Метод расчета энергооптимальных траекторий движения поезда тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат технических наук Ябко, Израиль Аврумович

• Ябко, Израиль Аврумович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ябко, Израиль Аврумович

ВВЕДЕНИЕ.

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).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчета энергооптимальных траекторий движения поезда»

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 2006г. технических средств, внедренных по Программ! ресурсосбережения 2004-2005 годов".

Заключение диссертации по теме «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация», Ябко, Израиль Аврумович

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ябко, Израиль Аврумович, 2007 год

1. Абдуллаев Н.Д., Петров Ю.П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов. //Энергоатомиздат: М. 1985. С. 240.

2. Аснис 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. Баранов 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. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. //Наука: М. 1965. С. 450.

7. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. //Наука: М. 1974. С.504.

8. Болтянский В.Г. Оптимальное управление. //Наука: М. 1972. С.287.

9. Головичер Я.М. Энергетически оптимальный алгоритм управления для систем автоведения поезда. //Вестник ВНИИЖТ. 1982. №8. С. 18-22.

10. Головичер 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. Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления. // Мир: М. 1999. С. 548.

13. Горбачев 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. Дроздов Н.М. Алгоритм оптимизации для нелинейных задач экономического планирования. //Сб. "Численные методы в задачах оптимального экономического планирования". ВНИИСИ. М. 1983. вып.1.

18. Дубовицкий А.Я., Милютин А.А. Необходимые условия слабого минимума в общей задаче оптимального управления. //Наука. М. 1971.

19. Дувалян С.В. Построение оптимальной кривой движения поезда. //Вестник ВНИИЖТ. 1968. №1. С. 9-12.

20. Ерофеев Е.В. Выбор оптимального режима ведения поезда на АЦВМ с применением метода динамического программирования.//Тр.МИИТ. 1967. Вып. 228. С. 16-30.

21. Ерофеев Е.В. Определение оптимального режима ведения движения поезда при заданном времени хода. //Вестник ВНИИЖТ. 1969. №1. С.54-57.

22. Ерофеев Е.В., Мостов И.С. Оптимизация программ движения поездов /Яр. МИИТ. 1977. Вып. 550. С. 121-125.

23. Ерофеев Е.В., Мостов И.С. Оптимизация программ движения поездов /Яр. МИИГ. 1977. Вып. 550. С. 121-125.

24. Илютович А.Е. Выбор вариации спуска в задаче оптимального управления со смешанными ограничениями. Декомпозиционный подход. Автоматика и телемеханика, №9,1989.

25. Илютович 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. Илютович 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. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. //Наука: М. 1971. С. 576.

28. Костромин A.M. Расчёт оптимальных траекторий движения поезда методом локальных вариаций. //Тр. БелИИЖТ. 1975. №5. С. 23-28.

29. Костромин A.M. Оптимизация управления локомотивом. //Транспорт: М. 1979. С. 119.

30. Крылов И.А., Черноусько Ф.Л. О методе последовательных приближений для задач оптимального управления. //Журнал вычислительной математики и математической физики. 1962. т.2. №6.

31. Крылов 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. Кудрявцев Я.Б. Принцип максимума и оптимальное управление движением поезда. //Вестник ВНИИЖТ. 1977. №1. С.57-61.

33. Лисицын А.Л., Мушнштейн Л.А. Нестационарные режимы тяги. //Интекст: М. 2003. С. 343.

34. Максимов В.М. Выбор рациональных режимов электроподвижного состава. //Тр. МИИТ. 1968. №3. С.55-57.

35. Максимов В.М. Оптимальное управление при автоматическом ведении поезда метрополитена. //Тр. МИИТ. 1971. Вып.388. С.82-92.

36. Милютин А.А., Дубовицкий А .Я. Задачи на экстремум при наличии ограничений. //Журнал вычислительной математики и математической физики. М. 1965. №3. С. 12-23.

37. Митропольский Ю.А. Метод усреднения в нелинейной механике. //Наукова думка: Киев. 1971.

38. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. //Наука: М. 1975. С. 528.

39. Моисеев Н.Н. Численные методы в теории оптимальных систем. //Наука: М. 1971. С. 424.

40. Мугинштейн 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. Мугинштейн 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. Нехаев 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. Петров Ю.П. Оптимальное управление движением транспортных средств. //Энергия: М. 1969. С. 96.

44. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления. //Энергия: М. 1977. С. 280.

45. Понтрягин JI.C., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. //Наука: М. 1969. С384.

46. Почаевец Э.С. Исследование оптимальных тяговых режимов электроподвижного состава. //Тр. МИИТ. 1967. Вып.282. С. 152-64.

47. Почаевец Э.С. К вопросу оптимального управления движением поездов. //Тр. МИИТ. 1967. Вып.250. С 137-149.

48. Садовский Л.Е., Пакман Е.М., Пакман А.И. О поиске оптимального режима езды электроподвижного состава. //Тр. МИИТ. 1970. Вып. 310. С. 29-41.

49. Сидельников В.М. Выбор оптимального режима управления локомотивом с использованием ЭЦВМ. //Вестник ВНИИЖТ. 1965. №2. С. 52-48.

50. Розенфельд 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. Розоноэр Л.И. Принцип максимума Л.С.Понтрягина в теории оптимальных систем, I. //Автоматика и Телемеханика. 1959. №10. С. 1320-1334.

52. Розоноэр Л.И. Принцип максимума Л.С.Понтрягина в теории оптимальных систем, II. //Автоматика и Телемеханика. 1959. №11. С. 1441-1458.

53. Розоноэр 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.