一种能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法及系统，获取高速列车的实时运行信息；计算高速列车的实际速度与期望速度的速度偏差；考虑高速列车在运行过程中的能耗和乘坐舒适性均作为优化目标，基于高速列车的速度偏差及动力学关系，建立高速列车组多列车协同控制的多目标优化模型；通过带有精英保留策略的快速非支配排序算法求解多目标优化模型，得到每台高速列车的控制变量；将控制变量作用于动力装置，产生牵引力或制动力；将牵引力或制动力作用于高速列车，控制高速列车的速度变化；重复上述步骤，直至高速列车组以一致的状态运行。本发明专利技术不仅节约了列车运行过程中的能耗，而且优化了乘坐舒适性。而且优化了乘坐舒适性。而且优化了乘坐舒适性。

【技术实现步骤摘要】
一种能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法及系统


[0001]本专利技术属于高速列车运行控制
，具体涉及一种能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法及系统。

技术介绍

[0002]铁路运输一直占据我国交通运输领域的骨干地位，作为国家关键基础设施和产业，铁路以其较大的运载量、较高的运输效率、较低的能源消耗和低廉的成本，对我国国民经济发展和大众化交通出行起着全局性的支撑作用。
[0003]高速列车运行过程纷繁复杂，受线路条件、区间限速等诸多因素制约，不同的运行控制方法对列车能耗、安全、舒适度等方面的影响也不同。目前针对高速列车的运行控制，创新技术的集成化运用程度越来越高，但随着高铁行车密度的日渐增加，运行过程中相邻列车之间的相互影响更加明显，因此，需要权衡列车运行实际线路、环境、限速等因素影响，自适应地为多列车规划最优的行车策略，解决多列车运行条件下的协同优化问题，确保高速列车在整体上能够安全、舒适、快速、经济地运行，进一步提高运输效率。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是，面向高速列车高密度、小间隔的高效运营需求，以高速列车组为研究对象，针对其运行过程中有界输入控制、安全跟随和性能优化等关键问题，基于协同控制、人工势场理论和进化算法等理论和方法展开研究，在确保列车安全、平稳、绿色运行的前提下，对列车组的整体运行性能进行优化。
[0005]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法，包括：
[0007]步骤1：获取高速列车组中每台高速列车的实时运行信息，包括速度信息和位置信息；
[0008]步骤2：计算每台高速列车的实际速度与期望速度的速度偏差；
[0009]步骤3：考虑高速列车在运行过程中的能耗和乘坐舒适性均作为优化目标，基于每台高速列车的速度偏差以及动力学关系，建立高速列车组多列车协同控制的多目标优化模型；
[0010]步骤4：通过带有精英保留策略的快速非支配排序算法求解多目标优化模型，得到每台高速列车的控制变量；
[0011]步骤5：将各台高速列车的控制变量作用于动力装置，产生牵引力或制动力；
[0012]步骤6：将牵引力或制动力作用于各自的高速列车，控制各自高速列车的速度变化；
[0013]步骤7：重复步骤1
‑
6，直至高速列车组以一致的状态运行，即所有列车以相同的速度运行，并且相邻列车间保持安全距离。
[0014]进一步的，所述步骤2中，将高速列车i在时刻t的实际速度表示为v
i
(t)，期望速度表示为v
ir
(t)，则高速列车i在时刻t的速度偏差为v
ir
‑
v
i
(t)；其中，高速列车组的第一台列车的期望速度为给定常数，其他高速列车的期望速度取其前车的实际速度。
[0015]进一步的，所述步骤3中，建立的多列车协同控制的多目标优化模型为：
[0016]min{J
i1
,J
i2
,J
i3
,J
i4
}
[0017]s.t.
[0018][0019]u
imin
≤u
i
(t)≤u
imax
[0020]其中，J
i1
表示列车运行过程中产生的能耗；J
i2
表示列车运行过程中的乘坐舒适性；J
i3
表示列车运行过程的跟踪性能；J
i4
表示列车运行过程的安全性能，表示列车的限制速度，T表示协同控制周期，u
i
(t)表示高速列车i在时刻t的控制变量，u
imin
和u
imax
表示动力装置输出功率限制的下限与上限。
[0021]进一步的，列车运行过程中产生的能耗计算模型为：
[0022][0023]进一步的，使用列车的冲击率来量化列车的乘坐舒适性J
i2
，表示为：
[0024][0025]进一步的，使用列车的实际速度与期望速度的偏差来量化列车的跟踪性能J
i3
，表示为：
[0026][0027]进一步的，使用人工势场的势能来描述列车之间的安全距离x
ij
，距离在安全范围[d1,d2]内时，人工势场的势能最小；其中人工势场的势能计算式为：
[0028][0029]式中，U
ij
(x
ij
)表示高速列车i与j之间的人工势场势能，然后使用势能U
ij
(x
ij
)来表示高速列车i的安全性能J
i4
：
[0030][0031]进一步的，步骤4进一步包括如下步骤：
[0032]步骤4.1：初始化高速列车的模型参数和带有精英保留策略的快速非支配排序算法相关参数，并执行步骤4.2；
[0033]所述高速列车的模型参数包括列车的质量、阻力系数、动力装置输出功率限制；所述带有精英保留策略的快速非支配排序算法相关参数包括目标函数数量、种群大小、最大迭代次数、决策变量个数；其中目标函数数量为4，分别对应于J
i1
,J
i2
,J
i3
,J
i4
；决策变量个数为1，具体为控制变量u
i
(t)；
[0034]步骤4.2：通过非支配排序、选择、交叉、变异操作后得到第一代子代种群；
[0035]步骤4.3：将父代种群与子代种群合并，进行非支配快速排序；
[0036]步骤4.4：计算种群中每个个体的拥挤度，根据非支配关系和个体的拥挤度选择合适的个体组成新的父代种群；
[0037]步骤4.5：重复步骤4.2
‑
步骤4.4，直到满足终止条件，得到最优的控制变量。
[0038]进一步的，高速列车的动力学关系模型为：
[0039][0040]其中，x(t)表示高速列车在时刻t的位置，v(t)表示高速列车在时刻t的速度；u为控制变量，m表示高速列车的质量，c0+c1v+c2v2表示基本运行阻力，包括轮轨之间的滚动摩擦力、滑动摩擦力、列车的轴承之间的摩擦力和空气阻力，c0，c1，c2为常系数。
[0041]一种能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制系统，包括：
[0042]测量模块，用于：从车载设备和轨旁设备获取高速列车的实时运行信息，包括速度信息和位置信息；
[0043]通信模块，用于：对高速列车组相邻高速列车之间的实时运行信息进行相互传输；
[0044]控制模块，用于：根据高速列车自身的实时运行信息以及通信接收到的其他列车的实时运行信息，建立考虑能耗和舒适度的多目标优化模型，通过带有精英保留策略的快速非支配排序算法求解控制变量；并通过带有精英保留策略的快本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法，其特征在于，包括：步骤1：获取高速列车组中每台高速列车的实时运行信息，包括速度信息和位置信息；步骤2：计算每台高速列车的实际速度与期望速度的速度偏差；步骤3：考虑高速列车在运行过程中的能耗和乘坐舒适性均作为优化目标，基于每台高速列车的速度偏差以及动力学关系，建立高速列车组多列车协同控制的多目标优化模型；步骤4：通过带有精英保留策略的快速非支配排序算法求解多目标优化模型，得到每台高速列车的控制变量；步骤5：将各台高速列车的控制变量作用于动力装置，产生牵引力或制动力；步骤6：将牵引力或制动力作用于各自的高速列车，控制各自高速列车的速度变化；步骤7：重复步骤1
‑
6，直至高速列车组以一致的状态运行，即所有列车以相同的速度运行，并且相邻列车间保持安全距离。2.根据权利要求1所述的能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法，其特征在于，所述步骤2中，将高速列车i在时刻t的实际速度表示为v
i
(t)，期望速度表示为v
ir
(t)，则高速列车i在时刻t的速度偏差为v
ir
‑
v
i
(t)；其中，高速列车组的第一台列车的期望速度为给定常数，其他高速列车的期望速度取其前车的实际速度。3.根据权利要求1所述的能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法，其特征在于，所述步骤3中，建立的多列车协同控制的多目标优化模型为：min{J
i1
,J
i2
,J
i3
,J
i4
}s.t.u
imin
≤u
i
(t)≤u
imax
其中，J
i1
表示列车运行过程中产生的能耗；J
i2
表示列车运行过程中的乘坐舒适性；J
i3
表示列车运行过程的跟踪性能；J
i4
表示列车运行过程的安全性能，表示列车的限制速度，T表示协同控制周期，u
i
(t)表示高速列车i在时刻t的控制变量，u
imin
和u
imax
表示动力装置输出功率限制的下限与上限。4.根据权利要求3所述的能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法，其特征在于，列车运行过程中产生的能耗计算模型为：5.根据权利要求3所述的能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法，其特征在于，使用列车的冲击率来量化列车的乘坐舒适性J
i2
，表示为：6.根据权利要求3所述的能耗和舒适度联合优化的高速列车组协同控制方法，其特征在于，使用列车的实际速度与期望速度的偏差来量化列车的跟踪性...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志武，王平平，周峰，刘伟荣，杨迎泽，李恒，武悦，彭军，彭辉，张晓勇，刘勇杰，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：