Luận án Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt Việt Nam

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG ĐOÀN TÀU TRÊN TUYẾN ĐƯỜNG SẮT VIỆT NAM

Ngành:

Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án "Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt Việt Nam" của NGUYỄN VĂN HẢI, hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI vào năm 2018, thuộc ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa (Mã số: 9520216). Đề tài xuất phát từ thực tế chi phí năng lượng chiếm tỷ trọng lớn (60-65%) trong sản xuất đầu máy và xu hướng giá năng lượng tăng cao, gây ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác và môi trường. Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu, xây dựng và giải bài toán điều khiển tối ưu đoàn tàu trên tuyến, có xét đến ảnh hưởng của các đoàn tàu chạy trước/sau và chiều dài đoàn tàu. Đồng thời, luận án hướng đến xây dựng thuật toán hiệu chuẩn các hệ số sức cản cơ bản của đoàn tàu dựa trên thông số thực nghiệm.

Đối tượng nghiên cứu là các đoàn tàu được kéo bởi đầu máy D12E chạy trên tuyến đường sắt Hà Nội – Lào Cai. Phạm vi nghiên cứu bao gồm xây dựng mô hình toán học, thuật toán điều khiển và đánh giá hiệu quả qua mô phỏng so sánh với dữ liệu thực tế. Nội dung nghiên cứu chính bao gồm tổng quan về điều khiển tối ưu đoàn tàu, áp dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin để giải bài toán tối ưu, xây dựng bài toán điều khiển tối ưu nhiều đoàn tàu, xác định giá trị lực cản phụ có tính đến chiều dài và vị trí đoàn tàu, cũng như xây dựng thuật toán di truyền để hiệu chuẩn các tham số sức cản.

Về ý nghĩa khoa học, luận án đã xây dựng được mô hình và phương pháp giải quyết bài toán điều khiển tối ưu nhiều đoàn tàu nhằm tiết kiệm năng lượng, xác định lực cản phụ và các thuật toán chuyển chế độ tối ưu. Về ý nghĩa thực tiễn, kết quả nghiên cứu là cơ sở quan trọng để xây dựng hệ thống trợ giúp lái tàu, cung cấp chỉ dẫn để lái tàu với hiệu suất cao nhất, tiết kiệm nhiên liệu. Các đóng góp chính là xây dựng mô hình toán học và phương pháp giải bài toán điều khiển tối ưu nhiều đoàn tàu theo chỉ tiêu tiết kiệm năng lượng, các thuật toán điều khiển, phương pháp xác định lực cản phụ có tính đến chiều dài và vị trí đoàn tàu, và thuật toán di truyền hiệu chuẩn các tham số sức cản cơ bản. Kết quả mô phỏng kiểm nghiệm thực tế trên đoàn tàu SP1 tuyến Hà Nội – Lào Cai cho thấy phương pháp đề xuất giảm chi phí nhiên liệu đáng kể (4.6% đến gần 7%) và tối ưu hóa thời gian chạy tàu so với lái tàu thực tế, đồng thời đảm bảo thời gian chạy tàu trong phạm vi quy định.

Mục lục chi tiết:

• CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG TRONG GIAO THÔNG ĐƯỜNG SẮT

  • 1. Lý do chọn đề tài luận án

  • 2. Mục tiêu của đề tài

  • 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

    • a) Đối tượng nghiên cứu
    • b) Phạm vi nghiên cứu

  • 4. Nội dung nghiên cứu

  • 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

    • a/ Ý nghĩa khoa học
    • b/ Ý nghĩa thực tiễn

  • 6. Những đóng góp của Luận án

  • 1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng trong vận tải đường sắt

  • 1.2. Một số hướng nghiên cứu nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng chạy tàu

  • 1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến giảm chi phí năng lượng chạy tàu

    • 1.3.1. Ở trong nước

    • 1.3.2. Các nghiên cứu trên thế giới

      • a. Các nghiên cứu về điều khiển tối ưu một đoàn tàu trên tuyến
      • b. Các phương pháp lai để điều khiển nhiều đoàn tàu cùng hướng trên tuyến.
      • c. Thiết kế hệ thống biểu đồ chạy tàu tiết kiệm năng lượng

  • 1.4. Những vấn đề còn tồn tại và đề xuất giải pháp mục tiêu của luận án

  • KẾT LUẬN CHƯƠNG I

• CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH, XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHUYỂN ĐỘNG ĐOÀN TÀU

  • 2.1. Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu chuyển động đoàn tàu

    • 2.1.1. Tiêu chuẩn tối ưu
    • 2.1.2. Đối tượng điều khiển
    • 2.1.3. Cơ sở lý thuyết giải bài toán điều khiển tối ưu
    • 2.1.3.1. Nguyên lý cực đại của Pontryagin cho đối tượng không Autonom
    • 2.1.3.2. Phương pháp hệ số nhân Lagrange
    • 2.1.4. Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu

  • 2.2. Điều khiển tối ưu nhiên liệu của đầu máy ứng dụng nguyên lý cực đại

    • 2.2.1. Biến đổi phương tình chuyển động
    • 2.2.2. Áp dụng nguyên lý cực đại
    • 2.2.3. Chế độ tối ưu điều khiển
    • 2.2.4. Cấu trúc đặc tính tối ưu

  • 2.12.5. Tính toán hàm p(s)

  • 2.3. Đề xuất bài toán điều khiển tối ưu nhiều đoàn tàu trên tuyến

    • 2.3.1. Xây dựng bài toán
    • 2.3.2. Mô hình toán học đoàn tàu
    • 2.3.3. Giải bài toán điều khiển tối ưu
    • 2.3.4. Xét các trường hợp đặc biệt khi có độ dốc tại điểm S₁
    • 2.3.4.1. Trường hợp có độ dốc lên
    • 2.3.4.2. Trường hợp có độ dốc xuống

  • 2.4. Đề xuất giải bài toán điều khiển tối ưu đoàn tàu có xét đến ảnh hưởng của chiều dài đoàn tàu

    • 2.4.1. Xây dựng bài toán
    • 2.4.2. Xác định giá trị lực cản phụ có tính đến ảnh hưởng của chiều dài đoàn tàu
    • 2.4.3. Xác định các điểm chuyển chế độ tối ưu
    • 2.4.3.1. Trường hợp đoàn tàu tiến gần đến đoạn có độ dốc lên
    • 2.4.3.2. Trường hợp đoàn tàu tiến đến đoạn có độ dốc xuống
    • 2.4.3.3. Trường hợp đoàn tàu chạy đà(QT) trước khi vào ga
    • 2.4.3.4. Trường hợp tổng quát

  • 2.5. Kết luận chương 2

• CHƯƠNG III: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU, MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM THUẬT TOÁN TRÊN HỆ THỐNG THỰC

  • 3.1. Xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu đoàn tàu trên tuyến.

    • 3.1.1. Đặt vấn đề
    • 3.1.2. Thuật toán điều khiển tối ưu đoàn tàu trên tuyến
    • 3.1.2.1. Thuật toán chương trình chính
    • 3.1.2.2. Các thuật toán chương trình con
    • Thuật toán 1: Điều khiển tối ưu khi đi qua dốc đơn chỉ lên
    • Thuật toán 2: Điều khiển tối ưu khi đi qua dốc đơn chỉ xuống
    • Thuật toán 3: Điều khiển tối ưu khi đi qua dốc phức dốc lên – dốc xuống
    • Thuật toán 4: Điều khiển tối ưu khi đi qua dốc phức dốc xuống – dốc lên

  • 3.2. Ứng dụng thuật toán di truyền chuẩn hóa các hệ số trong biểu thức tính lực cản cơ bản của đoàn tàu

    • 3.2.1. Khái niệm về lực cản cơ bản của đoàn tàu
    • 3.2.2. Các khái niệm cơ bản về thuật toán di truyền(GA)
    • 3.2.3. Cơ chế thực hiện của giải thuật di truyền
    • 3.2.4. Áp dụng giải thuật di truyền tìm bộ hệ số a,b,c trong biểu thức tính lực cản cơ bản của đoàn tàu cụ thể

  • 3.3. Mô phỏng kiểm nghiệm thực tế thuật toán điều khiển tối ưu cho các đoạn đường cụ thể

    • 3.3.1. Thu thập dữ liệu đầu vào cho bài toán
    • 3.3.2. Mô phỏng kiểm nghiệm thực tế
    • 3.3.3. Giao diện mô phỏng

  • 3.4. Kết luận Chương 3

• KẾT LUẬN