基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法，包括：获取列车在站间运行时的速度约束、牵引力约束及到站准时性约束，构建列车动力学模型；根据所述列车动力学模型得到列车站间运行优化目标函数；利用对称交替方向乘子法求解，得到列车运行控制方法。本发明专利技术基于对称交替方向乘子法设计列车运行控制方法，在保证列车准时到站的同时，有效减少列车运行能量消耗，并兼顾乘客舒适度，提升列车服务质量。并且能够根据列车运行线路实时数据，快速生成列车运行曲线，以应对各种突发情况。情况。情况。

【技术实现步骤摘要】
基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法


[0001]本专利技术涉及列车系统运行控制领域，特别涉及一种基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法。

技术介绍

[0002]中国高速铁路是国家综合交通运输体系的骨干核心。作为国家关键基础设施和产业，铁路具有运载能力大、运行速度快以及运输效率高等特点，对国内经济发展和国民交通出行起着支撑作用。随着我国高铁路网规模的不断扩大，越来越多的列车密集地投入到生产生活中，极大改善了人民跨城市的工作、生活。随着国家铁路建设发展政策的支持和推动，铁路运输任务日益繁重，高铁列车运行速度也在不断提高，这对列车的控制精度也提出了更高的要求。如何根据动静态参数和列车动力学模型实时建立运行轨迹模型对列车运行速度进行控制,以确保列车安全、平稳地运行成为当下列车运行主要研究问题之一。并且近年来，因为能量价格的上涨和环境负担日益加重，列车的节能减排成为列车可持续发展的重大需求。如何能够在保证列车运行的实时控制的情况下，尽量减少列车运行能量消耗成为当下亟待解决的问题。本专利主要从列车运行控制角度提供一种基于速度、牵引力受约束，考虑列车到站准时性的节能、安全、高效控制方法。主要研究内容包括考虑乘客舒适度的列车节能运行模型的建立及利用对称交替方向乘子法求解两个方面。
[0003]现有高速列车建模主要集中于列车节能运行控制研究，大量文献采用混合整数线性规划方式进行求解，没有关注模型求解效率。不仅如此，现有文献没有考虑列车节能运行控制下兼顾乘客舒适度的研究。而乘客舒适度是现实情况下必须考虑的指标之一，对列车实用性具有重要影响。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法，其目的是为了在速度和牵引力受约束的情况下，考虑乘客舒适度及列车节能运行的单列车运行曲线优化，使得当列车实时运行情况发生改变时，能根据列车实时运行数据作为初始条件，计算得到当前情况下列车最优运行曲线。
[0005]为了达到上述目的，本专利技术提供了一种基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法，包括：
[0006]步骤1，获取列车在站间运行时的速度约束、牵引力约束及到站准时性约束，并根据所述列车的实时速度和实际位置信息构建列车动力学模型；
[0007]步骤2，根据所述列车动力学模型得到列车站间运行优化目标函数；
[0008]步骤3，利用对称交替方向乘子法求解，得到列车运行控制方法。
[0009]其中，所述列车动力学模型为：
[0010][0011]其中，d为采样时间间隔；x(kd)为列车在时刻kd时的实际位置，将x(kd)表述为x(k)，v(k)为列车在时刻kd时的速度，m为列车的质量；c为阻力系数，列车运行阻力f(k)＝c1+c2v(k)+c3v2(k)转化为f(k)＝cv(k)，每个采样时间点的阻力变化正比于列车的速度变化，F(k)为列车在时刻kd时的牵引力。
[0012]其中，所述列车站间运行优化目标函数为：
[0013][0014]其中，T为列车在站间计划运行总时间，α,β,γ为目标函数中列车运行能量消耗，到站准时性，乘客舒适度三个指标间的权衡系数，k
j,in
d为列车计划到站采样时刻点，x(k
j,in
)为列车在采样时刻点k
j,in
d的实际位置。l
J
为站点J的位置；
[0015]其中，αF2(k)为能量消耗惩罚函数，γ|F(k)
‑
cv(k)|为乘客舒适度惩罚函数，β(x(k
j,in
)
‑
l
J
)2为列车站到准时性惩罚函数。
[0016]其中，根据所述列车动力学模型和所述列车站间运行优化目标函数得到列车节能运行控制模型，所述列车节能运行控制模型为：
[0017]min ψ＝w
T
Qw+γ||z||1[0018]s.t. Lw＝z,
[0019]Aw＝B,
[0020][0021]其中，w变量包含了位置x(k)、速度v(k)和牵引力F(k)变量，矩阵Q为稀疏对角矩阵，对角线上含有惩罚系数α,β，Aw＝B为所述列车动力学模型的等式约束，为所述列车动力学模型的不等式约束，Lw为乘客舒适度惩罚函数
[0022]其中，基于对称交替方向乘子法的迭代求解过程为：
[0023]第k次迭代更新变量w
k+1
：
[0024][0025]第k次迭代更新对偶变量
[0026][0027]第k次迭代更新变量z
k+1
：
[0028][0029]第k次迭代更新对偶变量λ
k+1
：
[0030][0031]重复上述迭代过程，直到满足迭代退出条件：初始残差||Lw
k
‑
z
k
||2≤ε
pri
和对偶残差||ρL
T
(z
k+1
‑
z
k
)||2≤ε
dual
。
[0032]其中，所述步骤3具体包括：
[0033]构建考虑乘客舒适度的列车节能运行模型，采用对称交替方向乘子法求解得到满足退出条件的最优值，用于当前时刻列车运行控制；
[0034]在列车运行实时条件发生改变时，将实时运行数据作为初始值，重新构建列车运行模型，求解得到满足条件的运行曲线，控制列车进行运行调整。
[0035]本专利技术的上述方案有如下的有益效果：
[0036]本专利技术的上述实施例所述的基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法通过建立兼顾考虑乘客舒适度的列车节能运行模型，并将其转化为最优化控制问题，采用对称交替方向乘子法进行求解，应用于当前列车运行，从而达到节能、安全、高效的列车控制。
[0037]本专利技术的其它有益效果将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
[0038]图1为本专利技术的基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法流程图；
[0039]图2为本专利技术的对称交替方向乘子法迭代过程伪代码；
[0040]图3为本专利技术的不同γ系数下的最优列车运行曲线图；
[0041]图4为本专利技术的对称交替方向乘子法的初始残差收敛速度曲线图；
[0042]图5为本专利技术的对称交替方向乘子法对偶残差收敛速度曲线图。
具体实施方式
[0043]为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0044]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法，其特征在于，包括：步骤1，获取列车在站间运行时的速度约束、牵引力约束及到站准时性约束，并根据所述列车的实时速度和实际位置信息构建列车动力学模型；步骤2，根据所述列车动力学模型得到列车站间运行优化目标函数；步骤3，利用对称交替方向乘子法求解，得到列车运行控制方法。2.根据权利要求1所述的基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法，其特征在于，所述列车动力学模型为：其中，d为采样时间间隔；x(kd)为列车在时刻kd时的实际位置，将x(kd)表述为x(k)，v(k)为列车在时刻kd时的速度，m为列车的质量；c为阻力系数，列车运行阻力f(k)＝c1+c2v(k)+c3v2(k)转化为f(k)＝cv(k)，每个采样时间点的阻力变化正比于列车的速度变化，F(k)为列车在时刻kd时的牵引力。3.根据权利要求2所述的基于对称交替方向乘子法的列车运行控制方法，其特征在于，所述列车站间运行优化目标函数为：其中，T为列车在站间计划运行总时间，α,β,γ为目标函数中列车运行能量消耗，到站准时性，乘客舒适度三个指标间的权衡系数，k
j,in
d为列车计划到站采样时刻点，x(k
j,in
)为列车在采样时刻点k
j,in
d的实际位置；l
J
为站点J的位置；其中，αF2(k)为能量消耗惩罚函数，γ|F(k)
‑
cv(k)|为乘客舒适度惩罚函数，β(x(k
j,in
)
‑
l
J
)2为列车站到准时性惩罚函数。4.根据权利要求3所述的基于对称交替方向乘子法的列车运...

【专利技术属性】
技术研发人员：马山，汤超宇，马骏峰，胡文峰，彭涛，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：