城市軌道交通多列車運行節(jié)能優(yōu)化控制.pdf

1、隨著我國經(jīng)濟持續(xù)高速增長，城市化進程不斷加快，以運量大、方便快捷、安全準點、舒適、占地小、低污染為顯著特點的城市軌道交通為緩解城市地面交通擁擠、分擔客流、促進城市經(jīng)濟社會和諧發(fā)展起到至關重要的作用。而城市軌道交通系統(tǒng)耗電量巨大、運行成本很高，列車牽引用電量約2.4kW·h/車公里，占運營總能耗的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)是復雜的多列車、多目標實時系統(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，從單列車優(yōu)化和多列車協(xié)同優(yōu)化兩個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)能控制算法應用于基于列車節(jié)能的時刻表制定方案的設計。該研究具有重要的學術價值和實際意義。
　　本文首先基于列車牽引計算、列車自動控制和牽引供電相關理論，構建了以牽引變電所處的總能耗最小為優(yōu)化控制目標的多列車系統(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)能的關系，同時也考慮了信號控制系統(tǒng)、列車牽引供電系統(tǒng)、列車再生制動能量的吸收和利用等對節(jié)能的影響。
　　以單列車運行數(shù)學模型為基礎，基于極大值原理和動態(tài)規(guī)劃算法求解以牽引能耗最小為目標的單列車節(jié)能控制優(yōu)化問題，提出了單列車準點節(jié)能運行控制算法并進行了仿真驗證。對單列車優(yōu)化運行操縱進行了理論分析，根據(jù)極大值原理給出了列車節(jié)能控制的必要條件，結

4、合城市軌道列車的運行特點，分析節(jié)能優(yōu)化操縱應當遵循的原則，并給出了相應的優(yōu)化操縱評價指標。根據(jù)動態(tài)規(guī)劃算法的機理，將其應用于多階段列車節(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)化的單列車準點節(jié)能控制為基礎，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，考慮在先發(fā)列車向牽引網(wǎng)反饋再生制動能量時，通過調整對向行駛的后發(fā)列車控制序列，提出了基于再生能量利用的多列車準點節(jié)能控制算法

5、，并進行了仿真驗證。根據(jù)極大值原理研究了當先發(fā)列車向牽引網(wǎng)反饋再生能量時，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，采用動態(tài)規(guī)劃算法研究并仿真驗證了通過優(yōu)化后發(fā)列車控制序列，提高再生制動能量的回收利用，降低牽引變電所處的總能耗的控制算法，并對節(jié)能效果進行了分析比較。
　　在分析兩列列車相對運行時的牽引供電系統(tǒng)電氣模型，根據(jù)列車動力學模型和電路拓撲，以牽引變電所處的總能耗最小作為優(yōu)化目標

6、，將供電區(qū)間內兩列列車的牽引力/制動力使用系數(shù)同時作為控制變量，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，采用了改進遺傳算法求解多列車協(xié)同控制問題。通過仿真驗證該算法可以在滿足兩列列車準點運行、準確停站的約束要求下實現(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)同控制能夠進一步吸收先發(fā)列車的再生制動能量，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)化控制研究成果應用于基于節(jié)能的運行圖的方案設計與分析。在既有運行圖的混合整數(shù)規(guī)劃數(shù)學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)能的運行圖的方案設計。結果表明:當列車群按照給定運行圖運行時，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，在設計基于節(jié)能的運行圖時，若列車使用基于再生能量利用的節(jié)能控制，可以減少調整發(fā)車時間對多列車運