基于在线计算方式的车载ATO运行模式曲线优化模型研究

论文摘要

车载ATO (Automatic Train Operation)是实现列车自动运行的核心设备之一,属于现代的列控设备,是轨道交通智能化的表现。自动调速功能是车载ATO最为核心的功能之一,通常由运行模式曲线计算模块和速度自动控制模块共同实现列车的自动运行功能。运行模式曲线计算模块根据计划运行时间和计划运行路径,综合考虑准点、精确停车、节能、舒适性、线路状况、列车性能等条件,计算列车的最佳运行轨迹。速度自动控制模块以该运行轨迹为目标,控制列车运行。运行模式曲线计算方式可分为在线计算方式和离线计算方式。在线计算方式能实时获取列车运行过程中的各种信息,及时做出有利调整,提高了车载ATO的适应性能力。基于在线计算方式的ATO运行模式曲线优化模型是一个高实时性的多目标优化问题。本文分析和总结了现有的多目标优化算法,在动态规划最优性原理的基础上,以时间为依据进行阶段划分,将运行曲线划分为若干相互关联的阶段,在每个阶段采用多目标层次决策的思路计算最优解,实现ATO运行模式曲线的优化。论文的主要研究内容如下：1.根据列车运行控制和优化目标的特点,建立了列车运行控制的数学模型体系。该数学模型体系包括了列车运动学优化模型、控制目标计算模型、控制目标评价模型、列车状态转移模型等。2.针对ATO运行模式曲线优化问题中,主、客观权值存在的不足,提出基于主观权值、局部客观权值以及全局客观权值的ATO控制目标权值计算和权值组合计算模型。将ATO控制目标的客观权值分为局部客观权值和全局客观权值,实现了对不同阶段客观因素对阶段性能指标和整体性能指标影响的描述。同时,可通过改变主观权值、局部客观权值和全局客观权值的权值组合方案,计算满足不同决策目的的决策权值,从而直接影响多目标决策的结果,达到预定的优化目的。3.针对准点、精确停车、节能以及舒适性目标优化的特点,提出ATO多目标层次决策思路,将多目标决策分为两层。第一层多目标决策只对节能和舒适性目标进行优化,使得节能和舒适性指标达到最优；第二层多目标决策对准点、精确停车、节能和舒适性目标进行优化,通过牺牲节能和舒适性指标,使得准点和精确停车指标满足约束条件。论文提出的多目标层次决策中的两层多目标决策之间彼此相互独立,其本质是在进行所有目标优化之前先对节能和舒适性目标进行优化,判断优化结果是否仍能满足准点和精确停车约束条件,从而在不影响准点和精确停车指标的前提下,实现最大化提升节能和舒适性指标的目的。4.基于在线计算方式的ATO运行模式曲线计算是一个具有高实时性、多目标、控制对象非线性、且复杂多变的外界条件对控制目标的影响显著等特点的多目标优化问题。本文以列车运行控制的数学模型体系为基础,采用多目标层次决策优化思路,提出了基于在线计算方式的ATO运行模式曲线计算模型。通过实验仿真证明,本文建立的ATO运行模式曲线计算模型在实时性和多目标优化方面都能满足了车载ATO自动调速功能的需求,对于该领域的技术进步具有一定的积极意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 运行模式曲线算法综述
• 1.3.1 运行模式曲线分析
• 1.3.2 在线计算方式关键技术
• 1.4 多目标优化算法综述
• 1.4.1 多目标优化算法的研究内容
• 1.4.2 确定性优化算法综述
• 1.4.3 随机性优化算法综述
• 1.5 本文的主要研究内容与创新点
• 1.5.1 论文主要内容
• 1.5.2 论文创新性
• 1.6 论文结构与章节安排
• 第2章 列车运行控制计算研究
• 2.1 列车运动学模型优化
• 2.1.1 列车走行距离优化计算
• 2.1.2 列车运行时间优化计算
• 2.1.3 列车运行速度优化计算
• 2.2 列车运行控制状态研究
• 2.2.1 列车运行控制状态计算方法
• 2.2.2 列车运行控制状态转移原则
• 2.3 本章小结
• 第3章 车载ATO控制目标算法
• 3.1 ATO准点目标算法研究
• 3.1.1 列车最小运行时间计算
• 3.1.2 基于巡航策略的准点运行算法
• 3.2 ATO乘客舒适性算法研究
• 3.2.1 乘客舒适性计算
• 3.2.2 乘客舒适性评价标准
• 3.3 ATO节能算法研究
• 3.3.1 节能策略研究
• 3.3.2 基于准点目标的节能算法
• 3.4 精确停车算法研究
• 3.4.1 精确停车策略研究
• 3.4.2 精确停车算法
• 3.5 本章小结
• 第4章 车载ATO运行模式曲线计算模型研究
• 4.1 ATO运行模式曲线优化问题分析
• 4.2 ATO控制目标分析
• 4.2.1 ATO控制目标性能评价
• 4.2.2 ATO控制目标特性分析
• 4.3 ATO运行模式曲线计算模型概述
• 4.4 ATO控制目标权值计算模型
• 4.4.1 ATO主观权值计算模型
• 4.4.2 ATO客观权值计算模型
• 4.5 ATO控制策略模型
• 4.5.1 控制策略
• 4.5.2 ATO控制策略模型
• 4.6 ATO初始解空间计算模型
• 4.6.1 初始解空间计算模型
• 4.6.2 剩余初始解空间调整计算模型
• 4.7 ATO层次决策模型
• 4.7.1 ATO多目标第一层决策计算模型
• 4.7.2 ATO初步最优解判定模型
• 4.7.3 ATO多目标第二层决策计算模型
• 4.8 算法复杂度分析
• 4.9 本章小结
• 第5章 车载ATO运行模式曲线模型验证与仿真
• 5.1 ATO运行模式曲线模型验证
• 5.2 ATO运行模式曲线软件设计
• 5.2.1 车载ATO软件设计
• 5.2.2 车载ATO应用软件安全性、可靠性设计
• 5.2.3 车载ATO仿真测试平台设计
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 论文的主要成果
• 6.2 论文的主要工作
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果