重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱研究

田玉兵

（濟(jì)南西機(jī)務(wù)段兗州運(yùn)用一車間，濟(jì)南 250000）

1 引言

隨著我國鐵路運(yùn)輸建設(shè)發(fā)展越來越完善，針對重載列車運(yùn)行控制研究也越來越重視，按照重載列車運(yùn)行控制中的衡量標(biāo)準(zhǔn)來看，行車運(yùn)行重量在萬噸以上的列車才能被稱之為重載運(yùn)行列車。整個(gè)列車的運(yùn)行中，司機(jī)只能按照操縱提示信息和自身的行車經(jīng)驗(yàn)作為整個(gè)列車控制中的關(guān)鍵性要素實(shí)施。在我國現(xiàn)有的鐵路線路建設(shè)中，錯(cuò)綜復(fù)雜的鐵路線路建設(shè)使得整個(gè)重載列車的運(yùn)行中對應(yīng)的操縱控制出現(xiàn)了很多的隱患。因此，以多目標(biāo)優(yōu)化操縱作為整個(gè)重載列車運(yùn)行中的安全性控制研究在整個(gè)鐵路運(yùn)輸建設(shè)中就變得較為重要。本文針對重載列車進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化操縱研究，其意義在于按照現(xiàn)有鐵路運(yùn)輸中的重載列車運(yùn)行條件，及時(shí)地將整個(gè)列車運(yùn)行控制中的優(yōu)化操縱要點(diǎn)明確，為后續(xù)的行車操縱控制奠定基礎(chǔ)，提升重載列車運(yùn)行安全控制能力。

2 重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱模型構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建假設(shè)

按照重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱模型構(gòu)建中的需求，在本文研究中特別進(jìn)行了建模處理，整個(gè)建模過程中對模型進(jìn)行了假設(shè)，整個(gè)假設(shè)如下：一是整個(gè)列車運(yùn)行中，其對應(yīng)的列車運(yùn)行是受到牽引力控制和電制動(dòng)力控制的，并且整個(gè)控制中動(dòng)力支撐是連續(xù)的。在整個(gè)列車的運(yùn)行控制中，其對應(yīng)的列車控制能夠在手柄控制下，進(jìn)行極位平滑牽引。二是整個(gè)列車運(yùn)行中，其對應(yīng)的列車牽引控制動(dòng)力能夠發(fā)揮出的最大減壓量為70KPa[1]。

2.2 模型解釋

假設(shè)列車在運(yùn)行中，由各種外力集中控制，在司機(jī)操縱手柄的控制下，能夠?qū)C(jī)車自身的牽引力與列車的制動(dòng)力發(fā)揮出來。但是由于各種原因造成的列車自身性空氣阻力摩擦稱之為列車運(yùn)行摩擦阻力，其對應(yīng)的阻力表達(dá)為：

其中Cx代表空氣阻力系數(shù)，Ω代表列車運(yùn)行中的最大截面積，P代表空氣的密度值，v為列車運(yùn)行的最大速度[2]。

由于重載列車在運(yùn)行中，其面對的運(yùn)行環(huán)境不同，其對應(yīng)的重力承載條件也是不同的，一般情況下，在坡道運(yùn)行和隧道運(yùn)行中，重載列車的自身性阻力變化會(huì)出現(xiàn)明顯的改變。本文在針對重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱模型的解釋中，也就坡道運(yùn)行和隧道運(yùn)行進(jìn)行了分析，具體的分析如下。

隧道運(yùn)行：在隧道運(yùn)行中，由于隧道自身的空氣阻力和隧道內(nèi)部的空氣壓力對列車的運(yùn)行造成了一定的阻力，其對應(yīng)的阻力分析中需要以牛頓第二定律作為整個(gè)阻力分析中的關(guān)鍵性衡量標(biāo)準(zhǔn)。其具體的分析方程如下：

通過對方程轉(zhuǎn)換帶入之后得出，整個(gè)方程運(yùn)行中，其對應(yīng)的求導(dǎo)結(jié)果為：

其中，m代表列車運(yùn)行的自身質(zhì)量，F(xiàn)和B分別代表列車牽引力和制動(dòng)力，而v代表列車運(yùn)行中其對應(yīng)的制動(dòng)力控制速度[4]。

2.3 多目標(biāo)函數(shù)評價(jià)

重載列車運(yùn)行中，其對應(yīng)的操縱控制和具體的列車行車之間具有重要性關(guān)聯(lián)，要想保障整個(gè)列車運(yùn)行操縱優(yōu)化控制能力提升，就應(yīng)該針對重載列車運(yùn)行操縱控制多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行分析，以列車運(yùn)行中的能耗，節(jié)能以及操縱的平穩(wěn)性等作為整個(gè)列車運(yùn)行的安全性控制因素，保障在函數(shù)構(gòu)建中，能夠?qū)⒄麄€(gè)重載列車運(yùn)行中的控制要點(diǎn)明確，這樣才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)列車運(yùn)行函數(shù)控制中的關(guān)鍵性目標(biāo)評價(jià)能力提升[5]。在本文研究中，以離散函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)為評價(jià)依據(jù)，對整個(gè)重載列車運(yùn)行中的控制進(jìn)行了分析，其對應(yīng)的函數(shù)如下：

2.4 模型約束條件分析

整個(gè)重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱模型構(gòu)建中，對于模型構(gòu)建的約束條件有很多，應(yīng)該按照具體的約束條件構(gòu)成，對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。首先，等式約束就是整個(gè)約束條件分析中，需要重點(diǎn)分析的一項(xiàng)因素。整個(gè)模型構(gòu)建中，由于模型構(gòu)建中的牽引力及動(dòng)力機(jī)制運(yùn)行出現(xiàn)了改變，使得整個(gè)列車的運(yùn)行阻力出現(xiàn)了明顯的提升。為了將列車運(yùn)行穩(wěn)定性展現(xiàn)出來，需要在列車運(yùn)行控制中，對整個(gè)列車運(yùn)行控制中的等式約束分析。也就是按照列車運(yùn)行控制中的處理，對整個(gè)列車運(yùn)行中的摩擦阻力進(jìn)行了分析，按照摩擦阻力分析中的衡量條件來看，其整個(gè)模型構(gòu)建中對于阻力的分析應(yīng)該和具體的坡道阻力以及曲線阻力和空氣阻力分析結(jié)合，這樣才能保障在阻力分析結(jié)合中，能夠?qū)?yīng)的等式約束明確[7]。

假設(shè)等式約束表達(dá)為Wk=Wi+Wr+Wk，當(dāng)K=1時(shí)其對應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行動(dòng)能控制和具體的模型分析相關(guān)，要想保障整體的模型運(yùn)行控制能力提升，就應(yīng)該注重對等式約束中的條件構(gòu)成分析，及時(shí)降低等式約束控制影響能力。同時(shí)重載列車在運(yùn)行中，其模型構(gòu)建中的約束條件分析中，還應(yīng)該將不等式約束明確，也就是按照重載列車運(yùn)行控制中的條件處理，將不等式約束控制和具體的列車運(yùn)行阻力傳導(dǎo)結(jié)合。本文研究中選定的是3km/h運(yùn)行下的列車跟隨速度，整個(gè)速度處理中的不等式約束表示為：

按照該不等式約束條件中的構(gòu)成來看，整個(gè)不等式的構(gòu)成處理中，其對應(yīng)的不等式處理應(yīng)該和具體的列車動(dòng)力牽引結(jié)合，保障在列車牽引結(jié)合處理中，能夠?yàn)檎麄€(gè)列車運(yùn)行的制動(dòng)力控制和牽引力控制提供保障[8]。

3 多目標(biāo)優(yōu)化操縱算法結(jié)構(gòu)分析

按照重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱中的處理要求，將其整個(gè)操縱處理中的算法結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，采用的是逆向化結(jié)構(gòu)處理形式，按照操縱控制處理需求，將整個(gè)操縱控制中的算法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成三級帶向結(jié)構(gòu)，及整個(gè)算法在實(shí)施中，其對應(yīng)的算法實(shí)施需要數(shù)據(jù)輸入、仿真計(jì)算和數(shù)據(jù)處理三部分，對應(yīng)部分內(nèi)又由不同的小算法結(jié)構(gòu)構(gòu)成。以數(shù)據(jù)輸入為例，在整個(gè)數(shù)據(jù)輸入中，其對應(yīng)部分的算法結(jié)構(gòu)分支包含列車數(shù)據(jù)、線路數(shù)據(jù)和限速數(shù)據(jù)等三部分。而仿真計(jì)算中，則又包含了列車牽引計(jì)算和二次規(guī)劃算法求解兩部分[9]。最后是數(shù)據(jù)處理，其整個(gè)算法結(jié)構(gòu)構(gòu)成中，有列車運(yùn)行仿真曲線顯示和列車運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示兩部分。其對應(yīng)的算法結(jié)構(gòu)顯示圖如圖1所示。

圖1 重載列車多目標(biāo)優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)圖

4 重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱算例仿真研究

4.1 算例基本情況簡介

瓦日線鐵路是我國“十一五”鐵路建設(shè)重點(diǎn)工程，連接我國東西部的重要煤炭資源運(yùn)輸通道，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為國鐵一級、雙線電氣化，設(shè)計(jì)時(shí)速為120公里。設(shè)計(jì)貨運(yùn)能力每年2億噸，客車每日15對；是世界上第一條按30噸重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的鐵路，國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃的重要組成部分。西起山西省呂梁市瓦塘鎮(zhèn)，從河南省臺(tái)前縣跨越黃河，進(jìn)入山東省梁山縣，橫穿山東省中西部，東至山東省日照港，橫貫晉豫魯三省，全長1260公里。其中山西省579公里；河南省255公里；山東省 426 公里[10]。

濟(jì)南局管內(nèi)正線車站具體站點(diǎn)如下：臺(tái)前北，梁山北站、東平站、寧陽東站、天寶站、萊蕪站、郭家溝站、沂源站、沂水西站、文疃站、莒縣西站、巨峰南站、日照南站。我局管內(nèi)線路起點(diǎn)為與鄭州局分界，即臺(tái)前北站下行進(jìn)站信號機(jī)鋼軌絕緣接頭，里程為K835+768；終點(diǎn)為巨峰站臨時(shí)車擋，里程為K1250+800。上下行最大坡道均為6‰；并且多為連續(xù)坡道。

4.2 優(yōu)化操縱中存在的問題及處理措施

在進(jìn)行重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操作處理中，由于整個(gè)操縱處理范圍內(nèi)的技術(shù)應(yīng)用存在著很多的問題，應(yīng)該采取科學(xué)的預(yù)控措施，將整個(gè)列車運(yùn)行安全控制起來。整個(gè)瓦日線運(yùn)行中，其對應(yīng)的優(yōu)化操縱問題主要體現(xiàn)在接車控制技術(shù)、調(diào)車作業(yè)控制技術(shù)、制動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用和動(dòng)力牽引技術(shù)控制幾方面。由于整個(gè)線路運(yùn)行中，實(shí)施的是超重載運(yùn)行列車，最大重載能夠達(dá)到30噸。所以整個(gè)線路運(yùn)行中，其對應(yīng)的操作控制也就會(huì)較為的復(fù)雜煩瑣，為了提升整體的優(yōu)化控制能力，在進(jìn)行列車運(yùn)行控制中，特別對其運(yùn)行控制中的優(yōu)化處理措施進(jìn)行了分析。對于接車問題處理采用“萬噸接車”模式，將整個(gè)重載列車接車中的安全性控制進(jìn)行了整合，保障在接車工程中對應(yīng)的接車技術(shù)應(yīng)用安全。處理調(diào)車問題時(shí)，以調(diào)車信號控制作為整個(gè)調(diào)車控制中的安全性技術(shù)，及時(shí)的進(jìn)行了整個(gè)調(diào)車技術(shù)處理的科學(xué)性優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)了重載列車操縱優(yōu)化的科學(xué)性控制，保障了其行車控制的安全性提升。

4.3 算例仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱控制中的效果提升，在本文的研究中，以瓦日線臺(tái)前北站優(yōu)化操縱控制為例進(jìn)行了分析，整個(gè)臺(tái)前北站區(qū)段號為139車站號為701，運(yùn)行里程為K837+533，整個(gè)區(qū)間段落內(nèi)重載列車運(yùn)行基本參數(shù)如下表1所示。

表1 列車基本參數(shù)

按照表1中的列車運(yùn)行參數(shù)分析，將整個(gè)列車重載站點(diǎn)運(yùn)行狀況進(jìn)行了分析，分析結(jié)果顯示，整個(gè)區(qū)間內(nèi)起車時(shí)，牽引力給至50kN，稍作停留(5秒)，平緩給至150kN左右，列車起動(dòng)。走行20米，全列車鉤伸張，牽引力平緩給至200kN，運(yùn)行至對標(biāo)點(diǎn)處10-15km/h速度，按壓【開車鍵】對標(biāo)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，平緩增大牽引力，待全列出清道岔，牽引力平緩給至700kN左右，注意預(yù)防性撒砂防空轉(zhuǎn)。需要注意的是在整個(gè)區(qū)

（）（）間段內(nèi)運(yùn)行時(shí)間為25min，運(yùn)行長度為27.8km，其對應(yīng)區(qū)域內(nèi)的操縱控制應(yīng)該和具體的列車運(yùn)行重載分析結(jié)合，這樣才能保障在列車重載分析結(jié)合處理中，能夠?qū)⒄麄€(gè)列車運(yùn)行控制能力展現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)整個(gè)列車操控優(yōu)化的控制能力提升。

5 結(jié)語

綜上所述，針對重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱研究中，按照其運(yùn)行研究中的模型構(gòu)建需求，將整體的模型構(gòu)建進(jìn)行了分析，同時(shí)以多目標(biāo)優(yōu)化操縱研究中的關(guān)鍵性技術(shù)控制進(jìn)行了目標(biāo)優(yōu)化分析。在二次算法求解分析下，得出整個(gè)列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱中，其對應(yīng)的優(yōu)化操縱影響因素有能耗、速度、跟隨性以及操縱的平穩(wěn)性等都能夠引起列車的目標(biāo)優(yōu)化操縱結(jié)果，應(yīng)該按照具體的優(yōu)化處理需求，將多目標(biāo)操縱和函數(shù)評價(jià)分析結(jié)合，同時(shí)還應(yīng)該將目標(biāo)優(yōu)化操縱中的算法約束條件明確，這樣才能便于后續(xù)的優(yōu)化操縱步驟實(shí)施。