基于多目标人工蜂鸟算法的货运悬挂式单轨列车节能轨迹优化

《Journal of Computational Science》：Energy-efficient trajectory optimization for freight suspended monorail trains based on multi-objective artificial hummingbird algorithm

本研究提出基于重力储能特性的货运悬挂单轨多目标协同优化方法，通过分析高海拔差地形下的动态特性，构建融合牵引制动转换、势能回收及轨道对齐约束的综合优化模型，设计双决策变量（最大牵引终端速度和滑行-巡航过渡速度下限）的 terrain-adaptive 运行策略，并开发改进型人工蜂群算法提升帕累托解集的收敛性与分布均匀性。实验表明该方法在单区段优化中较传统四阶段控制降低净能耗，全线路多区段优化实现正常工况下37.35 kWh/小时能耗节省，扰动工况下17.91 kWh/小时能效提升。

　　

刘伟西|闵永志|王国|萨贾德·阿里

兰州交通大学自动化与电气工程学院，中国甘肃省兰州市730070

摘要

本研究提出了一种多目标协同优化方法，该方法利用重力储能特性来解决复杂山区环境中货运悬挂式单轨铁路的轨迹优化和能源高效利用问题。通过分析高海拔差异地形下货运悬挂式单轨列车的独特动态特性，开发了一个综合的列车状态优化模型，该模型考虑了牵引-制动转换、势能回收和轨道对齐约束。采用最大牵引终端速度和滑行-巡航转换速度的下限作为决策变量，设计了一种改进的地形适应型运行策略，以在长坡段最大化势能利用。开发了一种改进的多目标人工蜂鸟算法，该算法结合了混合搜索策略和动态拥挤距离消除机制，显著提高了帕累托解集的收敛性和分布均匀性。在一条矿业运输线上的现场测试表明，对于单个虚拟段的优化，与传统四阶段运行控制相比，所提出的方法显著降低了净能耗，在特定坡度和运行条件下实现了净能量回收。全线路多段运行优化在正常运行条件下节省了37.35千瓦时的能量，在干扰情况下节省了17.91千瓦时的能量，显著提高了电能利用效率。

引言

全球铁路技术创新部门相继提出了高效铁路货运系统的开发，这些系统全面覆盖了终端用户的物流网络。目前，高效货运铁路干线已经基本完善。然而，从众多矿区到最近干线的连接路线仍然面临着数十公里高海拔地形的挑战，这严重限制了运输效率。

在如此复杂的环境中，从矿场入口到干线车站的矿石运输作业通常面临以下技术挑战：(1) 牵引不足：显著的高海拔差异要求沿线路设置陡峭的坡度，传统的轮轨牵引系统无法满足所需的粘着需求。(2) 多个运输瓶颈：复杂的地形需要蜿蜒的线路布局和频繁的小半径曲线，这严重限制了运行效率。(3) 长编组控制技术的不适用性：在通过曲线或坡度时，长编组列车会产生复杂的扭转变形，使得多台机车之间的有效协调控制变得困难。这通常会导致连接器力的放大，甚至发生断裂事故，使得传统的运行控制技术失效。(4) 高能耗降低了盈利能力：高密度运行中的紧密车距需要频繁的牵引-制动循环，从而显著增加了能源需求[1]。这些问题共同导致了山区货运运输效率低下和运营成本上升。

为了弥补矿场与干线之间的“最后一公里”距离，货运悬挂式单轨铁路运输系统应运而生。该系统使用短定子线性电机驱动列车。通过实施小编组、高密度的运行模式，有效解决了传统货运系统中长编组控制的不适用性问题、轮轨牵引和制动的困难以及在这种复杂环境中线路建设和改造的高成本问题。对这些专用运输方法的研究对于推进货运技术的创新和发展具有重要意义。

参考文献片段

文献综述

近年来，不断上涨的能源价格和日益严重的环境危机使得列车节能运行受到越来越多的关注，列车速度控制成为研究热点。节能列车控制（EETC）问题专注于在指定运行时间内优化列车在连续车站之间的轨迹。以往关于列车轨迹优化的研究已经广泛探讨了列车控制策略。Howlett [2] 首次应用了庞特里亚金最大值

运行环境描述

复杂条件下的货运悬挂式单轨铁路的运行环境如图1所示。与传统轨道交通环境相比，其独特之处如下：

(1) 运行线路仅配备装卸站，车站之间没有中间停靠点。除非是紧急故障线路，否则没有其他路线分支。

(2) 为了实现对列车的精确控制，根据相关因素建立了虚拟车站

复杂环境中生成列车曲线的改进方法

在本文的研究环境中，山顶与山底之间的高海拔差异显著，主要特征是长而陡峭的坡度，以及一些为适应地形而设计的上坡段。尽管已经广泛采用了用于能量回收的再生制动技术，但在转换过程中不可避免地会有显著的能量损失。特别是当使用短定子线性电机进行制动时，由于气隙的存在会导致磁泄漏

案例研究背景

在中国西部的一条实验性矿区线路上进行了仿真测试。通过项目研究获得了有关列车和轨道的数据，并在装卸站之间划分了八个虚拟段。相关参数及其值列在表2中。仿真是在一台配备Intel(R) Core(TM) i7-7700 CPU（3.60 GHz基本频率）和32 GB RAM的计算机上进行的，运行的是64位Windows 10操作系统。所提出的方法

结论

本研究提出了一种基于重力储能特性的多目标协同优化方法，用于解决复杂山区环境中货运悬挂式单轨铁路的能源高效运行优化问题。得出了以下关键结论：

(1) 所提出的双重决策变量（最大牵引终端速度和滑行-巡航转换速度间隔的下限）有效适应了

CRediT作者贡献声明

刘伟西：撰写——原始草案，监督，软件，方法论。王国：调查，资金获取。闵永志：资金获取，数据整理，概念化。萨贾德·阿里：验证，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作

致谢

本研究由中国国家自然科学基金（52467007, 62066024）资助。