城市軌道交通任意多車協作的節能優化控制方法與流程
本發明涉及列車節能控制技術領域，尤其涉及一種城市軌道交通任意多車協作的節能優化控制方法。
背景技術：
城市軌道交通具有運量大、速度快、安全、準點、節省用地等突出優點，能有效改善交通擁堵問題。同時，城市軌道交通的耗電量巨大，一條20Km線路的年耗電量約為6000-10000kW.h。伴隨著城市軌道交通運營里程的增加，城市軌道交通的能源消耗激增，節能已成為城市軌道交通可持續發展的關鍵問題之一。
列車牽引是城市軌道交通耗能的首要成分，約占42％—48％。城市軌道交通節能研究的熱點問題是如何在保證列車按計劃運營圖運行的前提下降低線路上列車的總牽引能耗。
目前，現有技術中的降低線路上列車的總牽引能耗主要有三種：
方法1—單列車節能優化控制方法。從列車控制的角度出發，根據線路和列車參數，計算一條滿足時刻表站間運行時間要求且牽引能耗最小的位置/速度曲線控制列車運行，通過優化控制實現列車的節能運行。該方法僅考慮單列車的節能優化，沒有考慮利用列車制動時產生的再生能量，無法實現系統所有列車牽引總凈能耗的優化。
方法2—運行圖優化方法。從行車調度的角度出發，通過優化運行圖，協同列車的進站和發車時間，使得出站列車可以利用進站列車制動產生的再生能量，實現節能，圖1為現有技術中的一種協同相鄰列車的進站和發車時間示意圖。該方法的不足之處在于，給定的列車運行曲線雖然能夠達到單車能耗的最優，但不一定利于再生能的利用，不能實現列車總牽引凈能耗的最優。
技術實現要素：
本發明的實施例提供了一種城市軌道交通任意多車協作的節能優化控制方法，以實現對城市軌道交通列車進行有效的節能優化控制。
為了實現上述目的，本發明采取了如下技術方案。
一種城市軌道交通任意多車協作的節能優化控制方法，包括：
步驟1：根據運行圖計算不同站間的列車運行曲線，使得列車的站間運行時間與所述運行圖規定時間的偏差不超過指定的范圍；
步驟2：基于站間的列車運行曲線、站停時間和發車間隔確定任意列車在任意時刻的狀態；
步驟3：將列車總的運行時間劃分為多個連續分別的時隙，基于列車的狀態確定每輛列車在每個時隙的能耗，建立時隙——能量格再生能利用模型，所述時隙——能量格再生能利用模型中包括每輛列車在每個時隙的能量值；
步驟4：基于所述時隙——能量格模型計算出每個時隙結束時的牽引總凈能耗；
步驟5：選擇發車間隔、不同站間的列車運行曲線和站停時間，按照上述處理過程分別計算出牽引總凈能耗，求解出牽引總凈能耗的全局最優解。
進一步地，所述的步驟1中的根據運行圖計算不同站間的列車運行曲線包括：
根據運行圖和預先設定的列車運行優化約束條件計算可供選擇的列車站間運行曲線，所述站間列車運行曲線包括列車牽引多次的情況，所述列車運行優化約束條件包括下列約束條件中的一項或者多項：
約束條件1、站間上行運行時間的約束；
約束條件2、調整后站間上行運行時間與現有的站間上行運行時間差異的約束；
約束條件3、車站上行方向停站時間的約束；
約束條件4、站間下行運行時間的約束；
約束條件5、調整后站間下行運行時間與現有的站間下行運行時間差異的約束；
約束條件6、車站下行方向停站時間的約束；
約束條件7、列車運行速度的約束；
約束條件8、列車位置的約束。
進一步地，所述步驟2中的任意列車在任意時刻的狀態包括：列車位置、速度和工況，所述工況包括；牽引、惰行和制動，在一個時隙內，列車的速度、工況和所屬的供電分區保持不變。
進一步地，所述步驟3中時隙——能量格再生能利用模型中每輛列車在每個時隙的能量值包括：牽引能量值、再生制動能量值或者無能量值三種情況。
進一步地，所述方法還包括：基于列車位置，標注所述時隙——能量格再生能利用模型中能量格所屬的供電分區。
進一步地，所述步驟4中的基于所述時隙——能量格模型計算計算出每個時隙結束時的牽引總凈能耗，包括；
將同一時隙內的列車牽引能量相加得到該時隙線路上所有列車的牽引能耗；
將同一時隙內的列車再生能量相加得到該時隙線路上所有列車的再生能量；
將同一時隙位于同一供電分區的列車牽引能耗相加得到該時隙該供電分區的列車牽引能耗；將同一時隙位于同一供電分區的列車再生能量相加得到該時隙該供電分區的再生能量；取該時隙該供電分區的牽引能耗和再生能量的最小值作為該時隙該供電分區的再生能耗；
將同一時隙不同供電分區的再生能耗相加得到該時隙線路上所有列車的再生總能耗；
將同一時隙列車牽引總能耗減去所述該時隙的再生總能耗，得到該時隙的牽引凈能耗；
將包括該時隙及之前所有時隙的牽引凈能耗相加得到所述該時隙結束時的牽引總凈能耗。
進一步地，所述的該時隙該供電分區的再生能量包括該時隙該供電分區內雙向運行的任意列車制動產生的再生能量。
進一步地，計算牽引總凈能耗的過程中考慮列車所受的基本阻力。
進一步地，所述的步驟7求解出牽引總凈能耗的全局最優解包括：
將多次計算出的牽引總凈能耗進行比較，將最小的牽引總凈能耗對應的不同站間的列車運行曲線和站停時間確定為最佳的站間運行曲線和站停時間。
進一步地，不同距離的站間采用統一的節能優化控制方法來計算站間運行曲線，不同列車在同一個站間遵守相同的站間運行曲線。
由上述本發明的實施例提供的技術方案可以看出，本發明實施例通過建立時隙—能量格的再生制動能利用模型，根據所有列車在每個時隙的牽引總能耗和所有制動列車在每個時隙的再生總能量計算出每個時隙的牽引凈能耗，可以實現列車在區間牽引時利用同一供電分區內雙向運行的任意列車制動產生的再生能量；列車區間運行不再限定只采用“一次牽引”或“二次牽引”，列車在區間運行時可根據需要牽引任意多次。選擇合適的列車站間運行曲線，使得列車在利用最少的凈能耗條件下站間運行時間與運行圖規定的時間在一定的偏差范圍內，使得再生能利用量顯著提升。
本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為現有技術中的一種協同相鄰列車的進站和發車時間示意圖；
圖2為本發明實施例提出的一種調度控制一體化節能控車方法的處理流程圖；
圖3為本發明實施例提供的一種時隙——能量格再生能利用模型示意圖；
圖4為本發明實施例提供的一種北京地鐵亦莊線能耗仿真結果(90秒發車間隔)；
圖5為本發明實施例提供的一種北京地鐵亦莊線能耗仿真結果(300秒發車間隔)；
圖6為本發明實施例提供的一種北京地鐵昌平線能耗仿真結果(90秒發車間隔)；
圖7為本發明實施例提供的一種北京地鐵昌平線能耗仿真結果(300秒發車間隔)。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
本技術領域技術人員可以理解，除非特意聲明，這里使用的單數形式“一”、“一個”、“所述”和“該”也可包括復數形式。應該進一步理解的是，本發明的說明書中使用的措辭“包括”是指存在所述特征、整數、步驟、操作、元件和/或組件，但是并不排除存在或添加一個或多個其他特征、整數、步驟、操作、元件、組件和/或它們的組。應該理解，當我們稱元件被“連接”或“耦接”到另一元件時，它可以直接連接或耦接到其他元件，或者也可以存在中間元件。此外，這里使用的“連接”或“耦接”可以包括無線連接或耦接。這里使用的措辭“和/或”包括一個或更多個相關聯的列出項的任一單元和全部組合。
本技術領域技術人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。
為便于對本發明實施例的理解，下面將結合附圖以幾個具體實施例為例做進一步的解釋說明，且各個實施例并不構成對本發明實施例的限定。
為解決上述技術問題，本發明提出一種時隙——能量格的再生能利用模型，分析同一供電分區內、雙方向、任意多車、多次牽引/制動的再生能利用方法。提出時隙—能量格的再生能利用模型，通過同一供電區間內雙方向任意多車之間的再生能協作利用達到進一步降低系統總牽引凈能耗的目標。
本發明實施例提出的調度控制一體化節能控車方法，通過選擇列車在站間的運行曲線、調整列車站停時間，協同同一供電分區內雙方向任意多列車的多次牽引和制動，提高了再生能的利用率，進一步降低了列車牽引總凈能耗。節能效果受列車發車間隔、站間運行時間和站停時間的影響小，該方法的適用性和實用性強。
首先，定義如下幾個概念：
1)牽引總能耗：線路上所有列車牽引所需的能耗之和；
2)列車牽引總凈能耗：所有列車牽引從變電所汲取的能量。列車牽引總凈能耗等于牽引總能耗減去再生總能耗；
3)再生總能量：所有列車制動產生的再生能量；
4)再生總能耗：所有用于列車牽引的再生能量。
本發明實施例提出的調度控制一體化節能控車方法的處理流程如圖2所示，包括如下的處理步驟：
步驟S210、根據預先設定的列車運行優化約束條件和運行圖指定列車的站間運行曲線。
根據預先設定的列車運行優化約束條件和運行圖指定列車的站間運行曲線，使得列車的站間運行時間與運行圖規定時間的偏差不超過指定的范圍，所述列車運行優化約束條件包括下列約束條件中的一項或者多項：
分別為：
約束條件1、站間上行運行時間的約束，和分別為第i個站間上行方向最小的和調整后的運行時間；
約束條件2、調整后站間上行運行時間與現有的站間上行運行時間差異的約束，ti為站間i上行方向的現有運行時間，td為站間運行時間的調整范圍；
約束條件3、車站上行方向停站時間的約束，為第i個車站上行方向調整后的停站時間，sl和sm分別為上行列車的最小和最大站停時間；
約束條件4、站間下行運行時間的約束，和為第i個站間下行方向最小的和調整后的運行時間；
約束條件5、調整后站間下行運行時間與現有的站間下行運行時間差異的約束，ti為第i個站間下行方向現有的運行時間；
約束條件6、車站下行方向停站時間的約束，為第i個車站下行方向調整后的停站時間，sl和sm分別為下行列車的最小和最大站停時間；
約束條件7、列車運行速度的約束，為列車n所處位置的線路限速，為列車的最大限速，vn(k)為列車n在k時隙的速度，pn(k)為列車n在k時隙的位置，K為時隙總數；
約束條件8、列車位置的約束，D為線路長度。
這些約束條件是計算可供選擇的列車站間運行區線，每個站間有一組列車運行曲線。在尋找列車牽引總凈能耗全局最優值時，嘗試不同發車間隔、每個站間選取不同列車運行曲線和站停時間的組合，計算列車牽引總凈能耗。
在本發明實施例中，不同距離的站間(包括長站間和短站間)都采用統一的節能優化控制方法來計算站間運行曲線，不同列車在同一個站間遵守相同的站間運行曲線。
步驟S220、基于不同站間的列車運行曲線、站停時間和發車間隔確定列車在任意時刻的狀態，所述狀態包括：列車位置、速度和工況，列車的工況包括：牽引、惰行和制動。
步驟S230、將列車總的運行時間劃分為多個連續分別的時隙，基于列車的狀態確定每輛列車在每個時隙的能量，建立時隙——能量格再生能利用模型，所述時隙——能量格再生能利用模型中包括每輛列車的每個時隙的能量值，該能量值包括牽引能量值、再生制動能量值或者無能量。
為了進一步提高再生能的利用率，減小列控系統的牽引總凈能耗，本發明建立了時隙—能量格再生制動能利用模型。假定列車總運行時間為T，將T劃分為K個很短的時隙，每個時隙的長度為dt，T＝K·dt。每個時隙的時長足夠短，可以假定在同一個時隙內，列車的工況、牽引能耗或者再生能量、所屬的供電分區保持不變。基于列車位置，標注所述時隙——能量格再生能利用模型中能量格所屬的供電分區。
圖3為本發明實施例提出的一種時隙——能量格再生能利用模型示意圖，圖3給出了任意4列車的時隙——能量格，每一列為一個時隙，每一行代表列車的能量格。每一列車有兩行能量格，橫軸上方的為牽引能耗的能量格，橫軸下方的是再生制動能的能量格。每一個能量格內所標數字表示列車所處的供電分區，沒有標數字的表示列車處于惰行或者制動狀態，沒有能量的消耗，也不產生再生能量。
步驟S240、基于上述時隙——能量格模型計算出每個時隙線路上所有列車的牽引總能耗、再生能量和牽引總凈能耗，將某一時隙及之前所有時隙的牽引凈能耗相加得到所述時隙結束時的牽引總凈能耗。
在實際應用中，牽引能耗和再生能量不用考慮是否處于同一個供電分區，同一個時隙的牽引能耗和再生能量可以直接疊加。只有牽引列車和制動列車在同一個供電分區時，前者才可以利用后者產生的再生能量，能夠使用的再生能量位牽引能耗和再生能量的最小值，稱為再生能耗，只有再生能耗需要考慮供電分區。
本發明求解的是全線列車牽引總凈能耗的全局最優解，不是一個供電分區的，一條線路可能包括多個供電分區，各個供電分區的牽引凈能耗是相互影響的。
基于上述時隙——能量格再生能利用模型：
將同一時隙內的列車牽引能量相加得到該時隙線路上所有列車的牽引能耗；
將同一時隙內的列車再生能量相加得到該時隙線路上所有列車的再生能量；
將同一時隙位于同一供電分區的列車牽引能耗相加得到該時隙該供電分區的列車牽引能耗；將同一時隙位于同一供電分區的列車再生能量相加得到該時隙該供電分區的再生能量；取該時隙該供電分區的牽引能耗和再生能量的最小值作為該時隙該供電分區的再生能耗；
將同一時隙不同供電分區的再生能耗相加得到該時隙線路上所有列車的再生總能耗；
將同一時隙列車牽引總能耗減去所述該時隙的再生總能耗，得到該時隙的牽引凈能耗；
將包括該時隙及之前所有時隙的牽引凈能耗相加得到所述該時隙結束時的牽引總凈能耗。
節能優化模型的建立：
列車牽引所需能量一部分由變電所提供，即列車牽引凈能耗，另一部分可由列車制動產生的再生能量提供，即再生總能耗。列車牽引的總凈能耗為列車牽引所需的總能耗與再生總能耗的差值。本發明以列車牽引總凈能耗最小為目標建立節能優化模型。
假定有L個車站分屬M個供電分區，N列列車在線運營。將運行總時長T劃分為K個時隙。列車n位于第m個供電分區，列車n在k時隙所受合力表示為：
cn(k)＝fn(k)+bn(k)+gn(k),
n＝1,…,N,k＝0,…,K
其中，fn(k),bn(k),gn(k)分別為列車n在第k個時隙的牽引力、制動力和所受的基本阻力,N為與列車n位于相同供電分區的列車總數，當列車的工況為惰行和站停時，fn(k)為0，當列車的工況為牽引和站停時，bn(k)為0；
基于動力學方程可以計算列車n的速度/時間，速度/位置曲線。列車n在k時隙的加速度為：
其中，Mn為列車n的質量。
vn(k+1)＝vn(k)+an(k)·dt
其中，vn(k)和pn(k)分別為列車n在k時隙的速度和位置；
k時隙的列車牽引總能耗為：
k時隙，所有制動列車產生的再生總能量為：
k時隙，綜合所有供電分區的再生總能耗為：
其中，上述In(m)根據列車n在k時隙的位置是否位于第m個供電分區內，取不同的值。
其中，和分別為第m個供電分區的起始和終止位置。
則k時隙綜合所有供電分區的牽引總凈能耗ene(k)＝ef(k)-eub(k)。
比如，ef(k)＝100度電，eb(k)＝150度電，則eub(k)＝100度電，ene(k)＝0；
又比如，ef(k)＝100度電，eb(k)＝80度電，則eub(k)＝80度電，ene(k)＝20度電。
最后，將包括該時隙及之前所有時隙的牽引凈能耗相加得到所述該時隙結束時的牽引總凈能耗Ene(k)。
其中，Ene(k)為截止k時隙結束時的牽引總凈能耗；ene(k)為k時隙的牽引總凈能耗。
步驟S250、選擇發車間隔、不同站間的列車運行曲線和站停時間，按照上述處理過程分別計算出線路上所有列車的牽引總凈能耗，求解出牽引總凈能耗的全局最優解。
選擇不同的列車運行曲線，協同同一供電分區內雙向任意多列車間的加速和制動時間的目的是降低線路上所有列車的牽引總凈能耗。按照上述處理過程重新計算出線路上所有列車的牽引總凈能耗Ene(k)，將多次計算出的牽引總凈能耗Ene(k)進行比較，將最小的牽引總凈能耗Ene(k)對應的不同站間的列車運行曲線和站停時間確定為最佳的站間運行曲線和站停時間。
本發明的工業實用性如下：
本發明針對城市軌道交通列車運行能耗大、現有的節能方法受站間距、發車間隔的影響較大，不能有效利用再生能的問題，基于同一供電區間內雙向任意多車協作的節能控車策略，建立改進的調度與控制一體化節能優化模型。通過建立時隙—能量格的再生能利用模型，計算每個時隙的列車牽引總能耗、再生總能量和再生總能耗。通過疊加同一供電分區的牽引能耗、再生能量，計算不同時刻的列車牽引總能耗、牽引總凈能耗和再生總能耗。通過優化算法計算不同的列車站間運行時間、站停時間和發車間隔組合對應的列車牽引總能耗和再生總能耗，求解列車牽引總凈能耗的全局最優值。通過采用本發明提供的方法，可分析同一供電分區內雙向任意多列車、多次牽引的牽引總能耗、再生總能量、再生總能耗和牽引總凈能耗。而不僅僅設定列車在短站間區間運行時只進行一次牽引，在長站間區間運行時采取一次牽引和二次牽引。
圖4為本發明實施例提供的一種北京地鐵亦莊線能耗仿真結果(90秒發車間隔)，圖5為本發明實施例提供的一種北京地鐵亦莊線能耗仿真結果(300秒發車間隔)，圖6為本發明實施例提供的一種北京地鐵昌平線能耗仿真結果(90秒發車間隔)，圖7為本發明實施例提供的一種北京地鐵昌平線能耗仿真結果(300秒發車間隔)。仿真結果表明，本文發明的方法在不同站間距和發車間隔條件下，節能效果均明顯優于現有方法，有較強的適用性和實用性。
綜上所述，本發明實施例通過建立時隙—能量格的再生制動能利用模型，根據所有列車在每個時隙的牽引總能耗和所有制動列車在每個時隙的再生總能量計算出每個時隙的牽引凈能耗，相對于現有技術能夠產生如下有益效果：
1、列車在區間牽引時可以利用同一供電分區內雙向運行的任意列車制動產生的再生能量；
2、列車區間運行不再限定只采用“一次牽引”或“二次牽引”，列車在區間運行時可根據需要牽引任意多次。選擇合適的列車站間運行曲線，使得列車在利用最少的凈能耗條件下站間運行時間與運行圖規定的時間在一定的偏差范圍內；
3、在不同站間距和發車間隔條件下，再生能利用量顯著提升，牽引總凈能耗明顯優于現有方法；
4、能夠取得的節能效果受列車發車間隔、站間運行時間和站停時間的影響小，方法的適用性和實用性強。本發明提出的方法在不同站間距和發車間隔條件下，再生能的利用效果均得到了顯著提升，相比于現有的調度控制一體化節能方法，牽引總凈能耗均顯著降低，且具有較強的適用性和實用性。
本領域普通技術人員可以理解：附圖只是一個實施例的示意圖，附圖中的模塊或流程并不一定是實施本發明所必須的。
通過以上的實施方式的描述可知，本領域的技術人員可以清楚地了解到本發明可借助軟件加必需的通用硬件平臺的方式來實現。基于這樣的理解，本發明的技術方案本質上或者說對現有技術做出貢獻的部分可以以軟件產品的形式體現出來，該計算機軟件產品可以存儲在存儲介質中，如ROM/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺計算機設備(可以是個人計算機，服務器，或者網絡設備等)執行本發明各個實施例或者實施例的某些部分所述的方法。
本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。尤其，對于裝置或系統實施例而言，由于其基本相似于方法實施例，所以描述得比較簡單，相關之處參見方法實施例的部分說明即可。以上所描述的裝置及系統實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創造性勞動的情況下，即可以理解并實施。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。
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