列车节能操纵理论模型与参数标定方法研究

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1、北京交通大学博士学位论文列车节能操纵理论模型与参数标定方法研究姓名：周方明申请学位级别：博士专业：交通运输规划与管理指导教师：毛保华201009中文摘要交通运输业是国家的基础性服务业，为社会经济的发展提供重要的支撑作用，但交通运输业也消耗了大量的能源，在能源形势日趋紧张的当今社会值得深切关注。铁路运输是最重要的交通运输方式之一，完成了全社会相当比例的运量，近年来，铁路进行了大规模的建设，在综合运输网络中的主导地位进一步加强，但随之而来的是铁路运输业的能耗日趋庞大。为有效降低占铁路能耗主体的牵引能耗，进行了列车节能运行的基础理论研究，重点研究列车节能操纵的基本原理，以期为优秀的列车节能操纵指导

2、系统的研制和开发奠定理论基础。本文在借鉴国内外已有研究成果的基础上，充分考虑到列车运行线路复杂多变的特性，引入连续陡坡的概念，对列车在陡坡区段的最优控制策略进行了深入的研究与探讨，主要研究内容及结论如下：(1)根据列车运行受力分析，构建了基于机械能的列车运行理论模型，引入协态变量，基于Pontryagin极值原理，采用状态变量、协态变量和控制变量联合表达Hamiltonian函数，然后应用Karush．Kuhn．Tucker条件求得最优控制策略的必要条件，即符合列车节能运行的状态仅有四种t最大加速相位、均速相位、惰行相位和制动相位；借助协态变量满足的微分方程，分析出相位转换关系，再根据列车运

3、行的现实环境，寻找正确的相位序列和相位转换点位置，即确定了列车的最优控制策略。(2)列车匀速运行时，阻力所做的功最少，均速相位成为各种运行状态的纽带，依此对列车运行全程划分阶段，即启动阶段、途中运行阶段和制动阶段，把列车控制全局优化问题化解为由均速速度决定的局部优化问题。采用四阶Runge-Kutta方法来求解列车控制的微分方程，针对陡坡区段，先计算出陡坡临界点，反推出首个相位转换点的初始范围，然后利用二分法逐渐缩小搜索区间，得到了陡坡区段的最优控制策略及相应的最优轨线。随着总运行时分的增加，列车的能耗随之减少，但两者并不呈线性关系，本文算例中，当总旅程时间从2142．54s逐渐增加至247

4、3s时，全程最优控制的能耗值从1845．01J下降至1527．23J。(3)列车行驶在陡上坡时，速度会下降，局部的最优控制策略为均速一最大加速一均速相位序列，且最优控制的必要条件要求最大加速相位切换回均速相位时，协态变量恰等于l，据此条件可确定陡上坡区段各相位转换点的具体位置。为提高数值计算的效率，结合列车运动方程，构造陡上坡区段新的目标泛函以和变量∥，当列车操纵策略为最优时，-，口取极值，且∥在陡上坡区段的始末值均为零，因∥在某些坡段不发生变化，使得数值计算范围缩小而效率得到提升。列车行驶在陡下坡时，速度会上升，局部的最优控制策略为均速—惰行一均速相位序列，且惰行相位转入均速相位时，协态变

5、量恰等于l，为提高计算效率，同样可构造出陡下坡区段的新目标泛函，。和变量／z，当列车操纵策略为最优时，／z在陡下坡区段的始末值均为零。利用∥和协态变量秒解算最优控制策略的方法在本文中分别被称为间接法和直接法，本文算例中，间接法较直接法在陡上坡区段提高计算效率60．46％，在陡下坡区段提高计算效率95．81％(4)天气状况不同或列车运行线路不同都会导致列车基本阻力参数变化，因此，列车的每趟旅程的基本阻力参数都需进行实时标定，以便为最优控制策略的计算提供坚实的基础条件。考虑到列车现有的信息设备，利用串口通信，获取列车运行信息的实时数据，由于列车运行线路中存在基本线路切换和长短链，公里标会出现突变

6、，设计专门的算法来同时进行数据纠错和公里标突变识别，实时数据的误码率低至0．02％。在此基础上，通过介绍Sigma点的选取办法，建立列车运动的随机动力学模型，设计UKF(无味卡尔曼滤波)的递推算法，快速地标定出精确的基本阻力参数，以宁西线合肥东一大顾店区段的列车为测试对象，结果表明：实时参数标定器能在某较长的下坡道上，约100个时间步长内完成参数的标定，较参考值符合实际情形。本文致力于列车节能操纵的理论和实践研究，重点研究列车节能运行的基本原理，为优秀的列车节能操纵指导系统的研制和开发奠定坚实基础，以期降低列车运行的牵引能耗，有利于铁路运输业的节能降耗。关键词：列车运行；理论模型；最优控制；

7、连续陡坡；数值计算；实时数据接口g参数标定中图分类号：U268．4ABSTRACTABSTRACT：TransportindustryisthefundamentalservicedepartmentofChina,andplayinganimportantsupportiveroleforthedevelopmentofsocietyandeconomy．Butagreatdealofenergyareco