模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在駝峰機(jī)車推峰速度控制中的應(yīng)用*

何 霄

(中鐵二院西北勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司站后綜合處，甘肅蘭州 730000)

0 引言

當(dāng)前，自動(dòng)化駝峰已經(jīng)形成了推峰機(jī)車無(wú)線遙控、車組溜放速度自動(dòng)控制的自動(dòng)化控制能力，可以傳遞和共享信息的CIPS系統(tǒng)，極大提高了編組站的解體編組效率。雖然對(duì)推峰機(jī)車的控制已經(jīng)達(dá)到不用司機(jī)在駕駛室操作的水平，但該控制方式下，機(jī)車推峰速度的大小仍然憑人的經(jīng)驗(yàn)判斷，無(wú)法保證當(dāng)前推峰速度即為最優(yōu)速度，而且推峰過(guò)程中包含多個(gè)復(fù)雜的變量，對(duì)速度的計(jì)算容易受到鉤車長(zhǎng)度、重量，峰頂與駝峰尾部距離及與前行鉤車的距離等因素的影響。論文在考慮到諸多因素后，提出用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能算法［1－2］，通過(guò)建立合理的網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)實(shí)現(xiàn)推峰機(jī)車速度的精確控制，利用模糊控制理論魯棒性和容錯(cuò)能力強(qiáng)的特點(diǎn)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的能力，得到最優(yōu)的速度控制模型。

1 影響機(jī)車推峰速度的因素

1．1 前后兩鉤車摘鉤點(diǎn)的距離差值

即前行鉤車完成摘鉤作業(yè)的地點(diǎn)與當(dāng)前鉤車摘鉤地點(diǎn)在距離上的差值。在車組溜放過(guò)程中，相鄰鉤車之間須保持一定距離的安全間隔，以免溜放車組因分路道岔轉(zhuǎn)換不及時(shí)而造成車輛掉道或擠壞道岔的現(xiàn)象。根據(jù)運(yùn)動(dòng)物體速度與距離的關(guān)系，若正在溜放的鉤車與峰頂即將提鉤的構(gòu)成間距越大，則應(yīng)適當(dāng)加快機(jī)車推峰速度，有利于提高作業(yè)效率;反之則減小推峰速度，避免速度過(guò)快導(dǎo)致溜放途中兩鉤車碰撞［3］。對(duì)于相同作業(yè)計(jì)劃，其車組數(shù)量和長(zhǎng)度是固定不變的，所以決定相鄰溜放車組間距的因素為不同的摘鉤地點(diǎn)的選取。

1．2 溜放車組走行性能引起的時(shí)間差異

進(jìn)行溜放作業(yè)的鉤車可根據(jù)走行性能的不同分為難行車(一般為輕車或空車，產(chǎn)生的重力加速度較小)和易行車(一般為重車，產(chǎn)生的重力加速度較大)，確定機(jī)車推峰速度時(shí)，相鄰鉤車走行性能的大小決定機(jī)車推峰速度的變化。若前車是難行車，后車是易行車，則推峰速度就應(yīng)適當(dāng)減小;若前車易行后車難行，要適當(dāng)提高推峰速度。假設(shè)給機(jī)車恒定的推峰速度V，則相鄰鉤車通過(guò)峰頂?shù)臅r(shí)間差t應(yīng)滿足:

式中:l為車組長(zhǎng)度。

1．3 前行鉤車的速度

如果相鄰兩車組溜放過(guò)程的時(shí)間差最短，則此時(shí)機(jī)車達(dá)到最優(yōu)推峰速度。如果前行車組速度越大，則推峰速度應(yīng)適度增大，保證當(dāng)前車組以合理的速度進(jìn)入溜放坡，提高解體作業(yè)效率。

1．4 前行車組所經(jīng)過(guò)的分路道岔位置到峰頂?shù)木嚯x

如果該距離較大，相鄰車組共同走行的距離將隨之增大，應(yīng)該及時(shí)降低推峰速度，使當(dāng)前車組與前行車組保持安全間隔距離，確保當(dāng)前車組在分路道岔轉(zhuǎn)到位之前到達(dá)相應(yīng)道岔。

2 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推峰速度控制模型

2．1 對(duì)所輸入變量模糊化處理

(1)前后兩鉤車摘鉤點(diǎn)的距離差值模糊化處理。如果前行鉤車中車輛數(shù)較多(有可能整車溜放)，當(dāng)前鉤車的車輛數(shù)最少為1，則摘鉤點(diǎn)距離的差值論域可定為［0，100］，同時(shí)賦予5個(gè)語(yǔ)言變量值很小(VS)、小(S)、中(M)、大(B)，很大(VB)，可得到各語(yǔ)言的隸屬函數(shù)如式(2)所示:

(2)溜放車組走行性能引起的時(shí)間差異的模糊化處理。考慮到溜放過(guò)程的特殊情況，可能存在相鄰鉤車的車輛數(shù)相差很多的現(xiàn)象，時(shí)間差=L(幾乎等于帶解車組長(zhǎng)度)/V(平均速度)，應(yīng)該相差30 s，所以取論域?yàn)椋郏?5，15］，賦予 3個(gè)語(yǔ)言變量小(S)、中(M)、大(B)，隸屬函數(shù)如式(3)所示:

(3)前行鉤車速度的模糊化處理。調(diào)機(jī)推峰速度按規(guī)定不能超過(guò)15 km/h，正常情況下最低為3 km/h，論域?yàn)椋?，15］，賦予5 個(gè)語(yǔ)言變量值VS、S、M、B，VB，隸屬函數(shù)如式(4)所示:

(4)前行車組所經(jīng)過(guò)的分路道岔位置到峰頂?shù)木嚯x的模糊化處理。編組站溜放坡的第一分路道岔距峰頂?shù)木嚯x不少于30 m，最后一個(gè)分路道岔距峰頂一般不超過(guò)150 m，所以距離的論域?yàn)椋?0，150］，賦予3個(gè)語(yǔ)言變量S、M、B，隸屬函數(shù)如式(5)所示:

2．2 建立模型

根據(jù)模糊系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模型，設(shè)計(jì)了控制駝峰推峰速度的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。此模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器為四輸入單輸出系統(tǒng)，輸入為影響機(jī)車推峰速度的因素，X表示前后兩鉤車摘鉤地點(diǎn)的距離差值、U表示前行車組推峰速度、T表示溜放車組走行性能差異、L表示前行車組所經(jīng)過(guò)的分路道岔位置到峰頂?shù)木嚯x。如圖1所示。

圖1 推峰速度模型

3 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法

采用誤差反向傳播的迭代算法［4］。為此對(duì)每個(gè)神經(jīng)元的輸入輸出關(guān)系加以形式化描述。推峰速度的誤差函數(shù)定義為:

式中:Vc是實(shí)際計(jì)算輸出，V0是樣本。

學(xué)習(xí)目標(biāo)就是使E小于預(yù)定義的誤差。設(shè)取誤差代價(jià)函數(shù)為:

可以得出參數(shù)調(diào)整的學(xué)習(xí)算法為:

4 仿真過(guò)程

從編組站CIPS系統(tǒng)中得到原始數(shù)據(jù)組，這里只需要實(shí)際股道、實(shí)際輛數(shù)、實(shí)際重量、給定推峰速度、實(shí)際推峰速度五類數(shù)據(jù)，從中取490組數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本訓(xùn)練，10組作為測(cè)試樣本與仿真結(jié)果對(duì)比，用對(duì)比結(jié)果說(shuō)明仿真的準(zhǔn)確性［5］。取0．001為誤差平方和，經(jīng)過(guò)485次訓(xùn)練之后達(dá)到要求。如圖2為訓(xùn)練過(guò)程圖，表1為訓(xùn)練后部分參數(shù)表:

圖2 訓(xùn)練過(guò)程圖

表1 訓(xùn)練后部分參數(shù)表

將10組測(cè)試數(shù)據(jù)作為輸入信息，經(jīng)仿真后的輸出結(jié)果與測(cè)試樣本結(jié)果相比較，得到圖3的結(jié)果。*表示模擬速度，曲線為樣本速度，從圖中可以看出，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的機(jī)車推峰速度模型與機(jī)車實(shí)際推峰速度基本相似，因此證明論文利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)車推峰速度是可行的。

圖3 測(cè)試圖

在驗(yàn)證了用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)車推峰速度的可行性后，選取某一段時(shí)間機(jī)車運(yùn)行速度曲線作為參照，與模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的速度進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)一步驗(yàn)證模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制推峰速度的可靠性。在編組站作業(yè)計(jì)劃中任選兩鉤計(jì)劃，第一鉤車從峰頂?shù)今劮逦膊窟\(yùn)行時(shí)間為3～25 s，另一個(gè)鉤車的運(yùn)行時(shí)間為25～43 s，模型的時(shí)間周期設(shè)定為2 s，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算機(jī)車運(yùn)行速度。如圖4為模擬速度與實(shí)際運(yùn)行速度的對(duì)比

圖4 模擬速度與實(shí)際速度對(duì)比

圖4 中連續(xù)的曲線為機(jī)車實(shí)際運(yùn)行速度，*表示用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算出的模擬速度。從圖中可以看出，模擬速度與實(shí)際運(yùn)行速度相差甚小。另外，人工控制機(jī)車速度的過(guò)程完全憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，會(huì)出現(xiàn)在某一動(dòng)及旋轉(zhuǎn)的載荷下加工的。可以借助于軟件對(duì)其加工過(guò)程中的振動(dòng)情況進(jìn)行仿真和分析，從而可以對(duì)振動(dòng)幅度進(jìn)行有效地減小。另外，中心孔是定位、校驗(yàn)軸類零件的基準(zhǔn)，無(wú)論是中心孔的深度，還是其錐度的大小、兩端之間的同軸度都對(duì)加工軸類零件有著很大的影響，這也是今后在對(duì)細(xì)長(zhǎng)軸加工精度提高時(shí)所需要考慮和解決的重要問(wèn)題之一。

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