随着“一带一路”战略的实施和大秦线三万吨级重载组合列车试验成功,我国铁路货运进入快速发展时期。作为铁路货物运输动力的电力机车,以其功率大、牵引定数高、单耗低等优势逐渐成为铁路货运的主力车型。但是,实际运营中电力机车消耗的总电量巨大,其中牵引耗电量约占铁路总用电量的70%。同时,我国地势西高东低,货运线路东西海拔落差较大,线路条件复杂,且包含多个长大下坡区间,从铁路运营的角度,合理利用线路条件实现列车节能运行是一种低成本的节能降耗手段。因此,有必要研究含有长大下坡区间的货运列车节能优化操纵策略,为机车乘务员提供一条满足安全、准点、平稳约束的列车最优参考速度曲线。本文将基于最优控制理论研究货运列车在长大下坡区间及其相邻恒速区间的节能最优控制策略,开发车载驾驶指导系统,最终实现货运列车辅助驾驶。论文的主要工作由以下4个方面组成:(1)基于机械能模型,建立贴近实际运行环境的列车节能最优控制模型。根据牵引计算理论,分析货运列车受力情况,构建列车运行多质点模型;研究不同轮轨黏着条件下列车所能发挥的牵引/制动力,探究导致列车轮轨黏着性能差异的原因;建立长大下坡区间的数学模型,构造长大下坡区间列车缓解再充风时间约束条件。在此基础上,采用能耗分析法研究影响列车运行能耗的内外部因素,并进行仿真验证,根据货运列车牵引计算模型的特点构造列车节能运行目标泛函。最后,建立列车节能优化控制模型,该模型可以处理缓解再充风时间、空气制动控制量、轮轨黏着等实际约束条件。(2)研究没有再生制动能量回馈的货运列车周期性制动策略。以实际操纵中普遍应用的50k Pa小减压量调速制动为依据,化简列车空气制动过程;根据列车节能最优控制模型,采用极大值原理求解以牵引能耗最小化为目标函数的列车节能运行最优工况集,引入伴随变量,并分析伴随变量与工况的关系和两种特殊工况——部分牵引、部分制动。基于柯西-利普希茨条件提出缓解再充风时间约束定理,将充风时间约束转化为速度约束;为处理最优控制问题中的不等式约束,引入互补松弛因子,研究伴随变量与松弛因子的关系,提出伴随变量跳变规则。基于上述结论,以伴随变量为基础分析货运列车在长大下坡的周期性制动行为,以及长大下坡与相邻区间的最优连接规则。对比仿真表明:基于最优连接规则的列车运行能耗较模糊预测控制节能9.8%,达到了节能运行的目标。(3)研究考虑再生制动能量利用的货运列车周期性制动。根据极大值原理,分析交流传动机车节能运行的必要条件,扩充最优工况集;研究两种特殊工况——部分牵引、部分电制动,指出两种工况与恒速速度的对应关系;运用反证法分析长大下坡末端列车节能运行最优工况的唯一性;在此基础上,提出长大下坡区间及其相邻恒速区间列车运行轨迹的最优连接策略。采用现场试验的方法,研究列车效率与恒速区的关系;运用对比分析法,证明长大下坡区间“全电制动-全制-全电制动”周期性制动策略的最优性。最后,进行仿真验证,结果表明:基于最优连接规则的交流机车较模糊预测控制节能6.5%,具有一定节能性。(4)研究货运列车节能运行数值算法以及工程修正方法。根据理论分析结果,设计基于最优连接策略的货运列车节能优化数值算法,并进行仿真验证;研究工程实践中机车乘务员的优化操纵策略,对数值算法计算结果进行修正;在此基础上,设计列车节能运行仿真系统;开展现场试验,将实测数据与仿真系统输出结果进行比较分析,验证仿真系统的节能性。对比结果表明:修正后的最优运行曲线较实测数据节能15.0%,可以为司机提供建议操纵指令,实现货运列车辅助驾驶。