張李軍，專(zhuān)祥濤

（武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

重載列車(chē)有著運(yùn)量大，效率高，成本低的優(yōu)勢(shì)，重載列車(chē)技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)于重載列車(chē)技術(shù)的研究近幾年取得了不少成果，本文從重載列車(chē)運(yùn)行的控制目標(biāo)、研究方法和系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)3個(gè)方面分別進(jìn)行闡述。

1 重載列車(chē)運(yùn)行控制的目標(biāo)

重載列車(chē)運(yùn)行中，關(guān)心的主要因素包括能量消耗、運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行安全。能量消耗直接關(guān)系到運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益，能耗越少，運(yùn)行的成本就越低；運(yùn)行時(shí)間則關(guān)系到線路的運(yùn)輸能力和鐵路企業(yè)的服務(wù)水平，速度越快，企業(yè)的服務(wù)水平越好。然而，速度越快，列車(chē)運(yùn)行的安全水平越難保障，如果沒(méi)有有效的控制措施，制動(dòng)距離和車(chē)鉤受力都會(huì)隨著速度的提高而增大，直接影響列車(chē)的安全運(yùn)行。

1.1 以減少能耗為目標(biāo)

國(guó)外對(duì)列車(chē)節(jié)能運(yùn)行問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究。南澳大利亞大學(xué)SCG研究所在列車(chē)的建模和控制方面做了一系列研究[1～2]，他們最重要的貢獻(xiàn)有3點(diǎn)。（1）提出了計(jì)算列車(chē)節(jié)能控制問(wèn)題的機(jī)械能模型，指出了列車(chē)節(jié)能控制主要分為4個(gè)階段：最大加速、勻速運(yùn)行、惰行以及最大制動(dòng)[2]。（2）相繼開(kāi)發(fā)了適用于較短列車(chē)計(jì)算機(jī)在線操縱指導(dǎo)系統(tǒng)METROMISER，和適用于長(zhǎng)途貨運(yùn)列車(chē)的節(jié)能控制系統(tǒng)CRUISEMSIER。（3）綜合考慮了離散和連續(xù)控制，研究了更符合實(shí)際情況的列車(chē)運(yùn)行控制問(wèn)題，給出了關(guān)于如何計(jì)算最優(yōu)控制切換點(diǎn)的新結(jié)果，并在2010年解決了在大坡度道路上全局最優(yōu)切換點(diǎn)的計(jì)算問(wèn)題，完善了這一結(jié)果。

他們的研究有兩點(diǎn)不足之處。（1）研究是在純氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)上進(jìn)行的，這種制動(dòng)系統(tǒng)由于氣動(dòng)信號(hào)的傳輸時(shí)延和衰減問(wèn)題在重載列車(chē)上的使用并不理想。（2）設(shè)計(jì)的控制器本質(zhì)上是開(kāi)環(huán)控制器，沒(méi)有任何系統(tǒng)的輸出反饋到控制回路，操作效果會(huì)受到實(shí)際環(huán)境的影響。

為了解決以上問(wèn)題，南非University of Pretoria的研究團(tuán)隊(duì)在總結(jié)澳大利亞和美國(guó)的列車(chē)制動(dòng)控制方案后，將原來(lái)的開(kāi)環(huán)控制器改進(jìn)為閉環(huán)控制器，并考慮了大面積使用ECP（電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)electrically controlled pneumatio brake system），制動(dòng)后，列車(chē)縱向力沖動(dòng)的改善和能耗的減少。他們首先對(duì)裝備ECP的重載列車(chē)建立了縱向動(dòng)力學(xué)模型[3]，基于這種模型，提出了基于速度反饋的控制方法，并利用非線性系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器[4]，解決了全狀態(tài)反饋在實(shí)際應(yīng)用不現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題，使得列車(chē)能效優(yōu)化控制更接近實(shí)際情況。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)主要致力于列車(chē)節(jié)能算法設(shè)計(jì)與模型求解方法的研究。起初采用了拉格朗日乘子法。但在實(shí)際計(jì)算應(yīng)用中，這種算法由于參數(shù)敏感有時(shí)會(huì)導(dǎo)致程序無(wú)法執(zhí)行而且參數(shù)很難調(diào)整。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，后來(lái)改用遺傳算法等啟發(fā)式算法求解模型[6~7]。

啟發(fā)式算法的缺點(diǎn)是，很難保證求得全局最優(yōu)解。有一部分學(xué)者將預(yù)測(cè)控制理論應(yīng)用于重載列車(chē)的控制中，取得了良好的效果。例如：文獻(xiàn)[8~9]深入研究了預(yù)測(cè)控制理論，將預(yù)測(cè)控制的思想運(yùn)用于列車(chē)節(jié)能運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)。建立了機(jī)車(chē)節(jié)能控制模型，借助于預(yù)測(cè)方案確定列車(chē)節(jié)能運(yùn)行的工況轉(zhuǎn)換點(diǎn)，并通過(guò)仿真研究證明了該預(yù)測(cè)控制算法的有效性。

除了對(duì)列車(chē)建模和控制之外，駕駛?cè)藛T的技術(shù)水平也是影響能效的一個(gè)重要因素，為此，文獻(xiàn)[10]針對(duì)機(jī)車(chē)司機(jī)操縱列車(chē)時(shí)不合理的能耗問(wèn)題，對(duì)節(jié)能列車(chē)操縱的思路及方法進(jìn)行了分析論述。

1.2 以準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行為目標(biāo)

從列車(chē)調(diào)度方面系統(tǒng)考慮，為保證列車(chē)的準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，列車(chē)運(yùn)行調(diào)度問(wèn)題至關(guān)重要。當(dāng)列車(chē)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)偏離運(yùn)行計(jì)劃而造成列車(chē)運(yùn)行秩序紊亂時(shí)，必須重新規(guī)劃列車(chē)運(yùn)行時(shí)刻表，盡快恢復(fù)列車(chē)有秩序運(yùn)行狀態(tài)。列車(chē)調(diào)度問(wèn)題屬于大規(guī)模的組合優(yōu)化問(wèn)題，現(xiàn)有方法只能解決特定調(diào)度區(qū)段或是特定列車(chē)組的列車(chē)運(yùn)行，不具有廣泛的適應(yīng)性，基于此，文獻(xiàn)[11]等構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化列車(chē)運(yùn)行調(diào)整的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)計(jì)了分解協(xié)調(diào)計(jì)算模型。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該計(jì)算模型能適應(yīng)多種線路條件和不同列車(chē)調(diào)度員習(xí)慣偏好，并快速求出優(yōu)化解。

從單個(gè)列車(chē)考慮，其運(yùn)行的準(zhǔn)時(shí)性是列車(chē)調(diào)度系統(tǒng)的保障，文獻(xiàn)[12]的研究考慮了準(zhǔn)時(shí)特性，以在一定的時(shí)分誤差最小為控制目標(biāo)之一對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了單個(gè)列車(chē)的準(zhǔn)時(shí)性。

1.3 以運(yùn)行安全為目標(biāo)

重載列車(chē)運(yùn)行的安全問(wèn)題主要包括列車(chē)超速保護(hù)、坡道停車(chē)問(wèn)題以及車(chē)鉤受力問(wèn)題。

對(duì)于超速問(wèn)題，文獻(xiàn)[13]開(kāi)發(fā)的列車(chē)速度控制仿真系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行。針對(duì)坡道停車(chē)問(wèn)題，文獻(xiàn)[14]從完善重載列車(chē)的操縱辦法、提高操縱技能、穩(wěn)定設(shè)備質(zhì)量和提高調(diào)度指揮水平等方面提出了防止列車(chē)坡停的具體對(duì)策措施。

車(chē)鉤受力過(guò)大容易導(dǎo)致斷鉤現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而引起列車(chē)脫軌等一系列嚴(yán)重事故。為此，國(guó)內(nèi)研究根據(jù)萬(wàn)噸重載列車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際操縱經(jīng)驗(yàn)，在理論和實(shí)際相結(jié)合基礎(chǔ)上探討了萬(wàn)噸重載列車(chē)的平穩(wěn)操縱方法。南非文獻(xiàn)[15]在對(duì)重載列車(chē)深入研究的基礎(chǔ)上，提出了一種綜合考慮列車(chē)縱向車(chē)鉤力、能量消耗的最佳的重載列車(chē)操縱方法。

2 重載列車(chē)運(yùn)行控制的研究方法

2.1 建模仿真研究

利用計(jì)算機(jī)技術(shù)將理論研究和試驗(yàn)研究相結(jié)合對(duì)重載列車(chē)進(jìn)行系統(tǒng)仿真研究能節(jié)省大量人力物力，并提高研究的效率，是重要的研究手段。

在關(guān)于制動(dòng)特性的研究方面，2004年，利用現(xiàn)代流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法研究了長(zhǎng)大貨物列車(chē)空氣制動(dòng)管系的充氣特性[16]，建立了考慮列車(chē)管泄漏的連續(xù)性方程，給出一種求解壓力速度耦合方程的顯式有限差分算法。

關(guān)于列車(chē)操縱方面的研究較多，如文獻(xiàn)[18]通過(guò)建立重載列車(chē)運(yùn)行仿真平臺(tái)，研究了大秦線不同編組重載列車(chē)的牽引、制動(dòng)等技術(shù)參數(shù)，為大秦線組織重載列車(chē)試驗(yàn)、制訂合理的操縱方法等方面提供了技術(shù)依據(jù)。

2.2 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)研究包括試驗(yàn)室試驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)。前者是在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)重載列車(chē)關(guān)鍵部件的模擬試驗(yàn)，主要有鉤緩裝置和列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)以較少的人力、物力進(jìn)行多方案的比較，并完成在實(shí)際運(yùn)行中難以實(shí)現(xiàn)的試驗(yàn)，特別在重載列車(chē)的初期研究階段是必不可少的。由于試驗(yàn)室試驗(yàn)不能完全反映復(fù)雜的實(shí)際情況，所以運(yùn)行試驗(yàn)被用來(lái)在研究后期作為試驗(yàn)驗(yàn)證的手段，和結(jié)論性試驗(yàn)。運(yùn)行試驗(yàn)一般是將專(zhuān)用的試驗(yàn)車(chē)混編在列車(chē)中進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄運(yùn)行參數(shù)以供研究。

試驗(yàn)室試驗(yàn)方面，文獻(xiàn)[18]對(duì)長(zhǎng)大貨物列車(chē)新型制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，在2001年設(shè)計(jì)了相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)。

受各種因素的影響，研究列車(chē)運(yùn)行試驗(yàn)的文獻(xiàn)尚不多見(jiàn)，2007年，文獻(xiàn)[19]根據(jù)大秦線2萬(wàn)t列車(chē)的試驗(yàn)和仿真研究結(jié)果，提出了大秦線安全開(kāi)行2萬(wàn)t重載組合列車(chē)的技術(shù)對(duì)策和建議。

3 重載列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)方法

國(guó)內(nèi)外目前在重載列車(chē)控制器的設(shè)計(jì)方法上從形式上分有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制兩種策略，從使用的具體方法上分主要有采用現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)反饋法、基于啟發(fā)式算法的遺傳算法，模糊邏輯算法以及預(yù)測(cè)控制法。

國(guó)內(nèi)的研究主要集中在自適應(yīng)算法這一塊[8]。2009年，文獻(xiàn)[9～10]針對(duì)SS4改型機(jī)車(chē)對(duì)列車(chē)的節(jié)能運(yùn)行速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。核心內(nèi)容是列車(chē)節(jié)能運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)，介紹了預(yù)測(cè)控制理論的基本原理及其基本特征，將預(yù)測(cè)控制的思想運(yùn)用于列車(chē)節(jié)能運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)。其做法：利用速度預(yù)測(cè)控制算法對(duì)列車(chē)運(yùn)行的典型區(qū)間進(jìn)行了節(jié)能運(yùn)行速度的預(yù)測(cè)，給出了列車(chē)節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化方案的選擇方法，通過(guò)仿真研究證明了該預(yù)測(cè)控制算法的有效性，在滿(mǎn)足時(shí)間等限制的條件下達(dá)到了節(jié)能的目的。

上述控制器設(shè)計(jì)方法和SCG的控制方法[2]，在本質(zhì)上是一種開(kāi)環(huán)控制。鑒于此，南非比勒陀利亞大學(xué)團(tuán)隊(duì)綜合考慮車(chē)鉤受力的優(yōu)化問(wèn)題和LRQ閉環(huán)控制思想，設(shè)計(jì)了基于全狀態(tài)反饋的閉環(huán)優(yōu)化控制器。然而實(shí)際中并不是所有的狀態(tài)量都可測(cè)，為了解決這個(gè)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于速度測(cè)量反饋、并利用非線性理論設(shè)計(jì)了優(yōu)化控制器[4]，使得這種列車(chē)控制器可以方便地被用于實(shí)際列車(chē)控制中，并取得了比用線性理論設(shè)計(jì)的控制器更好的實(shí)際效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外重載列車(chē)研究的現(xiàn)狀可以得出以下結(jié)論：

（1）ECP制動(dòng)必將代替純空氣制動(dòng)；（2）預(yù)測(cè)控制在列車(chē)運(yùn)行控制中逐漸成為一種趨勢(shì)；（3）節(jié)能和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題越來(lái)越受重視；（4）信息技術(shù)的應(yīng)用對(duì)改善列車(chē)運(yùn)行調(diào)度、控制、設(shè)備改造等方面都將產(chǎn)生重大影響；（5）綜合考慮列車(chē)系統(tǒng)的非線性特性和外界干擾，研究更加接近實(shí)際情況的列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)意義重大。

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