重載列車運行控制的研究

張李軍，專祥濤

（武漢大學(xué) 動力與機械學(xué)院，武漢 430072）

重載列車有著運量大，效率高，成本低的優(yōu)勢，重載列車技術(shù)的發(fā)展越來越重要。國內(nèi)外對于重載列車技術(shù)的研究近幾年取得了不少成果，本文從重載列車運行的控制目標(biāo)、研究方法和系統(tǒng)控制器設(shè)計3個方面分別進行闡述。

1 重載列車運行控制的目標(biāo)

重載列車運行中，關(guān)心的主要因素包括能量消耗、運行時間和運行安全。能量消耗直接關(guān)系到運行的經(jīng)濟效益，能耗越少，運行的成本就越低；運行時間則關(guān)系到線路的運輸能力和鐵路企業(yè)的服務(wù)水平，速度越快，企業(yè)的服務(wù)水平越好。然而，速度越快，列車運行的安全水平越難保障，如果沒有有效的控制措施，制動距離和車鉤受力都會隨著速度的提高而增大，直接影響列車的安全運行。

1.1 以減少能耗為目標(biāo)

國外對列車節(jié)能運行問題進行了大量的研究。南澳大利亞大學(xué)SCG研究所在列車的建模和控制方面做了一系列研究[1～2]，他們最重要的貢獻有3點。（1）提出了計算列車節(jié)能控制問題的機械能模型，指出了列車節(jié)能控制主要分為4個階段：最大加速、勻速運行、惰行以及最大制動[2]。（2）相繼開發(fā)了適用于較短列車計算機在線操縱指導(dǎo)系統(tǒng)METROMISER，和適用于長途貨運列車的節(jié)能控制系統(tǒng)CRUISEMSIER。（3）綜合考慮了離散和連續(xù)控制，研究了更符合實際情況的列車運行控制問題，給出了關(guān)于如何計算最優(yōu)控制切換點的新結(jié)果，并在2010年解決了在大坡度道路上全局最優(yōu)切換點的計算問題，完善了這一結(jié)果。

他們的研究有兩點不足之處。（1）研究是在純氣動制動系統(tǒng)上進行的，這種制動系統(tǒng)由于氣動信號的傳輸時延和衰減問題在重載列車上的使用并不理想。（2）設(shè)計的控制器本質(zhì)上是開環(huán)控制器，沒有任何系統(tǒng)的輸出反饋到控制回路，操作效果會受到實際環(huán)境的影響。

為了解決以上問題，南非University of Pretoria的研究團隊在總結(jié)澳大利亞和美國的列車制動控制方案后，將原來的開環(huán)控制器改進為閉環(huán)控制器，并考慮了大面積使用ECP（電控空氣制動系統(tǒng)electrically controlled pneumatio brake system），制動后，列車縱向力沖動的改善和能耗的減少。他們首先對裝備ECP的重載列車建立了縱向動力學(xué)模型[3]，基于這種模型，提出了基于速度反饋的控制方法，并利用非線性系統(tǒng)理論設(shè)計了相應(yīng)的控制器[4]，解決了全狀態(tài)反饋在實際應(yīng)用不現(xiàn)實的問題，使得列車能效優(yōu)化控制更接近實際情況。

近年來，國內(nèi)主要致力于列車節(jié)能算法設(shè)計與模型求解方法的研究。起初采用了拉格朗日乘子法。但在實際計算應(yīng)用中，這種算法由于參數(shù)敏感有時會導(dǎo)致程序無法執(zhí)行而且參數(shù)很難調(diào)整。針對這個問題，后來改用遺傳算法等啟發(fā)式算法求解模型[6~7]。

啟發(fā)式算法的缺點是，很難保證求得全局最優(yōu)解。有一部分學(xué)者將預(yù)測控制理論應(yīng)用于重載列車的控制中，取得了良好的效果。例如：文獻[8~9]深入研究了預(yù)測控制理論，將預(yù)測控制的思想運用于列車節(jié)能運行速度的預(yù)測。建立了機車節(jié)能控制模型，借助于預(yù)測方案確定列車節(jié)能運行的工況轉(zhuǎn)換點，并通過仿真研究證明了該預(yù)測控制算法的有效性。

除了對列車建模和控制之外，駕駛?cè)藛T的技術(shù)水平也是影響能效的一個重要因素，為此，文獻[10]針對機車司機操縱列車時不合理的能耗問題，對節(jié)能列車操縱的思路及方法進行了分析論述。

1.2 以準(zhǔn)點運行為目標(biāo)

從列車調(diào)度方面系統(tǒng)考慮，為保證列車的準(zhǔn)點運行，列車運行調(diào)度問題至關(guān)重要。當(dāng)列車實際運行狀態(tài)偏離運行計劃而造成列車運行秩序紊亂時，必須重新規(guī)劃列車運行時刻表，盡快恢復(fù)列車有秩序運行狀態(tài)。列車調(diào)度問題屬于大規(guī)模的組合優(yōu)化問題，現(xiàn)有方法只能解決特定調(diào)度區(qū)段或是特定列車組的列車運行，不具有廣泛的適應(yīng)性，基于此，文獻[11]等構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化列車運行調(diào)整的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計了分解協(xié)調(diào)計算模型。并通過實驗證實了該計算模型能適應(yīng)多種線路條件和不同列車調(diào)度員習(xí)慣偏好，并快速求出優(yōu)化解。

從單個列車考慮，其運行的準(zhǔn)時性是列車調(diào)度系統(tǒng)的保障，文獻[12]的研究考慮了準(zhǔn)時特性，以在一定的時分誤差最小為控制目標(biāo)之一對系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提高了單個列車的準(zhǔn)時性。

1.3 以運行安全為目標(biāo)

重載列車運行的安全問題主要包括列車超速保護、坡道停車問題以及車鉤受力問題。

對于超速問題，文獻[13]開發(fā)的列車速度控制仿真系統(tǒng)已經(jīng)投入運行。針對坡道停車問題，文獻[14]從完善重載列車的操縱辦法、提高操縱技能、穩(wěn)定設(shè)備質(zhì)量和提高調(diào)度指揮水平等方面提出了防止列車坡停的具體對策措施。

車鉤受力過大容易導(dǎo)致斷鉤現(xiàn)象發(fā)生，進而引起列車脫軌等一系列嚴重事故。為此，國內(nèi)研究根據(jù)萬噸重載列車試驗數(shù)據(jù)和實際操縱經(jīng)驗，在理論和實際相結(jié)合基礎(chǔ)上探討了萬噸重載列車的平穩(wěn)操縱方法。南非文獻[15]在對重載列車深入研究的基礎(chǔ)上，提出了一種綜合考慮列車縱向車鉤力、能量消耗的最佳的重載列車操縱方法。

2 重載列車運行控制的研究方法

2.1 建模仿真研究

利用計算機技術(shù)將理論研究和試驗研究相結(jié)合對重載列車進行系統(tǒng)仿真研究能節(jié)省大量人力物力，并提高研究的效率，是重要的研究手段。

在關(guān)于制動特性的研究方面，2004年，利用現(xiàn)代流體動力學(xué)數(shù)值計算方法研究了長大貨物列車空氣制動管系的充氣特性[16]，建立了考慮列車管泄漏的連續(xù)性方程，給出一種求解壓力速度耦合方程的顯式有限差分算法。

關(guān)于列車操縱方面的研究較多，如文獻[18]通過建立重載列車運行仿真平臺，研究了大秦線不同編組重載列車的牽引、制動等技術(shù)參數(shù)，為大秦線組織重載列車試驗、制訂合理的操縱方法等方面提供了技術(shù)依據(jù)。

2.2 試驗研究

試驗研究包括試驗室試驗和運行試驗。前者是在試驗室內(nèi)對重載列車關(guān)鍵部件的模擬試驗，主要有鉤緩裝置和列車制動系統(tǒng)的試驗。室內(nèi)試驗以較少的人力、物力進行多方案的比較，并完成在實際運行中難以實現(xiàn)的試驗，特別在重載列車的初期研究階段是必不可少的。由于試驗室試驗不能完全反映復(fù)雜的實際情況，所以運行試驗被用來在研究后期作為試驗驗證的手段，和結(jié)論性試驗。運行試驗一般是將專用的試驗車混編在列車中進行試驗，并記錄運行參數(shù)以供研究。

試驗室試驗方面，文獻[18]對長大貨物列車新型制動系統(tǒng)進行了系統(tǒng)研究，在2001年設(shè)計了相應(yīng)的試驗臺。

受各種因素的影響，研究列車運行試驗的文獻尚不多見，2007年，文獻[19]根據(jù)大秦線2萬t列車的試驗和仿真研究結(jié)果，提出了大秦線安全開行2萬t重載組合列車的技術(shù)對策和建議。

3 重載列車運行控制系統(tǒng)控制器設(shè)計方法

國內(nèi)外目前在重載列車控制器的設(shè)計方法上從形式上分有開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種策略，從使用的具體方法上分主要有采用現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)反饋法、基于啟發(fā)式算法的遺傳算法，模糊邏輯算法以及預(yù)測控制法。

國內(nèi)的研究主要集中在自適應(yīng)算法這一塊[8]。2009年，文獻[9～10]針對SS4改型機車對列車的節(jié)能運行速度進行預(yù)測。核心內(nèi)容是列車節(jié)能運行速度的預(yù)測，介紹了預(yù)測控制理論的基本原理及其基本特征，將預(yù)測控制的思想運用于列車節(jié)能運行速度的預(yù)測。其做法：利用速度預(yù)測控制算法對列車運行的典型區(qū)間進行了節(jié)能運行速度的預(yù)測，給出了列車節(jié)能運行優(yōu)化方案的選擇方法，通過仿真研究證明了該預(yù)測控制算法的有效性，在滿足時間等限制的條件下達到了節(jié)能的目的。

上述控制器設(shè)計方法和SCG的控制方法[2]，在本質(zhì)上是一種開環(huán)控制。鑒于此，南非比勒陀利亞大學(xué)團隊綜合考慮車鉤受力的優(yōu)化問題和LRQ閉環(huán)控制思想，設(shè)計了基于全狀態(tài)反饋的閉環(huán)優(yōu)化控制器。然而實際中并不是所有的狀態(tài)量都可測，為了解決這個問題，該團隊設(shè)計了基于速度測量反饋、并利用非線性理論設(shè)計了優(yōu)化控制器[4]，使得這種列車控制器可以方便地被用于實際列車控制中，并取得了比用線性理論設(shè)計的控制器更好的實際效果。

4 結(jié)束語

從國內(nèi)外重載列車研究的現(xiàn)狀可以得出以下結(jié)論：

（1）ECP制動必將代替純空氣制動；（2）預(yù)測控制在列車運行控制中逐漸成為一種趨勢；（3）節(jié)能和環(huán)境保護問題越來越受重視；（4）信息技術(shù)的應(yīng)用對改善列車運行調(diào)度、控制、設(shè)備改造等方面都將產(chǎn)生重大影響；（5）綜合考慮列車系統(tǒng)的非線性特性和外界干擾，研究更加接近實際情況的列車運行控制系統(tǒng)意義重大。

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