重载列车多目标优化操纵研究

工作，以多目标优化作为整个重载列车运行控制中的关键性研究要素，将整个重载列车运行中的多目标函数进行建模处理，分析模型中的构建条件，将其模型操纵优化和具体的列车运行控制要点结合，以此提升整个重载列车的运行控制能力。鉴于此，论文针对重载列车多目标优化操纵研究进行了分析，旨在研究中，能够按照重载列车运行条件，将其整体的列车运行操纵条件明确，为机车司机行车控制提供依据。

【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.

【關键词】重载列车;多目标;优化操纵

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

【中图分类号】U268.1                                    【文献标志码】A                                     【文章编号】1673-1069（2018）10-0191-04

1 引言

随着我国铁路运输建设发展越来越完善，针对重载列车运行控制研究也越来越重视，按照重载列车运行控制中的衡量标准来看，行车运行重量在万吨以上的列车才能被称之为重载运行列车。整个列车的运行中，司机只能按照操纵提示信息和自身的行车经验作为整个列车控制中的关键性要素实施。在我国现有的铁路线路建设中，错综复杂的铁路线路建设使得整个重载列车的运行中对应的操纵控制出现了很多的隐患。因此，以多目标优化操纵作为整个重载列车运行中的安全性控制研究在整个铁路运输建设中就变得较为重要。本文针对重载列车进行多目标优化操纵研究，其意义在于按照现有铁路运输中的重载列车运行条件，及时地将整个列车运行控制中的优化操纵要点明确，为后续的行车操纵控制奠定基础，提升重载列车运行安全控制能力。

2 重载列车多目标优化操纵模型构建

2.1模型构建假设

按照重载列车多目标优化操纵模型构建中的需求，在本文研究中特别进行了建模处理，整个建模过程中对模型进行了假设，整个假设如下：一是整个列车运行中，其对应的列车运行是受到牵引力控制和电制动力控制的，并且整个控制中动力支撑是连续的。在整个列车的运行控制中，其对应的列车控制能够在手柄控制下，进行极位平滑牵引。二是整个列车运行中，其对应的列车牵引控制动力能够发挥出的最大减压量为70KPa[1]。

2.2模型解释

假设列车在运行中，由各种外力集中控制，在司机操纵手柄的控制下，能够将机车自身的牵引力与列车的制动力发挥出来。但是由于各种原因造成的列车自身性空气阻力摩擦称之为列车运行摩擦阻力，其对应的阻力表达为：

由于重载列车在运行中，其面对的运行环境不同，其对应的重力承载条件也是不同的，一般情况下，在坡道运行和隧道运行中，重载列车的自身性阻力变化会出现明显的改变。本文在针对重载列车多目标优化操纵模型的解释中，也就坡道运行和隧道运行进行了分析，具体的分析如下。

隧道运行：在隧道运行中，由于隧道自身的空气阻力和隧道内部的空气压力对列车的运行造成了一定的阻力，其对应的阻力分析中需要以牛顿第二定律作为整个阻力分析中的关键性衡量标准。其具体的分析方程如下：

通过对方程转换带入之后得出，整个方程运行中，其对应的求导结果为：

其中，m代表列车运行的自身质量，F和B分别代表列车牵引力和制动力，而v代表列车运行中其对应的制动力控制速度[4]。

2.3 多目标函数评价

重载列车运行中，其对应的操纵控制和具体的列车行车之间具有重要性关联，要想保障整个列车运行操纵优化控制能力提升，就应该针对重载列车运行操纵控制多目标函数进行分析，以列车运行中的能耗，节能以及操纵的平稳性等作为整个列车运行的安全性控制因素，保障在函数构建中，能够将整个重载列车运行中的控制要点明确，这样才能实现整个列车运行函数控制中的关键性目标评价能力提升[5]。在本文研究中，以离散函数和目标函数为评价依据，对整个重载列车运行中的控制进行了分析，其对应的函数如下：

2.4 模型约束条件分析

整个重载列车多目标优化操纵模型构建中，对于模型构建的约束条件有很多，应该按照具体的约束条件构成，对目标函数进行优化分析。首先，等式约束就是整个约束条件分析中，需要重点分析的一项因素。整个模型构建中，由于模型构建中的牵引力及动力机制运行出现了改变，使得整个列车的运行阻力出现了明显的提升。为了将列车运行稳定性展现出来，需要在列车运行控制中，对整个列车运行控制中的等式约束分析。也就是按照列车运行控制中的处理，对整个列车运行中的摩擦阻力进行了分析，按照摩擦阻力分析中的衡量条件来看，其整个模型构建中对于阻力的分析应该和具体的坡道阻力以及曲线阻力和空气阻力分析结合，这样才能保障在阻力分析结合中，能够将对应的等式约束明确[7]。

假设等式约束表达为Wk=Wi+Wr+Wk，当K=1时其对应的区间运行动能控制和具体的模型分析相关，要想保障整体的模型运行控制能力提升，就应该注重对等式约束中的条件构成分析，及时降低等式约束控制影响能力。同时重载列车在运行中，其模型构建中的约束条件分析中，还应该将不等式约束明确，也就是按照重载列车运行控制中的条件处理，将不等式约束控制和具体的列车运行阻力传导结合。本文研究中选定的是3km/h运行下的列车跟随速度，整个速度处理中的不等式约束表示为：

按照该不等式约束条件中的构成来看，整个不等式的构成处理中，其对应的不等式处理应该和具体的列车动力牵引结合，保障在列车牵引结合处理中，能够为整个列车运行的制动力控制和牵引力控制提供保障[8]。

3 多目标优化操纵算法结构分析

按照重载列车多目标优化操纵中的处理要求，将其整个操纵处理中的算法结构进行了分析，采用的是逆向化结构处理形式，按照操纵控制处理需求，将整个操纵控制中的算法结构设计成三级带向结构，及整个算法在实施中，其对应的算法實施需要数据输入、仿真计算和数据处理三部分，对应部分内又由不同的小算法结构构成。以数据输入为例，在整个数据输入中，其对应部分的算法结构分支包含列车数据、线路数据和限速数据等三部分。而仿真计算中，则又包含了列车牵引计算和二次规划算法求解两部分[9]。最后是数据处理，其整个算法结构构成中，有列车运行仿真曲线显示和列车运行数据显示两部分。其对应的算法结构显示图如图1所示。

4 重载列车多目标优化操纵算例仿真研究

4.1 算例基本情况简介

瓦日线铁路是我国“十一五”铁路建设重点工程，连接我国东西部的重要煤炭资源运输通道，设计标准为国铁一级、双线电气化，设计时速为120公里。设计货运能力每年2亿吨，客车每日15对;是世界上第一条按30吨重载铁路标准建设的铁路，国家中长期铁路网规划的重要组成部分。西起山西省吕梁市瓦塘镇，从河南省台前县跨越黄河，进入山东省梁山县，横穿山东省中西部，东至山东省日照港，横贯晋豫鲁三省，全长1260公里。其中山西省579公里;河南省255公里;山东省426公里[10]。

济南局管内正线车站具体站点如下：台前北，梁山北站、东平站、宁阳东站、天宝站、莱芜站、郭家沟站、沂源站、沂水西站、文疃站、莒县西站、巨峰南站、日照南站。我局管内线路起点为与郑州局分界，即台前北站下行进站信号机钢轨绝缘接头，里程为K835+768;终点为巨峰站临时车挡，里程为K1250+800。上下行最大坡道均为6‰;并且多为连续坡道。

4.2 优化操纵中存在的问题及处理措施

在进行重载列车多目标优化操作处理中，由于整个操纵处理范围内的技术应用存在着很多的问题，应该采取科学的预控措施，将整个列车运行安全控制起来。整个瓦日线运行中，其对应的优化操纵问题主要体现在接车控制技术、调车作业控制技术、制动控制技术应用和动力牵引技术控制几方面。由于整个线路运行中，实施的是超重载运行列车，最大重载能够达到30吨。所以整个线路运行中，其对应的操作控制也就会较为的复杂烦琐，为了提升整体的优化控制能力，在进行列车运行控制中，特别对其运行控制中的优化处理措施进行了分析。对于接车问题处理采用“万吨接车”模式，将整个重载列车接车中的安全性控制进行了整合，保障在接车工程中对应的接车技术应用安全。处理调车问题时，以调车信号控制作为整个调车控制中的安全性技术，及时的进行了整个调车技术处理的科学性优化。实现了重载列车操纵优化的科学性控制，保障了其行车控制的安全性提升。

4.3 算例仿真结果分析

为了验证重载列车多目标优化操纵控制中的效果提升，在本文的研究中，以瓦日线台前北站优化操纵控制为例进行了分析，整个台前北站区段号为139车站号为701，运行里程为K837+533，整个区间段落内重载列车运行基本参数如下表1所示。

按照表1中的列车运行参数分析，将整个列车重载站点运行状况进行了分析，分析结果显示，整个区间内起车时，牵引力给至50kN，稍作停留（5秒），平缓给至150kN左右，列车起动。走行20米，全列车钩伸张，牵引力平缓给至200kN，运行至对标点处10-15km/h速度，按压【开车键】对标进入监控状态，平缓增大牵引力，待全列出清道岔，牵引力平缓给至700kN左右，注意预防性撒砂防空转。需要注意的是在整个区间段内运行时间为25min，运行长度为27.8km，其对应区域内的操纵控制应该和具体的列车运行重载分析结合，这样才能保障在列车重载分析结合处理中，能够将整个列车运行控制能力展现出来，实现整个列车操控优化的控制能力提升。

5 结语

综上所述，针对重载列车多目标优化操纵研究中，按照其运行研究中的模型构建需求，将整体的模型构建进行了分析，同时以多目标优化操纵研究中的关键性技术控制进行了目标优化分析。在二次算法求解分析下，得出整个列车多目标优化操纵中，其对应的优化操纵影响因素有能耗、速度、跟随性以及操纵的平稳性等都能够引起列车的目标优化操纵结果，应该按照具体的优化处理需求，将多目标操纵和函数评价分析结合，同时还应该将目标优化操纵中的算法约束条件明确，这样才能便于后续的优化操纵步骤实施。

【参考文献】

【1】赵巧妮.基于模糊自适应PID控制的重载列车操纵优化研究[J].机车电传动，2017，14（3）：72-76.

【2】马秀华，郑木火，林宏泉.重载列车智能操控系统人机界面设计[J].数字技术与应用，2016，23（3）：206-207.

【3】陆小红，张晓凤，郑木火，等.重载列车智能化操控系统车地实时通信方案研究与实现[J].铁道标准设计，2016，60（8）：130-133.

【4】董克毓，魏伟.万吨重载列车在神朔段长大下坡道循环制动优化[J].大连交通大学学报，2017，38（1）：17-20.

【5】张朝辉.朔黄铁路重载列车智能操控系统研究[J].中国铁路，2017，36（2）：86-90.

【6】苏明亮.朔黄铁路重载列车模式化操纵系统的研究及运用[J].电力机车与城轨车辆，2018，25（2）：123-125.

【7】王典，赵军，彭其渊，等.重载铁路装车端编组站重载列车组合优化[J].铁道学报，2017，39（6）：10-19.

【8】贺莹，梅江平，方志炜，等.一种高速重载码垛机器人机座的多目标优化设计[J].机械设计，2017，25（7）：1-9.

【9】郝有清，杨相健，金希红，等.大秦线重载列车中部HX_D1型机车过渡结构安全技术研究[J].电力机车与城轨车辆，2017，20（5）：57-62.

【10】辛民，胡杨，魏伟，等.神朔铁路重载列车纵向动力学性能试验研究[J].自动化应用，2016，36（12）：165-166.

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