Ресурсозберігаючі методи управління тягою поїздів і удосконалення конструкцій рухомого складу
Loading...
Date
2003-10-22
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Видавництво Дніпропетровського національного університету залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Abstract
UKR: Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.22.07 – рухомий склад залізниць та тяга поїздів. Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна. Дніпропетровськ, 2003.
Дисертація присвячена проблемі підвищення ефективності процесу перевезень шляхом розвитку ресурсозберігаючих методів управління тягою поїздів з урахуванням умов неповної інформації і методів удосконалення конструкцій рухомого складу при векторному показнику ефективності. В роботі створено математичні моделі, методи і отримано нові рішення комплексної проблеми розрахунку режимів тяги поїздів, оптимальних по вартісним показникам за умов перемінних тарифів (диференційовані тарифи, оптовий ринок електроенергії). Розроблено удосконалені методи оптимального проектування конструкцій рухомого складу (система підвішування електровозу, трьохшаровий захист днища цистерн, рами) та розрахунку режимів тяги поїздів при векторі показників ресурсів, методи оптимізації для ієрархічних показників цілі, розрахунково-експериментальні екстраполяційні методи проектування та структурного математичного моделювання за даними пасивних експериментів, що дозволило отримати нові більш ефективні рішення задач оптимального управління тягою поїздів і проектування конструкцій рухомого складу.
Розроблені моделі, методи і програмне забезпечення в сукупності складають наукові основи, призначені для розв’язання комплексних задач оптимального проектування конструкцій рухомого складу і управління стохастичними процесами тяги поїздів по вектору показників ресурсів систем залізничного транспорту.
RUS: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.22.07 – подвижной состав железных дорог и тяга поездов. Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна. Днепропетровск, 2003. Диссертация посвящена проблеме повышения эффективности процесса перевозок путем развития ресурсосберегающих методов управления тягой поездов с учетом условий неполной информации и методов усовершенствованию конструкций подвижного состава при векторном показателе эффективности. В работе созданы многоуровневые математические модели, охватывающие процесс перевозки (модели поездопотока), электротяговую сеть (учет переменности напряжений на токоприемнике и цены электроэнергии), стохастические модели движения поезда, и получены новые решения комплексной проблемы по расчету режимов ведения поездов, оптимальных по стоимостным показателям в условиях переменных тарифов платы за электроэнергию (дифференцированные тарифы, оптовый рынок). Установлены существенные различие режимов тяги, оптимальных по стоимости и расходу электроэнергии, разработаны методы расчета компромиссно-оптимальных режимных карт. Для расчетов режимов движения в условиях оптового рынка электроэнергии Украины впервые разработана стохастическая модель цены как нестационарной функции времени, которая в каждом сечении является гауссовой случайной величиной, причем на практике можно учитывать четыре зоны значимых изменений цены электроэнергии. Разработан комплекс моделей и методов расчета режимов тяги поездов, оптимальных при переменных тарифах, с выбором вариантов перевода тяговых подстанций на дифференцированный тариф при известных и прогнозируемых матрицах электропотребления участков. Предложены статистические критерии оценки выгодности применения переменных тарифов. Установлены различия между решениями стохастических задач оптимального управления движением поезда путем выбора позиций контроллера при учете переменности напряжений на токоприемнике и их детерминированными эквивалентами, где напряжения равны математическому ожиданию. Разработан двухэтапный метод расчета устойчивых к стохастическим свойствам напряжений на токоприемнике электровоза режимов тяги, использующий законы распределения для интервалов напряжений в тяговой сети. На основе анализа оптимальных по расходу электроэнергии режимов тяги пассажирских поездов с помощью методики Ю.Н. Петрова построен оптимальный линейный регулятор по расчету режимов ведения поезда с учетом перегрева тяговых двигателей. Усовершенствован метод расчета режимных карт, в рамках которого на основе квадратической аппроксимации функций, линейной аппроксимации ограничения по времени движения, а также непрерывного динамического программирования получены аналитические решения для оптимальных участковых скоростей движения при управлении позициями контроллера, что на порядок повысило эффективность расчетов. Установлено, что для пассажирских поездов оптимальные по стоимости режимные карты позволяют уменьшить плату за потребленную на тягу электроэнергию на 8 – 12 %. Развиты методы векторной оптимизации с целевыми показателями ресурсов систем: – получен набор усовершенствованных методов по расчету компромиссно-оптимальных решений; – разработан метод векторной оптимизации, состоящий в аксиоматическом определении принципа компромисса со свойствами симметрии и эффективности по Парето для единственного решения, включающий методику расчета коэффициентов важности по данным об аналогах систем; – усовершенствован метод анализа иерархической системы показателей векторной цели, предложено обобщение принципа минимакса для многоуровневых задач, исследуемых в работе. Усовершенствованы методы оптимального проектирования конструкций подвижного состава. На основе методов линейной и нелинейной экстраполяции в пространстве параметров получено развитие задачи по обеспечению устойчивости движения железнодорожных экипажей (электровоз ДС3) за счет оптимизации параметров конструкции подвешивания, представленной в виде максимизации критических скоростей. Развиты методы оптимального проектирования при конечно-элементной дискретизации задачи, в которых путем самоорганизации моделей выполняется аппроксимация функций ограничений, использованные для проектирования конструкций оптимальной защиты днища вагона-цистерны от сверхнормативных продольных ударов в виде трехслойных металлических пластин с сотовым заполнителем. Получено развитие методов параметрической оптимизации стержневых и оболочечных конструкций, находящихся под воздействием многовариантного и многопараметрического нагружения, и при действии агрессивной среды. Для задачи m-вариантного нагружения упругих стержневых систем (рамы) разработан метод расчета компромиссно-оптимальных значений критических сил в форме аппроксимации выпуклой пограничной поверхности устойчивости оптимальным m-мерным многогранником с одной вершиной. Эффективность метода аппроксимации показана при исследовании компромиссно-оптимальных проектов усеченных конических оболочек, подкрепленных продольными и кольцевыми ребрами, минимальной массы при действии осевых, боковых (внешних, внутренних) и комбинированных сил. Разработаны эффективные специализированные методы оптимального проектирования статически определимых и статически неопределимых стержневых систем (фермы и рамы минимальной массы), использующие нелинейную аппроксимацию целевой функции и ограничений. Развиты методы по формированию математических моделей задач оптимизации по данным пассивных экспериментов, представленным в информационных системах железнодорожного транспорта. Усовершенствованы методы регрессионного анализа за счет объединения принципов структурного моделирования и самоорганизации моделей. Разработан уточненный критерий детерминации направленности стохастических зависимостей между переменными, использующий отклонения условных вероятностей от их маргинальных значений. Модифицирована модель потоковых графов для обработки данных, представленных нечеткими величинами, которая использована совместно с методами экспертных систем для прогнозирования параметров межпоездных интервалов при расчетах режимных карт ведения поезда. Разработанные модели и методы в совокупности составляют научные основы по решению комплексных задач оптимального проектирования конструкций подвижного состава и оптимального управления стохастическими процессами тяги поездов по вектору показателей ресурсов для систем железнодорожного транспорта.
ENG: Thesys for awarding of a scientific doctor degree of the technical science on a speciality 05.22.07 – rolling-stock of railways and traction of train. The Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician V. Lazaryan. Dniepropetrovsk, 2003. The dissertation is devoted to the problem on the increase of the train transportation process efficiency by means of developing either the resource-saving methods of train traction management in view of incomplete information conditions or the methods of improving the rolling-stock constructions at a vector parameter of efficiency. In the present work the mathematical models and methods are developed and > new solutions to the complex problem of calculation of train traction modes are obtained. These solutions are optimum in cost parameters under the conditions of the variable tariffs (differential duties, whole sale market of the electric power). The advanced methods of optimum designing of the rolling-stock construction (system of an electric locomotive suspension, three-layered protection of tank bottom frame) and the calculation of train traction modes at a vector of resource parameters are developed. The method of optimization for the hierarchy parameters of a purpose, the calculation experimental extrapolation methods of designing and structural mathematic modelling within the data of passive experiments, that allow to obtain new more effective solutions of the problems on optimum train traction management and designing the rolling-stock construction. As the whole, the developed models, methods and software form a scientific basis for the decision of the complex tasks on optimum designing of rolling-stock construction and management by processes of train tractions on the vector of resource parameters of a railway transportation system.
RUS: Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.22.07 – подвижной состав железных дорог и тяга поездов. Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна. Днепропетровск, 2003. Диссертация посвящена проблеме повышения эффективности процесса перевозок путем развития ресурсосберегающих методов управления тягой поездов с учетом условий неполной информации и методов усовершенствованию конструкций подвижного состава при векторном показателе эффективности. В работе созданы многоуровневые математические модели, охватывающие процесс перевозки (модели поездопотока), электротяговую сеть (учет переменности напряжений на токоприемнике и цены электроэнергии), стохастические модели движения поезда, и получены новые решения комплексной проблемы по расчету режимов ведения поездов, оптимальных по стоимостным показателям в условиях переменных тарифов платы за электроэнергию (дифференцированные тарифы, оптовый рынок). Установлены существенные различие режимов тяги, оптимальных по стоимости и расходу электроэнергии, разработаны методы расчета компромиссно-оптимальных режимных карт. Для расчетов режимов движения в условиях оптового рынка электроэнергии Украины впервые разработана стохастическая модель цены как нестационарной функции времени, которая в каждом сечении является гауссовой случайной величиной, причем на практике можно учитывать четыре зоны значимых изменений цены электроэнергии. Разработан комплекс моделей и методов расчета режимов тяги поездов, оптимальных при переменных тарифах, с выбором вариантов перевода тяговых подстанций на дифференцированный тариф при известных и прогнозируемых матрицах электропотребления участков. Предложены статистические критерии оценки выгодности применения переменных тарифов. Установлены различия между решениями стохастических задач оптимального управления движением поезда путем выбора позиций контроллера при учете переменности напряжений на токоприемнике и их детерминированными эквивалентами, где напряжения равны математическому ожиданию. Разработан двухэтапный метод расчета устойчивых к стохастическим свойствам напряжений на токоприемнике электровоза режимов тяги, использующий законы распределения для интервалов напряжений в тяговой сети. На основе анализа оптимальных по расходу электроэнергии режимов тяги пассажирских поездов с помощью методики Ю.Н. Петрова построен оптимальный линейный регулятор по расчету режимов ведения поезда с учетом перегрева тяговых двигателей. Усовершенствован метод расчета режимных карт, в рамках которого на основе квадратической аппроксимации функций, линейной аппроксимации ограничения по времени движения, а также непрерывного динамического программирования получены аналитические решения для оптимальных участковых скоростей движения при управлении позициями контроллера, что на порядок повысило эффективность расчетов. Установлено, что для пассажирских поездов оптимальные по стоимости режимные карты позволяют уменьшить плату за потребленную на тягу электроэнергию на 8 – 12 %. Развиты методы векторной оптимизации с целевыми показателями ресурсов систем: – получен набор усовершенствованных методов по расчету компромиссно-оптимальных решений; – разработан метод векторной оптимизации, состоящий в аксиоматическом определении принципа компромисса со свойствами симметрии и эффективности по Парето для единственного решения, включающий методику расчета коэффициентов важности по данным об аналогах систем; – усовершенствован метод анализа иерархической системы показателей векторной цели, предложено обобщение принципа минимакса для многоуровневых задач, исследуемых в работе. Усовершенствованы методы оптимального проектирования конструкций подвижного состава. На основе методов линейной и нелинейной экстраполяции в пространстве параметров получено развитие задачи по обеспечению устойчивости движения железнодорожных экипажей (электровоз ДС3) за счет оптимизации параметров конструкции подвешивания, представленной в виде максимизации критических скоростей. Развиты методы оптимального проектирования при конечно-элементной дискретизации задачи, в которых путем самоорганизации моделей выполняется аппроксимация функций ограничений, использованные для проектирования конструкций оптимальной защиты днища вагона-цистерны от сверхнормативных продольных ударов в виде трехслойных металлических пластин с сотовым заполнителем. Получено развитие методов параметрической оптимизации стержневых и оболочечных конструкций, находящихся под воздействием многовариантного и многопараметрического нагружения, и при действии агрессивной среды. Для задачи m-вариантного нагружения упругих стержневых систем (рамы) разработан метод расчета компромиссно-оптимальных значений критических сил в форме аппроксимации выпуклой пограничной поверхности устойчивости оптимальным m-мерным многогранником с одной вершиной. Эффективность метода аппроксимации показана при исследовании компромиссно-оптимальных проектов усеченных конических оболочек, подкрепленных продольными и кольцевыми ребрами, минимальной массы при действии осевых, боковых (внешних, внутренних) и комбинированных сил. Разработаны эффективные специализированные методы оптимального проектирования статически определимых и статически неопределимых стержневых систем (фермы и рамы минимальной массы), использующие нелинейную аппроксимацию целевой функции и ограничений. Развиты методы по формированию математических моделей задач оптимизации по данным пассивных экспериментов, представленным в информационных системах железнодорожного транспорта. Усовершенствованы методы регрессионного анализа за счет объединения принципов структурного моделирования и самоорганизации моделей. Разработан уточненный критерий детерминации направленности стохастических зависимостей между переменными, использующий отклонения условных вероятностей от их маргинальных значений. Модифицирована модель потоковых графов для обработки данных, представленных нечеткими величинами, которая использована совместно с методами экспертных систем для прогнозирования параметров межпоездных интервалов при расчетах режимных карт ведения поезда. Разработанные модели и методы в совокупности составляют научные основы по решению комплексных задач оптимального проектирования конструкций подвижного состава и оптимального управления стохастическими процессами тяги поездов по вектору показателей ресурсов для систем железнодорожного транспорта.
ENG: Thesys for awarding of a scientific doctor degree of the technical science on a speciality 05.22.07 – rolling-stock of railways and traction of train. The Dnepropetrovsk National University of Railway Transport named after academician V. Lazaryan. Dniepropetrovsk, 2003. The dissertation is devoted to the problem on the increase of the train transportation process efficiency by means of developing either the resource-saving methods of train traction management in view of incomplete information conditions or the methods of improving the rolling-stock constructions at a vector parameter of efficiency. In the present work the mathematical models and methods are developed and > new solutions to the complex problem of calculation of train traction modes are obtained. These solutions are optimum in cost parameters under the conditions of the variable tariffs (differential duties, whole sale market of the electric power). The advanced methods of optimum designing of the rolling-stock construction (system of an electric locomotive suspension, three-layered protection of tank bottom frame) and the calculation of train traction modes at a vector of resource parameters are developed. The method of optimization for the hierarchy parameters of a purpose, the calculation experimental extrapolation methods of designing and structural mathematic modelling within the data of passive experiments, that allow to obtain new more effective solutions of the problems on optimum train traction management and designing the rolling-stock construction. As the whole, the developed models, methods and software form a scientific basis for the decision of the complex tasks on optimum designing of rolling-stock construction and management by processes of train tractions on the vector of resource parameters of a railway transportation system.
Description
В. Скалозуб: ORCID 0000-0002-1941-4751
Keywords
система, ресурси, режими тяги, стохастичні процеси, вартість і електроспоживання, перемінні тарифи, захист днища цистерни, критична швидкість руху, ресурсы, режимы тяги, стохастические процессы, стоимость и электропотребление, переменные тарифы, защита днища цистерны, критическая скорость движения, system, resources, modes of traction, vector optimisation, cost and current consumption, variable tariffs, protection of tank bottom, critical speed
Citation
Скалозуб, В. В.
Ресурсозберігаючі методи управління тягою поїздів і удосконалення конструкцій рухомого складу : автореф. дис. ... д-ра. техн. наук: 05.22.07 / В. В. Скалозуб ; Дніпропетр. нац. ун-т залізн. трансп. ім. академіка В. Лазаряна. — Днiпропетровськ, 2003. — Захист — 24 листопада 2003 р.