基于能耗和服务质量的高速铁路列车速度曲线优化研究

摘要

随着全球资源日益匮乏和环境污染日趋严重，能源利用的问题也得到了越来越多的重视。铁路运输系统若想可持续发展并取得较好的社会经济效益，更应该加强对能源消耗问题的关注。虽然铁路与其他交通方式相比，具有低能耗、少污染、大运量等特点，但由于中国高速铁路发展迅速，列车运行速度大幅提高、运量快速增涨、运行里程逐年增加，对铁路系统的能耗问题也提出了新的挑战。目前，国家“十三五”发展规划明确将节能环保写入国家战略层面，因此，研究如何降低铁路能耗问题已刻不容缓。
　　本文主要以列车速度曲线理论为基础，结合高速铁路列车运行环境及特点，在站间运行时间可接受范围内研究如何优化列车速度曲线，从而降低列车运行过程中的能量消耗。具体的，从单车速度曲线优化和协同列车的再生制动速度曲线优化两个角度，探讨了列车速度曲线优化问题的模型和算法。开展的研究工作如下:
　　(1)分析能量在铁路系统中的消耗分布情况及其影响因素。数据显示列车运行能耗占整个系统耗能的80％，因此列车运行能耗的节能潜力巨大，进而引出如何优化列车速度曲线来达到节能的目的。通过结合ATO系统的控制特点，进一步分析了铁路列车节能速度曲线的实际应用问题。
　　(2)同一列车在预先设定的时间范围内行驶一定的运输距离存在多种不同的控制策略，即速度曲线不同，而不同的控制策略直接导致了列车运行能耗的不同。因此，本文采用列车不同的档位分析牵引和减速过程，从而设计和优化了铁路上的列车速度。在此基础上，本文还加入了对于列车控制策略中变换速度时位置点选取的研究。
　　(3)由于列车在运行过程中所处物理环境（如线路坡度、曲线半径等）的不同导致在整个线路中的限速区间的差异。因此，本文加入对线路环境的考虑，对限速区间进行了不同的分割以达到满足线路要求的列车速度曲线。
　　(4)能量消耗和列车旅行时间是评价铁路运输系统有效性的两个性能指标。基于此，本文设计了一个双目标数学模型以最小化能量消耗和列车旅行时间。同时，采用不确定理论中的隶属度函数来使得能耗和旅行时间达到一个满意度的平衡。对于两个目标具有相等满意程度的最优列车速度曲线，应用模糊线性规划的方法重新建立目标。
　　(5)在考虑再生制动条件下，基于单列车站间速度优化曲线的模型，本论文研究了列车协同优化的速度曲线问题，即在发车时间间隔不同的情况下，对列车速度曲线进行优化以达到更好地利用再生制动能量的目的，从而使得站间实际能耗与实际运行时间达到满意度的平衡。
　　(6)基于上述所建立的数学模型，设计改进的遗传算法来寻找最优解。基于京——津城际运行数据将优化前后的控制策略进行对比分析，从而验证本文所提出的模型及算法的有效性，并得到相应的速度曲线。在采用相同的满意区间的情况下，对目标值进行对比，得到由于再生制动能量的利用使得多车协同运行时速度曲线的满意度更高的结论。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 背景介绍

1．2 国内外研究现状

1．2．1 列车速度曲线研究现状

1．2．2 列车速度曲线问题的算法

1．2．3 现有研究成果中仍存在的不足

1．3 论文主要研究内容及结构

2 论文相关基础知识

2．1 铁路能耗构成及其影响因素

2．1．1 列车运行能耗

2．1．2 辅助能耗

2．2 列车速度曲线基本知识

2．2．1 列车ATO系统简介

2．2．2 高速铁路自动驾驶系统分析

2．3 本章小结

3 单车速度曲线研究

3．1 问题描述

3．2 模型建立

3．2．1 目标函数

3．2．2 约束条件

3．2．3 列车速度曲线优化模型

3．3 本章小结

4 列车协同情况下的速度曲线研究

4．1 问题描述

4．2 模型建立

4．2．1 模型假设

4．2．2 目标函数

4．2．3 列车协同优化模型

4．3 本章小结

5 算法设计

5．1 解的表示

5．2 评价函数

5．3 选择过程

5．4 交叉过程

5．5 变异过程

5．6 本章小结

6 数值算例

6．1 算例1

6．1．1 单车情况下节能曲线优化

6．1．2 多车协同运行曲线优化

6．2 算例2

6．2．1 单车情况下节能曲线优化

6．2．2 多车协同运行曲线优化

6．3 本章小结

7．1 工作和结论

7．2 进一步研究方向

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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