复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置

本发明涉及城市轨道交通车辆节能优化操作与行车调度综合控制方法的，具体地，涉及一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置。

背景技术：

1、近年来，随着我国地铁建设的迅速发展，地铁运营里程迅速增加，近10年间运营里程翻了10倍多，其中山东开通地铁城市2个。自2015年山东青岛首条地铁线路开通以来，省内地铁建设得到迅速发展，截至2022年12月，济南轨道交通运营线路共有3条，运营里程共计84.1km，共设车站43座，在建线路7条，在建线路总长203km；青岛地铁开通运营线路7条，共设车站163座，线路里程315km，在建线路8条。在地铁运营中，电能消耗费用占运营总费用的40％以上，而列车牵引能耗又占电能消耗的40％-50％，甚至更高。以青岛地铁发车间隔为例，假设列车平均发车间隔为6min，列车每日运营16小时，地铁每公里运行消耗电能12kw·h，则青岛地铁每年消耗电能保守估计为2.2亿kw·h，按照山东省平均工业用电0.8元/kw·计算，则青岛地铁每年仅列车运行电费支出超过1.76亿元。同理，济南地铁每年消耗电能约为0.61亿kw·h，电费支出超过0.49亿元。经过节能优化操纵研究，通过建立最优操作ato系统和最优行车调度时刻表模型，以节约20％耗电量计算，济南和青岛每年仅车辆运行节约电能可达0.56亿kw·h，节约电费支出超过0.45亿元。且随着山东省地铁建设的快速发展，后续节能降费将更加明显，若将节能优化操纵推广到全国电力机车及城市轨道交通运营中，每年节约的电能及电费支出相当可观。

2、车辆设备和基础设施技术的改善需要长时间和高投资，因此限制了列车节能运行。但改善列车节能优化操纵方法和建立合适的列车行车调度模型以提高能源使用效率的短期或中期策略则无需高投资。在一定的地铁车辆、线路等硬件环境下和既定的运行图、列车编组计划等运营管理状况下，探索地铁列车运行能耗计算方法，提高列车再生制动能量回收利用效率，设定合理的列车行车调度时刻表，以寻找列车最优操纵方式，降低能源消耗和运营成本，是一条经济有效且直接可行的节能途径。因此，本项目提出对复杂工况条件下地铁列车优化操纵及多车协同调度综合节能控制方法开展研究，不仅具有较高的经济价值和良好的社会效益，而且刻不容缓。

3、本发明专利综合考虑车站客流量、乘客舒适度、城市轨道交通车辆节能优化操纵控制策略、再生制动能量利用率和行车调度信息，基于离散化矩阵和拉格朗日控制思想，通过建立列车运行能耗模型，探索复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，降低列车运行总能耗，满足铁路部门对于列车控制可靠性高、舒适度强、稳定性好、安全性高、节能环保的高标准要求。

技术实现思路

1、本发明是为了实现地铁列车在复杂工况条件下综合利用城市轨道交通车辆再生制动能量，克服现有技术中列车行车调度中不能建立有效的单车节能、多车协同利用再生制动能量的列车行车控制节能时刻表的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法。

2、为实现上述目的本发明提供的一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，通过执行如下步骤调控列车行进速度和进出站时间，使得在同一供电区段内存在的至少两辆列车同时制动和牵引，并且牵引列车吸收制动列车的再生能量，包括：

3、采集车站客流量数据、路况信息、调度信息、列车运行参数；

4、利用离散化矩阵和拉格朗日控制方法，将列车运行线路隔断分解成若干区段，各个相邻区段之间的衔接点处的速度相同，所述区段至少包括加速阶段、再生制动阶段中的一个或多个阶段；并将线路分解出的区段与车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、线路运行车辆数量、再生制动点、加速点进行拟合建立离散化矩阵控制序列模型并离散化编码；

5、根据所述离散化矩阵控制序列参数，计算列车运行总能耗，获取总能耗最低时的城轨多列车行车调度综合节能最优控制时刻表模型，并将根据行车调度最优控制时刻表建立的发车间隔、速度曲线和加速度曲线；所述最优地铁列车行车调度控制时刻表为某一地铁运行线路站间列车运行总能耗最低时所对应的行车调度控制时刻表；

6、将发车间隔、速度曲线和加速度曲线导入地铁控制台调度中心，用于控制列车行进。

7、所述列车调度信息包括：站间列车运行数量、列车发车间隔、准点时间、准点误差、站间距离；所述列车运行参数包括：最大允许速度、最大允许加速度、列车重量、客流量数据；所述列车路况信息包括：坡度、坡道距起点距离、坡道长度、弯道长度、弯道距起点距离。

8、所述离散化编码为设置模型数据的采样频率，用于根据精度获取不同采用频率下的离散化矩阵控制序列参数。

9、所述站间列车最优节能实矩阵控制模型参数包括：加速度、加速后的最佳匀速速度、再生制动后速度和发车间隔；

10、1)所述站间列车最优节能实矩阵控制模型表示为：

11、

12、其中，nsy为车号为y的列车在s站间的实矩阵控制模型；tmin为发车区间下限；tmax为发车区间上限；tp-min为停站耗时下限；tp-max为停站耗时上限；﹒、+为排列组合符号；r，x为极小实数，可根据具体路况和计算精度调整。

13、2)根据站间列车最优节能实矩阵控制模型，构建整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型：

14、[ns1,ns2，…，nsy]

15、3)整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型，均对应一组时间控制序列：

16、

17、其中，ts为s车站的列车时间控制序列模型，为牵引耗时；为牵引后运行耗时；为再生制动耗时；为弯道运行耗时；为惰行耗时；为坡道运行耗时；为空气制动耗时。

18、当列车实际运行线路中不包含弯道、坡道，则

19、4)根据s车站时间控制序列模型，可建立整条线路行车调度时刻表模型：

20、m＝t1·t2·t3……ts

21、所述站间列车最优节能实矩阵控制模型，以列车运行总能耗最低为目标，以乘客舒适度和调度信息为限制条件，以单车节能与多车协同利用再生制动能量为基础，建立列车最佳节能时刻表模型，具体包括：

22、建立单车节能优化操作和多车协同利用再生制动能量计算模型，该模型主要有前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种模式，进而计算出站间列车再生制动能量利用率；

23、根据再生制动能量利用率，结合车站客流量数据、调度信息、列车运行参数、控制模式建立满足约束条件最佳行车调度时刻表，所述最佳行车调度时刻表为列车站间运行时总能耗最低时的控制模式。

24、所述站间距离约束条件、所述准点时间约束条件和所述计算约束条件分别为：

25、s(t,a,v)＝s

26、t(t,a,v)≤t

27、

28、其中，s和t分别为所述列车运行参数中的列车准点时间和站间距离，s(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶距离，t(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶时间，tmin，tmax分别表示发车间隔的下限、上限；tmin，tmax分别表示停站时间的下限、上限，h为乘客舒适度，hmin，hmax分别为乘客舒适度的上限、下限。

29、所述再生制动利用率计算由前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种控制方法所产生的速度-时间曲线重叠部分面积表示，其重叠部分面积可由其重叠部分时间计算；

30、所述再生制动能量j可表示为：

31、

32、其中，vzm为列车制动时的行驶速度；vjm为制动结束后的速度；m为列车质量；g为重力加速度；sm为制动距离；t为制动时间；vtm为列车在t时刻速度；θm为坡道坡度，‰；m为站间制动次数；a，b，c为阻力系数，且a＝2.73，b＝0.131，c＝0.0083。

33、一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制装置，包括：

34、捕捉模块，用于捕捉和采集车站客流量数据、乘客舒适度数据、路况信息、调度信息、列车运行参数，所述列车调度信息包括：站间列车运行数量、列车发车间隔、准点时间、准点误差、站间距离，所述列车运行参数包括：最大允许速度、最大允许加速度、列车重量、客流量数据，所述列车路况信息包括：坡度、坡道距起点距离、坡道长度、弯道长度、弯道距起点距离；

35、组合模块，用于将列车运行线路隔断分解，并将线路分解出的区段与车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、线路运行车辆数量、再生制动点、加速点进行拟合建立离散化矩阵控制序列模型并离散化编码；

36、模型计算模块，用于根据所述获得的列车运行不同控制策略，确定站间列车最优节能实矩阵控制模型，进而形成列车最佳节能控制时刻表模型，结合列车运行路况和运行参数，计算出站间列车运行总能耗，并制作列车行车调度与速度曲线的综合控制模型作为最佳模型；所述列车最佳节能控制时刻表模型是指某一线路上所有列车在某一线路运行总能耗为最低时所对应的时刻表模型；

37、导入模块，用于将获得的列车行车调度与速度曲线综合控制模型导入车站控制中心和列车车载控制单元，用于控制列车行进。

38、所述站间列车最优节能实矩阵控制模型参数包括：加速度、加速后的最佳匀速速度、再生制动后速度和发车间隔；

39、所述站间列车最优节能实矩阵控制模型表示为：

40、

41、其中，nsy为车号的y列车在s站间的实矩阵控制模型；tmin为发车区间下限；tmax为发车区间上限；tt-min为停站耗时下限；tt-max为停站耗时上限；﹒、+为排列组合符号；r，x为极小实数，可根据具体路况和计算精度调整。

42、根据站间列车最优节能实矩阵控制模型，构建整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型：

43、[ns1,ns2，…，nsy]

44、整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型，均对应一组时间控制序列：

45、

46、其中，ts为s车站的列车时间控制序列模型，为牵引耗时；为牵引后运行耗时；为再生制动耗时；为弯道运行耗时；为惰行耗时；为坡道运行耗时；为空气制动耗时。

47、当列车实际运行线路中不包含弯道、坡道，则

48、根据s车站时间控制序列模型，可建立整条线路行车调度时刻表模型：

49、m＝t1·t2·t3……ts

50、所述组合模块还用于：

51、建立单车节能控制和多车协同利用再生制动能量计算模型，该模型主要有前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种模式。

52、本发明具有以下有益效果和有点：

53、本发明实提供的一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置，该方法和装置综合考虑了车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、坡道、弯道及其复合复杂线路的路况、再生制动。行车调度等列车优化操纵节能因素，可实现列车最节能行车调度信息的精确计算，具有自适应协调列车数量、运行参数、再生制动间、乘客数量、乘客舒适度的平衡关系，具有计算效率高、运算精确、应用范围广等优点。

54、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

55、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。