一种列车全局环境控制方法及系统

本发明属于列车调控，具体涉及一种列车全局环境控制方法及系统。

背景技术：

1、随着我国高速铁路网络的完善与车辆隧线运维水平的提升，旅客对高铁出行的需求已逐步从强调通达性、安全性和时效性，转换为注重健康性与舒适性。同时，“双碳”战略背景下，舒适、低碳、经济的环控系统成为高速铁路列车高效运行的重要途径。

2、西南交通大学林建辉等提出了考虑噪音舒适度、气压舒适度、温度舒适度、湿度舒适度和光照舒适度的技术方案，以提高乘客乘坐舒适性。随着列车增速、铁路网线扩张，列车行车场景日趋复杂，引起车内环境复杂多样，乘客舒适性问题突显。需要依据不同行车场景下各物理环境特征参数在多元舒适度改善中的协同互补机制，提出满足人体多元舒适度需求的列车环控方法及系统。

3、列车环控相关研究过度关注人员舒适需求，忽视了人员在列车环境的行为调节和生理心理适应性，不仅引起环控系统运行能耗增加，人员舒适度也无法得到综合保障。因此，需要权衡考虑舒适、经济、低碳的目标要求，确定车厢最优环控参数，实现全局优化。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种列车全局环境控制方法及系统，以解决现有列车环控相关研究过度关注人员舒适需求，忽视了人员在列车环境的行为调节和生理心理适应性，不仅引起环控系统运行能耗增加，人员舒适度也无法得到综合保障的问题。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种列车全局环境控制方法，包括：

4、步骤a：采集列车车厢内的环控运行参数；

5、所述列车车厢环控运行参数包括：热环境参数、声环境参数、光环境参数以及空气品质环境参数。一项或多项参数形成所述列车车厢环境参数集{x1,x2,…,xn}。

6、运行参数包含以下理论：

7、根据人体热平衡理论和韦伯-费希纳定律确定热、声、光、空气品质的环境评价指数。

8、人体热舒适取决于人体热状态，采用蓄热率s量化表征，蓄热率为0，即人体的产热量和散热量相等，可认为人体处于热中性状态。

9、人体蓄热率可以表示为：

10、s＝(m-w)-qsk-qres＝(m-w)-(c+r+esk)-(rw+rd)

11、式中s——人体蓄热率(w/m2)；

12、m——人体新陈代谢率(w/m2)；

13、w——人体对外输出功(w/m2)；

14、qsk——皮肤散热总损失(w/m2)；

15、qres——呼吸散热总损失(w/m2)；

16、r——人体辐射散热损失(w/m2)；

17、c——人体对流散热损失(w/m2)；

18、esk——皮肤蒸发散热损失(w/m2)；

19、rw——通过呼吸的潜热损失(w/m2)；

20、rd——通过呼吸的显热损失(w/m2)。

21、由于声、光、空气品质均是阈值约束，且各环境的刺激引起人体产生不同感觉。韦伯和费希纳用心理物理实验证明得到：对于中等强度刺激，人体的感知评级l与客观刺激r的对数成正比，故声、光、空气品质环境评价采用韦伯-费希纳定律表达。即

22、l＝k log r

23、式中，r为客观环境刺激量；l为人体感知评级；k为系数。

24、步骤b：根据所述运行参数计算车厢的多元舒适度指标，并基于多元舒适度指标确定车厢环境舒适等级；

25、所述步骤b具体包括以下步骤：

26、步骤b1：分别计算表征所述车厢声、光、热、空气品质的环境评价指标；

27、所述步骤b1具体包括以下步骤：

28、步骤b11：计算热感觉评价指标pmv，如下式所示：

29、pmv＝(0.303e-0.036m+0.0275)×[m-w-3.05(5.733-0.007(m-w)-pa)-0.42（m-w-58.2）-0.0173m（5.867-pa）-0.0014m（34-ta）-3.96×10-8fcl((tcl+273)4-(tmr+273)4）-fclhc（tcl-ta)]

30、式中，m——人体新陈代谢率(w/m2)；w——人体对外输出功(w/m2)；pa——人体周围水蒸气分压力(kpa)；ta——人体周围空气温度(℃)；fcl——人体服装面积系数；tcl——服装表面温度(℃)；tmr——平均辐射温度(℃)；hc——对流换热系数(w/(m2·℃))。

31、pmv＝f(x1,x2,x3,x4,m,icl)

32、式中，x1表示室内空气温度；x2表示室内空气湿度；x3表示室内空气流速；x4表示室内平均辐射温度；人体新陈代谢率m和服装热阻icl根据列车车厢乘客一般活动水平和季节服装预先设值。

33、步骤b12：计算声环境评价指标pmvnoise，如下式所示：

34、

35、式中，x5为室内声压级；

36、步骤b13：计算光环境评价指标pmvillum，如下式所示：

37、

38、式中，x6为室内平均照度；

39、步骤b14：根据空气环境中co2浓度、可吸入颗粒物pm10和挥发性有机化合物vocs计算室内空气品质指标pmviaq。

40、空气环境中co2浓度、可吸入颗粒物和挥发性有机化合物vocs对人体舒适度影响大。因此，空气品质评价以此3项污染物的感知来综合评价。

41、大气环境co2浓度x7与其感知度评级lco2的关系如下：

42、

43、可吸入颗粒物pm10浓度x8与其感知度评级lpm10的关系如下：

44、

45、挥发性有机化合物vocs浓度x9与其感知度评级lvocs的关系如下:

46、

47、室内空气品质评价指数pmviaq＝max(lco2,lpm10,lvocs)

48、式中，x7——co2浓度，ppm；x8——可吸入颗粒物pm10浓度，mg/m3；

49、x9——挥发性有机化合物vocs浓度，mg/m3。上述评价指标均采用相同的分度值表征反应强度，即0为中性，±1为轻度反应，±2为中度反应，±3为重度反应。

50、确定综合环境各类评价指标与人体舒适度等级的关系，包括：

51、表1各类环境的评价指标值与舒适度等级

52、

53、步骤b2：根据综合环境评级原则，且基于计算的环境评价指标确定当前环境的多元舒适度指标；

54、步骤b2中，根据木桶效应确定综合环境评价结果，即当其中任一环境要素引起室内人员的不舒适感时，都将对室内环境造成不满意。而前述的各类环境的评价指标表征了人员对环境刺激的反应强度，且各类评级指数含义相同，因此，室内环境的综合评价指标为

55、pmvc＝max(pmv,pmvnoise,pmvillum,pmviaq)

56、步骤b3：根据多元舒适度指标，确定所述车厢环境舒适等级。

57、步骤c：基于车厢环境舒适等级判断所述车厢综合环境是否满足舒适级别要求；

58、步骤d：如果否，则基于低碳、经济和舒适的综合目标，确定处于预警参数的调控方案，并对所述车厢环境进行可控调节。

59、所述步骤d具体包括如下步骤：

60、步骤d1：确定所有预警参数偏离舒适阈值的程度di，并按从大到小的顺序排列，作为预警参数依次调控的顺序；

61、步骤d2：基于预警参数初始值与最佳舒适值，采用二分法作为初始调控方案，参数调控更新值为以此依次确定调控方案1、2...n，直至调控终值与最佳舒适值的差异小于2％。筛选满足|y1|≤1的调控方案作为备择方案；

62、步骤d3：对备择方案进行评估，计算综合环境评价值y1、运行费用y2、碳排放y3；

63、步骤d4：根据帕累托支配关系，如果一个方案对所有目标函数值都不比另一个调控方案差，并且至少在一个目标上比另一个方案好，则认为此方案支配另一个方案，即对于调控方案i、j，存在|y1i|≤|y1j|，y2i≤y2j，y3i≤y3j，且至少有一种目标函数k(k＝1,2,3)，存在yki＜ykj，则方案i优于方案j，处于非支配关系；

64、步骤d5：基于支配关系分析，将调控方案按照非支配关系进行分组，求解最优解或接近最优解；

65、步骤d6：根据所有调控方案之间的优先等级进行排序，从非支配解集中选择最佳解作为最终的调控方案。

66、一种列车全局环境控制系统，包括：

67、采集模块：用于采集列车车厢内的环控运行参数；

68、判断模块：用于根据所述运行参数计算车厢的多元舒适度指标，并基于多元舒适度指标确定车厢环境舒适等级；然后基于车厢环境舒适等级判断所述车厢综合环境是否满足舒适级别要求；

69、调节模块：若判断模块的判断结果为否，则基于低碳、经济和舒适的综合目标，确定处于预警参数的调控方案，并对所述车厢环境进行可控调节。

70、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

71、本发明中，通过对所述车厢环境的多元舒适度指标是否满足不满意率要求，及时确定环境调节方案，并权衡了舒适、经济、低碳的综合目标，可以实现对列车车厢多目标优化控制，以指导高铁列车绿色、舒适、高效运营。