[00120340]城市轨道交通车辆节能优化操纵系统研究

课题来源于：南宁市科学研究与技术开发计项目,合同编号：20151021。 本课题针对目前国内列车运行节能优化操纵研究中出现的问题,研究并开发了城市轨道交通车辆节能优化操纵系统,确保城市轨道交通车辆在安全、平稳运行的前提下,最大限度的节约能源;基于列车优化控制原理,实现了对城市轨道交通车辆运行速度、能耗变化的实时监测、智能寻找最节能运行模式的功能。综合考虑坡道、弯道复合组成的复杂线路,计算并建立了城市轨道交通车辆最优能耗模型;基于矩阵离散法的列车运行能耗计算方法,完善了列车自动驾驶控制模式;设计了基于矩阵离散法的城市轨道交通车辆节能优化操纵智能指导系统。本课题的技术原理：从数学推理、逻辑分析、数值仿真、实验验证和工程应用等方面开展城市轨道交通车辆节能优化操纵系统研究。首先,通过分析列车复杂线路情况下运行的特点与不确定参数,探索并建立城市轨道交通列车实际运行环境时不同路况信息下的能耗模型、再生制动能量模型、单列车优化控制与多车协同利用再生制动能量模型、多车协同行车调度模型。其次,以建立的列车能耗模型和行车调度模型为基础,探索基于矩阵离散算法的列车单列车节能优化控制、多车协同利用再生能量和行车调度的时刻表建模计算方法,引入基于粒子群算法中的组合计算与矩阵微积分对列车运行线路分段隔离分析的思想,以提高算法精确度和增强全局寻优能力,进而建立城市轨道交通列车最优能耗模型和最优控制方法,构建单列车节能优化控制与多车协同利用再生能量的列车行车调度的时刻表,从而实现最大限度节能列车运行能耗的目标。仿真实验验证方面,以基于以太网的列车通信网络为基础,提高车载网络和司机室控制系统间信息传递的准确性和可靠性,实现列车运行参数、能耗变化、再生能耗利用率的实时监测、反馈与评估,确保列车运行的安全性和舒适度。系统主要性能指标：主处理器采用ARM内核,800M Hz以上主频,采用嵌入式Linux操作系统,2GB内存;采用容量为4 GB的Nand Flash,以先进先出的方式存储记录数据;以太网通信速率为100Mbps,支持自适应模式,支持全半双工模式;CPU最大负荷率不超过70%;前面板支持8路10/100M快速以太网接口;1路FDD-LTE接口,向下兼容CDMA 2000、WCDMA、GSM通信;1路WIFI通信接口,兼容802.11b/g/n标准;功耗小于75W。 本课题的主要创新点： （1）建立了复杂线路情况下的城市轨道交通列车运行能耗模型,确定不同运行控制序列的组合方法,能够高效地指导列车节能运行,克服现有列车节能优化控制模式不足的局限,为城市轨道交通列车节能优化控制分析提供重要手段。 （2）提出了基于量子粒子群寻优算法的组合计算和矩阵、微积分分段隔离分析城市轨道交通列车运行线路的思想,以提高算法计算精确度和增强全局寻优能力,为城市轨道交通列车节能优化控制的求解提供方法。 （3）建立了城市轨道交通列车再生制动能量回收利用模型,以多列车协同利用再生制动能量为基础构建列车行车调度模型,为城市轨道交通节能优化与行车调度综合控制研究提供了一种新思路和方法。 （4）本项目研究成果直接服务于城市轨道交通列车牵引控制与行车调度,应用于列车的牵引传动与信息控制系统。 现有的降低列车牵引能耗的措施主要包括：地铁车体轻量化、优化车体外形或者改造轨道线路以降低列车阻力、列车的优化操纵等。其中,重点研究的方法为地铁列车的优化操纵,其倍受广大专家学者的关注。通过研究地铁列车的优化操纵,优化列车的驾驶策略,并相应调整发车间隔和停站时间等要素,寻找出列车最佳的优化操纵曲线,达到降低牵引能耗、节约运行成本的目的。以北京地铁为例,截止2016年底,共有19条线路开通运营,全年的电费支出多达40亿元,耗电量十分可观。根据城市轨道交通行业统计资料显示,2014年,全国城市轨道交通运营线路总耗电量约为94亿kWh,占全国全年各行业总用电量的1.7‰。若采用节能优化方法优化列车驾驶策略,并进一步将该方法推广到全国各城市轨道交通线路中,则会大幅降低全国城市轨道交通的电能消耗。 因此,开展列车节能方法的研究及节能技术的科研攻关,进而将新方法、新技术移植到列车自动驾驶系统中,可以减少地铁的能量消耗,从而大幅降低其运营成本,对实现城市轨道交通的健康绿色发展起到至关重要的作用。