列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究.doc

蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究姓名：葛小龍申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：交通運(yùn)輸規(guī)劃與管理指導(dǎo)教師：李引珍20110614 是幕?，A是虯的技術(shù)延伸和發(fā)展的最高狀態(tài)。 琧琣甌 琣琣； 選題的背景與意義在未來的十多年里，中國鐵路將會長期處于高速發(fā)展的時期，進(jìn)一步形成高速化的運(yùn)專線將會達(dá)到萬公里以上。為了滿足我國國內(nèi)日益增長的旅客運(yùn)輸需求，國家為了滿足列車運(yùn)行速度的不斷增長，我國科學(xué)家一直都在努力進(jìn)行著列車控制系統(tǒng) 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究中得到了廣泛的應(yīng)用。自動控制系統(tǒng)?？茖W(xué)家們在實踐中發(fā)現(xiàn)，許多比較繁瑣的、無法用電腦來實現(xiàn)的列車運(yùn)行控制，列車駕駛員卻可以很輕松的完成。于是科學(xué)家們從中得到了啟發(fā)，將這些駕駛員的經(jīng)驗制作成為一個經(jīng)驗庫。常用的智能控制算法有：模糊控制算法、模糊預(yù)測控制算法、專家控制算法、遺傳控制算法以及神經(jīng)網(wǎng)路控制算法等。在這一領(lǐng)域研究比較早的科學(xué)家有日本的 了實驗測試口。新加坡的學(xué)者甋系統(tǒng)的運(yùn)行控制。這一控制理論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)到列車自動駕駛系統(tǒng)中，將傳統(tǒng)的通過速度控制轉(zhuǎn)換為通過位置來控制的控制方法睛】。原理和模糊控制理論相結(jié)合，提出了基于最大值原理的模糊控制算法，并將這一算法成 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究第一章緒論第三章牽引計算的力學(xué)模型 列車自動駕駛簡介列車自動駕駛子系統(tǒng)的主要作用是能夠代替列車駕駛員，自動地駕駛列車在已有的鐵路線路上安全運(yùn)行。利用列車上的車載信息和運(yùn)行區(qū)間的地面信息實現(xiàn)對列車啟動、牽引、制動、惰行運(yùn)行等一系列的運(yùn)行控制。它使列車可以安全平穩(wěn)地自動加速到合適的行駛速度，并且根據(jù)線路狀態(tài)的不同來自動調(diào)節(jié)列車的運(yùn)行速度，最終將列車停在車站的準(zhǔn)確位置上。列車超速防護(hù)子系統(tǒng)是控制系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)列車安全運(yùn)行監(jiān)測的部分，具有列車運(yùn) ：山 用，從而完成運(yùn)輸任務(wù)。列車運(yùn)行中要滿足多個目標(biāo)，主要包括以下幾個方面： 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究 如果列車輪對規(guī)定的半徑是尺。，輪對與鋼軌摩擦所產(chǎn)生的損耗上線為口，則輪對在 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究生的各種各樣的摩擦、列車輪對與線路軌道之間的摩擦以及整列車與空氣之間所產(chǎn)生的壓力差所導(dǎo)致的阻礙列車運(yùn)行的力。附加阻力的構(gòu)成包括列車在坡道上運(yùn)行時由于重力勢能所產(chǎn)生的阻礙列車向前運(yùn)行的力、列車在通過線路曲線時由于曲線上向心力的影響以及外軌超高所引起的阻礙列車向前運(yùn)行的力和列車在線路上運(yùn)行通過隧道時由于前。列車運(yùn)行的基本阻力主要由五個方面的因素構(gòu)成： 蘭州交通人妒墾：論文 空氣阻力系數(shù)有關(guān)。它們的關(guān)系表達(dá)式如式所示口：渙諧翟誦興俁 列車在坡道上運(yùn)行時由于重力勢能所產(chǎn)生的阻礙列車向前運(yùn)行的力就是坡道附加渙諧抵柿百饑一單位曲線阻力 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究 使它的運(yùn)行速度可以達(dá)到痟以上，而且本款列車的最高的測試速度可以達(dá)到痟以上，滿足了現(xiàn)有的鐵路線路的速度要求。動車組由八輛車體組成，其中包括四個動車和四個拖車，并且前四個車體為一個動力單元，后四個車體為一個動力單元，每個動力單元分別由二個動力車和二個拖車組成。其組成方式為狹。動車組編組中代號意義如表所示。盒投底楸嘧櫓寫乓庖濉 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究緇繆埂畑膌：琷弱、二鎙。乙乙。崎；如逶盔：款，嘴髫：縷投底櫚那匭鄖咄糿蚋圖插值計算牽引力 在圖中點(diǎn)，偷鉈，直鷂6底榍匭鄖呱系個已知點(diǎn)，點(diǎn)：疺 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究可以分別采用兩種不同的制動方式：空氣制動和再生制動。其工作原理如圖所示。猅一電氣 仇仇一閘瓦與車輪踏面的摩擦系數(shù)再生制動是另外的一種制動方式，是列車在限速要求的情況下或者是在停車進(jìn)站的時候采用的一種制動方式，它的制動力要比空氣制動的制動力小。當(dāng)列車采用制動工況時，作用在列車動車輪對上的電力轉(zhuǎn)換裝置將自動的轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，它的工作原理是將 廣弧。霄嘲稍鶿力一：海甹!馸瘛，二鼉溺一二：；觶痟 卜列車所受合力，一列車所受的附加阻力痵 曠整個動車組的重量根據(jù)動能定律可知，動能的增量應(yīng)該等于作用在列車上的合力所作的總功，即 施，講!令旦：破湮鈾俁認(rèn)凳牘可以得到列車運(yùn)動方程的一般形式為：所以動車組的運(yùn)動方程可以寫為： 對上式進(jìn)行兩邊積分，可以得到求解列車運(yùn)行距離的方程：去幽由于被積分式中的單位合力是速度的復(fù)雜函數(shù)，如果直接利用公式來求解動車組的運(yùn)行時分和運(yùn)行距離會有很大的難度。所以通常在實際的運(yùn)行時分和運(yùn)行距離計算時，采用簡化的方法，如圖所示的單位合力簡化圖一樣，通過把列車速度的范圍劃分為若干個速度區(qū)間，以有限小的速度區(qū)間來代替無限小的速度變化值，由于區(qū)間無限小，所以就可以認(rèn)為在這一區(qū)間內(nèi)的單位合力是常數(shù)。因此，在每一個速度 上所以列車在每一速度區(qū)間內(nèi)運(yùn)行的距離為：令蘭虧生，：一，可得：幻扛鏊俁惹淶乃俁仍雋?，k痟 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究傳統(tǒng)的多質(zhì)點(diǎn)模型百 圖列車所受內(nèi)部作用力示意圖如圖所示，整個列車中第胛輛車前車鉤與后車鉤所受的力分別是和，在加凇壞冢疘輛車所受的附加阻力 竺所以第刀輛車所受的合力為：出第一輛車的后車鉤所受的力。根據(jù)作用力與反作用力的原理，就可以得出第二輛車的口?；B后籅輑籞。 本文研究的列車運(yùn)行仿真系統(tǒng)，主要是模擬高速客運(yùn)專線的運(yùn)行，并且為了使得軟件的模擬達(dá)到比較好的效果，采用為計算單位合力的步長，所以將以為單位將整個列車分成確鄭懇壞確志涂梢鑰醋魘且桓鮒實悖傭緯沙任狽的質(zhì)點(diǎn)鏈。如圖所示：列車在平坡道上采用單質(zhì)點(diǎn)受力還是采用多質(zhì)點(diǎn)受力效果都是一樣的，而在變坡道上，曲線上，隧道上的受力就有很大的區(qū)別。以圖為例：將六個質(zhì)點(diǎn)分別圖多質(zhì)點(diǎn)受力分析一 列車運(yùn)行的目標(biāo)曲線是列控系統(tǒng)的輸入，列車運(yùn)行的過程看上去是通過算法的控制，而實際上是列車對列車運(yùn)行目標(biāo)曲線跟蹤的過程，在傳統(tǒng)的列車運(yùn)行的時候，司機(jī)將嚴(yán)格按照列車目標(biāo)曲線來駕駛列車運(yùn)行，從而保證列車安全、正點(diǎn)運(yùn)行。由此可知，目標(biāo)曲線的正確與否將會影響到列車的實際運(yùn)行狀態(tài)，列車駕駛司機(jī)將圍繞列車的運(yùn)行目標(biāo)曲線采取牽引、惰行、制動等操作。一般的將列車運(yùn)行目標(biāo)曲線分為三部分：啟動目標(biāo)曲線、區(qū)間目標(biāo)曲線、停站目標(biāo)曲線。其中啟動目標(biāo)曲線主要是采用最大的牽引力使列車啟動；區(qū)間目標(biāo)曲線側(cè)重于保證列車在限制速度以內(nèi)實現(xiàn)旅客舒適、準(zhǔn)時以及節(jié)能的要求；停站目標(biāo)曲線則側(cè)重于保證列車的定點(diǎn)停車，即停車精度。下面將具體說明列車運(yùn)行目標(biāo)曲線的生成方法。在本文中，程序的設(shè)計將以為一個單位步長進(jìn)行計算，所以列車在區(qū)間內(nèi)的 呵J跡宰畬笄諧翟誦校瑅痟，；區(qū)間目標(biāo)曲線的形成停站運(yùn)行目標(biāo)曲線的形成 列車自動駕駛是一個非常復(fù)雜的運(yùn)動過程，不僅要考慮到列車運(yùn)行的特點(diǎn)以及線路的狀態(tài)，還要綜合考慮列車的安全性、節(jié)能性、旅客的舒適度、列車運(yùn)行的正點(diǎn)率以及列車的進(jìn)站停車精度等。采用合理的駕駛策略是保證列車安全、正點(diǎn)運(yùn)行的關(guān)鍵。本文應(yīng)用了預(yù)測控制理論，對列車限速處理策略、工況選擇策略和列車自動駕駛控制策略進(jìn)行分析研究。在預(yù)測控制中的優(yōu)化主要集中表現(xiàn)在優(yōu)化的目標(biāo)不同與全局的優(yōu)化控制性能，而采用的是在有限時段的滾動優(yōu)化策略來表現(xiàn)的。在每一個采樣的時刻，優(yōu)化的性能指標(biāo)只能涉及到從該時刻起到未來有限的時間點(diǎn)為止，然后再到下一采樣時刻開始，與此同時，這一優(yōu)化的時間段同時向前推移。所以，在整個預(yù)測控制中，優(yōu)化的整個過程不是簡單的一次離線進(jìn)行，而是反復(fù)地在線進(jìn)行的。 限速處理策略，高低型低一高型圖兩種比較典型的限速組合當(dāng)列車從高速運(yùn)行區(qū)間向低速運(yùn)行區(qū)間轉(zhuǎn)換時，就要采取相應(yīng)的操作策略，一般將會采取惰行操作或者制動操作。無論采取什么樣的操作都將會面臨同樣的問題：減速距離的計算，如果采取的工況不恰當(dāng)或者不及時將會不能滿足限速的要求，從而無法保證列車的行車安全。這就要求在采取不同策略的同時設(shè)計合理的算法來實現(xiàn)列車的減速運(yùn)行。毫諧導(dǎo)絳湊盞鼻骯魷蚯霸誦兄鋇絪鱏落在徽跡琒范圍之內(nèi)轉(zhuǎn) 杭偕璨捎彌貧鱸誦校撲懔諧翟誦興俁卻，到壞彌貧嗬胛!鱏。，在本文中假設(shè)列車此時在低速區(qū)間運(yùn)行，當(dāng)前的運(yùn)行速度為呦匏儻猇。勰，低捎們觶蛔猄旱繃諧翟誦械乃俁萔，麟一時，采用牽引工況；當(dāng)列車運(yùn)行的速度工況選擇策略表工況轉(zhuǎn)換表 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究列車自動駕駛系統(tǒng)應(yīng)該具有的性能指標(biāo)主要包括：高效性、準(zhǔn)時性、停車精度、舒適性、節(jié)能等。在這些性能目標(biāo)中，高效性可以在實現(xiàn)列車自動駕駛中在通過能力等方面體現(xiàn)；旅客的舒適度可以通過控制列車的最大加減速度和加減速度的變化率來體現(xiàn)，這里不作詳細(xì)的敘述。本文將對列車的節(jié)能性、運(yùn)行的準(zhǔn)時性、列車停站精度等方面加以描述。其中：正，杉，琗，琭，丁形一每個子區(qū)間所運(yùn)行的目標(biāo)速度 通過以上分析得知，節(jié)能的優(yōu)化目標(biāo)由兩部分組成：一部分是各個子區(qū)間的優(yōu)化；本文設(shè)計如下啟發(fā)式定時算法：焊諧檔淖茉誦惺狽諸； 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究，。”應(yīng)豳圖列車自動運(yùn)行軟件模塊設(shè)計示意圖 的程序設(shè)計語言，具有豐富的數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計結(jié)構(gòu)，其代碼結(jié)構(gòu)清晰、簡捷易懂。同時具有強(qiáng)大的數(shù)值和字符串處理功她；豐富的圖形指令；支持順序文件訪問和隨機(jī)文件訪問以及完善的運(yùn)行出錯處理機(jī)制等。 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究軟件的主體框架介紹及模型程序設(shè)計圖列車自動駕駛軟件主界面 表線路數(shù)據(jù)“；二?！?；：。一！籭為了方便程序的設(shè)計，將線路數(shù)據(jù)劃分為五個子區(qū)間，區(qū)間劃分表的劃分依據(jù)是根表區(qū)間劃分表。、。，、 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究；，弱箋鬻簿穢”棼?！币?。，篿”薯“譬。，：竹，霧繁刈?；i，：瘴毓爵套。，謄艚，一早，十圖線路縱斷面圖表適應(yīng)站臺高度最高運(yùn)行速度最高試驗速度 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究表單質(zhì)點(diǎn)與多質(zhì)點(diǎn)的線路數(shù)據(jù)一弧簀?，t當(dāng)疊鼉鼉吐砧薯琠 ，。協(xié)、， 墨千一寺卜圖是通過軟件設(shè)計的單質(zhì)點(diǎn)模型與多質(zhì)點(diǎn)模型比較自動駕駛算法實現(xiàn)模塊由六個子模塊組成：目標(biāo)曲線模塊、牽引模塊、惰行模塊、制動模塊、惰行距離模塊、制動距離模塊。在以上六個子模塊中包含了限速處理算法、節(jié)能算法、準(zhǔn)確停站算法等。通過上述算法的設(shè)計，將計算出列車運(yùn)行的猄曲線圖，以及列車的停戰(zhàn)精度、列車的運(yùn)行時分精度和列車運(yùn)行總能耗。如圖，所示為本文設(shè)計的自動駕駛運(yùn)行結(jié)果圖： 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究?；一℃j乏。，鼉潮毒漳螺翳攄?；一o。蜘蚋每曼蓐。毒影，“璧一東一，一歲廠晏名圖自動駕駛算法模塊目標(biāo)曲線呈示曩鬃秀誮萋黲髯簀蘩零黲靜：爭 ：愛曼丟 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究列車自動運(yùn)行模式列車手動駕駛模式列車運(yùn)行距離列車運(yùn)行時分列車終點(diǎn)速度列車?yán)塾嬆芎?力，其中包括列車的啟動牽引力、列車的制動力、列車運(yùn)行時的基本阻力和附加阻力以捎諳鐘械淖柿先狽低持饕Q芯苛薈，型動車組在線路合寧線永寧鎮(zhèn)站 參考文獻(xiàn)，：董海鷹，黨建武基于框架式模糊諧底銥刂葡低持J侗硎狙芯縖鐵道場學(xué)報，。，國資委網(wǎng)站中國通號城軌列車自動運(yùn)行系統(tǒng)通過技術(shù)審查畇，崔世文，馮曉云列車優(yōu)化操縱與自動駕駛模式的研究與仿真闌盜荊 樊金生經(jīng)典編程齕北京：光明日報出版社， 點(diǎn)模型循環(huán)程序料料料料料料 訡綾，匕癿 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究定義列車的初速度定義列車運(yùn)行上一時刻總定義列車運(yùn)行當(dāng)前時刻總定義列車運(yùn)行上一時刻總定義列車運(yùn)行當(dāng)前時刻總定義列車運(yùn)行的循環(huán)變量木木木爿肱?，I棗宰宰串宰宰幸棗木木幸宰掌串串水木多質(zhì)點(diǎn)弓瞿拘以自啄棗木奉幸唯掌母幸木木幸木木幸奉棗木木木木宰木 痸猰綱綾獀譪木木，木琑，夠木毒幸木木木木專奉乖木木乖木拳木乖棗木木木木幸木木木徑櫳怨鮒寫料料纝棗乖棗木棗木幸謇幸木幸綾拳 列車自動駕駛方案優(yōu)化及仿真研究啟動階段代碼如下定義列車提供的原始動力，包括機(jī)車牽引力和列車制動力 定義坡道的變量定義列車走行時間的變量 木奉木宰襳襝 車堆綾一，牛，籺，棗一一一畍琑， 木狢 瓹 甈甃，木一木，瓹夠表示列車運(yùn)行單位基本阻力宰狢 一一猰襐褻綜惰行距離計算模塊 表示列車運(yùn)行單位基本阻力表示列車運(yùn)行的距離表示列車的長度表示列車運(yùn)行