基于非支配排序算法的列车节能操纵序列优化方法技术

本发明专利技术提供了一种基于非支配排序算法的列车节能操纵序列优化方法。该方法考虑地铁列车牵引特性，在描述列车站间运行时间约束以及精确划分站间不同位置速度上限约束的基础上，根据现有规定运行时间允许波动范围，以最小化列车站间运行能耗为目标，构建了列车站间运行节能操纵序列模糊动态规划模型，并应用高效的非支配排序算法求解。本发明专利技术优化后的列车操纵序列方案减少了站间的牵引能耗，并且线路运行时间也控制在可接受的范围之内。通过对不同参数设置条件下的仿真结果进行对比分析，验证了算法的有效性与可行性。算法的有效性与可行性。算法的有效性与可行性。

【技术实现步骤摘要】
基于非支配排序算法的列车节能操纵序列优化方法


[0001]本专利技术涉及城市轨道交通智能运营领域，尤其涉及一种基于非支配排序算法的列车节能操纵序列优化方法。

技术介绍

[0002]伴随我国城市轨道交通行业步入发展快车道，各大城市轨道交通新增运营线路、新开既有线路延伸段、后通段继续保持快速增长，然而考虑到牵引能耗在总电耗中所占的决定性的比重，传统的列车自动控制系统虽然可以辅助列车完成准点到发、安全舒适的运营需求，但是全天全线路都保持最速运行，牵引能耗一直处于高位。因此，考虑到平峰时段乘客对列车站间运行时间要求紧迫性不高，在满足运力需求的前提下适当调整站间操纵模式，在满足站间运行时间的合理波动范围的条件下，以最小化列车全线路牵引能耗为目标，提出了一种充分考虑路基坡度与线路速度上限的轨道交通列车运行图节能优化方法，实现列车节能操纵序列与线路路基状态的精准匹配。轨道交通列车节能操纵模式，不同于以往的出站加速至上限
‑
全程全速运行
‑
临界点最大制动的操纵模式，是指列车充分利用线路中的长大坡度，站间运行中适当穿插惰行工况，以减少牵引电能的消耗。虽然节能操作模式增加了工况转换次数，也增加了站台候车乘客的平均等待时间，但是该模式在减少不必要的牵引里程，降低制动初速度方面有着重要贡献。
[0003]现有技术中，大多数模型使用暴力搜索算法寻找空间
‑
速度网络中每个节点可能构成的最优速度曲线将导致产生大量的无用数据占用计算机内存。虽然有些研究考虑了使用适当的精英筛选算法来减少求解空间，但是模型仅仅依靠短期最优选择进行线路的组合，筛选依据不够充分导致线路节能效率过高，路段通行时间过度延长；当然，也有少数模型考虑多目标优化速度曲线，但是仅考虑线路某一段站间的节能运行策略，没有考虑全线多辆列车追踪连发同时运行保持合理的车辆距离所产生的复杂协同行为。总之，现有的列车速度曲线模型还不能很好地跟踪列车站间的动态决策过程，这影响了列车节能优化的效果。
[0004]事实上，列车速度曲线的模拟是一个动态演化不断递进的过程，列车既有的运动状态决定了后续运动的时间裕度，列车能耗与站间运行时长相互依存又互为制约，追求能耗最低时就不得不付出相应的时间代价。在站间允许的最大运行时间一定的情况下，将全段线路按照一定步长进行离散化处理，通过合理分配每一步长区间速度与用时，在满足最终时间约束的前提下使得能耗最少。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术在现行地铁列车操纵方案的基础上，依据列车牵引计算规程，建立列车运行速度和能耗的微分算式，在此基础上通过将列车运行区间距离划分为若干段离散化微分区，其中每段分区内的运动过程抽象为无后效性决策，使得列车节能操纵优化问题适用于动态规划模型求解。本专利技术提出一种基于非支配排序算法的多目
标动态规划求解模型，在满足列车正点运行条件的基础上，以能量消耗最低为全局优化目标，构建多个约束条件及满足状态递推关系的阶段求解模型。
[0006]具体采用了如下技术方案：
[0007]一种基于非支配排序算法的列车节能操纵序列优化方法，该方法包括如下步骤：
[0008](1)构建列车节能运行优化模型
[0009]Z＝min(β1E+β2T)
[0010]式中，E为列车线路运行能耗，T为列车线路运行时间，β1和β2为多目标规划化为单目标规划的权重系数；
[0011]约束条件1：列车线路运行时间
[0012]列车在线路单方向的运营时间包括列车在站间的走行时间和到站停车上下客时间，其中站间走行时间需要满足线路要求的站间最大走行时间约束
[0013][0014][0015][0016][0017]式中，T
total
为线路单方向列车运行总时间，T
io
为线路站间纯运行时间，为列车到站停留时间，T
k
为单站间单一步长内列车运行时间，和分别表示站间允许运行时间上下限；
[0018]约束条件2：列车线路运行能耗
[0019][0020]s.t.0≤V
k
≤V
m
(x)
[0021][0022]式中，E
total
为线路单方向运行总能耗，P
k,i
为i站间k步的瞬时功率，V
k
为瞬时速度，F
m
为一定质量下列车所受合力，u
k
为当前操纵工况；u
cr
,u
co
,分别表示最大牵引工况、巡航工况、惰行工况与最大制动工况；
[0023](2)动态规划求解模型
[0024](2.1)划分求解阶段
[0025]将一个长度为L站间依据分区长度Δx划分成K个子分区，定义求解阶段{s1,s2,s3,
…
,s
K
}；
[0026](2.2)确定状态空间
[0027]列车在某一时刻的状态由其所在位置与当前时刻速度组成，表示为二维状态点s(x
k
,v
q
)；其中，位置状态量通过对位置空间的划分获得，由阶段指标定义位置状态量，即位置状态空间集合{x
k
|x
k
＝s
k
,k∈N}；在每一阶段的零速之上限速以下将速度区间以Δv为步
长划分为若干速度子分区，从而得到速度状态空间集合
[0028](2.3)定义决策变量
[0029]定义最大牵引、巡航、惰行和最大制动4种控制工况其中在每一阶段k只允许对列车施加一种操纵工况，将工况条件作为对应阶段的决策变量，使列车能够通过不同的工况选择达到下一阶段的不同状态，各个阶段的操纵工况组合成的工况序列{u1,u2,
…
,u
k
}就将作为列车站间运行的最优操纵序列；
[0030](2.4)建立状态转移方程
[0031]在当前阶段k，列车状态表现为s
k
(x
k
,v
q
)，对其施加控制工况u
k
，得到列车在下一阶段的状态s
k+1
(x
k+1
,v
q+1
)；
[0032]h＝x
k+1
‑
x
k
[0033][0034]式中，c
i
为用于调节下阶速度波动值的超参数，b
ij
为上阶速度配比权重；
[0035]将不位于速度状态空间内点修正到距离其最近的速度状态
[0036]v
k+1
＝Δv
·
floor(v
k+1
/Δv)
[0037]式中，Δv为单位速度，列车运行的最小速度单元，floor表示向下取整；
[0038](2.5)构建阶段求解模型
[0039]在满本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非支配排序算法的列车节能操纵序列优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)构建列车节能运行优化模型Z＝min(β1E+β2T)式中，E为列车线路运行能耗，T为列车线路运行时间，β1和β2为多目标规划化为单目标规划的权重系数；约束条件1：列车线路运行时间列车在线路单方向的运营时间包括列车在站间的走行时间和到站停车上下客时间，其中站间走行时间需要满足线路要求的站间最大走行时间约束中站间走行时间需要满足线路要求的站间最大走行时间约束中站间走行时间需要满足线路要求的站间最大走行时间约束中站间走行时间需要满足线路要求的站间最大走行时间约束式中，T
total
为线路单方向列车运行总时间，T
io
为线路站间纯运行时间，为列车到站停留时间，T
k
为单站间单一步长内列车运行时间，和分别表示站间允许运行时间上下限；约束条件2：列车线路运行能耗s.t.0≤V
k
≤V
m
(x)式中，E
total
为线路单方向运行总能耗，P
k,i
为i站间k步的瞬时功率，V
k
为瞬时速度，F
m
为一定质量下列车所受合力，u
k
为当前操纵工况；分别表示最大牵引工况、巡航工况、惰行工况与最大制动工况；(2)动态规划求解模型(2.1)划分求解阶段将一个长度为L站间依据分区长度Δx划分成K个子分区，定义求解阶段{s1,s2,s3,
…
,s
K
}；(2.2)确定状态空间列车在某一时刻的状态由其所在位置与当前时刻速度组成，表示为二维状态点s(x
k
,v
q
)；其中，位置状态量通过对位置空间的划分获得，由阶段指标定义位置状态量，即位置状态空间集合{x
k
|x
k
＝s
k
,k∈N}；在每一阶段的零速之上限速以下将速度区...

【专利技术属性】
技术研发人员：周慧娟，王若愚，张尊栋，
申请(专利权)人：北方工业大学，
类型：发明
国别省市：