基于遗传算法的列车节能操纵曲线寻优

【摘要】： 能源是社会经济发展的基础，在能源日益紧缺的今天，铁路部门作为国民经济中能耗最大的单位之一，其节能问题的研究具有重要意义。在既定的运行图、编组等条件下，同一列列车在规定时间内，完成规定运输距离，也存在着不同的操纵方法，不同的操纵方法会直接导致能量消耗不同，找到能耗最小的列车操纵方案就成为重要的研究课题。 本文在牵引计算及列车运行动力学方程的基础上，结合列车在运行过程中的要求，建立以能耗、时分误差、限速等为目标的列车节能控制模型，利用实数遗传算法，通过软件编程来实现对列车节能方案的研究，主要研究内容如下： 论文首先介绍了列车节能控制的研究背景，通过对国内外研究发展现状的论述，说明遗传算法能够在全局范围内搜索并得到最优解。 第二：讨论列车运行的安全和节能问题，其中包括列车的平稳起动、途中运行和停车制动三个方面。在保证列车安全、准点运行的条件下进行列车的节能操纵曲线寻优。 第三：介绍了遗传算法的相关理论，遗传算法的基本理论中主要介绍其编码机制、选择算子、交叉算子、变异算子、适应度函数及相关约束条件的处理等；同时证明了采用最优个体保存策略可以解决算法的收敛性问题。此外，还分析了遗传算法的优点和不足，指出遗传算法的特点能够保证它完成列车优化操作曲线的寻优工作。 第四：以牵引计算的知识为基础，给出列车节能控制的策略，建立求取列车节能曲线的模型，并对寻优参数的设置给出说明；接下来分别介绍程序的五个主要模块：初始数据输入模块、停车制动模块、牵引计算模块、适应度计算模块、遗传迭代模块等。 本文的创新点在于：采用了改进的实数遗传算法，以保证整个寻优过程的收敛，程序支持任意长度线路的操纵曲线寻优；考虑了较为全面的约束条件，引入数学中的惩罚函数法，按照约束在寻优过程中的不同作用，给予相应的惩罚系数，来体现它们在目标函数中的权重；与应用遗传算法求取列车操纵曲线的其它程序相比，本文在操纵序列的选择中引入了动力制动工况，较为全面的反映了司机的操纵情况；特别的是以往的寻优计算，只能在简单的坡道上进行，而本文所采用的坡道是复杂坡道。 最后进行节能优化模式曲线的相关计算，分析了运行时间、操纵序列、迭代初值、交叉概率、变异概率等因素对列车节能操纵曲线寻优的影响，给出验证实例。 【关键词】：列车优化操纵 实数遗传算法 VisualBasic编程 节能控制模型
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：U268
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 研究背景10-11
• 1.2 利用遗传算法研究列车节能问题的必要性11-12
• 1.3 本文的研究内容12-14
• 第2章 列车运行的安全和节能问题14-18
• 2.1 列车的平稳起动14
• 2.2 列车的途中运行14-16
• 2.3 列车的停车制动16-18
• 第3章 遗传算法的基本理论18-28
• 3.1 遗传算法的理论基础18-22
• 3.1.1 模式定理18
• 3.1.2 积木块假设18-19
• 3.1.3 收敛性理论19-22
• 3.2 遗传算法的基本理论22-26
• 3.2.1 编码22-23
• 3.2.2 选择23-24
• 3.2.3 交叉24-25
• 3.2.4 变异25
• 3.2.5 适应度函数25-26
• 3.2.7 约束条件的处理26
• 3.3 遗传算法的优势及不足26-27
• 3.4 本章小结27-28
• 第4章 列车优化操纵的程序设计28-63
• 4.1 列车节能优化操纵模型的建立28-35
• 4.1.1 列车节能操纵寻优策略的确定28-30
• 4.1.2 能耗模型的建立30-34
• 4.1.3 寻优参数的确定34-35
• 4.2 初始数据的输入模块35-46
• 4.2.1 迭代初值产生的范围和标准35-37
• 4.2.2 初值产生的程序流程图37-38
• 4.2.3 初值产生的界面设计38-40
• 4.2.4 线路化简流程图40-43
• 4.2.5 线路化简界面设计43-46
• 4.3 牵引计算模块46-51
• 4.3.1 列车运行动力学方程47
• 4.3.2 曲线拟合47-50
• 4.3.3 拟合数据显示界面设计50-51
• 4.4 停车制动模块51-53
• 4.4.1 停车制动的计算流程51-52
• 4.4.2 停车制动模块的设计52-53
• 4.5 适应度计算模块53-55
• 4.6 遗传操作模块55-61
• 4.6.1 最佳个体保存策略55-56
• 4.6.2 选择操作的程序流程56-57
• 4.6.3 交叉操作的算法57-58
• 4.6.4 变异操作的算法58-59
• 4.6.5 模块的界面设计59-61
• 4.7 本章小结61-63
• 第5章 列车节能优化模式曲线的计算63-81
• 5.1 运行时间对操纵序列的影响63-64
• 5.2 产生初值的计算64-66
• 5.3 停车制动计算66-67
• 5.4 交叉概率对寻优过程的影响67-70
• 5.5 变异概率对寻优过程的影响70-72
• 5.6 操作序列对能耗的影响72-75
• 5.7 验证算例一75-77
• 5.8 验证算例二77-79
• 5.9 验证算例三79-81
• 结论81-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-87
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目87

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