應(yīng)用于重載列車的優(yōu)化控制方法綜述

摘要：鐵路運(yùn)營商為了降低運(yùn)營成本和增加運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)容量，不斷增加重載運(yùn)輸列車的長度和重量。隨著列車長度和載重的增加，操縱控制列車的難度也增大。重載列車控制的優(yōu)化目標(biāo)主要三個，分別為節(jié)能、準(zhǔn)點(diǎn)、平穩(wěn)安全。還有一些關(guān)于空氣制動系統(tǒng)的約束，主要有制動應(yīng)用延遲、最低制動應(yīng)用水平，一些空氣制動系統(tǒng)不具備分段緩解功能。列車最優(yōu)控制要考慮線路坡道、彎道、限速、信號燈的約束。這些限制降低了減少縱向列車內(nèi)力和能量使用的靈活性。本文綜述了重載列車所采用的列車控制優(yōu)化方法。

關(guān)鍵詞： 重載列車，用時最短，能耗低，列車沖動小，最優(yōu)控制方法

引言：為了提高重載列車的運(yùn)行效率、安全性，需要優(yōu)化列車運(yùn)行控制策略。優(yōu)化后的列車運(yùn)行控制策略，可以輔助司機(jī)控制列車，優(yōu)化列車運(yùn)行時刻表，以及應(yīng)用于列車自動駕駛系統(tǒng)中。在選擇最優(yōu)重載列車控制算法時，有一些約束考慮。為了防止列車斷鉤，由線路坡道、彎道以及列車控制動作等導(dǎo)致的列車內(nèi)部縱向力也要限制在車鉤承受力范圍之內(nèi)。

1 優(yōu)化控制方法概述

在列車控制及其優(yōu)化領(lǐng)域的大多數(shù)文獻(xiàn)都集中于地鐵客運(yùn)方面，且重點(diǎn)關(guān)注的是在保持既定時間表的同時減少能耗，值得注意的研究成果。一些研究中包括多參數(shù)優(yōu)化，包括乘客的舒適性，多參數(shù)優(yōu)化可應(yīng)用于列車自動控制器，用于控制地鐵客運(yùn)服務(wù)。在不考慮縱向列車動力學(xué)的情況下，貨運(yùn)列車能量優(yōu)化研究與客運(yùn)式列車的能量優(yōu)化非常相似。

2 能量和時間優(yōu)化

一些能量優(yōu)化研究已經(jīng)拓展到研究運(yùn)行時間表的變化對能耗的影響，比如中通過改變計劃行程時間來觀察能量使用情況和時間的關(guān)系。如果能量使用和時間成本已知的情況下，則可以確定最佳行程時間。對于一趟運(yùn)行，這種方法很簡單，但當(dāng)考慮多個列車組時，需要組合各個部分來確定整體能量與時間關(guān)系，然后可以找到最優(yōu)解。能量與時間優(yōu)化引入了網(wǎng)絡(luò)調(diào)度的領(lǐng)域。如果將一列火車的行駛時間延長以節(jié)省能源，那么這可能會對同一網(wǎng)絡(luò)上其他列車的時間表和能源使用產(chǎn)生不利影響。

3 多目標(biāo)優(yōu)化

一些研究認(rèn)為能夠應(yīng)用于客運(yùn)列車控制的技術(shù)，也適用于重載列車的控制。客運(yùn)列車注重乘客的移動，同時客運(yùn)受影響的主要參數(shù)有時間、能量、乘客的舒適度和在站臺上的停車位置。一些研究中表明乘客的舒適度受列車縱向加速度影響，同時乘客的舒適度也受列車運(yùn)行速度的影響，比如高速列車將產(chǎn)生較大的震動、風(fēng)噪聲，但是還未有研究將速度納入對乘客舒適度影響的研究。在處理列車控制多目標(biāo)數(shù)優(yōu)化時，文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了兩個優(yōu)化方法領(lǐng)域。一種多參數(shù)優(yōu)化方法使用遺傳算法（GAs）來尋找最優(yōu)的控制策略。第二種多參數(shù)優(yōu)化方法是調(diào)節(jié)模糊控制器直到得到了最優(yōu)的列車控制策略。模糊控制器的調(diào)整可以通過手動來完成，也可以使用遺傳算法來完成。

3.1遺傳算法

遺傳算法為進(jìn)化算法的一個子集。目前使用的進(jìn)化算法主要是進(jìn)化規(guī)劃和進(jìn)化策略，使用一種相似的遺傳算法來控制短客運(yùn)列車。遺傳算法使用染色體代表控制變化發(fā)生的軌跡距離，僅考慮牽引、惰行、制動三種控制狀態(tài)。第一個控制狀態(tài)為牽引，第一個控制狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是牽引轉(zhuǎn)惰行，此外控制變化將在“牽引轉(zhuǎn)惰行”，“惰行轉(zhuǎn)牽引”之間切換，制動操作是最后的控制狀態(tài)。創(chuàng)建了一種被稱為層次遺傳算法（HGA）的方法，其中染色體中的一個附加元素被用來表示要執(zhí)行的惰行點(diǎn)的數(shù)量。HGA方法允許染色體獲得比實(shí)際更多的惰行點(diǎn)的信息。這樣做的好處是，惰行點(diǎn)的數(shù)量可以改變，而不改變?nèi)旧w的整體長度。

3.2模糊控制算法

在列車控制優(yōu)化領(lǐng)域，使用模糊控制的研究多于遺傳算法。模糊邏輯控制器是一種基于規(guī)則的結(jié)構(gòu)，算法相對簡單，可以在實(shí)時控制器中實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)建模糊邏輯控制器的兩個關(guān)鍵方面是設(shè)計控制器的結(jié)構(gòu)和確定所使用的權(quán)重，兩者都兼顧，才能設(shè)計一個最優(yōu)的模糊控制器。一種可調(diào)整模糊控制器的優(yōu)化方法可以創(chuàng)建一個計算量低的列車控制器，并且可以在ATO系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。模糊邏輯控制器的缺點(diǎn)是，它們產(chǎn)生了一種在給定情況下平均最佳的控制策略。如果模糊邏輯控制器配置為一條穿越山區(qū)和平坦平原的軌道，那么控制器將是兩種配置之間的妥協(xié)。

4 總結(jié)

遺傳算法需要大量的處理器，無法在列車在線計算及控制應(yīng)用，而可以用于離線計算最優(yōu)列車控制操作。機(jī)車上的實(shí)時優(yōu)化控制器可以選擇模糊控制器，其所需處理器少。這兩種方法都將提供依賴于特定列車配置和運(yùn)行線特性的解決方案。如果列車或路線特性發(fā)生了變化，則需要重新設(shè)計控制器。使用遺傳算法或模糊邏輯控制，可以為重載列車提供最佳或接近最優(yōu)的列車控制的方法，包括離線和在線實(shí)時更新。

5 參考文獻(xiàn)：

[1]重載列車智能化操控算法研究與實(shí)現(xiàn)[J].陸小紅，鄭木火，林宏泉.鐵道學(xué)報.2017（01）

[2]Wong，K.K.andHo，T.K.Dynamiccoastcontroloftrainmovementwithgeneticalgorithm.Int.J.Syst.Sci.，2004，35（13），835-846.

[3]地鐵列車運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化決策研究[J].何佳敏，何莉媛，何麗武.科技展望.2017（01）

[4]基于多目標(biāo)的城市軌道交通ATO控制策略優(yōu)化設(shè)計及仿真[D].衛(wèi)東.北京交通大學(xué)2019

[5]基于列車運(yùn)行控制策略優(yōu)化的城市軌道交通節(jié)能研究[D].王卓然.中國鐵道科學(xué)研究院2019

[6]面向節(jié)能的高速列車速度自動控制優(yōu)化方法研究[D].嚴(yán)細(xì)輝.北京交通大學(xué)2016

[7]Hairong，D.，Bin，N.，Baigen，C.，andZhongsheng，H.Automatictraincontrolsystemdevelopmentandsimulationforhigh-speedrailways.IEEECirc.Syst.Mag.，2010，10（2），618.

[8]基于模糊預(yù)測控制的列車自動駕駛控制算法研究[J].劉佳政，徐娟.控制與信息技術(shù).2018（01）

作者簡介：朱保林，1990.4，男，漢族，河南省周口市碩士，初級工程師，機(jī)車自動駕駛

株洲時代電氣股份有限公司 株洲 湖南 412000