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路网中的列车节能操纵优化方法研究(宋体,二号,加粗,居中)

付印平,高自友*,李克平(宋体,小四号,居中,各姓名间用逗号分隔)

(北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室,北京 100044)(宋体,六号,居中,各项目间用逗号分隔)

摘 要:在铁路网络中,列车运行通过车站时可能会受到其他运行线列车运行的干扰,本文对列车运行受干扰时的节能操纵优化进行了研究.根据问题的数学描述和列车运行动力学方程,建立了最优化模型,并采用变长度染色体遗传算法,结合工况序列表,对问题进行了求解.通过仿真计算,给出了受干扰时列车运行的速度距离曲线,与无干扰时的速度距离曲线进行了比较,分析了速度时间之间的相互变化,并结合能耗距离曲线,揭示了列车节能操纵的一些原则,最后将运算结果与其他方法计算出的结果进行了比较.比较结果表明,变长度染色体遗传算法是一个有效的算法,可以很好地应用在列车节能操纵优化的研究中.(楷体,五号,一般250字左右)

关 键 词 :铁路运输,列车节能操纵,遗传算法,列车,工况序列表,列车运行干扰(楷体,五号,请参照"投稿须知"中关 键 词 确定原则)

中图分类号:U268.6 文献标识码:A

An Optimization Method of Train Sing Energy Operation in Railway Network

FU Yin-ping,GAO Zi-you,LI Ke-ping

(State Key Laboratory of Rail Traffic Control and Safety, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract: In railway work, trains which move through stations may be interfered by trains in other lines, this paper investigates train sing energy operation in interference condition. According to the mathematical description of the problem and train kiic movement equation, we propose a sing energy optimization model. Then a changeable chromosome length geic algorithm and table of control modes list are applied to solve the problem. By simulation calculation, the speed-position curve of interfered train is given and pared with that of train which normally moves. The relationship of speed and time is analyzed. Some sing energy principles are revealed by speed-position curve and energy-position curve. At last, the simulation result is pared with results which are obtained by other methods. The parison shows the changeable chromosome length geic algorithm is an effective method to apply into train sing energy operation.

Keywords: railway transportation, energy sing train operation, geic algorithm, train, table of control modes list, train running disturbance

CLC number: U268.6 Document code: A

1 引言(黑体,小四号,论文第一段一般固定为"1 引言")

能源和交通是我国经济发展的基础.铁路部门能源消耗量很大,且在铁路运输成本中占有很大比重.列车节能操纵优化问题是在保证列车安全,准时的前提下,研究如何操纵列车以使整个运行能耗最小.因此研究这个问题具有重要的理论意义和实用价值.

关于列车节能操纵优化运行问题,目前国内外有较多研究.澳大利亚南澳大学的SCG研究所建立了列车节能控制的能耗模型,并在基于拉格朗日乘子法的求解算法上做了许多工作[1-2].北京交通大学的丁勇等[3-4]探讨了定时约束条件下的列车节能优化操纵的模型和算法,并对机车工况转化与手柄位确定问题展开了重点研究, ------

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2 问题描述与建模

2.1 受其他运行线列车干扰时的列车节能操纵优化问题(黑体,五号)

本文研究的是具有固定运行时分,运行途中受其他运行线列车干扰时的列车节能操纵优化问题,即:列车从起点出发,初速度,运行距离,到达终点停车,末速度,列车运行时间为.------

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2.2 列车运行动力学方程

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根据列车的受力分析与牛顿力学定律,可以进行列车运行加速度,速度,位置和能耗的计算.计算公式为:(公式及相关公式符号用公式编辑器编辑,注意区分符号正斜体,大小写,及公式顺序编号)

(km /(h·min))(1)

(km / h)(2)

(m)(3)

(kw·h)(4)

式中 为第个时间步长的初速度,km/h,为第个时间步长的初速度,km/h,为时间步长,min,取值越小系统计算精度越高,为列车在第个时间步长初的位置,

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不同工况之间的转换不是任意的,必须满足一定的转换规则,如表1所示,其中○表示可以转换,●表示不可以转换.

表1 工况转换原则

Table 1 control mode switch principles (注意英文表头为Table)

当前工况待转换工况牵引惰行制动牵引○○●惰行○○○制动●○○式中为列车在第个时间步长,速度为,位置为时的限速.

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3 求解算法

从上面的模型可以看出,列车节能操纵优化问题是一个非线性有约束的最优化问题.为方便求解,通常可利用惩罚函数的方法,把约束项加到目标函数中,将有约束问题转变成无约束问题进行求解.

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4 模拟计算与结果分析

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当列车运行途中不受其他列车的干扰时,其速度距离曲线如图2所示.实际运行时间为24.9964 min,实际运行距离19599.31 m,能耗418.11 kw·h.检测设点处为一车站,列车通过站的时间为17.1125 min.为简化计算,没有考虑空气制动时的空走时间以及车站和列车的长度.

图2 速度距离图

Fig.2 speed position diagram (注意图英文为 Fig. )

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5 结论 (一般论文最后部分为结论)

在路网条件下,列车在运行过程中,可能与路网中其他运行线上的列车产生冲突与干扰.本文研究了固定运行时分条件下,列车运行受其他线路上列车运行干扰时的节能操纵优化问题,采用了遗传算法结合工况序列表的方法,对受干扰情况下的列车运行进行了仿真.通过仿真结果,分析了列车运行时速度的变化情况,比较了有干扰和无干扰时列车的运行状况,揭示了列车节能操纵的一些原则,验证了算法的节能优化效果.

参考文献 (请按照格式要求,特别注意年,卷,期,页码的格式,以及中文参考文献条目翻译成英文时,中文作者名称翻译格式要求等.具体参见"投稿须知")

[1] Cheng J X,Howlett P G. Application of Critical velocities to the Minimisation of fuel consumption in the control of trains[J]. Automatic,1992,28:165-169

[2] Howlett P G. Optimal Strategies for the Control of a Train[J]. Automatica, 1996,32(4):519-532.

[3] 丁勇.列车运行计算与操纵优化模拟系统的研究[D]. 北京交通大学博士学位论文,2004.[DING Y. Study on train movement calculation and operation optimization simulation system [D]. Beijing Jiaotong University, 2004]

[4] 丁勇,毛保华,刘海东,等. 定时约束条件下列车节能操纵的仿真算法研究[J]. 系统仿真学报,2004,16(10):2241-2244.[DING Y, MAO B H, LIU H D et al. An algorithm for energy-efficient train operation simulation with fixed running time[J]. Journal of system simulation, 2004, 16(10): 2241-2244.]

[5] 金炜东,王自力,李崇维,等. 列车节能操纵优化方法研究[J]. 铁道学报,1997,19(6):58-62.[JIN W D, WANG Z L, LI C 1997, 19(6): 58-62.]

[6] 饶忠. 列车牵引计算(第二版)[M]. 北京:中国铁道出版社,2002[RAO Z. Train traction calculation (the second edition)[M]. Beijing: China railway press, 2002]

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(顺序列出所有作者的简介)

付印平(1973-),男,江西南丰人,北京交通大学交通运输学院博士研究生,主要研究方向为轨道交通流特性分析及控制理论与方法,E-mail:****,通讯地址:****,邮编:100044 联系:****(手机) ,****(固定)

导师:高自友(1963-),男,教授,博士生导师,单位:****,联系:****,E-mail:****

李克平,职称/职位:****,单位:****,联系:****,E-mail:****

收到日期: 修回日期: 录用日期:

基金项目:国家自然科学基金(60634010,60776829),长江学者和创新团队发展计划(IRT0605)

作者简介:付印平(1973-),男,江西南丰人,博士生

*通讯作者:zygao@center.njtu.edu. (如果第一作者为学生,通讯作者一般要求为其导师)

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