Введение к работе
Актуальность темы. По плану экономического и социального развития Вьетнама до 2020 года предусмотрено построить пять линий метрополитена суммарной длины - 77.05км в г.Ханое и шесть линий метрополитена суммарной длины - 82.49км в г.Хошимине. Метрополитен является наиболее эффективным видом общественного пассажирского транспорта больших городов. Работа метрополитенов осуществляется в напряженных условиях, что связано, в первую очередь, с большим объемом пассажироперевозок. Внедрение автоматизированных систем управления движением поездов метрополитена (АСУДПМ) позволяет увеличить провозную способность и использование пропускной способности за счет точного выполнения планового графика движения, повысить безопасность движения поездов за счет уменьшения вероятности опасного сближения поездов, обеспечить экономию электроэнергии за счет использовании энергооптимальных режимов управления. Особенностью современного этапа работы метрополитенов является использование нового подвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями (АТД) и наличие рекуперативного тормоза.
Разработка алгоритмов управления движения поездов по перегону составляет одну из центральных задач, решаемых при создании автоматизированных систем. Ранее в СССР, а затем в Российской Федерации (РФ) сотрудниками Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), Всесоюзного научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ), Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС), института Гипротранссигналсвязь (ГТСС), Метрогипрогранс, Научно-исследовательского института точной механики (НИИТМ), метрополитенов страны накоплен значительный опыт разработок и эксплуатации систем автоматизированного управления движением поездов метрополитена с тяговым приводом, использующим двигатели постоянного тока. Внедрение современного подвижного состава ставит задачу разработки новых алгоритмов автоматизированного управления тягой и торможением.
Управление движением поезда метрополитена по перегону представляет собой сложный процесс, в котором приходится учитывать большое число разнообразных факторов (характеристики участка пути и подвижного состава, график движения, случайные возмущения и т. д.). Основными показателями качества работы линии метрополитена являются затраты, связанные с осуществлением движения поездов при условии максимально возможного удовлетворения потребности в перевозках. Минимизация затрат на движение поездов может быть достигнута выбором режимов движения, оптимальных по соответствующему критерию. Задача выбора режимов движения поездов, обеспечивающих минимум эксплуатационных затрат или отдельных их составляющих решались
\
рядом авторов, как аналитическими, так и численными методами. Большой вклад в решении этой задачи внесли ученные РФ: Баранов Л.А., Васильева М.А., Головичер Я.М, Ерофеев Е.В., Илютович А.Е., Максимов В.М., Моисеев А.А., Монахов О.И., Мугинштейн Л.А., Петров Ю.П., Почаевец Э.С., Сидоренко В.Г., Урдин В.И., Ябко И.А. и др. В частности, следует отметить исследования МИИТ, в которых разработаны методы выбора оптимального управления движением поезда по критерию минимума расхода энергии на тягу или по критерию минимизации затрат на перевозку по заданному участку. В этих работах использованы различные математические методы решения оптимизационных задач (принцип максимума, дискретный вариант метода динамического программирования, классическое вариационное исчисление и др.). В исследованиях ВНИИЖТ решение задачи оптимального управления реализовано на базе численной максимизации гамильтониана в постановке задачи принципа максимума.
Анализ известных работ, опубликованных в РФ и за рубежом, показал необходимость решения задачи выбора оптимального управления движением поезда при учете рекуперативного торможения и ограничений на фазовую координату. Аналитическое решение задачи оптимального управления движением поезда метрополитена по критерию минимума расхода энергии приводит к получению необходимых условий, которым должна удовлетворить оптимальная траектория. Создание алгоритма управления движением поезда по перегону при полученных необходимых условиях оптимальности является самостоятельностей задачей, от решения которой зависит качество функционирования всей системы управления. Следует отметить, что к алгоритму управления движением поезда метрополитена и к соответствующему программному обеспечению предъявляют жесткие требования по быстродействию и точности, так как погрешность выполнения заданного времени хода поезда по перегону в условиях метрополитена не должна превышать 2.5с.
После решения задачи энергооптимального управления движением поезда метрополитена по перегону возникает вторая задача оптимизации - распределение времени хода по линии на времена хода по перегонам с целью минимизации расхода энергии на тягу. Перечисленные выше задачи оптимального управления движением поездов по перегону представляют собой единый комплекс и требуют совместного решения. Решение первой оптимизационной задачи является основной для разработки алгоритмов регулятора времени хода (РВХ) поездного устройства системы автоведения. На первых этапах работы новых метрополитенов, когда могут быть не включены системы автоведения, решения обеих задач используются в электродепо для автоматизации процесса получения режимных карт ведения поездов. Создаваемый для этих целей программно-аппаратный комплекс требуется также при составлении графика движения для реализации возможности энергооптимального распределения времени хода по линии на времена хода по перегонам.
Цель диссертации. Целью диссертации является разработка алгоритма управления временем хода поезда метрополитена с АТД и рекуперативно-реостатным тормозом для системы автоматизированного управления движением поездов метрополитена г.Ханоя, разработка алгоритмического и программного обеспечения, реализующего составление режимных карт управления поездом и энергооптимального распределения времени хода по линии на времена хода по перегонам для метрополитена г.Ханоя.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:
анализ методов синтеза оптимальных по расходу электроэнергии программ движения поездов метрополитена;
выбор математической модели объекта;
разработка алгоритмов построения траектории энергооптимального управления движением поезда с рекуперативно-реостатным тормозом при учете ограничений на фазовую координату;
расчет и анализ энергооптимальных траекторий движения поезда на 1-ой линии метрополитена г.Ханоя;
получение таблицы всех возможных переключений режимов на энергооптимальной траектории и условий их реализации;
анализ влияния вида модели объекта управления, погрешностей задания исходных данных, погрешностей измерительных трактов на оптимальную траекторию (для условий 1-ой линии метрополитена г.Ханоя);
разработка алгоритмического и программного обеспечения энергооптимального распределения времени хода по линии на времена хода по перегонам для подвижного состава метрополитена г.Ханоя;
разработка алгоритмического и программного обеспечения регулятора времени хода поезда метрополитена г.Ханоя.
Методы исследований. Результаты диссертационной работы получены на основе использования системного анализа, методов оптимизации, теории электрической тяги, теории автоматического управления, численных методов решения дифференциальных уравнений и методов имитационного моделирования.
Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обусловлена корректностью постановок задач и использования математического аппарата, обоснованностью принятых допущений, большим объемом имитационных экспериментов для различных условий эксплуатации, получением известных результатов, как частных случаев, из более общих результатов данной работы.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- разработан алгоритм выбора энергооптимальных режимов управления поез
дом метрополитена с АТД и рекуперативно-реостатным тормозом при задан
ных времени хода по перегону и ограничениях скорости;
получена таблица всех возможных переключений режимов управления на энергооптимальной траектории поезда с АТД, рекуперативно-реостатным тормозом и условия их реализации;
определены допустимые погрешности в задании веса поезда, основного сопротивления движению, измерении скорости, которыми можно пренебречь при выборе режимов управления;
разработано алгоритмическое и программное обеспечение регулятора времени хода поезда метрополитена г.Ханоя, использующий упреждающий циклически повторяющийся тяговый расчет энергооптимальной траектории;
разработано алгоритмическое и программное обеспечение, реализующие составления режимных карт управления поездом и энергооптимальное распределение времени хода по линии на времена хода по перегонам метрополитена г.Ханоя.
Практическая значимость работы состоит в:
разработке алгоритмического и программного обеспечения регулятора времени хода по перегону метрополитена, позволяющего реализовать с допустимой погрешностью (±2.5с) заданное время хода, выполнять все скоростные ограничения и минимизировать расход энергии на тягу;
получении на базе разработанного алгоритмического и программного обеспечения энергооптимальных режимов управления поездом для всех перегонов 1-ой линии метрополитена г.Ханоя в заданном диапазоне времен хода;
получении на базе разработанного алгоритмического и программного обеспечения энергооптимального распределения времени хода поезда по 1-ой линии Ханойского метрополитена на времена хода по перегонам.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 11-ой и 12-ой научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов» (2010-2011гг.), VII международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (2010г.), на XII всемирном электротехническом конгрессе (ВЭЛК, 2011г.), заседаниях кафедры «Управление и информатика в технических системах (УИТС)» МИИТ (2010-2012гг.).
Реализация результатов работы. Результаты работы переданы в дирекцию 1-ой линии Ханойского метрополитена. Результаты работы используются в курсе «Системы автоведения поездов», читаемом кафедрой УИТС МИИТ и переданы для использования в учебном процессе в Ханойский институт транспорта и коммуникации.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 12 работ, из них 3 работы в ведущих изданиях из перечня, определенного ВАК России.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 5 приложений, списка литературы, включающего 152 наименований, изложена на 206 страницах и поясняется 99 рисунками, 27 таблицами.
