CTCs-3级列控仿真实验系统车载子系统的研究与设计

摘要

我国高速铁路的发展进入了提速阶段，为我国经济社会升级发展打下强劲的基础，CTCS-3级列车运行控制系统能够保证高速铁路安全可靠运行，自动驾驶技术应用于CTCS-3级列控系统可以使列车运行策略更加合理。国内相关铁路高校纷纷研究列控教学系统，并亟待将自动驾驶技术引入其中。相对于实际列控系统，在列控教学系统中应用自动驾驶技术可行性更高。本文在分析了国内外针对自动驾驶技术研究的基础上，将自动驾驶技术与CTCS-3列控系统车载设备进行了结合。本文具体的研究内容如下。
　　首先，论文以“高速铁路CTCS-3级虚拟仿真实验系统”为研究平台，在分析了中国列车运行控制系统车载设备和列车自动驾驶功能需求的基础上，主要研究了以车载安全计算机为代表的车载设备，开发了车载子系统的软硬件。
　　其次，本文选取CRH380A型电力动车组为研究对象。通过分析该列车的牵引特性和制动特性等性能指标，研究了列车的动力学模型，提出了列车自动驾驶的模型。同时综合列车运行过程中能耗性、准时性和乘客舒适度等性能指标设计了列车运行优化目标模型，以此来分析列车自动驾驶曲线的优劣性。
　　再次，为了优化列车自动驾驶曲线，根据列车运行优化目标模型，提出了遗传算法、遗传-蚁群融合算法以及精英选择遗传算法三种算法。针对相同的列车运行参数和列车运行优化目标模型，运用MATLAB进行仿真计算，对三种算法进行了验证与分析。结果表明，精英选择遗传算法在优化结果方面具有明显的优势，遗传算法和精英选择遗传算法均适用于求解列车自动驾驶曲线优化问题。
　　最后，本文将理论与实践相结合，将列车自动驾驶曲线的优化结果与车载子系统相结合，使之更具有现实指导意义。通过测试车载子系统软件和硬件两种实现方式，结果表明车载子系统具备列车自动驾驶的功能。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 国外的列车运行控制系统的研究

1．2．1 法国TVM系统

1．2．2 日本列车自动控制系统ATC

1．2．3 欧洲ETCS系统

1．2．4 国外列控系统车载设备的仿真研究

1．3 我国CTCS-3级列控系统车载设备

1．4 列车自动驾驶系统研究现状

1．5 论文主要内容与组织结构

2 车载系统功能分析与设计实现

2．1 CTCS-3级列控系统和CTCS-3级虚拟仿真实验系统分析

2．1．1 车载设备介绍

2．1．2 地面设备介绍

2．2 实验系统中车载子系统的基本功能

2．3 车载系统仿真软件设计与实现

2．3．1 车载系统结构设计

2．3．2 车载系统功能设计

2．3．3 车载系统软件层级划分

2．3．4 车载系统软件工作流程设计

2．3．5 车载系统软件接口设计

2．3．6 车载系统软件实现

2．3．7 车载系统控车功能实现

2．4 车载系统仿真硬件设计与实现

2．4．1 车载系统硬件整体设计

2．4．2 最小系统模块

2．4．3 电源模块

2．4．4 WiFi／串口通信模块

2．4．5 LCD模块

2．4．6 USB下载模块

2．4．7 电路板制作与界面实现

2．5 车载系统与模拟列车关系及车载子系统实现形式

2．6 本章小结

3 列车运行控制模型研究

3．1 列车运行动力学模型

3．1．1 列车运行力学分析

3．1．2 牵引力分析

3．1．3 运行阻力分析

3．1．4 制动力分析

3．1．5 列车运行过程分析

3．2 列车运行控制速度防护及自动驾驶模型

3．3 列车运行优化目标模型

3．3．1 能耗模型

3．3．2 运行时间模型

3．3．3 舒适度模型

3．3．4 运行曲线评价模型

3．4 本章小结

4 列车运行优化模型算法研究

4．1 相关算法概述

4．1．1 遗传算法概述

4．1．2 蚁群算法概述

4．2 基于遗传算法的列车运行控制

4．3 基于遗传-蚁群算法的列车运行控制研究

4．4 基于精英选择遗传算法的列车运行控制

4．5 本章小结

5 自动驾驶功能应用与系统测试

5．1 列车自动驾驶功能在实验系统上的应用

5．1．1 实验系统沙盘及车站

5．1．2 实验系统运行参数设计与分析

5．1．3 列车自动驾驶运行的应用与分析

5．1．4 车载子系统列车自动驾驶功能实现

5．2 车载仿真系统运行与调试

5．3 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

图索引

表索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集