城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)控制策略的探討摘 要:簡(jiǎn)要介紹了城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)的作用,對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,并著重研究以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為控制方法的控制方案可行性;同時(shí)通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型來(lái)研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。關(guān)鍵詞:城市軌道交通;環(huán)境控制系統(tǒng);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 城市軌道交通環(huán)境就是指影響乘客和操作人員舒適性的一切環(huán)境因素,包括溫度、濕度、空氣流動(dòng)、噪音、灰塵、氣味以及振動(dòng)頻率等方面。城市軌道交通系統(tǒng)中有許多機(jī)電設(shè)備、車輛運(yùn)行發(fā)熱、旅客散熱、新鮮空氣帶入的熱量等,使系統(tǒng)的溫、濕度逐步升高,在某些站臺(tái)和通道中乘客還要忍受較高風(fēng)速的干擾。為了改善城市軌道交通的環(huán)境,許多城市都安裝了空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備,組成了環(huán)境控制系統(tǒng)。環(huán)境控制系統(tǒng)的啟用,降低了城市軌道交通系統(tǒng)的溫、濕度,提高了空氣質(zhì)量。1 城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)分析 城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)按兩級(jí)管理、晝夜有人值班的方式進(jìn)行設(shè)置。第一級(jí)為中央級(jí),作為防災(zāi)控制中心,設(shè)于一期工程控制中心大樓中央控制室內(nèi);第二級(jí)為車站級(jí),作為本地防災(zāi)控制室,設(shè)于一期工程各車站、車輛段、主變電所、控制中心大樓,除控制中心大樓、車輛段單獨(dú)設(shè)置防災(zāi)控制室外,其它地方采用與值班室合設(shè)的方式,各車站的防災(zāi)控制室與車站控制室合設(shè)。
系統(tǒng)中央級(jí)與車站級(jí)間的信息交換,利用通信系統(tǒng)提供的通信通道進(jìn)行及時(shí)、可靠的傳輸。為了避免設(shè)備重復(fù)設(shè)置,在滿足防災(zāi)需要的前提下,本系統(tǒng)利用各車站平時(shí)的閉路電視、廣播、電話(消防專用電話除外)。 基于城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)智能化控制的需要,在軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓滿足環(huán)控標(biāo)準(zhǔn)的前提下,如何進(jìn)行智能控制的研究成為關(guān)鍵。在滿足站臺(tái)及站廳的必要新風(fēng)量的條件下,借助于變頻技術(shù),采用變風(fēng)量送風(fēng)的智能化環(huán)境控制方式是關(guān)系城市軌道交通能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。2 城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)可采用的控制策略 尋求一種合理的環(huán)境控制規(guī)律,直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備上,不僅能降低成本,安全性好,有利于維護(hù);而且各種設(shè)備、線纜間的通訊將非常方便;同時(shí)對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能控制能提供合理可行的方案。近年來(lái),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域,并形成了新的控制方法,只要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合適,它能近似任何的非線性函數(shù),與傳統(tǒng)控制方法相比,具有:(1)非線性(2)學(xué)習(xí)和自適應(yīng)性(3)多變量系統(tǒng)。 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BackpropagationNN)是一單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò),一般由輸入層、中間層(隱層)和輸出層組成,中間隱層可有若干層,網(wǎng)絡(luò)除輸入輸出節(jié)點(diǎn)外,有一層或多層隱節(jié)點(diǎn),同層節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有任何耦合。輸入信號(hào)從輸入層節(jié)點(diǎn),依次經(jīng)過(guò)各隱層節(jié)點(diǎn),然后傳到輸出層節(jié)點(diǎn),每一層節(jié)點(diǎn)的輸出只影響下一層節(jié)點(diǎn)的輸入。其單元特性(傳遞函數(shù))通常為S型(sigmoid函數(shù)),但在輸出層中,節(jié)點(diǎn)的單元特性有時(shí)為線性。在現(xiàn)場(chǎng)控制中,考慮到可編程邏輯控制器的容量,因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法不可能太復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)綜合比較和分析學(xué)習(xí)誤差、泛化能力,并要考慮網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度,以期達(dá)到較為優(yōu)化和簡(jiǎn)潔的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制算法。圖2表示為一個(gè)有M個(gè)輸入,單個(gè)輸出,x個(gè)節(jié)點(diǎn)的單個(gè)隱層的三層簡(jiǎn)單的BP網(wǎng)絡(luò)。m為輸入節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),am為系統(tǒng)輸入值,ti、rj為相應(yīng)的閾值,n為樣本對(duì)數(shù)。 f(x)是激勵(lì)函數(shù),也稱為傳遞函數(shù)或活躍規(guī)則,其功能是對(duì)神經(jīng)元的輸入產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。S函數(shù)輸出曲線兩端平坦,中間部分變化劇烈,與階躍函數(shù)相似,但是一個(gè)連續(xù)非遞減函數(shù),具有可微分性和飽和非線性特性,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力;另一方面,S函數(shù)更加接近生物神經(jīng)元的信號(hào)輸出形式,所以常被采用為激勵(lì)函數(shù)。 控制系統(tǒng)模擬采用只含一個(gè)隱含層的三層BP網(wǎng)絡(luò)。具有足夠多隱含單元的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以記憶任何多個(gè)樣本;對(duì)于給定的樣本集,三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含單元數(shù)必須在一定范圍內(nèi)才能較滿意地記憶所有樣本。要對(duì)一個(gè)被控對(duì)象進(jìn)行控制,須為其建立一個(gè)合適的數(shù)學(xué)模型,但過(guò)多的變量必然使模型過(guò)于復(fù)雜,反而不利于問(wèn)題的解決。對(duì)于城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),影響環(huán)控系統(tǒng)變頻通風(fēng)風(fēng)量改變的因素包括站臺(tái)層空氣濕度;站廳層空氣、濕度;室外干濕球溫度;人員密度;機(jī)車運(yùn)行密度附加活塞風(fēng)等。 考慮到模擬的可行性,我們可以假設(shè):(1)城市軌道交通內(nèi)外環(huán)境無(wú)直接熱傳遞;(2)城市軌道交通內(nèi)部各點(diǎn)溫度趨于均勻;(3)忽略城市軌道交通內(nèi)部的熱容影響。因此,以站臺(tái)溫、濕度;室外干球溫度;人員密度;機(jī)車運(yùn)行密度、活塞風(fēng)量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層參數(shù),輸出層參數(shù)僅為風(fēng)量,隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)定為5個(gè)。具體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模擬流程如下:(1)選定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN的結(jié)構(gòu),即選定輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)M和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)Q,并給出各層權(quán)系數(shù)的初值ωij(2) 、ωli(3)(0),選定學(xué)習(xí)速率η和平滑因子α;(2)對(duì)輸入變量進(jìn)行歸一化處理,作為NN的輸入; (3)根據(jù)公式,前向計(jì)算NN的各層神經(jīng)元的輸入和輸出;(4)根據(jù)性能指標(biāo)函數(shù)來(lái)計(jì)算誤差,若誤差滿足要求,則結(jié)束,否則繼續(xù);(5)計(jì)算修正輸出層的權(quán)系數(shù)ωli (k) ;(6)計(jì)算修正隱含層的權(quán)系數(shù)ωij(k) ; (7)置k=k+1,返回到23結(jié)論 城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)是一個(gè)具有強(qiáng)耦合、非線性和參數(shù)時(shí)變的復(fù)雜多變量控制系統(tǒng),城市軌道交通中環(huán)境控制費(fèi)用約為總費(fèi)用的8%-10%,進(jìn)一步研究以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-PID技術(shù)或以模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為控制方案的城市軌道交通智能化環(huán)境控制技術(shù)將獲得良好的節(jié)能效果。參考文獻(xiàn):[1] 朱軍,我國(guó)城市軌道交通發(fā)展問(wèn)題探討北京城市規(guī)劃建設(shè),2002.2[2] 王永驥等,神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制,機(jī)械工業(yè)出版社,1998.2[3] 劉晨暉,多變量過(guò)程控制系統(tǒng)解耦理論,水利水電出版社,1984.11
系統(tǒng)中央級(jí)與車站級(jí)間的信息交換,利用通信系統(tǒng)提供的通信通道進(jìn)行及時(shí)、可靠的傳輸。為了避免設(shè)備重復(fù)設(shè)置,在滿足防災(zāi)需要的前提下,本系統(tǒng)利用各車站平時(shí)的閉路電視、廣播、電話(消防專用電話除外)。 基于城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)智能化控制的需要,在軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)量、風(fēng)壓滿足環(huán)控標(biāo)準(zhǔn)的前提下,如何進(jìn)行智能控制的研究成為關(guān)鍵。在滿足站臺(tái)及站廳的必要新風(fēng)量的條件下,借助于變頻技術(shù),采用變風(fēng)量送風(fēng)的智能化環(huán)境控制方式是關(guān)系城市軌道交通能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。2 城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)可采用的控制策略 尋求一種合理的環(huán)境控制規(guī)律,直接應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備上,不僅能降低成本,安全性好,有利于維護(hù);而且各種設(shè)備、線纜間的通訊將非常方便;同時(shí)對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能控制能提供合理可行的方案。近年來(lái),神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于控制領(lǐng)域,并形成了新的控制方法,只要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)合適,它能近似任何的非線性函數(shù),與傳統(tǒng)控制方法相比,具有:(1)非線性(2)學(xué)習(xí)和自適應(yīng)性(3)多變量系統(tǒng)。 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BackpropagationNN)是一單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò),一般由輸入層、中間層(隱層)和輸出層組成,中間隱層可有若干層,網(wǎng)絡(luò)除輸入輸出節(jié)點(diǎn)外,有一層或多層隱節(jié)點(diǎn),同層節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有任何耦合。輸入信號(hào)從輸入層節(jié)點(diǎn),依次經(jīng)過(guò)各隱層節(jié)點(diǎn),然后傳到輸出層節(jié)點(diǎn),每一層節(jié)點(diǎn)的輸出只影響下一層節(jié)點(diǎn)的輸入。其單元特性(傳遞函數(shù))通常為S型(sigmoid函數(shù)),但在輸出層中,節(jié)點(diǎn)的單元特性有時(shí)為線性。在現(xiàn)場(chǎng)控制中,考慮到可編程邏輯控制器的容量,因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法不可能太復(fù)雜,節(jié)點(diǎn)的數(shù)目應(yīng)綜合比較和分析學(xué)習(xí)誤差、泛化能力,并要考慮網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度,以期達(dá)到較為優(yōu)化和簡(jiǎn)潔的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制算法。圖2表示為一個(gè)有M個(gè)輸入,單個(gè)輸出,x個(gè)節(jié)點(diǎn)的單個(gè)隱層的三層簡(jiǎn)單的BP網(wǎng)絡(luò)。m為輸入節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),am為系統(tǒng)輸入值,ti、rj為相應(yīng)的閾值,n為樣本對(duì)數(shù)。 f(x)是激勵(lì)函數(shù),也稱為傳遞函數(shù)或活躍規(guī)則,其功能是對(duì)神經(jīng)元的輸入產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。S函數(shù)輸出曲線兩端平坦,中間部分變化劇烈,與階躍函數(shù)相似,但是一個(gè)連續(xù)非遞減函數(shù),具有可微分性和飽和非線性特性,增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力;另一方面,S函數(shù)更加接近生物神經(jīng)元的信號(hào)輸出形式,所以常被采用為激勵(lì)函數(shù)。 控制系統(tǒng)模擬采用只含一個(gè)隱含層的三層BP網(wǎng)絡(luò)。具有足夠多隱含單元的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以記憶任何多個(gè)樣本;對(duì)于給定的樣本集,三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含單元數(shù)必須在一定范圍內(nèi)才能較滿意地記憶所有樣本。要對(duì)一個(gè)被控對(duì)象進(jìn)行控制,須為其建立一個(gè)合適的數(shù)學(xué)模型,但過(guò)多的變量必然使模型過(guò)于復(fù)雜,反而不利于問(wèn)題的解決。對(duì)于城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),影響環(huán)控系統(tǒng)變頻通風(fēng)風(fēng)量改變的因素包括站臺(tái)層空氣濕度;站廳層空氣、濕度;室外干濕球溫度;人員密度;機(jī)車運(yùn)行密度附加活塞風(fēng)等。 考慮到模擬的可行性,我們可以假設(shè):(1)城市軌道交通內(nèi)外環(huán)境無(wú)直接熱傳遞;(2)城市軌道交通內(nèi)部各點(diǎn)溫度趨于均勻;(3)忽略城市軌道交通內(nèi)部的熱容影響。因此,以站臺(tái)溫、濕度;室外干球溫度;人員密度;機(jī)車運(yùn)行密度、活塞風(fēng)量作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層參數(shù),輸出層參數(shù)僅為風(fēng)量,隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)定為5個(gè)。具體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模擬流程如下:(1)選定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)NN的結(jié)構(gòu),即選定輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)M和隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)Q,并給出各層權(quán)系數(shù)的初值ωij(2) 、ωli(3)(0),選定學(xué)習(xí)速率η和平滑因子α;(2)對(duì)輸入變量進(jìn)行歸一化處理,作為NN的輸入; (3)根據(jù)公式,前向計(jì)算NN的各層神經(jīng)元的輸入和輸出;(4)根據(jù)性能指標(biāo)函數(shù)來(lái)計(jì)算誤差,若誤差滿足要求,則結(jié)束,否則繼續(xù);(5)計(jì)算修正輸出層的權(quán)系數(shù)ωli (k) ;(6)計(jì)算修正隱含層的權(quán)系數(shù)ωij(k) ; (7)置k=k+1,返回到23結(jié)論 城市軌道交通環(huán)境控制系統(tǒng)是一個(gè)具有強(qiáng)耦合、非線性和參數(shù)時(shí)變的復(fù)雜多變量控制系統(tǒng),城市軌道交通中環(huán)境控制費(fèi)用約為總費(fèi)用的8%-10%,進(jìn)一步研究以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-PID技術(shù)或以模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為控制方案的城市軌道交通智能化環(huán)境控制技術(shù)將獲得良好的節(jié)能效果。參考文獻(xiàn):[1] 朱軍,我國(guó)城市軌道交通發(fā)展問(wèn)題探討北京城市規(guī)劃建設(shè),2002.2[2] 王永驥等,神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制,機(jī)械工業(yè)出版社,1998.2[3] 劉晨暉,多變量過(guò)程控制系統(tǒng)解耦理論,水利水電出版社,1984.11