城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法技术

本发明专利技术公开了城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法，包括获取城轨列车、城轨线路、运行时刻表和客流的基本数据；在运行时刻表约束条件下，计算得到优化的速度运行曲线和驾驶策略；再根据速度运行曲线及驾驶策略计算各站间的牵引功率和制动功率曲线；基于列车运行时刻表和客流数据建立乘客站台等待时间和换乘等待时间计算模型；针对多列车多站间运行特点，建立时刻表优化模型，提高再生制动能利用率；将上述两个模型结合从而建立综合优化模型，获取优化的发车间隔和停站时间，本发明专利技术可快速获得站间优化速度运行曲线和驾驶策略，减少牵引能耗，提高再生制动能利用率，同时减少乘客等待时间，提高了城市轨道交通列车服务质量。

Optimization method of train operation timetable and speed operation curve of Urban Rail Transit

【技术实现步骤摘要】
城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法
本专利技术属于城市轨道交通列出节能优化
，尤其涉及一种基于城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法。
技术介绍
近年来，随着城市规模的迅速扩大，城市轨道交通列车以其高频率、大容量、舒适、方便、快捷等特点，在世界范围内已经得到广泛普及。然而，由于能源价格的上涨和环境问题的担忧，城市轨道交通运营部门面临不断加剧的压力。与此同时，随着城市轨道交通规模的不断扩大，能源消耗总量随之急剧增加，给城市供电系统造成巨大压力。截至2019年底，我国共有39个城市开通城轨交通运营线路185条，运营线路总里程达6600公里。仅2018年，全国城市轨道交通总电能耗高达400亿千瓦时，从全国平均来看，牵引能耗占总电能耗的45.3％，高达180亿千瓦时。然而，城市轨道交通列车作为人们出行的重要交通工具之一，提高其运营服务质量，给乘客更加舒适的出行感受，是运营部门一直努力的方向。仅2018年，全国累计完成客运量210.7亿人次，比2017年增长25.9亿人次，增长14％。另外，2018年，全国城轨交通高峰小时最小发车间隔平均为265秒，进入120秒及以内的线路共有10条，其中以上海地铁9号线115秒最短，广州地铁3号线118秒次之，另有北京地铁1、2、4、5、10号线，上海地铁6、11号线，成都地铁1号线共8条线路高峰小时最小发车间隔为120秒。发车密度的增加提高了城轨列车的服务质量，减少了乘客等待时间，但同时也直接导致系统总能耗的增大。城市轨道交通列车日常运营过程中，牵引能耗一般占总能耗的40％-60％，其中，大约33％的能量会转变成再生制动能，储存在车载储能装置或沿线储能装置中，也可直接被同一供电区间的牵引列车利用或回馈到供电网络。因而通过充分利用惰行工况，减少牵引能耗；通过调整多列车多站台的到站时刻和发车时刻，使同一供电区间内牵引列车和制动列车的同步时间最大化，从而提高再生制动能利用率，因此，对城市轨道交通列车进行速度运行曲线优化和再生制动能利用率优化具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法，本专利技术针对目前城市轨道交通列车能源消耗巨大，再生制动能利用率低和的问题，在安全、准点基础上，优化列车速度运行曲线、发车间隔和停站时间，从而减少系统总能耗，同时减少乘客等待时间。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法，包括以下步骤：S01：获取城轨列车的基本数据、城轨线路的基本数据、城轨列车运行时刻表的基本数据和客流的基本数据；S02：针对单列列车在单个站间的运行过程，以牵引力系数、制动力系数、巡航速度、惰行工况转换点和制动工况转换点为自变量，以站间运行牵引能耗最小为目标，计算优化的站间节能速度运行曲线和驾驶策略；根据计算获取的站间节能速度运行曲线和驾驶策略计算站间牵引功率和制动功率随时间的变化曲线；S03：基于运行时刻表中不同列车在站台的到站时间和发车时间，以及客流随时间的变化规律为目标，建立乘客站台等待时间和换乘等待时间的计算模型；S04：针对多车多站间运行过程，以提高再生制动能利用率为目标，基于S02中得到的站间牵引功率和制动功率数据，建立再生制动能矩阵匹配模型；S05：以S03和S04中两个目标为综合优化模型的目标函数，建立遗传算法，并利用MATLAB运行程序进行仿真，调节城轨列车运营时刻表的基本数据，得到优化的城轨列车运营时刻表的基本数据；S06：输出优化结果，根据MATLAB运行程序代码中的文件名及存储位置，将仿真完成后的优化结果自动保存在相应文件夹中，输出结果包括城轨列车节能运行时刻表和节能速度运行曲线。上述方案进一步优选的，在步骤S01中，所述城轨列车的基本数据包括车重、牵引制动特性、车长、最大限速、戴维斯系数和载客容量；所述城轨线路的基本数据包括站间公里标、坡道、弯道、限速和供电区间设置；所述城轨列车运营时刻表的基本数据包括站间运行时间、发车间隔、停站时间和服务时间；所述的客流基本数据包括乘客始发站、终点站、进站时间和出站时间。上述方案进一步优选的，所述步骤S02中针对单列列车在单个站间的运行过程还包括以下子步骤：S0201：对城轨列车质点化处理并进行受力分析，包括牵引力、制动力、基本阻力和附加阻力，从而建立力学模型；S0202：对力学模型施加约束，包括牵引力范围、制动力范围、速度变化范围、加速度范围、边界条件、运行距离变化范围和运行时间变化范围。S0203：建立单列车站间节能运行优化模型，设计遗传算法并利用MATLAB仿真软件求解模型；所述的单列车站间节能运行优化模型满足：其中，ET是牵引能耗，C是发车次数，N-1是站间距数量，是列车在第n个站间距的运行时间，FT(t)是t时刻的牵引力，v(t)是t时刻列车速度，vmax是列车运行的最大速度，是列车牵引特性曲线规定的最大牵引力，ttotal是实际的站间运行时间，χ是站间运行时间的变化范围，是第n个站间实际运行距离，φ是站间运行距离的变化范围，ε是时间的离散精度，at是t时刻的列车加速度，amax是允许的最大加速度，α、β是牵引力系数和制动力系数，Ft(v)是列车速度为v时的牵引力，FB(v)是列车速度为v时的制动力，FR(v)是速度为v时的列车基本阻力，FC(s)是列车在位移s处的弯道附加阻力，FG(s)是列车在位移s处的坡道附加阻力，Mtotal是列车总质量。上述方案进一步优选的，利用MATLAB仿真软件在进行仿真过程中，以牵引力系数、制动力系数、列车运行最大速度、惰行工况转换点和制动工况转换点为自变量，将时间离散化，并记录每一时刻的牵引力和制动力，得到牵引力正值和制动力负值数据库。上述方案进一步优选的，所述步骤S03的计算模型具体包括以下子步骤：S0301：根据列车时刻表获得某一车站每列车的到站时间和发车时间；S0302：根据乘客OD数据获取乘客的到站时间，以及根据乘客OD数据判断乘客是否需要换乘，若需要换乘，则根据列车时刻表获取不同线路列车在换乘车站的到站时间和发车时间，并计算乘客换乘等待时间和计算乘客总的换乘等待时间ttra；其中，乘客换乘等待时间满足：其中，twalk是乘客在换乘车站的走行时间，μ是判断不同线路列车到达换乘车站先后顺序的系数，所述乘客总的换乘等待时间ttra满足：若不需要换乘，则根据乘客OD数据计算乘客在站台的平均等待时间计算第κ个时间间隔的到站客流量和计算乘客总的站台等待时间tpla，其中，站台的平均等待时间满足：其中，是判断乘客到站情况的系数，具体见说明书附图3，是第ω+1列车在线路lk的第n个站台的到站时间，是乘客pi在线路lk的第n个站台的到站时间，是第ω列车在线路lk的第n个站台的发车时间，δ是屏蔽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法，其特征在于：包括以下步骤：/nS01：获取城轨列车的基本数据、城轨线路的基本数据、城轨列车运行时刻表的基本数据和客流的基本数据；/nS02：针对单列列车在单个站间的运行过程，以牵引力系数、制动力系数、巡航速度、惰行工况转换点和制动工况转换点为自变量，以站间运行牵引能耗最小为目标，计算优化的站间节能速度运行曲线和驾驶策略；根据计算获取的站间节能速度运行曲线和驾驶策略计算站间牵引功率和制动功率随时间的变化曲线；/nS03：基于运行时刻表中不同列车在站台的到站时间和发车时间，以及客流随时间的变化规律为目标，建立乘客站台等待时间和换乘等待时间的计算模型；/nS04：针对多车多站间运行过程，以提高再生制动能利用率为目标，基于S02中得到的站间牵引功率和制动功率数据，建立再生制动能矩阵匹配模型；/nS05：以S03和S04中两个目标为综合优化模型的目标函数，建立遗传算法，并利用MATLAB运行程序进行仿真，调节城轨列车运营时刻表的基本数据，得到优化的城轨列车运营时刻表的基本数据；/nS06：输出优化结果，根据MATLAB运行程序代码中的文件名及存储位置，将仿真完成后的优化结果自动保存在相应文件夹中，输出结果包括城轨列车节能运行时刻表和节能速度运行曲线。/n...

【技术特征摘要】
1.城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S01：获取城轨列车的基本数据、城轨线路的基本数据、城轨列车运行时刻表的基本数据和客流的基本数据；
S02：针对单列列车在单个站间的运行过程，以牵引力系数、制动力系数、巡航速度、惰行工况转换点和制动工况转换点为自变量，以站间运行牵引能耗最小为目标，计算优化的站间节能速度运行曲线和驾驶策略；根据计算获取的站间节能速度运行曲线和驾驶策略计算站间牵引功率和制动功率随时间的变化曲线；
S03：基于运行时刻表中不同列车在站台的到站时间和发车时间，以及客流随时间的变化规律为目标，建立乘客站台等待时间和换乘等待时间的计算模型；
S04：针对多车多站间运行过程，以提高再生制动能利用率为目标，基于S02中得到的站间牵引功率和制动功率数据，建立再生制动能矩阵匹配模型；
S05：以S03和S04中两个目标为综合优化模型的目标函数，建立遗传算法，并利用MATLAB运行程序进行仿真，调节城轨列车运营时刻表的基本数据，得到优化的城轨列车运营时刻表的基本数据；
S06：输出优化结果，根据MATLAB运行程序代码中的文件名及存储位置，将仿真完成后的优化结果自动保存在相应文件夹中，输出结果包括城轨列车节能运行时刻表和节能速度运行曲线。


2.根据权利要求1所述的城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法，其特征在于：在步骤S01中，所述城轨列车的基本数据包括车重、牵引制动特性、车长、最大限速、戴维斯系数和载客容量；所述城轨线路的基本数据包括站间公里标、坡道、弯道、限速和供电区间设置；所述城轨列车运营时刻表的基本数据包括站间运行时间、发车间隔、停站时间和服务时间；所述的客流基本数据包括乘客始发站、终点站、进站时间和出站时间。


3.根据权利要求1所述的城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法，其特征在于：所述步骤S02中针对单列列车在单个站间的运行过程还包括以下子步骤：
S0201：对城轨列车质点化处理并进行受力分析，包括牵引力、制动力、基本阻力和附加阻力，从而建立力学模型；
S0202：对力学模型施加约束，包括牵引力范围、制动力范围、速度变化范围、加速度范围、边界条件、运行距离变化范围和运行时间变化范围。
S0203：建立单列车站间节能运行优化模型，设计遗传算法并利用MATLAB仿真软件求解模型；
所述的单列车站间节能运行优化模型满足：



其中，ET是牵引能耗，C是发车次数，N-1是站间距数量，是列车在第n个站间距的运行时间，FT(t)是t时刻的牵引力，v(t)是t时刻列车速度，vmax是列车运行的最大速度，是列车牵引特性曲线规定的最大牵引力，ttotal是实际的站间运行时间，χ是站间运行时间的变化范围，是第n个站间实际运行距离，φ是站间运行距离的变化范围，ε是时间的离散精度，at是t时刻的列车加速度，amax是允许的最大加速度，α、β是牵引力系数和制动力系数，Ft(v)是列车速度为v时的牵引力，FB(v)是列车速度为v时的制动力，FR(v)是速度为v时的列车基本阻力，FC(s)是列车在位移s处的弯道附加阻力，FG(s)是列车在位移s处的坡道附加阻力，Mtotal是列车总质量。


4.根据权利要求3所述的城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法，其特征在于：在仿真过程中，以牵引力系数、制动力系数、列车运行最大速度、惰行工况转换点和制动工况转换点为自变量，将时间离散化，并记录每一时刻的牵引力和制动力，得到牵引力正值和制动力负值数据库。


5.根据权利要求1所述的城市轨道交通列车运营时刻表和速度运行曲线优化方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺德强，郭松林，陈彦君，邓建新，阿必德，广宽，简汉青，张朗，滕小亮，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45