高速列車追蹤運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化與控制研究

柯倩

摘 要：隨著高鐵的快速發(fā)展，在保證列車安全運(yùn)行的前提下，如何降低能耗就成為亟待解決的重點(diǎn)問題之一。文章將多目標(biāo)粒子群算法引入高速列車追蹤節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行中，提出了計(jì)算最優(yōu)化節(jié)能目標(biāo)速度曲線的方法，最后使用目標(biāo)速度曲線來對(duì)速度控制器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高速列車追蹤運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化與控制目的。

關(guān)鍵詞：高速列車；運(yùn)行速度；節(jié)能；控制

中圖分類號(hào)：U292.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）31-0124-02

Abstract： With the rapid development of high-speed rail， how to reduce energy consumption has become one of the key issues to be solved under the premise of ensuring the safe operation of trains. In this paper， the multi-objective ppaper swarm optimization algorithm is introduced into the energy-saving optimal operation of high-speed train tracking， and a method to calculate the optimal energy-saving target speed curve is proposed. Finally， the target speed curve is used to optimize the design of the speed controller， and the purpose of energy-saving optimization and control of high-speed train tracking operation is realized.

Keywords： high speed train； running speed； energy saving； control

我國高速列車建設(shè)的成就有目共睹，運(yùn)營里程位居全球第一。目前，我國高速列車網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本形成，從以前的“跟跑”到現(xiàn)在的“領(lǐng)跑”，我國高速列車技術(shù)不斷創(chuàng)新升級(jí)，極大地促進(jìn)了我國鐵路運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)的流通。面對(duì)如此巨大的高速列車運(yùn)輸網(wǎng)，有關(guān)能源的消耗問題就成為一個(gè)重點(diǎn)研究課題。目前，節(jié)能已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要風(fēng)向標(biāo)之一。對(duì)于高速列車而言，其能耗主要源于牽引系統(tǒng)以及其它輔助系統(tǒng)，其中牽引系統(tǒng)能耗占據(jù)了60%-70%之間，所以，針對(duì)高速列車的節(jié)能優(yōu)化關(guān)鍵在于減少牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的能耗。隨著我國高速列車的速度與密度的不斷增加，不同速度等級(jí)的列車之間相互影響，可能會(huì)產(chǎn)生不必要的制動(dòng)或停車等待，進(jìn)而形成更大的牽引能耗，因此，減少列車能耗可以從優(yōu)化運(yùn)行速度曲線入手。

1 高速列車追蹤運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化與控制原理介紹

1.1 ATO系統(tǒng)原理

列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）由ATO、ATP和ATS三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（ATO）是在列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）下工作的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。ATO系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速列車的自動(dòng)運(yùn)行調(diào)整、精準(zhǔn)停車、站臺(tái)作業(yè)等功能，融合了多傳感融合測速定位技術(shù)、固定或移動(dòng)閉塞追蹤以及自動(dòng)節(jié)能策略。ATO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的無縫對(duì)接，采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，依靠高性能的硬件和先進(jìn)的軟件設(shè)計(jì)，確保列車能夠高效、穩(wěn)定、精確地運(yùn)行。ATP系統(tǒng)對(duì)列車狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，ATO系統(tǒng)通過接受ATP系統(tǒng)信息來控制運(yùn)行速度。當(dāng)處于區(qū)間聯(lián)鎖區(qū)段時(shí)，ATS列車監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)監(jiān)督并指揮列車運(yùn)行。三個(gè)子系統(tǒng)交互影響，實(shí)現(xiàn)了車上與地面控制相結(jié)合、現(xiàn)地與中央控制相結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)完整的列車自動(dòng)控制系統(tǒng)。

1.2 移動(dòng)閉塞系統(tǒng)原理

多輛高速列車同時(shí)運(yùn)行時(shí)，由于速度和重量存在差距，為了實(shí)現(xiàn)多列車追蹤運(yùn)行，就必須調(diào)整運(yùn)行速度。移動(dòng)閉塞系統(tǒng)原理就是為了根據(jù)前車的制動(dòng)與運(yùn)行情況，自動(dòng)設(shè)定后行列車的最優(yōu)化制動(dòng)距離與運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)高密度的多列車安全間隔運(yùn)行。移動(dòng)閉塞系統(tǒng)相比較固定閉塞系統(tǒng)而言，取消了以往的固定信號(hào)（如圖1），將車載控制與地面控制有機(jī)結(jié)合，后行列車根據(jù)同一運(yùn)行方向前行列車的運(yùn)行狀態(tài)，將前行列車的車尾作為追蹤點(diǎn)，計(jì)算出最佳速度與間隔距離。移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下的列車制動(dòng)與間隔距離更加靈活，能夠根據(jù)參數(shù)與列車特性的不斷變化而做出相應(yīng)調(diào)整，有助于降低列車能耗，更好地滿足高密度的多列車運(yùn)行要求。

1.3 多目標(biāo)粒子群算法

粒子群算法（PSO）又稱為鳥群覓食算法，屬于進(jìn)化算法的一種。粒子群算法比遺傳算法（GA）更為簡單，其通過迭代尋找最優(yōu)解，具有操作簡易、精度高、收斂快等優(yōu)點(diǎn)。一般來說，粒子群算法可以用于處理多目標(biāo)優(yōu)化問題；對(duì)多個(gè)非劣解進(jìn)行并行搜索，解決不同類型有約束或無約束的最優(yōu)化問題。針對(duì)高速列車多目標(biāo)優(yōu)化的狀況，本文依據(jù)的是多目標(biāo)粒子群算法（MOPSO），求解各個(gè)目標(biāo)的綜合最優(yōu)值。

2 單列車運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化與控制策略

2.1 單列車節(jié)能優(yōu)化問題

單列車運(yùn)行過程是指將所有坡道以及限速類型考慮在內(nèi)的單列車完成出進(jìn)站（從出發(fā)站到目標(biāo)站）的運(yùn)行過程。本文研究單列車節(jié)能優(yōu)化問題源于對(duì)單列車運(yùn)行速度曲線的最優(yōu)化求解，在單列車出站前輸入運(yùn)行線路以及各項(xiàng)參數(shù)，通過仿真模擬的方式求出相應(yīng)區(qū)間的目標(biāo)速度，并通過ATO系統(tǒng)計(jì)算求得能夠滿足各項(xiàng)條件的最優(yōu)化節(jié)能的運(yùn)行速度曲線，進(jìn)而引導(dǎo)列車完成整個(gè)運(yùn)行過程。因此，單列車節(jié)能優(yōu)化問題的關(guān)鍵在于獲取最優(yōu)化運(yùn)行速度曲線。

2.2 單列車節(jié)能控制策略

本文所提出的單列車節(jié)能控制策略是基于多目標(biāo)粒子群算法原理和ATO系統(tǒng)離線計(jì)算獲得的。為了計(jì)算出最優(yōu)化的列車運(yùn)行速度曲線，首先需要掌握具體的運(yùn)行線路以及有關(guān)限速條件。具體的運(yùn)行線路覆蓋列車在出進(jìn)站之間的所處范圍，限速條件是指列車區(qū)間內(nèi)的限速和速度序列。出于綜合考慮各種情況的目的，需要將列車的運(yùn)行線路和限速條件進(jìn)行離散化處理（如圖2）。目前，關(guān)于離散化的運(yùn)用十分廣泛，針對(duì)高速列車運(yùn)行路線較長且坡道變化頻繁的特征，綜合考慮算法的優(yōu)化精度與速度，將列車運(yùn)行線路按坡度和限速條件進(jìn)行離散化，進(jìn)而劃分為坡度與限速保持一致的若干個(gè)子區(qū)段，把列車制動(dòng)點(diǎn)前坡度值相同的線路歸為同一子區(qū)段，剩余線路為一個(gè)子區(qū)段，列車在同一個(gè)運(yùn)行線路環(huán)境中各個(gè)子區(qū)段所受的坡道阻力與限速條件相同。經(jīng)過對(duì)單列車運(yùn)行線路的離散化處理，然后采用最優(yōu)化方法在各個(gè)子區(qū)段內(nèi)搜索列車能耗的最小速度值，獲取目標(biāo)速度系列，最終找到能耗最小的運(yùn)行速度曲線。

3 多列車追蹤運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化與控制策略

3.1 多列車追蹤節(jié)能優(yōu)化問題

目前，我國主要鐵路干線的列車運(yùn)行密度在不斷增加，所以，大多數(shù)情況下屬于相互影響的多列車追蹤運(yùn)行。解決多列車追蹤運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化問題，就需要考慮同一運(yùn)行線路上的多列車相互干擾因素，以后行列車追蹤運(yùn)行為視角，來進(jìn)行最優(yōu)運(yùn)動(dòng)速度曲線計(jì)算。從實(shí)際情況來看，當(dāng)前行列車按計(jì)劃正常運(yùn)行時(shí)，后行列車也可以按計(jì)劃即ATO系統(tǒng)的速度曲線自動(dòng)運(yùn)行，但當(dāng)前行列車沒有按計(jì)劃正常運(yùn)行，如出現(xiàn)臨時(shí)停車、限速或其它因素干擾，后行列車就無法按原先ATO系統(tǒng)設(shè)定的速度曲線運(yùn)行，為了避免不必要的制動(dòng)或者縮小制動(dòng)距離達(dá)到降低能耗的目的，就需要根據(jù)實(shí)時(shí)追蹤情況進(jìn)行運(yùn)行速度的調(diào)整。

3.2 多列車追蹤節(jié)能優(yōu)化策略

針對(duì)多列車追蹤節(jié)能優(yōu)化問題，本文采用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法，以同一運(yùn)行線路上的前后行列車的運(yùn)行狀態(tài)為基本條件，通過實(shí)時(shí)追蹤前行列車的運(yùn)行狀態(tài)，來對(duì)后行列車最優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行速度曲線進(jìn)行求解。多列車追蹤節(jié)能優(yōu)化相對(duì)于單列車節(jié)能優(yōu)化來說更加復(fù)雜，需要解決動(dòng)態(tài)多目標(biāo)優(yōu)化問題。在運(yùn)用多目標(biāo)粒子群算法時(shí)，還是先對(duì)運(yùn)行線路和限速進(jìn)行離散化處理，形成若干個(gè)子區(qū)段，計(jì)算出前后列車的最優(yōu)運(yùn)行速度曲線。然后再考慮兩列車之間的距離以及兩車的速度和位置信息等參數(shù)，在移動(dòng)閉塞系統(tǒng)下計(jì)算出列車最小追蹤間隔距離，根據(jù)前后列車實(shí)際間隔與最小追蹤間隔距離，再結(jié)合后行列車的速度、慣性等約束條件，計(jì)算出后行列車受前行列車影響時(shí)的最優(yōu)速度曲線。

4 結(jié)束語

本文著眼于高速列車的運(yùn)行控制原理，根據(jù)列車的牽引特性以及運(yùn)行線路與速度參數(shù)，來研究最優(yōu)化的目的速度曲線，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化與控制的目的。在此基礎(chǔ)上，本文提出采用離散化處理與PSO算法來求解ATO系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化的運(yùn)行速度曲線，使ATO系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)追蹤高速列車運(yùn)行情況來重新規(guī)劃目標(biāo)速度曲線，減少不必要的制動(dòng)或停車等待，降低列車的運(yùn)輸能耗，提高我國高速列車運(yùn)行的效率。

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