基于蟻群算法的ATO節(jié)能算法設(shè)計(jì)

喬良

摘要 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使得城市軌道交通成為城市快速發(fā)展的象征。近年來(lái)，軌道交通專(zhuān)家在這方面的研究層出不窮，新的控制策略也不斷涌現(xiàn)。本文重點(diǎn)論述了對(duì)列車(chē)運(yùn)行節(jié)能和控制方面的優(yōu)化研究。在對(duì)線路和列車(chē)參數(shù)進(jìn)行描述的基礎(chǔ)上，根據(jù)所建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)模型，研究了基于蟻群算法的速度曲線優(yōu)化算法，優(yōu)化了控制策略和速度曲線。

[關(guān)鍵詞]軌道交通 節(jié)能 列車(chē)控制 蟻群算法

1 緒論

城市軌道交通最主要的兩個(gè)特點(diǎn)就是高效和高容量，能夠?yàn)槌丝吞峁┭杆佟⒈憬荨⒌吞嫉慕煌ǚ?wù)。城市軌道交通使用固定軌道來(lái)指導(dǎo)列車(chē)運(yùn)營(yíng)，與道路交通相比，在運(yùn)行過(guò)程中，城市軌道交通基本沒(méi)有擁堵問(wèn)題，自動(dòng)化程度高，還可以有效地完成列車(chē)的管理和運(yùn)營(yíng)。

在城市軌道交通的發(fā)展方面，國(guó)家政策指導(dǎo)方針從長(zhǎng)遠(yuǎn)的戰(zhàn)略角度對(duì)其提出了更高的要求。 《國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十個(gè)五年規(guī)劃綱要》指出，綠色發(fā)展理念是我們大家必須要牢固樹(shù)立和強(qiáng)力落實(shí)的，資源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的基本國(guó)策我們也要堅(jiān)持到底，同時(shí)對(duì)能源資源的開(kāi)發(fā)利用效率要大力增加，把有效控制能源消耗作為國(guó)家發(fā)展的一個(gè)主要目標(biāo)。因此，研究列車(chē)ATO節(jié)能方法具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和一定程度的時(shí)代意義。

2 系統(tǒng)分析

2.1 ATO系統(tǒng)簡(jiǎn)介

工業(yè)化程度的提高使得城市人口迅速膨脹，進(jìn)而對(duì)城市軌道交通客運(yùn)能力的需求也越來(lái)越高。列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行（automatlc tramoperation，AT0）系統(tǒng)能夠使列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中安全程度、行車(chē)效率等得到提高，還能使駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度得到降低，并應(yīng)用了許多當(dāng)前非常重大的科技成果，技術(shù)含量很高。目前，ATO系統(tǒng)毫無(wú)疑問(wèn)的成為城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行控制系統(tǒng)的重要組成部分。

ATO系統(tǒng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)“地對(duì)車(chē)”控制，換句話說(shuō)，就是利用地面信息實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)行駛和制動(dòng)的控制，包括對(duì)列車(chē)自動(dòng)返回的控制。與此同時(shí)，列車(chē)的啟動(dòng)控制、牽引控制、制動(dòng)控制、車(chē)門(mén)和站臺(tái)安全門(mén)的開(kāi)關(guān)信號(hào)控制等可以根據(jù)控制中心下達(dá)的指令自動(dòng)完成，使列車(chē)處于安全、準(zhǔn)時(shí)、穩(wěn)定的最佳運(yùn)行狀態(tài)。列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程非常復(fù)雜，建立符合實(shí)際需求的操縱策略是準(zhǔn)確分析列車(chē)運(yùn)行過(guò)程的關(guān)鍵。列車(chē)控制策略指的是為了達(dá)到優(yōu)化列車(chē)運(yùn)行過(guò)程的目的，而在一定的列車(chē)牽引算法的基礎(chǔ)上建立列車(chē)牽引模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)。

2.2 ATO能耗分析

列車(chē)通過(guò)自動(dòng)列車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)設(shè)置的控制策略跟蹤推薦速度曲線，得到實(shí)際的運(yùn)行跟蹤曲線。推薦速度曲線與跟蹤曲線之間存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在一定的控制策略下，列車(chē)跟蹤曲線優(yōu)化問(wèn)題可以轉(zhuǎn)化為推薦速度曲線的優(yōu)化問(wèn)題。

在列車(chē)客運(yùn)過(guò)程中，列車(chē)上所有的用電設(shè)備都要消耗能源。由于列車(chē)的控制主要是牽引和制動(dòng)，為了簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)因素，因此，本文的研究對(duì)象是ATO在行駛過(guò)程中在動(dòng)力方面的節(jié)能評(píng)價(jià)。

能耗的評(píng)價(jià)函數(shù)可表示為：Ke=Fv·dt

上式可轉(zhuǎn)換為：Fv·dt=mav·dt

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，旅客的流量狀況會(huì)不斷發(fā)生變化，特別是在列車(chē)運(yùn)行高峰期，旅客流量將達(dá)到峰值。為了比較不同車(chē)型的能耗，去掉質(zhì)量的影響，得到下面的公式：

其中，a為加速度值，v表示速度值，S表示距離。

將各個(gè)值代入評(píng)價(jià)函數(shù)中，得到的數(shù)值越小，列車(chē)的節(jié)能效果就越好。

3 基于蟻群算法的ATO節(jié)能方法研究

城市軌道交通系統(tǒng)最大的兩個(gè)特點(diǎn)就是交通量大、總能耗高。因此，降低能源消耗已是城市軌道交通系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展迫切需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題。列車(chē)運(yùn)行的基礎(chǔ)是列車(chē)的站間速度曲線。本節(jié)中，基于在列車(chē)站間速度曲線優(yōu)化的研究，并結(jié)合城市軌道交通列車(chē)牽引特性，在列車(chē)速度曲線優(yōu)化模型中考慮列車(chē)牽引效率，重新分析城市軌道交通中列車(chē)站間的節(jié)能運(yùn)行情況，研究列車(chē)運(yùn)行情況的轉(zhuǎn)換序列和工況間轉(zhuǎn)換點(diǎn)的求解算法。

3.1 蟻群算法介紹

蟻群算法源于自然世界的啟發(fā)，是一種全局優(yōu)化的搜索方法，蟻群優(yōu)化算法解決了離散組合優(yōu)化問(wèn)題。蟻群優(yōu)化算法中，螞蟻的數(shù)量、初始信息素值、信息素的蒸發(fā)量、信息素的權(quán)重和啟發(fā)信息素權(quán)重的參數(shù)設(shè)置對(duì)算法的搜索性能有很大的影響。

3.2 蟻群算法的應(yīng)用

在MMAS優(yōu)化算法中，交替使用迭代最優(yōu)和至今最優(yōu)兩個(gè)更新規(guī)則，同時(shí)，這兩個(gè)規(guī)則被使用的相對(duì)頻率影響了算法的搜索效。一方面，若只使用至今最優(yōu)更新規(guī)則更新信息素，將大大提高算法的搜索導(dǎo)向性，該算法會(huì)快速收斂到最優(yōu)路徑附近;另一方面，如果只使用迭代最優(yōu)更新規(guī)則更新信息素，將會(huì)在一定程度上改善相應(yīng)的算法探索能力，但算法的收斂速度降低了。

在對(duì)離散組合優(yōu)化模型進(jìn)行近似計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用最大最小螞蟻系統(tǒng)作為核心算法的設(shè)計(jì)策略。在保證列車(chē)跟蹤曲線運(yùn)行的時(shí)間條件下，設(shè)計(jì)列車(chē)節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化方法，得到列車(chē)最佳推薦運(yùn)行速度曲線，該曲線使得實(shí)際列車(chē)跟蹤速度曲線對(duì)應(yīng)的能量消耗最小。該算法將列車(chē)推薦速度曲線的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為速度.位置二維圖上有時(shí)間約束的列車(chē)跟蹤曲線的最小能耗優(yōu)化的路徑尋優(yōu)問(wèn)題。

MMAS的路徑構(gòu)建中，下一步的選擇依據(jù)是根據(jù)隨機(jī)比例規(guī)則，與最早的螞蟻系統(tǒng)算法中的規(guī)則是類(lèi)似的，公式如下：

上式中，k表示螞蟻的編號(hào)，也就是列車(chē); 表示列車(chē)在離散區(qū)域X.向下一個(gè)離散區(qū)域Xi+l行進(jìn)時(shí)，追蹤過(guò)程中的推薦速度由Vi變?yōu)閂i+l的概率;ε表示信息素和啟發(fā)信息之間的平衡權(quán)重值，O≤ε≤1;τ（xi，vi），（xi+1，vi+1）表示列車(chē)在離散區(qū)域X，向下一個(gè)離散區(qū)域xi+1，行進(jìn)時(shí)，追蹤過(guò)程中的推薦速度由vi變?yōu)閂i+1的信息素值;η（Xi，yi），（Xi+l，vj+1）表示啟發(fā)信息值;U表示列車(chē)在離散區(qū)域X.向下一個(gè)離散區(qū)域xi十l行進(jìn)時(shí)，追蹤過(guò)程中的推薦速度由Vi變?yōu)樗锌赡艿淖粉櫷扑]速度碼的集合。

4 結(jié)束語(yǔ)

在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，列車(chē)牽引能耗占能源消耗總量的40%-50%。所以，節(jié)省牽引能耗能夠有效降低總能耗。本文研究了基于蟻群算法的ATO節(jié)能方法，優(yōu)化了列車(chē)跟蹤推薦速度曲線，使城市軌道交通系統(tǒng)能耗達(dá)到最低。

參考文獻(xiàn)

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