城市軌道交通列車運(yùn)行控制的研究 計(jì)算機(jī)專業(yè)

1、開(kāi)開(kāi) 題題 報(bào)報(bào) 告告一、文獻(xiàn)綜述ATO 系統(tǒng)研究現(xiàn)狀:國(guó)外進(jìn)行 ATO 系統(tǒng)的研究比較早，現(xiàn)已有更成熟的系統(tǒng)可以應(yīng)用，系統(tǒng)廠商有 ALCATEL、ALSTOM、SIEMENS 等，都已經(jīng)開(kāi)始使用 ATO 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛。典型的系統(tǒng)有： (1)阿爾卡特(ALCATEL)公司的 SELTRAC 系統(tǒng)。Amtag，有了它，列車就可以自己行駛了，就不需要人為的去開(kāi)車了。(2)阿爾斯通(ALSTOM)公司的 URBALIS 系統(tǒng)。此系統(tǒng)與 SELTRAC 系統(tǒng)的設(shè)備具有較大的差異。其中軌道車輛的位置信息是通過(guò) EUROBALISE 應(yīng)答器進(jìn)行確定，而控制中心是通過(guò)無(wú)線 WLAN 控制車輛的運(yùn)行。(

2、3)西門(mén)子(SIEMENS)公司的 TRAINGUARD 系統(tǒng)。采用符合 IEEE802.11b 標(biāo)準(zhǔn)的DSSS 無(wú)線 WLAN 方式來(lái)實(shí)現(xiàn)地車的雙向信息傳輸，地面以標(biāo)準(zhǔn) EUROBALISE 作為定位校正，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。此外，日本也有很多公司對(duì) ATO 系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的研究，如日信（NIPPON SIGNA）的 SPARCS 系統(tǒng)，日立(HITACHI)公司的 CBTC 系統(tǒng)等。但是在我國(guó)當(dāng)前運(yùn)行自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和國(guó)外一些國(guó)家的技術(shù)水平還有相當(dāng)大的差距。我國(guó)對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)最早開(kāi)始于 1999 年，其最初主要集中于研發(fā)數(shù)字軌道電路以及固定閉塞系統(tǒng)。由于我國(guó)的軌道交通的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)資源基本集中在大中

3、型國(guó)有企業(yè)，同時(shí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的資金投入需求也比較大，這直接導(dǎo)致自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的核心技術(shù)基本掌握在國(guó)有大中型企業(yè)中。目前雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有自動(dòng)駕駛系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上軌道列車運(yùn)輸發(fā)展的需求。二、選題的目的和意義城市軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的密度較大，特別是在上下班高峰時(shí)段，如果直接在列車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將會(huì)破壞操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，將會(huì)存在較大的安全隱患。所以，在直接運(yùn)用新的系統(tǒng)以前，可以采用智能仿真技術(shù)手段對(duì)自行設(shè)計(jì)的新的控制系統(tǒng)進(jìn)行智能仿真模擬。通過(guò)模擬實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)計(jì)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行智能仿真，從而對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能、穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)出

4、現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改善。采用智能仿真軟件模擬方法，不僅可以模擬軌道車輛的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)軟件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，而且可以保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中條件的一致性，可以更加準(zhǔn)確的反應(yīng)出系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提高了開(kāi)發(fā)水平、縮短了研究周期，節(jié)省了整個(gè)生命周期的成本，已成為一種必然趨勢(shì)。因此，把智能仿真技術(shù)運(yùn)用于 ATO 中時(shí)非常有必要的。三、研究方案（框架）第一章，介紹現(xiàn)在關(guān)于這個(gè)設(shè)計(jì)方面國(guó)內(nèi)具體情況，國(guó)外的情況，闡述簡(jiǎn)單的研究背景第二章，介紹了智能仿真有關(guān)的設(shè)計(jì)，在 2.1 節(jié)介紹模型，在 2.2 節(jié)介紹和智能仿真有關(guān)的一個(gè)平臺(tái)的一個(gè)開(kāi)發(fā)的流程。在 2.5 節(jié)智能仿真平臺(tái)控制的算法等。第三章，列車行駛中智能仿真軟件所起到的

5、作用。第四章，針對(duì)軌道交通問(wèn)題提出了一系列的節(jié)能策略。4、進(jìn)度計(jì)劃1.第 1 學(xué)期 16-20 周：整理資料并做開(kāi)題報(bào)告，撰寫(xiě)論文提綱;2.第 2 學(xué)期 8-10 周：消化整理資料，結(jié)合所學(xué)知識(shí)，撰寫(xiě)論文初稿;3.第 2 學(xué)期 11-12 周：在初稿基礎(chǔ)上修改論文，撰寫(xiě)論文第二稿;4.第 2 學(xué)期 13 周：繼續(xù)修改論文，最后定稿，交指導(dǎo)老師;5.第 2 學(xué)期 14 周：組織論文答辯;6.第 2 學(xué)期 15 周：整理論文資料并裝訂成冊(cè)，論文歸檔。五、指導(dǎo)教師意見(jiàn)指導(dǎo)教師： 年 月 日中中 期期 報(bào)報(bào) 告告題目：題目：學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)學(xué)號(hào)： 一、進(jìn)展情況 1 研究背景及意義隨著社會(huì)的進(jìn)

6、步，城市發(fā)展越來(lái)越快，車子也越來(lái)越多，交通也變得很擁堵，為了使交通變得越來(lái)越便利，變得不再那么擁堵，地鐵的到來(lái)成為了我們的福音，在我國(guó)，有好多的地鐵線路，乘坐地鐵，一個(gè)是速度較快，第二個(gè)是它很安全，所以說(shuō)對(duì)于交通擁堵這個(gè)問(wèn)題，它對(duì)我們起了很大的作用。所以我們要多發(fā)展一下地鐵，也就是城軌的交通。2 系統(tǒng)智能仿真方案設(shè)計(jì)智能仿真軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該是根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)，也就是所謂的需求決定軟件體系結(jié)構(gòu)，因此，在本文中的開(kāi)發(fā)模型需要減小需求與實(shí)現(xiàn)兩者的差別。圖 2-1 為本文自動(dòng)駕駛系統(tǒng)智能仿真軟件的開(kāi)發(fā)模型，由圖可以看出，本文將會(huì)采用軟件體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)模型，此設(shè)計(jì)模型完全是根據(jù)智能仿真需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)，從而有效

7、地對(duì)軌道列車的實(shí)際模擬，提高了智能仿真系統(tǒng)的通用性能。此外，本文將采用增量迭代方法開(kāi)發(fā)模型。3 城市軌道交通的列車車輛節(jié)能策略3.1 車輛設(shè)備節(jié)能3.2 列車編組優(yōu)化3.3 列車重量控制3.4 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能二、指導(dǎo)教師意見(jiàn)指導(dǎo)教師： 年 月 日結(jié)結(jié) 題題 驗(yàn)驗(yàn) 收收1、完成日期2018 年 月 日二、完成質(zhì)量三、存在問(wèn)題4、結(jié)論通過(guò)對(duì)我國(guó)軌道列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的探索，可以預(yù)見(jiàn)開(kāi)發(fā)軌道列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)非常急迫。軌道列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)，運(yùn)行條件、影響因素非常多。要建立一種構(gòu)造層次分明的智能仿真軟件具有一定的困難。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是設(shè)計(jì)抽象化的進(jìn)一步發(fā)展，可以相當(dāng)容易地明白軟件系統(tǒng)的需

8、求，從而能夠很方便地設(shè)計(jì)很繁瑣的軟件系統(tǒng)。為開(kāi)發(fā)提供了良好的理論基礎(chǔ)，具有通用性、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性的列車自動(dòng)駕駛智能仿真體統(tǒng)平臺(tái)?？紤]到軌道交通運(yùn)輸行業(yè)的特殊性，建立相應(yīng)的列車車輛節(jié)能優(yōu)化控制策略，對(duì)于推動(dòng)城市交通系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。本篇論文重點(diǎn)闡述了便于理解、能擴(kuò)展、可維護(hù)、能反復(fù)利用的智能仿真系統(tǒng)，而且對(duì)列車自動(dòng)駕駛智能仿真體系有了進(jìn)一步的研究。包括以下幾個(gè)方面：（1）通過(guò)了解國(guó)內(nèi)外城市軌道列車運(yùn)行控制智能仿真系統(tǒng)的發(fā)展情況，進(jìn)而設(shè)想了基于體系結(jié)構(gòu)的 ATO 智能仿真方法。（2）采用設(shè)計(jì)的智能仿真系統(tǒng)對(duì)列車運(yùn)行進(jìn)行智能仿真。這一環(huán)節(jié)是對(duì)通過(guò)對(duì)軌道車輛的人工駕駛功能和自動(dòng)駕駛功能

9、兩者分別進(jìn)行智能仿真模擬，智能仿真顯示，設(shè)計(jì)的智能仿真軟件可以方便的添加各種算法，同時(shí)可以穩(wěn)定、準(zhǔn)確的顯示智能仿真結(jié)果。指導(dǎo)教師： 年 月 日i中文摘要摘要：摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步，城市發(fā)展越來(lái)越快，汽車數(shù)量也越來(lái)越多，交通也變得很擁堵，為了使交通變得越來(lái)越便利，變得不再那么擁堵，地鐵的到來(lái)成為了我們的福音，在我國(guó)，有好多的地鐵線路，乘坐地鐵，一個(gè)是速度較快，第二個(gè)是它很安全，所以說(shuō)對(duì)于交通擁堵這個(gè)問(wèn)題，它對(duì)我們起了很大的作用。因此，在本篇文章中主要是以列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一款列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)智能仿真軟件。因?yàn)檫@個(gè)設(shè)計(jì)用到了智能仿真，本文通過(guò)介紹一個(gè)智能仿真軟件，引出了這個(gè)設(shè)計(jì)它

10、的一整個(gè)流程，分析研究軟件怎么通過(guò)計(jì)算得出圖形的，通過(guò)以上的幾個(gè)摸索，讓我們知道列車它自己行駛的整個(gè)系統(tǒng)它都有什么功能，到最后我們用這個(gè)軟件去對(duì)它進(jìn)行智能仿真。模擬結(jié)果顯示出設(shè)計(jì)的智能仿真軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的模擬智能仿真功能，并能更好更安全的對(duì)即將上線的軌道交通車輛，進(jìn)行提前的模擬運(yùn)行，得出更好的運(yùn)行結(jié)果，從而得出更多有用的運(yùn)行數(shù)據(jù)，改進(jìn)軌道車輛及相應(yīng)的子系統(tǒng)。同時(shí)，我國(guó)的城市軌道交通事業(yè)發(fā)展進(jìn)入全盛階段，除了對(duì)運(yùn)行技術(shù)具有較高要求，對(duì)于列車的節(jié)能效果也提出了新的要求。本文也圍繞城市軌道交通列車節(jié)能，對(duì)其策略實(shí)施進(jìn)行深入研究。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：城市軌道列車;控制系統(tǒng);智能仿真iiABST

11、RACTTitle: Research on operation control of urban rail transit train.ABSTRACT:With the progress of society, urban development faster and faster, also more and more cars, traffic has become congested, in order to make the traffic is becoming more and more convenient, become less congestion, became ou

12、r Gospel is the arrival of the subway, in our country, there are many subway lines, take the subway, one is the fast, the second is that it is safe, so for this problem of traffic congestion, it played a great role to us.Therefore, in this paper, the automatic driving system of the train is designed

13、 and developed as the research object, and the intelligent simulation software of the automatic driving system is designed and developed. Because the design used in the intelligent simulation, this paper introduces an intelligent simulation software, it brings up the design of the whole process, ana

14、lysis and study how to calculated the graphic software, by more than a few error, let us know what train running it for the whole system has its own what function, in the end we use the software to intelligent simulation for it. Simulation results show the design of the intelligent simulation softwa

15、re can realize the simulation of autopilot system intelligent simulation function, and can better and more safe for the launch of rail transit vehicles, to advance the simulation run, better run results, thus it is concluded that more useful operation data, the improvement of railway vehicles and th

16、e corresponding subsystem. At the same time, the development of urban rail transit in China is in its heyday. Besides the high requirement for the operation technology, the energy saving effect of the train also puts forward new requirements. This paper also focuses on the energy conservation of urb

17、an rail transit trains and carries out in-depth research on its strategy implementation.KEYWORDS：Urban rail trains; Control system; The intelligent simulationiii目錄中文摘要 .iABSTRACT .ii1 緒論 .11.1 選題背景 .11.2 選題的目的與意義 .11.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .21.3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 .21.3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 .21.3.3 小結(jié) .31.4 研究?jī)?nèi)容 .31.5 研究思路與論文結(jié)構(gòu) .32 系

18、統(tǒng)智能仿真方案設(shè)計(jì) .52.1 智能仿真軟件的模型開(kāi)發(fā) .52.1.1 迭代和增量的智能仿真軟件開(kāi)發(fā)模型 .52.1.2 基于體系結(jié)構(gòu)的智能仿真軟件開(kāi)發(fā)模型 .62.2 智能仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程 .62.3 智能仿真平臺(tái)建模開(kāi)發(fā)目標(biāo) .72.4 智能仿真平臺(tái)建模設(shè)計(jì) .82.4.1 用例模型的整體描述 .82.4.2 用例圖描述 .102.4.3 分析類和包 .102.4.4 創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)圖 .122.5 智能仿真平臺(tái)算法設(shè)計(jì) .122.5.1 節(jié)能設(shè)計(jì) .123 列車運(yùn)行智能仿真 .163.1 建立模型 .16iv3.1.1 建立動(dòng)力學(xué)特性曲線模型 .163.1.2 建立列車模型 .163.1.3

19、建立 ATC 模型 .173.2 人工駕駛功能智能仿真 .183.3 自動(dòng)駕駛功能智能仿真 .184 城市軌道交通的列車車輛節(jié)能策略 .204.1 車輛設(shè)備節(jié)能 .204.3 列車重量控制 .214.4 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能 .214.5 多列車能耗節(jié)能解決方案 .225 結(jié)論 .23參考文獻(xiàn) .2411 1 緒論緒論1.1 選題背景選題背景隨著社會(huì)的進(jìn)步，城市發(fā)展越來(lái)越快，車子也越來(lái)越多，交通也變得很擁堵，為了使交通變得越來(lái)越便利，變得不再那么擁堵，地鐵的到來(lái)成為了我們的福音，在我國(guó)，有好多的地鐵線路，乘坐地鐵，一個(gè)是速度較快，第二個(gè)是它很安全，所以說(shuō)對(duì)于交通擁堵這個(gè)問(wèn)題，它對(duì)我們起了很大的作用

20、。所以我們要多發(fā)展一下地鐵，也就是城軌的交通。在發(fā)展過(guò)程中為了滿足城市軌道交通體系高密度、高時(shí)效的要求，列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(Automatic Train Control，簡(jiǎn)寫(xiě)為 ATC)是非常有必要的，它可以在原來(lái)線路和相同數(shù)量車輛的情形下，縮短行車行駛距離，改善運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)承載能力的提高。列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)(Automatic Train Operation，簡(jiǎn)寫(xiě)為 ATO)是 ATC 系統(tǒng)中的一個(gè)子體系，該子系統(tǒng)可以對(duì)軌道交通車輛進(jìn)行制動(dòng)、驅(qū)動(dòng)等控制。人工駕駛由于駕駛員的駕駛習(xí)慣、經(jīng)驗(yàn)的不同，將會(huì)導(dǎo)致經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)車輛加速或減速的情況發(fā)生，這極大的降低了車輛行駛的平穩(wěn)性。ATO 系統(tǒng)可以根據(jù)操

21、控中心的信息來(lái)自動(dòng)控制軌道車輛的行駛，減少車輛因不必要的加速和減速現(xiàn)象發(fā)生，有效地提高了車輛行駛平穩(wěn)性。因此研究 ATO 是非常有必要的。1.21.2 選題的目的與意義選題的目的與意義城市軌道運(yùn)轉(zhuǎn)的密度較大，特別是在上下班高峰時(shí)段，如果直接在列車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，將會(huì)破壞操作系統(tǒng)的正常運(yùn)行，而且新設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，將會(huì)存在較大的安全隱患。所以，在直接運(yùn)用新的系統(tǒng)以前，可以采用智能仿真技術(shù)手段對(duì)自行設(shè)計(jì)的新的控制系統(tǒng)進(jìn)行智能仿真模擬。通過(guò)模擬實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)設(shè)計(jì)的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行智能仿真，從而對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能、穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行改善。采用智能仿真軟

22、件模擬方法，不僅可以模擬軌道車輛的實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)軟件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，而且可以保持實(shí)驗(yàn)過(guò)程中條件的一致性，可以更加準(zhǔn)確的反應(yīng)出系統(tǒng)存在的問(wèn)題，提高了開(kāi)發(fā)水平、縮短了研究周2期，節(jié)省了整個(gè)生命周期的成本，已成為一種必然趨勢(shì)。因此，把智能仿真技術(shù)運(yùn)用于 ATO 中時(shí)非常有必要的。1.31.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.11.3.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀A(yù)TO 智能仿真研究現(xiàn)狀:一個(gè)是利用智能仿真算法的算法，一個(gè)是供智能仿真使用的平臺(tái)。其中智能仿真系統(tǒng)算法主要是根據(jù)提供的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)評(píng)價(jià)功能，同時(shí)設(shè)定智能仿真模擬的流程；而 ATO 系統(tǒng)智能仿真平臺(tái)的研究重點(diǎn)是如何構(gòu)建適當(dāng)?shù)?/p>

23、 ATO 特性的智能仿真環(huán)境。國(guó)內(nèi)對(duì)列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)智能仿真模擬相關(guān)的研究較少。其中我國(guó)的學(xué)者黃志平等人為了提高軌道車輛?？康臏?zhǔn)確度，通過(guò)采用智能仿真模擬的方法，最終獲得了智能預(yù)測(cè)控制策略。但是其研究的結(jié)果存在一個(gè)缺點(diǎn)就是過(guò)度依賴牽引電算軟件，沒(méi)有采用軌道列車運(yùn)行的大眾屬性，導(dǎo)致智能仿真模擬的結(jié)果不具備通用性。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)智能仿真系統(tǒng)研究不斷的深入，模擬智能仿真理論以及軟件功能不斷的完善，對(duì)列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性越來(lái)越高。1.3.21.3.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀A(yù)TO 系統(tǒng)研究現(xiàn)狀:國(guó)外進(jìn)行 ATO 系統(tǒng)的研究比較早，現(xiàn)已有更成熟的系統(tǒng)可以應(yīng)用，系統(tǒng)廠商有 AL

24、CATEL、ALSTOM、SIEMENS 等，都已經(jīng)開(kāi)始使用 ATO 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)駕駛。典型的系統(tǒng)有： (1)阿爾卡特(ALCATEL)公司的 SELTRAC 系統(tǒng)。Amtag，有了它，列車就可以自己行駛了，就不需要人為的去開(kāi)車了。(2)阿爾斯通(ALSTOM)公司的 URBALIS 系統(tǒng)。此系統(tǒng)與 SELTRAC 系統(tǒng)的設(shè)備具有較大的差異。其中軌道車輛的位置信息是通過(guò) EUROBALISE 應(yīng)答器進(jìn)行確定，而控制中心是通過(guò)無(wú)線 WLAN 控制車輛的運(yùn)行。(3)西門(mén)子(SIEMENS)公司的 TRAINGUARD 系統(tǒng)。采用符合 IEEE802.11b 標(biāo)準(zhǔn)的DSSS 無(wú)線 WLAN 方式來(lái)

25、實(shí)現(xiàn)地車的雙向信息傳輸，地面以標(biāo)準(zhǔn) EUROBALISE 作為定位校正，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛。3此外，日本也有很多公司對(duì) ATO 系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的研究，如日信（NIPPON SIGNA）的 SPARCS 系統(tǒng)，日立(HITACHI)公司的 CBTC 系統(tǒng)等。但是在我國(guó)當(dāng)前運(yùn)行自動(dòng)駕駛系統(tǒng)和國(guó)外一些國(guó)家的技術(shù)水平還有相當(dāng)大的差距。我國(guó)對(duì)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)最早開(kāi)始于 1999 年，其最初主要集中于研發(fā)數(shù)字軌道電路以及固定閉塞系統(tǒng)。由于我國(guó)的軌道交通的基礎(chǔ)設(shè)施和技術(shù)資源基本集中在大中型國(guó)有企業(yè)，同時(shí)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的資金投入需求也比較大，這直接導(dǎo)致自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的核心技術(shù)基本掌握在國(guó)有大中型企業(yè)中。目前雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有自

26、動(dòng)駕駛系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)，但是仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上軌道列車運(yùn)輸發(fā)展的需求。1.3.31.3.3 小結(jié)小結(jié)在上一節(jié)講 ATO 研究現(xiàn)狀的時(shí)候講到了供智能仿真使用的一個(gè)平臺(tái)，那么我們就要先講和列車有關(guān)的自己自行行駛的系統(tǒng)，通過(guò)講解這個(gè)，我們就能對(duì)平臺(tái)有更加深刻的理解，我們對(duì)它了解的更多，所以說(shuō)它當(dāng)它壞了的時(shí)候，我們就能對(duì)它進(jìn)行維修保護(hù)。這樣的話我們對(duì)它的研究就會(huì)多一份進(jìn)展。剛才說(shuō)到了列車自動(dòng)駕駛，它是一種系統(tǒng)，能夠自己控制自己，形成閉環(huán)，列車在自己行駛的過(guò)程中，能夠知道自己的速度是多少，同時(shí)它也在計(jì)算著它自己所能達(dá)到的速度最快是多少，它的計(jì)算是靠計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行的，同時(shí)呢也參考了其他的的一些方法，比如說(shuō):當(dāng)列車開(kāi)

27、到彎路時(shí)，或者開(kāi)到上坡下坡時(shí)等等原因，這樣就可以知道列車能夠開(kāi)多快的速度。ATO，ATP 可以給它傳達(dá)信息，一個(gè)是 ATP 它行駛時(shí)的速度的命令，、一個(gè)是它自己走了多遠(yuǎn)的路，一個(gè)是它自己真正的速度。就是有了這個(gè)速度的命令，它就能讓車的速度保持一定的范圍，然后停車的時(shí)候就要做到準(zhǔn)確，而且是在有屏蔽門(mén)的站臺(tái)那停車。1.41.4 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容根據(jù)國(guó)內(nèi)外城市軌道交通列車運(yùn)行控制現(xiàn)狀及存在問(wèn)題，本研究將重點(diǎn)研究以下內(nèi)容：本文框架第一章，介紹現(xiàn)在關(guān)于這個(gè)設(shè)計(jì)方面國(guó)內(nèi)具體情況，國(guó)外的情況，闡述簡(jiǎn)單的研4究背景第二章，介紹了智能仿真有關(guān)的設(shè)計(jì)，在 2.1 節(jié)介紹模型，在 2.2 節(jié)介紹和智能仿真有關(guān)的一個(gè)

28、平臺(tái)的一個(gè)開(kāi)發(fā)的流程。在 2.5 節(jié)智能仿真平臺(tái)控制的算法等。第三章，列車行駛中智能仿真軟件所起到的作用。第四章，針對(duì)軌道交通問(wèn)題提出了一系列的節(jié)能策略。1.51.5 研究思路與論文結(jié)構(gòu)研究思路與論文結(jié)構(gòu)本研究的研究路線如圖 1-1 所示。圖 1-1 研究路線圖文章結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面國(guó)內(nèi)外研究情況智能仿真的設(shè)計(jì)智能仿真軟件作用節(jié)能策略52 2 系統(tǒng)智能仿真方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)智能仿真方案設(shè)計(jì)2.12.1 智能仿真軟件的模型開(kāi)發(fā)智能仿真軟件的模型開(kāi)發(fā)智能仿真軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)該是根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)，也就是所謂的需求決定軟件體系結(jié)構(gòu)，因此，在本文中的開(kāi)發(fā)模型需要減小需求與實(shí)現(xiàn)兩者的差別。圖 2-1 為本文自動(dòng)駕駛系統(tǒng)智

29、能仿真軟件的開(kāi)發(fā)模型，由圖可以看出，本文將會(huì)采用軟件體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)模型，此設(shè)計(jì)模型完全是根據(jù)智能仿真需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)，從而有效地對(duì)軌道列車的實(shí)際模擬，提高了智能仿真系統(tǒng)的通用性能。此外，本文將采用增量迭代方法開(kāi)發(fā)模型。如圖 2-1 所示。圖 2-1 基于軟件體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)模型2.1.12.1.1 迭代和增量的智能仿真軟件開(kāi)發(fā)模型迭代和增量的智能仿真軟件開(kāi)發(fā)模型通過(guò)分析，本篇論文提出了一種迭代和增量?jī)烧吖餐饔玫闹悄芊抡孳浖_(kāi)發(fā)模型。因?yàn)殚_(kāi)發(fā)智能仿真軟件需要耗費(fèi)長(zhǎng)時(shí)間的精力和金錢。因此將開(kāi)發(fā)智能仿真軟件產(chǎn)品這項(xiàng)工作分成較小的部分是可行的。每個(gè)不同的部分能得到一個(gè)增量迭代過(guò)程。每一個(gè)小部分都有專門(mén)的人員

30、進(jìn)行開(kāi)發(fā)，每個(gè)研發(fā)人員都有自己的研發(fā)周期，研發(fā)人員必須在自己的研發(fā)周期內(nèi)完成自己的任務(wù)，只要每個(gè)研發(fā)人員都能按照計(jì)劃按時(shí)完成自己的任務(wù)，智能仿真軟件就能夠如期完成。每個(gè)研發(fā)人員完成自己的任務(wù)之后就相當(dāng)于智能仿真軟件進(jìn)行了一次更新，這就是迭代和增量模型共同擁有的特點(diǎn)。下面再說(shuō)說(shuō)迭代和增量模型不同點(diǎn)，主要是研發(fā)人員的研發(fā)周期不同，增量模型是按6照研發(fā)人員的工作量來(lái)劃分的，在規(guī)定的研發(fā)周期內(nèi)必須完成自己的任務(wù)。迭代模型是在原有的開(kāi)發(fā)模型上選擇行的進(jìn)行修改。因此，迭代的過(guò)程需要接受控制，通過(guò)原來(lái)已有的設(shè)計(jì)方案來(lái)選擇性的迭代。2.1.22.1.2 基于體系結(jié)構(gòu)的智能仿真軟件開(kāi)發(fā)模型基于體系結(jié)構(gòu)的智能仿真

31、軟件開(kāi)發(fā)模型最近幾年中，有一批軟件開(kāi)發(fā)者專門(mén)研究軟件體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)模式和它在中小型軟件項(xiàng)目中的使用結(jié)果，得到了階段性的進(jìn)展。下面將結(jié)合城市軌道交通自動(dòng)駕駛（ATO）提出一種新的基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開(kāi)發(fā)模型（ABSD）。ABSD 模型將整個(gè)基于體系結(jié)構(gòu)的軟件過(guò)程分為 5 個(gè)子過(guò)程（核心流程），這五個(gè)子過(guò)程是結(jié)構(gòu)的需求、設(shè)計(jì)、分析、實(shí)施、審查和演進(jìn)。如圖 2-2 所示：圖 2-2 基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開(kāi)發(fā)模型2.22.2 智能仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程智能仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程ABSD 模型把整個(gè)架構(gòu)的軟件開(kāi)發(fā)和執(zhí)行過(guò)程分為以下六個(gè)步驟： （1）確定 ATO 智能仿真平臺(tái)的基本目標(biāo)； 7（2）開(kāi)發(fā)智能仿真平臺(tái)的模型；

32、（3）設(shè)計(jì)平臺(tái)：（4）開(kāi)發(fā)平臺(tái)；（5）基礎(chǔ)并測(cè)試平臺(tái)； （6）運(yùn)行并分析智能仿真結(jié)果。詳細(xì)內(nèi)容如表 2-1 所示：表 2-1 基于體系結(jié)構(gòu)的軟件開(kāi)發(fā)流程2.32.3 智能仿真平臺(tái)建模開(kāi)發(fā)目標(biāo)智能仿真平臺(tái)建模開(kāi)發(fā)目標(biāo)在分析城市軌道交通智能仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)的重要性和可行性之后，我們?cè)陂_(kāi)始工作的初始階段的主要工作就是要確定智能仿真平臺(tái)建模的開(kāi)發(fā)目標(biāo)。根據(jù) Rose 的基本特性來(lái)對(duì)這些角色和用例進(jìn)行歸檔，可以建立關(guān)系的框圖，綜合體現(xiàn)系統(tǒng)的特性。在這8個(gè)階段，向主管人員提供一份評(píng)估報(bào)告，報(bào)告通過(guò)后，來(lái)制定一份重復(fù)計(jì)劃。初始階段的大部分工作都在需求工作流中完成。如圖 2-3 所示，其中有一些工作在分析和設(shè)計(jì)工

33、作流中進(jìn)行，在最后的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試工作流中只有少量的工作。在這個(gè)階段中，所關(guān)注的是需要證明新的概念，而不是要確保這種探索性的原型在任何細(xì)節(jié)處都能正確運(yùn)行。圖 2-3 ATO 智能仿真平臺(tái)的用例圖2.42.4 智能仿真平臺(tái)建模設(shè)計(jì)智能仿真平臺(tái)建模設(shè)計(jì)2.4.12.4.1 用例模型的整體描述用例模型的整體描述（1）圖形描述用畫(huà)圖來(lái)顯示參與一個(gè)業(yè)務(wù)用例的若干用例，或表明一個(gè)參與者所執(zhí)行的若干用例。如圖 2-3 所示。（2）用例模型的綜合說(shuō)明建模者首先使用“建立特定模型用例建立列車、線路、ATC 模型，以供智能仿真9時(shí)調(diào)用。在建立列車模型時(shí)，可以利用牽引特性、制動(dòng)特性和阻力，建立良好的模型，如果沒(méi)有合適的

34、模型可以重新建立。在 ATC 模型的建立時(shí)，除了對(duì) ATO、ATP、ATS的參數(shù)設(shè)置外，還應(yīng)特別注意獲得數(shù)據(jù)路徑的設(shè)置。線路的設(shè)置包括軌道區(qū)段、坡度、曲率、信號(hào)機(jī)等的設(shè)置。這些模型的建立將保存成相應(yīng)格式的文檔。 根據(jù)選取的對(duì)象模型，智能仿真者就可以任意建立想要智能仿真的系統(tǒng)模型。這主要 在“模型選擇用例中實(shí)現(xiàn)。除此之外還要設(shè)置運(yùn)行參數(shù)，如發(fā)車時(shí)間、停站時(shí)間、人工駕駛/自動(dòng)駕駛、控制算法等。這些參數(shù)設(shè)置好后，就組成了一個(gè)可運(yùn)行演示的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的所有設(shè)置參數(shù)，均可通過(guò)“系統(tǒng)參數(shù)顯示”用例來(lái)顯示，而且顯示時(shí)每設(shè)置完一項(xiàng)就可以顯示該項(xiàng)。在獲得智能仿真體系運(yùn)轉(zhuǎn)后，智能仿真者就能通過(guò)模擬駕駛”用例來(lái)進(jìn)

35、行智能仿真，還可以通過(guò)“顯示運(yùn)行狀態(tài)”用例來(lái)體現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)信息。在智能仿真過(guò)程中可以進(jìn)行人機(jī)交互操作。最后列車進(jìn)站停穩(wěn)后，保存運(yùn)行信息，然后結(jié)束智能仿真。 每采用一種控制算法進(jìn)行運(yùn)行智能仿真，得到的運(yùn)行信息均可通過(guò)運(yùn)行性能分析用例，綜合計(jì)算出該控制算法的四個(gè)性能指標(biāo)的值。對(duì)于自動(dòng)駕駛來(lái)講，在同等的參數(shù)設(shè)置條件下，使用一種算法獲得的四個(gè)性能指標(biāo)的值可以組成一條記錄，使用不同的算法可以形成多條記錄，對(duì)不同的算法通過(guò)性能綜合對(duì)比用例來(lái)進(jìn)行評(píng)估。(3)術(shù)語(yǔ)表 術(shù)語(yǔ)表可以用來(lái)定義分析人員(和其他開(kāi)發(fā)人員)在描述系統(tǒng)時(shí)所用的重要術(shù)語(yǔ)和公用術(shù)語(yǔ)。術(shù)語(yǔ)表可以促進(jìn)開(kāi)發(fā)人員之間的觀點(diǎn)以及定義保持一致，減少由于誤解而產(chǎn)生

36、的整體風(fēng)險(xiǎn)。舉例如下： 運(yùn)行演示模型：在用戶運(yùn)行智能仿真平臺(tái)進(jìn)行模擬運(yùn)行時(shí)，智能仿真者所選定的智能仿真對(duì)象。它可以顯示運(yùn)行狀態(tài)，給出智能仿真驅(qū)動(dòng)界面，并根據(jù)智能仿真者所設(shè)的命令執(zhí)行任務(wù)。 對(duì)象模型是運(yùn)轉(zhuǎn)演示模型的組成部分。它是一套預(yù)先建立好的小型模型，在建立運(yùn)轉(zhuǎn)演示模型時(shí)可以使用。 控制算法：指的是 ATO 內(nèi)部根據(jù)所獲得的實(shí)際速度與要求速度，計(jì)算控制量所采用的控制算法。 (4)區(qū)分用例的優(yōu)先級(jí) 在智能仿真平臺(tái)中，“模擬駕駛用例是最重要的用例，沒(méi)有它，也就沒(méi)有智能仿10真過(guò)程與智能仿真結(jié)果。“智能仿真結(jié)果分析”、“建立對(duì)象模型”、“智能仿真模型參數(shù)設(shè)置”、“智能仿真結(jié)果分析”是為“模擬駕駛”用

37、例服務(wù)的。 由于細(xì)化階段細(xì)化了智能仿真平臺(tái)系統(tǒng)的需求，因此可能需要對(duì)用例模型進(jìn)行更新。Rose 可以創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程視圖，例如演示事件流程的活動(dòng)圖。可以利用時(shí)序圖和協(xié)作圖來(lái)進(jìn)行細(xì)化處理流程，根據(jù)這些進(jìn)程視圖，有助于系統(tǒng)邏輯圖的設(shè)計(jì)。對(duì)系統(tǒng)細(xì)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備，使開(kāi)發(fā)人員對(duì)組件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，它可以由 Rose 創(chuàng)建類圖與狀態(tài)圖來(lái)創(chuàng)建。最后，細(xì)化階段要確定許多系統(tǒng)組件。Rose 可以創(chuàng)建一個(gè)方框圖，顯示組成和它們之間的關(guān)系，Rose 還可以創(chuàng)建實(shí)施圖，描述在部署中如何實(shí)現(xiàn)組件。2.4.22.4.2 用例圖描述用例圖描述系統(tǒng)建模視圖包括靜態(tài)視圖和動(dòng)態(tài)視圖，用例圖屬于靜態(tài)視圖，用例圖顯示了系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，描述了對(duì)象

38、的結(jié)構(gòu)、將行為實(shí)體描述成離散的模型元素，但是不包含動(dòng)態(tài)行為中的細(xì)節(jié)。在系統(tǒng)靜態(tài)視圖的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)視圖進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，并建立了相應(yīng)的動(dòng)態(tài)模型。動(dòng)態(tài)視圖是根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間變化的行為。在執(zhí)行 UML 上，動(dòng)態(tài)模型主要是建立系統(tǒng)的交互圖和行為圖。交互圖包含時(shí)序圖和協(xié)作圖兩種；行為圖則包括狀態(tài)圖和活動(dòng)圖。 時(shí)序圖是用來(lái)顯示并強(qiáng)調(diào)對(duì)象之間的時(shí)間順序，還可以顯示對(duì)象之間的交互。協(xié)作圖是用來(lái)描述對(duì)象之間的相互作用。狀態(tài)圖是通過(guò)對(duì)類對(duì)象的生命周期進(jìn)行建模來(lái)描述對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)行為。活動(dòng)圖是用于對(duì)工作流程建模的一種特殊的狀態(tài)機(jī)。2.4.32.4.3 分析類和包分析類和包通過(guò)對(duì)用例進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明后，我們可以確定

39、關(guān)鍵的類。通過(guò)轉(zhuǎn)移分析類和包以及類，便可以得到邏輯視圖。 軟件早期可能只可以得到幾個(gè)主要對(duì)象，隨著工作的重復(fù)測(cè)試和深入分析，通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和分析，不斷地提高了對(duì)象圖。UML 描述了在設(shè)計(jì)初期的對(duì)象總體框架包。包 (package)實(shí)際就是一組對(duì)象組，幾個(gè)對(duì)象組的相結(jié)合就構(gòu)成了包圖，借助于包圖，可以描述出系統(tǒng)之間的對(duì)象組之間的聯(lián)系，以確定系統(tǒng)對(duì)象之間的聯(lián)系。包圖是根據(jù)例圖進(jìn)行歸納分類的結(jié)果，它可以直接從例圖中導(dǎo)出。ATO 智能仿真平臺(tái)的包圖如圖112-4 所示。圖 2-4 ATO 智能仿真平臺(tái)的包圖根據(jù) ATO 智能仿真平臺(tái)的包圖，我們可以進(jìn)一步分析得出對(duì)象圖。為了獲得對(duì)象圖，可根據(jù)協(xié)作圖來(lái)充分

40、了解各個(gè)對(duì)象圖之間的協(xié)同關(guān)系。根據(jù)協(xié)作圖可以看出，ATC 模型應(yīng)該包含 ATO、ATP、ATS、人機(jī)界面(MMI)等其它的類，它們之間的關(guān)系如圖 2-5 所示：圖 2-5 列車自動(dòng)控制系統(tǒng)的對(duì)象圖ATO 類的主要包括等待、發(fā)車、接車、區(qū)間追蹤燈等的運(yùn)行狀態(tài)和停車、超速、限速、正常速度等速度狀態(tài)。列車在正常運(yùn)行情況下必須保證受 ATO 系統(tǒng)控制，各類12狀態(tài)能相互轉(zhuǎn)換，以確保行車安全。當(dāng)他們接收到一個(gè)消息時(shí)，他們的狀態(tài)決定了他們的行為。在這種情況下，用狀態(tài)圖來(lái)描述一個(gè)設(shè)計(jì)類的不同狀態(tài)轉(zhuǎn)移就很有意義。ATO 的狀態(tài)圖如圖 2-6 所示：圖 2-6 ATO 的狀態(tài)圖2.4.42.4.4 創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)圖創(chuàng)

41、建實(shí)現(xiàn)圖智能仿真平臺(tái)在細(xì)化階段時(shí)，創(chuàng)建實(shí)現(xiàn)圖是非常有必要的。實(shí)現(xiàn)圖主要是對(duì)系統(tǒng)構(gòu)件的類圖。在開(kāi)發(fā)軟件的過(guò)程中，通過(guò)使用例圖，可以推測(cè)出系統(tǒng)所需的行為；根據(jù)類圖，可以對(duì)問(wèn)題域的詞匯進(jìn)行描述。通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)序列圖、交互圖、狀態(tài)圖和活動(dòng)圖，可以顯示所有問(wèn)題域的詞匯在定義中是如何共同來(lái)完成這一行為的。最后，我們需要把這些邏輯藍(lán)圖轉(zhuǎn)化為在世界中的一些事物，實(shí)現(xiàn)圖可以用可執(zhí)行體、庫(kù)、表、文件和文檔來(lái)進(jìn)行描述。ATO 智能仿真平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)圖如圖 2-7 所示：13圖 2-7 AT0 智能仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)圖2.52.5 智能仿真平臺(tái)算法設(shè)計(jì)智能仿真平臺(tái)算法設(shè)計(jì)2.5.12.5.1 節(jié)能設(shè)計(jì)節(jié)能設(shè)計(jì)（1）節(jié)能構(gòu)成 列車

42、在固定線路上運(yùn)行時(shí)，消耗的能量可以采用下列式子進(jìn)行計(jì)算： （式 2-3211EEEE1）E1 的意思是增加列車行駛時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能能耗；E2 的意思是克服列車對(duì)基本和坡道阻力做的總功；E3 的意思是列車自己行駛時(shí)的代損耗； 按照不同的線路斷面，E1、E2、E3 所占的比重也是不一樣的，如果兩站之間主要是長(zhǎng)下坡道，即使有一些上坡道也不需要進(jìn)行牽引，列車使用惰行工況也是可以通過(guò)的，對(duì)于特殊的線路段面來(lái)講，機(jī)車運(yùn)行主要為動(dòng)力制動(dòng)、空氣制動(dòng)，機(jī)車控制，所以 E3 在能耗中占據(jù)了主要地位，E1、E2 幾乎不消耗能源，其實(shí)對(duì)于這樣的線路段面來(lái)講，沒(méi)有必要對(duì)列車運(yùn)行的節(jié)能優(yōu)化，列車的運(yùn)行應(yīng)主要是保證安全。如果兩

43、站之間主要是持續(xù)的上坡道， 則 E2 在能源消耗中占據(jù)著主要地位，列車使用的牽引工況，無(wú)需節(jié)能。對(duì)一般的線路斷面來(lái)講，則 E1 和 E2 占在能源消耗中占據(jù)著主要的位置。14而 E1 基本上對(duì)列車不同操作變化不大，所以，列車節(jié)能減少能源不必要的損耗，充分利用勢(shì)能來(lái)維持或增加列車動(dòng)能，以及減少基本阻力所做的功。（2）節(jié)能運(yùn)行規(guī)則本文提出的節(jié)能算法是基于以上算法，列車圍繞目標(biāo)速度牽引一惰性運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究成果設(shè)計(jì)如下的節(jié)能算法： 當(dāng)列車啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)盡可能使用最大牽引力進(jìn)行牽引，對(duì)于各個(gè)城市之間列車的牽引來(lái)講，應(yīng)該盡可能在短時(shí)間內(nèi)提升手柄的最大值。 當(dāng)列車在區(qū)間運(yùn)行時(shí)，應(yīng)

44、盡可能的降低運(yùn)轉(zhuǎn)速度的不平均性，列車速度依據(jù)牽引惰行模式的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，盡可能的采取惰行工況。列車惰行的能量消耗等于自身的消耗，是最小的運(yùn)行能耗。所有有效利用惰行可大大的減少列車總的運(yùn)轉(zhuǎn)能耗。1)停車或者前方限速值為零時(shí)，列車以最大值動(dòng)力制動(dòng)停車。 假定列車正常運(yùn)行時(shí)，以相同的始末速度在相同的實(shí)際內(nèi)通過(guò)相同的距離，不同的操縱方式的能耗不盡相同，由公式(式 2-1)可以看出，E1 和 E3 動(dòng)能的提高和列車自我能量消耗是一樣的，所以能耗區(qū)別主要是由于克服基本阻力及加算坡道阻力做的功不同，由于相同的坡道，克服坡道阻力做的功是一樣的，我們只要比較兩種運(yùn)轉(zhuǎn)模式基本阻力功率的大小即可。假定坡度為 i，坡長(zhǎng)為

45、 L，進(jìn)坡速度和出坡的速度均為 V0。列車運(yùn)行單位基本阻力為： (式 2-2)2*)(fVCVBAv令 W1為變速運(yùn)動(dòng)單位基本阻力功，則可知： (式 2-3)dxVCVBLAWL201dc* 令 W2為理想均勻運(yùn)動(dòng)單位基本阻力功，則可知： (式 2-4)LCVBVLAW*2002 對(duì)比上述兩種條件下克服基本功的大小可得 W1-W2為： (式 2-5)/(*)/dx(*2020021VLdxVLCVLVLBWWL 令 ，LLVdxV0 x/則 （式 2-6）2200220 x/*1/*LdtVdtLVdxTVVLT15 因?yàn)橛?，則根據(jù)積分不等式： TdtTvdtx01,d （式 2-7）220

46、22)(*dt1LVdtdtVT即 所以有 ，同理可證 。1/0 xVV0/dx00LVLV0/dx0202LVLV因此有 。021WW根據(jù)以上推理可以得出結(jié)論，在列車牽引操作時(shí)，在其他條件同等的情況下，通過(guò)勻速運(yùn)動(dòng)克服的基本阻力的是最小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)列車的能源效率，應(yīng)可能降低列車運(yùn)行速度的不均勻。在實(shí)際運(yùn)行中，不肯實(shí)現(xiàn)完全勻速運(yùn)行的，列車將圍繞列車運(yùn)行的目標(biāo)采用牽引惰行模式運(yùn)行。以減小列車運(yùn)行速度的不均勻件。（2）正點(diǎn)運(yùn)行算法根據(jù)列車區(qū)間運(yùn)行的時(shí)間規(guī)定，自動(dòng)駕駛系統(tǒng)必須要確保列車的準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行。根據(jù)節(jié)約時(shí)間模式進(jìn)行列車運(yùn)轉(zhuǎn)模擬，從而得到列車運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間 Tm 與列車規(guī)定的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間Tn 之間的差成

47、為富裕時(shí)間 Ti。 （式 2-TmTnTi8）當(dāng) Ti0 時(shí)，表示列車按最大運(yùn)轉(zhuǎn)速度提前到達(dá)目的地，為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)到達(dá)， 應(yīng)降低目標(biāo)的平均速度，合理分配業(yè)余時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能。減少平均運(yùn)行速度是為了減少牽引時(shí)間，減少能源消耗，使得列車運(yùn)行更準(zhǔn)時(shí)。(3) 停車精度因?yàn)檎九_(tái)的長(zhǎng)度是固定的，不準(zhǔn)確的停車位置將會(huì)影響乘客的上下車，特別是安裝了屏蔽門(mén)的站臺(tái)。這就要求列車在停車前，ATO 和 ATP 等密切配合，精確計(jì)算、及時(shí)自動(dòng)調(diào)整 列車運(yùn)行速度，達(dá)到自動(dòng)精確停車。ATO 設(shè)計(jì)了如下停車檢測(cè)算法：在列車距車站停車點(diǎn) 350m、150m、25m、8m 處，分別設(shè)置不同固有頻率的定位停車傳感器(標(biāo)志器)，當(dāng)列車惰

48、行節(jié)能運(yùn)行至距停車點(diǎn) 350m 處，16當(dāng)列車天線位于車站地面?zhèn)鞲衅鞯姆秶鷥?nèi)時(shí)，通過(guò)電磁感應(yīng)和產(chǎn)生諧振以及接收停車標(biāo)志的頻率信息，會(huì)在列車上產(chǎn)生第一制動(dòng)模式的減速運(yùn)行。 同樣，當(dāng)列車分別到達(dá)停車點(diǎn) 150m，25m，8m 時(shí)，分別為：第二，第三，第四模式運(yùn)行曲線，以保證列車自動(dòng)停車。目前，精度控制在25cm 范圍內(nèi)。該定位停車算法圖如圖 2-8 所示。圖 2-8 定位停車算法示意圖(4) ATO 智能仿真系統(tǒng)算法流程如圖 2-9 所示，列車運(yùn)行算法流程，其過(guò)程為：列車首先獲得線路、列車的數(shù)據(jù)，以確定列車運(yùn)行過(guò)程中的受力情況，然后利用節(jié)能算法和定時(shí)運(yùn)行算法，計(jì)算列車在無(wú)干擾的情況下，優(yōu)化運(yùn)行曲線

49、，在期間內(nèi)，為了滿足一定的舒適度，設(shè)置所允許的加速和減速及變化率的大小。最后，根據(jù)目標(biāo)停車點(diǎn)的位置，可以使用停車算法來(lái)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)停車。 此外，實(shí)際運(yùn)行往往受到諸多因素的影響，導(dǎo)致列車早點(diǎn)和晚點(diǎn)情況發(fā)生，在這種情況下，系統(tǒng)將根據(jù)列車運(yùn)行速度的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行列車運(yùn)行速度的時(shí)分曲線。圖 2-9 ATO 智能仿真算法流程圖173 3 列車運(yùn)行智能仿真列車運(yùn)行智能仿真3.13.1 建立模型建立模型列車運(yùn)行智能仿真需要建立下面三種模型：動(dòng)力學(xué)特性的曲線模型，列車、線路、ATC 模型。3.1.13.1.1 建立動(dòng)力學(xué)特性曲線模型建立動(dòng)力學(xué)特性曲線模型建立動(dòng)力學(xué)特性曲線模型主界面如圖 3-1 所示。該圖顯示了庫(kù)

50、中所有的牽引特性曲線和所有選定特征點(diǎn)的曲線，當(dāng)我們指定一個(gè)特征點(diǎn)時(shí)就可以直觀地顯示在曲線上。根據(jù)這個(gè)功能，我們可以很方便的模擬各項(xiàng)參數(shù)。從而，能夠更好的研究 不同列車的動(dòng)力學(xué)特性，更好的改進(jìn)列車。圖 3-1 建立動(dòng)力學(xué)特性曲線模型主界面3.1.23.1.2 建立列車模型建立列車模型建立列車模型主界面如圖 3-2 所示。圖中顯示的是南京地鐵一號(hào)線的列車信息， 包括車長(zhǎng)、車重等信息以及牽引力、制動(dòng)力、阻力特性曲線。通過(guò)這個(gè)功能，可以方便的添加、修改和刪除列車模型。18圖 3-2 建立列車模型主界面3.1.33.1.3 建立建立 ATCATC 模型模型建立 ATC 模型主界面如圖 3-3 所示。通過(guò)

51、它我們可選擇 ATC 系統(tǒng)的子系統(tǒng)ATO、ATP、ATS 各設(shè)備中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和設(shè)備間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這樣便可以配置特有的 ATC 系統(tǒng)。從主界面可以了解智能仿真系統(tǒng)設(shè)備計(jì)算信息：門(mén)控信息、車次、運(yùn)行方向、目標(biāo)站、車站通過(guò)、發(fā)車站、停車點(diǎn)位置、運(yùn)行模式、運(yùn)行時(shí)間、惰行命令、發(fā)車時(shí)分、情行時(shí)間等。在此基礎(chǔ)上，可以設(shè)置 ATC 模型的配置界面，如圖 3-4 所示。圖 3-3 ATC 模型的主界面19圖 3-4 ATC 模型的設(shè)備配置界面3.23.2 人工駕駛功能智能仿真人工駕駛功能智能仿真以往司機(jī)培訓(xùn)是一種師傅帶徒弟，培訓(xùn)工作受到機(jī)車、線路、時(shí)間、區(qū)間的限制，培訓(xùn)期很長(zhǎng)。采用 ATO 智能仿真平臺(tái)，能

52、模擬駕駛室顯示，模擬列車與線路的狀態(tài)，到此能實(shí)現(xiàn)安全培訓(xùn)，并可以大大縮短司機(jī)培訓(xùn)周期。智能仿真平臺(tái)能給司機(jī)提供啟動(dòng)、牽引、制動(dòng)或切換成自動(dòng)駕駛模式等功能。圖 3-5 選擇的線路足南京地鐵一號(hào)線南京 站至中華門(mén)路段，圖中給出了一條人工駕駛的速度距離曲線。外圍曲線是最大允許速度曲線，內(nèi)部曲線是實(shí)際速度曲線。圖 3-5 人工駕駛速度-距離曲線3.33.3 自動(dòng)駕駛功能智能仿真自動(dòng)駕駛功能智能仿真ATO 控制算法主要是牽引力和制動(dòng)力計(jì)算的問(wèn)題。使用不同的控制算法會(huì)得出不同的控制力，其性能指標(biāo)也是不一樣的。各種控制算法的性能如何，本智能仿真平臺(tái)20提供了分析和比較的空間。由于智能仿真平臺(tái)提供了算法的接口

53、，因此各種算法能方便地添加。目前，在智能仿真平臺(tái)中已經(jīng)加入了三種控制算法，這三種算法不一定是最優(yōu)的，但是它說(shuō)明在智能仿真平臺(tái)中可方便地添加修改算法。圖 3-6 給出了兩種不同算法在相同運(yùn)行環(huán) 境下的不同控制效果。研究 ATO 算法的用戶，可以自己編寫(xiě)算法模塊嵌入應(yīng)用程序。圖 3-6 自動(dòng)駕駛速度-距離曲線4 4 城市軌道交通的列車車輛節(jié)能策略城市軌道交通的列車車輛節(jié)能策略4.14.1 車輛設(shè)備節(jié)能車輛設(shè)備節(jié)能4.1.14.1.1 列車客室照明熒光燈改為列車客室照明熒光燈改為 LEDLED 燈管燈管熒光燈含有重污染的金屬物質(zhì)，使得報(bào)廢的熒光燈管對(duì)環(huán)境的污染十分嚴(yán)重，同時(shí)也存在功率高、消耗量大、壽

54、命短、維護(hù)量大等諸多缺點(diǎn)，而 LED 燈管采用發(fā)光二極管作為光源，功率低、功效高、壽命長(zhǎng)、更節(jié)能。214.1.24.1.2 列車客室空調(diào)定頻改為變頻列車客室空調(diào)定頻改為變頻由于供電頻率不能改變，定頻空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速基本不變，依靠不斷的開(kāi)、停壓縮機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)列車客室的溫度，很容易造成列車客室的溫度忽冷忽熱，并消耗較多的電能。相比較而言，變頻空調(diào)的變頻器改變壓縮機(jī)的供電頻率，調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，依靠壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速快慢達(dá)到控制列車客室溫度的目的，其優(yōu)點(diǎn)是室溫波動(dòng)小、電能消耗少。4.1.34.1.3 傳統(tǒng)繼電器控制改成傳統(tǒng)繼電器控制改成 PLCPLC 集中控制集中控制傳統(tǒng)線圈式的繼電器，存在能耗大、損壞率高、體

55、積大、接線復(fù)雜、附件多、改造復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)，而 PLC 集中控制改造起來(lái)就會(huì)相對(duì)簡(jiǎn)單，只需要改編程邏輯圖就可以改變它的控制方式，不僅可以將風(fēng)險(xiǎn)降到最低，還能降低人工改造量和投入的成本，從而達(dá)到節(jié)能的目的。4.24.2 列車編組優(yōu)化列車編組優(yōu)化在列車的日常運(yùn)輸組織過(guò)程中，具有多種不確定因素，綜合這些因素針對(duì)車輛進(jìn)行組織管理工作至關(guān)重要。列車的編組主要考慮的編組指標(biāo)有：車流量、集結(jié)時(shí)間、車輛改編作業(yè)時(shí)間，同時(shí)指標(biāo)是不斷波動(dòng)的。而目前車流組合計(jì)算采用靜態(tài)參數(shù)，實(shí)際上在不同組合方案之間，參數(shù)是完全不同的。傳統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果，可能在實(shí)際執(zhí)行中與理論計(jì)算存在著較大偏差。因此，采用動(dòng)態(tài)參數(shù)構(gòu)建新的優(yōu)化模型是

56、編組計(jì)劃優(yōu)化的重要方向。以編組計(jì)劃與車流徑路為研究對(duì)象，將車流量的波動(dòng)性考慮到編組計(jì)劃優(yōu)化問(wèn)題中，并利用隨機(jī)模擬和模糊模擬方法，根據(jù)編組計(jì)劃與車流徑路綜合優(yōu)化的目標(biāo)和原則，建立基于車流量波動(dòng)的列車編組計(jì)劃與車流徑路綜合優(yōu)化模型，采用基于隨機(jī)模擬的改進(jìn)分枝定界法對(duì)模型進(jìn)行求解，為車流組織優(yōu)化提供一種新的思路。224.34.3 列車重量控制列車重量控制列車自重直接影響列車牽引系統(tǒng)的所需電量，越重的列車在同樣的牽引系統(tǒng)情況下所消耗的電量越多。故在列車重量方面的節(jié)能策略是：在新車采購(gòu)中實(shí)現(xiàn)車輛輕量化，車輛輕量化中最為關(guān)鍵的是車體的輕量化，因?yàn)檐圀w在車輛重量中所占的比重最大，大約占到四分之一，采用輕量化

57、材料是降低車體重量的關(guān)鍵。除此之外，車體型材間的連接方式、內(nèi)裝材料的選擇對(duì)車體重量產(chǎn)生很大的影響。因此，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)企業(yè)在新車采購(gòu)時(shí)，應(yīng)逐步研究在保證列車安全及各項(xiàng)主要性能的前提下，如何降低并控制列車自重從而達(dá)到減少列車牽引用電的目的。4.44.4 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能牽引傳動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能4.4.14.4.1 最大轉(zhuǎn)矩電流比控制技術(shù)最大轉(zhuǎn)矩電流比控制技術(shù)在傳統(tǒng)的矢量控制方法中，勵(lì)磁電流通常是給定的恒定額定值，而不考慮隨負(fù)載變化對(duì)勵(lì)磁進(jìn)行調(diào)整。這樣，特別是在輕載情況下，電機(jī)效率就會(huì)有大幅度的下降。在一定的轉(zhuǎn)矩下，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄊ馆敵鲭娏鬟_(dá)到最小，則不僅可提高電機(jī)效率，而且可減小與電機(jī)相連逆變器或

58、者變頻器的電流應(yīng)力。列車在運(yùn)行的時(shí)候接收的是轉(zhuǎn)矩指令（不管是牽引還是制動(dòng)情況下），按照矢量控制的控制思路，電機(jī)轉(zhuǎn)矩大小正比于勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量的乘積，可以采用基于“最大轉(zhuǎn)矩電流比”的電機(jī)節(jié)能控制方法，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)勵(lì)磁電流分量與轉(zhuǎn)矩電流分量的大小關(guān)系，考慮變流器狀態(tài)的動(dòng)態(tài)波動(dòng)、列車載荷變化及列車黏著系數(shù)的變化等條件，實(shí)現(xiàn)既定轉(zhuǎn)矩下的最小電流輸出，提高牽引能量利用效率。4.4.24.4.2 特定諧波脈寬調(diào)制技術(shù)特定諧波脈寬調(diào)制技術(shù)特定諧波消除脈寬調(diào)制技術(shù)，它是通過(guò)傅里葉分析，在特定時(shí)刻進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，以消除某些指定次數(shù)的諧波的一種方法。由于現(xiàn)在絕大多數(shù) SHEPWM 都是提前計(jì)算好開(kāi)關(guān)角度并

59、存儲(chǔ)成表格再使用，故也被稱為開(kāi)關(guān)預(yù)算脈寬調(diào)制。23在大功率牽引變流器中，電壓波形往往不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，富含有 5 次、7 次和11 次等低次諧波，這些諧波會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行造成一定的影響，主要表現(xiàn)在諧波發(fā)熱、轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和噪聲上，特定諧波消除脈寬調(diào)制技術(shù)因?yàn)橄说痛沃C波，消除了這些低次諧波的影響，從而使?fàn)恳齻鲃?dòng)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，并且會(huì)減小諧波發(fā)熱等影響，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。4.54.5 多列車能耗節(jié)能解決方案多列車能耗節(jié)能解決方案4.5.14.5.1 對(duì)發(fā)車間隔進(jìn)行合理安排對(duì)發(fā)車間隔進(jìn)行合理安排盡量重合相鄰列車的加速時(shí)間以及制動(dòng)時(shí)間，可以有效提高再生制動(dòng)的利用效率。時(shí)刻表在編制過(guò)程中需要保證列車的運(yùn)營(yíng)需求的同時(shí)，盡可能確保同一供電分區(qū)內(nèi)前一列車車輛制動(dòng)形成多的再生制動(dòng)能可以有效利用到后車中。4.5.24.5.2 將停站時(shí)間減少將停站時(shí)間減少滿足了乘客上下車時(shí)間的前提下，可以盡可能的縮短列車的?？繒r(shí)間，可以適當(dāng)延長(zhǎng)列車區(qū)間運(yùn)行中所需的時(shí)間，以降低列車的運(yùn)行速度，從而將列車基本阻力與附加阻力的能耗進(jìn)行有效降低。4