CN106672027A - 一种城市轨道交通ats节能时刻表编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，通过分析多列车节能的运行模式，分解各运行阶段，近似计算可利用的节能运行重叠时间，为能耗计算提供车辆运行能耗；此外，引入了遗传算法，把求解总能耗最小问题，转化为求解多列车最佳到站时刻与离站时刻的最优化问题，采用离线计算的形式对多列车进行分段计算；采用该方法生成的ATS节能时刻表，可以达到降低多列车运行总能耗的目的。

Description

一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法

技术领域

本发明涉及城市轨道交通技术领域，尤其涉及一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法。

背景技术

在城市轨道交通信号控制系统中，基于无线通信的列车控制系统(简称CBTC)逐渐成为主流，最近开通的地铁线路均采用了CBTC的信号系统，尤其是国产信号系统的大力发展，更是推动了CBTC技术应用的普及，这种信号系统，最大的改变就是列车驾驶方式的变化。

据统计，在地铁运行过程中，列车能耗占总能耗的50％以上，现有的节能方法主要有轻体化车辆，减小运行阻力，提高供电效率，节能驾驶，再生制动应用，其中节能时刻表对多列车运行能耗影响最大。通过技术手段实现节能减排，开展城轨节能策略研究对降低轨道交通运营成本，有着更为显著的意义。

在CBTC系统中，车载ATO设备在ATP监督下，负责驾驶列车运行的功能。ATS系统除了能实现对列车的监视和追踪功能外，最重要的功能是能向ATO运行列车下达时刻表信息，控制列车按照期望的计划行驶，以贴近既定的时刻表或其他目标。

故在多列车高峰运行时，可通过设定合理的运行时刻表来实现多列车的节能利用。

当前ATS系统对列车的节能调整，主要涉及2个方面：1)基于时间段进行节能运行调整；2)基于在线列车数量进行节能运行调整。

当ATS时刻表下达给ATO控车时，列车运行过程中可能会有延误或早点，ATS通过设定列车的停站时间和区间运行等级(旅行时间)，自动调整列车运行等级。这些方法都是定性的节能调整，在日常的非高峰时间运用中能够实现节能效果，但在高峰时间内使用效果较差，不能达到多列车再生能有效利用的效果，也未考虑列车的节能利用率，此外，ATS节能给出的方法，没有反应到具体的时刻表编制工作中。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，可以达到降低多列车运行总能耗的目的。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，包括：

根据列车发车时间间隔、列车在车站n停站时间以及规定的车站n至车站n+1的区间运行时间来计算列车i离开车站n的时刻，再结合列车i从车站n至车站n+1的实际运行时间来计算列车i在车站n+1的到站时刻，从而在列车i与列车i+1的重叠时间段建立列车i的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数；

根据所有列车的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数，来获得相应的总的可利用能量，进而计算总共能够利用的再生能量；

将求解每一列车在每一车站的最佳到站时刻与离站时刻转换为，求解最大的总共能够利用的再生能量的问题，利用遗传算法来求取最大的总共能够利用的再生能量数值，根据求解到的每一列车在每一车站的最佳到站时刻与离站时刻，来生成ATS节能时刻表。

所述根据列车发车时间间隔、列车在车站n停站时间以及规定的车站n至车站n+1的区间运行时间来计算列车i离开车站n的时刻包括：

定义参数X＝{Tin,x_n,n＝1,...,N-1}，ε＝{ε_n,n＝1,...,N-1}；其中，Tin为列车发车时间间隔，x_n为列车在车站n停站时间，ε_n为规定的车站n至车站n+1的区间运行时间；

则列车i离开车站n的时刻为：

所述结合列车i从车站n至车站n+1的实际运行时间来计算列车i在车站n+1的到站时刻包括：

列车i从车站n至车站n+1的实际运行时间包括：牵引、巡航、惰行、制动阶段的所用时间之和，这四个阶段所用时间分别记为：

则列车i进入巡航阶段的时刻为：

列车i进入制动阶段的时刻为：

列车i达到车站n+1的时刻为：

所述在列车i与列车i+1的重叠时间的区域建立列车i的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数包括：

根据动能守恒原理，得到列车i从车站n运行至车站n+1时每一时刻t的实时速度：

式中，分别为列车i从车站n运行至车站n+1时，牵引阶段、惰行阶段、制动阶段的加速度，为列车i离开车站n+1的时刻；

在重叠时间段，建立列车牵引力能量函数为：

P_n1(X,ε,t)＝m(v_in ²(X,ε,t+1)-v_in ²(X,ε,t))(1-α₁)/2；

建立列车再生制动能量函数：

式中，m为列车重量，α₁为电能到动能的损失率，α₂为动能到电能的损失率，α₃为再生制动转化损失率。

所述根据所有列车的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数，来获得相应的总的可利用能量的公式为：

其中，M为列车数量，ρ(i,i+1)取值为0或者1，当列车i与列车列车i+1处于同一供电区段时，ρ(i,i+1)取值为1，否则取值为0。

计算总共能够利用的再生能量的公式包括：

P_reg＝F(X,ε)。

重叠时间段包括：

当前车制动后车牵引时，前、后车的重叠时间段为前车制动和后车牵引的重叠时间段，分为如下两种情况：

当前车在惰行时，后车开始启动，设列车1为前车，列车2为后车，此时约束条件表示为：

当

则重叠时间段为：

式中，分别为列车1牵引、巡航、惰行、制动阶段的所用时间，为列车2牵引阶段的所用时间，Tin为列车发车时间间隔；

当前车制动后，后车开始启动，此时约束条件表示为：

当和

则重叠时间段为：

当前车牵引后车制动时，则重叠时间段为：

式中，为第一列车牵引过程的所用时间，为第一列车制动过程的所用时间，TP1为列车1的停站时间。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，引入了遗传算法，把求解总能耗最小问题，转化为求解多列车最佳到站时刻与离站时刻的最优化问题，为保证不影响正常运行时间，计算运行时间时尽量贴近计划运行总时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的前车惰行后车开始启动时，两车运行时间的示意图；

图3为本发明实施例提供的前车制动后车开始启动时，两车运行时间的示意图；

图4为本发明实施例提供的前车牵引后车制动时，两车运行时间的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

多列车运行节能优化模型是指在时刻表的约束条件下，降低多列车运行的总能耗。针对于每一辆列车而言，不同的运行策略决定了列车的能耗，而对于多列车整体而言，再生制动能的提出使各列车间的调度策略成了节能的关键。

在多列车的运行区间中再生制动能的利用主要可分为两种，一种是前车制动后车牵引模型，一种是前车牵引后车制动模型。由于列车运行是有序进行的，有固定的发车间隔，且有固定的区间运行时间和固定的停站时间。如果让牵引列车以适当小的牵引力等待制动列车的出现，这样就会相对延长列车原有的牵引过程时间，实现再生制动能的利用相对增多。

为寻找使所有列车运行总能耗最低的时间间隔，将所有列车运行总能耗设为目标函数，所有列车运行时需要满足准点、定点停车、安全等约束条件。

本发明实施例中，通过分析多列车节能的运行模式，分解各运行阶段，近似计算可利用的节能运行重叠时间，为能耗计算提供车辆运行能耗；此外，引入了遗传算法，把求解总能耗最小问题，转化为求解多列车最佳到站时刻与离站时刻的最优化问题，采用离线计算的形式对多列车进行分段计算，为保证不影响正常运行时间，计算运行时间时尽量贴近计划运行总时间。如图1所示，其主要包括：

1、根据列车发车时间间隔、列车在车站n停站时间以及规定的车站n至车站n+1的区间运行时间来计算列车i离开车站n的时刻，再结合列车i从车站n至车站n+1的实际运行时间来计算列车i在车站n+1的到站时刻，从而在列车i与列车i+1的重叠时间段建立列车i的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数。

本发明实施例中，所述根据列车发车时间间隔、列车在车站n停站时间以及规定的车站n至车站n+1的区间运行时间来计算列车i离开车站n的时刻包括：

定义参数X＝{Tin,x_n,n＝1,...,N-1}，ε＝{ε_n,n＝1,...,N-1}；其中，Tin为列车发车时间间隔，x_n为列车在车站n停站时间，ε_n为规定的车站n至车站n+1的区间运行时间；

则列车i离开车站n的时刻为：

而列车i从车站n至车站n+1的实际运行时间包括：牵引、巡航、惰行、制动阶段的所用时间之和，这四个阶段所用时间分别记为：通常情况下，要求T是正常的运行时间，T'可容忍的早晚点时间。

则列车i进入巡航阶段的时刻为：

列车i进入制动阶段的时刻为：

列车i达到车站n+1的时刻为：

根据动能守恒原理，得到列车i从车站n运行至车站n+1时每一时刻t的实时速度：

式中，分别为列车i从车站n运行至车站n+1时，牵引阶段、惰行阶段、制动阶段的加速度；为列车i离开车站n+1的时刻。

在重叠时间段，建立列车牵引力能量函数为：

P_n1(X,ε,t)＝m(v_in ²(X,ε,t+1)-v_in ²(X,ε,t))(1-α₁)/2；

建立列车再生制动能量函数：

G_n1(X,ε,t)＝m(v_in ²(X,ε,t)-v_in ²(X,ε,t+1))(1-α₂)(1-α₃)/2；

式中，m为列车重量，α₁为电能到动能的损失率，α₂为动能到电能的损失率，α₃为再生制动转化损失率。

2、根据所有列车的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数，来获得相应的总的可利用能量，进而计算总共能够利用的再生能量。

总的可利用能量的计算公式为：

其中，M为列车数量，ρ(i,i+1)取值为0或者1，当列车i与列车列车i+1处于同一供电区段时，ρ(i,i+1)取值为1，否则取值为0。

计算总共能够利用的再生能量的公式包括：

P_reg＝F(X,ε)。

3、将求解每一列车在每一车站的最佳到站时刻与离站时刻转换为，求解最大的总共能够利用的再生能量的问题，利用遗传算法来求取最大的总共能够利用的再生能量数值，根据求解到的每一列车在每一车站的最佳到站时刻与离站时刻，来生成ATS节能时刻表。

当获得每一列车在每一车站的最佳到站时刻与离站时刻后，即可生成ATS节能时刻表；此外，ATS节能时刻表中还应当设定列车区间运行时间，列车加速、惰行，制动距离和加速度；设定供电区段位置，设定可容忍的运行间隔时间等。

此外，上述方案除了可以获得ATS节能时刻表，还可以评价整个系统的节能效率，例如，求出牵引力能量函数和制动能量函数后进行比较，可以得知消耗的牵引力能耗中有多少被反馈回来。

另一方面，本发明实施例上述方案的计算过程还考虑了重叠时间段这个概念。

由于在列车牵引特性曲线中，列车启动时以最大牵引力进行牵引，使得列车的加速度保持在较大值，缩短列车的牵引阶段，最小化单列列车的能耗。

在移动闭塞下，后行列车的追踪目标点是前行列车的尾部，前后列车在运行过程中存在速度、位置的差异，因而在追踪运行过程中需要保留一定的安全距离L_min。两列车的最小距离ΔL＝L-L_min也在不断发生变化，L为列车间隔距离，所以列车运行的间隔也在不断发生变化。当ΔL在规定的距离之内，并且较大时，后行列车不受前行列车影响；当ΔL较小时，后行列车受到前车影响越来越大。

因此，每一组控制策略对应一组列车运行时间组合，不同的列车发车时间间隔Tin，导致列车运行重叠部分面积也随之变化。为了便于理解，下面结合附图2-4来进行说明。

1)前车制动后车牵引时，前、后车的重叠时间段为前车制动和后车牵引的重叠时间段，发车间隔不同，重叠时间也不相同；分为如下两种情况：

a、如图2所示，当前车在惰行时，后车开始启动，设列车1为前车，列车2为后车，此时约束条件表示为：

当

则重叠时间段为：

式中，分别为列车1牵引、巡航、惰行、制动阶段的所用时间，为列车2牵引阶段的所用时间，Tin为列车发车时间间隔；

b、如图3所示，当前车制动后，后车开始启动，此时约束条件表示为：

当和

则重叠时间段为：

2)如图4所示，当前车牵引后车制动时，则重叠时间段为：

式中，为第一列车牵引过程的所用时间，为第一列车制动过程的所用时间，TP1为列车1的停站时间。

根据上述分析可知，希望再生能量利用的越多，前车和后车有两种关系，一是前车牵引后车制动，一是前车制动后车牵引，两种关系的实际约束条件均一样。列车再生制动能耗大小可由同一站间列车运行时间的重叠时间计算，每一组控制策略对应一组列车运行时间组合，不同的列车发车时间间隔Tin，导致列车运行重叠时间段也随之变化。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，其特征在于，包括：

根据列车发车时间间隔、列车在车站n停站时间以及规定的车站n至车站n+1的区间运行时间来计算列车i离开车站n的时刻，再结合列车i从车站n至车站n+1的实际运行时间来计算列车i在车站n+1的到站时刻，从而在列车i与列车i+1的重叠时间段建立列车i的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数；

根据所有列车的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数，来获得相应的总的可利用能量，进而计算总共能够利用的再生能量；

将求解每一列车在每一车站的最佳到站时刻与离站时刻转换为，求解最大的总共能够利用的再生能量的问题，利用遗传算法来求取最大的总共能够利用的再生能量数值，根据求解到的每一列车在每一车站的最佳到站时刻与离站时刻，来生成ATS节能时刻表。

2.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，其特征在于，所述根据列车发车时间间隔、列车在车站n停站时间以及规定的车站n至车站n+1的区间运行时间来计算列车i离开车站n的时刻包括：

定义参数X＝{Tin,x_n,n＝1,...,N-1}，ε＝{ε_n,n＝1,...,N-1}；其中，Tin为列车发车时间间隔，x_n为列车在车站n停站时间，ε_n为规定的车站n至车站n+1的区间运行时间；

则列车i离开车站n的时刻为：

$t_{in}^1(X,\mathrm{\ϵ})=\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{x}_k+\underset{k=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ϵ}}_k+(i-1)Tin.$

3.根据权利要求2所述的一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，其特征在于，所述结合列车i从车站n至车站n+1的实际运行时间来计算列车i在车站n+1的到站时刻包括：

列车i从车站n至车站n+1的实际运行时间包括：牵引、巡航、惰行、制动阶段的所用时间之和，这四个阶段所用时间分别记为：

则列车i进入巡航阶段的时刻为：

$t_{in}^2(X,\mathrm{\ϵ})=t_{in}^1(X,\mathrm{\ϵ})+t_{t1}^i;$

列车i进入制动阶段的时刻为：

$t_{in}^3(X,\mathrm{\ϵ})=t_{in}^2(X,\mathrm{\ϵ})+t_{c1}^i+t_{o1}^i;$

列车i达到车站n+1的时刻为：

$t_{in}^4(X,\mathrm{\ϵ})=t_{in}^3(X,\mathrm{\ϵ})+t_{b1}^i.$

4.根据权利要求3所述的一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，其特征在于，所述在列车i与列车i+1的重叠时间的区域建立列车i的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数包括：

根据动能守恒原理，得到列车i从车站n运行至车站n+1时每一时刻t的实时速度：

$v_{in}\left(X,\mathrm{\&epsiv;},t\right)=\left\{\begin{array}{ccc}{a}_n^1\left(t-t_{in}^1\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\right)& if& t_{in}^1\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\&le;t<t_{in}^2\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\\ a_n^1{t}_{t1}^1-a_n^2\left(t-t_{in}^2\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\right)& if& t_{in}^2\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\&le;t<t_{in}^3\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\\ a_n^1{t}_{t1}^1-a_n^2{t}_{t1}^2-a_n^3\left(t-t_{in}^2\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\right)& if& t_{in}^3\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\&le;t<t_{in}^4\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\\ 0& if& t_{in}^4\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\&le;t<t_{i\left(n+1\right)}^1\left(X,\mathrm{\&epsiv;}\right)\end{array}\right.;$

式中，分别为列车i从车站n运行至车站n+1时，牵引阶段、惰行阶段、制动阶段的加速度，为列车i离开车站n+1的时刻；

在重叠时间段，建立列车牵引力能量函数为：

P_n1(X,ε,t)＝m(v_in ²(X,ε,t+1)-v_in ²(X,ε,t))(1-α₁)/2；

建立列车再生制动能量函数：

G_n1(X,ε,t)＝m(v_in ²(X,ε,t)-v_in ²(X,ε,t+1))(1-α₂)(1-α₃)/2；

式中，m为列车重量，α₁为电能到动能的损失率，α₂为动能到电能的损失率，α₃为再生制动转化损失率。

5.根据权利要求4所述的一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，其特征在于，所述根据所有列车的牵引力能量函数与列车再生制动能量函数，来获得相应的总的可利用能量的公式为：

$F(X,\mathrm{\&epsiv;})=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}min\{P_{n1}(X,\mathrm{\&epsiv;},t),G_{n1}(X,\mathrm{\&epsiv;},t)\}\mathrm{\&rho;}(i,i+1);$

其中，M为列车数量，ρ(i,i+1)取值为0或者1，当列车i与列车列车i+1处于同一供电区段时，ρ(i,i+1)取值为1，否则取值为0。

6.根据权利要求5所述的一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，其特征在于，计算总共能够利用的再生能量的公式包括：

P_reg＝F(X,ε)。

7.根据权利要求1或4所述的一种城市轨道交通ATS节能时刻表编制方法，其特征在于，重叠时间段包括：

当前车制动后车牵引时，前、后车的重叠时间段为前车制动和后车牵引的重叠时间段，分为如下两种情况：

当前车在惰行时，后车开始启动，设列车1为前车，列车2为后车，此时约束条件表示为：

当

则重叠时间段为：

式中，分别为列车1牵引、巡航、惰行、制动阶段的所用时间，为列车2牵引阶段的所用时间，Tin为列车发车时间间隔；

当前车制动后，后车开始启动，此时约束条件表示为：

当和

则重叠时间段为：

当前车牵引后车制动时，则重叠时间段为：

$\left\{\begin{array}{cc}0& TP1\&GreaterEqual;Tin\\ \min \left\{t_{b1}^2,t_{t1}^1+TP1+t_{b1}^2-Tin\right\}& t_{b1}^2+TP1<Tin<t_{t1}^1+TP1+t_{b1}^2\\ \min \left\{t_{t1}^1,Tin-TP1\right\}& TP1<Tin\&le;t_{b1}^2+t_{t1}^1\\ 0& Tin\&GreaterEqual;t_{t1}^1+TP1+t_{b1}^2\end{array}\right.$

式中，为第一列车牵引过程的所用时间，为第一列车制动过程的所用时间，TP1为列车1的停站时间。