MATLAB列车节能运行优化算法研究(2)
1.2 国内外研究现状与水平
1.3 发展趋势
1.4 研究方案
1.4.1 列车运行过程
列车运行过程是指在规定的列车运行时间中，列车由一地驶向另一地，其间需要遵守包括机车车辆限速、线路限速、道岔限速等一系列的规定，最后将列车停靠在规定的位置。通过采取列车质点运动方程，控制能耗[3]。
1.4.2 列车运行过程中的节能分析
列车运行过程可以分为节时模式、节能模式和定时模式。节时模式即列车的最大能力运行过程，在此过程中列车始终以最大牵引力加速和最大制动力减速，最终可以得到列车在两车站之间的最短运行时分。节能模式是以最低的能耗完成列车运行任务的方式，但此时列车的运行时分最大。定时模式是在给定时分内完成列车运行任务的运行方式，定时模式下列车的运行时间和能耗均介于节时和节能模式之间。
列车运行是一个复杂的过程要受到线路坡道、限速、信号以及机车自身状况的影响。列车节能操纵的数学模型是一个非线性有约束的动态最优化问题[4]。很难根据数学方程求得其最优解。根据对列车运行过程中的受力分析可知,列车运动是受牵引力、制动力、基本运行阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力、隧道附加阻力共同作用的结果,在不同的时刻列车受一种或几种力的共同作用。基本运行阻力是列车运行过程中始终存在的力，力的方向与列车运行方向相反，是始终阻碍列车运行的力。其经验公式形式为w0=a+bv+cv^2，它随着列车速度的增加而增加。列车以匀速运行克服基本阻力做功最小已经得以证明，所以从减小基本阻力做功的角度来看，列车运过程中应采取匀速运行或者“牵引——惰行——牵引”方式逼近匀速过速度波动。制动力是调节列车速度的力，根据机车制动方式的不同分为电制动和空气制动方式。电制动又分为电阻制动和再生制动方式，空气制动依靠闸瓦或制动盘产生制动力。电阻制动和空气制动方式将列车动能转换为热能消散于大气中，再生制动将列车动能转换为电能返回给牵引网。电阻制动和空气制动方式是对能量的直接浪费，所以应该尽量避免不必要的制动，即使制动也应该充分利用再生制动将列车动能转换为电能。坡道附加阻力、曲线附加阻力、隧道附加阻力是由线路条件、列车长度和速度共同决定的，曲线附加阻力和隧道附加阻力始终阻碍列车运动，是列车运行必须克服的阻力。坡道附加阻力随线路坡度的变化而变化，可能阻碍列车运动，也可能促进列车运动，它将列车动能转换为势能。由此可知，列车运行过程中的能耗主要用于克服基本阻力做功、克服线路附加阻力做功、制动过程中的能量损耗和机车自耗。
文献[5]总结了列车运行过程中的节能规律。列车运行过程的自耗基本不受操纵方式的影响，实现列车的节能运行应该从两方面入手：一是减少基本阻力做功；二是尽量避免列车的动能损失。减少基本阻力做功体现为保持列车运行过程中速度的均衡性，在列车启动加速过程中应该以最大牵引力进行加速。减少列车的动能损失主要表现为减少制动过程，即在制动前惰行。列车制动过程包括两方面，一是列车在运行过程中的调速制动，主要体现为列车在下坡道运行为防止超速而施加的制动。二是列车的进站制动过程，它是列车运行过程中的必需阶段。
1.4.3 智能优化算法
列车运行过程优化是复杂的非线性多目标优化问题，传统的优化方法难以获得预期的效果，所以国内外专家通过研究分析提出了许多模拟自然界生物进化、生存现象的智能方法。常用的方法有模糊神经网络、遗传算法和微粒群算法。