一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法技术

本发明专利技术涉及一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法，包括以下步骤：1)将当前公交车运行位置至运行计划规定的停站点之间的运行区间依次按道路特征划分为连续的多个子区间，道路特征包括坡度路段、限速路段和交叉口路段，并将道路特征对应属性值赋予每个子区间；2)根据划分后的子区间构建考虑节能因素的城市公交车驾驶策略双层优化计算模型；3)对城市公交车驾驶策略双层优化计算模型进行求解，最终获得当前公交车运行位置至运行计划规定的停站点之间的运行区间的优化轨迹，包括各个子区间公交车的行驶速度、行驶时间、位置以及牵引力和制动力。与现有技术相比，本发明专利技术具有动态连续、减少能耗、提高准点率与舒适性等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法
本专利技术涉及交通规划
，尤其是涉及一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法。
技术介绍
快速城市化和机动化的进程，使得我国城市交通系统对能源需求的增长迅速。有鉴于此，城市交通系统的节能减排已成为规划、建设和运营“绿色城市”的重要组成部分。通过选择以公共交通模式为主导的交通系统，实施公共交通适度超前发展的战略，是实现绿色城市交通的目标的重要手段。与此同时公共交通在城市交通中作用逐渐增大，其能耗排放问题也愈发重要。其中，城市公交车运行能耗是城市公共交通能耗排放的重要一部分，因此推动其节能减排意义重大。目前针对汽车节能减排的实行方法，主要包括政策手段，例如孙斌在《汽车节能减排的方法分析》中提到的包括完善国家立法，给予政策支持，推动新能源汽车的使用与积极开发；以及技术手段：公交车驾驶运行过程优化。对于公交车的位置信息、运行计划信息与线路信息3类信息的获取，已经有充分且成熟的研究与应用：例如可以采取GPS获取车辆的定位信息；使用3G、4G等无线通信手段，实现公交车与调度中心的连续通信，获得公交车运行计划信息，包括站间运行时间、下一个停靠车站信息(如图1所示)；使用离线地图获得公交车运行路径的坡度值、交叉口位置、线路限速信息。目前公交驾驶运行过程并没有精确的计算辅助引导，多以驾驶员的经验为主，不同经验、技术水平的驾驶员存在较大的差异，公交车行驶过程存在着较大的随意性和节能优化空间，有统计数据显示，在实际的运行过程中，即使是相同线路，司机间的驾驶行为差异也会导致电动公交车运行能耗产生较大差别。从天津、济南、武汉、临沂等城市的电动公交运行情况分析，电动汽车的设计里程与实际可运行里程差距非常大(其差别甚至超过40％)。而在城市公共交通领域，针对节能驾驶的研究与现行技术，主要集中于城市轨道交通领域，以地铁为主，例如唐涛等发表的文章《北京地铁亦庄线列车节能驾驶研究》。相对于城市轨道交通，城市公交车运行具有更大的随机性和更为复杂的运行条件(例如信号交叉口、其它社会车辆的干扰)，已有的城市轨道交通方面节能优化技术难以适用于城市公交车的应用需求.
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种动态连续、减少能耗、提高准点率与舒适性的考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法，包括以下步骤：1)将当前公交车运行位置至运行计划规定的停站点之间的运行区间依次按道路特征划分为连续的多个子区间，道路特征包括坡度路段、限速路段和交叉口路段，并将道路特征对应属性值赋予每个子区间；2)根据划分后的子区间构建考虑节能因素的城市公交车驾驶策略双层优化计算模型；3)对城市公交车驾驶策略双层优化计算模型进行求解，最终获得当前公交车运行位置至运行计划规定的停站点之间的运行区间的优化轨迹。所述的步骤1)具体包括以下步骤：11)根据公交车当前的位置信息确定运行区间的范围；12)根据公交车运行计划信息和运行区间的范围结合地理信息数据库获取运行区间内的道路特征数据，其中，坡度路段的特征属性值包括坡度起点坐标、坡度终点坐标和坡度值，限速路段的特征属性值包括限速起点坐标、限速终点坐标和限速值，交叉口路段的特征属性值包括交叉口起点坐标、交叉口终点坐标和交叉口绿灯时间；13)将道路特征信息中的坡度起点坐标、坡度终点坐标、限速起点坐标、限速终点坐标、交叉口起点坐标和交叉口终点坐标依次排序，并进行两两配对，得到各个子区间的分界点坐标；14)根据各个子区间的分界点坐标将运行区间依次划分为连续的多个子区间，使每个子区间只包含唯一的道路特征属性值。所述的步骤2)中，城市公交车驾驶策略双层优化计算模型包括上层模型和下层模型，上层模型的输出包括各个子区间的入口速度、出口速度和子区间运行时间三类，作为下层模型的输入，下层模型输出优化轨迹返回给上层模型。所述的上层模型以最小化公交车站间消耗的总能耗E为目标函数，其表达式为：其中，Ei为各个子区间的公交车总能耗，n为公交车运行的站间子区间个数。所述的上层模型的约束条件为：1)对于任意第i个子区间的入口速度vin,i和出口速度vout,i大于0且小于线路限速Vlim,i约束：2)对于任意第i个子区间的出口速度vout,i满足在入口速度为vin,i时的可达到的最大速度vu,i与最小速度vl,i约束：vl,i≤vout,i≤vu,i,i＝1,2,…,n；3)对于任意第i个子区间的运行时间Ti有意义约束：运行时间Ti在入口速度vin,i、出口速度vout,i条件下的最小允许运行时间tl,i与最大允许运行时间tu,i之间：tl,i≤Ti≤tu,i,i＝1,2,…,n；4)交叉口前子区间运行时间Ti之和满足信号灯约束：-tΔ+k*tc≤Tj≤-tΔ+k*tc+tg,j＝1,2,…,m；其中，m为站间交叉口个数，j为交叉口序号，k为交叉口的可行的周期数，tc为交叉口的信号配时周期，tg为交叉口的绿灯时长，tΔ为交叉口发车时刻之前的第一个周期开始时刻与发车时刻之差，Tj为车辆到达第j个交叉口的时刻。所述的下层模型中，对于第i个子区间，下层模型的目标函数为：minEi＝J1,i+J2,iJ2,i＝pt*Ti其中，J1,i为公交车在该子区间的车辆运动能耗，J2,i是公交车在该子区间的运行固定能耗，Mbus为公交车车辆质量，Mload为公交车负载质量，ηt为公交车传动系统效率，xin,i、xout,i为第i个子区间的入口与出口位置，ρ为公交车再生制动回收率，pt为电子负载功率，x为公交车车辆位置，u(x)为在该位置的控制力输出，当u(x)＞0时，为发动机输出，当u(x)＜0时，为制动系统输出，当u(x)＝0时，公交车处于无动力滑行状态；所述的下层模型中，公交车在该子区间运行，满足以下约束条件：①公交车车辆在该子区间的控制力输出满足车辆动力学约束条件：U-[v(x)]≤u(x)≤U+[v(x)]该式表示在公交车车辆位于位置x时的车速为v(x)条件下，该位置的控制力输出在最大动力U+[v(x)]与最大制动力U-[v(x)]之间；②公交车车辆在子区间的运行状态转移应满足车辆运动学微分方程：a(x)＝u(x)-r[v(x)]+G(x)其中：t(x)为公交车位于位置x处的运行时间，r[v(x)]为公交车运行阻力减速度，G(x)为坡度附加加速度，g为重力加速度，f为滚动阻力系数，CD为空气阻力系数，A为车辆迎风面积，γ为车辆旋转质量换算系数，θ为车辆在位置x处的坡度值；③公交车车辆在该子区间的行驶状态满足该子区间优化子模型的输入：v(xin,i)＝vin,iv(xout,i)＝vout,i所述的上层模型通过序列二次规划算法求解。所述的下层模型通过基于庞特里亚金极大值原理的解析算法求解。所述的步骤3)中，运行区间的优化轨迹包括各个子区间公交车的行驶速度、行驶时间、位置以及牵引力和制动力。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术通过根据公交车运行计划、车辆状态信息，以及交叉口信号配时变化情况，动态、连续地计算出考虑节能因素的驾驶策略，优化公交车的运行轨迹，大幅度地减少车辆运行能耗，降低公交驾驶员的工作难度，减小不同驾驶行为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将当前公交车运行位置至运行计划规定的停站点之间的运行区间依次按道路特征划分为连续的多个子区间，道路特征包括坡度路段、限速路段和交叉口路段，并将道路特征对应属性值赋予每个子区间；2)根据划分后的子区间构建考虑节能因素的城市公交车驾驶策略双层优化计算模型；3)对城市公交车驾驶策略双层优化计算模型进行求解，最终获得当前公交车运行位置至运行计划规定的停站点之间的运行区间的优化轨迹。

【技术特征摘要】
1.一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将当前公交车运行位置至运行计划规定的停站点之间的运行区间依次按道路特征划分为连续的多个子区间，道路特征包括坡度路段、限速路段和交叉口路段，并将道路特征对应属性值赋予每个子区间；2)根据划分后的子区间构建考虑节能因素的城市公交车驾驶策略双层优化计算模型；3)对城市公交车驾驶策略双层优化计算模型进行求解，最终获得当前公交车运行位置至运行计划规定的停站点之间的运行区间的优化轨迹。2.根据权利要求1所述的一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法，其特征在于，所述的步骤1)具体包括以下步骤：11)根据公交车当前的位置信息确定运行区间的范围；12)根据公交车运行计划信息和运行区间的范围结合地理信息数据库获取运行区间内的道路特征数据，其中，坡度路段的特征属性值包括坡度起点坐标、坡度终点坐标和坡度值，限速路段的特征属性值包括限速起点坐标、限速终点坐标和限速值，交叉口路段的特征属性值包括交叉口起点坐标、交叉口终点坐标和交叉口绿灯时间；13)将道路特征信息中的坡度起点坐标、坡度终点坐标、限速起点坐标、限速终点坐标、交叉口起点坐标和交叉口终点坐标依次排序，并进行两两配对，得到各个子区间的分界点坐标；14)根据各个子区间的分界点坐标将运行区间依次划分为连续的多个子区间，使每个子区间只包含唯一的道路特征属性值。3.根据权利要求1所述的一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法，其特征在于，所述的步骤2)中，城市公交车驾驶策略双层优化计算模型包括上层模型和下层模型，上层模型的输出包括各个子区间的入口速度、出口速度和子区间运行时间三类，作为下层模型的输入，下层模型输出优化轨迹返回给上层模型。4.根据权利要求3所述的一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法，其特征在于，所述的上层模型以最小化公交车站间消耗的总能耗E为目标函数，其表达式为：其中，Ei为各个子区间的公交车总能耗，n为公交车运行的站间子区间个数。5.根据权利要求4所述的一种考虑节能的城市公交车运行轨迹优化方法，其特征在于，所述的上层模型的约束条件为：1)对于任意第i个子区间的入口速度vin,i和出口速度vout,i大于0且小于线路限速Vlim,i约束：2)对于任意第i个子区间的出口速度vout,i满足在入口速度为vin,i时的可达到的最大速度vu,i与最小速度vl,i约束：vl,i≤vout,i≤vu,i,i＝1,2,…,n；3)对于任意第i个子区间的运行时间Ti有意义约束：运行时间Ti在入口速度vin,i、出口速度vout,i条件下的最小允许运行时间tl,i与最大允许运行时间tu,i之间：t...

【专利技术属性】
技术研发人员：暨育雄，王维旸，张智明，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31