基于离散控制复杂线路的列车节能操纵机理与方法研究 --基于超级坡道、周期制动和解析-遗传混合智能算法

Researching on discrete controlled train energy-efficient operation mechanism and method on complex railway assembled by super ramps and limit speeds has important significance because of little research in the field. According to diesel locomotive structure characters and operation requirements, consideration of line complexity from super long and steep ramp and speed limits, and periodic braking, a discrete controlled train energy-efficient control model will be constructed. The optimal energy saving strategy will be demonstrated by the optimal control theory and the extreme value theory. The change rules of various parameters and variables will be discussed, boundary condition will be defined, and optimal switching location and time will be analyzed. Then discrete controlled train energy-efficient operation mechanism will be revealed. A mathematical analytical method of train energy saving operation will be proposed after deep analysis on interaction between train speed limit, periodic braking and the optimal type. According to the mathematical analytical method, the intermediate results of the optimal strategy will be brought out. This intermediate result can be built chromosome in genetic algorithm. At last, an adaptive intelligent algorithm mixed by mathematical analytical method and variable chromosomes length genetic algorithm will be proposed. This study will provide a new idea and reference for discrete controlled train energy-efficient operation problem on a real railway.

鉴于离散控制型列车节能操纵研究的滞后现状，研究以内燃牵引为代表的超级坡道与限速复杂组合线路条件下，列车节能操纵机理与方法具有重要意义。课题组根据内燃机车的控制级位与操纵要求，在考虑超级坡道和复杂限速的基础上，构造基于周期制动的离散型列车节能操纵模型；然后运用最优控制理论、庞氏极值理论等，分析列车节能操纵最优策略构成，划分边界条件，明确伴随参变量的变化规律，论证最优工况的切换时机，从而揭示出离散控制列车节能操纵的机理；以列车运行时间为主变量，在充分分析限速、制动周期、最优型相互作用的基础上，构建列车节能操纵的解析方法；最后以解析法为基础，确定最优策略的中间结果，形成遗传算法编码方案，以工况切换点的参数设计染色体结构，构造新型自适应变长度染色体解析-遗传混合智能算法。这一研究将为离散控制型列车节能操纵问题提供新的思路和借鉴。

经过3年的研究，《基于离散控制复杂线路的列车节能操纵机理与方法研究》项目组在受到前所未有的疫情影响下，顺利完成了预定研究目标。.项目组根据项目设计的研究路线，在复杂线路条件下离散型列车节能操纵模型、离散型列车节能操纵机理、离散控制型列车节能操纵的数学解析算法、基于局部最优连接的列车节能操纵模型新算法和列车节能操纵模型的仿真分析等方面进行了深入的研究，得到了下列研究成果：提出了山区复杂线路条件下，内燃机车节能操纵的基本方法；阐明了复杂线路下列车节能操纵的机理；在考虑陡上坡、陡下坡、长大下坡、上限速、下限速及组合限速组合约束条件下，构造了复杂线路条件下离散控制型列车节能操纵模型；基于拉格朗日乘子法和库恩塔克条件，推导了复杂限速下列车节能操纵最优解的必要条件，论证了列车以最优速度连接的模式通过陡坡段在离散控制模型中的适用性，提出了离散控制列车在复杂线路和复杂限速组合下的节能操纵计算的基本解析方法；在基本算法基础上，以复杂线路中的陡坡段为核心，将列车通过陡坡段的节能运行曲线作为新的边界条件，提出了基于最优连接模式的复杂线路下离散控制列车节能操纵优化的新算法。.除了上述理论研究成果之外，项目组基于研究，发表了学术论文12篇，出版了专著2部。获批了1项发明专利；培养了10名硕士研究生，其中毕业6人，3人攻读了博士。团队成员参加了第六届国际交通运输工程会议、世界交通运输大会、第九届国际铁路运营管理会议等国际知名学术会议4次，举办国内学术讲座3次。在发表论文、出版专著、人才培养等方面超额完成了目标。.受到疫情影响，项目在现场调研、学术交流和经费使用方面有一定不足，部分经费还没有用完。随着疫情的减弱和后续研究，将在专著出版、论文发表、人才培养以及经费使用上完成和超出预期的目标。.