文 献 综 述
1 背景及意义
随着城市轨道交通的高速发展,能耗剧增的问题日益突出。降低城市轨道交通系统能耗能够节省运营成本,促进经济发展,对于维持我国城市轨道交通快速可持续发展起到重要作用。城市轨道交通与其他交通方式相比,具有集约高效、节能环保等优点,没有小汽车的空气污染及停车困难等问题,运营速度甚至超过每小时20公里,每小时的运营能力达到了7000人次,大幅度地超过公交车。
但随着列车运行速度的提升,列车的运行能耗也明显增大。2008年北京市城市轨道交通线网用电量为6.5亿度；到了2013年，耗电总量达11.24亿度；截止到2015年底，总耗电量达到了13.9亿度，经计算耗电量的年平均增长率高达12％。[1]按照我国目前城市轨道交通的建设和发展规划，在未来的十几年里,能源消耗过大的问题更加突出,高能耗必然制约着城市轨道交通的可持续发展。因此,在满足运行时分的条件下,对城市轨道列车节能运行的研究不仅可以促进低碳经济的发展,还能降低列车运营成本,具有重大的经济意义。
本文以ATO系统为基础，ATO可以根据线路情况、列车当前速度、位置、牵引制动特性以及停车点的位置计算相应的速度曲线,通过一定的控制算法实现对列车速度的精确追踪,保证列车准点并精确地到达停车点。列车的牵引能耗主要用于列车运行。列车运行控制系统（Automatic Train Control System，简称ATC）是城市轨道交通列车运行的核心设备，它的功能是保证列车的行车安全，缩小列车的行车间隔，提高列车的运行效率，以及増加列车运行的舒适性和准时性。[2]ATC系统由列车自动监控（Automatic Train Supervision，简称ATS）、列车自动防护（Automatic Train Protection，简称ATP）和列车自动运行（Automatic Train Operation，简称ATO）三个子系统组成。其中，ATO系统直接控制列车运行，是实现列车节能降耗的重要载体。
基于上述背景下,本文以在对轨道交通列车行驶过程分析的基础上建立其数学模型，搭建轨道交通列车运行仿真系统，编写仿真软件，对列车的惰行、巡航和混合三种运行模型进行仿真分析，对比不同线路条件下三种运行模式的各项性能指标。
2 国内外研究现状
城市轨道车辆在运行过程中，优良的控制方法和策略对节约能源起着关键性的作用。关于轨道交通系统仿真与设计，其中最重要的就是算法的优化。近年来国内外学者在此领域做了大量的研究工作，例如，对于ATO速度命令节能设计、采用多目标控制策略等算法的研究，这些都为ATO系统的优化取得了显著的成果。
2.1 数学优化算法
汤力成[1]采用动态规划算法进行列车运行曲线优化，针对动态规划应用于列车运行曲线优化求解时状态空间过大导致求解速度慢的问题，提出了状态集合缩减策略。利用状态集合缩减策略可以减少无效状态，结合列车可行速度控制范围构建子区段内的能耗和时耗矩阵，提高了算法搜索过程中的计算效率，通过路径搜索确定最优控制序列以及对应的列车运行曲线，使得列车运行能够满足计划运行时间的同时能耗最低。由于通过数值方法求解优化操纵模型面临诸多困难，Frank[3]等人采用离散动态规划，用动能代替速度来得到列车优化操纵问题的求解算法。Ko[4]等人应用到了贝尔曼动态规划算法优化列车运行速度曲线，但将原始问题通过时间离散和线性化处理转化成了多层决策问题。
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