待转换工况 工况惰行 牵引制动 惰行o 牵引o 制动 o o ：无祷转换； ：可以转换；：禁止转换 除了这些基本的约束规则之外，为了取得更加满意的列车操纵效果仍需学 习优秀司机的成熟经验。比如转换到新的工况后必须在此状态下保持一段时间 才能改变为其他工况、下坡前需要提前惰行等。将这些经验总结成自动驾驶的 控制规则，针对不同的情况采取相应的控制策略，才能在各类复杂的线路上保 证列车安全、准点、舒适、合理运行并取得良好的控制效果。根据上述原则， 各工况之间的相互转换过程如图2 1 所示。 牵引工况 l j 惰利。i ：况 制动一i ：况( 空气制动) ：二= = = 制动j ：况( 动力制幼) 图2 1 工况转换过程示意图 为了尽可能地缩短站间运行时间、降低能耗、提高乘车舒适度、提高停车 精度、安全正点运行等需求，列车操纵有可分为以下四种优化操纵原则1 3 9 l ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 运行状态的选择原则：当机车从一种状态向下一个状态转换时，在迁移允 许的状态中，优先选择加速度最大的运行状态； 运行状态切换时刻的选择原则：当下一个状态比当前状态的加速度大时， 在满足状态保持规则的前提下应尽快转换到下一个状态；反之，当下一个 状态比当前状态的加速度下时，在满足速度限制规则的前提下应尽可能保 持当前状态； 消除过低速度原则：当列车运行在限制速度变化的区间时，为了维持进入 限制速度区间前的高速度运行。而又必须遵循前述的“状态保持规则”，结 果有可能导致速度过低。消除过低速度原则要求调整进入限制速度区间前 的列车运行速度，以便消除过低速度； 优化附加原则：附加原则是针对不同类型的列车，在特殊的线路条件下运 行时，为了合理控制列车达到良好的运行状态而制定的原则。例如，在线 路坡度或坡长变化较快的路段为了保持恒速运行，需要频繁改变操纵状态。 还包括节能运行原则，即在满足运行时分的前提下，选择合理的操纵方式， 达到节能的目的。 2 3 节能操纵 2 3 1 能耗评判函数 列车运行过程中的能耗可以由公式( 2 - 9 ) 计算： f f 0 d t ei j _ + a t + 岛，b v d t ( 2 9 ) s m 上式中：f 为牵引力，口为制动力，v 是速度( n 怕) ，4 是列车辅助功率， f 为站间运行时间，知为列车牵引时电能转换成机械能的乘积因子，岛为列车 制动时机械能转换成电能的乘积因子。 节能的目标就是在列车全程运行中使( 2 9 ) 最小，具体应用计算见第四章。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 3 2 列车运行时的能耗构成 列车运行时的能量消耗，表现在三个方面o ，：提高列车的动能、克服列车 运行时的基本阻力和加算坡道阻力、机车运行时的自耗。 依线路断面的不同，能耗在三方面所占的比重各不相同。如果两站之间以 长大下坡道为主，偶尔的上坡道也无需牵引，而利用动能闯坡，对于这样特殊 的线路断面而言，机车的操纵主要表现为动力制动、惰行、空气制动，故能耗 在第3 项中占主要地位，第l 项、第2 项基本上不消耗能量，实际上对这样的 线路断面，已不存在对列车运行进行节能优化的必要，列车的运行应以确保安 全为主。如果两站之间为持续的上坡道，则能耗在第2 项中占主要地位，同样 也无节能的必要。 对于一般的线路而言( 区间内存在着大量的起伏坡道或区间内坡道变化较 小) ，第l 项和第2 项在能耗中占主导地位，而第3 项则基本上随不同操纵变化 不大。因而，节能应该是减少不必要的制动以避免列车动能损失，充分利用势 能以保持或增加列车的动能，以及减少基本阻力所做的功。 2 3 3 节能的方法 2 3 3 1 减少阻力做功 由运行图给定的列车运行时间总是大于最少运行时间，因而存在着各种操 纵序列，相应的机车能耗也不相同。于是可在保证列车运行安全平稳正点的前 提下，寻求用能耗较少的操纵方式实现优化操纵。根据牵引计算分析，可总结 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。这些节能原则在一定限制条件下可以实施。对予在起伏坡道上 的列车运行，尽可能利用列车势能和尽量减少列车动能损失是节能操纵优化的 重点【2 】。 当列车起动时，列车的能耗表现在：第一，提高列车的动能；第二，克服 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 起动过程中的基本阻力。设想有两种起动方式：无限大加速度起动及有限大加 速度起动，由于两种起动方式在相同的起动时间和距离内，把列车的速度加速 到路，故只需比较第二项的大小。由于加速度无限大时，速度从0 加速至( f = 0 ) 及从加速至所“= 功不克服基本阻力，并由上述结论可得出：以无限大加速 度加速最节能。 由于无限大加速度在实际并不存在，因而在列车起动及加速过程中，应以 能够达到的最大加速度加速列车。这样可以减小加速过程中的基本阻力功并减 小加速过程所用的时间。 列车制动停车时动能将不可避免地被损失掉，由于制动时间的节省就意味 着能量的节约故希望停车制动所用的时间越少越好。因此在列车停车制动时以 列车最大的制动能力制动最有利于节能。 综上可知，为了实现列车的节能运行应尽量减小列车运行速度的不均匀性， 尽量以可能的最大加速度起动，尽量保证途中运行时速度的平稳性，尽量以可 能的最大制动能力停车。 2 3 3 2 增加惰行时间 列车在惰行时既没有牵引力也没有制动力，能量消耗等于其自耗，因此是 列车运行能耗最小的工况。在许多情况下增加惰行时间，也就是减少能量损耗。 因此节能操纵应尽可能增加列车运行过程中的惰行时间。 列车在下坡道上惰行尤其常见。下坡道分为非增速坡道和增速坡道两种， 列车在非增速坡道上惰行时，列车阻力比其所受的重力分量大，列车将一直减 速，所以列车入坡速度可适当提高。而列车在增速坡道上惰行时，列车阻力比 其所受的重力分量小，列车将一直加速，为了降低因调速制动而增加的制动能 耗，应调低下坡前的运行速度。在坡道上利用重力加速到允许的最高速度，是 铁路运输中行之有效的节能方法【3 2 l 。同时为了保证列车平均运行速度，要求列 车惰行结束时达到容许的最高速度。 列车制动时所消耗的能量与制动初速度成正比，初速度越大，为减少动能 所做的功越多。因此可以考虑降低制动初速度的方法实现节能。 如果列车处在减速坡道上，则惰行能够降低运行速度。所以在运行时分允 许的情况下应尽可能采用惰行使列车速度降低之后再施加制动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 4 准点操纵 2 4 1 准点操纵评判 准点系数p 被定义成列车实际到达时间与时刻表指定时间的偏差( 单位： 秒) 。列车晚点时p 为正数，早点时p 为负数。如果列车准点p 则为0 。 准点惩罚函数( 函数值越小，列车运行越准点) 可以被描述成当列车晚点校正 到准点所需的能耗增量。如果列车晚点p 秒，那么弥补列车晚点的所需的准点 惩罚量为眈，可以定义如下； 一h 矾 ( 2 - 1 0 ) 上式中毛为准点误差换算到能耗增量的常 量。 对式( 2 1 0 ) 两边积分，准点惩罚函数可 以表示成如下形式： e p 。扣p 厶( p ) 一e x p 瓴p ) ( 2 - 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 可以写成如下另一种形式： 厶( p ) 一( 1 + c ，) 州7 ( 2 - 1 2 ) h r i y l 图2 1 准点评判函数图 c 。是当列车晚点- r 秒时需要赶到准点所需的速度调节转换成的附加能耗值。我 们能同样把这个概念应用到列车早点中去，比如，当p 为负数时，将是一个 小一点的正数值。( 2 1 2 ) 为列车准点控制的目标函数，其函数值越小，列车运 行越准点。准点评判如图2 1 所示。具体优化计算参见第四章。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 2 4 2 准点操纵策略 铁路部门规定的列车运行时分都比最大能力操纵运行时间长。因此可以在 最大能力操纵【3 】的基础上实现列车的正点运行。 规定的列车运行时间死与最大能力操纵所需时间的差值称为富余时间 瓦。即： e 一一l( 2 - 1 3 ) 当c 0 时，说明列车自身的能力无法满足给定的运行时分要求，列车处 于晚点状态。为了避免晚点时间的进一步延长，应按照最大能力操纵的方案【3 】 进行操纵。 当瓦一o 时，说明按照最大能力操纵刚好能够满足运行时分的要求。为避 免晚点应按照最大能力操纵方案进行操纵。 当瓦 0 时，说明列车按照最大能力运行时有可能提早到达目的地。应对 多余时间进行合理分配实现节能操纵。 下面以节能为基本原则介绍两种实现正点操纵的方法。 2 4 2 1 消除制动点 通过对列车能耗构成的分析发现，列车在线路上以不同的操纵方式运行时 克服基本阻力和加算坡道阻力所做的功及机车运行时的自耗变化不大，因此减 少列车动能的无谓损耗就成了一种很重要的节能方法。由于制动过程为了降低 列车速度而消耗了大量的动能，减少制动的使用可以大幅减少列车能量的消耗。 另外，最大能力情况下使用制动的主要原因是为了避免列车超速，因此可以减 少列车的牵弓l 时间并相应增加惰行时间以降低列车在增速坡道上所能够达到的 最大速度。这样就会导致列车运行时间的增加，而使新的操纵方案更加接近于 正点。 消除制动的方法既有利于节能又有利于正点，是由最大能力向正点运行过 渡的首选方法。可以依次对最大能力操纵方案中的每一个制动点应用以上措施， 直到列车达到正点或者不存在可消除的制动点为止。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 2 4 2 2 降低平均运行速度 如果消除了所有允许消除的制动点之后仍然存在富余时间，可以考虑降低 列车在整个区间上的平均运行速度。 降低平均运行速度的方式实质上还是通过减少牵引时间降低能耗并增加区 间运行时分使之更接近正点。这种方法可以无限地延长列车在给定区间上的运 行时间，因此一定能够满足正点的要求。式2 1 3 是正点情况下平均运行速度的 计算公式。 v 。旦 ( 2 1 4 ) ” v 。2 ：+ s 式中： h 一正点运行时列车的平均速度。 一最大能力运行时列车的平均速度。 j 一运行区间长度。 采用降低列车平均运行速度的方法时要注意保证其平稳性。因为从节能的 角度来讲，列车运行速度越平稳就越节能。从乘客乘车舒适性的角度来讲，运 行速度平稳的操纵方式也是最合理的。 通过以上两种节能方法消耗富余时间，就可以从最大能力操纵方案得到比 较理想的列车正点操纵方案了。 2 5 舒适操纵 2 5 1 舒适操纵评价 列车舒适操纵的目标就是让旅客非舒适度降到最低。列车运行期间的非舒 适度总和，等于列车加速度变化率在运行全程的积分，可由如下等式定义： j | 心| t ( 2 1 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 上式中口是列车的加速度( 卅s 2 ) ，f 为 列车总运行时间( s ) 。非舒适度惩罚函 数可以看成列车在非舒适度阈值日之 外克服非舒适所消耗的能量增量。这 个阈值可以被设定旅客所能忍受的最 低非舒适度。 所以非舒适度惩罚函数能被描述如 下： 涧、一r q 堪”撼 图2 2 舒适评判函数图 ( 2 1 6 ) q 是抵消高出阈值h 非舒适度h 的等效能耗增量。当非舒适度小于阈值h 时， 则惩罚函数的值为1 。函数如图2 2 所示。 2 5 2 舒适操纵策略 影响乘车舒适性的因素很多，如垂向振动、纵向冲动、左右摇动、噪音等 都是影响乘车舒适性的主要因素。从列车操纵控制的角度而言，乘车舒适性主 要取决与控制手柄位的变化频率、加减速度及加减速度的变化率。乘客感到最 不舒适的操纵无非是列车起动和制动停车过程。研究表明【1 l ：起动停车瞬间加 减速度的变化率口4 2 m s 3 时乘车舒适；4 2 j 3 a a 7 5 m j 3 时舒适度 一般；7 5 m s 3s 口1 3 4 研，s 3 时乘车明显不舒适；口己1 3 锄s 3 时非常不舒 适。 舒适操纵和准点操纵有时是冲突的，满足一个目标另一个目标便不能很好 的满足。舒适操纵可以分别从起动阶段、运行阶段和停车阶段进行论述【让 3 0 】。 列车起动阶段的安全性和乘车舒适性控制目标的实现主要取决于对列车起 动加速度大小及其变化率的控制。在列车起动的瞬间，列车的加速度变化是一 个从无到有而且非常短暂的过程。因此，列车起动瞬间加速度变化率非常大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 如果加速度变化率过大必然导致列车冲动大、甚至可能引起车辆结构破损、旅 客伤亡等严重事故。因此必须对起动加速度及其变化率加以限制，以确保列车 安全、平稳起动。列车起动阶段控制尽量遵循以下优化操纵原则； 为达到平稳起动目的，调速手柄需要在低级位停留一段时间以实现在较小 的起动牵引力下消除列车车钩间隙，具体操纵时货车可取7 秒，客车可取5 秒。同时注意避免起动牵引力大于机车粘着力而导致车轮发生空转； 为减少克服基本阻力的能耗，在列车起动过程中，应在保证乘车舒适性前 提下以最大加速度加速。 列车运行阶段对乘客舒适影响较大的是工况转换点。前方运行条件要求进 行工况转换时，为实现工况平稳转换，应逐步降低升高手柄级位，使牵引电流 平稳变化，以避免列车合力变化过快导致列车产生冲动。例如牵引工况中，列 车因线路条件需要采取空气制动时，应先将手柄从牵引高级位逐步降低到0 位， 才能施行减压；列车进入长大下坡道采取动力制动前，也要求牵引手柄必须先 回到0 位，才能变换换向手柄以施行动力制动；未采用过分相装置的电力机车 通过电分相时，在闭合主断路器前也应将牵引手柄级位归o 。主要策略归纳如 下： 减少工况转换频率，从某个意义上说降低动力制动或空气制动次数，列车 工况尽量只使用牵引和惰行，这也是节能和舒适的前提； 延长工况转换时间，需要提前确定工况转换点，从而能给工况转换提供足 够多的时间，从容实现机车工况过渡。 列车停车时一般可以分为动力制动和空气制动两个阶段。分别阐述如下： 列车停车前合理使用动力制动可以调节列车的车钩状态，使全列车车钩处 于受压缩的状况，从而在空气制动中减少列车的冲动水平。在列车制动环 节前，施加动力制动，可以利用机车制动里抑制前部车辆因缓解较快而向 前涌的趋势，从而降低缓解过程中车辆受拉的冲击力幅值。 列车空气制动时一般采用“二定一调整”的方法，即“定制初速、定减压 量，调整制动距离”和“定制动初速、定制动距离，调整减压量”幽】。在 制动过程中，列车应以规定的最小减压量进行空气制动。这样可以在制动 过程中减小列车的冲动，提高乘车舒适性。这就需要提前根据列车当前速 度和状态对停车位置进行准确的预测，仿真计算中采用的是提前从停车位 置以最小减压量反算到制动初速( 可由限速或准点需求算出) ，记录列车的位 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 置，再反算一段动力制动距离，得到列车开始制动的初始位置。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 第三章列车操纵模糊专家系统 3 1 选用模糊专家系统的原因 铁路列车的运行是及其复杂的。在不同的工况下，列车运行特性会发生剧 烈的变化。正是由于列车运行动态行为的复杂性。列车运行系统的精确数学模 型往往难以建立【”。即使通过简化设计方法得到了列车动力学系统的数学模型， 该理论数学模型与列车实际运行过程的动力学特性往往存在着很大的差别，模 型的实际有效性无法充分地保证。另一方面，从司机地角度出发，司机在操纵 列车运行过程中，常常运用直觉经验和知识做出判断和决策。而人地知识中包 含有大量不精确的概念，思维过程也具有很多不确定性。所以这些具有不确定 性的概念的形成和思维过程，在传统控制论意义下无法得到有效地表示和处理， 因而列车运行过程控制的高品质很难用常规的方法来实现。 列车的动态行为可用其运动方程口描述如下： 坐。亭，伽，) 亭x 丛型 ( 3 1 ) 出 p + g 其中：v 为列车