蘭州交通大學碩士學位論文列車自動駕駛方案優化及仿真研究姓名：葛小龍申請學位級別：碩士專業：交通運輸規劃與管理指導教師：李引珍20110614 是幕。珹是虯的技術延伸和發展的最高狀態。 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展的時期，進一步形成高速化的運專線將會達到萬公里以上。為了滿足我國國內日益增長的旅客運輸需求，國家為了滿足列車運行速度的不斷增長，我國科學家一直都在努力進行著列車控制系統 列車自動駕駛方案優化及仿真研究中得到了廣泛的應用。自動控制系統。科學家們在實踐中發現，許多比較繁瑣的、無法用電腦來實現的列車運行控制，列車駕駛員卻可以很輕松的完成。于是科學家們從中得到了啟發，將這些駕駛員的經驗制作成為一個經驗庫。常用的智能控制算法有：模糊控制算法、模糊預測控制算法、專家控制算法、遺傳控制算法以及神經網路控制算法等。在這一領域研究比較早的科學家有日本的 了實驗測試口。新加坡的學者甋系統的運行控制。這一控制理論神經網絡控制系統到列車自動駕駛系統中，將傳統的通過速度控制轉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化及仿真研究第一章緒論第三章牽引計算的力學模型 列車自動駕駛簡介列車自動駕駛子系統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行。利用列車上的車載信息和運行區間的地面信息實現對列車啟動、牽引、制動、惰行運行等一系列的運行控制。它使列車可以安全平穩地自動加速到合適的行駛速度，并且根據線路狀態的不同來自動調節列車的運行速度，最終將列車停在車站的準確位置上。列車超速防護子系統是控制系統中主要負責列車安全運行監測的部分，具有列車運 ：山 用，從而完成運輸任務。列車運行中要滿足多個目標，主要包括以下幾個方面： 列車自動駕駛方案優化及仿真研究 如果列車輪對規定的半徑是尺。，輪對與鋼軌摩擦所產生的損耗上線為口，則輪對在 列車自動駕駛方案優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生的壓力差所導致的阻礙列車運行的力。附加阻力的構成包括列車在坡道上運行時由于重力勢能所產生的阻礙列車向前運行的力、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行的力和列車在線路上運行通過隧道時由于前。列車運行的基本阻力主要由五個方面的因素構成： 蘭州交通人妒墾：論文 空氣阻力系數有關。它們的關系表達式如式所示口：渙諧翟誦興俁 列車在坡道上運行時由于重力勢能所產生的阻礙列車向前運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化及仿真研究 使它的運行速度可以達到痟以上，而且本款列車的最高的測試速度可以達到痟以上，滿足了現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，偷鉈，直鷂6底榍匭鄖呱系個已知點，點：疺 列車自動駕駛方案優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。當列車采用制動工況時，作用在列車動車輪對上的電力轉換裝置將自動的轉變為發電機，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動能定律可知，動能的增量應該等于作用在列車上的合力所作的總功，即 施，講!令旦：破湮鈾俁認凳牘可以得到列車運動方程的一般形式為：所以動車組的運動方程可以寫為： 對上式進行兩邊積分，可以得到求解列車運行距離的方程：去幽由于被積分式中的單位合力是速度的復雜函數，如果直接利用公式來求解動車組的運行時分和運行距離會有很大的難度。所以通常在實際的運行時分和運行距離計算時，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間，以有限小的速度區間來代替無限小的速度變化值，由于區間無限小，所以就可以認為在這一區間內的單位合力是常數。因此，在每一個速度 上所以列車在每一速度區間內運行的距離為：令蘭虧生，：一，可得：幻扛鏊俁惹淶乃俁仍雋浚琸痟 列車自動駕駛方案優化及仿真研究 列車自動駕駛方案優化及仿真研究傳統的多質點模型百 圖列車所受內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。根據作用力與反作用力的原理，就可以得出第二輛車的口唬籅后籅輑籞。 本文研究的列車運行仿真系統，主要是模擬高速客運專線的運行，并且為了使得軟件的模擬達到比較好的效果，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點鏈。如圖所示：列車在平坡道上采用單質點受力還是采用多質點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別。以圖為例：將六個質點分別圖多質點受力分析一 列車運行的目標曲線是列控系統的輸入，列車運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行目標曲線跟蹤的過程，在傳統的列車運行的時候，司機將嚴格按照列車目標曲線來駕駛列車運行，從而保證列車安全、正點運行。由此可知，目標曲線的正確與否將會影響到列車的實際運行狀態，列車駕駛司機將圍繞列車的運行目標曲線采取牽引、惰行、制動等操作。一般的將列車運行目標曲線分為三部分：啟動目標曲線、區間目標曲線、停站目標曲線。其中啟動目標曲線主要是采用最大的牽引力使列車啟動；區間目標曲線側重于保證列車在限制速度以內實現旅客舒適、準時以及節能的要求；停站目標曲線則側重于保證列車的定點停車，即停車精度。下面將具體說明列車運行目標曲線的生成方法。在本文中，程序的設計將以為一個單位步長進行計算，所以列車在區間內的 呵J跡宰畬笄諧翟誦校瑅痟，；區間目標曲線的形成停站運行目標曲線的形成 列車自動駕駛是一個非常復雜的運動過程，不僅要考慮到列車運行的特點以及線路的狀態，還要綜合考慮列車的安全性、節能性、旅客的舒適度、列車運行的正點率以及列車的進站停車精度等。采用合理的駕駛策略是保證列車安全、正點運行的關鍵。本文應用了預測控制理論，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行分析研究。在預測控制中的優化主要集中表現在優化的目標不同與全局的優化控制性能，而采用的是在有限時段的滾動優化策略來表現的。在每一個采樣的時刻，優化的性能指標只能涉及到從該時刻起到未來有限的時間點為止，然后再到下一采樣時刻開始，與此同時，這一優化的時間段同時向前推移。所以，在整個預測控制中，優化的整個過程不是簡單的一次離線進行，而是反復地在線進行的。 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列車從高速運行區間向低速運行區間轉換時，就要采取相應的操作策略，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計合理的算法來實現列車的減速運行。毫諧導絳湊盞鼻骯魷蚯霸誦兄鋇絪鱏落在徽跡琒范圍之內轉 杭偕璨捎彌貧鱸誦校撲懔諧翟誦興俁卻，到壞彌貧嗬胛!鱏。，在本文中假設列車此時在低速區間運行，當前的運行速度為呦匏儻猇。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；當列車運行的速度工況選擇策略表工況轉換表 列車自動駕駛方案優化及仿真研究列車自動駕駛系統應該具有的性能指標主要包括：高效性、準時性、停車精度、舒適性、節能等。在這些性能目標中，高效性可以在實現列車自動駕駛中在通過能力等方面體現；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，這里不作詳細的敘述。本文將對列車的節能性、運行的準時性、列車停站精度等方面加以描述。其中：正，杉，琗，琭，丁形一每個子區間所運行的目標速度 通過以上分析得知，節能的優化目標由兩部分組成：一部分是各個子區間的優化；本文設計如下啟發式定時算法：焊諧檔淖茉誦惺狽諸； 列車自動駕駛方案優化及仿真研究，。”應豳圖列車自動運行軟件模塊設計示意圖 的程序設計語言，具有豐富的數據類型和結構化程序設計結構，其代碼結構清晰、簡捷易懂。同時具有強大的數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文件訪問以及完善的運行出錯處理機制等。 列車自動駕駛方案優化及仿真研究軟件的主體框架介紹及模型程序設計圖列車自動駕駛軟件主界面 表線路數據“；二。“；：。一！籭為了方便程序的設計，將線路數據劃分為五個子區間，區間劃分表的劃分依據是根表區間劃分表。、。，、 列車自動駕駛方案優化及仿真研究；，弱箋鬻簿穢”棼。”一。，篿”薯“譬。，：竹，霧繁刈蹋籭，：瘴毓爵套。，謄艚，一早，十圖線路縱斷面圖表適應站臺高度最高運行速度最高試驗速度 列車自動駕駛方案優化及仿真研究表單質點與多質點的線路數據一弧簀粒瑃當疊鼉鼉吐砧薯琠 ，。協、， 墨千一寺卜圖是通過軟件設計的單質點模型與多質點模型比較自動駕駛算法實現模塊由六個子模塊組成：目標曲線模塊、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、節能算法、準確停站算法等。通過上述算法的設計，將計算出列車運行的猄曲線圖，以及列車的停戰精度、列車的運行時分精度和列車運行總能耗。如圖，所示為本文設計的自動駕駛運行結果圖： 列車自動駕駛方案優化及仿真研究。灰弧鎗乏。，鼉潮毒漳螺翳攄玻灰籵。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化及仿真研究列車自動運行模式列車手動駕駛模式列車運行距離列車運行時分列車終點速度列車累計能耗 力，其中包括列車的啟動牽引力、列車的制動力、列車運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站 參考文獻，：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報，。，國資委網站中國通號城軌列車自動運行系統通過技術審查畇，崔世文，馮曉云列車優化操縱與自動駕駛模式的研究與仿真闌盜荊 樊金生經典編程齕北京：光明日報出版社， 點模型循環程序料料料料料料 訡綾，匕癿 列車自動駕駛方案優化及仿真研究定義列車的初速度定義列車運行上一時刻總定義列車運行當前時刻總定義列車運行上一時刻總定義列車運行當前時刻總定義列車運行的循環變量木木木爿肱耄琁棗宰宰串宰宰幸棗木木幸宰掌串串水木多質點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 表示列車運行單位基本阻力表示列車運行的距離表示列車的長度表示列車運行