CN102951165B - 轨道列车节省电能运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道交通运行控制技术领域，公开了一种轨道列车节省电能运行控制方法，包括以下步骤：S1、根据列车运行数据预测列车站间运行的时间-速度曲线；S2、利用所述曲线控制列车运行，在列车运行过程中，根据当前牵引供电网/第三轨的电压、列车所受阻力以及粘着力调节列车在下一时刻的运行模式、速度及加速度。通过依据实时牵引供电网/第三轨电压及线形现况，决定列车节省电能的实时运行方式；考虑实时列车运行粘着力，确保列车运行时不致造成列车打滑。

Description

轨道列车节省电能运行控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通运行控制技术领域，特别是涉及一种轨道列车节省电能运行控制方法。 

背景技术

各个城市轨道交通成本都非常之高，不但建设成本很高，而且正式运营通车后线路每年的运营维护成本更是非常大，其中尤其以线路耗电费用最为严重，致使城市轨道交通运营成本居高不下，这已成为城市轨道交通最为突出的一大难题。因此，降低城市轨道交通能耗，减少用电总量，成为降低城市轨道交通运营成本的一个最为有效的途径。 

城市轨道交通系统运营过程中能耗的主要形式即为用电能耗。根据对城市轨道交通用电负荷的统计分析，能耗主要用于以下几个方面：牵引供电、通风空调、电扶梯、照明、给排水，弱电系统等等，其中尤其以牵引供电能耗最大，有近50％均来自于列车牵引能耗。因此，减少城市轨道交通系统耗能的重要途径之一就是降低列车牵引能耗。列车牵引能耗主要用于列车运行，因此，实现列车的节能运行成为了降低列车牵引能耗最为有效的重要手段。 

现有轨道列车运行节能控制的方法，均以脱机方式调节列车速度，未能针对节省电能提出在线实时的有效方法，也未同时考虑时刻表调节与列车粘着力的问题。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种轨道列车节省电能运行控制方法。 

(二)技术方案 

为了解决上述技术问题，本发明提供一种轨道列车节省电能运行控制方法，包括以下步骤： 

S1、根据列车运行数据预测列车站间运行的时间-速度曲线； 

S2、利用所述曲线控制列车运行，在列车运行过程中，根据当前牵引供电网或第三轨的电压，轨道线形参数、列车所受阻力以及粘着力调节列车在下一时刻的运行模式、速度及加速度。 

优选地，在步骤S2中，利用三层式倒传递类神经网络调节列车在下一时刻的运行模式、速度及加速度。 

优选地，步骤S2具体包括： 

S21、将当前所述牵引供电网或第三轨的电压，轨道线形参数、列车所受阻力以及粘着力作为倒传递类神经网络输入层的值，根据所述输入层的值计算倒传递类神经网络隐藏层的值； 

S22、利用所述隐藏层的值计算倒传递类神经网络输出层的值，所述输出层的值包括表示运行模式的数值、速度及加速度； 

S23、将所述输出层的值与预设输出目标值比较，并调节所述输出层的值，使得二者之间的差值最小。 

优选地，所述运行模式包括加速、减速、等速和惰行四种。 

优选地，所述轨道线形参数包括轨道的坡度、曲度和速限。 

(三)有益效果 

上述技术方案具有如下优点：依据实时牵引供电网或第三轨电压及线形现况，决定列车节省电能的实时运行方式；考虑实时列车运行粘着力，确保列车运行时不致造成列车打滑。 

附图说明

图1是列车牵引系统能量流示意图； 

图2是显示本发明方法的示意图； 

图3是本发明的方法流程图； 

图4是三层式倒传递类神经网络示意图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 

首先介绍几种列车模型。 

列车动力学模型 

在城市轨道交通中，列车在运行过程中会受到方向和大小不同的很多力的作用，受力情况较为复杂，但针对列车节能运行控制则主要考虑列车在轨道上的纵向运动，因此仅研究列车运行中纵向方向的力。这样，列车在运行过程受到的外力主要为：列车牵引力、列车制动力、列车运行阻力。 

1.列车牵引力 

由于城市轨道交通中列车是由动车和拖车编组的，因此，其列车的牵引力则来自于各个动车。其实动车的本质就是一个能量转换机构，它通过牵引电动机，将牵引网或第三轨供入的电能转换为机械能，然后传递到动车的动轮上，动轮通过与钢轨的接触和摩擦，产生对钢轨的作用力，同时钢轨对于动轮有一个与列车运行方向相同的反作用力，即牵引力，从而使列车能够向前运行。 

2.列车制动力 

城市轨道交通中列车制动力是由制动装置产生的、与列车在轨道上的运行方向相反的、阻碍列车运动的、司机可根据需要或由自动驾驶设备控制和调节的外力。现如今，大多城市轨道交通的车辆牵引电传动系统均采用了先进的调频调压交流感应电机驱动系统，此系统在高速时具有良好的电制动性能，但当列车处于低速时，电制动效率较低，制动效果不佳，为此在列车车速降低到一定程度后必须采用空气制动系统进行列车的制动。因此，列车的制动有电制动和空气(摩擦)制动两类。 

3.列车运行阻力 

列车运行过程中所产生的一种与其运行方向相反、阻止其运行且大小不能由司机控制的外力，即为列车运行阻力。其按形成原因可分为：基本阻力和附加阻力。 

(1)基本阻力：列车在任何运行(包括启动阶段)情况下都存在的阻力。 

引起列车基本阻力的因素有很多，主要是由于车辆各零部件之间、车辆表面与空气之间以及车轮与钢轨之间的摩擦和冲击所造成的。但在实际运用中，这些因素都很难用理论公式来计算，因此，为了简化其计算方法，通常采用由大量试验综合得出的经验公式进行计算，一般为单位基本阻力等于列车运行速度的二次三项式形式，即： 

w₀＝a+bv+cv²(N/kN)    (1) 

式中，a、b、c为与车辆类型有关的经验常数；v为列车速度，单位m/s。 

(2)附加阻力：列车在个别情况下运行时才会存在的阻力。 

附加阻力与基本阻力不同，受车辆类型影响较小，它取决于线路条件，主要包括坡道附加阻力、曲线附加阻力、空气阻力等。 

坡道附加阻力：指列车在坡道上运行时列车重力沿轨道方向的分力。当列车处于上坡道时，坡道附加阻力阻碍列车前行；反之，则有助于列车前行。列车的单位坡道阻力w_i在数值上等于列车所处坡道的坡度千分数i，即： 

w_i＝i(N/kN)    (2) 

曲线附加阻力：指列车处于曲线轨道时轨道对列车产生的附加阻力。计算单位曲线附加阻力w_r的经验公式为： 

w_r＝A/R(N/kN)    (3) 

式中，A为试验方法确定的常数，通常为450-800，根据我国《列车牵引计算规程》，A取600；R为曲线半径，单位m。 

总附加阻力：指列车同时运行于坡道、曲线及空气阻力。通常单位总附加阻力w_j为以上三者之和。 

由物理学知识可知，物体的状态由作用在其上的作用力的合力来决定。为便于计算，将列车沿钢轨运行视作一个质点的平移运动来分析，即列车牵引力F、列车运行阻力W、列车制动力B均作用于列车的重心，且方向平行于钢轨，列车所受合力F_total即为： 

F_total＝F-W-B(N/kN)    (4) 

由列车合力F_total可以得出，城市轨道交通中列车在线路中的运行状态有四种，即牵引状态、巡航状态、惰行状态、制动状态。各状态下列车合力情况如下： 

牵引状态：当列车处于启动阶段和加速阶段时会采用此状态，它包括牵引力和运行阻力，即： 

F_total＝F-W(N/kN)    (5) 

巡航状态：当列车处于运行线路中间阶段时会采用此状态，此时列车合力为0，列车保持一恒定速度行驶，即： 

F_total＝0(N/kN)    (6) 

惰行状态：当列车处于运行线路中间阶段时会采用此状态，它仅包括运行阻力，即： 

F_total＝-W(N/kN)    (7) 

制动状态：当列车处于减速阶段或准备停车时会采用此状态，它包括制动力和运行阻力，即： 

F_total＝-W-B(N/kN)    (8) 

列车运动学模型 

列车在不同外力的作用下能够在线路轨道上进行加速、等速、减速等的移动，这符合了牛顿力学的运动规律。假设列车以加速度a_total经过时间t后运行了距离S，那么由牛顿力学运动规律有列车运动学模型为： 

V_t＝V₀+a_totalt    (9) 

式中，V₀、V_t分别为列车运行的初始速度和末速度。 

能耗评估模型 

如图1所示，为列车牵引系统能量流示意图(以牵引网供电方式为例)。实际中，牵引供电网(或第三轨)通过机车受电装置向列车牵引系统供电。然后，列车的直交流转换装置将输入的直流电能转换为交流电能，送入到列车牵引电动机中驱动电机运转工作，由于电机效率损失部分能量后，电机输出能量经过齿轮传动装置驱动机车车轮转动，从而带动列车运行。电机输出能量会在传动过程中损失小部分能量，其余大部分能量用于列车牵引。列车在运行过程中，大部分能耗用于列车自身牵引运行，同时在运行过程中由于运行阻力的存在，也会有部分能量由运行阻力以热量的形式消耗。 

当前，为实现列车节能，再生制动技术广泛应用于城市轨道交通中。再生制动是指当列车制动时，机车牵引电机会反转，即由电动机转变为发电机，从而将列车制动时的运行能量转变为可用电能回馈到牵引供电网或三轨中使用，这样不但可以对机车起到制动的效果，同时又将列车固有的能量进行回收利用，避免了能量的浪费，实现了节能。 

因应本发明列车牵引能耗评估的需要，以下说明列车牵引能耗评估模型。此模型部分从机械能量角度进行能耗建模，部分从电能角度进行能耗建模，最终整个能耗评估模型可对列车牵引过程中各个部分的能耗进行评估与计算。 

具体列车牵引能耗评估模型如下： 

1.牵引网/第三轨供入列车能量模型 

牵引变电所向牵引网或第三轨供电后，列车受电装置会吸收其电能作为输入到列车牵引系统的能量。实际中测得列车受电端t时刻的电压U_i(t)和电流I_i(t)后即可得出t₁时刻至t₂时刻，输入列车的能量模 型为： 

P_i(t)＝U_i(t)I_i(t)    (10) 

$E_i=\stackrel{t_2}{\∫}{P}_i\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(11\right)$

式中为输入列车的功率；E_i为输入列车的能量。 

2.驱动电机运转能量模型 

输入列车的能量进入列车后，会经过直交流转换装置将该直流电转变为交流电来作为驱动牵引电机运转的输入能量。在经过转换装置过程中，输入能量会有部分的损耗。由测得的牵引电机输入电压U_mi(t)、电流I_mi(t)，以及功率因子cosφ，可得驱动电机运转的能量模型为： 

$\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{mi}}\left(t\right)=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{mi}}\left(t\right)I_{\mathrm{mi}}\left(t\right)\cos \mathrm{\φ}& \left(12\right)\\ E_{\mathrm{mi}}=\stackrel{t_2}{\∫}{P}_{\mathrm{mi}}\left(t\right)\mathrm{dt}& \left(13\right)\end{array}$

式中，为驱动电机运转的功率；E_mi为驱动电机运转的能量。 

3.牵引电机供给列车运行能量模型 

列车牵引电机运转工作后输出供给列车运行的能量，这部分能量在经过齿轮传动装置的部分损耗后直接驱动列车车轮转动，从而使得列车沿着轨道向前运行。根据能量转换关系，由驱动牵引电机运转的输入电压U_mi(t)、输入电流I_mi(t)以及电机效率η_m和齿轮传动效率η_tr，可以得出牵引电机供给列车运行的能量模型为： 

$\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{mo}}\left(t\right)=F_{\mathrm{mo}}\left(t\right)v_i\left(t\right)=m\sqrt{3}{U}_{\mathrm{mi}}\left(t\right)I_{\mathrm{mi}}\left(t\right){\mathrm{\η}}_m{\mathrm{\η}}_{\mathrm{tr}}& \left(14\right)\\ E_{\mathrm{mo}}=\stackrel{t_2}{\∫}{P}_{\mathrm{mo}}\left(t\right)\mathrm{dt}& \left(15\right)\end{array}$

式中，为牵引电机输出的力；v_i(t)为在牵引电机输出力作用下列车的理想运行速度；m为列车电机数目；P_mo(t)为牵引电机供给列车运行的功率；E_mo为牵引电机供给列车运行的能量。 

4.列车运行能耗模型 

列车输入能量最终会大部分转化为列车在轨道上运行的机械能，即列车实际的运行能耗。由列车实际运行速度v_a(t)及列车品质M，可 以得到列车运行能耗模型如下： 

$\begin{array}{cc}{P}_t\left(t\right)=F_t\left(t\right)v_a\left(t\right)=\mathrm{Ma}\left(t\right)v_a\left(t\right)=M\frac{{\mathrm{dv}}_a\left(t\right)}{\mathrm{dt}}{v}_a\left(t\right)& \left(16\right)\\ E_t=\stackrel{t_2}{\∫}{P}_t\left(t\right)\mathrm{dt}& \left(17\right)\end{array}$

式中，为列车运行功率；Et为列车运行能耗。 

5.列车运行阻力能耗模型 

在列车运行过程中，会存在列车运行阻力，因此，列车牵引能耗会有一部分被列车运行阻力损耗，并以热量的形式向周围环境散发掉。列车运行阻力包括基本阻力和附加阻力，其对应模型已在前面描述。由此，可以得出列车运行阻力能耗模型为： 

Pr(t)＝F_r(t)v_a(t)＝[Mg(w₀+w_j)]v_a(t)    (18) 

$E_r=\stackrel{t_2}{\∫}{P}_r\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(19\right)$

式中，为列车运行阻力；P_r(t)为列车运行阻力功率；E_r为列车运行阻力能耗。 

考虑目前城市轨道交通中逐步开始采用再生制动节能技术，因此，列车的再生制动能量模型如下： 

6.列车再生制动能量模型 

当采用了再生制动技术的列车制动时，列车牵引电机会发生反转，转变为发电机，实现再生制动。此时，列车运行能量将被转变为电能回馈给供电网或第三轨重新被利用。由于再生制动，电机反转，由电机输出电压U_mbo(t)、输出电流I_mbo(t)及功率因子cosφ即可得到列车再生制动能量模型为： 

$\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{rbo}}\left(t\right)=\sqrt{3}{U}_{\mathrm{mbo}}\left(t\right)I_{\mathrm{mbo}}\left(t\right)\cos \mathrm{\φ}& \left(20\right)\\ E_{\mathrm{rbo}}=\stackrel{t_{b2}}{\∫}{P}_{\mathrm{rbo}}\left(t\right)\mathrm{dt}& \left(21\right)\end{array}$

式中，为列车再生制动产生的功率；E_rbo为列车再生制动产生的能量。 

7.再生制动回馈电网或第三轨能量模型 

这部分回馈能量来自于电机反转后产生的再生制动能量。它经过 交流变直流转换后回馈到供电网(或第三轨)中继续使用。根据供电网输入电压U_i(t)及反向线电流I_re(t)，可得再生制动回馈电网能量模型为： 

P_rbb(t)＝U_i(t)I_re(t)    (22) 

$E_{\mathrm{rbb}}=\stackrel{t_{b2}}{\∫}{P}_{\mathrm{rbb}}\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(23\right)$

式中，为列车再生制动回馈到电网的功率；E_rbb为列车再生制动回馈到电网的能量。 

下面介绍本发明的原理。 

本发明提供的列车运行控制方法，输入变量包含：预先规划的站间速度曲线、实时牵引供电网/第三轨电压、轨道线形(坡度、曲度、速限)及相关阻力(空气阻力)、实时列车运行粘着力估算、列车到站时间估算。输出变量为实时列车运行模式(加速、减速、等速、惰行四种运行模式)、实时加减速度指示、实时速度指示。 

关于输入变量，预先规划的站间速度曲线主要是事先规划以提供列车行控装置作为列车行驶于站间的速度指示，无论此速度曲线的取得是否经过优化处理，本发明所提出的方法均适用。实时牵引供电网/第三轨电压在列车运行时由车上的集电弓/集电靴收集电力进入车载变电装置附近取得，据此判断目前牵引动力供电系统的电能使用情形。当牵引供电网/第三轨电压过度低于牵引动力变电站供电电压时，表示同一路线上有其他列车正在消耗电能，造成线路压降，致使牵引供电网/第三轨电压下降。当牵引供电网/第三轨电压高于牵引动力变电站供电电压时，表示同一路线上有其他列车正因电力制动而释放电能，造成线路压升，致使牵引供电网/第三轨电压上升。因为轨道线形(坡度、曲度、速限)及相关阻力(空气阻力)影响列车运行的速度曲线与能耗，相同的速度曲线在不同的线形环境下将产生不同的能耗。实时列车运行粘着力估算的目的在于确保经由本发明方法所产生的运行模式、加减速度及速度等指示不会造成列车打滑。列车到站时间 估算的目的在于符合列车时刻表到站时间的要求。根据预先规划的站间速度曲线，可以知道列车出站后任何里程到下一停靠站的剩余时间。虽然本发明方法为了充分运用同一路线上所有运营列车因电力制动所回送的电能，而使得列车不完全依据原先规划的站间速度曲线行驶，但原先所规划的站间速度曲线仍然具有使列车准点运行的参考价值。 

如图2、图3所示，本发明的方法包括以下步骤： 

S1、根据列车运行数据预测列车站间运行的时间-速度曲线； 

S2、利用所述曲线控制列车运行，在列车运行过程中，根据牵引供电网或第三轨的电压，轨道线形参数、列车所受阻力以及粘着力调节列车在下一时刻的运行模式、速度及加速度。 

步骤S2具体包括： 

S21、将当前所述牵引供电网或第三轨的电压，轨道线形参数、列车所受阻力以及粘着力作为倒传递类神经网络输入层的值，根据所述输入层的值计算倒传递类神经网络隐藏层的值； 

S22、利用所述隐藏层的值计算倒传递类神经网络输出层的值，所述输出层的值包括表示运行模式的数值、速度及加速度； 

S23、将所述输出层的值与预设输出目标值比较，并调节所述输出层的值，使得二者之间的差值最小。 

列车站间运行依循着加速、减速、等速、惰行四种运行模式行驶，其中加速与减速模式给定加减速度值，等速模式则维持原先速度，惰行模式则停止供应电能，完全仅靠列车的动能维持速度。但无论何种模式，均需有一目标速度。因此本发明为节省列车运能电能所提出的具体方法呈现在输出变量，也就是实时列车运行模式、实时加减速度指示、实时速度指示三项。 

实施例 

假设列车A将出发前往下一停靠站，列车A将接收来自列控中心 的运行数据。列控中心根据时刻表准点、系统运量等需求，决定列车A站间运行的时间，进而规划列车站间运行时间-速度曲线。列车A的站间运行时间-速度曲线可以转换为每一里程距离到站时间及每一里程列车速度，每一里程标示间隔依系统反应时间及相关需求决定。启动后，列车A将依据运行速度曲线调节速度，便于控制行进。 

当列车A行进于站间，除了依据列控中心的时间-速度曲线调节速度外，本发明所提出的方法将利用牵引供电网或第三轨电压的高低判断目前牵引动力供电系统的能量使用，并且考虑目前各项阻力及粘着力的情形，据以决定列车A在下一瞬间的运行模式、速度与加减速度的调节。 

调整方法可以利用人工智能或其他优化算法达到目的。在此以图4的三层式倒传递类神经网络为例进行说明，其中包含若干个神经元与其间的连结。在输入层中，8个神经元为输入向量X∈{x₁，x₂，...，x₈}，包含有列车的位置、速限、列车所受阻力、速度、列车所受粘着力、牵引供电网或第三轨电压、每一里程速度、每一里程距离到站时间(也可以为牵引供电网或第三轨的电压、轨道线形参数、列车所受阻力以及粘着力这四个值)。隐藏层有5个神经元Y∈{y₁，y₂，...，y₅}。在输出层中，3个神经元为输出向量Z∈{z₁，z₂，z₃}，包含列车的运行模式、加减速度、速度等指示。以下两式说明隐藏层及输出层神经元的值如何计算。 

$y_i=f\left(\underset{k=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{\mathrm{ik}}{x}_k\right)$

$z_j=f\left(\underset{k=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{\mathrm{jk}}{y}_k\right)$

$f\left(\mathrm{\α}\right)=\frac{1}{1+e^{-\mathrm{\α}}}$

其中，u_ik是第k个输入层神经元到第i个隐藏层神经元的权重值，v_jk是第k个隐藏层神经元到第j个隐藏层神经元的权重值。f是sigmoid函数，数值范围介于0与1之间。 

倒传递类神经网络将输入层的数值(x_k)与权重值(u_ik)相乘后相加，经过sigmoid函数转换，再减去该神经元的门坎值(预设阈值)后，成为隐藏层的数值(y_k)。同理，将隐藏层的数值(y_k)与权重值(v_jk)相乘后相加，经过sigmoid函数转换，再减去该神经元的门坎值(预设阈值)后，成为输出层的数值(z_k)。 

当计算出输出层的数值(z_k)后，与输出目标值(t_k)比较，利用能量函数评估两者间差距，并调整各权重值及门坎值，尽可能将能量函数数值最小化。能量函数E可以定义为 

$E=\frac{1}{2}\underset{k=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{(t_k-z_k)}^2$

其中，t_k是输出目标值。z_k是输出计算值。 

经由本发明方法的调节，将造成列车A无法符合原先列控中心所提供的时间-速度曲线，但是在决策中将考虑到站时间的因素，因此将同时达到运行节能与准点的目的。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。 

Claims (5)

1.一种轨道列车节省电能运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据列车运行数据预测列车站间运行的时间-速度曲线；

S2、利用所述曲线控制列车运行，在列车运行过程中，根据当前牵引供电网或第三轨的电压，轨道线形参数、列车所受阻力以及粘着力调节列车在下一时刻的运行模式、速度及加速度；且根据列车到站时间估算使得列车符合列车时刻表到站时间的要求。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，利用三层式倒传递类神经网络调节列车在下一时刻的运行模式、速度及加速度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

S21、将当前所述牵引供电网或第三轨的电压，轨道线形参数、列车所受阻力以及粘着力作为倒传递类神经网络输入层的值，根据所述输入层的值计算倒传递类神经网络隐藏层的值；

S22、利用所述隐藏层的值计算倒传递类神经网络输出层的值，所述输出层的值包括表示运行模式的数值、速度及加速度；

S23、将所述输出层的值与预设输出目标值比较，并调节所述输出层的值，使得二者之间的差值最小。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运行模式包括加速、减速、等速和惰行四种。

5.如权利要求1～4中任一项所述的方法，其特征在于，所述轨道线形参数包括轨道的坡度、曲度和速限。