基于数据驱动的高速列车速度复合控制研究

针对高速列车在外部干扰下的速度控制问题，本文提出基于Koopman算子的高速列车高维线性模型的建模方法，并设计一种结合扩张状态观测器(ESO)与基于Koopman算子的模型预测控制(K-MPC)的复合控制器(ESO-K-MPC)。利用扩展动态模式分解算法来近似无限维线性Koopman算子，建立具有动态非线性特性的高速列车动力学高维线性模型；引入模型预测控制，设计扩张状态观测器，对系统总扰动进行估计与补偿，构建基于ESO-K-MPC的高速列车速度控制系统，再设计控制器与控制算法；结合CRH3列车参数和郑西高铁华山北站—西安北站实际线路数据，分别在没有扰动和白噪声干扰下对设计的控制方法与算法进行仿真研究。仿真结果表明：基于Koopman的高速列车建模对位移与速度的预测精度相比于线性状态空间模型分别提高了83.86%与87.40%;ESO-K-MPC可以准确估计与补偿高速列车运行中受到的干扰，控制输出曲线与期望曲线几乎重叠，实现了列车运行期望曲线的高精度跟踪。     

基于改进多目标差分进化算法的城轨列车速度曲线优化

城轨列车速度曲线研究对于优化列车运行过程具有重要的作用。为得到更好的城轨列车速度曲线优化效果，本文针对列车运行准时性、运行能耗和舒适度3个目标，提出一种基于改进多目标差分进化算法的速度曲线优化方法。首先，建立城轨列车运行过程的多目标优化模型；然后，通过采用精英镜像初始化策略、引入参数自适应和多变异策略，提升多目标差分进化（MODE）算法的性能，并通过与其他6种对比算法在ZDT系列测试函数上所得的反世代距离评价指标（IGD）值进行比较，验证了所提算法的优越性；最后，结合南昌地铁一号线某区间真实线路数据进行仿真。结果表明，改进的MODE算法（IMODE）相较于对比算法在综合性能方面具有一定优势，同时在列车节能优化问题中具有较强的实用性。     

风挡连接装置对列车动力学性能的影响

论述了各种风挡的动力学建模处理过程，结合单节客车动力学计算模型，以三节客车作为一个列车单元建立了列车动力学计算模型。通过求解描述列车系统的运动微分方程组，得出了列车蛇行运动稳定性、动态曲线通过性能及运行平稳性等方面的一系列数值仿真结果。计算结果表明，列车的失稳一般由尾车尾部转向架的蛇行失稳引起；列车的曲线通过性能随着曲线通过速度的提高、曲线半径的减小而迅速降低；中间车的运行平稳性明显优于头车和尾车；密接式风挡的运行平稳性最差，因此建议加装缓冲装置以提高装备密接式风挡动列车的动力学性能。     

基于多编组的列车满载率均衡化方法研究

针对多编组均衡发车导致的大小编组列车利用率不均的问题，本文构建了轨道交通多编组列车开行方案双层规划模型.上层模型以大小编组发车频率为决策变量，乘客出行费用和企业运营成本最小为目标；下层模型以列车编组和发车间隔为决策变量，大小编组列车间的满载率均衡程度最大为目标，并设计嵌套遗传算法求解.算例分析表明：当列车编组和发车频率一定时，大小编组列车均衡发车时平均满载率相差 50%，非均衡发车时两者仅相差 0.8%，这说明非均衡发车模式可以有效提高列车满载率均衡性；大小编组列车均衡发车时，列车编组辆数不宜相差过大，非均衡发车时可以通过调整发车间隔的方法提高列车满载率的时空均衡性.     

网络条件下轨道交通开行方案协调优化研究

在轨道交通网络化运营条件下,考虑不同线路间乘客的脉冲性到达特征和拥挤度对乘客出行行为选择的影响,对轨道交通网络列车开行方案进行协调优化。以轨道交通运营企业成本和广义乘客出行费用之和最小为目标,构建列车开行方案优化模型,对路网中各条线路的列车发车间隔和各线路间的发车时刻相位差进行优化,并结合客流的离散性特征和模型结构,提出了一种基于仿真的遗传算法对该模型进行求解。给定某轨道交通网络,实例验证了所提出模型和算法的有效性。计算结果表明,相较于现有优化方法,本文所提出的优化模型能够有效降低网络化运营条件下的系统总成本,在提高轨道交通运营企业效益的同时降低了乘客的广义出行费用。     

广义预测控制算法在ATO系统中的研究仿真

对广义预测控制（GPC）算法进行了研究,并将GPC算法应用在自动运行（ATO）系统中。通过该算法的使用,列车能较好地跟随目标曲线运行,由于目标曲线是根据列车牵引计算得到的最优的列车运行曲线,从而保证列车安全、平稳、正点地自动运行,同时也确保列车进站停车的精确性。     

灯泡线列车掉头解决方案技术分析

当前轨道交通工程中的信号系统设计越来越多的应用了基于无线的列车控制（CBTC）系统【1】,CBTC系统面临着一个共同的问题,即在灯泡线上列车掉头时,轨旁无线接入点（AP）与列车无线通信设备之间通信网络的双网切换问题,在确保行车安全的前提下,为了使列车连续有效的与地面通信,必须合理的处理这个问题。     

基于特征模型的高速列车自适应误差补偿控制

针对高速列车运行过程中因不确定运行阻力和模型误差等因素产生的系统误差，提出了新的基于特征模型的高速列车自适应误差补偿控制策略，实现了其对给定目标速度曲线的渐近跟踪。首先通过动力学分析，基于特征建模方法和参数辨识，建立了存在系统误差的高速列车特征模型；其次，利用扩张状态观测器对系统误差的估计能力，设计了基于特征模型的高速列车自适应误差补偿控制器，并结合广义最小方差方法对控制器参数进行了优化，使其在存在系统误差时仍能实现对给定速度曲线的渐近跟踪。该控制策略能够有效处理系统误差带来的不确定性，提高控制精度，从而保障高速列车的安全可靠运行。为了验证本文所提方法的有效性，以CRH380A型高速列车为被控对象进行仿真实验。仿真结果表明设计的补偿控制方法在列车存在未知系统误差的情况下仍能保证理想的控制性能。     

基于遗传算法的列车运行能耗优化算法

研究了CBTC系统中列车控制模型和列车运行调整,以降低能耗为目标,对列车在区间的运行控制进行优化组合,提出了基于遗传算法的能耗优化算法,根据具体的线路条件,计算了在不同的运行等级下或不同区间运行时分对应的列车运行速度曲线。以一段2 400m长,具有典型节能坡设置,且包含一段60km.h-1区间限速的线路为例,进行了能耗计算和优化仿真。研究结果表明:优化之后速度曲线与其对应的运行等级2、3、4的速度曲线相比,列车牵引能耗减少到原来的62%、58%、60%,节能效果显著,算法有效。     

申通北车精益生产助力轨交列车维修

由上海申通地铁集团和中国北车集团合资组建的申通北车（上海）轨道交通车辆维修有限公司于2013年8月成立。上海申通地铁集团、长春客车股份公司、上海轨道交通发展有限公司出资，专门从事城市轨道交通电动列车架修、大修。现有员工118人，场地4万平方米，以及大量列车维修工艺设备。据悉，合资公司成立一年多来，已经完成三种车型250余辆列车的架修修程，上线运营后，质量可靠，没有发生业主有责投诉事件。     

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在铁路网络中,列车运行通过车站时可能会受到其他运行线列车运行的干扰,本文对列车运行受干扰时的节能操纵优化进行了研究。根据问题的数学描述和列车运行动力学方程,建立了最优化模型,并采用变长度染色体遗传算法,结合工况序列表,对问题进行了求解。通过仿真计算,给出了受干扰时列车运行的速度距离曲线,与无干扰时的速度距离曲线进行了比较,分析了速度、时间之间的相互变化,并结合能耗距离曲线,揭示了列车节能操纵的一些原则,最后将运算结果与其他方法计算出的结果进行了比较。比较结果表明,变长度染色体遗传算法是一个有效的算法,可以很好地应用在列车节能操纵优化的研究中。     

普通列车和CRH_2型动车组制动力荷载分析

为研究CRH2型动车组制动力和普通重载列车制动力对桥梁结构的影响差异,依据动车组制动减速度特性曲线,计算整车制动力时程,为桥梁结构承受动车组制动力的动力分析研究打下基础。通过与重载列车制动力时程的对比,表明动车组整车制动力数值比重载列车制动力小很多,且停车前保持平稳,不具有普通重载列车的冲击特性。     

基于多速度调控的城轨列车区间运行策略优化

针对城市轨道交通区间运行时分要求,将列车在区间的最高运行速度、最低惰行速度作为速度参数,提出多速度参数调控的城轨列车区间运行策略优化问题。考虑线路平纵断面、列车性能等的影响,以及区间限速、运行时分限制等约束,以区间运行能耗最小化为目标,建立均布质量模型下的给定运行时分下基于多速度参数调控的列车运行节能优化策略模型,优化确定各速度参数取值和对应的区间运行控制方案,设计针对多速度参数综合调控的模拟退火求解方法。以广州地铁8号线中大-晓港为例,测算不同时分下的运行控制方案。结果表明：最高运行速度参数可有效控制区间运行时分取值;最低惰行速度的合理取值可显著降低能耗,最多可降低4.68%;列车操纵模式的确定需综合考虑区间运行时分、节能效果和惰行次数,节能操纵模式在较长运行时分下节能作用更为显著。优化结果可为城轨节能化列车运行组织提供决策支持。     

高速列车动态间隔优化的弹性调整策略

为保证列车运行安全性, 提高铁路线路运载效能, 针对移动闭塞系统, 研究了高速列车追踪运行的间隔弹性调整策略和操纵轨迹的动态优化问题; 以高速列车运行安全性、效率、能耗和乘客舒适度作为列车运行控制策略曲线的优化目标, 研究了列车的追踪运行过程; 采用差分进化算法求解了列车运行过程多目标优化模型, 设计了离线最优运行控制策略曲线; 提出了列车弹性追踪间隔模型, 分析了列车运行过程中追踪间隔的实时变化; 基于弹性间隔模型设计列车追踪运行控制策略动态调整机制, 采集列车实际运行数据, 实时监测相邻列车间的实际追踪间隔, 评估其是否符合安全性与效率约束条件, 并分析了评估结果; 依据工况调整原则在线调整追踪列车的运行状态与工况, 实时优化列车追踪间隔; 应用武广高速铁路赤壁北—长沙南区间的实际运行数据进行了仿真验证。仿真结果表明: 与真实区间运行数据相比, 采用离线最优运行控制策略曲线后, 运行能耗降低了6.86%;与固定追踪时间间隔模型相比, 采用基于弹性模型的控制策略动态调整机制有效提升了铁路整体运输效能, 将临界安全发车间隔从234 s缩短至161 s, 线路整体运行效率由6 434 s缩短至6 376 s, 与真实运行数据相比, 追踪列车的运行能耗降低了7.194%。      

基于自动恒速的客运专线列车牵引计算模型与算法研究

客运专线列车的控制模式与普通铁路的相比较存在较大差异,这使得普通铁路列车牵引计算模型不适于客运专线。论文在对客运专线、普通铁路及地铁差异分析的基础上,构造了自动恒速的列车牵引计算的模型与算法。将列车运行过程分为起动和牵引加速过程、恒速牵引过程、调速制动过程及进站制动过程四部分,对各部分分别建立了计算流程。最后对照非恒速牵引计算模型,测试了所造模型和算法的有效性。     

考虑运营费用和线性化树形改编策略的货物列车开行方案研究

国外货物列车开行方案的制定通常以车流和车列的综合费用最小为目标,而我国大多以车流的集结和改编车小时消耗最小为目标,很少考虑每个车列的运营费用,造成理论开行费用偏小,其方案未必最优.此外,我国现有开行方案模型将车流树形改编策略递归表示,不利于对不可行流的处理.鉴于此,本文对现有模型进行改造,在总目标中增加车列运营费用;在约束中引入新的决策变量,实现线性化的车流树形改编策略.设计并行禁忌搜索算法实现对模型的求解.结果表明,单位列车运营费用中的固定费用对开行方案有着重要的影响,其费用越高,总开行列数越少,列车平均运距越长,但总改编车流量增加;线性化的改编策略直观展现车流的改编路径,便于对不可行流的运输方案进行调整.     

基于道岔曲线信息的列车定位方法研究

在安全苛求的现代列车控制系统中,列车的实时定位是一个十分重要的环节. 传统的基于里程计的列车定位方法只能提供列车行驶的里程信息,在具有多条平行股道的铁路车站,传统的列车定位方法无法解决轨道占用识别的问题. 本文根据列车在铁路线路上运行的特点,提出了基于道岔曲线信息的列车定位方法,该方法利用GPS及惯性传感器辅助提取列车在道岔处的速度、加速度、角速度等运行特征,得到列车在道岔处的转弯半径、曲率变化及运行方向,并通过与车载地图数据库进行比较,实现准确的轨道占用识别及列车定位. 文中给出了采用传感器获取运行特征的方法以及实现道岔信息匹配的流程. 现场测试结果表明,在当前试验条件下,该方法已具备较强的轨道占用识别能力,能够在一定程度上提高列车定位的性能.     

MRT列车运行模拟模型的多目标改进遗传算法

为了求解城市快速交通（MRT）列车运行模拟模型，寻找最优的列车运行控制曲线，构造了多目标改进遗传算法．以列车运行过程中工况转换点为基因编码依据，以多个基因构成一个染色体代表一个控制方案，从而形成初始种群；根据列车运行控制的停站误差、时分误差和能耗等目标要求设计适应值函数；通过个体有效性检查保证选择、交叉和变异过程中新个体的有效性，并在各算子中加入保优算子，使新种群不淘汰上一代最优个体．实例计算表明，与多质点优化模型相比，在一定的误差范围内，遗传算法能够减少能耗10％以上，并能提供大量次优解，具有明显的优化效果．