Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VĂN HẢI NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG ĐOÀN TÀU TRÊN TUYẾN ĐƢỜNG SẮT VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VĂN HẢI NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG ĐOÀN TÀU TRÊN TUYẾN ĐƢỜNG SẮT VIỆT NAM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thanh Hải PGS.TS Đỗ Việt Dũng HÀ NỘI – 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tác giả hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Thanh Hải PGS.TS Đỗ Việt Dũng Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả Nguyễn Văn Hải ii LỜI CẢM ƠN Lời đâu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thanh Hải PGS.TS Đỗ Việt Dũng tâm huyết hướng dẫn tác giả hoàn thành luận án Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, giáo Khoa Điện – Điện tử, Phòng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Giao thông vận tải giúp đỡ đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giả hồn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn đồng chí lãnh đạo, thầy giáo, giáo, bạn bè đồng nghiệp, gia đình người thân ln động viên, hỗ trợ, khích lệ tạo điều kiện để tác giả thực thành công luận án iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG TRONG GIAO THÔNG ĐƢỜNG SẮT 1.1 Các yếu tố ảnh hƣởng đến chi phí lƣợng vận tải đƣờng sắt 1.2 Một số hƣớng nghiên cứu nhằm mục tiêu tiết kiệm lƣợng chạy tàu 1.3 Các nghiên cứu nƣớc liên quan đến giảm chi phí lƣợng chạy tàu 10 1.3.1 Các nghiên cứu nước 11 1.3.2 Các nghiên cứu giới 12 1.4 Những vấn đề tồn đề xuất giải pháp mục tiêu luận án 19 1.5 Nội dung phƣơng pháp nghiên cứu 20 1.6 Kết luận Chƣơng 20 CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH, XÂY DỰNG BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU CHUYỂN ĐỘNG ĐOÀN TÀU 21 2.1 Xây dựng toán điều khiển tối ƣu chuyển động đoàn tàu 21 2.1.1 Tiêu chuẩn tối ưu 21 2.1.2 Đối tượng điều khiển 23 2.1.3 Cơ sở lý thuyết giải toán điều khiển tối ưu 25 iv 2.1.4 Xây dựng toán điều khiển tối ưu đoàn tàu 28 2.2 Điều khiển tối ƣu nhiên liệu đầu máy ứng dụng nguyên tắc cực đại 29 2.2.1 Biến đổi phương trình chuyển động 29 2.2.2 Áp dụng nguyên tắc cực đại 31 2.2.3 Chế độ tối ưu điều khiển 32 2.2.4 Cấu trúc đặc tính tối ưu 34 2.2.5 Tính tốn hàm p(s) 37 2.3 Đề xuất tốn có nhiều đoàn tàu tuyến 39 2.3.1 Xây dựng toán 39 2.3.2 Mô hình tốn học đồn tàu 41 2.3.3 Giải toán điều khiển tối ưu 42 2.3.4 Xét trường hợp đặc biệt có độ dốc điểm S1 43 2.3.5 Mở rộng với trường hợp đoàn tàu qua nhiều ga trung gian với thời gian cố định cho trước 47 2.4 Đề xuất toán điều khiển tối ƣu đồn tàu có xét đến ảnh hƣởng chiều dài đoàn tàu 49 2.4.1 Xây dựng toán 49 2.4.2.Xác định giá trị lực cản phụ có tính đến ảnh hưởng chiều dài đồn tàu 50 2.4.3 Xác định điểm chuyển điều khiển tối ưu 52 2.5 Kết luận Chƣơng 57 CHƢƠNG III: XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU, MƠ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM THUẬT TOÁN TRÊN HỆ THỐNG THỰC 58 3.1 Xây dựng thuật toán điều khiển tối ƣu đoàn tàu tuyến 58 3.1.1 Đặt vấn đề 58 3.1.2 Thuật toán điều khiển tối ưu đoàn tàu tuyến 59 v 3.2 Ứng dụng thuật toán di truyền chuẩn hóa hệ số biểu thức tính lực cản đồn tàu cụ thể 68 3.2.1 Khái niệm lực cản đoàn tàu 68 3.2.2 Các khái niệm giải thuật di truyền 69 3.2.3 Cơ chế thực giải thuật di truyền 72 3.2.4 Áp dụng giải thuật tìm hệ số biểu thức tính lực cản đồn tàu cụ thể 75 3.3 Mô kiểm nghiệm thực tế thuật toán điều khiển tối ƣu cho đoạn đƣờng cụ thể 81 3.3.1 Thu thập liệu đầu vào cho toán 81 3.3.2 Mô kiểm nghiệm thực tế 85 3.3.3 Giao diện mô 90 3.4 Kết luận Chƣơng 91 KẾT LUẬN 92 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 PHỤ LỤC I 103 PHỤ LỤC II 105 PHỤ LỤC III 113 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Ví dụ số mẫu liệu ghi đo ghi liệu[5] 76 Bảng 3.2 Các tham số thuật giải di truyền 78 Bảng 3.3 Các tham số lực cản tìm 79 Bảng 3.4 Các tham số xác định qua đo ghi liệu DT 04 81 Bảng 3.5 Thông số đoạn thử nghiệm 86 Bảng 3.6 Một đoạn mẫu liệu trích xuất từ đo ghi liệu từ lý trình km53+500 87 Bảng So sánh kết mô 89 vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tổn thất nhiên liệu dừng tàu không cần thiết phụ thuộc vào tốc độ khối lượng đoàn tàu Hình 1.2 Sự phụ thuộc chi phí nhiên liệu đơn vị vào tốc độ chạy ứng với khối lượng kéo khác Hình 1.3 Hệ thống lượng cung cấp cho đường sắt 10 Hình 1.4 Đặc tuyến chuyển động đồn tàu gồm ba giai đoạn 13 Hình 1.5 Đặc tuyến chuyển động đoàn tàu gồm bốn giai đoạn 13 Hình 2.1a Đặc tính tối ưu khu gian phẳng 35 Hình 2.1b Đặc tính tối ưu khu đoạn ngắn 35 Hình 2.1c Đặc tính tối ưu khu đoạn có hạn chế tốc độ 36 Hình 2.1d Đặc tính tối ưu trường hợp Vd>Vc 36 Hình 2.2a Đặc tính tốc độ đoạn đường có độ dốc xuống 37 Hình 2.2b Đặc tính tốc độ đoạn đường có độ dốc lên 37 Hình 2.3 Biểu đồ chạy tàu cho đoạn tuyến 39 Hình 2.4 Đặc tuyến chuyển động đồn tàu 40 Hình 2.5a Trường hợp Von1< Von2 43 Hình 2.5b Trường hợp Von1< Von2 43 Hình 2.6a: Phương án điều khiển Von2> Von1 44 Hình 2.6b: Phương án điều khiển Von2< Von1 44 Hình 2.7a Phương án điều khiển Von2> Von1 45 Hình 2.7b Phương án điều khiển Von2< Von1 46 Hình 2.8 Đoạn tuyến chuyển động đồn tàu qua nhiều ga 47 Hình 2.9 Hai đoàn tàu chạy hướng tuyến 48 Hình 2.10 Vị trí đồn tàu đoạn có nhiều độ dốc 50 Hình 2.11a Lực cản phụ coi đồn tàu chất điểm 51 Hình 2.11b Lực cản phụ đoàn tàu phân bố đoạn chiếm dụng 51 Hình 2.12 Điều kiện lực kéo lớn điểm có độ dốc lên 52 Hình 2.13 Điều khiển chế độ chạy đà điểm có độ dốc xuống 54 viii Hình 2.14 Điều khiển chế độ chạy đà trước hãm 55 Hình 3.1 Dạng đồ thị v, p(s) đoạn dốc đơn lên 61 Hình 3.2 Kết mô đồ thị hàm v p(s) dốc lên với lý trình từ km83+000 đến km83+100, tuyến Hà Nội – Lào Cai 62 Hình 3.3 Dạng đồ thị v, p(s) đoạn dốc đơn xuống 63 Hình 3.4 Kết mô đồ thị hàm v(s) p(s) dốc xuống đơn với lý trình từ km121+700 đến km123+600, tuyến Hà Nội – Lào Cai 64 Hình 3.5.Dạng đồ thịv(s), p(s) đoạn dốc phức hợp có đoạn lên -xuống 65 Hình 3.6 Kết mô đồ thị hàm v p(s) dốc phức lên - xuống 66 Hình 3.7 Dạng đồ thị v, p(s) đoạn dốc phức hợp có đoạn xuống - lên 67 Hình 3.8 Sơ đồ mã hóa cá thể 77 Hình 3.9 Đồ thị đường đường đặc tuyến lý trình từ 53+500 đến 140+540 (từ Ga Vĩnh Yên đến ga Đoan Thượng)- Với tham số a, b, c xác định theo kinh nghiệm 80 Hình 3.10 Đồ thị đường đường đặc tuyến lý trình từ 53+500 đến 140+540 (từ Ga Vĩnh Yên đến ga Đoan Thượng)- Với tham số a, b, c xác định theo thuật toán đề xuất 80 Hình 3.11 Sơ đồ tính hệ thống đo ghi tốc độ DT 04 82 Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo ghi tốc độ đầu máy 83 Hình 3.13 Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị ĐT 04 đầu máy [5] 84 Hình 3.14 Giao diện phần mềm Locomotive Speed Supervisor 85 Hình 3.15 Đặc tính sức kéo Đầu máy D12E 86 Hình 3.16 Đặc tuyến điều khiển tối ưu từ Ga Vĩnh Yên đến Ga Đoan Thượng 87 Hình 3.17 Đặc tuyến chạy thực tế đoạn Ga Vĩnh Yên – Ga Đoan Thượng 88 Hình 3.18 Đặc tuyến điều khiển tối ưu từ Ga Lang Khay đến Ga Bảo Hà 88 Hình 3.19 Đặc tuyến chạy thực tế đoạn Ga Lang Khay – Ga Bảo Hà 88 Hình 3.20 Giao diện nhập liệu đầu vào 90 Hình 3.21 Giao diện kết mơ 90 ... Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu lượng đoàn tàu tuyến đường sắt Việt Nam Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu luận án nghiên cứu xây dựng mơ hình tốn học tốn điều khiển nhiều đồn tàu. .. ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VĂN HẢI NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG ĐOÀN TÀU TRÊN TUYẾN ĐƢỜNG SẮT VIỆT NAM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 9520216 LUẬN... dọc tuyến Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam Chế độ ổn tốc MỞ ĐẦU Giới thiệu tóm tắt luận án Luận án sâu vào nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu đoàn tàu, yếu tố ảnh hưởng đến q trình điều khiển