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原文传递面向节能的高速列车速度自动控制优化方法研究

论文题名：	面向节能的高速列车速度自动控制优化方法研究
关键词：	高速列车;运行速度;在线规划;跟踪控制;节能技术
摘要：	作为最具可持续性的交通运输模式，轨道交通是国民经济大动脉、大众化交通工具和现代城市运行的骨架，是国家关键基础设施和重要基础产业，对我国经济社会发展、民生改善和国家安全起着不可替代的全局性支撑作用。高速铁路也以其快捷、便利、舒适等优点逐渐成为民众出行的首要选择之一。尽管相比于公路、水路及航空等传统运输方式，高速铁路运输系统环境效益更好，然而随着我国经济和城市化发展步伐的加快，铁路电气化牵引负荷作为为数不多的直接接入高压电网的大宗用户之一，仍然是我国能源消耗相对较大的部门单位之一。随着全球能源问题的日益凸显，铁路系统带来的能源消耗将逐渐成为制约其实现可持续发展的关键因素。列车速度自动控制技术可以有效提高列车运营效率，并在保证运行安全、准点、舒适的条件下对运行能耗进行优化，因此成为高速列车运行控制领域的热点研究问题之一。　　本文立足于高速列车实际运行环境特点，对包含不确定参数特征的列车动力学模型及相应的运动状态估计策略进行研究，建立一种能够同时满足高速列车运行速度轨迹在线规划与跟踪控制的运动状态估计及动力学模型更新策略，在此基础上形成高速列车速度一体化节能控制系统模型，并进一步将单车一体化速度自动控制模型拓展至多车追踪运行控制层面，研究多列车的节能追踪运行控制协同优化方法。基于论文的研究工作，主要取得了以下创新成果：　　(1)提出了面向速度自动控制应用的高速列车运动状态估计算法，利用Hammerstein模型对具有非仿射特性、内外部结构复杂的多质点高速动车组运动学模型进行描述，结合联邦滤波器思想建立了可为高速列车运行速度轨迹在线规划与跟踪控制提供层次化状态预测模型的运动状态估计框架，解决了传统运动状态估计策略难以有效应用于列车速度自动控制的问题。　　(2)提出了基于状态预测的高速列车运行速度轨迹在线滚动规划算法，利用列车运动状态估计策略对单质点状态预测模型进行更新并应用于在线滚动规划过程中，同时基于列车实时运行状态建立了在线规划目标函数权值的动态分配机制，充分利用冗余运行时间降低运行能耗，进一步提高了列车运行速度轨迹规划的灵活性与节能水平，解决了离线运行速度轨迹规划方式无法完全适应外部动态环境变化的问题。　　(3)提出了基于混合动力学模型的列车速度一体化节能控制算法，突破传统研究方式中将运行速度轨迹规划与跟踪控制相互独立的问题，通过列车运动状态估计策略分别对运行速度轨迹规划层的单质点模型与跟踪层的多质点模型进行同步动态更新，实现了运行速度轨迹在线规划与跟踪控制过程的耦合，解决了离线规划方式中因模型参数与实际跟踪控制过程不一致导致规划目标难以实现的问题，进一步提高了高速列车运行节能控制水平。　　(4)提出了多列车速度自动控制的分布式追踪运行节能优化算法，将论文所提出的速度一体化自动控制模型拓展至多列车追踪运行速度控制，利用有向无环图描述列车追踪运行过程中的速度控制策略模型，并将位置估计的不确定性纳入列车速度控制模型中，基于部分可观马尔科夫决策理论建立了多列车速度自动控制分布式追踪运行节能优化模型，设计了相应的算法实现流程，有效降低了多列车的总体运行能耗。　　论文利用高速列车实际现场运行数据并结合仿真分析手段，验证了本文提出的相关模型算法的有效性，其成果可为我国高速列车自动运行控制系统的研发与设计提供较高的理论参考价值。
作者：	严细辉
专业：	交通信息工程及控制
导师：	宁滨;蔡伯根
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文