交通运输系统工程与信息格式

1路网中的列车节能操纵优化方法研究（宋体，二号，加粗，居中）付印平，高自友*，李克平（宋体，小四号，居中，各姓名间用逗号分隔）（北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京100044）（宋体，六号，居中，各项目间用逗号分隔）摘要：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。（楷体，五号，一般250字左右）关键词：铁路运输；列车节能操纵；遗传算法；列车；工况序列表；列车运行干扰（楷体，五号，请参照“投稿须知”中关键词确定原则）中图分类号：U268.6文献标识码：AAnOptimizationMethodofTrainSavingEnergyOperationinRailwayNetworkFUYin-ping，GAOZi-you，LIKe-ping（StateKeyLaboratoryofRailTrafficControlandSafety,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China）Abstract:Inrailwaynetwork,trainswhichmovethroughstationsmaybeinterferedbytrainsinotherlines,thispaperinvestigatestrainsavingenergyoperationininterferencecondition.Accordingtothemathematicaldescriptionoftheproblemandtrainkineticmovementequation,weproposeasavingenergyoptimizationmodel.Thenachangeablechromosomelengthgeneticalgorithmandtableofcontrolmodeslistareappliedtosolvetheproblem.Bysimulationcalculation,thespeed-positioncurveofinterferedtrainisgivenandcomparedwiththatoftrainwhichnormallymoves.Therelationshipofspeedandtimeisanalyzed.Somesavingenergyprinciplesarerevealedbyspeed-positioncurveandenergy-positioncurve.Atlast,thesimulationresultiscomparedwithresultswhichareobtainedbyothermethods.Thecomparisonshowsthechangeablechromosomelengthgeneticalgorithmisaneffectivemethodtoapplyintotrainsavingenergyoperation.Keywords:railwaytransportation;energysavingtrainoperation;geneticalgorithm;train;tableofcontrolmodeslist;trainrunningdisturbanceCLCnumber:U268.6Documentcode:A1引言（黑体，小四号，论文第一段一般固定为“1引言”）能源和交通是我国经济发展的基础。铁路部门能源消耗量很大，且在铁路运输成本中占有很大比重。列车节能操纵优化问题是在保证列车安全、准时的前提下，研究如何操纵列车收到日期：修回日期：录用日期：基金项目：国家自然科学基金（60634010，60776829）；长江学者和创新团队发展计划（IRT0605）作者简介：付印平（1973-），男，江西南丰人，博士生*通讯作者：[e-mail](如果第一作者为学生，通讯作者一般要求为其导师)2以使整个运行能耗最小。因此研究这个问题具有重要的理论意义和实用价值。关于列车节能操纵优化运行问题，目前国内外有较多研究。澳大利亚南澳大学的SCG研究所建立了列车节能控制的能耗模型，并在基于拉格朗日乘子法的求解算法上做了许多工作[1-2]。北京交通大学的丁勇等[3-4]探讨了定时约束条件下的列车节能优化操纵的模型和算法，并对机车工况转化与手柄位确定问题展开了重点研究，------------2问题描述与建模2.1受其他运行线列车干扰时的列车节能操纵优化问题（黑体，五号）本文研究的是具有固定运行时分，运行途中受其他运行线列车干扰时的列车节能操纵优化问题，即：列车从起点出发，初速度00v，运行距离S，到达终点停车，末速度0nv，列车运行时间为T。------------2.2列车运行动力学方程------根据列车的受力分析与牛顿力学定律，可以进行列车运行加速度a、速度v、位置s和能耗E的计算。计算公式为：（公式及相关公式符号用公式编辑器编辑，注意区分符号正斜体、大小写，及公式顺序编号）ca2（km/（h·min））(1)tavvii1（km/h）(2)06.02121tatvssiii（m）(3)EEEii1（kw·h）(4)式中iv为第i个时间步长的初速度，km/h；1iv为第1i个时间步长的初速度，km/h；t为时间步长，min，t取值越小系统计算精度越高；is为列车在第i个时间步长初的位置，------不同工况之间的转换不是任意的，必须满足一定的转换规则，如表1所示，其中○表示可以转换，●表示不可以转换。表1工况转换原则Table1controlmodeswitchprinciples(注意英文表头为Table)当前工况待转换工况牵引惰行制动牵引○○●惰行○○○制动●○○式中isV为列车在第i个时间步长，速度为iv，位置为is时的限速。3------3求解算法从上面的模型可以看出，列车节能操纵优化问题是一个非线性有约束的最优化问题。为方便求解，通常可利用惩罚函数的方法，把约束项加到目标函数中，将有约束问题转变成无约束问题进行求解。------4模拟计算与结果分析------当列车运行途中不受其他列车的干扰时，其速度距离曲线如图2所示。实际运行时间为24.9964min，实际运行距离19599.31m，能耗418.11kw·h。假设C点处为一车站，列车通过C站的时间为17.1125min。为简化计算，没有考虑空气制动时的空走时间以及车站和列车的长度。图2速度距离图Fig.2speedpositiondiagram(注意图英文为Fig.)------5结论（一般论文最后部分为结论）在路网条件下，列车在运行过程中，可能与路网中其他运行线上的列车产生冲突与干扰。本文研究了固定运行时分条件下，列车运行受其他线路上列车运行干扰时的节能操纵优化问题，采用了遗传算法结合工况序列表的方法，对受干扰情况下的列车运行进行了仿真。通过仿真结果，分析了列车运行时速度的变化情况，比较了有干扰和无干扰时列车的运行状况，揭示了列车节能操纵的一些原则，验证了算法的节能优化效果。参考文献（请按照格式要求，特别注意年、卷、期、页码的格式，以及中文参考文献条目翻译成英文时，中文作者名称翻译格式要求等。具体参见“投稿须知”）[1]ChengJX，HowlettPG.ApplicationofCriticalvelocitiestotheMinimisationoffuelconsumptioninthecontroloftrains[J].Automatic，1992，28：165-169[2]HowlettPG.OptimalStrategiesfortheControlofaTrain[J].Automatica，1996，32(4)：519-532.[3]丁勇.列车运行计算与操纵优化模拟系统的研究[D].北京交通大学博士学位论文，42004.[DINGY.Studyontrainmovementcalculationandoperationoptimizationsimulationsystem[D].BeijingJiaotongUniversity,2004][4]丁勇，毛保华，刘海东，等.定时约束条件下列车节能操纵的仿真算法研究[J].系统仿真学报，2004，16(10)：2241-2244.[DINGY,MAOBH,LIUHDetal.Analgorithmforenergy-efficienttrainoperationsimulationwithfixedrunningtime[J].Journalofsystemsimulation,2004,16(10):2241-2244.][5]金炜东，王自力，李崇维，等.列车节能操纵优化方法研究[J].铁道学报，1997，19(6)：58-62.[JINWD,WANGZL,LICWetal.Studyonoptimizationmethodoftrainoperationforsavingenergy[J].JournaloftheChinarailwaysociety,1997,19(6):58-62.][6]饶忠.列车牵引计算（第二版）[M].北京：中国铁道出版社，2002[RAOZ.Traintractioncalculation(thesecondedition)[M].Beijing:Chinarailwaypress,2002]------（顺序列出所有作者的简介）付印平（1973-），男，江西南丰人，北京交通大学交通运输学院博士研究生，主要研究方向为轨道交通流特性分析及控制理论与方法，E-mail：****，通讯地址：****，邮编：100044联系电话：****(手机)，****(固定电话)导师：高自友(1963-)，男，教授，博士生导师，单位：****，联系电话：****，E-mail：****李克平，职称/职位：****，单位：****，联系电话：****，E-mail：****