基于扩展滑模扰动观测器的高速列车分布式速度协同滑模控制

针对高速列车运行中因受外界未知扰动而导致的各车厢速度不同步问题,提出一种基于扩展滑模扰动观测器的高速列车分布式滑模控制算法。首先,考虑高速列车运行的受力情况,建立高速列车多质点模型;其次,设计领航者车厢滑模控制器和跟随者车厢分布式滑模控制器,构建扩展滑模扰动观测器估计外界未知干扰,并反馈给分布式滑模控制器,以消除外界未知干扰对高速列车各车厢速度同步造成的影响,同时利用Lyapunov理论证明了算法的稳定性。最后,通过Matlab仿真验证了该算法能实时精确观测外界未知扰动并反馈补偿,跟随者车厢能快速跟踪领航者车厢的速度,速度跟踪精确度高达99.9%。

基于群组运行的重载铁路列车运行图优化研究

重载铁路运输主要承担大宗货物运输任务,在保障能源供应和工业生产中发挥着重要作用。随着通信技术的发展,列车群组运行有助于解决既有设施设备导致重载铁路运输能力不足等问题。然而,重载铁路列车群组运行相较于传统模式下的列车运行图,在时间间隔、到发线能力等方面均有差异。通过分析基于群组运行的重载铁路单元列车运输组织特点与开行条件,建立以总旅行时间最小为目标的群组运行的重载铁路单元列车运行图优化模型,设计改进的SPSO粒子群算法进行求解。通过与非群组运行模式下重载铁路列车运行图比较分析,基于群组运行的重载铁路列车运行图中列车的总旅行时间降低2%,总占用时间减少12.5%,实现重载铁路列车高密度编组运行,验证该模型与算法能够显著提高线路的运输能力。

基于列车运行多模型的能耗仿真计算

针对目前城市轨道交通系统能耗剧增导致能耗计算量大、计算不够精准的问题,通过考虑电机动态效率,精确计算实际列车侧能耗,并构建基于列车运行单质点和多质点模型的能耗仿真计算模型。首先分析列车牵引传动系统的能量流动过程,建立各部件效率与列车运行状态的关系。然后,结合各部件效率转换,依据两表法推导基于电功率的实际列车能耗计算公式,综合分析影响能耗的因素,进一步提出考虑单质点和多质点列车模型的能耗仿真计算方法。最后,以国内某市域线路的四站三区间为例,验证本文所提能耗模型的准确性。研究结果表明:无论是单质点还是多质点列车运行模型下的运行能耗,与实际运行能耗相比,均能实现5%以内的偏差;在单质点模型的基础上,多质点模型的运行能耗进一步减小了1.66%的偏差。本文所提模型可以为列车节能优化提供理论支撑,助力我国绿色经济发展。

短定子磁浮列车基于悬浮间隙实现测速和定位的算法仿真及应用

短定子磁浮列车测速和定位技术实现方式与传统轮轨不同,目前有多种技术实现方式,但都需要在磁浮列车上设置测速和定位设备或系统,且与悬浮控制系统相互独立,但悬浮控制系统对速度信号和位置信号又有一定的依赖性。因此,设计了一种基于悬浮间隙实现测速和定位的算法,并通过仿真达到算法设计预期目的,最后通过编程将算法嵌入磁浮列车的悬浮控制系统硬件平台,实现测速和定位的算法应用,测速和定位信号完全集成于悬浮控制系统中,摆脱悬浮控制系统对外置测速定位系统的依赖,提升磁浮列车在轨道交通市场的竞争力。

面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行仿真研究

城市轨道交通是解决城市交通拥堵问题最强有效的绿色交通方式,其高峰期客流激增且客流时空分布不均,而面向虚拟连挂的城轨列车动态灵活编组和群组追踪运行能有效满足复杂多变的城轨运营需求。本文剖析面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行过程,给出虚拟连挂列车群组最小安全追踪距离计算公式;以单列标准车长的线路路段为一个元胞单元,设计速度及位移更新规则,构建基于元胞自动机的城轨列车群组追踪运行仿真模型;以某市地铁2号线为背景,多角度仿真刻画面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行性能。仿真结果表明:面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行模型能有效缩短列车最小安全追踪间隔时间,城轨线路通过能力较移动闭塞制式提高78.4%;头车延迟引起的后续列车晚点总数量及总晚点时间更小,呈现出更佳的抗干扰性与恢复性能,且宜采用小编组列车实现虚拟连挂;动态混合编组的城轨列车群组追踪运行性能最佳,单一小编组的次之,大编组列车群宜在小编组列车群前面运行;城轨列车群组旅行速度总体上与平均站间距呈正相关;当列车发车间隔大于延迟时间时,平均站间距对列车群组的延迟影响不敏感,相反,则影响较为显著。研究结论能够为面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行决策提供技术支撑。

虚拟编组下基于跟驰模型的列车群运行控制方法研究

高速铁路移动闭塞方式下运输能力与运输需求之间依然存在缺口,虚拟编组是未来提高运输能力的新方式。本文基于虚拟编组概念,受道路交通跟驰模型启发,引入列车动力学和运动学理论,根据相邻两列车之间的速度和距离关系,提出一种新的追踪列车加速度调整策略,建立相应的列车群虚拟编组加速度控制模型,当实现列车群的虚拟编组时,列车群中所有列车的速度相等,任意相邻列车之间的间距等于期望间距,同时,能够确保列车安全与乘客舒适度。本文以CRH380A动车组为背景验证模型,算例仿真结果表明,本文提出的加速度调整策略能有效实现列车群的虚拟编组;与移动闭塞方式相比,采取虚拟编组方式达到列车协同的时间减少9.7%,列车间距缩小10.1%,效率更高;将列车群视为一个整体时,实现虚拟编组的时间比将整个列车群分为多组时更短。

400 km/h高速列车过隧道时列车风特性研究

为探明400 km/h高速列车在隧道内运行时的列车风特性,采用三维、非定常、可压缩和可实现的k-ε湍流模型进行数值模拟计算,分析隧道内列车风时域演变特征和空间分布特征,并按照列车各部分到达和驶离测点的时间对车体周围流场进行分区,采用5个特征参数衡量各区域内列车风速度的变化,探讨列车编组长度和隧道长度对列车风的影响。研究结果表明:隧道内列车风时域变化特征受列车运行位置和隧道内压力波传播的显著影响;列车风正峰值会随着列车编组长度、列车速度的增大而增加,且峰值到达时刻分别延后和提前,8车编组对应的列车风正峰值相较于3车编组时增加68.75%,400 km/h时的列车风正峰值相较于300 km/h时增加22.65%;同种隧道长度下的列车风速度最大正峰值出现在隧道中点位置处,且此处的波动更为剧烈复杂,主要是压缩波和膨胀波叠加得更加频繁。长隧道内压力波系叠加对列车风速度峰值的影响减弱,当隧道长度达到3 km时,列车风正峰值相较于1 km长度时下降30.70%。

基于抗差自适应滤波的高速列车融合测速算法

针对Kalman滤波在高速列车融合测速过程中因观测粗差和动力学模型误差而引起的融合精度下降问题,提出一种基于抗差自适应滤波的高速列车融合测速算法。首先,在Kalman滤波的基础上构建异常检测函数和误差判别统计量,用于检测和区分传感器异常观测导致的观测粗差和动力学模型误差;然后,针对观测粗差和动力学模型误差,分别采用三段式函数和指数函数构造抗差因子和自适应因子,通过2种因子合理调节观测信息和模型信息在状态估计中的权重,从而降低观测粗差和动力学模型误差对融合结果的影响;最后,通过2种运行场景以及算法对比,仿真验证抗差自适应滤波算法性能。仿真结果表明,与基于Kalman滤波的融合测速算法相比,所提出算法无论在观测粗差场景还是在动力学模型误差场景,均具有更高的精度和稳定性。

基于动势能转换的虚拟编组列车动态最小安全间隔

根据安全制动模型,提出一种基于能量转换的虚拟编组列车安全防护方法。将实际项目数据作为前车的运行曲线,仿真计算了后车根据能量转换防护方法所能达到的最小安全间隔,并讨论了制动响应时间和制动能力对安全间隔的影响。结果表明,前后车的紧急制动率差异是决定安全间隔的关键因素。

双制式列车接地系统的车-地联合牵引供电计算

为研究双制式列车在不同供电制式区段下的车体环流和车体—轴端电位分布,针对某型双制式列车构建列车接地系统的链式电路模型,并提出车-地一体化的交、直流区段联合牵引供电计算方法;同时,建立列车接地保护电阻优化模型,并分析2种列车接地系统配置方案.以国内某条双制式线路为算例进行仿真验证,研究结果表明:方案1相较方案2,列车的车体—轴端电位最大值降低36.58%~41.04%,车体环流最大值降低18.49%~22.97%;并且在方案1中,头尾车保护电阻设置为20 mΩ,可使列车的车体—轴端电位最大值为1.15 V,车体电流最大值为50.30 A,达到抑制车体—轴端电位的最优效果.该车-地一体化的交、直流区段联合牵引供电计算方法可适用于单一供电制式或者多供电制式列车接地系统的分析.

基于旅游体验的观光列车设计研究

为了解决我国现有观光列车存在的问题,指导观光列车的设计实践。综合我国近年来在“交旅融合”方向的研究成果,调研分析国内外现有观光列车,发现我国观光列车设计还存在主题不鲜明、内容不丰富、地域特色不强的问题。基于旅游体验相关理论,对3个问题提出了解决方法。设计了“茶马古道”号观光列车作为实践验证。该方法可为多元化、地域化观光列车的设计提供参考。

零速修正辅助的可见光通信列车连续定位方法

精确的列车位置信息是基于通信的列车控制(CBTC)系统实现安全行车、间隔控制的基础。现有的可见光通信列车定位相关研究往往关注列车处于静止或匀速运动的情况,较少考虑惯性测量单元(IMU)的累积误差及列车静止后IMU的零速偏移。为了实现隧道环境下地铁列车连续定位,提出一种借助零速修正的可见光通信列车定位方法。根据可见光通信(VLC)原理,安装在列车头部顶端的相机连续接收隧道壁上发光二极管(LED)光源的光信号,即LED光源闪烁的频率信息,获取LED光源对应的位置信息,进而推算列车的实际位置。同时,根据列车运行的速度、加速度等参数,采用零速修正算法,判断列车处于运动或零速状态;通过无迹卡尔曼滤波,对运动区段内列车恒定速度模型和恒定加速度模型下的列车定位结果进行优化,并对列车停站时IMU的零速偏移进行校正,补偿列车接收端位置和姿态估计精度的发散,实现隧道环境下列车高精度连续定位。实验结果表明:运动区段内,列车以40、60和80 km/h的速度匀速直线运行时,最大定位误差分别为15.27、16.93和19.57 cm;以80 km/h为最大目标速度时,匀加速和匀减速运动的最大定位误差分别为18.48和18.24 cm;利用零速修正和卡尔曼滤波优化列车定位结果,列车停站时的平均定位误差由11.35 cm降低至6.05 cm。所提方法有效抑制了IMU的零速偏移,满足IEEE 1474.1—2004标准对列车定位精度的要求,可为面向车车通信的CBTC系统实现列车定位提供一定的参考。

基于自适应终端滑模的高速列车迭代学习速度控制

针对高速列车的速度追踪控制问题,充分利用列车运行的重复性,考虑工程应用中迭代初始状态不同和复杂的外部环境,提出一种基于线性扩张状态观测器(LESO)的自适应非奇异终端滑模迭代学习控制算法,使系统在任意迭代初值时均能保证追踪精度。提出一种时变非奇异终端滑模面以抑制初态误差影响,采用LESO估计并补偿列车扰动,设计自适应迭代更新律估计LESO的观测误差,设计全饱和自适应迭代控制律计算输入并将其约束于允许范围内。建立类Lyapunov的复合能量函数,通过严格的数学分析证明其迭代域的差分负定性和有界性,证明所设计的时变滑模面可实现渐进收敛,并证明追踪误差在滑模面内可在有限时间内收敛至平衡点。将本文提出的算法与滑模控制、变增益迭代学习控制、自抗扰控制等算法进行比较。仿真结果表明:无论是否存在迭代初始误差,在相同的条件下,本文提出的算法较其他算法具有更强的抗干扰能力,速度追踪精度提高90%及以上,停车误差可迭代收敛至001 m。

基于可预知大客流的城市轨道交通列车加开计划调整模型与算法

[目的]节假日、大型文体活动等事件会导致城市轨道交通线路产生可预知大客流,需在确保列车运行安全的前提下,根据客流预测情况在已有列车运行图中加开列车,以期在运营成本、运营组织复杂度和乘客服务水平之间取得平衡。[方法]采用事件-活动网络,对列车运行过程进行了形式化描述,建立了3个目标函数及相关的约束条件,进而构建了独立运用策略下列车加开计划调整模型、套跑混合运用策略下列车加开计划调整模型。在此基础上,提出了基于混合遗传禁忌的搜索算法。结合深圳地铁11号线的实际运营数据,在高峰时段和非高峰时段分别建立了不同的算例场景,以验证所建模型和算法的有效性。[结果及结论]所建模型支持不同运营时段、不同运行交路、不同车底接续策略下列车加开需求,在可预知大客流的运营调整上具有适用性。在车辆资源相对有限的情况下,为有效缓解高峰时段的客流压力,可灵活采用大小交路套跑混合运用策略,使线路的运输能力最大化。

列车碰撞安全试验用假人的研究

针对列车碰撞场景与汽车碰撞场景中乘员损伤情况的不同,文章在传统的汽车正面碰撞试验假人(HybridⅢ-50th假人)基础上,参考人体乘员约束测试装置(THOR)假人结构,研制了可调角度的腰椎和立姿臀部模块;并重点研究了上腹部和下腹部生物力学响应特性,制作出可坐可站的列车碰撞安全试验用假人(H3-RS假人),使其既具备HybridⅢ-50th假人生物力学特性,又增加了上腹部和下腹部生物力学特性,更加符合列车碰撞安全试验需求;最后通过台车试验进行了初步验证,结果表明H3-RS假人在结构、功能和强度上基本满足试验需求。

西安地铁1号线列车运行自动控制分析

结合工程实际,阐述西安地铁1号线CBTC列车运行控制等级、驾驶模式、列车定位、列车运行速度监督等技术,并对列车运行速度控制算法进行分析。

市域铁路列车自动折返效率提升方法研究

市域铁路是适用于都市圈中心城市城区连接周边城镇组团的轨道交通系统,提供公交化、大运量、快速便捷的交通服务。为提高运输效率,市域铁路要求列控系统满足3 min追踪间隔,而站后折返间隔成为缩短追踪间隔、提高运输效率的最大障碍。应用于莞惠城际的CTCS2+ATO列控系统虽然具备半自动折返功能,但无法满足市域3 min的站后自动折返间隔要求。CTCS2+ATO列控系统应增加自动折返功能,以满足市域铁路需求。建议车载ATP实现快速换端、快速启机,减少换端过程耗时;建议车载ATO实现快速发车、快速运行、快速停车,减少运行过程耗时;建议CTC实现自动办理折入进路、自动办理折出进路,减少进路办理耗时;建议为不同编组列车设置不同的停车点,提升不同编组列车的折返效率;建议优化折返站的车站股道有效长和车站咽喉区长度,尽量减小折返进路长度,提升折返效率。通过以上改进措施,经过实验室验证,可以满足市域铁路的3 min折返间隔要求。

基于CAN总线的列车头尾端冗余测速测距系统

[目的]既有的列车测速测距技术大多经由ATP(列车自动防护)系统进行数据互联互通及交互,其实现过程较为复杂,且容易因时序问题造成列车定位失效,需要研究更为可靠、有效的技术方法,以实现列车的实时、精确定位。[方法]介绍了列车单端测速测距系统功能的实现流程,以及基于CAN(控制局域网)总线的列车头尾端冗余测速测距系统功能的实现流程,进一步对比了二者在数据处理流程上的不同。针对列车头尾端冗余测速测距系统,建立了列车运行速度计算模型及列车运行距离计算模型。在此基础上,考虑了列车车长及头尾端数据传输和处理过程存在延时等因素,进一步建立了列车运行速度校正模型及列车运行距离校正模型。搭建了列车运行仿真系统,用以模拟列车头端定位设备故障工况,分析该工况下列车头尾端冗余测速测距系统头尾端切换后数据的有效性。[结果及结论]在列车头端定位设备故障情况下,该系统可以持续输出有效的测速测距数据,准确描述列车的速度位置信息。

双碳背景下城市轨道交通列车灵活编组技术研究

[目的]实现列车编组的灵活调整,是城市轨道交通列车牵引节能的重要措施和发展方向。为了实现运能的精准投放,降低运营能耗和成本,需对双碳背景下城市轨道交通列车灵活编组技术开展研究。[方法]对不同预测年限客流、周内客流、全日不同时段客流、高峰时段全线各区段客流等分布特征进行了分析。以运能与需求的最优匹配为出发点,分析了列车灵活编组技术3种运行方案(列车固定编组运行、列车在线联挂/解编运行、列车虚拟编组运行)适用的运营场景,并对不同运行方案下各系统的配置要求进行了阐述。[结果及结论]3种不同列车编组运行方案在不同的运营场景下均具有适用性和优势。列车在线联挂/解编运行方案、列车虚拟编组运行方案具有广阔的应用空间。

基于通信网络的列车控制系统

自动组网(初运行)是列车控制与管理系统(TCMS)的重要特征,通过初运行,确定列车通信网络(TCN)内的节点组成、节点之间的顺序、总线主以及各个节点相对总线主的朝向,这是TCMS对列车进行控制与管理的基础。对于基于无线通信的TCMS,由于无线列车骨干网(WLTB)的网络节点之间没有通信线缆的物理连接,以传统的方式实现自动初运行十分困难,因此实际工程中采用人工设置参数的方式来组网。同样,在虚拟联挂(VC)系统中,多列列车通过WLTB组成列车编队,也存在动态自动组网的问题。在VC系统中,由于跟随列车处于自动驾驶模式,通过人工设置参数来组网的方式也不可行。文章分析了TCN、WLTB的初运行和VC列车编队/解编,探讨了基于无线通信的列车编组初运行或编队动态组网问题的实质与根源,提出通过引入一个更大的网络系统、融合TCMS和信号系统来解决自动组网问题的方法,基于列车控制的视角给出了面向列车全自动运行的基于通信网络的列车控制(NBTC)系统自动组网方法、分层次功能和系统架构,并提出了与NBTC相关的研究方向。