城市轨道交通任意多车协作的节能优化控制方法

摘要

本发明提供了一种城市轨道交通任意多车协作的节能优化控制方法。该方法提出了时隙—能量格的再生能利用模型，制定统一的调度控制一体化节能策略，极大地降低了模型的复杂度。基于本发明提出的方法可以分析同一供电分区内、双方向、任意多车、多次牵引/制动的再生能利用。并通过选择列车站间运行曲线，调整站间运行时间、站停时间和发生间隔，寻找列车牵引总净能耗的全局最优值。

说明书

技术领域

本发明涉及列车节能控制技术领域，尤其涉及一种城市轨道交通任意多车协作的节能优化控制方法。

背景技术

城市轨道交通具有运量大、速度快、安全、准点、节省用地等突出优点，能有效改善交通拥堵问题。同时，城市轨道交通的耗电量巨大，一条20Km线路的年耗电量约为6000-10000kW.h。伴随着城市轨道交通运营里程的增加，城市轨道交通的能源消耗激增，节能已成为城市轨道交通可持续发展的关键问题之一。

列车牵引是城市轨道交通耗能的首要成分，约占42％—48％。城市轨道交通节能研究的热点问题是如何在保证列车按计划运营图运行的前提下降低线路上列车的总牵引能耗。

目前，现有技术中的降低线路上列车的总牵引能耗主要有三种：

方法1—单列车节能优化控制方法。从列车控制的角度出发，根据线路和列车参数，计算一条满足时刻表站间运行时间要求且牵引能耗最小的位置/速度曲线控制列车运行，通过优化控制实现列车的节能运行。该方法仅考虑单列车的节能优化，没有考虑利用列车制动时产生的再生能量，无法实现系统所有列车牵引总净能耗的优化。

方法2—运行图优化方法。从行车调度的角度出发，通过优化运行图，协同列车的进站和发车时间，使得出站列车可以利用进站列车制动产生的再生能量，实现节能，图1为现有技术中的一种协同相邻列车的进站和发车时间示意图。该方法的不足之处在于，给定的列车运行曲线虽然能够达到单车能耗的最优，但不一定利于再生能的利用，不能实现列车总牵引净能耗的最优。

发明内容

本发明的实施例提供了一种城市轨道交通任意多车协作的节能优化控制方法，以实现对城市轨道交通列车进行有效的节能优化控制。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种城市轨道交通任意多车协作的节能优化控制方法，包括：

步骤1：根据运行图计算不同站间的列车运行曲线，使得列车的站间运行时间与所述运行图规定时间的偏差不超过指定的范围；

步骤2：基于站间的列车运行曲线、站停时间和发车间隔确定任意列车在任意时刻的状态；

步骤3：将列车总的运行时间划分为多个连续分别的时隙，基于列车的状态确定每辆列车在每个时隙的能耗，建立时隙——能量格再生能利用模型，所述时隙——能量格再生能利用模型中包括每辆列车在每个时隙的能量值；

步骤4：基于所述时隙——能量格模型计算出每个时隙结束时的牵引总净能耗；

步骤5：选择发车间隔、不同站间的列车运行曲线和站停时间，按照上述处理过程分别计算出牵引总净能耗，求解出牵引总净能耗的全局最优解。

进一步地，所述的步骤1中的根据运行图计算不同站间的列车运行曲线包括：

根据运行图和预先设定的列车运行优化约束条件计算可供选择的列车站间运行曲线，所述站间列车运行曲线包括列车牵引多次的情况，所述列车运行优化约束条件包括下列约束条件中的一项或者多项：

约束条件1、站间上行运行时间的约束；

约束条件2、调整后站间上行运行时间与现有的站间上行运行时间差异的约束；

约束条件3、车站上行方向停站时间的约束；

约束条件4、站间下行运行时间的约束；

约束条件5、调整后站间下行运行时间与现有的站间下行运行时间差异的约束；

约束条件6、车站下行方向停站时间的约束；

约束条件7、列车运行速度的约束；

约束条件8、列车位置的约束。

进一步地，所述步骤2中的任意列车在任意时刻的状态包括：列车位置、速度和工况，所述工况包括；牵引、惰行和制动，在一个时隙内，列车的速度、工况和所属的供电分区保持不变。

进一步地，所述步骤3中时隙——能量格再生能利用模型中每辆列车在每个时隙的能量值包括：牵引能量值、再生制动能量值或者无能量值三种情况。

进一步地，所述方法还包括：基于列车位置，标注所述时隙——能量格再生能利用模型中能量格所属的供电分区。

进一步地，所述步骤4中的基于所述时隙——能量格模型计算计算出每个时隙结束时的牵引总净能耗，包括；

将同一时隙内的列车牵引能量相加得到该时隙线路上所有列车的牵引能耗；

将同一时隙内的列车再生能量相加得到该时隙线路上所有列车的再生能量；

将同一时隙位于同一供电分区的列车牵引能耗相加得到该时隙该供电分区的列车牵引能耗；将同一时隙位于同一供电分区的列车再生能量相加得到该时隙该供电分区的再生能量；取该时隙该供电分区的牵引能耗和再生能量的最小值作为该时隙该供电分区的再生能耗；

将同一时隙不同供电分区的再生能耗相加得到该时隙线路上所有列车的再生总能耗；

将同一时隙列车牵引总能耗减去所述该时隙的再生总能耗，得到该时隙的牵引净能耗；

将包括该时隙及之前所有时隙的牵引净能耗相加得到所述该时隙结束时的牵引总净能耗。

进一步地，所述的该时隙该供电分区的再生能量包括该时隙该供电分区内双向运行的任意列车制动产生的再生能量。

进一步地，计算牵引总净能耗的过程中考虑列车所受的基本阻力。

进一步地，所述的步骤7求解出牵引总净能耗的全局最优解包括：

将多次计算出的牵引总净能耗进行比较，将最小的牵引总净能耗对应的不同站间的列车运行曲线和站停时间确定为最佳的站间运行曲线和站停时间。

进一步地，不同距离的站间采用统一的节能优化控制方法来计算站间运行曲线，不同列车在同一个站间遵守相同的站间运行曲线。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过建立时隙—能量格的再生制动能利用模型，根据所有列车在每个时隙的牵引总能耗和所有制动列车在每个时隙的再生总能量计算出每个时隙的牵引净能耗，可以实现列车在区间牵引时利用同一供电分区内双向运行的任意列车制动产生的再生能量；列车区间运行不再限定只采用“一次牵引”或“二次牵引”，列车在区间运行时可根据需要牵引任意多次。选择合适的列车站间运行曲线，使得列车在利用最少的净能耗条件下站间运行时间与运行图规定的时间在一定的偏差范围内，使得再生能利用量显著提升。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的一种协同相邻列车的进站和发车时间示意图；

图2为本发明实施例提出的一种调度控制一体化节能控车方法的处理流程图；

图3为本发明实施例提供的一种时隙——能量格再生能利用模型示意图；

图4为本发明实施例提供的一种北京地铁亦庄线能耗仿真结果(90秒发车间隔)；

图5为本发明实施例提供的一种北京地铁亦庄线能耗仿真结果(300秒发车间隔)；

图6为本发明实施例提供的一种北京地铁昌平线能耗仿真结果(90秒发车间隔)；

图7为本发明实施例提供的一种北京地铁昌平线能耗仿真结果(300秒发车间隔)。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

为解决上述技术问题，本发明提出一种时隙——能量格的再生能利用模型，分析同一供电分区内、双方向、任意多车、多次牵引/制动的再生能利用方法。提出时隙—能量格的再生能利用模型，通过同一供电区间内双方向任意多车之间的再生能协作利用达到进一步降低系统总牵引净能耗的目标。

本发明实施例提出的调度控制一体化节能控车方法，通过选择列车在站间的运行曲线、调整列车站停时间，协同同一供电分区内双方向任意多列车的多次牵引和制动，提高了再生能的利用率，进一步降低了列车牵引总净能耗。节能效果受列车发车间隔、站间运行时间和站停时间的影响小，该方法的适用性和实用性强。

首先，定义如下几个概念：

1)牵引总能耗：线路上所有列车牵引所需的能耗之和；

2)列车牵引总净能耗：所有列车牵引从变电所汲取的能量。列车牵引总净能耗等于牵引总能耗减去再生总能耗；

3)再生总能量：所有列车制动产生的再生能量；

4)再生总能耗：所有用于列车牵引的再生能量。

本发明实施例提出的调度控制一体化节能控车方法的处理流程如图2所示，包括如下的处理步骤：

步骤S210、根据预先设定的列车运行优化约束条件和运行图指定列车的站间运行曲线。

根据预先设定的列车运行优化约束条件和运行图指定列车的站间运行曲线，使得列车的站间运行时间与运行图规定时间的偏差不超过指定的范围，所述列车运行优化约束条件包括下列约束条件中的一项或者多项：

分别为：

约束条件1、站间上行运行时间的约束，和分别为第i个站间上行方向最小的和调整后的运行时间；

约束条件2、调整后站间上行运行时间与现有的站间上行运行时间差异的约束，tⁱ为站间i上行方向的现有运行时间，t_d为站间运行时间的调整范围；

约束条件3、车站上行方向停站时间的约束，为第i个车站上行方向调整后的停站时间，s^l和s^m分别为上行列车的最小和最大站停时间；

约束条件4、站间下行运行时间的约束，和为第i个站间下行方向最小的和调整后的运行时间；

约束条件5、调整后站间下行运行时间与现有的站间下行运行时间差异的约束，t_i为第i个站间下行方向现有的运行时间；

约束条件6、车站下行方向停站时间的约束，为第i个车站下行方向调整后的停站时间，s_l和s_m分别为下行列车的最小和最大站停时间；

约束条件7、列车运行速度的约束，为列车n所处位置的线路限速，为列车的最大限速，v_n(k)为列车n在k时隙的速度，p_n(k)为列车n在k时隙的位置，K为时隙总数；

约束条件8、列车位置的约束，D为线路长度。

这些约束条件是计算可供选择的列车站间运行区线，每个站间有一组列车运行曲线。在寻找列车牵引总净能耗全局最优值时，尝试不同发车间隔、每个站间选取不同列车运行曲线和站停时间的组合，计算列车牵引总净能耗。

在本发明实施例中，不同距离的站间(包括长站间和短站间)都采用统一的节能优化控制方法来计算站间运行曲线，不同列车在同一个站间遵守相同的站间运行曲线。

步骤S220、基于不同站间的列车运行曲线、站停时间和发车间隔确定列车在任意时刻的状态，所述状态包括：列车位置、速度和工况，列车的工况包括：牵引、惰行和制动。

步骤S230、将列车总的运行时间划分为多个连续分别的时隙，基于列车的状态确定每辆列车在每个时隙的能量，建立时隙——能量格再生能利用模型，所述时隙——能量格再生能利用模型中包括每辆列车的每个时隙的能量值，该能量值包括牵引能量值、再生制动能量值或者无能量。

为了进一步提高再生能的利用率，减小列控系统的牵引总净能耗，本发明建立了时隙—能量格再生制动能利用模型。假定列车总运行时间为T，将T划分为K个很短的时隙，每个时隙的长度为dt，T＝K·dt。每个时隙的时长足够短，可以假定在同一个时隙内，列车的工况、牵引能耗或者再生能量、所属的供电分区保持不变。基于列车位置，标注所述时隙——能量格再生能利用模型中能量格所属的供电分区。

图3为本发明实施例提出的一种时隙——能量格再生能利用模型示意图，图3给出了任意4列车的时隙——能量格，每一列为一个时隙，每一行代表列车的能量格。每一列车有两行能量格，横轴上方的为牵引能耗的能量格，横轴下方的是再生制动能的能量格。每一个能量格内所标数字表示列车所处的供电分区，没有标数字的表示列车处于惰行或者制动状态，没有能量的消耗，也不产生再生能量。

步骤S240、基于上述时隙——能量格模型计算出每个时隙线路上所有列车的牵引总能耗、再生能量和牵引总净能耗，将某一时隙及之前所有时隙的牵引净能耗相加得到所述时隙结束时的牵引总净能耗。

在实际应用中，牵引能耗和再生能量不用考虑是否处于同一个供电分区，同一个时隙的牵引能耗和再生能量可以直接叠加。只有牵引列车和制动列车在同一个供电分区时，前者才可以利用后者产生的再生能量，能够使用的再生能量位牵引能耗和再生能量的最小值，称为再生能耗，只有再生能耗需要考虑供电分区。

本发明求解的是全线列车牵引总净能耗的全局最优解，不是一个供电分区的，一条线路可能包括多个供电分区，各个供电分区的牵引净能耗是相互影响的。

基于上述时隙——能量格再生能利用模型：

将同一时隙内的列车牵引能量相加得到该时隙线路上所有列车的牵引能耗；

将同一时隙内的列车再生能量相加得到该时隙线路上所有列车的再生能量；

将同一时隙位于同一供电分区的列车牵引能耗相加得到该时隙该供电分区的列车牵引能耗；将同一时隙位于同一供电分区的列车再生能量相加得到该时隙该供电分区的再生能量；取该时隙该供电分区的牵引能耗和再生能量的最小值作为该时隙该供电分区的再生能耗；

将同一时隙不同供电分区的再生能耗相加得到该时隙线路上所有列车的再生总能耗；

将同一时隙列车牵引总能耗减去所述该时隙的再生总能耗，得到该时隙的牵引净能耗；

将包括该时隙及之前所有时隙的牵引净能耗相加得到所述该时隙结束时的牵引总净能耗。

节能优化模型的建立：

列车牵引所需能量一部分由变电所提供，即列车牵引净能耗，另一部分可由列车制动产生的再生能量提供，即再生总能耗。列车牵引的总净能耗为列车牵引所需的总能耗与再生总能耗的差值。本发明以列车牵引总净能耗最小为目标建立节能优化模型。

假定有L个车站分属M个供电分区，N列列车在线运营。将运行总时长T划分为K个时隙。列车n位于第m个供电分区，列车n在k时隙所受合力表示为：

c_n(k)＝f_n(k)+b_n(k)+g_n(k),

n＝1,…,N,k＝0,…,K

其中，f_n(k),b_n(k),g_n(k)分别为列车n在第k个时隙的牵引力、制动力和所受的基本阻力,N为与列车n位于相同供电分区的列车总数，当列车的工况为惰行和站停时，f_n(k)为0，当列车的工况为牵引和站停时，b_n(k)为0；

基于动力学方程可以计算列车n的速度/时间，速度/位置曲线。列车n在k时隙的加速度为：

其中，M_n为列车n的质量。

v_n(k+1)＝v_n(k)+a_n(k)·dt

其中，v_n(k)和p_n(k)分别为列车n在k时隙的速度和位置；

k时隙的列车牵引总能耗为：

k时隙，所有制动列车产生的再生总能量为：

k时隙，综合所有供电分区的再生总能耗为：

其中，上述I_n(m)根据列车n在k时隙的位置是否位于第m个供电分区内，取不同的值。

其中，和分别为第m个供电分区的起始和终止位置。

则k时隙综合所有供电分区的牵引总净能耗e_ne(k)＝e_f(k)-e_ub(k)。

比如，e_f(k)＝100度电，e_b(k)＝150度电，则e_ub(k)＝100度电，e_ne(k)＝0；

又比如，e_f(k)＝100度电，e_b(k)＝80度电，则e_ub(k)＝80度电，e_ne(k)＝20度电。

最后，将包括该时隙及之前所有时隙的牵引净能耗相加得到所述该时隙结束时的牵引总净能耗E_ne(k)。

其中，E_ne(k)为截止k时隙结束时的牵引总净能耗；e_ne(k)为k时隙的牵引总净能耗。

步骤S250、选择发车间隔、不同站间的列车运行曲线和站停时间，按照上述处理过程分别计算出线路上所有列车的牵引总净能耗，求解出牵引总净能耗的全局最优解。

选择不同的列车运行曲线，协同同一供电分区内双向任意多列车间的加速和制动时间的目的是降低线路上所有列车的牵引总净能耗。按照上述处理过程重新计算出线路上所有列车的牵引总净能耗E_ne(k)，将多次计算出的牵引总净能耗E_ne(k)进行比较，将最小的牵引总净能耗E_ne(k)对应的不同站间的列车运行曲线和站停时间确定为最佳的站间运行曲线和站停时间。

本发明的工业实用性如下：

本发明针对城市轨道交通列车运行能耗大、现有的节能方法受站间距、发车间隔的影响较大，不能有效利用再生能的问题，基于同一供电区间内双向任意多车协作的节能控车策略，建立改进的调度与控制一体化节能优化模型。通过建立时隙—能量格的再生能利用模型，计算每个时隙的列车牵引总能耗、再生总能量和再生总能耗。通过叠加同一供电分区的牵引能耗、再生能量，计算不同时刻的列车牵引总能耗、牵引总净能耗和再生总能耗。通过优化算法计算不同的列车站间运行时间、站停时间和发车间隔组合对应的列车牵引总能耗和再生总能耗，求解列车牵引总净能耗的全局最优值。通过采用本发明提供的方法，可分析同一供电分区内双向任意多列车、多次牵引的牵引总能耗、再生总能量、再生总能耗和牵引总净能耗。而不仅仅设定列车在短站间区间运行时只进行一次牵引，在长站间区间运行时采取一次牵引和二次牵引。

图4为本发明实施例提供的一种北京地铁亦庄线能耗仿真结果(90秒发车间隔)，图5为本发明实施例提供的一种北京地铁亦庄线能耗仿真结果(300秒发车间隔)，图6为本发明实施例提供的一种北京地铁昌平线能耗仿真结果(90秒发车间隔)，图7为本发明实施例提供的一种北京地铁昌平线能耗仿真结果(300秒发车间隔)。仿真结果表明，本文发明的方法在不同站间距和发车间隔条件下，节能效果均明显优于现有方法，有较强的适用性和实用性。

综上所述，本发明实施例通过建立时隙—能量格的再生制动能利用模型，根据所有列车在每个时隙的牵引总能耗和所有制动列车在每个时隙的再生总能量计算出每个时隙的牵引净能耗，相对于现有技术能够产生如下有益效果：

1、列车在区间牵引时可以利用同一供电分区内双向运行的任意列车制动产生的再生能量；

2、列车区间运行不再限定只采用“一次牵引”或“二次牵引”，列车在区间运行时可根据需要牵引任意多次。选择合适的列车站间运行曲线，使得列车在利用最少的净能耗条件下站间运行时间与运行图规定的时间在一定的偏差范围内；

3、在不同站间距和发车间隔条件下，再生能利用量显著提升，牵引总净能耗明显优于现有方法；

4、能够取得的节能效果受列车发车间隔、站间运行时间和站停时间的影响小，方法的适用性和实用性强。本发明提出的方法在不同站间距和发车间隔条件下，再生能的利用效果均得到了显著提升，相比于现有的调度控制一体化节能方法，牵引总净能耗均显著降低，且具有较强的适用性和实用性。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。