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基于灰色遗传理论的ATO最优控制策略分析.pdf

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西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下1.在分析列车自动运行系统的构造及工作机理的基础上,研究列车运行过程中各阶段采取的策略,并使用数学建模的方法对列车自动运行系统性能指标进行建模。2.对传统的遗传算法进行分析,指出使用该算法直接优化列车运行曲线存在的不足,并改进该算法,最后使用该方法优化列车运行速度曲线。3.结合评价模型以及改进的遗传算法上,使用VS2010开发了ATO最优控制策略软件,该软件可以设置各种环境变量以及列车参数,保证软件具有很好的通用性。4.深入研究灰色理论,并对灰色理论中经常用到的GM1,1预测模型提出了自己的改进意见。5.设计了基于灰色理论的速度控制器,并借助matlab仿真软件验证其可行性与性能。本人郑重声明所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名糍孑日期20F;.乡.2艿万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页摘 要随着城市人口规模的快速增长,城市交通运输压力越来越大,对于城市轨道交通的需求也越来越大,为了应对这个挑战,城市轨道交通系统必须提高运行的效率和密度,同时要保证乘客乘坐的舒适性。列车自动驾驶系统是轨道交通控制系统的关键子系统,而作为列车自动驾驶系统的核心.速度控制器,其控制算法的好坏将直接影响列车运行的安全性、准点性、舒适性、能耗等评价指标,即影响到城市轨道交通能否成功应对日益增长的运输压力。因此国内外很多专家、学者开始研究列车自动运行控制策略,然而目前控制策略的研究大多集中于某条线路或者某单个评价指标的优化,同时无法做到在列车运行过程中进行实时优化。本论文针对上述问题,首先对ATO系统的功能需求进行分析,同时对灰色理论进行研究,把灰色理论应用于ATO系统;在对列车运行环境预处理后,为列车运行建立评价模型,然后改进传统的遗传算法,设计了列车自动运行最优控制算法,在此基础上将该算法编译生成列车自动运行最优控制策略软件,该软件能够根据输入的不同列车数据以及线路数据生成相应的最优控制策略;其次论文运用灰色理论中初始序列生成、灰色预测、灰色决策等理论方法设计了基于灰色理论的速度控制器;最后将灰色速度控制器与目前较为成熟的模糊速度控制进行对比,分别对ATO最优控制策略软件生成的速度距离曲线进行MATLAB仿真跟踪。将灰色理论和遗传理论结合应用于列车自动控制系统,是提高列车运行控制品质的一种新方法,仿真结果表明采用灰色理论的速度控制器可以更好地追踪目标曲线,进而满足各项列车运行评价指标。关键词遗传理论;灰色理论;速度控制器;最优控制策略;ATO万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第lI页AbstractWith the rapid growth of urban population scale,the urban transportation is facing moreand more high pressure.In response to this challenge,urban rail transit system must improvethe efficiency of running as well as ensure the comfort of riding at the same time.Considering that train automatic driving system is a key subsystem of railway traffic controlsystem,speed controller,core of the train automatic driving system,is of great importance.Its control algorithm quality will directly affect the safety of train operation,punctuality,comfort,energy consumption and SO on,which further affects the urban rail transit’S abilityto successfully deal、析th the increasing pressure of transportation.So many experts andscholars at home and abroad began to study on the control strategy for automatic trainoperation,however,most studies focused on the control strategy of the optimization of oneline or one single uation index,and Can’t do the realtime optimization in the process oftrain nmning.To cope诵tll above problem,this paper firstly analyzes functional requirements of theATO system,and do some study of grey theory at the same time;According to thecharacteristics of the ATO,this paper proves ATO is one kind of grey system,and illustratesthe application of grey theory in the ATO system is feasible;After the pretreatment of trainoperation environment,an uation model for train operation Was established.On the basisof improved traditional genetic algorithm and designed optimal control algorithm of the trainautomatic system,the algorithm will be compiled into a software of optimal control strategy.The software Can generate the corresponding optimal control strategy depending on the data,and train lines data;Secondly,this paper designed a speed controller based on greytheory,by using initial sequence generation,the grey prediction and grey decision;Finallythe grey speed controller and current relatively mature fuzzy speed control are compared andmatched,to do the MATLAB tracing for the speed distance curve generated by the optimalcontrol strategy ofATO software.Applying grey theory combined谢th genetic theory to train automatic control system,is a new to improve the quality of train operation contr01.The simulation resultsshow that by using grey theory of speed controller,the target curve can get a better track,andthe train operation uation inds are more satisfying.Keywordsgenetic theory;Grey theory;Speed controller;The optimal control strategy;ATO万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第JI l页目 录摘 要I第l章绪论l1.1论文的研究背景及意义11.2列车自动驾驶系统国内外发展及现状21.2.1国外研究现状..21.2.2国内研究现状..31.3论文主要研究内容及创新点4第2章智能算法简介62.1灰色系统理论62.1.1灰色理论组成结构..62.1.2灰色系统的特点一72.1.3灰色系统的主要内容一72.1.4灰色系统与其它几种不确定方法的比较..72.2灰色系统的四个模块.82.2.1灰色建模..82.2.2灰色预测..92.2.3灰色决策1 O2.3其他智能算法简介..102.3.1 BP神经网络算法102.3.2蚁群算法112.3.3遗传算法122.4本章小结..12第3章列车自动驾驶控制系统..133.1列车自动驾驶系统ATO简介133.2 ATO系统结构..143.3 ATO功能..163.4 ATO系统的基本工作原理。1 73.5 ATO评价指标模型建立..19万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 V页3.5.1行车时间评判模型203.5.2精准停车模型203.5.3舒适度评价模型203.5.4节能性评价模型2l3.6现有ATO存在的问题213.7本章小结..22第4章ATO控制策略算法研究.234.1 ATO运动方程建立。234.1.1 ATO系统运行控制分析234.1.2列车运行动力学方程建立244.2 ATO目标曲线生成算法的确定..244.2.1三种智能算法的比较.254.2.2 ATO遗传算法的实施254.3本章小结.30第5章ATO控制策略的优化与实现.3l5.1列车模型..3 15.2线路模型..325.3 ATO控制原则的优化..325.3.1运行状态保持原则325.3.2消除最低速度原则325.3.3工况切换原则335.3.4附加优化原则335.4遗传算法的改进..335.5 ATO控制软件设计..345.5.1软件整体界面345.5.2实验测试355.6本章小结..41第6章基于灰色理论的ATO速度控制器的设计与仿真426.1基于灰色理论的ATO速度控制器的总体结构42万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第V页6.1.1 ATO速度控制器的的灰色性426.1.2基于灰色理论的ATO速度控制器的总体结构。426.2 ATO速度控制器灰色预测模型。436.2.1灰色预测模型简介436.2.2常规的GM1,1模型.436.2.3改进GM1,1预测模型.456.2.4改进的GM1,1预测功能的实施.476.3 ATO速度控制器灰色局势决策模型一496.3.1 ATO速度控制器灰色决策模块概述496.3.2灰色决策的依据496.3.3 ATO灰色决策的实施506.4仿真策略及流程一536.5仿真性能指标分析..546.5.1列车安全性分析546.5.2停车精度分析556.5.3列车准时性分析566.5.4乘客舒适性分析576.6本章小结59结论与展望60致j射.6l参考文献62攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果65万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页1.1论文的研究背景及意义第1章绪论目前,我国城市建设进入高速发展期,城市人口规模越来越大,这一方面给城市增加了活力,但是也给城市带来极大的负担,城市交通越来越拥堵。城市轨道交通是如今都市解决城市拥堵非常行之有效的办法,它具有安全、可靠、环保、运输速度快、低污染的特点。所以目前我国各大中城市相继投入大量的资源来新建城市轨道交通。但是随着城市人口规模的不断增长,原先的列车运行密度已经渐渐不能满足需求。为了解决这一问题,目前采用的方法就是提高区间列车行车速度。而高密度、高速度的运输下,要保证列车运行的安全性、准时性、停车高精度、乘客乘坐舒适性就要求城市轨道交通的控制更加智能,此时仅仅依靠人工操控已经远远不能达到要求了,就需要高智能的列车控制系统。智能化城市轨道交通系统将高新技术应用于城市轨道交通,利用了通信技术和数字处理技术,极大的提高了目前城市轨道的效率。列车自动控制系统Automatic Train Control,ATC城市轨道交通系统保障了列车行车安全。列车自动驾驶系统Automatic Train Operation,ATO作为列车自动控制系统下面一个重要的子系统,主要负责自动控制列车车速,并实现列车进站精确平稳停车。要实现列车运行准点运行、精确停车、乘客舒适度高、列车能耗小这几个关键技术就要求列车在运行过程中,ATO依据接收到的信息实时优化操作策略,控制列车按照优化运行曲线运行。而控制策略的质量直接由控制算法的好坏决定,因此研究好的控制算法,并应用于ATO系统是十分必要的。ATC系统由列车自动防护系统Automatic Train Protection,ATP;列车自动监控系统-Automatic Train Supervision,ATS;列车自动驾驶系统Automatic TrainOperation,ATO这三个子系统组成。列车运行控制系统的三个子系统中核心是ATP,该系统不仅能控制列车运行速度,还提供其他重要的功能,而这些功能为列车安全运行提供了可靠的保证。ATP主要包括以下功能1.防止运营列车超速运行2.接收和处理来自地面的信息3.保证列车安全停靠站台4.列车车门控制5.列车运行方向和后退的监测ATO系统主要的功能是模仿经验丰富的司机自动控制列车安全、平稳、准点地驾驶列车,ATO驾驶的限制因素主要有ATP速度命令、列车运行速度曲线。列车进站停万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页车时,预先设置在轨道中间的标志线圈会被激活,向列车传递制动命令,通过定位天线确保列车准确停在正确的位置上。ATS系统主要的功能是监督列车安全、平稳地运行、确保列车按照预定的列车运行时刻表运行。从运行过程中对列车所起的作用来说,ATO的作用是负责驾驶列车,根据线路状况做出对车速进行相应的调整,但是作为一个执行操作指令的系统,ATO是不能确保列车安全的,此时就需要ATP对列车进行防护,ATP会监控列车的不安全因素,对列车遇到的不安全情况作出相应的对策,确保列车安全运行。从中可以看出,ATO提高了列车运行的效率,而ATP则为列车安全运行提供了保障。ATS一般设置在调度中心,实现列车的自动调度以及监督列车按照列车运行图有序地运行。ATS、ATP、ATO三者需要传递数据,传递过程如下ATS将需要传递的数据通过电缆传给轨旁ATP发送设备,发给车载ATP设备后经过计算生成最大允许速度曲线发送给车载ATO设备。车载ATO设备根据列车当前实际速度以及ATP生成的最大允许速度计算生成列车运行速度曲线,得到控制命令控制列车运行。列车控制的评价指标一般有列车准时性、列车停车精度、乘客舒适度、能耗这四个评价指标,而目前列车往往都是对单个评价指标控制的很好,却很少同时满足ATO系统各项评价指标。同时列车在行驶过程中需要受到众多因素干扰,包括天气因素、线路因素、列车自身车况因素等等,因此ATO控制是个非常复杂多变的过程,对于这种具有多目标、非线性、时变的系统,要想建立一个完整无误的数学模型基本是不可能的,然而不确定性理论正好适用于研究此类整体信息不甚明确的系统,所以寻求使用不确定性理论来解决这个问题。因此,使用不确定性理论研究ATO控制策略对同时提高列车准时性、列车停车精度、乘客舒适度以及降低能耗有着重大的现实意义。1.2列车自动驾驶系统国内外发展及现状1.2.1国外研究现状1984年,日本将模糊预测理论应用于列车控制系统中,成功研发基于模糊预测理论的智能化列车控制系统,该算法将预测算法引入控制系统中,解决了单纯使用模糊理论控制精度偏低的缺点。1995年,日本学者将两级独立的模糊神经网络系统引入到列车控制系统,控制精度更高。1999年,新加坡学者提出了基于模糊的多目标列车控制系统,该方法使用隶属度函数优化列车控制。随着城市轨道交通的发展,列车自动驾驶技术也得到了不断改进。前后共出现了4万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页种控制算法【2J1经典控制算法该方法主要是以列车牵引制动公式为基础,并装配启动、停车、惰行等模块控制列车运行。此方法缺点明显频繁切换列车的速度,降低了乘客的舒适性。2参数自适应控制算法改进了经典控制算法,引进了参数调整模块来减少参数变化引起的控制变化。3智能控制算法这是一种模拟人脑活动的智能算法,不需要人参与就能实现复杂环境下的自动控制。目前常见的BP神经网络算法、遗传算法、模糊控制算法都属于此类。此类算法的核心是学习,根据外部环境的变化,自动调整控制策略。4集成智能控制算法将以上几种控制方法融合到一起,克服单个算法无法避免的缺陷。新加坡学者于1999年将DEdigerential evolution概念引入到列车控制算法中,该概念是通过优化隶属度函数的方式来优化列车运行控制【3】。1.2.2国内研究现状国内开展列车自动驾驶系统的研究相比国外要晚一些,但是发展速度非常迅猛。从1965年7月1日北京开始建设新中国第一条地铁开始,短短的几十年,全国有30多个大中型城市已经开建或者正在筹备建设城市轨道交通,包括广州、深圳、重庆、成都、南京、无锡等。然而与修建地铁的速度相比,我国在城市轨道交通的理论研究上相比国外存在较大差距,我国很多产品技术都是从国外引进。但同时我国也在积极努力寻找合适算法以研究属于咱们国家自己的ATO系统。很多单位和部门也为此做了大量工作,比如西南交通大学、兰州交通大学、北京交通大学、铁道科学研究院、株洲电力机车研究所等。它们在不断创新研究拥有自主知识产权的ATO系统铁道科学研究院使用基于联想神经记忆网络的方法进行远程预测控制【4】。铁道科学研究院仿真验证了模糊预测算法以及直接模糊算法应用于ATO系统的可行性‘51。通信信号设计院设计的ATO系统通过了第三方的认证,并成功应用在了长春轻轨上。西南交通大学对列车优化操纵进行了深入地理论研究,同时把最大值原理和模糊控制应用到了ATO中,提出了优化后操纵序列。兰州交通大学提出基于框架式专家系统与模糊Petri网结合的算法,该算法的知识表示和处理能力要比其它算法强。北京交通大学设计的ATO系统已经在大连轻轨上得到了实际的应用。万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页1.3论文主要研究内容及创新点本文以基于灰色理论的控制策略控制列车实现列车运行高准点性、停车高精度、乘客乘坐高舒适度、低能耗为研究目标。在总结前人使用的各种智能控制算法的基础上,选择遗传算法并对遗传算法进行改进以后对ATO控制策略进行优化,使列车运行能够基本同时满足准时运行、精确停车、舒适度、耗能等指标,提高列车运行环境适应性,使ATO能够在不同线路、不同外部环境下运行时自动计算出最优运行曲线以及最优控制策略,保证列车安全运行的前提下实现准点运行、精确停车、乘客舒适度、节能的指标。然后设计了基于灰色理论的ATO速度控制器,对前面计算出来的ATO最优速度曲线进行仿真跟踪。速度控制器的设计示意图如图1.2所示图1-2灰色速度控制器的设计本文的主要研究内容为第一章为绪论。本章主要阐述了论文的研究背景和研究意义,在总结目前国内外列车控制策略研究的基础上,提出了本论文的研究内容、创新点及研究目标。第二章为灰色理论基础研究。同时对灰色系统理论进行深入分析,明确灰色系统的特点,并用这些特点去解决列车控制的问题。第三章为列车自动驾驶控制系统研究,本章在分析了列车自动运行系统的构造及工作机理的基础上,分析了列车运行过程中各阶段采取的策略。并使用数学建模的方法对列车自动运行系统性能指标进行建模。第四章为ATO控制策略算法研究。对比常用的几种ATO控制的算法的优缺点,最终确定使用改进后的遗传算法来优化列车运行速度曲线。第五章为ATO控制策略的优化与实现。本章对列车、线路等进行分析并建立了相应的数学模型。最后在结合第三章建立的评价模型以及改进学者刘翔设计的遗传算法的基础上,使用VS2010开发了ATO最优控制策略软件,该软件可以设置各种环境变量以及列车参数,保证软件具有很好的通用性。万方数据
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