總量協(xié)同一致的高速列車牽引/制動(dòng)力優(yōu)化分配研究

諶雪媛　劉光偉

摘 要：在高速列車快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)列車運(yùn)行安全的要求也越來越高。對(duì)于高速列車來說，不同輪對(duì)踏面的損傷程度勢(shì)必有所不同，使得不同輪對(duì)所承擔(dān)的黏著力不盡相同，極易導(dǎo)致黏著小的輪對(duì)發(fā)生滑行，影響列車運(yùn)行安全。針對(duì)上述問題，研究基于總量協(xié)同一致的牽引/制動(dòng)力優(yōu)化分配方法，可以在較短時(shí)間內(nèi)使各車廂動(dòng)力的總量保持一致的基礎(chǔ)上，使踏面損傷較小的輪對(duì)承擔(dān)較大的動(dòng)力，踏面損傷嚴(yán)重的輪對(duì)承擔(dān)較小的動(dòng)力，提升高速列車運(yùn)行安全性能。

關(guān)鍵詞：總量協(xié)同一致 牽引/制動(dòng)力 高速列車

在高速列車快速發(fā)展的同時(shí)，對(duì)列車運(yùn)行安全的要求也越來越高。對(duì)于高速列車來說，不同輪對(duì)踏面的損傷程度勢(shì)必有所不同，甚至同一輪對(duì)的踏面損傷程度也會(huì)隨著時(shí)間的累加逐漸惡化，使得不同輪對(duì)所承擔(dān)的粘著力不盡相同。若在列車運(yùn)行過程中，對(duì)所有輪對(duì)施加同樣的牽引或制動(dòng)力，則極易導(dǎo)致粘著小的輪對(duì)發(fā)生滑行。因此，需要研究基于總量協(xié)同一致的牽引/制動(dòng)力優(yōu)化分配方法，可以在較短時(shí)間內(nèi)使各車廂動(dòng)力的總量保持一致的基礎(chǔ)上，使踏面損傷較小的輪對(duì)承擔(dān)較大的動(dòng)力，踏面損傷嚴(yán)重的輪對(duì)承擔(dān)較小的動(dòng)力，提升高速列車運(yùn)行安全性能。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對(duì)牽引/制動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化分配，首先需要通過計(jì)算得到牽引/制動(dòng)力的大小。在設(shè)計(jì)牽引計(jì)算流程方面，韓龍濤提出用單質(zhì)點(diǎn)模型和多質(zhì)點(diǎn)模型結(jié)合的方法為列車牽引計(jì)算設(shè)計(jì)出流程圖[1]。李旺等研究開發(fā)了重載機(jī)車牽引計(jì)算仿真系統(tǒng)，能對(duì)重載機(jī)車進(jìn)行牽引計(jì)算仿真[2]。趙海波等通過構(gòu)建列車牽引負(fù)載仿真模型得到了列車運(yùn)行工況曲線，對(duì)列車牽引負(fù)載特性進(jìn)行了分析[3]。張軍等通過建立地鐵車輛LM型車輪踏面和60kg/m型鋼軌輪軌接觸有限元模型，研究了不同牽引力與制動(dòng)力作用下輪軌間等效應(yīng)力和接觸力的變化情況[4]。大多數(shù)研究都是側(cè)重于考慮滿足車輛動(dòng)力學(xué)條件的相關(guān)問題。

對(duì)牽引/制動(dòng)力的分配還需考慮輪軌接觸面之間的粘著力。列車牽引力和制動(dòng)力的形成依賴于輪軌接觸面的粘著作用，良好的粘著利用不僅可以充分發(fā)揮機(jī)車牽引及制動(dòng)性能，還能減少空轉(zhuǎn)和滑行的發(fā)生，延長(zhǎng)輪軌的使用壽命[5]。基于觀測(cè)器可以實(shí)時(shí)精確觀測(cè)粘著力的大小并實(shí)現(xiàn)粘著控制。Lijun Diao等研究了一種基于擾動(dòng)觀測(cè)器的城市軌道車輛粘著控制策略，能夠精確估計(jì)粘著系數(shù)并實(shí)現(xiàn)車輛控制[5]。程翔等設(shè)計(jì)了基于積分滑模面的粘著系數(shù)觀測(cè)器，能夠?qū)崟r(shí)快速地在線估計(jì)車輛輪軌粘系數(shù)[6]。近年來對(duì)再粘著控制優(yōu)化的研究越來越多。山下道寬等綜合電流差檢測(cè)方法和空轉(zhuǎn)抑制檢測(cè)方法設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)車組再粘著控制的新方法，對(duì)車輪旋轉(zhuǎn)力進(jìn)行控制[7]。Michihiro YAMASHITA等設(shè)計(jì)再粘著控制方法，使轉(zhuǎn)矩在抗滑移再粘著控制中停止下降時(shí)，增大平均牽引力[8]。

高速列車的牽引或制動(dòng)力是由多個(gè)車廂共同提供，若采用對(duì)各車廂平均分配動(dòng)力的方式，則會(huì)由于各輪對(duì)踏面狀態(tài)的不同而進(jìn)一步惡化損傷程度較大的輪對(duì)踏面。為此，需要對(duì)牽引/制動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化分配，尋求一種最優(yōu)方法使得當(dāng)某輪對(duì)空轉(zhuǎn)/打滑時(shí)，其輪對(duì)踏面能承受較小的力，從而延長(zhǎng)該輪對(duì)的使用壽命。李學(xué)明等提出一種基于牽引功率動(dòng)態(tài)分配的機(jī)車牽引電機(jī)節(jié)能控制方法，降低了大功率機(jī)車牽引電機(jī)的運(yùn)行能耗[9]。劉帥等優(yōu)化了極不均勻載荷條件下列車的牽引力和電制動(dòng)力分配方案，避免了因車輛載荷不均衡所導(dǎo)致的車輪空轉(zhuǎn)和打滑的問題[10]。Yujuan Wang等提出了一種利用局部信息交換的適用于牽引和制動(dòng)故障的高速列車跟蹤和制動(dòng)分布式容錯(cuò)控制方案[11]。

綜上所述，現(xiàn)有研究成果大多未考慮控制系統(tǒng)的非線性情況和總量協(xié)同一致性。在高速列車牽引計(jì)算方面，大多數(shù)學(xué)者研究的是基于傳統(tǒng)的列車牽引計(jì)算方法，采用的動(dòng)力學(xué)模型是將列車及線路作為研究對(duì)象，采用運(yùn)動(dòng)方程來描述列車運(yùn)行過程[12]。這類仿真方法側(cè)重于考慮車輛性能、動(dòng)力學(xué)特性、線路條件等物理屬性及限制[12]，但還應(yīng)考慮到運(yùn)行過程中的電分相、制動(dòng)波傳遞等對(duì)列車牽引系統(tǒng)的影響，從而提高計(jì)算的精確性。在粘著控制方面，應(yīng)考慮粘著狀態(tài)與感知信息之間的非線性關(guān)系以及各輪對(duì)牽引/制動(dòng)力分配策略，實(shí)現(xiàn)列車各輪對(duì)動(dòng)力實(shí)時(shí)跟蹤踏面狀態(tài)時(shí)變的動(dòng)態(tài)過程。在牽引/制動(dòng)力的優(yōu)化分配方面，現(xiàn)有研究大多未考慮總量協(xié)同一致的前提條件?？偭繀f(xié)同一致是指列車在不同工況下，能保證其總牽引/制動(dòng)力不變的前提下，使踏面損傷較小的輪對(duì)承擔(dān)較大的動(dòng)力，踏面損傷嚴(yán)重的輪對(duì)承擔(dān)較小的動(dòng)力，進(jìn)而提升高速列車運(yùn)行安全性能。故應(yīng)考慮基于牽引/制動(dòng)力的總量協(xié)同一致的條件下，針對(duì)輪對(duì)踏面不同損傷程度對(duì)動(dòng)力進(jìn)行分配，實(shí)現(xiàn)在各車廂動(dòng)力的總量保持不變的同時(shí)，各輪對(duì)能承受其范圍內(nèi)的動(dòng)力，延長(zhǎng)使用壽命，提升列車運(yùn)行安全性能。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 高速列車牽引/制動(dòng)力計(jì)算分析與仿真

高速列車的牽引/制動(dòng)力計(jì)算是考慮列車運(yùn)行中所受的外力，通過分析列車的運(yùn)行狀態(tài)，計(jì)算列車的運(yùn)行參數(shù)，解決高速列車運(yùn)行中的科學(xué)計(jì)算。研究分析高速列車牽引/制動(dòng)力計(jì)算的各項(xiàng)影響因素，結(jié)合列車動(dòng)力計(jì)算特點(diǎn)與合理分配策略，對(duì)高速列車進(jìn)行受力分析。同時(shí)考慮列車編組、電分相和制動(dòng)波傳遞對(duì)牽引/制動(dòng)力計(jì)算的影響，建立高速列車牽引/制動(dòng)力計(jì)算模型，從而提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。結(jié)合考慮高速列車在運(yùn)行中會(huì)遇到的雨、雪、霧等環(huán)境以及長(zhǎng)上坡、長(zhǎng)下坡、啟停等不同工況，對(duì)高速列車牽引/制動(dòng)力計(jì)算方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2 電/空制動(dòng)力優(yōu)化分配

制動(dòng)力的有效發(fā)揮依賴于輪軌之間的粘著狀態(tài)，輪軌間的接觸力影響車輛動(dòng)力學(xué)和接觸面的磨損程度[13]。基于高速列車各輪對(duì)受力分析，利用深度機(jī)器學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)挖掘粘著狀態(tài)隨動(dòng)力變化的動(dòng)態(tài)函數(shù)。進(jìn)而以各輪對(duì)最大粘著系數(shù)為約束，擬采用基于高速列車減速度特性的電制動(dòng)優(yōu)先、基于實(shí)時(shí)粘著狀態(tài)正比例的各輪對(duì)制動(dòng)力分配策略，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整各動(dòng)力車廂的電機(jī)轉(zhuǎn)矩，使踏面損傷較小的輪對(duì)承擔(dān)更大的動(dòng)力，踏面損傷嚴(yán)重的輪對(duì)承擔(dān)較小的動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)列車各輪對(duì)動(dòng)力實(shí)時(shí)跟蹤踏面狀態(tài)時(shí)變的動(dòng)態(tài)過程。

2.3 基于虛擬總軸的牽引/制動(dòng)力總量協(xié)同一致優(yōu)化分配

高速列車牽引/制動(dòng)力優(yōu)化問題本質(zhì)上是一個(gè)多變量?jī)?yōu)化問題[14]。將各車廂視為具有決策能力的多智能體，多車廂組成的機(jī)車可視為多智能體共同決策的協(xié)同系統(tǒng)[15]。虛擬總軸控制技術(shù)屬于多智能體同步控制策略中的一種，其模擬機(jī)械傳動(dòng)的物理特性，并具有相似的同步特性，因此得到廣泛應(yīng)用[16]。虛擬總軸控制系統(tǒng)中，虛擬總軸部分采用軟件實(shí)現(xiàn)，易于調(diào)節(jié)參數(shù)，具有較好的動(dòng)態(tài)性能。每個(gè)多智能體采用獨(dú)立的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易調(diào)整，無需添加或拆除機(jī)械結(jié)構(gòu)，所以具有較大的靈活性[17]。虛擬總軸控制策略既能保證系統(tǒng)的同步性能，又能克服外界未知擾動(dòng)引起的負(fù)載變化對(duì)同步性能的影響，控制適用性強(qiáng)且維護(hù)簡(jiǎn)單，適用于高速列車控制[18]。

3 技術(shù)路線

如圖1給出了總量協(xié)同一致的牽引/制動(dòng)力優(yōu)化分配研究技術(shù)路線圖，共分為三個(gè)階段。

第一階段：計(jì)算高速列車的牽引/制動(dòng)力。

對(duì)列車進(jìn)行受力分析后，考慮列車自身物理屬性、道路條件限制以及電分相、制動(dòng)波等對(duì)牽引/制動(dòng)力的影響，建立單質(zhì)點(diǎn)與多質(zhì)點(diǎn)相結(jié)合的模型，對(duì)高速列車運(yùn)行的各個(gè)階段、不同工況設(shè)計(jì)算法流程，求解運(yùn)行過程中所需要的牽引/制動(dòng)力，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

第二階段：對(duì)電/空制動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化分配。

通過計(jì)算得到牽引/制動(dòng)力的大小之后，需要根據(jù)輪對(duì)踏面損傷的不同程度對(duì)該牽引/制動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化分配。同時(shí)確立粘著狀態(tài)與感知信息之間的非線性關(guān)系，建立動(dòng)態(tài)函數(shù)，制定分配策略，自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整各電機(jī)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)列車各輪對(duì)動(dòng)力實(shí)時(shí)跟蹤踏面狀態(tài)時(shí)變的動(dòng)態(tài)跟蹤過程。

第三階段：基于虛擬總軸的牽引/制動(dòng)力總量協(xié)同一致優(yōu)化分配。

基于虛擬總軸的牽引/制動(dòng)力總量協(xié)同一致優(yōu)化分配策略，是將系統(tǒng)的總轉(zhuǎn)矩信號(hào)通過虛擬總軸傳送至各個(gè)負(fù)載單元，各負(fù)載單元即通過轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)牽引機(jī)車運(yùn)動(dòng)。同時(shí)將各負(fù)載單元的輸出轉(zhuǎn)矩之和反饋給虛擬總軸，虛擬總軸通過反饋的轉(zhuǎn)矩實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整其輸出轉(zhuǎn)矩信息，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)負(fù)載單元之間的協(xié)同。研究基于虛擬總軸的牽引/制動(dòng)力總量協(xié)同一致優(yōu)化分配方法，將各動(dòng)力車廂的牽引/制動(dòng)力總量協(xié)同一致性問題轉(zhuǎn)化為多智能體系統(tǒng)有限時(shí)間內(nèi)收斂問題，建立基于虛擬總軸的牽引/制動(dòng)力總量協(xié)同一致系統(tǒng)框架，設(shè)計(jì)滑?？刂破鞅ＷC多智能體系統(tǒng)誤差在有限時(shí)間內(nèi)收斂，實(shí)現(xiàn)某輪對(duì)出現(xiàn)故障時(shí)，各車廂動(dòng)力的總量保持不變。

4 總結(jié)

本文提出一種基于總量協(xié)同一致的高速列車牽引/制動(dòng)力優(yōu)化分配研究路線，先計(jì)算出高速列車的牽引/制動(dòng)力，再對(duì)電/空制動(dòng)力進(jìn)行優(yōu)化分配，最后基于虛擬總軸的牽引/制動(dòng)力總量協(xié)同一致進(jìn)行牽引/制動(dòng)力的優(yōu)化分配。如何實(shí)現(xiàn)基于虛擬總軸的牽引/制動(dòng)力總量協(xié)同一致優(yōu)化分配策略，是值得進(jìn)一步研究的方向。

項(xiàng)目基金：

長(zhǎng)沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級(jí)課題（CZYB202116）

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（22C1490）。

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