带有车载储能设备的动车组应急自走行方案研究

摘要

安全是铁路运行的基本前提，列车的安全运行直接影响着乘客的人身和财产安全。但在高速列车运行中，由于各种原因导致接触网断电，继而引起列车动力丧失，从而影响正常的列车日常运营。为了解决接触网故障时列车动力丢失问题，带有车载储能设备的动车组列车诞生了。此类动车组列车可以依靠车载储能设备提供动力应急自走行一段距离。列车在由车载储能设备提供动力运行时，由于储能设备容量、功率的限制和线路条件的影响，列车司机难以做出较好应急自走行的决策。　　在此背景下，本文将研究列车应急运行优化算法，同时设计列车应急自走行辅助驾驶系统，指导司机完成接触网故障后的应急自走行。　　首先，本文介绍高速列车牵引系统组成及应急自走行工况下的功率流向，在此基础上描述了适用于应急自走行的列车运行过程解算模型、车载储能设备等效电路模型、以及应急运行能耗计算模型。本文根据列车应急自走行的特点，将应急自走行过程划分成多个阶段，以列车应急自走行所需总能耗最小为目标，针对不同的运行阶段提出停车位置确定的应急自走行优化算法和停车位置不定的全程应急自走行优化算法。　　其次，本文设计了动车组应急自走行辅助驾驶系统，实现列车运行曲线优化与能量管理计算。根据接触网故障后列车应急运行的实际需求，设计了应急自走行辅助驾驶系统的总体结构；详细描述了各个子模块的功能和实现方法，在线辅助司机完成应急自走行。　　最后，选用京张高铁线路对本文所提出的应急自走行优化算法进行仿真验证。结果表明，本文提出的算法与恒速运行策略相比具有更好的节能性，同时列车应急运行时间更短；随后将本文设计的动车组应急自走行辅助驾驶系统移植到嵌入式平台中，进行半实物仿真，验证了本文所设计应急自走行辅助驾驶系统的有效性和正确性。

目录

声明

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 储能设备与应急自走行研究现状

1.2.2 列车速度曲线优化研究现状

1.3 研究目标及研究内容

第2章 列车应急自走行运动学与能耗建模

2.1 列车牵引系统结构

2.2 列车牵引计算模型

2.2.1 列车牵引力

2.2.2 列车制动力

2.2.3 列车运行阻力

2.2.4 列车回转质量系数

2.2.5 列车均值棒模型

2.2.6 列车运动学方程

2.3 车载储能设备模型

2.3.1 典型电池等效模型

2.3.2 电池等效电路模型

2.3.3 电池组串并联简化

2.4 能耗模型建立

2.5 本章小结

第3章 应急自走行速度曲线优化

3.1 列车应急自走行运行阶段

3.2 停车位置确定的应急运行节能优化问题

3.2.1 应急运行节能策略分析

3.2.2 基于惰行优化的应急自走行速度曲线

3.3 停车位置不定的全程应急自走行优化问题

3.3.1 现象描述

3.3.2 求解算法

3.4 本章小结

第4章 应急自走行辅助驾驶系统设计

4.1 动车组应急自走行辅助驾驶系统设计

4.1.1 方案总体需求分析及功能实现

4.1.2 应急自走行辅助驾驶系统总体流程设计

4.2 走行方案详细设计

4.2.1 车线时刻表数据处理模块

4.2.2 输入数据处理模块

4.2.3 应急自走行优化计算模块

4.2.4 辅助系统能量管理模块

4.2.5 输出数据处理模块

4.3 司机驾驶控制模拟器与HMI显示

4.4 本章小结

第5章 仿真验证

5.1 算法仿真条件与参数

5.1.1 列车参数与特性

5.1.2 线路数据

5.1.3 车载储能设备参数

5.2 节能优化运行仿真验证

5.2.1 应急自走行速度曲线优化算法仿真

5.2.2 全程优化算法仿真验证

5.3 半实物平台验证

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