和声搜索算法在中速磁浮列车自动运行系统中的应用研究

摘要

中速磁浮列车作为一种现代交通工具，因其转弯半径小、爬坡能力强、绿色环保、噪声小、相对能耗低等特点成为现代轨道交通的重点发展方向。磁浮列车的自动运行(ATO)系统根据列车时刻表中设定的数据和列车运行要求完成列车自动运行控制。时刻表的优化调整对于ATO系统控制列车完成自动运行，提高列车运行效率，保证列车安全行驶和准点到站，提高列车的舒适性和乘客满意度具有重要意义。但是，实际问题中，时刻表优化问题是一个典型的复杂优化问题，很难找到精确求解最优解的数学算法。和声搜索算法是一种模拟乐师调整乐器音调得到最美和声过程进行全局优化的新颖智能优化算法，对于解决复杂优化问题效果良好。该算法具有参数少、求解速度快、鲁棒性强、适用性高等特点。研究和声搜索算法并将其应用到列车自动运行系统的时刻表优化问题中具有重要的理论意义和实用价值。
　　本文首先介绍了和声搜索算法的基本原理和研究现状，在此基础上，提出一种改进的和声搜索算法—自适应新颖全局和声搜索算法，利用经典测试函数对其优化性能进行测试，并将该算法应用到列车自动运行系统时刻表优化问题中，具体内容如下:
　　(1)针对和声搜索算法易出现局部最优问题，提出自适应新颖全局和声搜索算法，为使算法在实际问题中达到最佳的优化效果，选取与实际问题相近的7个经典测试函数对算法的参数设置进行仿真实验分析，确定最佳设置参数。之后，将自适应新颖全局和声搜索算法与和声搜索算法，改进的和声搜索算法，动态自适应新颖全局和声搜索算法，新颖全局和声搜索算法对7个测试函数进行性能优化分析，对比五种算法的优化结果，显示自适应新颖全局和声搜索算法在解决优化问题时具有很好的全局优化性能和很好的鲁棒性。
　　(2)研究运行控制系统的结构设计和ATO系统主要功能，分析磁浮列车ATO系统时刻表优化问题，针对传统时刻表从运营角度考虑，以停站时间，区间运行时间为优化目标建立模型，本文从乘客角度出发，考虑动态客流情况下乘客在车站的等车时间和乘客乘车时间，最后以乘客总体出行时间作为优化目标建立数学模型。
　　(3)根据建立的数学模型，设计算法求解步骤，对于规划设计的磁浮线路，完成自适应新颖全局和声搜索算法对中速磁浮列车在早晚高峰、中午平峰、早晚平峰三个运营时间段内的乘客等车时间，乘车时间和总体出行时间的优化求解，验证自适应新颖全局和声搜索算法对求解磁浮列车ATO系统时刻表优化问题的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 和声搜索算法的研究现状

1．2．2 ATO系统时刻表的研究现状

1．3 本文研究思路与创新点

1．4 本文的结构安排

2 和声搜索算法及其改进策略

2．1 和声搜索算法

2．1．1 和声搜索算法原理

2．1．2 和声搜索算法运算过程

2．1．3 和声搜索算法特点

2．2 和声搜索算法改进策略

2．2．1 基于参数的改进策略

2．2．2 基于算法机制的改进策略

2．2．3 与其他算法进行融合的改进策略

2．3 本章小结

3 改进的和声搜索算法

3．1 已有改进和声搜索算法

3．2 自适应新颖全局和声搜索(ANGHS)算法

3．2．1 基本思想

3．2．2 改进策略

3．2．3 ANGHS算法流程

3．3 ANGHS算法与四种和声搜索算法性能对比

3．3．1 测试函数的选取

3．3．2 ANGHS算法参数设置分析

3．3．3 五种算法参数的选取

3．3．4 实验结果与分析

3．4 本章小结

4 中速磁浮ATO系统时刻表问题描述及数学建模

4．1 ATO系统时刻表问题介绍

4．1．1 运行控制系统结构

4．1．2 ATO系统主要功能

4．1．3 ATO系统时刻表编辑

4．2．1 时刻表的要素

4．2．2 时刻表的作用

4．2．3 时刻表优化问题的传统数学描述及目标函数

4．2．4 时刻表优化问题的约束条件

4．3 考虑乘客总体出行时间的时刻表优化问题数学模型

4．3．1 考虑乘客总体出行时间的时刻表优化问题数学描述

4．3．2 乘客总体出行时间目标函数

4．3．3 考虑乘客总体出行时间时刻表优化问题约束条件

4．4 本章小结

5 ANGHS算法在ATO系统时刻表优化问题中的应用

5．1．1 乘客总体出行时间计算方法

5．1．2 ANGHS算法优化时刻表步骤

5．2 ANGHS算法求解时刻表优化问题

5．2．1 磁浮线路早晚高峰运营期间时刻表优化

5．2．2 磁浮线路中午平峰运营期间时刻表优化

5．2．3 磁浮线路早晚平峰运营期间时刻表优化

5．2．4 磁浮线路时刻表优化效果对比分析

5．3 本章小结

6 结论与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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