基于模糊神经网络预测控制的高速列车ATP研究

在目标-距离速度控制模式普遍应用于我国高速铁路列车控制的背景下,本文针对高速列车运行性能的要求,将模糊神经网络预测控制运用到高速铁路ATP中,对列车速度进行控制。控制系统以闭塞区间为单位,建立高速列车速度模糊神经网络预测控制模型。在闭塞区间内,利用车-地通信将控制所需信息发送至列控中心;根据所得信息,通过预测控制算法得到从当前位置到闭塞分区出口的列车速度自动防护曲线并确定列车运行方式和控制策略;在每1个通信周期内,利用滚动优化和误差校正进行速度优化。仿真结果表明,与传统的控制方法相比,基于模糊神经网络预测控制的高速列车ATP具有更高的安全性。     

中低速磁浮列车制动过程的时滞补偿预测控制

中低速磁悬浮列车制动过程中具有非线性强、时滞大、时滞特性难处理等特性,传统列车制动控制方法难以实现对磁浮列车制动过程的精准速度控制。为解决中低速磁悬浮列车制动过程的时滞问题,提高制动控制精度,提出一种中低速磁浮列车制动过程的时滞补偿预测控制方法。首先,根据中低速磁悬浮列车实际运行数据,利用带有遗忘因子的递推最小二乘法辨识列车模型参数,建立列车自回归模型。然后,根据得到的受控自回归积分滑动平均模型和Smith预估器构建带时滞补偿的广义预测控制器并分析其控制律更新过程,实现对中低速磁悬浮列车制动过程的纯滞后补偿,降低列车制动过程中时滞特性的影响。最后,基于某磁浮线现场数据,以中低速磁悬浮列车制动过程为被控对象进行实验仿真,并比较时滞补偿广义预测控制方法与传统广义预测控制方法对于中低速磁悬浮列车制动过程速度跟踪控制的效果。仿真结果表明：所设计的时滞补偿广义预测控制器能够以更高的精度实现对中低速磁悬浮列车制动过程的速度跟踪,且与传统广义预测控制方法相比,系统跟踪误差更小并具有更好的控制性能。所提出的时滞补偿广义预测控制算法不仅解决了中低速磁悬浮列车制动过程的时滞问题,而且有效提高了列车制动控制...     

基于BFGS方法的列车速度预测控制研究

列车速度控制是轨道交通发展领域的重要基础问题。面向真实列车速度控制应用场景的列车动力学模型及其控制器设计更具挑战性。一方面,传统基于反馈的无模型控制策略存在收敛速度慢、参数要求高、环境变化敏感等问题,目前难以从优化角度设计控制器且应对复杂系统的约束。另一方面,传统的列车单质点动力学模型很难解决高速列车运行过程中的非线性特性。针对上述瓶颈,首先对列车各节车厢进行受力分析,且考虑车厢间的安全距离,将相对位置和相对速度作为可变状态构建列车多质点模型。然后采用模型预测控制策略,综合考虑列车速度控制的非线性成本函数,处理列车运行过程中的复杂约束,预测控制系统的未来动态行为。然后,针对列车预测控制中的复杂动态约束非线性优化问题,设计对数障碍函数处理不等式约束,进而从拟牛顿法角度设计一种具有稳定收敛性的基于BFGS方法的列车速度预测控制算法,完成列车速度的精准跟踪控制。最后,以国内某线站间列车运行数据为例,与其他先进控制方法进行对比实验,以验证所提出的BFGS列车速度预测控制算法的优越性能。实验结果表明,本文所设计的基于BFGS方法的列车速度预测控制算法能够有效地减小列车速度跟踪误差和位移误差,提升...     

基于多质点模型的高速列车速度控制研究

在对高速列车速度控制的研究中,传统的单质点列车模型因未考虑车长及车间影响力,导致列车在经过特殊线路时速度会跳变,造成较大的速度控制误差。针对上述问题,在列车建模时考虑列车长度以及对每节车厢的受力进行深入地分析,在此基础上建立高速列车的多质点模型,并对其设计相应的模糊预测控制器进行列车速度跟踪控制研究。研究结果表明:对列车建立的多质点模型,能有效地解决列车在经过变坡点和变曲率点时产生的速度跳变问题,减小速度控制误差,且针对该列车模型设计的模糊预测控制器能很好的控制列车跟踪理想速度曲线运行,提高列车速度控制精度和舒适度。     

粒子群优化广义预测控制在列车制动系统中的应用

动车组列车制动系统是列车自动驾驶系统ATO的关键环节。针对动车组列车制动系统模型存在较大误差导致的列车在制动阶段控制效果较差这一问题,提出将动车组列车制动模型分为静态子系统和动态子系统两部分,根据列车制动系统的性能和要求,设计了CPSO(混沌粒子群算法)优化GPC广义预测控制器。该控制器由CPSO辨识动态子系统纯延时环节和外界干扰造成的GPC模型误差,并计算动车组列车所需的控制量。以CRH2型动车组为仿真对象,从仿真结果看出,CPSO-GPC控制器在遇到未知干扰时能够满足动车组列车对给定速度和位移的高精度跟踪要求。     

摆式列车倾摆控制信号预测及动力学仿真

为研究摆式列车倾摆控制信号预测方法,建立“动车＋拖车＋拖车”3辆车编组的摆式列车机电耦合系统动力学模型。建模中考虑了列车系统中存在的轮轨蠕滑力非线性、钩缓作用力非线性和悬挂力非线性。摆式列车通过安装于头车前转向架的陀螺仪在线检测曲线,对测出的横向加速度信号进行滤波和实时生成倾摆控制信号。为了补偿加速度信号的滤波延时,对倾摆控制信号的预测分别采用线性插值法和线性BP神经网络预测,并仿真研究摆式列车曲线通过性能。数值仿真结果表明：线性插值法预测和神经网络预测均能有效补偿加速度信号的滤波延时,使头车及时倾摆,大幅度降低未平衡横向加速度;在输入信号波动较大和预测时间较长时,神经网络预测效果更好;倾摆控制信号的预测方法对车辆动力性能影响不大。     

基于BP神经网络的动车组智能化控制和诊断研究

为解决因采集数据异常导致的列车控制的误动作和误诊断问题,对基于BP神经网络的动车组智能化控制和诊断方法进行了研究,建立了基于BP神经网络的预测模型,采用列车实际运行数据进行多次训练和参数调整,获取最优网络模型,结合该模型的预测值和实际值得到最终可信值,并融入到现有列车控制逻辑中进行控制和诊断。通过实验验证,采用训练模型的预测结果与实际采集值相比具有较高准确性,能够达到预测效果。实验结果表明,采用BP神经网络模型进行状态预测,并结合相关处理策略进行列车运行控制及故障诊断具有可行性。     

输入受约束的高速列车鲁棒自适应动态面控制

实现高速列车对期望速度与位移的精确跟踪至关重要。考虑输入饱和约束以及由于不确定的运行阻力、未知的黏滞摩擦系数和未测量的运行状态等引起的系统不确定性,提出高速列车的鲁棒自适应动态面控制算法。建立考虑牵引与制动转矩产生动态过程的高速列车动力学模型;引入扩张状态观测器在线估计和补偿系统总的不确定性,应用跟踪微分器代替动态面控制中的一阶滤波器,构造附加系统处理输入约束问题,设计了高速列车的鲁棒自适应动态面控制律;基于李雅普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性以及高速列车速度跟踪误差和位移跟踪误差的半全局一致最终有界性。仿真结果验证了所提算法的有效性。     

数据驱动的高速列车子空间预测控制

随着列车运行速度的提高,列车与接触网、轨道、空气的动力作用加剧,给高速列车的建模与控制提出更高的要求。本文提出数据驱动的高速列车子空间预测控制方法:构建基于状态框架的高速列车多变量动力学系统;由输入输出数据设计高速列车的子空间预报模型;详细分析高速列车子空间预测控制器的设计方法,并给出相应的预测控制算法。高速列车的数值仿真实验结果证明所提出控制方法的有效性。     

结合迭代学习和模型预测的重载列车运行控制

为实现重载列车单次行程的高鲁棒高精度轨迹跟踪，根据列车纵向运动特性，构建重载列车多质点的动力学模型；基于利用批次化的运行过程积累控制经验，结合迭代学习和模型预测控制方法设计1种增强抗扰的重载列车跟踪控制器，将重载列车动力学模型转化为基于模型预测控制框架下的线性二次型最优控制模型，用二次型最优控制的速度和位置状态反馈增益表示迭代学习增益，利用批次化积累的控制经验不断提高跟踪性能，实现单次行程的滚动时域优化，提升轨迹跟踪的鲁棒性和精度；对某货运专线上的2万t重载列车进行跟踪控制仿真，分别从时域稳定性和迭代收敛性验证该控制器的稳定性。结果表明：结合迭代学习和模型预测控制方法能够很好地利用重载列车系统操纵重复性特征并实现全程跟踪控制，较传统控制方法跟踪效果更好并能有效降低列车纵向冲动，同时能够动态响应非重复性扰动，满足重载列车运行控制要求。     

基于着色Petri网的铁路时间同步协议建模及安全性分析

针对Autokey模型的铁路时间同步协议安全性问题,提出利用着色Petri网对协议进行安全性分析。剖析Autokey模型的铁路时间同步协议序列及其执行流程;重点针对其认证阶段,分别构建正常认证和加入中间人入侵的着色Petri网模型,分析中间人入侵时协议认证过程的不安全状态,建立模型状态方程;应用逆向状态分析法对铁路时间同步协议认证过程的安全性进行分析,得到中间人在认证阶段攻击协议的实施序列。研究结果表明:基于Autokey模型的铁路时间同步协议的认证过程是不安全的。     

高速铁路泥岩地基膨胀特性试验研究

以兰新高铁一处典型膨胀泥岩路段为研究对象,在此现场取样,室内自制试验箱进行厚度分别为20,40和60cm的泥岩地基膨胀模型试验研究。研究结果表明:随着注水量和时间的增加,地基膨胀量整体呈外凸弧线增长;含水率小的地基膨胀潜势大,地基易膨胀,含水率大的地基反之;不同深度处的泥岩膨胀量不同,随着深度的增加,膨胀量逐渐减小;不同厚度地基含水率与膨胀量均呈良好指数关系;对地基膨胀量与含水率及地基厚度耦合作用下的计算模型进行探讨,计算模型所得膨胀量与实际室内试验量测数据拟合良好。研究成果可为膨胀泥岩地区高速铁路修建提供参考依据,对该地区同类工程建设具有借鉴意义。     

平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性仿真分析

兰新高铁接触网平腕臂绝缘子在大风沙尘环境中面临"沙闪"问题,研究不同因素下平腕臂绝缘子表面的沙尘沉积特性,可为此环境下绝缘子选型及设计提供理论依据。以FQBJ-25型棒式瓷芯复合绝缘子为研究对象,建立风洞积污仿真模型,采用多场耦合的数值计算方法分析风速、颗粒物粒径及质量浓度3种因素对绝缘子表面积污量的影响。仿真结果表明:随着风速的增大,绝缘子和各个伞裙表面的积污量均增加;当颗粒粒径大于13μm时,各个伞裙表面沉积的颗粒个数随粒径的增大而减少,但绝缘子表面的积污量随粒径的增大而增大;颗粒物质量浓度对绝缘子表面积污量的影响呈线性关系。各个伞裙表面积污量的变化与伞裙结构、风速、粒径及质量浓度有关,当曵力大于重力(大风速小粒径)时,伞裙结构的变化与各个伞裙表面积污量的变化具有一致性,反之,伞裙结构对积污量的变化影响很小。当曵力与重力作用相当时,颗粒物质量浓度越高,伞裙结构对各个伞裙表面积污量的影响越明显。     

基于性能的高速铁路钢管混凝土 拱桥地震经济风险分析

在基于性能的地震风险评价理论基础上,以一座高速铁路钢管混凝土系杆拱桥为例,采用有限元分析软件建立全桥模型,运用增量动力分析(IDA)方法对该桥拱肋进行地震易损性分析,建立关键截面的易损性曲线,结合地震危险性和损失比,选取年预期损失作为地震经济风险指标,定量分析该桥的地震经济风险。研究结果表明:IDA方法用于钢管混凝土拱桥的地震经济风险分析是可行的,该桥主要经济风险来源于超越概率较高的中小级别地震,占桥梁整体经济风险损失的77.3%,通过对易损区域的局部加固设计,在提高桥梁鲁棒性的同时可减小结构的地震经济风险。     

一种具有故障处理能力的电容箝位子模块拓扑分析

通过介绍T型子模块、电容箝位子模块和二极管箝位子模块拓扑,提出一种基于T型子模块的改进电容箝位子模块拓扑。分析系统在故障时子模块各器件的电参数变化,从理论上确定其器件耐压特性和故障阻断能力。在MATLAB/Simulink平台上建立基于MMC的整流电路进行仿真,并与二极管箝位子模块和T型子模块进行了比较。研究结果表明:该子模块具有较强的故障处理能力。     

宝兰客专路堤段地面振动特性 试验研究与数值分析

基于高速列车动荷载激励引起的无砟轨道-路基-黄土地基体系的地面振动问题,对宝兰客专DK993+110处路堤区段地面振动进行试验研究和数值分析。对试验数据从时域和频域2个方面进行分析,研究不同车型的动荷载引起地面垂向振动加速度在黄土地基中的衰减规律,研究结果表明;在距离线路中心线10～24m衰减较快,随着距离增大,距离线路中心线24～42m衰减速度趋于平缓,且在30～42m处各型车引起地面振动均出现了振动反弹增大现象。建立车辆-轨道-地基系统模型,研究列车动荷载作用下的地面响应,发现与实测结果吻合良好,验证模型的合理性与计算的正确性,依据不同场地速度结构,通过改变地基介质模量比和覆盖层厚度的方式,分析地基介质模量比和覆盖层厚度对振动反弹增大的影响。分析车速对地面振动的影响,发现地面振动随车速增大呈增大趋势,且不同车速列车引起振动反弹区域也有一定差异。按《城市区域环境振动标准》评价该处地面振动Z振级,回归分析得出各型车引起Z振级符合对数衰减规律,但在振动反弹区30～42m处拟合效果较差,表明拟合公式适用范围应当限定在10～30 m之间。     

基于SA-CPSO优化HSMM的转辙机故障预测模型研究

针对目前铁路现场转辙机PHM中故障发生的模糊性与随机性等不确定问题,提出一种基于自适应混沌粒子群(SA-CPSO)优化隐半马尔科夫(HSMM)的设备退化过程故障预测模型。根据转辙机全生命周期机械部件状态退化过程对其进行退化状态划分;建立SA-CPSO优化HSMM的设备状态评估和故障预测模型,再结合前向-后向算法对优化后的模型进行参数估计;通过实例分析验证该方法的有效性和可行性,实现传统信号维修策略的方法改进。     

基于WPA优化神经网络的扼流适配变压器故障诊断研究

针对传统铁路扼流适配变压器故障诊断模型结构复杂和精度不高的问题,运用狼群算法(WPA)、粗糙集(RS)理论和神经网络(NN)相融合的方法对其进行故障诊断研究。用粗糙集理论对故障样本数据进行约简处理,减少样本数据的监测及关键特征量的输入个数;利用约简后的数据对神经网络训练。利用狼群算法优化BP神经网络参数,提出WPA-BPNN故障诊断模型,以侯马电务段扼流适配变压器故障数据为例进行验证。研究结果表明:WPA-BPNN故障诊断模型相比传统方法,简化了网络结构,缩短了训练所需时间,提高了故障诊断精度,保证了列车行车安全及线路的高效运行。     

基于动态故障树的计算机联锁系统安全性及性能分析研究

针对2种常用冗余结构计算机联锁系统中的联锁机子系统,在考虑单元模块、比较模块和系统间切换模块全故障模式的情况下,建立双机热备和2×2取2计算机联锁系统的危险失效概率PFD和安全失效概率PFS的动态故障树模型。由于故障树概率近似法和Markov方法计算结果非常近似且概率近似法的求解过程简单和存储要求低等特点,采用概率近似法求解对应的PFD和PFS,实例对比分析2种冗余结构计算机联锁系统的安全性。研究结果表明:在全故障模式下,2×2取2计算机联锁系统的安全性高于双机热备。     

牵引电流对桥梁区段信号电缆的电磁串扰研究

随着高速铁路的快速发展,铁路现场信号电缆受干扰的问题愈发突出,特别是在贯通地线和信号电缆同槽铺设的桥梁区段,对铁路运输的安全造成不良影响。在考虑桥梁区段特点的基础上,针对信号电缆双端接地的情况建立加入信号电缆外皮的牵引供电系统链式网络模型,利用潮流算法进行仿真计算,通过实测数据验证模型的有效性。分析信号电缆串扰的主要来源,在所建立模型的基础上计算信号电缆受串扰产生的感应电动势,考虑贯通地线和信号电缆间距对其影响,并给出故障条件下信号电缆的适宜长度,为减少铁路信号电缆的串扰影响和其铺设方法的研究提供参考依据。