基于二次速度曲线优化的高速列车节能操纵策略研究

摘要

近年来，高速列车由于其安全、舒适和快速的特性得到了越来越多的关注。然而，随着列车运行速度的提高和运行距离的延长，巨大的能源消耗是不可忽视的，因此如何有效地减少高速列车的运行能耗成为国内外学者研究的重要课题。列车在运行过程中的能耗主要用于牵引加速和克服各种运行阻力，不同的操纵方法会直接导致能量消耗的不同并反映在列车运行速度曲线上。而在没有大量硬件设备的条件下，通过优化运行速度曲线来构建列高速列车运行的节能操纵策略并采用计算机仿真验证，成为研究这个优化课题的有效方式。
　　本文在动态模型构建中充分考虑了高铁列车特性和运行的地理条件，建立了精确的符合实际的列车模型。本文节能操纵策略的新颖之处是提出了离线全局优化和在线局部优化的二次速度曲线寻优方法，不同于单一的全局速度优化或者将局部优化与全局优化结合的一次速度优化过程，这两次列车运行速度的优化过程是相互独立并且在依次进行的，有更加良好的节能效果。在列车速度离线优化中，采用优化组合技术作用于子区间和区间速度码的组合，并通过遗传算法进行全局速度优化问题的求解;而在列车实际运行时，预测控制被用于进行在线速度调整来深化全局寻优的结果，充分利用了线路坡道的坡度优势，结合列车操作模式完成更精确的局部速度优化。因此在固定时间和距离约束的条件下，可以获得一条更加节能的速度运行轨迹。
　　本文以CHR3型列车组为研究车型，基于实际线路数据进行了两个仿真实例，将采用本文二次速度优化节能操纵策略获得的仿真结果和一般节能策略、一次全局优化策略及其他学者的节能操纵策略获得的仿真结果进行对比，验证了本文提出的策略在列车节能运行方面有更优越的性能，同时实现列车的实时速度控制，增强了列车运行的可靠性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 研究现状

1．2．2 现有方法的不足

1．3 采用二次速度曲线优化的必要性

1．4 本文的主要内容及优势

2 高速列车运行过程的基本问题

2．1 高速列车特点

2．2 影响高速列车运行的主要因素

2．2．1 高速列车牵引特性

2．2．2 线路参数

2．3 高速列车牵引计算基础

2．3．1 牵引力

2．3．2 制动力

2．3．3 运行阻力

2．4 高速列车运动学模型

2．5 本章小结

3 基于遗传算法的一次速度曲线优化

3．1 遗传算法基本理论

3．1．1 理论基础

3．1．2 运算方法

3．2 列车节能优化操纵模型建立

3．2．1 制动距离

3．2．2 能耗模型

3．3 采用遗传算法的节能优化策略

3．3．1 线路及目标速度离散化

3．3．2 速度码选择

3．3．3 最优速度曲线描述

3．3．4 约束条件处理

3．4 遗传算法的具体实现

3．4．1 迭代初值的产生

3．4．2 适应度值计算

3．4．3 遗传操作处理

3．5 本章小结

4 基于预测控制理论的二次速度曲线优化

4．1 预测控制基本理论

4．1．1 基本原理

4．1．2 本质特征

4．2 列车运行能耗计算

4．2．1 坡道分类

4．2．2 能耗模型

4．3 采用预测控制的节能操纵方法

4．3．1 列车恒速运行

4．3．2 预测过程分析

4．3．3 速度曲线优化

4．4 本章小结

5 仿真实例

5．1 仿真基础

5．1．1 列车参数

5．1．2 线路选择

5．2 仿真系统设计

5．2．1 仿真系统结构设计

5．2．2 仿真界面设计

5．3 节能效果分析

5．3．1 节能效果的纵向对比分析

5．3．2 节能效果的横向对比分析

5．4 本章小结

6 结论和展望

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

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