磁浮列車運行優化（簡體書）

本書研究了如何將磁浮運（運行計畫）、控（列車運行控制）、電（牽引供電）三個層次融合，實現高效、節能的磁浮運控電一體化運行策略優化。研究結論既可以在設備設施未定情況下，為磁浮系統的規劃與設計提供評估方法，也可以在給定線路設備參數後，實際應用在行車組織計畫優化工作中。概括而言，本書的主要研究內容如下：（1）研究了磁浮列車運控電一體化運行策略優化問題的形式化理論模型本書考慮了磁浮系統高度集成化、自動化的特點，分析了磁浮系統的工作原理，並結合運行—列控—牽引系統緊密耦合的特徵，探討了影響磁浮列車運行效率和能耗的相關參數及其關係，確定了磁浮運控電一體化運行策略優化問題所包含的關鍵決策變數（即時間、速度、電氣量），並構建了一體化優化問題的形式化理論模型。為了求解該大規模組合優化問題，提出了“中間切入、先深後寬、先細後全”的分層求解思路。具體為：以單列車為物件，研究了磁浮列車目標速度曲線優化問題，並以此為基礎向下“深入”至供電層面的直線電機，建立速度曲線與電氣參數的關係，進一步研究磁浮控—電一體化運行策略優化問題，給出精細化的列車運行速度曲線；再將研究物件從單列車“拓寬”至運行層面的列車群，研究磁浮運控電一體化運行策略優化問題，得到高效、節能的全息列車運行圖。形式化理論模型將速度曲線和電氣牽引參數相結合，從而得到更加精細化的列車運行速度曲線，並在全域優化方面更進一步。（2）研究了磁浮列車目標速度曲線優化問題以磁浮單列車為研究物件，以最小化機械能耗為目標，研究了磁浮列車目標速度曲線優化問題，得到列車目標速度曲線。通過分析列車動力學方程，考慮影響列車運行的約束（包括最大牽引力及制動力、運行阻力特性、區間限速、二維速度防護等），構建了磁浮列車目標速度曲線非線性優化模型。進一步，針對於磁浮系統特有的線路特徵以及列車動力學方程，提出了一種考慮磁浮線路特徵的距離間隔階段劃分方法，並在此基礎上分別構建了動態規劃（DP）和混合整數規劃（MILP）的列車目標速度曲線優化模型。算例結果表明：1）兩種模型均能滿足磁浮線路最高限速和雙速度防護的要求；2）MILP模型相對於DP模型具有更高的求解效率；3）分析基本能耗（機械能耗和懸浮能耗之和）與區間執行時間的關係，結果表明，考慮懸浮能耗後，基本能耗隨著區間執行時間的增加呈現先下降後上升的變化趨勢。相較於輪軌的目標速度曲線優化方法，兩種模型更準確地描述了磁浮特有的約束（即雙速度防護曲線、磁浮列車運行阻力特性），彌補了立足於輪軌系統的列車目標速度曲線優化方法的不足，更適用于求解磁浮列車目標速度曲線優化問題。與此同時，本書所提出的模型也適用于求解高速磁浮的列車目標速度曲線優化問題，相比既有方法普適性更佳。（3）研究了磁浮列控層與供電層一體化運行策略優化問題以單列車目標速度曲線研究結論為基礎，向下“深入”至供電層面的直線電機，將列車運行速度和電機電氣參數相結合，以最小化牽引能耗為目標，研究了磁浮列控層與供電層一體化列車運行速度曲線優化問題，得到了精細化的列車運行速度曲線。分別在單端和雙端供電模式下，考慮牽引供電區段內車輛未覆蓋部分定子阻抗以及饋電線路阻抗的影響，研究了長定子直線同步電機建模方法，並構建了轉子定向磁場控制方式下的磁浮直線電機、機械系統和運行阻力特性的數學等效方程。結合列車動態運行方程，提出了融合電機模擬的列車運行速度曲線動態規劃優化（DPE）模型。在此基礎上，結合列車目標速度曲線構造的有效列車運行速度解空間，構建了磁浮列控層與供電層一體化運行策略優化（OE）模型。算例結果表明：1）相對於不考慮電機特性的MILP模型，OE模型優化後的速度曲線在時空細微性上更加精細化，並能更好地滿足牽引供電系統的供電能力限制；2）OE模型和DPE模型優化得到的牽引能耗差異不大，但前者的求解速度約為後者的266倍，表明本書提出的目標速度帶以及階段速度變化趨勢約束等手段有助於提升求解效率；3）在相同執行時間約束下，滿載率與牽引能耗呈現強線性相關性。（4）研究了磁浮運控電一體化運行策略優化問題在磁浮列控層與供電層一體化運行策略優化研究所給出的單列車運行速度曲線的基礎上，進一步將研究物件從單列車“拓寬”至運行層面的列車群，以乘客總旅行時間和運行能耗最小為目標，考慮列車滿載率與能耗（懸浮能耗牽引能耗）的關係，提出了磁浮運控電一體化運行策略整體優化方法，具體為：列車發車時刻優化、牽引能耗與列車品質線性回歸方程備選集構建、區間運行時分優化、精細化運行策略生成及驗證等4個關鍵步驟。這種方法突破了以往運行圖優化時，將列車運行速度作為常量的不足，進而在優化細微性上更精細。另外，在優化目標上不僅考慮一般意義上的牽引能耗，而且將磁浮系統特有的懸浮能耗納入其中，因而優化得到的磁浮列車運行圖能耗更精准。算例結果表明，一體化整體優化方法在保障可行性的前提下，可得到包含時間、空間、速度、電氣量等多維資料的磁浮全息列車運行圖。