列车自动驾驶算法研究及仿真实现

论文摘要

列车运行控制系统作为高速铁路建设的一项关键技术,对铁路事业的进一步发展有着举足轻重的作用。目前的列车运行控制系统主要用于保证列车行车间隔,实现超速防护,以保障列车运行安全。但是,随着列车提速,节能减排以及列车精确定点停车等问题的日益突出,目前已有的列车运行控制系统已不能完全满足需求。因此,新的列车运行控制系统需要不仅能保障运行安全,还要能更加智能化地控制列车。在此背景下,各界学者纷纷开始研究列车自动驾驶技术来代替已有的人工驾驶方式,以改善驾驶策略并提高列车在节能性、舒适性、停车精准性等方面的性能。本文结合铁路干线的特点,借鉴列车自动驾驶技术在城市轨道交通上的应用,提出自动驾驶算法在高速铁路干线上的应用,并且针对该算法进行了仿真研究。在该论文的主要研究内容中,首先分析了列车自动驾驶技术的现状。然后,针对高速铁路干线的特点,对列车自动驾驶技术进行功能需求分析,并根据需求,分析在已有的列车运行控制系统中添加列车自动驾驶子系统的具体方案。接下来,设计具体的列车自动驾驶算法。其内容包括定义算法中的性能指标,总结列车驾驶策略；并通过模糊控制将驾驶策略转换为模糊控制规则,通过模糊隶属函数为各性能指标建立模型；再通过层次分析法解决性能指标之间的冲突问题；最后综合建立列车自动驾驶控制规则集,根据该规则,可以实时计算出最佳控制力,给出最佳控制方案。之后,该研究中设计并实现了基于CTCS-3级列车运行控制系统的列车自动驾驶仿真程序,其采用CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组基本数据,以及合宁线部分线路数据,通过面向对象程序语言进行了仿真试验。通过仿真测试和分析,比较了人工驾驶模式和自动驾驶模式在列车运行性能方面的差异,证明了该自动驾驶算法的正确性和优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文研究目标及主要研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 主要研究内容
• 第2章 列车自动驾驶系统的介绍与分析
• 2.1 列车自动驾驶技术简介
• 2.2 大铁路干线ATO的需求分析
• 2.3 具有ATO子系统的列控系统结构及其原理
• 2.4 ATO子系统结构及其原理
• 2.4.1 输入输出模块
• 2.4.2 ATO条件判断模块
• 2.4.3 列车自动驾驶控制模块
• 第3章 列车自动驾驶系统算法设计
• 3.1 ATO性能指标
• 3.2 驾驶策略分析
• 3.2.1 列车启动过程
• 3.2.2 区间调速过程
• 3.2.3 停车过程
• 3.3 模糊控制
• 3.3.1 模糊控制概念
• 3.3.2 模糊控制的数学基础
• 3.3.3 模糊控制规则集
• 3.4 性能指标模型
• 3.4.1 隶属函数
• 3.4.2 追溯性隶属函数
• 3.4.3 舒适性隶属函数
• 3.4.4 节能性隶属函数
• 3.4.5 停车精准性隶属函数
• 3.5 层次分析法及其应用
• 3.6 ATO控制规则集
• 第4章 列车自动驾驶仿真子系统总体设计及实现
• 4.1 概述
• 4.2 仿真系统结构分析及设计
• 4.3 仿真系统功能
• 4.4 主要功能设计及实现
• 4.4.1 界面设计及实现
• 4.4.2 线路数据接收与处理
• 4.4.3 列车超速防护模块设计与实现
• 4.4.4 列车自动驾驶模块设计与实现
• 第5章 仿真测试及分析
• 5.1 系统初始化
• 5.2 列车自动驾驶模式
• 5.3 列车人工驾驶模式
• 5.4 两种驾驶模式的比较与分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文