重載列車多目標優化操縱研究

田玉兵

【摘 要】按照重載列車運行特點來看，其整個列車在運行過程中，對于操縱控制是較為重要的一項控制工作，以多目標優化作為整個重載列車運行控制中的關鍵性研究要素，將整個重載列車運行中的多目標函數進行建模處理，分析模型中的構建條件，將其模型操縱優化和具體的列車運行控制要點結合，以此提升整個重載列車的運行控制能力。鑒于此，論文針對重載列車多目標優化操縱研究進行了分析，旨在研究中，能夠按照重載列車運行條件，將其整體的列車運行操縱條件明確，為機車司機行車控制提供依據。

【Abstract】According to the characteristics of the operation of heavy haul train， the operation and control is an important control task in the operation process of the whole train. We take the multi-objective optimization as the key research point in the operation control of the whole heavy haul train， and model the multi-objective function in the operation of the heavy haul train， analyze the construction conditions in the model， and combine the optimization of model operation with the key points of train operation control， thus to improve the operation control ability of the whole heavy haul train. In view of this， this paper analyzes the multi-objective optimal operation of the heavy haul train， the purpose of which is to clarify the overall operating conditions of trains according to the operation conditions of the heavy haul train， and to provide basis for the locomotive driver to carry on driving control.

【關鍵詞】重載列車;多目標;優化操縱

【Keywords】 heavy haul train; multi-objective; optimal operation

【中圖分類號】U268.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2018）10-0191-04

1 引言

隨著我國鐵路運輸建設發展越來越完善，針對重載列車運行控制研究也越來越重視，按照重載列車運行控制中的衡量標準來看，行車運行重量在萬噸以上的列車才能被稱之為重載運行列車。整個列車的運行中，司機只能按照操縱提示信息和自身的行車經驗作為整個列車控制中的關鍵性要素實施。在我國現有的鐵路線路建設中，錯綜復雜的鐵路線路建設使得整個重載列車的運行中對應的操縱控制出現了很多的隱患。因此，以多目標優化操縱作為整個重載列車運行中的安全性控制研究在整個鐵路運輸建設中就變得較為重要。本文針對重載列車進行多目標優化操縱研究，其意義在于按照現有鐵路運輸中的重載列車運行條件，及時地將整個列車運行控制中的優化操縱要點明確，為后續的行車操縱控制奠定基礎，提升重載列車運行安全控制能力。

2 重載列車多目標優化操縱模型構建

2.1模型構建假設

按照重載列車多目標優化操縱模型構建中的需求，在本文研究中特別進行了建模處理，整個建模過程中對模型進行了假設，整個假設如下：一是整個列車運行中，其對應的列車運行是受到牽引力控制和電制動力控制的，并且整個控制中動力支撐是連續的。在整個列車的運行控制中，其對應的列車控制能夠在手柄控制下，進行極位平滑牽引。二是整個列車運行中，其對應的列車牽引控制動力能夠發揮出的最大減壓量為70KPa[1]。

2.2模型解釋

假設列車在運行中，由各種外力集中控制，在司機操縱手柄的控制下，能夠將機車自身的牽引力與列車的制動力發揮出來。但是由于各種原因造成的列車自身性空氣阻力摩擦稱之為列車運行摩擦阻力，其對應的阻力表達為：

由于重載列車在運行中，其面對的運行環境不同，其對應的重力承載條件也是不同的，一般情況下，在坡道運行和隧道運行中，重載列車的自身性阻力變化會出現明顯的改變。本文在針對重載列車多目標優化操縱模型的解釋中，也就坡道運行和隧道運行進行了分析，具體的分析如下。

隧道運行：在隧道運行中，由于隧道自身的空氣阻力和隧道內部的空氣壓力對列車的運行造成了一定的阻力，其對應的阻力分析中需要以牛頓第二定律作為整個阻力分析中的關鍵性衡量標準。其具體的分析方程如下：

通過對方程轉換帶入之后得出，整個方程運行中，其對應的求導結果為：

其中，m代表列車運行的自身質量，F和B分別代表列車牽引力和制動力，而v代表列車運行中其對應的制動力控制速度[4]。

2.3 多目標函數評價

重載列車運行中，其對應的操縱控制和具體的列車行車之間具有重要性關聯，要想保障整個列車運行操縱優化控制能力提升，就應該針對重載列車運行操縱控制多目標函數進行分析，以列車運行中的能耗，節能以及操縱的平穩性等作為整個列車運行的安全性控制因素，保障在函數構建中，能夠將整個重載列車運行中的控制要點明確，這樣才能實現整個列車運行函數控制中的關鍵性目標評價能力提升[5]。在本文研究中，以離散函數和目標函數為評價依據，對整個重載列車運行中的控制進行了分析，其對應的函數如下：

2.4 模型約束條件分析

整個重載列車多目標優化操縱模型構建中，對于模型構建的約束條件有很多，應該按照具體的約束條件構成，對目標函數進行優化分析。首先，等式約束就是整個約束條件分析中，需要重點分析的一項因素。整個模型構建中，由于模型構建中的牽引力及動力機制運行出現了改變，使得整個列車的運行阻力出現了明顯的提升。為了將列車運行穩定性展現出來，需要在列車運行控制中，對整個列車運行控制中的等式約束分析。也就是按照列車運行控制中的處理，對整個列車運行中的摩擦阻力進行了分析，按照摩擦阻力分析中的衡量條件來看，其整個模型構建中對于阻力的分析應該和具體的坡道阻力以及曲線阻力和空氣阻力分析結合，這樣才能保障在阻力分析結合中，能夠將對應的等式約束明確[7]。

假設等式約束表達為Wk=Wi+Wr+Wk，當K=1時其對應的區間運行動能控制和具體的模型分析相關，要想保障整體的模型運行控制能力提升，就應該注重對等式約束中的條件構成分析，及時降低等式約束控制影響能力。同時重載列車在運行中，其模型構建中的約束條件分析中，還應該將不等式約束明確，也就是按照重載列車運行控制中的條件處理，將不等式約束控制和具體的列車運行阻力傳導結合。本文研究中選定的是3km/h運行下的列車跟隨速度，整個速度處理中的不等式約束表示為：

按照該不等式約束條件中的構成來看，整個不等式的構成處理中，其對應的不等式處理應該和具體的列車動力牽引結合，保障在列車牽引結合處理中，能夠為整個列車運行的制動力控制和牽引力控制提供保障[8]。

3 多目標優化操縱算法結構分析

按照重載列車多目標優化操縱中的處理要求，將其整個操縱處理中的算法結構進行了分析，采用的是逆向化結構處理形式，按照操縱控制處理需求，將整個操縱控制中的算法結構設計成三級帶向結構，及整個算法在實施中，其對應的算法實施需要數據輸入、仿真計算和數據處理三部分，對應部分內又由不同的小算法結構構成。以數據輸入為例，在整個數據輸入中，其對應部分的算法結構分支包含列車數據、線路數據和限速數據等三部分。而仿真計算中，則又包含了列車牽引計算和二次規劃算法求解兩部分[9]。最后是數據處理，其整個算法結構構成中，有列車運行仿真曲線顯示和列車運行數據顯示兩部分。其對應的算法結構顯示圖如圖1所示。

4 重載列車多目標優化操縱算例仿真研究

4.1 算例基本情況簡介

瓦日線鐵路是我國“十一五”鐵路建設重點工程，連接我國東西部的重要煤炭資源運輸通道，設計標準為國鐵一級、雙線電氣化，設計時速為120公里。設計貨運能力每年2億噸，客車每日15對;是世界上第一條按30噸重載鐵路標準建設的鐵路，國家中長期鐵路網規劃的重要組成部分。西起山西省呂梁市瓦塘鎮，從河南省臺前縣跨越黃河，進入山東省梁山縣，橫穿山東省中西部，東至山東省日照港，橫貫晉豫魯三省，全長1260公里。其中山西省579公里;河南省255公里;山東省426公里[10]。

濟南局管內正線車站具體站點如下：臺前北，梁山北站、東平站、寧陽東站、天寶站、萊蕪站、郭家溝站、沂源站、沂水西站、文疃站、莒縣西站、巨峰南站、日照南站。我局管內線路起點為與鄭州局分界，即臺前北站下行進站信號機鋼軌絕緣接頭，里程為K835+768;終點為巨峰站臨時車擋，里程為K1250+800。上下行最大坡道均為6‰;并且多為連續坡道。

4.2 優化操縱中存在的問題及處理措施

在進行重載列車多目標優化操作處理中，由于整個操縱處理范圍內的技術應用存在著很多的問題，應該采取科學的預控措施，將整個列車運行安全控制起來。整個瓦日線運行中，其對應的優化操縱問題主要體現在接車控制技術、調車作業控制技術、制動控制技術應用和動力牽引技術控制幾方面。由于整個線路運行中，實施的是超重載運行列車，最大重載能夠達到30噸。所以整個線路運行中，其對應的操作控制也就會較為的復雜煩瑣，為了提升整體的優化控制能力，在進行列車運行控制中，特別對其運行控制中的優化處理措施進行了分析。對于接車問題處理采用“萬噸接車”模式，將整個重載列車接車中的安全性控制進行了整合，保障在接車工程中對應的接車技術應用安全。處理調車問題時，以調車信號控制作為整個調車控制中的安全性技術，及時的進行了整個調車技術處理的科學性優化。實現了重載列車操縱優化的科學性控制，保障了其行車控制的安全性提升。

4.3 算例仿真結果分析

為了驗證重載列車多目標優化操縱控制中的效果提升，在本文的研究中，以瓦日線臺前北站優化操縱控制為例進行了分析，整個臺前北站區段號為139車站號為701，運行里程為K837+533，整個區間段落內重載列車運行基本參數如下表1所示。

按照表1中的列車運行參數分析，將整個列車重載站點運行狀況進行了分析，分析結果顯示，整個區間內起車時，牽引力給至50kN，稍作停留（5秒），平緩給至150kN左右，列車起動。走行20米，全列車鉤伸張，牽引力平緩給至200kN，運行至對標點處10-15km/h速度，按壓【開車鍵】對標進入監控狀態，平緩增大牽引力，待全列出清道岔，牽引力平緩給至700kN左右，注意預防性撒砂防空轉。需要注意的是在整個區間段內運行時間為25min，運行長度為27.8km，其對應區域內的操縱控制應該和具體的列車運行重載分析結合，這樣才能保障在列車重載分析結合處理中，能夠將整個列車運行控制能力展現出來，實現整個列車操控優化的控制能力提升。

5 結語

綜上所述，針對重載列車多目標優化操縱研究中，按照其運行研究中的模型構建需求，將整體的模型構建進行了分析，同時以多目標優化操縱研究中的關鍵性技術控制進行了目標優化分析。在二次算法求解分析下，得出整個列車多目標優化操縱中，其對應的優化操縱影響因素有能耗、速度、跟隨性以及操縱的平穩性等都能夠引起列車的目標優化操縱結果，應該按照具體的優化處理需求，將多目標操縱和函數評價分析結合，同時還應該將目標優化操縱中的算法約束條件明確，這樣才能便于后續的優化操縱步驟實施。

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