引用本文

付雅婷, 原俊荣, 李中奇, 杨辉. 基于钩缓约束的重载列车驾驶过程优化. 自动化学报, 2019, 45(12): 2355−2365 doi: 10.16383/j.aas.c190223

Fu Ya-Ting, Yuan Jun-Rong, Li Zhong-Qi, Yang Hui. Optimization of heavy haul train operation process based on coupler constraints. Acta Automatica Sinica, 2019, 45(12): 2355−2365 doi: 10.16383/j.aas.c190223

http://www.aas.net.cn/cn/article/doi/10.16383/j.aas.c190223

关键词

重载列车，钩缓约束，多目标优化，自适应遗传算法，改进预测控制 

摘要

重载列车是一种由上百甚至几百节车厢组成的动力集中式大载重系统, 其牵引力/制动力需通过车钩相继传递给车厢, 存在明显的非线性和大滞后性. 现有的人工驾驶模式, 司机难以考虑车厢之间的钩缓约束, 易引起车钩断裂和脱轨; 且运行性能与司机的操纵经验密切相关, 存在耗电大, 无法按照列车运行图正点运行等问题. 本文针对此关键问题, 以实现重载列车安全、正点、节能运行为目标, 开展其驾驶过程运行优化研究. 分析列车钩缓系统受力原理, 基于其特性曲线, 采用翟方法构造重载列车钩缓模型及整车纵向动力学模型; 据此, 考虑钩缓约束运用多目标自适应遗传算法, 结合实际运行线路(限速、坡道、曲线率等)约束条件设定列车理想的运行速度目标曲线; 最后, 采用改进广义预测控制器设计重载列车驾驶过程优化控制方法, 跟踪理想速度目标曲线安全、正点、低能耗运行. 基于大秦线上HXD1型重载列车实际数据的仿真结果表明本文所设计的理想目标速度曲线优化方法可以较好地改善列车运行中的安全, 正点和节能等关键性指标, 运行优化控制能保证列车精确跟踪理想速度目标曲线, 实现其驾驶过程优化运行.

文章导读

重载列车是采用单机或多机牵引开行的一种轴重大、运量大(高于 8 000 吨甚至几万吨)、编组超 长(上百乃至几百节车厢)的货运列车. 重载铁路以其运量大、速度快、能耗小、成本低、全天候的优势, 在一些煤炭和矿石等大型原材料货物运量较多的国家, 如美国、巴西、澳大利亚、南非等发展迅速, 目前已被国际公认为铁路货运发展的方向, 成为世界铁路发展的重要方向之一[1-2]. 然而随着牵引重量的不断增加, 现有的人工操纵模式问题逐渐凸显, 车辆断钩、脱轨等现象时有发生; 列车经常无法按照运行图正点运行; 对电能的需求非常庞大等, 这些问题都严重制约着重载铁路运输的发展[3-5]. 为了解决这些问题, 重载列车的自动驾驶成为重载铁路的发展趋势. 列车的自动驾驶需要解决的核心问题是优化设定理想的运行速度目标曲线, 并设计相应的跟踪控制器对列车运行过程进行优化控制, 实现重载列车安全、正点、节能运行[6].

针对列车运行过程优化问题, 从上世纪60年代众多学者就开始研究. Erofeyev[7]最早开始以动态规划法优化列车在平直道运行的速度曲线, Howlett等[8-9]将列车运行优化问题转化成工况变换点优化问题, 研究了列车在平直道与坡道上节能运行时的工况转换点, 建立了节能驾驶模型. Wang等[10-11]将目标曲线优化问题描述成一个多相位的最优控制模型, 并采用伪谱法进行求解, 以正点、节能为设计目标, 优化获得一条满足约束条件的目标曲线, Scown等[12]对货物列车在起伏线路上列车的运行状态进行了研究, 并根据研究结果进行了驾驶策略的动态研究. Zhang等[13]以优化空电联合制动重载列车的运行为目标, 考虑列车安全、速率和节能因素, 建立并优化了列车多质点模型, 提出了长远距离运输的预测控制模型. 陈荣武等[14]以降低能耗为目标, 对列车在区间的运行控制进行优化组合, 提出了基于遗传算法的能耗优化算法. 上述研究从诸多角度研究了重载列车的运行优化控制, 但列车运行的安全性均只考虑了速度的限制, 没有研究车钩缓冲装置是否超过受力限制. 车钩缓冲装置作为传递和缓和列车运行过程中或在调车时所产生的纵向力和冲击力的装置, 在列车的运行过程中发挥着极其重要的作用[15-16], 车钩力超限易造成断钩脱轨等安全事故, 无法保障列车运行安全. 同时已有研究也没有结合实际运行线路中存在的分相点问题, 其获得的列车运行速度目标曲线对于列车的实际运行缺少指导性.

本文针对上述问题, 研究重载列车钩缓装置特性并构建列车纵向动力学模型; 考虑钩缓约束和实际操作等限制, 基于重载列车实际运行线路条件, 采用多目标自适应遗传算法研究运行最优工况序列, 优化获得列车理想运行速度目标曲线. 并据此设计相应的重载列车运行跟踪控制策略, 保障列车跟踪理想速度目标曲线安全、正点、节能运行.

图 1  重载列车纵向动力学模型

图 2  弹性胶泥缓冲器特性曲线

图 3  重载列车多质点模型运行计算流程图

本文结合大秦线实际运行线路情况以及钩缓系统受力约束, 设计了列车动态纵向动力学模型与车钩力约束模型, 考虑钩缓受力约束, 以安全性、节能性与正点性等多项运行优化指标为目标, 通过自适应遗传算法获得重载列车理想运行速度目标曲线. 与实际运行速度曲线的性能进行对比, 结果表明, 多目标优化运行速度曲线在保障列车运行安全性的同时, 在节能性与正点性两种指标的评价都好于实际司机驾驶结果. 基于所建立的纵向动力学模型, 采用改进广义预测控制方法设计的运行优化控制器能够控制重载列车精确跟踪理想运行速度目标曲线, 从而优化列车驾驶过程.

作者简介

付雅婷

博士, 华东交通大学电气与自动化工程学院讲师. 主要研究方向为轨道交通运行优化控制. E-mail: fuyating0103@163.com

原俊荣

华东交通大学电气与自动化工程学院硕士研究生. 主要研究方向为重载列车运行优化控制. E-mail: gfnjl@163.com

李中奇

博士, 华东交通大学电气与自动化工程学院教授. 主要研究方向为列车运行过程建模与控制. E-mail: lzq0828@163.com

杨辉

博士, 华东交通大学电气与自动化工程学院教授. 主要研究方向为复杂系统建模, 控制与运行优化. 本文通信作者. E-mail: yhshuo@263.net