多目标列车自动运行控制策略研究与仿真

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1、兰州交通大学硕士学位论文1绪论1．1论文背景及意义中国的国土面积共九百六十万平方公里，是世界第三大国，同时，十三亿人口，让中国当之无愧的成为世界上人121最多的国家，这也意味着中国各地区之间的人员流动量是相当巨大的，每年的春运时分，长假时节，都会带来数量巨大的人员流动。铁路作为一种常见的交通工具，有着运输量巨大，速度较快，运输距离长等特点，这也使得铁路在中国的交通运输中起着举足轻重的作用。目前，中国铁路正处于高速发展阶段，无论是既有线的改造还是新型高速线路的建设，都大踏步的前进。随着铁路发展，火车的速度也不断地提升着，从不足100km／h，提升到200km／h，直到突破300k

2、m／h。京津高铁、京广高铁等高铁线路的建成，极大的缩短了旅途的时间。可以说，近十年来中国铁路的发展取得了举世瞩目的成就。然而，在辉煌的同时，应该看到中国铁路存在的差距及问题。这主要体现于以下几个方面。(1)铁路运输能耗巨大，造成能源压力近年来，全球能源问题日益突出，而铁路运输部门一直以来是我国国民经济中能源消耗最大的部门之一。我国的能源供给一向面临诸多方面的困难，而铁路系统的巨大能源消耗更是加重了我国能源供给的压力，同时，这种高消耗也极大地限制了铁路运营商的效益获得。而在铁路所消耗的能源中，列车运行能耗占据了大部分，达到六七成之多。而列车运行中的能耗，与列车的控制策略是息息相关

3、的，在同一条线路中，不同的控制策略所消耗的能耗也是不同的，而且有时这种差异是明显的。因此如何控制列车运行而使得能耗减小具有现实价值意义。(2)晚点情况普遍，限制运输效率的提升在一些铁路发达国家，如日本的新干线，年平均晚点时间不到一分钟。而在我国铁路运输中，晚点现象较为普遍，少则几分钟，多则一个小时。铁路系统是一个环环相扣的系统，往往牵一发而动全身，一辆列车的晚点往往导致一系列晚点现象的发生，因此这种晚点情况会极大降低铁路系统的运输效率。而晚点的发生通常是因为某列列车控制策略的不当导致的，未来的铁路是以高效运输为一个重要发展方向，因此通过优化控制策略而间接降低晚点率对提高运输效率

4、具有实际意义。(3)停车精度差，不利于长远发展在大铁火车站中，站台的长度通常较长，所以一直以来对于列车停靠站台的精度要多目标列车自动运行控制策略研究与仿真求并不高，然而，随着铁路效率的提升以及列车运行间隔时间的缩短，列车停靠站精度差的弊端会逐渐显现出来，这也会成为制约铁路正常运转的重要因素。在地铁中，列车停靠站台的精度可控制误差O．3m以内，停靠位置的高精确度不仅方便了乘客的候车过程，更是增加了乘客上下车的效率，这些优势是显而易见的。因此对现有控制策略进行改进使得停靠精度得到保证是具有长远发展意义的。(4)列车运行舒适度有待提高随着列车运行速度的不断提升，意味着列车速度的变化幅

5、度也会越来越大。在运行过程中，一套不合理的控制策略会可能导致列车的突然加速以及突然减速，这些都会影响到乘客乘坐列车的舒适度，严重时会危及到乘客的身体健康。为避免此种情况发生，需要在制定控制策略时考虑到乘客的舒适度问题。在以人为本的大前提下，当前铁路的发展中，舒适度也将会作为一项重要的发展指标。综上所述，可以看出，寻找到一种控制策略，在保证安全、准点与舒适的情况下，尽量节省能耗与提高停靠精度，对于铁路的高效发展具有重大意义。1．2国内外研究现状列车控制问题一直以来都是铁路运输系统中的关键问题，国内外有关科技工作者对于此类问题做出了广泛深入的研究。国外学者对于列车运行过程控制问题的

6、研究开展较早，无论在基础理论还是仿真优化研究方面都有着丰硕的研究成果。早在二十世纪六十年代，日本、美国以及前苏联等国家便已开始了这方面的研究。文献[1】中将动态规划理论引入列车运行过程问题，把问题转化为一系列单阶段问题进行求解，这种方法时间复杂度偏高且浪费计算资源，不利于计算机实时计算。文献[2]深入研究了列车运行过程中惰行控制与控制策略的关系，并阐明了惰行控制调整运行时间的方法。最初的研究都是在假定线路无坡道、无限速的前提下进行的，这使得理论研究与实际情况存在较大差异。针对此问题，之后的学者提出了“常坡道”模型以及变坡道模型理论。文献[3]以极小值原理研究列车能耗优化问题，推

7、导出一组列车最优控制序列，并指出列车短距离下的最佳节能操纵策略为最大加速，惰行和最大制动的顺序组合。文献[4]使用离散型机车模型研究了在复杂线路下的优化控NI洒-J题，通过一系列的转换点求解列车在边坡、限速以及陡坡情况下的列车运行策略。制动的位置等。文献[3，4]的研究虽然仍然存在某些局限性，但不可否认的是他的工作奠定TYU车节能操纵问题的理论基础。文献[5]经研究发现，在列车长距离运行情况下，经济的操纵策略还应当有恒速运行阶段，并且进行了大量的仿真研究，以证实推论的正确性。兰州交通大学硕士