一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法，包括以下步骤：根据基本输入数据建立车

【技术实现步骤摘要】
一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法


[0001]本专利技术涉及城轨列车节能操纵领域，具体涉及一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法。

技术介绍

[0002]在城轨系统消耗的总电能中，约50％为列车牵引能耗，再生制动能占牵引能耗的30％以上，而约40％的再生制动能在实际运行过程中未能被利用。因此，要实现城轨系统的节能，主要可分为两个途径：降低牵引能耗和提高再生制动能量利用率。前者能够通过牵引电机优化、装备轻量化、列车外形优化等途径实现，后者能够通过加装逆变回馈装置、加装储能装置来实现，但上述方案都需要改变现有系统的拓扑结构以及大量的硬件投资，相比之下，列车节能驾驶技术是一个更好的选择，仅通过优化列车的运行过程就能实现比硬件改造更加可观的节能效果，投资成本较小且易于实现。
[0003]现有的列车节能驾驶技术通常将列车作为独立的个体来优化其运行过程，这是不符合实际系统的，列车的动态运行过程与很多因素是耦合的，首先是运营线路，其决定了列车运动随着位置变化的最高限速和所受的坡道阻力，然后是运行图，其规定了日常运营下的每个列车在每个车站的到达时刻及离开时刻，最后是牵引供电系统，其中变电站通过牵引网向列车提供运动所需的电能。因此，综合考虑车
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图耦合大系统，对其进行一体化建模，在系统总能耗层面对列车节能驾驶技术展开研究，才更加符合真实系统，对将来工程应用才更具有指导意义和参考价值。
[0004]而在城轨系统的日常运营中，存在多辆列车在线路上运行，所有列车在同一时刻下的位置和功率共同决定了该时刻下的牵引供电系统的潮流分布，而所有列车运行过程中的停站时间、区间运行时间以及区间运行速度曲线又直接决定了列车群在时间轴上的动态重合状态，因此，要想实现车
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图综合系统的能耗最小化，需通过协同优化多列车的运行过程才能实现。现有的多车优化技术具有相当的局限性，不仅没有对车
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图综合系统进行一体化建模，通常还通过预设某些列车的运行轨迹，来优化特定列车的运行过程，并没有实现真正的协同，此外，为了降低问题的复杂度，列车的速度曲线优化和时刻表优化往往分开展开，并不能实现同层优化。
[0005]综上所述，对基于城市轨道交通的车
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图综合系统进行节能分析，避免仅仅通过优化特定列车的运行过程进行系统节能，这拥有重要的研究意义以及广泛的应用前景。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的上述不足，本专利技术提供的一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法，解决了城市轨道交通直流牵引供电系统下列车群的最优协同节能操纵的问题。
[0007]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法，包括以下步骤：
[0009]S1、根据基本输入数据建立车
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线
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网
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图综合系统耦合模型；
[0010]S2、建立列车运行的时
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空
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速三维状态网络；
[0011]S3、根据列车运动特性，确定步骤S2中时
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空
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速三维状态网络的相邻时间阶段间的列车控制工况转移规则；
[0012]S4、对步骤S2中时
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空
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速三维状态网络每个时间阶段下的列车状态进行降维，得到有效状态空间域；
[0013]S5、根据多个体动态规划算法、步骤S1中的车
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线
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网
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图综合系统耦合模型、步骤S3中的列车控制工况转移规则和步骤S4中的有效状态空间域，输出最优协同多列车三维轨迹。
[0014]本专利技术的有益效果为：
[0015](1)本专利技术建立了列车实际运行场景下的“车
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图“综合系统耦合模型，能够反映列车动态运行过程中所受到的运行约束以及能量流动关系；
[0016](2)本专利技术建立了城轨直流牵引供电系统与列车运行的综合电路模型，并提出了对应的潮流解算方法，所述综合电路模型与对应的潮流解算方法适用于任意列车数量下的多列车牵引供电系统，同时能够显著降低潮流计算的迭代次数；
[0017](3)本专利技术采用的系统状态空间降维方法紧密结合了列车运行过程的特点，筛去了列车运行过程不可能出现的状态点，有效降低了优化问题的状态空间，极大提升了算法效率；
[0018](4)传统多车协同优化技术仅能基于其他列车运行状态已知的假设下优化多列车系统里某一特定列车的运行过程，无法实现系统状态最优，而本专利技术能够同时优化多列车系统里所有列车的运行过程，实现了真正意义上的多车协同，实现了多列车一个运行周期内变电站消耗的总电能最小化，可以使系统状态最优；
[0019](5)本专利技术将传统技术中双层实现的列车时刻表优化问题和速度曲线优化问题整合成为一个综合优化问题在同层求解，能够在保证列车运行一周的总时间不变的前提下，同时得到多列车系统里各列车在各区间的最优运行时间、最优速度曲线以及在各车站的最优停站时间；
[0020](6)本专利技术能够实现多列车一个运行周期内变电站消耗的总电能最小化，问题场景及能耗模型十分贴近实际城轨系统，对其日常节能运营具有重要的指导意义与广阔的应用前景；
[0021](7)本专利技术考虑的问题场景及提出的能耗模型十分贴近实际城轨系统，对其日常节能运营具有重要的指导意义与广阔的应用前景；
[0022](8)本专利技术所设计的多个体动态规划算法不仅可以用在多列车运行过程的协同优化，理论上也可以应用到其他多个体大系统的多阶段最优决策控制问题中。
附图说明
[0023]图1为一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法流程图；
[0024]图2为典型城轨线路结构图；
[0025]图3为多列车直流牵引供电系统等效电路拓扑图；
[0026]图4为多列车直流牵引供电系统潮流解算方法流程图；
[0027]图5为时
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速三维状态网络构建示意图；
[0028]图6为阶段间列车控制工况转移规则示意图；
[0029]图7为时
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速三维状态网络下多个体动态规划算法示意图；
[0030]图8为多个体动态规划算法流程图。
具体实施方式
[0031]下面对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便于本
的技术人员理解本专利技术，但应该清楚，本专利技术不限于具体实施方式的范围，对本
的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本专利技术的精神和范围内，这些本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据基本输入数据建立车
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图综合系统耦合模型；S2、建立列车运行的时
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速三维状态网络；S3、根据列车运动特性，确定步骤S2中时
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速三维状态网络的相邻时间阶段间的列车控制工况转移规则；S4、对步骤S2中时
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速三维状态网络每个时间阶段下的列车状态进行降维，得到有效状态空间域；S5、根据多个体动态规划算法、步骤S1中的车
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图综合系统耦合模型、步骤S3中的列车控制工况转移规则和步骤S4中的有效状态空间域，输出最优协同多列车三维轨迹。2.根据权利要求1所述的一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法，其特征在于，步骤S1包括以下分步骤：S11、根据基本输入数据建立车
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线
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图综合系统耦合模型的车图耦合；S12、根据基本输入数据建立车
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图综合系统耦合模型的车线耦合；S13、根据基本输入数据建立车
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线
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图综合系统耦合模型的车网耦合。3.根据权利要求2所述的一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法，其特征在于，步骤S11包括以下分步骤：S111、建立车图耦合的列车周期总运行时间部分，表示为：其中：为列车n在其经过的第(2M
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1)个车站的到达时刻，M为线路总共的车站数量，为列车n在其经过的第1个车站的出发时刻，T为规定的列车绕线路运行一周的总运行时间；S112、建立车图耦合的列车区间运行时间部分，表示为：其中：为列车n在其经过的第m个运行区间的最小区间运行时间，为列车n在其经过的第(m+1)个车站的到达时刻，为列车n在其经过的第m个车站的出发时刻，为列车n在其经过的第m个运行区间的最大区间运行时间；S113、建立车图耦合的列车停站时间部分，表示为：其中：为列车n在其经过的第m个车站的最小停站时间，为列车n在其经过的第m个车站的出发时刻，为列车n在其经过的第m个车站的到达时刻，为列车n在其经过的第m个车站的最大停站时间；S114、建立车图耦合的列车周期总运行距离部分，表示为：s
n
(T)＝2L其中：s
n
(T)为列车n在时刻T已运行的距离，L为单行别轨道长度。4.根据权利要求2所述的一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法，其特征在于，步骤S12包括以下分步骤：
S121、根据牛顿第二定律，建立车线耦合的列车纵向动力学部分，表示为：其中：x
n
为列车n的位置，t
n
为列车n的运行时间，v
n
为列车n的速度，f
n
(v
n
)为列车n采用的牵引力，b
n
(v
n
)为列车n采用的控制力，a为列车所受的第一运行阻力系数，b为列车所受的第二运行阻力系数，c为列车所受的第三运行阻力系数，m
n
为列车n的质量，g表示重力加速度，θ(x
n
)为列车n所处位置的线路坡度；S122、建立车线耦合的列车动态运行约束部分，表示为：其中：F(v
n
)为由列车速度决定的能够施加的最大牵引力，B(v
n
)为由列车速度决定的能够施加的最大制动力，f
n
(t)为列车n在t时刻采用的牵引力，b
n
(t)为列车n在t时刻采用的控制力，v
n
(x
n
)为列车n在位置x
n
处的速度，为列车n所处位置x
n
处的线路限速，v
n
(X
m
)为列车n在位置X
m
处的速度，X
m
为车站m所处的位置。5.根据权利要求2所述的一种基于多车协同优化的城轨综合系统节能方法，其特征在于，S13包括以下分步骤：S131、根据列车控制力和速度计算节点处电功率，表示为：其中：为上行列车n的电功率，为上行列车n的牵引力，为上行列车n的速度，η为列车牵引传动系统的效率，为上行列车n的制动力，P
aux
为列车辅助系统的功率，为下行列车n的电功率，为下行列车n的牵引力，为下行列车n的速度，为下行列车n的制动力；S132、根据列车位置计算节点间等效电阻，表示为：其中：为等效电路的第(n+1)上行等效电阻，ρ1为接触网的电阻率，ρ2为回流轨的电阻率，为上行列车节点n和节点(n+1)之间的距离，为等效电路的第(n+1)下行等效电阻，为下行列车节点n和节点(n+1)之间的距离；S133、根据分步骤S132中的节点间等效电阻，计算等效电路的导纳矩阵；S134、将分步骤S133中的导纳矩阵分解为上三角矩阵和下三角矩阵；
S135、判断当前是否为第一个时间阶段；若是则将节点电压初值设置为无负荷电压，否则将节点电压初值设置为上个时间阶段求解的潮流分布的节点电压；S136、根据分步骤S131中的节点处电功率和分步骤S315中的节点电压初值计算节点电流初值，表示为：其中：为第一变电站节点的第r次迭代电流，r为迭代计算次数，I
u(r)
为上行列车节点的第r次迭代电流矩阵，I
d(r)
为下行列车节点的第r次迭代电流矩阵，为第二变电站节点的第r次迭代电流，为第一变电站节点的第r次迭代电压，U0为变电站的电压，R
eq
为变电站的等效内阻，P
u
为上行列车节点的电功率矩阵，U
u(r)
为上行列车节点的第r次迭代电压矩阵，P
d
为下行列车节点的电功率矩阵，U
d(r)
为下行列车节点的第r次迭代电压矩阵，为第二变电站节点的第r次迭代电压；S137、根据分步骤S134中分解得到的上三角矩阵和下三角矩阵和分步骤S316中的节点电流初值，计算潮流分布下的节点电压：其中：为第一变电站节点的第(r+1)次迭代电压，U
u(r+1)
为上行列车节点的第(r+1)次迭代电压矩阵，U
...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晓云，陈默，王青元，孙鹏飞，李竞航，郑湘龙，宋文胜，杨顺风，苟斌，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：