城市軌道交通多列車運(yùn)行節(jié)能優(yōu)化控制.pdf

1、隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速增長(zhǎng)，城市化進(jìn)程不斷加快，以運(yùn)量大、方便快捷、安全準(zhǔn)點(diǎn)、舒適、占地小、低污染為顯著特點(diǎn)的城市軌道交通為緩解城市地面交通擁擠、分擔(dān)客流、促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)和諧發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。而城市軌道交通系統(tǒng)耗電量巨大、運(yùn)行成本很高，列車牽引用電量約2.4kW·h/車公里，占運(yùn)營(yíng)總能耗的40％～50％。降低能耗、節(jié)約能源特別是節(jié)約列車牽引能量是城市軌道交通急需解決的重要問題。城市軌道交通系統(tǒng)是復(fù)雜的多列車、多目標(biāo)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，列車間

2、存在著行車沖突以及頻繁的能量交換。本文以牽引變電所總能耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，從單列車優(yōu)化和多列車協(xié)同優(yōu)化兩個(gè)方面研究了基于再生能量利用的列車節(jié)能控制算法，研究并仿真驗(yàn)證了不同節(jié)能控制策略的節(jié)能效果和適用范圍，并將多列車節(jié)能控制算法應(yīng)用于基于列車節(jié)能的時(shí)刻表制定方案的設(shè)計(jì)。該研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。
　　本文首先基于列車牽引計(jì)算、列車自動(dòng)控制和牽引供電相關(guān)理論，構(gòu)建了以牽引變電所處的總能耗最小為優(yōu)化控制目標(biāo)的多列車系統(tǒng)和節(jié)能模

3、型。該模型不僅考慮了單列車的牽引制動(dòng)性能、列車重量、各種限速、線路條件、列車的操控方式等與節(jié)能的關(guān)系，同時(shí)也考慮了信號(hào)控制系統(tǒng)、列車牽引供電系統(tǒng)、列車再生制動(dòng)能量的吸收和利用等對(duì)節(jié)能的影響。
　　以單列車運(yùn)行數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，基于極大值原理和動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求解以牽引能耗最小為目標(biāo)的單列車節(jié)能控制優(yōu)化問題，提出了單列車準(zhǔn)點(diǎn)節(jié)能運(yùn)行控制算法并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。對(duì)單列車優(yōu)化運(yùn)行操縱進(jìn)行了理論分析，根據(jù)極大值原理給出了列車節(jié)能控制的必要條件，結(jié)

4、合城市軌道列車的運(yùn)行特點(diǎn)，分析節(jié)能優(yōu)化操縱應(yīng)當(dāng)遵循的原則，并給出了相應(yīng)的優(yōu)化操縱評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的機(jī)理，將其應(yīng)用于多階段列車節(jié)能控制問題的求解，并給出了列車在線調(diào)整的節(jié)能控制策略，提高了算法的適用性。
　　以基于牽引能耗優(yōu)化的單列車準(zhǔn)點(diǎn)節(jié)能控制為基礎(chǔ)，將牽引變電所處的總能耗最小作為節(jié)能優(yōu)化控制目標(biāo)，考慮在先發(fā)列車向牽引網(wǎng)反饋再生制動(dòng)能量時(shí)，通過調(diào)整對(duì)向行駛的后發(fā)列車控制序列，提出了基于再生能量利用的多列車準(zhǔn)點(diǎn)節(jié)能控制算法

5、，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。根據(jù)極大值原理研究了當(dāng)先發(fā)列車向牽引網(wǎng)反饋再生能量時(shí)，同一供電臂下后發(fā)列車的節(jié)能優(yōu)化控制的必要條件和優(yōu)化控制原則。以多列車節(jié)能控制模型為基礎(chǔ)，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法研究并仿真驗(yàn)證了通過優(yōu)化后發(fā)列車控制序列，提高再生制動(dòng)能量的回收利用，降低牽引變電所處的總能耗的控制算法，并對(duì)節(jié)能效果進(jìn)行了分析比較。
　　在分析兩列列車相對(duì)運(yùn)行時(shí)的牽引供電系統(tǒng)電氣模型，根據(jù)列車動(dòng)力學(xué)模型和電路拓?fù)?，以牽引變電所處的總能耗最小作為?yōu)化目標(biāo)

6、，將供電區(qū)間內(nèi)兩列列車的牽引力/制動(dòng)力使用系數(shù)同時(shí)作為控制變量，建立了多列車協(xié)同控制優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型?？紤]到多列車協(xié)同控制問題多約束、非線性、兩列車狀態(tài)變量相互依賴等特點(diǎn)，采用了改進(jìn)遺傳算法求解多列車協(xié)同控制問題。通過仿真驗(yàn)證該算法可以在滿足兩列列車準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行、準(zhǔn)確停站的約束要求下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。將此算法與僅優(yōu)化后發(fā)列車控制序列的控制策略相比，多列車的協(xié)同控制能夠進(jìn)一步吸收先發(fā)列車的再生制動(dòng)能量，但是節(jié)能效果改善有限。
　　將基于再

7、生能量利用的多列車優(yōu)化控制研究成果應(yīng)用于基于節(jié)能的運(yùn)行圖的方案設(shè)計(jì)與分析。在既有運(yùn)行圖的混合整數(shù)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型中分別考慮基于牽引能耗節(jié)約的單列車節(jié)能和基于再生能量利用的多列車節(jié)能控制算法，完成基于節(jié)能的運(yùn)行圖的方案設(shè)計(jì)。結(jié)果表明:當(dāng)列車群按照給定運(yùn)行圖運(yùn)行時(shí)，采用基于再生能量利用的列車節(jié)能控制可以使城市軌道交通系統(tǒng)獲得更低的系統(tǒng)總能耗。另一方面，在設(shè)計(jì)基于節(jié)能的運(yùn)行圖時(shí)，若列車使用基于再生能量利用的節(jié)能控制，可以減少調(diào)整發(fā)車時(shí)間對(duì)多列車運(yùn)