城市軌道交通列車(chē)節(jié)能優(yōu)化駕駛研究.pdf

1、城市軌道交通系統(tǒng)以其運(yùn)量大、安全、速達(dá)、舒適的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為城市公共交通的主要組成部分。據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)信息，至2012年8月底我國(guó)內(nèi)地已有北京、上海、天津等15個(gè)城市累計(jì)開(kāi)通了63條城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路，總運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到1777公里。城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)量龐大，隨之而來(lái)的是巨大的能量消耗。如何減少城市軌道交通系統(tǒng)的能耗已經(jīng)成為保持城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展亟待解決的問(wèn)題。
　　本文研究了城市軌道交通列車(chē)在兩站之間的節(jié)能優(yōu)化駕駛問(wèn)題

2、。首先通過(guò)極大值原理分析了列車(chē)在各種坡道上可能的運(yùn)行狀態(tài)，以及節(jié)能駕駛控制模式切換次數(shù)的上限，然后提出了節(jié)能駕駛軌跡分析方法來(lái)分析列車(chē)的節(jié)能駕駛控制模式的切換順序，進(jìn)而提出一般節(jié)能駕駛控制序列以及一般節(jié)能駕駛運(yùn)行狀態(tài)序列，最后在此基礎(chǔ)上研究了新的單車(chē)節(jié)能優(yōu)化駕駛方法和兩車(chē)追蹤節(jié)能優(yōu)化駕駛方法。本文基于對(duì)列車(chē)節(jié)能駕駛軌跡的分析提出了節(jié)能駕駛軌跡優(yōu)化方法，其中每個(gè)坡道上的節(jié)能駕駛軌跡最多通過(guò)4個(gè)決策變量就可以確定。鑒于城市軌道交通系統(tǒng)線路不

3、長(zhǎng)，坡道個(gè)數(shù)有限，所以建立的優(yōu)化模型屬于小規(guī)模非線性規(guī)劃問(wèn)題，非常適合采用序列二次規(guī)劃方法進(jìn)行快速求解。仿真算例表明本文提出的方法能夠快速的生成節(jié)能駕駛曲線，在保證運(yùn)行時(shí)間的情況下節(jié)約能耗。所以本文提出的方法即適用于列車(chē)節(jié)能駕駛曲線的離線規(guī)劃，也適用于列車(chē)節(jié)能駕駛曲線的在線更新。
　　本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)如下:
　　1.針對(duì)節(jié)能駕駛控制模式轉(zhuǎn)換次數(shù)不明確的問(wèn)題，基于極大值原理證明了列車(chē)在每一段坡度恒定的線路上節(jié)能駕駛時(shí)，節(jié)能控制

4、模式切換次數(shù)的上限。同時(shí)得出了列車(chē)在某些坡道上不可能出現(xiàn)的節(jié)能駕駛模式。
　　2.針對(duì)極大值原理難以確定列車(chē)節(jié)能駕駛控制序列的問(wèn)題，提出了一種基于幾何分析的列車(chē)節(jié)能駕駛軌跡分析方法來(lái)分析列車(chē)的節(jié)能駕駛控制序列。軌跡分析方法中，針對(duì)不同的坡道提出了新的能耗模型，其中能耗的大小只與一個(gè)變量相關(guān)，所以可以方便的判斷這個(gè)坡道上的最優(yōu)節(jié)能駕駛軌跡及其相對(duì)應(yīng)的控制模式，進(jìn)而得到節(jié)能駕駛控制序列。采用這種方法得到的節(jié)能駕駛控制序列符合前人通過(guò)極

5、大值原理得到的節(jié)能控制模式轉(zhuǎn)換規(guī)律，體現(xiàn)了軌跡分析方法的可行性。
　　3.針對(duì)節(jié)能駕駛運(yùn)行狀態(tài)沒(méi)有統(tǒng)一描述的問(wèn)題，提出了一般節(jié)能駕駛控制序列及一般節(jié)能駕駛運(yùn)行狀態(tài)序列。通過(guò)軌跡分析的方法，詳細(xì)分析了列車(chē)在各個(gè)子區(qū)段內(nèi)的節(jié)能駕駛過(guò)程，得出了列車(chē)在每個(gè)子區(qū)段內(nèi)的節(jié)能駕駛控制序列及其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)，深入揭示了節(jié)能駕駛控制序列和運(yùn)行狀態(tài)變化的規(guī)律，并將他們描述為一個(gè)一般的形式。一般節(jié)能駕駛控制序列式由5種節(jié)能控制模式按順序組成，一般節(jié)能駕

6、駛運(yùn)行狀態(tài)序列由2種運(yùn)行狀態(tài)（變速、勻速）按順序組成。
　　4.針對(duì)單車(chē)節(jié)能優(yōu)化駕駛曲線難于的在線更新的問(wèn)題，提出了新的城市軌道交通單車(chē)節(jié)能優(yōu)化駕駛方法。將運(yùn)行區(qū)間分為若干典型的子區(qū)間，根據(jù)一般節(jié)能優(yōu)化駕駛控制序列和運(yùn)行狀態(tài)，考慮運(yùn)行時(shí)間和距離等約束，將列車(chē)節(jié)能優(yōu)化駕駛問(wèn)題建模為小規(guī)模非線性規(guī)劃問(wèn)題。最后采用序列二次規(guī)劃方法進(jìn)行快速求解，不僅適用于列車(chē)節(jié)能駕駛曲線的離線規(guī)劃，而且適用于列車(chē)在線調(diào)整，使列車(chē)減少能耗，并準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)。

7、r>　　5.針對(duì)兩車(chē)在站間追蹤過(guò)程中節(jié)能駕駛問(wèn)題不明確的問(wèn)題，將前車(chē)的運(yùn)行信息考慮到后車(chē)的節(jié)能駕駛中來(lái)，深入分析了移動(dòng)閉塞條件下兩車(chē)追蹤的動(dòng)態(tài)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了追蹤運(yùn)行的節(jié)能優(yōu)化駕駛空間，提出了兩車(chē)追蹤運(yùn)行情況下的節(jié)能駕駛場(chǎng)景。
　　6.針對(duì)兩車(chē)在站間追蹤運(yùn)行時(shí)，后車(chē)不能在保證運(yùn)行時(shí)間的情況下節(jié)約能耗的問(wèn)題，提出了新的城市軌道交通列車(chē)追蹤節(jié)能優(yōu)化駕駛方法。根據(jù)兩車(chē)追蹤節(jié)能駕駛場(chǎng)景，提出后車(chē)追蹤前車(chē)節(jié)能優(yōu)化駕駛的過(guò)程就是在這幾個(gè)場(chǎng)景中不斷