重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱研究

田玉兵

【摘 要】按照重載列車運(yùn)行特點來看，其整個列車在運(yùn)行過程中，對于操縱控制是較為重要的一項控制工作，以多目標(biāo)優(yōu)化作為整個重載列車運(yùn)行控制中的關(guān)鍵性研究要素，將整個重載列車運(yùn)行中的多目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行建模處理，分析模型中的構(gòu)建條件，將其模型操縱優(yōu)化和具體的列車運(yùn)行控制要點結(jié)合，以此提升整個重載列車的運(yùn)行控制能力。鑒于此，論文針對重載列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱研究進(jìn)行了分析，旨在研究中，能夠按照重載列車運(yùn)行條件，將其整體的列車運(yùn)行操縱條件明確，為機(jī)車司機(jī)行車控制提供依據(jù)。

【Abstract】According to the characteristics of the operation of heavy haul train， the operation and control is an important control task in the operation process of the whole train. We take the multi-objective optimization as the key research point in the operation control of the whole heavy haul train， and model the multi-objective function in the operation of the heavy haul train， analyze the construction conditions in the model， and combine the optimization of model operation with the key points of train operation control， thus to improve the operation control ability of the whole heavy haul train. In view of this， this paper analyzes the multi-objective optimal operation of the heavy haul train， the purpose of which is to clarify the overall operating conditions of trains according to the operation conditions of the heavy haul train， and to provide basis for the locomotive driver to carry on driving control.

【關(guān)鍵詞】重載列車;多目標(biāo);優(yōu)化操縱

【Keywords】 heavy haul train; multi-objective; optimal operation

【中圖分類號】U268.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2018）10-0191-04

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)驗作為整個列車控制中的關(guān)鍵性要素實施。在我國現(xiàn)有的鐵路線路建設(shè)中，錯綜復(fù)雜的鐵路線路建設(shè)使得整個重載列車的運(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)化操縱作為整個重載列車運(yùn)行中的安全性控制研究在整個鐵路運(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，及時地將整個列車運(yùn)行控制中的優(yōu)化操縱要點明確，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，整個建模過程中對模型進(jìn)行了假設(shè)，整個假設(shè)如下：一是整個列車運(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力控制的，并且整個控制中動力支撐是連續(xù)的。在整個列車的運(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。二是整個列車運(yùn)行中，其對應(yīng)的列車牽引控制動力能夠發(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：

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力，而v代表列車運(yùn)行中其對應(yīng)的制動力控制速度[4]。

2.3 多目標(biāo)函數(shù)評價

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€重載列車運(yùn)行中的控制要點明確，這樣才能實現(xiàn)整個列車運(yùn)行函數(shù)控制中的關(guān)鍵性目標(biāo)評價能力提升[5]。在本文研究中，以離散函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)為評價依據(jù)，對整個重載列車運(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，等式約束就是整個約束條件分析中，需要重點分析的一項因素。整個模型構(gòu)建中，由于模型構(gòu)建中的牽引力及動力機(jī)制運(yùn)行出現(xiàn)了改變，使得整個列車的運(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時其對應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行動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，及時降低等式約束控制影響能力。同時重載列車在運(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)該和具體的列車動力牽引結(jié)合，保障在列車牽引結(jié)合處理中，能夠為整個列車運(yùn)行的制動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，將整個操縱控制中的算法結(jié)構(gòu)設(shè)計成三級帶向結(jié)構(gòu)，及整個算法在實施中，其對應(yīng)的算法實施需要數(shù)據(jù)輸入、仿真計算和數(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。而仿真計算中，則又包含了列車牽引計算和二次規(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。

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)重點工程，連接我國東西部的重要煤炭資源運(yùn)輸通道，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為國鐵一級、雙線電氣化，設(shè)計時速為120公里。設(shè)計貨運(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)正線車站具體站點如下：臺前北，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)線路起點為與鄭州局分界，即臺前北站下行進(jìn)站信號機(jī)鋼軌絕緣接頭，里程為K835+768;終點為巨峰站臨時車擋，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，將整個列車運(yùn)行安全控制起來。整個瓦日線運(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)、制動控制技術(shù)應(yīng)用和動力牽引技術(shù)控制幾方面。由于整個線路運(yùn)行中，實施的是超重載運(yùn)行列車，最大重載能夠達(dá)到30噸。所以整個線路運(yùn)行中，其對應(yīng)的操作控制也就會較為的復(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，以調(diào)車信號控制作為整個調(diào)車控制中的安全性技術(shù)，及時的進(jìn)行了整個調(diào)車技術(shù)處理的科學(xué)性優(yōu)化。實現(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，以瓦日線臺前北站優(yōu)化操縱控制為例進(jìn)行了分析，整個臺前北站區(qū)段號為139車站號為701，運(yùn)行里程為K837+533，整個區(qū)間段落內(nèi)重載列車運(yùn)行基本參數(shù)如下表1所示。

按照表1中的列車運(yùn)行參數(shù)分析，將整個列車重載站點運(yùn)行狀況進(jìn)行了分析，分析結(jié)果顯示，整個區(qū)間內(nèi)起車時，牽引力給至50kN，稍作停留（5秒），平緩給至150kN左右，列車起動。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區(qū)間段內(nèi)運(yùn)行時間為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€列車運(yùn)行控制能力展現(xiàn)出來，實現(xiàn)整個列車操控優(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)評價分析結(jié)合，同時還應(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)化操縱步驟實施。

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