基于随机优化理论的列车节能操纵问题研究

给定运行时间与线路条件，列车完成运输距离存在着多条可行的速度曲线。列车节能操纵以节能为目标来优化速度曲线，是一个经济有效且直接可行的节能技术。基本阻力系数是节能操纵模型的关键参数，当其受气候条件、车辆条件影响随机变化时，追踪给定速度曲线的能耗也随机变化。申请人初步研究了随机节能操纵模型与算法，数值结果表明随机模型可以进一步节能5.36%。本项目计划基于随机优化理论深入研究列车节能操纵问题。首先，结合限速、线路坡度与再生制动条件，建立随机节能操纵模型。其次，分析最优工况类型、最优工况序列及工况转换方程，结合随机模拟技术设计快速算法。最后，研究一定能耗条件下列车的最小运行时间。在全球大力发展低碳经济的时代背景下，铁路运输作为国民经济中耗能最大的行业之一，做好节能减排工作十分必要并且形势紧迫。本项目不仅是对列车节能操纵理论的完善，其研究成果对于铁路运输节能减排、降低运营成本具有重要的现实意义。

项目组充分考虑现实铁路系统的限速、坡度、再生制动等条件，基于随机优化理论系统深入地研究列车节能操纵问题，完成了既定的研究内容，包括：建立随机节能操纵模型、分析最优性条件、证明最优解的存在性、设计快速有效的算法、研究列车节能操纵反问题等。此外，项目组还基于随机节能操纵方法探讨列车运行调度问题，开展了列车运营计划集成优化与动态调整方法的研究。研究成果得到欧洲科学院院士、IEEE Fellow及SCI期刊主编、副主编的引用及肯定，并应用于北京交控科技有限公司“全自动驾驶系统半实物仿真、测试与验证平台”，取得了显著的节能效果。在该项目的资助下，项目组在领域顶级期刊或优秀期刊Transportation Research Part B、European Journal of Operational Research、IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems、IEEE Transactions on Fuzzy Systems、IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems、Omega 等发表SCI 收录论文20篇，在Springer出版英文专著1部。其中，3篇论文被美国基本科学指标ESI列为全球“高引用论文”，1篇论文入选Elsevier“前25篇热点论文”，1篇论文入选2012年度中国百篇最具影响国际学术论文。项目负责人荣获教育部自然科学奖一等奖、教育部霍英东青年教师奖，入选教育部新世纪优秀人才支持计划和北京市科技新星计划。项目组成员积极参与国内外学术交流，包括：主办 2013年International Forum on Decision Sciences；参加2012年美国ASME/IEEE铁路联合会、2012年亚太工业工程与管理系统大会等；访问加拿大阿尔伯塔大学、韩国木浦海洋大学、香港科技大学等；邀请美国辛辛那提大学Dan Ralescu教授、美国犹他州立大学Yan Sun教授、香港科技大学的Hai Yang和Hong Kam Lo教授、韩国木浦海洋大学的Park G教授、日本早稻田大学的Mitsuo Gen教授访问实验室，并作学术报告。