基于动力学模型的列车运行仿真工作记录本本科毕业论文.docx
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基于动力学模型的列车运行仿真工作记录本本科毕业论文
上海应用技术大学
SHANGHAIINSTITUTEOFTECHNOLOGY
本科生毕业设计（论文）工作
记录本
论文题目：
基于动力学模型的列车运行仿真
执行时间:
2016年2月至2016年6月
学生姓名:
左德佩
学生学号:
1211511117
指导教师:
沙泉
专业:
通信工程
学院:
轨道交通学院
上海应用技术大学教务处
说明
1.本记录本用于本科生毕业设计（论文）工作阶段重要事项的记录。
也作为开题、中期、后期、答辩检查依据之一。
2.学生在毕业设计（论文）工作期间，每周应及时完成教师的指导要求，通过网上“过程检查”管理模块，对照毕业设计（论文）进程填写一周工作内容、完成情况、存在的问题，并由指导教师及时给予指导
3.记录内容：
学生：
项目进展情况、遇到的问题和难点、研究收获及体会；与导师见面情况、讨论的主要问题。
指导教师：
对学生安排指导及提出的问题进行回复，并对其工作提出意见和建议；对学生整个毕业设计工作进行综合评价。
4.每次指导情况系统将自动保存，并生成汇总表，届时打印装订在该手册中，如见面指导时手写参见下面指导填表格式，一并按时间顺序装订入手册。
5.手册在毕业设计（论文）答辩前完成。
6.毕业设计（论文）工作手册是学生毕业设计（论文）的附件之一。
学生应保管好此手册，毕业设计（论文）工作完成后，装入毕业设计（论文）资料袋内。
毕业设计（论文）题目变更记录
变更后题目
变更日期
变更原因
指导教师：
上海应用技术大学学生毕业设计（论文）诚信承诺
本人承诺，所呈交的毕业设计（论文）是我个人在指导教师指导下进行的毕业设计（论文）工作及取得的研究成果。
除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学生签名：
日期：
年月日
上海应用技术大学学生毕业设计（论文）使用授权声明
上海应用技术学院有权保留本人所送交毕业设计（论文）的原件、复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
本人允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。
学生签名：
日期：
年月日
毕业设计（论文）中期检查
学生自检表
2016年6月6日
学
生
填
写
学生姓名
左德佩
班级
12115111
学号
1211511117
课题名称
基于动力学模型的列车运行仿真
对下列各项打√或填写数字
课题有否变动
无
小变动
换题
对课题任务要求是否明确
明确
不太明确
√
√
方案制定数
1个
调查单位数
0个
查阅文献资料
中文（篇）
外文（篇）
供检查组检查的积累资料和数据
有
否
10
2
√
实验与测试
准备做（个）
已做（个）
使用计算机情况
无
周上机时间
3
1
√
课题进展情况
朝前
按时
延迟
任务能否完成
能够
不能够
√
√
对导师评价
满意
一般
不满意
建议
√
对前阶段工作进行小结：
选定并确认课题，进行开题报告的拟写，确定好论文的大纲和对论文所需的相关资料进行查阅。
准备好对论文外文翻译题目的选择，同时，严格按照计划时间进行论文的相关准备工作，力求做到完善，全面。
能够顺利的完成指导老师的要求，及时上传和汇报相关工作进程。
在列车牵引计算过程中，涉及到多个参数，多个变量。
这些参数和变量随着不同的线路运行区段和不同的接车类型而不同。
在进行模拟仿真中，系统需要通过这些变量或者参数具体的数值而进行列车动力学过程的模拟。
在本论文中，对于不同类型的机车车辆，当其参数或变量改变的时候，通过管理界面，便可对其进行修改和显示，提高仿真系统的灵活性。
在仿真系统创建完成之后，为了对其仿真结果能够进行直观的观测和分析，通过仿真程序提供的函数，将仿真结果通过曲线的形式显示出来。
通过这种方法，可以更加方便的对仿真系统的真实性和可靠度进行验证。
进而利用仿真系统指导解决列车运行中存在的一些问题。
开始学习MATLAB软件，准备编写一段小的程序。
通过阅读文献，把列车的运行过程，以1s为仿真步长，列出其从初始速度为0，且牵引条件下的列车速度更新和位置更新公式。
掌握列车位置和速度更新的仿真算法流程，以时间或者距离为步长进行更新。
根据当前的牵引、制动或惰行的状态，确定其合力，然后根据加速度进行速度的更新。
以某动车的参数为依据，考虑线路具有一定的坡度，但暂不考虑线路的曲率，画出线路在牵引、制动和惰行状态下的合力。
使用MATLAB软件，对其图形函数、矩阵的处理函数进行学习，熟悉常用的设置断点、单步执行等程序调试手段。
另外，继续阅读相关文献，分析列车运行过程相关参数，准备下一步对列车运行过程建模，同时开始对粒子群算法进行程序设计。
使用MATLAB软件，开始对列车运行过程进行建模，初步考虑以1秒钟为单位，进行过程的建模。
查阅文献，确定优化目标为正点率、能耗和停靠的准确率，进一步通过文献，了解多目标优化的算法。
引入粒子群算法，对每种工况下列车的的运行距离进行优化。
写出下阶段计划：
首先对列车的牵引力和阻力进行计算，将牵引力和阻力的变量代入到最初建立的MATLAB的模型中，同时对相关的数据变化进行调整，然后将第二次建立的模型用于实验，观察和制作数据表格，将MATLAB中的曲线图应用于论文的写作中。
接着上交外文翻译，将已经完成的模型和数据表格保存，开始论文的撰写工作。
然后对不懂的地方请教老师，完善论文的写作，着手准备论文的答辩，以应对学期末的论文答辩。
最后，向学校提交让老师满意的论文。
指
导
教
师
考
评
较好
合格
基本合格
警告
教师签字
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第1次
时间
2016-01-0812:
24
地点
第二学科楼B208
学生咨询及汇报
选定并确认课题，进行开题报告的拟写，确定好论文的大纲和对论文所需的相关资料进行查阅。
准备好对论文外文翻译题目的选择，同时，严格按照计划时间进行论文的相关准备工作，力求做到完善，全面。
能够顺利的完成指导老师的要求，及时上传和汇报相关工作进程。
学生签名：
指导教师意见
讲解毕业设计任务，讨论设计方案，布置假期内撰写毕业设计开题报告。
将每位同学的文献资料上传，毕业设计相关标准文档上传，安排过程检查时间。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸师生见面指导情况记录
次数
第2次
时间
2016-02-2912:
35
地点
建安楼B208
学生咨询及汇报
讨论了世界的列车动力学发展趋势。
近几年来国际上列车系统动力学研究进展显著，特别是在提高车辆曲线通过性能、提高车辆运行稳定性和解决车辆/轨道相互作用实际问题等方面研究十分活跃，研究出许多新方法和新技术。
结合这些研究进展我认为今后将会引起普遍关注并得到进一步发展。
动力学仿真技术已在国际列车系统动力学研究与应用领域得到十分广泛的应用，发挥了极大效用。
各种车辆动力学仿真软件日益成熟。
我国应注意这一趋势，组织开发各种大型通用动力学软件，为机车车辆动力学性能优化提供科学工具。
与此同时，必须重视仿真软件的试验验证，只有经过广泛验证的软件才能用于指导生产实际。
学生签名：
指导教师意见
开题报告修改，主要是内容安排不够合理，文献综述部分没有能够针对参考文献进行说明；方案论证也不够清楚，继续修改开题报告，格式部分参考我校毕业设计管理文档。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第3次
时间
2016-03-0412:
37
地点
建安楼B208
学生咨询及汇报
讨论了论文的重点和难点，总结如下。
在列车牵引计算过程中，涉及到多个参数，多个变量。
这些参数和变量随着不同的线路运行区段和不同的接车类型而不同。
在进行模拟仿真中，系统需要通过这些变量或者参数具体的数值而进行列车动力学过程的模拟。
在本论文中，对于不同类型的机车车辆，当其参数或变量改变的时候，通过管理界面，便可对其进行修改和显示，提高仿真系统的灵活性。
在仿真系统创建完成之后，为了对其仿真结果能够进行直观的观测和分析，通过仿真程序提供的函数，将仿真结果通过曲线的形式显示出来。
通过这种方法，可以更加方便的对仿真系统的真实性和可靠度进行验证。
进而利用仿真系统指导解决列车运行中存在的一些问题。
学生签名：
指导教师意见
通过讨论，基本确定了开题报告的内容，但修改稿中还是有很多的编辑错误，如图名图号、引文、中英文标点符号、文中的空行、参考文献格式等等，因此继续修改开题报告，尽快完成并上传。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第4次
时间
2016-03-1008:
47
地点
第二学科楼B208
学生咨询及汇报
对课题遇到的问题提出解决方案。
在本次设计中，准备采用MATLAB进行仿真模拟实验。
采用MATLAB编程工具进行基于动力学模型的列车运行仿真主要是基于以下原因:
1）高效的数值计算及符号计算功能，能使用户从繁杂的数学运算分析中解脱出来；
2）具有完备的图形处理功能，实现计算结果和编程的可视化；
3）友好的用户界面及接近数学表达式的自然化语言，使学者易于学习和掌握；
4）功能丰富的应用工具箱（如信号处理工具箱、通信工具箱等），为用户提供了大量方便实用的处理工具。
本论文主要包括三个方面。
一、对论文选题的背景、意义以及国内外的研究状况进行分析;
二、对列车牵引计算理论基础进行分析，分析清楚各种力的产生及其计算过程。
然后通过仿真语言实现其仿真系统，生成仿真结果;
三、对仿真结果进行分析。
确定仿真系统的正确性，同时指出论文中存在的不足和需要进一步进行理论研究的地方。
学生签名：
指导教师意见
开始学习MATLAB软件，准备编写一段小的程序。
通过阅读文献，把列车的运行过程，以1s为仿真步长，列出其从初始速度为0，且牵引条件下的列车速度更新和位置更新公式。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第5次
时间
2016-03-1415:
30
地点
第二学科楼B208
学生咨询及汇报
本次课程设计使用的是matlab2015b仿真模拟软件。
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。
MATLAB是matrix&laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。
是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。
它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
学生签名：
指导教师意见
还未能很好地掌握列车位置和速度更新的仿真算法流程，以时间或者距离为步长进行更新。
根据当前的牵引、制动或惰行的状态，确定其合力，然后根据加速度进行速度的更新。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第6次
时间
2016-03-1812:
41
地点
第二学科楼B208
学生咨询及汇报
开题报告顺利完成，同时进入下一步的工作。
开始着手思考和理解列车动力学的基本描述，知道列车受力的分析情况。
牵引力使列车运行，克服阻力。
它通过动力装置产生，并且与列车运行方向相同。
牵引力的大小可以通过司机进行操作。
通过力学定律，物体的运动只能由外力引起。
将牵引力与其所产生的速度之间的关系，称之为机车牵引特性，二者之间的关系曲线叫做机车牵引特性曲线。
一般情况下利用机车牵引特性曲线来得出牵引力的计算模型。
阻力指与列车运行方向相反，在列车运行过程中未被消除掉的外力，这些外力是列车与运行过程中周围介质之间产生的。
可以将阻力分为基本阻力和附加阻力，一般列车在正常气候条件下，沿着平直轨道向前运行时受到的阻力称之基本阻力，它包括轮轨之间的相互摩擦力、列车在运行过程中受到的空气阻力和列车内部零部件之间的相互作用所产生的力，它是列车牵引计算中非常重要的参数。
学生签名：
指导教师意见
合力的计算并不简单，以某动车的参数为依据，考虑线路具有一定的坡度，但暂不考虑线路的曲率，画出线路在牵引、制动和惰行状态下的合力。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第7次
时间
2016-03-2110:
32
地点
第二学科楼B208
学生咨询及汇报
对优化问题的概述。
我们每个人每天都要处理各种各样的事情，面临着许多的选择，有些选择之间是矛盾的，需要在这些矛盾中找出对自己最有利的行动方案，这实际上就是多个决策目标的优化问题。
多目标优化不同于单个目标的优化问题，它有多个目标同时需要最优化。
对于单个目标的优化问题，算法设计的目的就是找到那个最好的解，而多目标优化，通常，不存在一个绝对意义上的最优解可以同时使得各个目标取得最优值，需要决策者在有限的解集中做出“均衡”，一个满足要求的解应当使所有目标性能都达到决策者可以接受的程度。
学生签名：
指导教师意见
已经能够使用MATLAB软件，还应该对其图形函数、矩阵的处理函数进行学习，还应该熟悉常用的设置断点、单步执行等程序调试手段。
另外，继续阅读相关文献，分析列车运行过程相关参数，准备下一步对列车运行过程建模，同时开始对粒子群算法进行程序设计。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第8次
时间
2016-03-2509:
27
地点
第二学科楼B208
学生咨询及汇报
对列车的工况进行分析，获取数据，将数据加入到MATLAB的运算模拟中。
绘制列车的工况图。
学生签名：
指导教师意见
进一步学习使用MATLAB软件，开始对列车运行过程进行建模，初步考虑以1秒钟为单位，进行过程的建模。
查阅文献，确定优化目标为正点率、能耗和停靠的准确率，进一步通过文献，了解多目标优化的算法。
目前对软件的使用已经比较熟悉，但对于粒子群算法还有待进一步的研究。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第9次
时间
2016-03-2810:
11
地点
建安楼B208
学生咨询及汇报
了解了微粒群算法。
微粒群算法（PSO）是受到生物体社会行为的启发衍生而来，生物群体在一个给定区域内活动，通过相互间信息交流而到达期望的位置，比如鱼群、鸟群觅食等。
这种搜索能力同优化研究联系起来，便诞生了一种并行的启发式随机搜索方法与遗传算法等其他进化算法类似，也是仿生大自然行为的高效的优化方法，它的实现和参数设置更加简便。
每个微粒由表示其速度v和位置x唯一确定，算法运行过程中，微粒保存其经历过的最佳位置pBest和该微粒的临域内所有微粒经历过的最佳位置gBest，通过个体和临域内个体间不断的信息交换，引导微粒向全局最佳位置即最优解移动。
学生签名：
指导教师意见
其实粒子群算法不是本课题最重要的研究内容，本课题的重点应该集中在不同的工况条件下，如何计算合力，进行位置、速度的更新，其中，对于列车运行速度的限制条件会影响某个工况条件下列车的运行，如牵引条件下车速不能超过350km/h。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第10次
时间
2016-04-0609:
50
地点
建安楼B208
学生咨询及汇报
通过参考列车运算规程，运用老师给予的标准数据，代入MATLAB中进行模拟，中间出现许多错误，但是在仔细的检查中，成功解决了大部分问题，但是暂时没有画出模拟工况图。
列车的节能运行是考虑时间、距离和速度约束的非线性优化问题，其求解具有一定难度。
工况序列与粒子群算法相结合的方法使进行列车的运行策略优化，通过寻找最优工况转换点，使列车运行中的能耗最低．带速度变异的粒子群算法既保证了粒子群的收敛，又通过速度的概率性变异驱散某些粒子，拓展了粒子的搜索空间。
该算法对于列车的自动驾驶系统设计具有一定的意义。
学生签名：
指导教师意见
以0速度作为初始速度，以固定的加速度进行加速运行，绘制出列车达到350km/h的距离速度曲线，目前还未能完成，完成后以列车的合力计算出相应的加速度，带入原程序中，可计算在可变加速度情况下列车的距离速度曲线。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第11次
时间
2016-04-0809:
51
地点
建安楼B208
学生咨询及汇报
假设列车运行过程中包含n个工况，采用vmpso算法求解优化问题，相当于寻找最优的工况转换点，使目标函数最优。
在每次迭代过程中，需根据列车运行模型，计算每个粒子的适应度值。
在列车运行过程中，为满足速度约束条件，应在每个仿真步长运行结束后判断列车运行速度是否超过限值，以此作为工况结束的判断条件。
在最后一个制动工况结束时，应使列车停车，因此终端速度为0。
为保证安全停车，列车的实际停车点不应超过终点s。
学生签名：
指导教师意见
本课题中可以暂时不去考虑粒子群算法，而只是进行列车运行的仿真，即把每个运行工况的运行距离设定为一个固定值，然后模拟列车的运行过程，绘制出距离速度曲线。
但是这一部分完成后，才引入粒子群算法，对每种工况下列车的的运行距离进行优化。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第12次
时间
2016-04-1309:
38
地点
建安楼B208
学生咨询及汇报
首先对列车的牵引力和阻力进行计算，将牵引力和阻力的变量代入到最初建立的MATLAB的模型中，同时对相关的数据变化进行调整，然后将第二次建立的模型用于实验，观察和制作数据表格，将MATLAB中的曲线图应用于论文的写作中。
接着上交外文翻译，将已经完成的模型和数据表格保存，开始论文的撰写工作。
然后对不懂的地方请教老师，完善论文的写作，着手准备论文的答辩，以应对学期末的论文答辩。
最后，向学校提交让老师满意的论文。
学生签名：
指导教师意见
毕业设计中期检查，主要检查项目有：
1、开题报告；2、过程检查；3、翻译；4、毕业设计阶段成果。
请学生本周填写中期检查表。
检查表内容写完整些，字数不要太少，前期工作至少应该在800-1000字，下阶段工作计划可以少一些，大概200字左右。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸师生见面指导情况记录
次数
第13次
时间
2016-04-1513:
16
地点
第二学科楼B208
学生咨询及汇报
计算牵引力并带入到程序中。
牵引力使列车运行，克服阻力。
它通过动力装置产生，并且与列车运行方向相同。
牵引力的大小可以通过司机进行操作。
通过力学定律，物体的运动只能由外力引起。
牵引力是列车同列车周围的介质相互作用产生的，这种相互作用有下面几种情况。
1:
利用钢轨和机车的相互作用。
2:
直接由介质作用于机车上的动力，比如压缩空气流的力等。
3:
利用燃料燃烧后喷射出的燃气流的反作用在正常情况下，铁路上利用的是第一种情况下产生的牵引力，机车的牵引力是由钢轨施加于车轮的外力而产生的，机车牵引力是由钢轨对车轮的水平反作用力产生，而这个作用力是通过电机给动轮的扭矩产生。
学生签名：
指导教师意见
中期检查还需要进行阶段成果的描述，可以把目前的进度使用电子文档的形式进行记录，以便督导检查。
把程序中牵引力的部分加入阻力和制动力，改成是合力的计算在前，然后其余相同的处理方式，计算仿真结果，注意速度的限制条件。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸
师生见面指导情况记录
次数
第14次
时间
2016-04-2009:
19
地点
第二学科楼B208
学生咨询及汇报
运算时加入坡度信息的概念。
坡度是用以表示斜坡的斜度，常用于标记丘陵、屋顶和道路的斜坡的陡峭程度。
这个数值往往是以三角函数的正切函数（tangent）的百分比或千分比数值来陈述，即“爬升高度除以在水平面上的移动距离”。
坡度标示法的原则都能应用于地形测量学上，虽然使用以上任何一种的标示法都能带出同样的讯息，但为了避免搞乱不精通三角学的读者，正切百分比还是最常被应用于公共场所。
学生签名：
指导教师意见
已经完成牵引状态下列车从0加速到300km/h的仿真程序，接下来把不同的工况结合起来，牵引、惰行、制动三种工况下，都是计算合力，然后计算加速度，最后进行速度和位置的更新。
但注意编程时，要以足够大的数组记录不同位置处不同的速度，以便绘制距离、速度曲线。
指导教师签名：
沙泉
上海应用技术大学毕业设计（论文）记录纸师生见面指导情况记录
次数
第15次
时间
2016-04-2209:
19
地点
第二学科楼
学生咨询及汇报
开始绘制在不同情况下的流程图：
惰行，牵引，制动，根据程序中显示的结果，将观察到的图纪录下来。
列车的运行策略优化问题可描述为：
列车以初速度从初始站出发，在给定运行时间到达终点站
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