Помощь в учёбе, очень быстро...
Работаем вместе до победы

Метод расчета энергооптимальных траекторий движения поезда

Диссертация: Метод расчета энергооптимальных траекторий движения поезда
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Разработана методика опытной проверки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда. С помощью этой методики были выполнены сравнительные опытные поездки с динамометрическими вагонами-лабораториями и без них на участках постоянного и переменного тока Московской, Горьковской, Юго-Восточной, Октябрьской, Южно-Уральской, Западно-Сибирской… Читать ещё >

Содержание

  • 1. ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА
  • 2. ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА
    • 2. 1. Формулировка задачи оптимального управления
    • 2. 2. Теоретическое обоснование основного алгоритма оптимизации
    • 2. 3. Конкретизация основного алгоритма оптимизации применительно к его эффективной численной реализации на ЭВМ
      • 2. 3. 1. Конкретизация основных расчетных соотношений
      • 2. 3. 2. Численная реализация основного алгоритма оптимизации
        • 2. 3. 2. 1. Блок-схемы алгоритмов
        • 2. 3. 2. 2. Алгоритм интегрирования уравнений движения поезда
        • 2. 3. 2. 3. Мероприятия по повышению эффективности
  • 3. АЛГОРИТМ ПОДБОРА ПОЗИЦИЙ КОНТРОЛЛЕРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА
    • 3. 1. Аппроксимация дискретных тяговых характеристик непрерывными функциями
    • 3. 2. Аппроксимация непрерывного управления с помощью дискретных тяговых позиций
  • 4. ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА.%
    • 4. 1. Методика опытной проверки эффективности использования энергооптимальных траекторий движения
    • 4. 2. Опытная проверка энергооптимальных режимов управления на участке н. Новгород — Владимир Горьковской железной дороги
      • 4. 2. 1. Общие сведения об участке
      • 4. 2. 2. Цели поездных испытаний
      • 4. 2. 3. Общие сведения по испытаниям
      • 4. 2. 4. Выбор участков сравнения
      • 4. 2. 5. Результаты сравнения опытных поездок
      • 4. 2. 6. Оценка влияния вынужденных задержек (езда на «желтый») и выполнения ограничений скорости на расход энергии натягу
    • 4. 3. Опытная проверка энергооптимальных режимов управления на участке Орехово — Владимир Московской железной дороги
      • 4. 3. 1. Общие сведения об участке
      • 4. 3. 2. Результаты поездных испытаний
      • 4. 3. 3. Общие сведения по испытаниям
      • 4. 3. 4. Выбор участков сравнения
      • 4. 3. 5. Результаты сравнения опытных поездок
      • 4. 3. 6. Оценка влшния выполнения ограничений скорости на расход энергии
    • 4. 4. Опытная проверка энергооптимальных режимов, полученных в ходе сравнительных опытных поездок на Юго-Восточной, Октябрьской, ЮжноУральской, Западно-Сибирской и Забайкальской ж. д
      • 4. 4. 1. Результаты проведения опытных поездок на участке Челябинск — Курган Южно-Уральской железной дороги
      • 4. 4. 2. Результаты проведения опытных поездок на участке Инская — Тайга Западно
  • Сибирской железной дороги
    • 4. 4. 3. Результаты проведения опытных поездок на участке Чита-Хипок Забайкальской железной дороги
    • 4. 4. 4. Результаты проведения опытных поездок на участке С. Петербург Сорт. -Волховстрой Октябрьской железной дороги
    • 4. 4. 5. Результаты проведения опытных поездок на участке Лиски — Поворино Юго-Восточной железной дороги
  • 5. МЕТОДИКА ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ERG
    • 5. 1. Техническое обеспечение работы с ПК ERG
    • 5. 2. Программная структура ПК ERG
    • 5. 3. Организация ввода исходных данных
    • 5. 4. Расчет энергооптимальных траекторий движения
    • 5. 5. Результаты расчетов
    • 5. 6. Интегрированная справочная система
  • 6. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДА НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ
    • 6. 1. Использование ПК ERG для обучения машинистов энергооптимальным методам управления движением поездов в локомотивных депо
    • 6. 2. Использование модифицированной программы ERG в бортовых системах автоведения. и
    • 6. 3. Использование модифицирований программы ERG в автоматизированной системе нормирования, анализа и контроля за расходованием топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов (армт)

Метод расчета энергооптимальных траекторий движения поезда (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

В современных условиях рыночной экономики для поддержания своей эффективности железнодорожному транспорту необходимо постоянное совершенствование всех технологий, обеспечивающих перевозочный процесс, на который приходится 74% расходов железных дорог на энергоресурсы.

Представленный в материалах к заседанию Совета главных инженеров ОАО «РЖД» 10.10.2006 г. анализ динамики затрат на электроэнергию и топливо в расходной части бюджетов железных дорог показывает их неуклонный рост: 2003 г. — 50,5 млрд руб., 2004 г. — 67,2 млрд руб., 2005 г. -80,3 млрд руб., 2006 г. — 101,9 млрд руб. Доля затрат на топливно-энергетические ресурсы в эксплуатационных расходах ОАО «РЖД» также растет: в 2003 г. она составила 11,4%, в 2004 г. — 12,2%, в 2005 г. — 13,0% и в 2006 г. — 14,5%. Важность проблемы обусловила принятие ряда федеральных У и отраслевых целевых программ по ресурсосбережению, в частности, Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998;2000, 2005 годах, Энергетической стратегии ОАО «РЖД» (2004 г.). С учетом того, что из затрат на топливно-энергетические ресурсы около 80% приходится на тягу поездов, экономия энергозатрат на тягу поездов является важнейшей задачей.

Одним из механизмов решения задачи экономии энергозатрат на тягу поездов является использование оптимальных режимов управления поездами. Рассматриваемая в работе модель оптимизации управления движением поезда предусматривает выполнение графикового времени хода между отдельными пунктами и при этом обеспечивает минимум расхода энергии на тягу поезда. Получаемый за счет этого реальный эффект может достигать 3+5%, что в целом по отрасли за год составит сумму около 0,5 млрд руб. Для практической реализации такой оптимизации и получения значимого эффекта необходимо широкое применение на сети железных дорог РФ энергооптимальных режимов управления движением поездов. При 3 использовании математических методов оптимизации управления движением поездов требуется разработка и совершенствование алгоритмов их решения, автоматизация расчетов, разработка специальных программ для ЭВМ. Рассчитанные в результате траектории движения поезда должны быть экспериментально проверенными как в части возможности их реализации машинистами, так и в достижении экономии энергии, удобными в использовании машинистами в реальных поездках. Результаты энергооптимальных расчетов могут использоваться машинистами в виде энергооптимальных траекторий, приведенных на режимных картах, учитывающих особенности участков обращения поездов, характеристики поезда, а также условия пропуска поездопотоков.

Современные тенденции и практика развития локомотивостроения направлены на автоматизацию управления движением поездов. Достаточно широкое распространение получило использование в грузовом и пассажирском движении систем «автомашинистов». В этом случае максимальный эффект достигается при использовании энергооптимальных программ в бортовых системах автоведения, когда расчет и реализация энергооптимальных траекторий осуществляется в реальном времени в зависимости от постоянно меняющейся поездной обстановки с учетом постоянных и временных ограничений скорости, сигналов светофоров, условий проезда каждого конкретного участка, а также множества других факторов. Обеспечение такой возможности органического объединения основных расчетных модулей с другими подсистемами требует сочетания универсальности, низких требований к аппаратной части реализации с высоким быстродействием.

Таким образом, очерчивается круг задач по совершенствованию методов решения, алгоритмизации, автоматизации и разработке комплекса программ, направленных на достижение одной из самых актуальных для железнодорожного транспорта цели — экономии топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов.

Целью диссертационной работы является разработка эффективного метода расчета энергооптимальных траекторий движения поезда, его численной реализации в виде программного комплекса промышленного типа с детальной экспериментальной проверкой и разработкой методики практического использования.

Для достижения поставленной цели в работе:

• разработаны теоретическое обоснование основного алгоритма оптимизации и его конкретизация применительно к эффективной численной реализации для ЭВМ;

• разработаны программный комплекс промышленного типа ПК ERG для получения энергооптимальных траекторий движения поезда и методика его практического использования;

• разработан алгоритм подбора позиций контроллера для реализации энергооптимальных траекторий движения поезда;

• разработана методика опытной проверки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда;

• исследована эффективность использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда в ходе сравнительных опытных поездок на участках постоянного и переменного тока сети железных дорог РФ;

• выполнен анализ практического использования на сети железных дорог РФ программного комплекса ПК ERG и его модификаций применительно к бортовым системам автоведения (УСАВПП, УСАВПГ, ИСАВП-РТ) и к автоматизированной системе нормирования, анализа и контроля расходованием топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов (АРМТ).

Диссертация содержит 6 глав.

В первой главе сформулирована общая оптимизационная задача, проведен анализ известных методов и обоснована необходимость разработки эффективного метода расчета энергооптимальных траекторий движения поезда, его численной реализации в виде программного комплекса промышленного типа и методики практического использования.

Во второй главе представлены математическая формулировка задачи оптимального управления, теоретическое обоснование и описание основного алгоритма, его конкретизация применительно к эффективной численной реализации для ЭВМ, блок-схемы, описание мероприятий по повышению эффективности.

В третьей главе представлены алгоритмы аппроксимации дискретных тяговых характеристик непрерывными функциями, непрерывного управления с помощью дискретных тяговых позиций и обоснована возможность использования на практике принятой в работе последовательности этапов решения задачи без существенных потерь точности.

В четвертой главе представлены результаты опытной проверки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда на участках постоянного и переменного тока сети железных дорог РФ.

В пятой главе представлена методика практического использования ПК ERG, включая технические аспекты пользовательского интерфейса и порядка работы на уровне конечного пользователя.

В шестой главе представлены данные по практическому использованию на сети железных дорог РФ программного комплекса ПК ERG и его модификаций применительно к бортовым системам автоведения и к автоматизированной системе нормирования. ;

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

В приложении представлен фрагмент документа ОАО- «РЖД» №Цтех-П16/с от 31.08.2006 за подписью Начальника ЦТех Н. Г. Щабалина «Об эффективности использования за 6 месяцев 2006 г. технических средств, внедренных по Программ! ресурсосбережения 2004;2005 годов» .

Основные результаты и выводы диссертации:

1. Разработан метод решения задачи расчета энергооптимальной траектории движения поезда при заданных времени хода, плане и профиле пути, характеристиках локомотива и состава поезда, ограничениях скорости, включающий базовые алгоритмы, численную и программную реализацию их для ЭВМ, обеспечивающие расчет энергооптимальных траекторий на протяженных участках в реальном масштабе времени.

2. На основе результатов решения задачи расчета энергооптимальных траекторий движения разработан промышленный программный продукт ПК ERG с развитым интерфейсом пользователя, возможностью развития и модификации, достигаемой за счет использования объектно-ориентированного подхода к организации программного обеспечения, а также высокого уровня структурированности и инкапсуляции составляющих модулей.

3. Разработана методика опытной проверки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда. С помощью этой методики были выполнены сравнительные опытные поездки с динамометрическими вагонами-лабораториями и без них на участках постоянного и переменного тока Московской, Горьковской, Юго-Восточной, Октябрьской, Южно-Уральской, Западно-Сибирской и Забайкальской ж.д. В результате было подтверждено, что при ведении поездов по рекомендациям энергооптимальных расчетов, экономия энергии на тягу по сравнению с результатами лучших машинистов депо достигала 5+10%.

4. Разработаны модификации программы ПК ERG для использования в бортовых системах автоведения пассажирских и грузовых электровозов и в системе управления распределенной тягой ИСАВП-РТ, обеспечивающие энергооптимальное, адаптированное к условиям пропуска поездопотока, безопасное управление движением поезда.

5. Опыт использования бортовой программы ERG в системах автоведения пассажирских (УСАВПП) и грузовых (УСАВПГ, ИСАВП-РТ) поездов, когда расчет энергооптимальных траекторий осуществляется в реальном времени многократно в связи с постоянно меняющейся поездной обстановкой, показал ее надежность и быстродействие в соответствии с требованиями, предъявляемыми к программному обеспечению бортовых систем реального времени. Согласно данным результатов обработки картриджей РПДА по реальным поездкам с системой автоведения экономия энергии на тягу составляет 5+16%.

6. На основе ПК ERG разработан программный блок, используемый в автоматизированной системе АРМТ, обеспечивающей техническое нормирование расхода энергии на тягу.

7. Разработана методика расчета затрат энергии поездом при выполнении предупреждений об ограничении скорости.

8. В соответствии с Программами ресурсосбережения 2000;2006 годов на сети железных дорог Российской Федерации:

• аппаратно-программный комплекс для расчета энергооптимальных траекторий движения грузовых поездов внедрен в 142 локомотивных депо;

• системами автоведения пассажирских и грузовых поездов с бортовой версией ПК ERG оборудованы свыше 2тыс. электровозов;

• 60 комплексов автоматизированной системы АРМТ, в состав которой входит расчетный модуль ПК ERG, поставлены в различные локомотивные депо.

Это подтверждает эффективность и востребованность выполненных разработок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Н.Д., Петров Ю. П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов. //Энергоатомиздат: М. 1985. С. 240.
  2. И.А., Дмитрук А. В., Осмоловский Н. П. Решение с помощью принципа максимума задачи об энергетически оптимальном управлении движением поезда. //Журнал вычислительной математики и математической физики. М. 1965. № 3. С. 12−23.
  3. Л.А., Головичер Я. М., Эпштейн Г. Я. Расчет экономичных режимов управления поездом в микропроцессорных системах автоведения. //Вестник ВНИИЖТ. 1984. № 6. С.12−17.
  4. Баранов Л.А., Головичер Я. М., Ерофеев Е. В., Максимов
  5. B.М. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава. //Транспорт: М. 1990. С. 272.
  6. Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. //Наука: М. 1965. С. 450.
  7. Н.Н., Митропольский Ю. А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. //Наука: М. 1974. С. 504.
  8. В.Г. Оптимальное управление. //Наука: М. 1972. С. 287.
  9. Я.М. Энергетически оптимальный алгоритм управления для систем автоведения поезда. //Вестник ВНИИЖТ. 1982. № 8. С. 18−22.
  10. Я.М. Алгоритмы управления движением транспортных средств для систем автоведения. //Автоматика, телемеханика и связь. 1986. № 11.1. C. 118−126.
  11. Ю.Головичер Я. М. Аналитический метод расчета оптимального управления движением поезда. //Известия вузов. Сер. «Электромеханика». 1986. № 3. С. 58−66.
  12. Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления. // Мир: М. 1999. С. 548.
  13. А.Н. Методы расчета оптимальных программ веденияпоезда. //Автореферат дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. Омск, 2000. С. 19.
  14. И.Градштейн И. С., Рыжик И. М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. //Наука: М. 1971. С. 1100.
  15. М.Грунтов П. С., Кайзер А. П. Исследование математических методов управления движением грузовых поездов и совершенствование режимов их вождения в АСУ. //Проблемы централизации диспетчерского управления на железных дорогах. Гомель. 1985. С. 22−34.
  16. Донской A. JL, Завьялов Е. Е. Системы автоведения и регистрации для электровозов пассажирского движения. //Железнодорожный транспорт. № 9. 2005. С. 9−12.
  17. Н.М. Алгоритм оптимизации для нелинейных задач экономического планирования. //Сб. «Численные методы в задачах оптимального экономического планирования». ВНИИСИ. М. 1983. вып.1.
  18. А.Я., Милютин А. А. Необходимые условия слабого минимума в общей задаче оптимального управления. //Наука. М. 1971.
  19. С.В. Построение оптимальной кривой движения поезда. //Вестник ВНИИЖТ. 1968. № 1. С. 9−12.
  20. Е.В. Выбор оптимального режима ведения поезда на АЦВМ с применением метода динамического программирования.//Тр.МИИТ. 1967. Вып. 228. С. 16−30.
  21. Е.В. Определение оптимального режима ведения движения поезда при заданном времени хода. //Вестник ВНИИЖТ. 1969. № 1. С.54−57.
  22. Е.В., Мостов И. С. Оптимизация программ движения поездов /Яр. МИИТ. 1977. Вып. 550. С. 121−125.
  23. Е.В., Мостов И. С. Оптимизация программ движения поездов /Яр. МИИГ. 1977. Вып. 550. С. 121−125.
  24. А.Е. Выбор вариации спуска в задаче оптимального управления со смешанными ограничениями. Декомпозиционный подход. Автоматика и телемеханика, № 9,1989.
  25. А.Е., Хмельницкий Е. З. Декомпозиционный метод выбора вариации спуска в задаче оптимального управления со смешанными ифазовыми ограничениями. //Сб. «Модели и методы оптимизации». ВНИИСИ. М. 1989. вып. 1.
  26. А.Е., Левитин Е. С. Методы декомпозиции задач оптимального управления со смешанными регулярными ограничениями и со свободным правым концом траектории. //Препринт, ВНИИСИ. 1987. М.
  27. Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. //Наука: М. 1971. С. 576.
  28. A.M. Расчёт оптимальных траекторий движения поезда методом локальных вариаций. //Тр. БелИИЖТ. 1975. № 5. С. 23−28.
  29. A.M. Оптимизация управления локомотивом. //Транспорт: М. 1979. С. 119.
  30. И.А., Черноусько Ф. Л. О методе последовательных приближений для задач оптимального управления. //Журнал вычислительной математики и математической физики. 1962. т.2. № 6.
  31. И.А., Черноусько Ф. Л. Решение задач оптимального управления методом локальных вариаций. //Журнал вычислительной математики и математической физики. М. 1966. Вып. 6. № 1. С. 46−49.
  32. Я.Б. Принцип максимума и оптимальное управление движением поезда. //Вестник ВНИИЖТ. 1977. № 1. С.57−61.
  33. А.Л., Мушнштейн Л. А. Нестационарные режимы тяги. //Интекст: М. 2003. С. 343.
  34. В.М. Выбор рациональных режимов электроподвижного состава. //Тр. МИИТ. 1968. № 3. С.55−57.
  35. В.М. Оптимальное управление при автоматическом ведении поезда метрополитена. //Тр. МИИТ. 1971. Вып.388. С.82−92.
  36. А.А., Дубовицкий, А .Я. Задачи на экстремум при наличии ограничений. //Журнал вычислительной математики и математической физики. М. 1965. № 3. С. 12−23.
  37. Ю.А. Метод усреднения в нелинейной механике. //Наукова думка: Киев. 1971.
  38. Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. //Наука: М. 1975. С. 528.
  39. Н.Н. Численные методы в теории оптимальных систем. //Наука: М. 1971. С. 424.
  40. JI.A., Пясик М. С., Аршавский А. В., Ефремов С. В., Я.Г. Проничев, Ткачев B.C. Автоматизированное ведение соединенного грузового поезда по радиоканалу. //Железнодорожный транспорт. 2005. № 9. С. 13−15.
  41. Л.А., Школьников Е. Н., Андреев А. В., Виноградова Т. В., Виноградов С. А. Программный комплекс для анализа и нормирования расходов энергоресурсов. //Железнодорожный транспорт. 2005. № 9. С. 32−36.
  42. В.А. Оптимизация режимов ведения поезда с учетом критериев безопасности движения (методы и алгоритмы). //Автореферат дисс. на соискание уч. ст. д-ра техн. наук: Омск. 1999. С. 38.
  43. Ю.П. Оптимальное управление движением транспортных средств. //Энергия: М. 1969. С. 96.
  44. Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления. //Энергия: М. 1977. С. 280.
  45. JI.C., Болтянский В. Г., Гамкрелидзе Р. В., Мищенко Е. Ф. Математическая теория оптимальных процессов. //Наука: М. 1969. С384.
  46. Э.С. Исследование оптимальных тяговых режимов электроподвижного состава. //Тр. МИИТ. 1967. Вып.282. С. 152−64.
  47. Э.С. К вопросу оптимального управления движением поездов. //Тр. МИИТ. 1967. Вып.250. С 137−149.
  48. Л.Е., Пакман Е. М., Пакман А. И. О поиске оптимального режима езды электроподвижного состава. //Тр. МИИТ. 1970. Вып. 310. С. 29−41.
  49. В.М. Выбор оптимального режима управления локомотивом с использованием ЭЦВМ. //Вестник ВНИИЖТ. 1965. № 2. С. 52−48.
  50. В.Е., Палей Д. А. Аналитический метод проведения на ЭЦВМ тягового расчета при заданном времени хода и минимальном расходе электроэнергии. //Вестник ВНИИЖТ. 1974. № 1. С. 10−15.
  51. Л.И. Принцип максимума Л.С.Понтрягина в теории оптимальных систем, I. //Автоматика и Телемеханика. 1959. № 10. С. 1320−1334.
  52. Л.И. Принцип максимума Л.С.Понтрягина в теории оптимальных систем, II. //Автоматика и Телемеханика. 1959. № 11. С. 1441−1458.
  53. Л.И. Принцип максимума Л.С.Понтрягина в теории оптимальных систем, III. //Автоматика и Телемеханика. 1959. № 12. С. 1561−1578.
  54. Ahlberg Н., Nielson Е., Walsh J. The theory of splines and their applications. //Academic Press: NY. 1967.
  55. Carl de Boor. A practical guide to splines. //Springer: NY. 2001. PP. 368.
  56. Ckyva L. Teori antatickeho rizeni. //Bratislava. 1983. C. 203.
  57. Dormand J.R., Prince P.J. A family of embedded Runge-Kutta formulae. //J. Сотр. Appl. Math. 1980. № 6. PP. 19−26.
  58. Dormand J.R., Prince P.J. Runge-Kutta triples. //Сотр. & Maths, with Appls. 1986. № 12A. PP. 1007−1017.
  59. Sage A., White C. Optimum system control. //Prentice-Hall: Englewood Cliffs. New Jersey. 1982.
  60. Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery. Numerical Recipes in С: The Art of Scientific Computing. //William H. Press: 1992. PP. 106−127.
Заполнить форму текущей работой

Пора сдавать?