城市交通中单列车节能优化研究

【摘要】节能在交通系统当中受到了越来越多的关注，一方面它可以削减开支，另一方面它可以减少向大气的污染排放。在交通系统中的，对于时刻表的优化和对运行方案的优化是节能操作的两个关键环节，前者调节了站间的运行时间和路线，后者则决定了运行过程中一系列的牵引力与制动力的控制。本文通过对列车在运行过程中的动力学模型及运动学模型的分析，利用Matlab软件对目标最优化模型进行优化，从而完成对列车运行方案的优化设计，达到减少列车能耗的目的。

【关键词】列车；节能；优化；速度

引言

随着城市交通的日益发展，城市轨道交通中列车运行操纵也由通过列车司机凭借经验完成逐步向自动化发展。同时在自动化的基础上要求节能环保、资源利用率高等。为此就需要一套客观的、科学的以及合理节能的列车控制策略指导行车[1-3]。

早期研究城市列车速度优化时，国外学者以加速度作为驱动控制并将其视作一个恒定值来研究列車节能控制问题[4-5]。后期则将列车看做单一质点，研究离散化模型，规划列车速度[6-8]。而在研究节能优化问题时，研究方向主要体现在对列车再生制动方面的研究以及列车惰行运行具有优良节能效果为出发点，建立列车运动方程，采用多目标优化方法进行节能优化求解[9-11]。

1、列车运行的运动学模型

列车在不同外力的作用下能够在线路轨道上进行加速、等速、减速等的移动，这符合了牛顿力学的运动规律。如图1所示，假设列车以加速度a经过时间t，运行了距离S，那么该列车的动力性模型可以由牛顿力学运动规律得到：

实际中，列车在运行过程中，其合力加速度是不断变化的，并不会是一恒定值，但在一定距离内其值变化不大，因此可将列车合力加速度视为一个相对恒定的值，这样该列车运动学模型成立。

2、列车运行的能耗模型

将列车运行的过程离散成n段，假设在每一时间段的运行过程中，列车受到的牵引力和运行速度为一个恒定的值，则可以得到列车的能耗E可以表示为：

（2）约束条件

A.速度约束

列车到达每一站时的速度为0；

列车的运行速度不能超过列车线路运行最大速度。

B.时间约束

列车运行总时间为ttotal。

C.路程约束

列车运行总路程为stotal。

D.受力约束

F和B不能同时存在。

综合上述内容，可以得到该问题的优化模型如下：

3、算例分析

假设整条线路分为10站，求取其中任意两站速度变化模型。已知A6的公里标为13594m，A7的公里标为12240m。所以，从A6站到A7站的距离S6-7是1354m，列车运行总时长为110s。

首先，我们对A6站到A7站的一些线路参数进行整理，结果如下表所示：

4、结果分析

由模型的建立可知在优化列车运行速度时，由于影响因素较多，且存在大量的非线性解，用解析法求解是不可能。为此本文通过Matlab编程，求解列车节能优化曲线，从计算结果来看，所求解的精度能够充分满足列车在线路上运行的时间、距离、限速等约束，能够解决列车在运行中的速度规划问题对，为后续研究列车节能优化产生重要的意义。

参考文献

[1]苗渤汶，李华.基于多目标混沌遗传算法的列车控制策略优化[J].科学技术与工程，2013（11）.

[2]李波，王自力，吴娜.基于遗传算法的列车优化操纵曲线研究[J].系统仿真技术，2007（04）.

[3]王智鹏，罗霞.城市轨道交通线路中列车节能优化研究[J].计算机工程，2015（06）.

[4]Asnis I A，Dmitruk A V，Osmolovskii N P，Solution of the problem of the energetically optimal comtrol of motion of a train by the maximum principle.USSR Computational Mathematics and Mathematical Physics，1985，25（6）；37-44.

[5]Howlett P， Optimal strategies for the control of a train. Automatics， 1996；4；519-532.

[6]张燕，王柄达.定时条件下列车节能操纵研究综述[J].交通运输工程与信息学报. 2011（01）.

[7]荀径，杨欣，宁滨，王义惠，李坤妃.列车节能操纵优化求解方法综述[J].铁道学报，2014（04）.

作者简介

齐梦（1992-10-15）女，汉族，黑龙江省哈尔滨市，东北石油大学，硕士研究生，目前从事：油气田开发工程.