基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法。该方法主要包括：计算列车运行的实时基本阻力系数；计算出列车的动态限速；计算出列车的自适应优化目标权值；基于实时基本阻力系数、动态限速和自适应优化目标权值，利用免疫差分进化算法计算出设定时间窗范围内的每个采样时刻的列车的最优操纵控制指令序列。本发明专利技术实施例通过首先采集列车的实时运动状态信息及实时输出力矩，采用滚动规划方式在每个采样时刻以一定时间窗范围内进行高速列车区间运行轨迹的局部最优化计算直至到达目标站点，能够对列车基本运行阻力系数进行精确估计，通过自适应优化目标权值分配机制实现冗余运行时间的最大化利用，从而降低高速列车运行能耗。

【技术实现步骤摘要】
基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法
本专利技术涉及高速列车运行信号控制
，尤其涉及一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法。
技术介绍
铁路运输在我国旅客、货物运输的发展历程中，长期处于重要的骨干地位，其优势不可替代，对国民经济发展和社会进步具有重大的贡献和意义。基于社会经济发展的需要，随着科学技术的不断创新和发展，高速铁路以其运输能力大、安全舒适、节能环保和全天候运输等优势，为越来越多的国家所重视，成为世界铁路发展的重要趋势和交通运输现代化的重要标志之一。截止2012年，我国有1.3万公里客运专线及城际铁路投入运营，已构成“四横四纵”高速铁路网的基本结构。高速铁路的建设和发展对国家综合实力和发展水平的提升具有重要意义。高速列车运行轨迹规划是一个需要同时满足安全、节能、正点等要求的多目标优化过程，该过程中各个目标之间是相互制约与影响的。若以列车运行过程中的能耗最小为优化控制目标，则需要列车尽可能多的釆用惰行方式以减少牵引过程产生的能耗，而列车惰行距离越长，相应的运行时间必然延长，无法保证准时性。因此，高速列车运行轨迹规划需要在既定的线路约束条件下，从众多可行的运行轨迹中选择一种可以保证列车运行安全、舒适、准点，同时具有较高的能源效益的操纵策略，其本质即为约束多目标优化问题。目前，现有技术中还没有一种高效率的高速列车运行轨迹的实时规划方法。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，以实现高效率地对高速列车的运行轨迹进行规划。一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，包括：计算列车运行的实时基本阻力系数；计算出所述列车的动态限速；计算出所述列车的自适应优化目标权值；基于所述实时基本阻力系数、动态限速和自适应优化目标权值，利用免疫差分进化算法计算出设定时间窗范围内的每个采样时刻的所述列车的最优操纵控制指令序列。优选地，所述的计算列车运行的实时基本阻力系数，包括：车载设备采集列车的实时运动状态信息，该实时运动状态信息包括位置、速度、加速度及时间信息，动力系统获取列车的实时输出力矩；所述列车运行的实时基本阻力系数r＝(r1r2r3)的计算方法如下：其中：s为采集得到的列车实时位置，v为实时速度，a为实时加速度，u为列车实时控制指令，F(v,u)为列车实时输出力矩，M为列车质量，R2为列车运行附加阻力。优选地，所述的计算出所述列车的动态限速，包括：利用车载通信设备接收前行列车的运行状态信息及调度、限速信息，结合列车自身运动状态信息在每个采样时刻计算出列车的当前动态限速。当前动态限速的计算方法如下：计算前行列车作用下当前采样时刻的列车限速计算前方临时限速作用下当前采样时刻的列车限速v'max(k)：确定当前时刻的动态限速值vmax(k)：其中，vk、sk为采样时刻k的列车速度、位置，as为列车常用制动减速度，Ls为列车追踪安全距离，为前行列车在采样时刻k的位置，L为列车车身长度，v′r为临时限速值，s'为前方临时限速起始位置。优选地，所述的计算出所述列车的自适应优化目标权值，包括：根据列车实时位置、时间信息与运行图数据的比较结果，在每个采样周期内计算出包括准点目标权值、能耗目标权值的自适应优化目标权值；所述自适应分配优化目标权值计算方法如下：计算采样时刻k的运行时间与运行图计划时间之间的偏差ΔT*(k)：ΔT*(k)＝t(sk)-t*(sk)计算并更新当前采样时刻k的准点目标权值ωT与能耗目标权值ωE：ωE＝1-ωT其中，t(sk)为采样时刻k的实际运行时间，t*(sk)为运行图计划的列车在sk处的运行时间，ΔT0为可接受的列车运行晚点时间。优选地，所述的方法还包括：根据初始化的操纵控制指令序列uk计算出列车运行能耗函数φE(uk)、准点度函数φT(uk)，计算公式如下：其中，u为操纵控制指令，F为列车实时输出力矩，为采样时刻k+j-1与k+j之间的列车平均运行速度，sk+j、sk+j-1为采样时刻k通过uk得到的k+j、k+j-1时刻的列车推算位置，η为再生能量回收率，E(k-1)为采样时刻k之前已消耗的能量，Emin、Emax为当前采样时刻所有可行控制序列对应的最小与最大能耗，t(sk+N)、t*(sk+N)分别为推算位置sk+N对应的实际运行时间与运行图计划时间，ΔT0为可接受的列车运行晚点时间，σT为晚点惩罚因子，Tmin、Tmax为当前采样时刻所有可行控制序列对应的最小与最大T(uk)取值。优选地，所述的基于所述实时基本阻力系数、动态限速和自适应优化目标权值，应用滚动规划方法计算出设定时间窗范围内的所述列车的最优运行轨迹及其对应的控制序列，包括：在设定的时间窗范围内，在每个采样时刻k利用免疫差分进化算法计算出列车的最优操纵控制指令序列所述最优操纵控制指令序列uk对应的最终优化目标函数为：其中，φN(uk)为最终优化目标函数，φf(uk)为每个规划采样周期内结束位置的约束函数，xf为结束位置的约束状态，且有：通过求解上述方程组，得到最优操纵控制指令序列将得到的最优操纵控制指令序列uk中第一个操纵指令作用于列车。优选地，所述的方法还包括：利用当前采样时刻的操纵指令及列车状态，推算出设定时间窗范围内的下一采样时刻的初始状态，计算出设定时间窗范围内的下一采样时刻的最优操纵控制指令序列uk，将所述最优操纵控制指令序列uk中第一个操纵指令作用于列车；重复执行上述规划过程，直至所述列车到达运行目标站点，结束滚动规划过程。由上述本专利技术的实施例提供的技术方案可以看出，本专利技术实施例通过首先采集列车的实时运动状态信息(位置、速度、加速度及时间信息)及实时输出力矩，利用通信设备接收调度命令与前行列车实时位置、速度信息，之后采用滚动规划方式在每个采样时刻以一定时间窗范围内进行高速列车区间运行轨迹的局部最优化计算直至到达目标站点。该方法能够克服无法对列车基本运行阻力系数进行精确估计的问题，并通过自适应优化目标权值分配机制实现冗余运行时间的最大化利用，从而降低高速列车运行能耗。本专利技术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，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，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专利技术的一些实施例，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为本专利技术实施例一提供的一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法的实现原理示意图；图2为本专利技术实施例一提供的一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法的处理流程图；图3为本专利技术实施例三提供的一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法的应用场景示意图；图4为本专利技术实施例三提供的一种列车1在区间运行过程中的优化目标权值ωT的变化过程示意图；图5(a)为本专利技术实施例三提供的一种按照本专利技术算法计算的列车1运行能耗累加过程示意图；图5(b)为本专利技术实施例三提供的一种按照本专利技术算法计算的列车1准点度变化过程示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施方式，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。下面通过参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其特征在于，包括：计算列车运行的实时基本阻力系数；计算出所述列车的动态限速；计算出所述列车的自适应优化目标权值；基于所述实时基本阻力系数、动态限速和自适应优化目标权值，利用免疫差分进化算法计算出设定时间窗范围内的每个采样时刻的所述列车的最优操纵控制指令序列。

【技术特征摘要】
1.一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其特征在于，包括：计算列车运行的实时基本阻力系数；计算出所述列车的动态限速；计算出所述列车的自适应优化目标权值；基于所述实时基本阻力系数、动态限速和自适应优化目标权值，利用免疫差分进化算法计算出设定时间窗范围内的每个采样时刻的所述列车的最优操纵控制指令序列；所述的计算出所述列车的自适应优化目标权值，包括：根据列车实时位置、时间信息与运行图数据的比较结果，在每个采样周期内计算出包括准点目标权值、能耗目标权值的自适应优化目标权值；所述自适应分配优化目标权值计算方法如下：计算采样时刻k的运行时间与运行图计划时间之间的偏差ΔT*(k)：ΔT*(k)＝t(sk)-t*(sk)计算并更新当前采样时刻k的准点目标权值ωT与能耗目标权值ωE：ωE＝1-ωT其中，t(sk)为采样时刻k的实际运行时间，t*(sk)为运行图计划的列车在sk处的运行时间，ΔT0为可接受的列车运行晚点时间；所述的方法还包括：根据初始化的操纵控制指令序列uk计算出列车运行能耗函数φE(uk)、准点度函数φT(uk)，计算公式如下：其中，u为操纵控制指令，F为列车实时输出力矩，为采样时刻k+j-1与k+j之间的列车平均运行速度，sk+j、sk+j-1为采样时刻k通过uk得到的k+j、k+j-1时刻的列车推算位置，η为再生能量回收率，E(k-1)为采样时刻k之前已消耗的能量，Emin、Emax为当前采样时刻所有可行控制序列对应的最小与最大能耗，t(sk+N)、t*(sk+N)分别为推算位置sk+N对应的实际运行时间与运行图计划时间，ΔT0为可接受的列车运行晚点时间，σT为晚点惩罚因子，Tmin、Tmax为当前采样时刻所有可行控制序列对应的最小与最大T(uk)取值。2.根据权利要求1所述的基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其特征在于，所述的计算列车运行的实时基本阻力系数，包括：车载设备采集列车的实时运动状态信息，该实时运动状态信息包括位置、速度、加速度及时间信息，动力系统获取列车的实时输出力矩；所述列车运行的实时基本阻力系数r＝(r1...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官伟，严细辉，蔡伯根，王剑，刘江，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11