基于专家系统的货运列车优化操纵算法研究

摘要

随着我国铁路运输系统路网规模不断增大，货运作业愈加繁重，列车运行能耗受到越来越多的关注。对货运列车优化操纵算法进行研究，生成给定运行时间下列车节能运行速度曲线及司机参考操纵级位，从而协助司机行车，将有效节省列车运行能耗，提升铁路货物运输效率，并降低司机工作强度。
　　本文在归纳总结列车节能、平稳和合理操纵规则的基础上，分析协调规则间的作用优先级，构建货运列车优化操纵基本规则集;提出局部节能最优指标函数，构建节能最佳工况转换点判定规则集;构建专家系统知识库，形成专家系统，设计满足安全、合理、平稳和准点运行约束的货运列车节能优化操纵算法，实现货运列车优化操纵速度曲线和参考操纵级位的生成。
　　首先，基于列车牵引计算，确定货运列车运行过程模型。对列车节能最优操纵问题进行建模，应用极大值原理对问题进行分析，得出最优操纵基本结论—最优工况集和工况转换原则。
　　其次，确定线路区段划分方法，基于最优操纵基本结论，讨论不同线路情况下的列车节能最优操纵规则;分析货运列车纵向冲动产生原因，结合优秀司机平稳操纵经验，总结货运列车平稳操纵规则;分析电力机车自身操纵约束，总结电力机车合理操纵规则。分析协调上述三类规则间的作用优先级，构建电力牵引货运列车的优化操纵基本规则集。
　　然后，根据列车运行过程中局部能耗与运行时间的关系，提出基于时间加权的局部节能最优指标函数的通用形式并给出权重系数，分析不同线路情况下节能最佳工况转换点解空间和节能最优指标函数的具体形式，构建节能最佳工况转换点判定规则集。
　　最后，基于上述两个规则集，构建专家系统知识库，搭建专家系统，设计货运列车优化操纵算法的工作流程。通过MATLAB对算法进行实现，并分别在虚拟线路和实际线路上进行仿真和案例对比，得到了良好的效果，证明了本文算法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究目标及主要内容

第2章 货运列车运行过程模型

2．1 列车受力分析

2．1．1 列车牵引力

2．1．2 列车制动力

2．1．3 列车阻力

2．2 列车运动学解算

2．2．1 解算原理

2．2．2 数值算法

2．3 本章小结

第3章 货运列车优化操纵规则

3．1 节能最优操纵问题建模

3．2 节能最优操纵问题求解

3．2．1 最优操纵工况集

3．2．2 工况转换原则

3．3 节能最优操纵规则

3．3．1 线路区段划分

3．3．2 不触及限速时的最优操纵规则

3．3．3 触及限速时的最优操纵规则

3．4 平稳操纵规则

3．5 合理操纵规则

3．6 本章小结

第4章 货运列车优化操纵算法

4．1 优化操纵基本规则集

4．2 节能最佳工况转换点判定规则集

4．2．1 不触及限速时的转换点判定

4．2．2 触及限速时的转换点判定

4．3 基于专家系统的算法实现

4．3．1 专家系统搭建

4．3．2 优化操纵算法流程

4．4 本章小结

第5章 货运列车优化操纵算法验证

5．1 虚拟线路仿真

5．1．1 列车数据

5．1．2 线路数据

5．1．3 限速数据

5．1．4 简单限速下的仿真

5．1．5 复杂限速下的仿真

5．2 实际线路仿真

5．2．1 列车数据

5．2．2 线路数据

5．2．3 限速数据

5．2．4 仿真案例

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果