基于列车运行参数的最优撒砂决策模拟方法

本发明涉及最优值函数数学建模的，具体地说，涉及一种基于列车运行参数的最优撒砂决策模拟方法。

背景技术：

1、为解决铁路系统中经常出现的低黏着问题，国内外经常采用撒砂增黏的方式提高轮轨黏着系数。其原理是：通过在机车牵引轮对前方安装撒砂装置，向轮轨界面喷撒增黏颗粒，提高轮轨界面抗剪切能力、去除轨面污染物，从而达到增黏目的。

2、目前，撒砂在现阶段应用中存在3个突出问题。一是撒砂逻辑判断具有很强的主观意识，主要根据机车驾驶员自身经验判断是否撒砂，易造成撒砂滞后等问题。二是撒砂过程中采用定流量撒砂，流量无法调节，撒砂量过小时无法满足机车对黏着系数的要求，撒砂量过大时除造成颗粒浪费外还会加剧轮轨损伤甚至引起电路绝缘事故。三是现阶段撒砂装置的颗粒喷射速度过低，在外界因素干扰下，实际进入轮轨界面产生增黏效果的颗粒量与撒砂量存在很大差异。针对上述问题，国内外专家提出根据列车运行速度或加速度进行撒砂流量的调节。然而该方法仍存在缺陷：首先流量调节为分级调控，控制精度低；其次影响撒砂量的影响因素较多，仅根据单一因素进行撒砂决策具有片面性。

3、撒砂控制系统作为撒砂装置的重要组成部分，如何提供一种综合分析撒砂量影响因素、将撒砂逻辑判断和最优撒砂量决策自动化、撒砂准确性与增黏效率大幅度提升的基于列车运行参数的最优撒砂决策模拟方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于列车运行参数的最优撒砂决策模拟方法，其能够综合分析列车运行参数对撒砂量的影响，采用ahp(层次结构分析)算法、撒砂量最优值函数建模，为撒砂装置的撒砂逻辑自主判断和最优撒砂量决策提供新颖的模拟方法。该模拟方法于一种高速撒砂装置上进行可行性及有效性检测，颗粒喷射速度撒砂准确性与增黏效率大幅度提升。

2、根据本发明的基于列车运行参数的撒砂自动控制方法，其包括以下步骤：

3、步骤（1）：构建基于列车运行参数撒砂逻辑判断层次结构模型，引入ahp算法计算目标的权重向量，实现撒砂逻辑自主判断；

4、步骤（2）：以黏着系数作为撒砂效果的评价准则，建立诸多列车运行参数与相应最优撒砂量的基础数据库；

5、步骤（3）：采用多元拟合建立撒砂量最优值函数，计算列车运行参数综合影响下的最优撒砂量，通过调节气压向下位机输出最优撒砂决策。

6、作为优选，步骤（1）中，建立撒砂逻辑判断的层次结构模型，具体为：

7、将撒砂或不撒砂两种用于决策的方案作为层次结构模型的方案层；

8、将机车加速度、列车行驶速度、蠕滑率、制动等级和牵引位级作为层次结构模型的准则层；

9、将表示撒砂逻辑的权重向量作为层次结构模型的目标层。

10、作为优选，步骤（1）中，权重向量的求取流程具体为：

11、根据九标度法及权重函数，分别构造准则层到目标层和方案层到准则层的比较矩阵；

12、采用一致性比率法对各层次之间的比较矩阵进行一致性检验；

13、比较矩阵满足一致性检验时，引入ahp算法中的几何平均法求解撒砂权重向量，具体为：

14、；

15、其中， w i为准则层中影响决策的第 i个因素的权重向量， a ij为比较矩阵中第 i个因素对应标度与第 j个因素对应标度之间的比值， a kj为比较矩阵中第 k个因素对应标度与第 j个因素对应标度之间的比值， n为撒砂量影响因素的个数。

16、作为优选，步骤（1）中，撒砂逻辑的权重向量计算，具体为：

17、；

18、其中， w为撒砂逻辑的权重向量， w a为准则层到目标层的权重向量， w b为方案层到准则层的权重向量；当目标层权重向量中代表撒砂的值大于0.5时，表示撒砂需求强烈，执行撒砂动作。

19、作为优选，步骤（2）中，建立诸多列车运行参数与相应最优撒砂量的基础数据库，具体为：

20、基于滚动模拟试验机，选择低黏着工况下撒砂后轮轨黏着系数的恢复标准，确定列车运行参数对最优撒砂量影响的试验方案；

21、将各列车运行参数设计为多水平的正交试验表，并调整每组试验下的撒砂量，以黏着系数作为撒砂效果的评价准则，最大黏着系数对应最优撒砂量；

22、确认每组试验下的最优撒砂量，建立诸多列车运行参数与相应最优撒砂量的基础数据库。

23、作为优选，步骤（3）中，采用多元拟合建立撒砂量最优值函数，计算列车运行参数综合影响下的最优撒砂量，具体为：

24、基于最优撒砂量的基础数据库，选择最优值函数类型，通过最小二乘法求得列车运行参数与最优撒砂量的拟合公式；

25、根据最优值函数关系计算当前列车运行参数下的最优撒砂量。

26、作为优选，步骤（3）中，经过逻辑判断和最优值计算后，通过调节气压向下位机输出最优撒砂决策，具体为：

27、对气压对撒砂量影响试验进行线性回归分析，建立二者之间的函数关系；

28、根据气压与撒砂量函数关系计算最优撒砂量对应的气压值；

29、采用电磁阀、气压控制器apc执行最优撒砂决策，实现撒砂逻辑判断及撒砂量最优值调节。

30、作为优选，采用一种基于列车运行参数的最优撒砂决策模拟系统，一种基于列车运行参数的最优撒砂决策模拟系统包括列车运行参数检测系统、最优撒砂决策模型和撒砂装置；

31、最优撒砂决策模拟方法通过程序写入计算机，计算机的上位机为列车运行参数检测系统，计算机的下位机为气压控制器，计算机、列车运行参数检测系统和气压控制器之间通过数据线共享数据；

32、撒砂装置包括气压发生器、气压控制器、砂箱、撒砂阀、撒砂管、高速喷枪以及多根输气管；气压发生器位于撒砂装置的前端，其出气口通过输气管连接至气压控制器，压缩空气经过调整后流经一分流器分别输入至撒砂阀和高速喷枪；撒砂阀安装于砂箱底部，用于卷吸砂箱中存储的增黏颗粒；撒砂阀和高速喷枪通过撒砂管连接。

33、作为优选，高速撒砂装置采取两段式加速的撒砂模式，撒砂阀利用卷吸效应对增黏颗粒进行一次加速，高速喷枪采用收缩型喷嘴，进行二次加速。

34、作为优选，列车运行参数检测系统用于采集列车运行参数，包括编码器、加速度传感器。

35、本发明的有益效果为：

36、（1）本发明引入ahp算法建立基于列车运行参数的撒砂逻辑判断层次结构模型，包括方案层、准则层和目标层，将撒砂逻辑判断问题转化为撒砂权重向量的求取问题，可根据向量大小自主判断当前列车是否需要撒砂。该模拟方法有效避免了人工主观干预，提升了撒砂逻辑判断的准确性。

37、（2）本发明基于滚动模拟试验机，模拟了列车运行参数对最优撒砂量的影响试验，建立了诸多运行参数与相应最优撒砂量的基础数据库，采用多元拟合建立撒砂量最优值函数。对气压对撒砂量影响试验进行线性回归分析，建立二者之间的线性关系，通过电磁阀、气压控制器（apc）等电器元件执行最优撒砂决策，实现撒砂逻辑判断及撒砂量最优值的无极调控。相比于人工经验和撒砂量分级调控等传统撒砂量调节方式，本发明提出的最优撒砂决策模拟方法避免了人工经验干预造成的主观性和滞后性，控制精度高达0.1kg/min。

38、（3）本发明用于检测最优撒砂模拟方法的高速撒砂装置由撒砂阀、高速喷枪等关键零部件组成，压缩空气通过撒砂阀产生卷吸效应可对颗粒进行一次加速，高速喷枪处收缩型喷嘴对颗粒进行二次加速。该撒砂方式避免了颗粒经过撒砂管时产生的能量损失，采用两段式加速的撒砂模式，使颗粒喷射速度提升至50m/s左右，提高了撒砂的准确性与增黏效率。

39、（4）基于列车运行参数的撒砂自动控制装置的撒砂颗粒采用新型增黏硬质颗粒，相较普通石英砂颗粒，新型增黏硬质颗粒可使增黏效果提升30%、颗粒使用量下降87.5%。