一种通过陡坡路段的列车快速节能优化方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种通过陡坡路段的列车快速节能优化方法及装置，所述方法包括：所述列车通过坡度路段时，将列车的行驶位置x与最优驾驶工况切换点X

【技术实现步骤摘要】
一种通过陡坡路段的列车快速节能优化方法及装置
本专利技术属于数据优化处理系统和方法领域，特别涉及一种通过陡坡路段的列车快速节能优化方法及装置。
技术介绍
城市轨道交通系统作为公共交通的主干线，是国家重要的基础设施。因其运量充足、安全舒适、准点率高以及节能环保等优势，在推动城市可持续发展，加快城市化进程中起到不可或缺的作用。目前，我国铁路正稳步迈进“八纵八横”新时代，至2019年年末，中国铁路营业里程达到13.9万公里以上，其中高铁占3.5万公里，居世界第一。轨道交通系统在为人类的生活提供巨大便利的同时，由于运营里程的不断增加，列车能耗始终维持高位运行并不断攀升。能源消耗过大已成为目前轨道交通系统所面临的巨大问题之一，因此列车的节能驾驶成为一种必然趋势。列车节能优化问题旨在解决满足安全、准时、舒适、区间限速等约束条件下，寻找最优能耗所对应的速度-位置曲线或运行档位操作序列的优化问题。由于列车运行路段受地势起伏影响，运行过程中坡度不断变化，如何处理坡度变化在列车节能领域值得研究。为处理变化坡度问题，列车使用巡航工况维持稳定速度来通过坡度较为平缓的路段以实现节能。针对陡坡问题，现有文献有使用共轭方程微分等式的积分计算工况切换位置，其复杂度依赖于线路坡度及区间限速条件的复杂程度。现有文献还有采用自适应Runge-Kutta方法对下一状态速度和伴随变量进行逐步前向计算，在通过陡坡时改变列车运行工况并使用迭代方法计算发生控制更改的最优切换点。另外的现有技术将列车运动学模型离散化后，使用序列二次规划算法求解列车的动能闯坡点，实现局部路段能耗最优。中国专利CN105243430B针对陡坡问题使用平均速度等效法，虽然对优化问题进行简化，但是仍需使用迭代方法搜索，对计算性能存在要求，同时该专利中未考虑陡坡路段区间限速问题；中国专利CN110490367A仅考虑了基于极大值原理的列车驾驶方法，对于陡坡路段的驾驶模式切换方法并未给出快速性解法。现有的针对陡坡的速度曲线的规划方法存在主要不足在于其复杂的计算量。当前列车自动驾驶(AutomaticTrainOperation,ATO)系统计算能力有限，复杂算法难以满足计算周期的实时性要求，同时ATO算法采用定点数而非浮点数，复杂计算往往会带来舍入误差大等问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种通过陡坡路段的列车快速节能优化方法。本专利技术的通过陡坡路段的列车快速节能优化方法，包括：所述列车通过单段坡度路段时，将所述列车的行驶位置x与最优驾驶工况切换点Xswitch比较后切换为最优驾驶工况，所述最优驾驶工况切换点Xswitch的公式表示为：其中，Xswitch表示最优驾驶工况切换点，X1表示第1段坡度路段等效距离，Alower表示所述列车通过多段连续下陡坡路段时等效加速度对角矩阵，Llower表示连续下陡坡路段长度矩阵，r(v)表示所述列车的行驶速度为v时所述列车的运行阻力，V表示过陡坡路段巡航速度，Vlower表示下界曲线最低速度，g0表示重力加速度，θ1表示第1段坡所对应等效坡度，g(x)>r(V)表示下陡坡路段，g(x)为所述行驶位置x处的重力加速度与弯道阻力等效加速度综合后加速度；Bupper表示所述列车通过多段连续上陡坡路段时等效加速度对角矩阵，Lupper表示连续下陡坡路段长度矩阵，Vupper表示上界曲线最高速度，g(x)<-U+(V)+r(V)表示上陡坡路段，U+(V)表示速度为V时所述列车所能提供最大牵引加速度。进一步，所述列车通过连续多段坡度时，若所述列车通过单段坡度路段无法完成速度调整，记原有单段坡度路段前一等效坡度路段为第1段坡，设所述最优驾驶工况切换点Xswitch发生于前向第i段坡，所述最优驾驶工况切换点Xswitch的公式表示为：其中，为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效坡度，lq为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效距离，有q＝0,1,…,i，在q＝0时，为所述原有单段坡度路段对应的等效坡度，l0为所述原有单段坡度路段对应的等效距离，即l0＝L1，若或有i>1。进一步，所述最优驾驶工况切换点包括下坡最优驾驶工况切换点和上坡最优驾驶工况切换点，所述下坡最优驾驶工况切换点的公式表示为：其中，Vlimit表示限速；所述上坡最优驾驶工况切换点的公式表示为：其中，ΔV为速度裕量。进一步，所述列车通过连续多段坡度时，若所述列车通过初始单段坡度路段无法完成速度调整，则所述最优驾驶工况切换点Xswitch发生于第i段坡，其中所述下坡最优驾驶工况切换点的公式表示为：其中，为在原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效坡度，lq为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效距离，有q＝0,1,…,i，在q＝0时，为所述原有单段坡度路段对应的等效坡度，l0为所述原有单段坡度路段对应的等效距离，即l0＝L1，Vl为速度曲线最低值，若有i>1；所述上坡最优驾驶工况切换点的公式为：其中，为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效坡度，lq为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效距离，有q＝0,1,…,i，在q＝0时，为所述原有单段坡度路段对应的等效坡度，l0为所述原有单段坡度路段对应的等效距离，即l0＝L1，若有i>1。进一步，所述最优驾驶工况包括最大牵引、牵引巡航、惰行、制动巡航和最大制动，如果x<Xswitch时，所述最优驾驶工况切换为所述牵引巡航；如果x>Xswitch且g(x)>r(V)时，所述最优驾驶工况切换为所述惰行；如果x>Xswitch且g(x)>r(V)且v(x)＝＝V时，所述最优驾驶工况切换为所述牵引巡航；如果x>Xswitch且g(x)<-U+(V)+r(V)时，所述最优驾驶工况切换为所述最大牵引；如果x>Xswitch且g(x)>-U+(V)+r(V)且v(x)＝＝V时，所述最优驾驶工况切换为所述牵引巡航，v(x)为所述列车的行驶速度。进一步，所述列车在使用所述惰行工况通过陡坡时，所述列车运行的动力学方程为：进一步，所述列车的下陡坡路段的多段匀变速直线运动方程为：2AL＝b，其中，AN×N表示所述列车通过含非陡坡及多段连续下陡坡的组合路段时等效加速度对角矩阵，λj＝-r(V)+g0θj表示列车下陡坡等效加速度，j＝1,2,…,N，N为所需通过区段内坡的数量，θj为第j段坡所对应等效坡度；L表示含非陡坡及多段连续下陡坡的路段长度矩阵，Lj为第j段坡所对应等效距离；b表示分段过坡速度平方差矩阵，vj为所述列车驶离第j段坡时速度，v0＝vN＝V；所述列车上陡坡路段的多段匀变速直线运动方程为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过陡坡路段的列车快速节能优化方法，其特征在于，包括：所述列车通过单段坡度路段时，将所述列车的行驶位置x与最优驾驶工况切换点X

【技术特征摘要】
1.一种通过陡坡路段的列车快速节能优化方法，其特征在于，包括：所述列车通过单段坡度路段时，将所述列车的行驶位置x与最优驾驶工况切换点Xswitch比较后切换为最优驾驶工况，所述最优驾驶工况切换点Xswitch的公式表示为：



其中，
Xswitch表示最优驾驶工况切换点，X1表示第1段坡度路段等效距离，Alower表示所述列车通过多段连续下陡坡路段时等效加速度对角矩阵，Llower表示连续下陡坡路段长度矩阵，r(v)表示所述列车的行驶速度为v时所述列车的运行阻力，V表示过陡坡路段巡航速度，Vlower表示下界曲线最低速度，g0表示重力加速度，θ1表示第1段坡所对应等效坡度，g(x)＞r(V)表示下陡坡路段，g(x)为所述行驶位置x处的重力加速度与弯道阻力等效加速度综合后加速度；
Bupper表示所述列车通过多段连续上陡坡路段时等效加速度对角矩阵，Lupper表示连续下陡坡路段长度矩阵，Vupper表示上界曲线最高速度，g(x)＜-U+(V)+r(V)表示上陡坡路段，U+(V)表示速度为V时所述列车所能提供最大牵引加速度。


2.根据权利要求1所述的通过陡坡路段的列车快速节能优化方法，其特征在于，所述列车通过连续多段坡度时，若所述列车通过单段坡度路段无法完成速度调整，记原有单段坡度路段前一等效坡度路段为第1段坡，设所述最优驾驶工况切换点Xswitch发生于前向第i段坡，所述最优驾驶工况切换点Xswitch的公式表示为：



其中，为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效坡度，lq为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效距离，有q＝0，1，…，i，在q＝0时，为所述原有单段坡度路段对应的等效坡度，l0为所述原有单段坡度路段对应的等效距离，即l0＝L1，若或有i＞1。


3.根据权利要求1所述的通过陡坡路段的列车快速节能优化方法，其特征在于，所述最优驾驶工况切换点包括下坡最优驾驶工况切换点和上坡最优驾驶工况切换点，所述下坡最优驾驶工况切换点的公式表示为：



其中，Vlimit表示限速；
所述上坡最优驾驶工况切换点的公式表示为：



其中，ΔV为速度裕量。


4.根据权利要求3所述的通过陡坡路段的列车快速节能优化方法，其特征在于，所述列车通过连续多段坡度时，若所述列车通过初始单段坡度路段无法完成速度调整，则所述最优驾驶工况切换点Xswitch发生于第i段坡，其中所述下坡最优驾驶工况切换点的公式表示为：



其中，为在原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效坡度，lq为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效距离，有q＝0，1，…，i，在q＝0时，为所述原有单段坡度路段对应的等效坡度，l0为所述原有单段坡度路段对应的等效距离，即l0＝L1，Vl为速度曲线最低值，若有i＞1；
所述上坡最优驾驶工况切换点的公式为：



其中，为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效坡度，lq为在所述原有单段坡度路段的基础上所增补的前向第q段坡所对应等效距离，有q＝0，1，…，i，在q＝0时，为所述原有单段坡度路段对应的等效坡度，l0为所述原有单段坡度路段对应的等效距离，即l0＝L1，若有i＞1。


5.根据权利要求3所述的通过陡坡路段的列车快速节能优化方法，其特征在于，所述最优驾驶工况包括最大牵引、牵引巡航、惰行、制动巡航和最大制动，
如果x＜Xswitch时，所述最优驾驶工况切换为所述牵引巡航；
如果x＞Xswitch且g(x)＞r(V)时，所述最优驾驶工况切换为所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶昊，周昊，江明，陈志强，王佳，翟守超，董炜，
申请(专利权)人：北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11