CN108116455B - 城市轨道交通综合节能系统及基于该系统的综合节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开一种城市轨道交通综合节能系统及基于该系统的综合节能方法，能降低列车牵引能耗。系统包括：调度中心ATS，基于不同时间段调节的柔性运行图时刻表计算列车运营时刻和计划时刻，将其发送给车载VOBC，以及在车载VOBC的车载ATO控车进站停车后，通过车载ATO汇报的提前发车状态来计算列车下一区间需执行的运行节能等级，将其发送给车载VOBC；区域控制器ZC，用于计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，在具有剩余能量时将剩余能量转化为牵引时长进行分配并发送给其他列车的车载VOBC；车载VOBC，用于根据调度中心ATS或区域控制器ZC发送的信息采用相应的节能驾驶策略控制列车行驶。

Description

城市轨道交通综合节能系统及基于该系统的综合节能方法

技术领域

本发明实施例涉及信号控制领域，具体涉及一种城市轨道交通综合节能系统及基于该系统的综合节能方法。

背景技术

随着轨道交通的迅捷发展，城市轨道交通系统的运营总能耗随之迅速增加。其中用电耗能为运营过程中耗能的主要形式。从用电耗能的主体来看，用电能耗主要分为列车牵引能耗和动力照明能耗。列车牵引能耗主要由牵引网或第三轨向列车供电牵引列车运行产生，动力照明能耗则有站内换气、空调、照明、电梯/自动扶梯、检票机、车站防灾等设备的能耗构成。其中，列车牵引能耗占运营总能耗的50％～60％，是构成城市轨道交通系统运营总能耗的主要部分，因此如何尽可能的降低列车牵引能耗，减少运营用电总量，成为一项亟待研究的重要课题。

传统的城市轨道交通信号系统实现节能方法有通过制定节能时刻表，或者车载ATO单车实施特定的驾驶策略增大惰行来实现节能的目的。但是因为没有在系统整体对节能形成统一、协调的联动操作和综合管理。这样导致的结果一方面是各个子系统各自为战，实施节能手段还受到其他子系统的制约；另一方面则是节能操作单一，没有有效的联动操作，造成了节能效果的不理想。再加上迫于城市人口出行越来越密集，需要及时运输且需保证准点要求的运营压力，运营方不得不放弃了节能操作。

基于上述描述可知，亟需提供一种尽可能较少列车牵引能耗的城市轨道交通节能系统体系，以保证列车在ATO模式控车下，各个子系统的综合联动操作，实现降低列车牵引能耗的目的。

发明内容

针对现有技术存在的不足和缺陷，本发明实施例提供一种城市轨道交通综合节能系统及基于该系统的综合节能方法。

一方面，本发明实施例提出一种城市轨道交通综合节能系统，包括：

无线管理DCS、调度中心ATS、区域控制器ZC以及车载VOBC；其中，

所述无线管理DCS，用于实现所述调度中心ATS和区域控制器ZC与所述车载VOBC之间的无线通信；

所述调度中心ATS，基于不同时间段调节的柔性运行图时刻表计算列车运营时刻和计划时刻，将所述列车运营时刻和计划时刻发送给所述车载VOBC，以及在所述车载VOBC的车载ATO控车进站停车后，通过所述车载ATO汇报的提前发车状态来计算列车下一区间需执行的运行节能等级，将所述列车下一区间需执行的运行节能等级发送给所述车载VOBC；

所述区域控制器ZC，用于计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，在具有剩余能量时将剩余能量转化为牵引时长进行分配并发送给其他列车的车载VOBC，以使所述其他列车的车载VOBC根据对应的牵引时长对原速度距离曲线进行调整，并按调整后的速度距离曲线运行；

所述车载VOBC，用于根据所述调度中心ATS或区域控制器ZC发送的信息采用相应的节能驾驶策略控制列车行驶。

优选地，所述调度中心ATS，包括：

节能相关数据库、时间段参数计算模块、节能运行数据计算模块和动态区间节能运行等级计算模块；其中，

所述节能相关数据库，包括：电子地图数据模块、列车行车数据模块和调度运营数据模块，其中，所述电子地图数据模块描述的是轨道线路信息，所述列车行车数据模块包括列车在任一个站间运行时产生的列车运行数据，所述调度运营数据模块包括不同客流时间段列车的调度运营数据信息；

所述时间段参数计算模块，用于利用所述调度运营数据模块计算计算柔性运行图节能运行数据所需的参数；

所述节能运行数据计算模块，用于利用所述计算柔性运行图节能运行数据所需的参数、电子地图数据模块和列车行车数据模块，通过归一化、指标评价、校验、迭代和绘制步骤来计算柔性运行图所需的节能运行数据。

优选地，所述调度中心ATS，还包括：

所述动态区间节能运行等级计算模块，具体用于：

在车载ATO控车进站停车后，基于车载ATO汇报的提前发车状态对列车剩余发车时间进行有效性检查，若剩余发车时间小于或等于0，则确定出中间区间等级为区间默认运行等级，或者若剩余发车时间大于0，则确定出当前剩余站停时间，并确定出中间区间等级为所述当前剩余站停时间相应的区间运行节能等级，其中，所述当前剩余站停时间相应的区间运行节能等级包括高速节能、中速节能和低速节能三种；

根据列车车型及编组来进行中间区间等级的校验，若校验通过则将中间区间等级作为列车下一区间需执行的运行节能等级，若校验失败则将区间默认运行等级作为列车下一区间需执行的运行节能等级。

优选地，所述节能运行数据计算模块，具体用于：

归一化：将不同客流时间段参数按照时间的长短间隔进行归一化处理，统一成可计算识别的标量；

指标评价：基于所述标量对各站停站时间、区间运行时间进行总体指标评价，考虑局部优化和整体优化，计算出一个总体的评价指标；

检验：将所述总体的评价指标与期望的总体评价指标进行比对，若达标，则不对各站停站时间和区间运行时间进行调整；若不达标，则重复执行迭代计算步骤直至迭代次数未超限且达标，或者若迭代次数超限后仍不达标，则循环执行降低期望的总体评价指标以及重复执行迭代计算步骤的过程直至迭代次数未超限且达标；

迭代计算：微量调整各站的停站时间和区间运行时间，回到指标评价步骤计算总体的评价指标；

绘制：在最终得到各站的停站时间和区间运行时间后，利用不同时间段的节能运行数据组合绘制形成全天候的柔性运行图。

优选地，所述区域控制器ZC，包括：

剩余能计算模块，用于根据当前控制区域内列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，计算剩余能量；

能量优化分配模块，用于根据计算得到的剩余电能，对每个非制动列车所分配能量进行优化；

列车控制模块，用于将优化后的剩余能量转化为牵引时长分配给供电区段内非制动列车。

优选地，所述车载VOBC的车载ATO，用于：

上电后接收所述调度中心ATS发送的列车运营时刻和计划时刻，判断是否满足可选择ATO节能按钮的条件，若满足可选择ATO节能按钮的条件，在司机触按MMI的INFO区域后，进入节能模式选择界面，其中，所述节能模式选择界面有两个虚拟按钮，分别为节能和非节能按钮，所述车载ATO在上电后默认为不节能状态；

在司机选择节能按钮后，计算响应节能的目标速度曲线，根据所述列车运营时刻和计划时刻，通过比较获取完成本次任务运营的剩余时间，然后从所述电子地图数据模块中获取距离目的地的各站间的距离和站停时分，计算出下一区间的运行节能等级，并在MMI上文字提示给司机；

在司机选择运行节能等级后，在发车后采用控制算法计算追踪目标速度需输出的控制量，计算完成后输出相应的牵引、制动或惰行指令给列车和所述区域控制器ZC，其中，所述牵引、制动或惰行指令用来控制列车速度与目标速度一致。

优选地，所述车载VOBC的车载ATO，还用于：

当接收到所述区域控制器ZC发送的牵引时长和制动列车制动的开始时间和结束时间，根据所述牵引时长计算施加对应能量牵引后的惰行时间，当根据所述制动列车制动的开始时间确定制动列车开始制动时，施加所述牵引时长的牵引命令，当根据所述制动列车制动的结束时间确定制动列车停止制动时，施加所述惰行时间的惰行命令，并在列车恢复为原速度距离曲线时转入原速度距离曲线方式控制列车运行。

优选地，所述车载VOBC的车载ATO，还用于：

在列车进站停稳后，接收所述调度中心ATS发送的列车运营时刻和计划时刻，通过比较获取完成本次任务运营的剩余时间，并进行停站倒计时；

司机在本站完成开关门作业后，当按压发车启动按钮时，将发车状态发送给所述调度中心ATS；

接收所述调度中心ATS发送的列车下一区间需执行的运行节能等级；

计算响应节能的目标速度曲线，根据所述列车下一区间需执行的运行节能等级采用控制算法计算追踪目标速度需输出的控制量，计算完成后输出相应的牵引、制动或惰行指令给列车，其中，所述牵引、制动或惰行指令用来控制列车速度与目标速度一致。

优选地，不满足可选择ATO节能按钮的条件，包括：

列车处于车辆段的停车场/停车库内；

列车处于正线的折返流程中的折返区域内；

非CBTC-AM模式下；以及

单车节能情况下，列车以某种原因在站间退出CBTC-AM后，再次进入CBTC-AM模式。

另一方面，本发明实施例提出一种基于上述城市轨道交通综合节能系统的综合节能方法，包括：

所述调度中心ATS基于不同时间段调节的柔性运行图时刻表计算列车运营时刻和计划时刻，将所述列车运营时刻和计划时刻发送给所述车载VOBC，以及在所述车载VOBC的车载ATO控车进站停车后，通过所述车载ATO汇报的提前发车状态来计算列车下一区间需执行的运行节能等级，将所述列车下一区间需执行的运行节能等级发送给所述车载VOBC；

所述区域控制器ZC计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，在具有剩余能量时将剩余能量转化为牵引时长进行分配并发送给其他列车的车载VOBC，以使所述其他列车的车载VOBC根据对应的牵引时长对原速度距离曲线进行调整，并按调整后的速度距离曲线运行；

所述车载VOBC根据所述调度中心ATS或区域控制器ZC发送的信息采用相应的节能驾驶策略控制列车行驶。

本发明实施例提供的城市轨道交通综合节能系统及基于该系统的综合节能方法，可在ATO控车状态下，通过调度中心ATS、区域控制器ZC、无线管理DCS以及车载VOBC的联动，实现多方位、多手段的节能操作：通过柔性运行图、基于在线列车早发时间判断区间运行等级、利用进站列车制动剩余能量以及车载可远程接收ATS运行节能等级、支持司机人工选择节能等级以及依照ZC发送的牵引时长增大惰行等手段，尽可能的降低了列车的牵引能耗。

附图说明

图1为本发明实施例城市轨道交通综合节能系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明各子系统的交互关系和数据流图；

图3为本发明实施例城市轨道交通综合节能方法一实施例的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明实施例保护的范围。

参看图1，本实施例公开一种城市轨道交通综合节能系统，包括：

无线管理DCS103、调度中心ATS101、区域控制器ZC102以及车载VOBC104；其中，

所述无线管理DCS103，用于实现所述调度中心ATS101和区域控制器ZC102与所述车载VOBC104之间的无线通信；

所述调度中心ATS101，基于不同时间段调节的柔性运行图时刻表计算列车运营时刻和计划时刻，将所述列车运营时刻和计划时刻发送给所述车载VOBC104，以及在所述车载VOBC104的车载ATO控车进站停车后，通过所述车载ATO汇报的提前发车状态来计算列车下一区间需执行的运行节能等级，将所述列车下一区间需执行的运行节能等级发送给所述车载VOBC104；

所述区域控制器ZC102，用于计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，在具有剩余能量时将剩余能量转化为牵引时长进行分配并发送给其他列车的车载VOBC104，以使所述其他列车的车载VOBC104根据对应的牵引时长对原速度距离曲线进行调整，并按调整后的速度距离曲线运行；

所述车载VOBC104，用于根据所述调度中心ATS101或区域控制器ZC102发送的信息采用相应的节能驾驶策略控制列车行驶。

本发明实施例提供的城市轨道交通综合节能系统，通过调度中心ATS采用静态的编制基于不同时间段调节的柔性运行图和动态的基于在线列车运行状态的节能运行调整两种节能手段相结合达到节能目的，通过区域控制器ZC合理计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，若具有剩余能量则分配能量转化为牵引时间发送其他列车，使列车增大区间运行的惰行时间，从而达到降低牵引能耗的目的。

图2为本发明城市轨道交通综合节能系统各子系统的交互关系和数据流图，如图2所示，首先对车载ATO上电，这时车载VOBC会接收到调度中心ATS发送的列车运营时刻和计划时刻，其中，车载ATO在上电后默认为不节能状态，所述列车运营时刻和计划时刻由调度中心ATS根据时刻表计算；之后，车载ATO判断是否满足可选择ATO节能按钮的条件，若满足可选择ATO节能按钮的条件，在司机触按MMI的INFO区域后，进入节能模式选择界面，其中，所述节能模式选择界面有两个虚拟按钮，分别为节能和非节能按钮，所述车载ATO在上电后默认为不节能状态；接着，在司机选择节能按钮后，计算响应节能的目标速度曲线，根据所述列车运营时刻和计划时刻，通过比较获取完成本次任务运营的剩余时间，然后从所述电子地图数据模块中获取距离目的地的各站间的距离和站停时分，计算出下一区间的运行节能等级，并在MMI上文字提示给司机；接着，在司机选择运行节能等级后，在发车后采用控制算法计算追踪目标速度需输出的控制量，计算完成后输出相应的牵引、制动或惰行指令给列车和所述区域控制器ZC，其中，所述牵引、制动或惰行指令用来控制列车速度与目标速度一致，在列车运行的过程中，车载VOBC会将列车位置和状态发送给调度中心ATS以使调度中心ATS将列车位置和状态显示在调度中心大屏；接着，区域控制器ZC比较当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量，计算分配给列车的能量，将分配的能量转化为牵引时长连同制动列车的制动开始时间和结束时间发送给列车的车载VOBC；之后，当车载VOBC接收到所述区域控制器ZC发送的牵引时长和制动列车制动的开始时间和结束时间，车载ATO根据所述牵引时长计算施加对应能量牵引后的惰行时间，当根据所述制动列车制动的开始时间确定制动列车开始制动时，施加所述牵引时长的牵引命令，当根据所述制动列车制动的结束时间确定制动列车停止制动时，施加所述惰行时间的惰行命令，并在列车恢复为原速度距离曲线时转入原速度距离曲线方式控制列车运行。

而在列车进站停稳后，车载VOBC会将列车位置和状态发送给调度中心ATS以使调度中心ATS根据列车位置、状态和时刻表计算列车运营时刻和计划时刻并反馈给车载VOBC，车载VOBC在接收到所述调度中心ATS发送的列车运营时刻和计划时刻后，车载ATO会通过比较获取完成本次任务运营的剩余时间，并进行停站倒计时；司机在本站完成开关门作业后，当按压发车启动按钮时，将发车状态发送给所述调度中心ATS；调度中心ATS比较计划发车时间和实际发车时间，计算列车下一区间需执行的运行节能等级发送给车载VOBC；车载VOBC在接收到所述调度中心ATS发送的列车下一区间需执行的运行节能等级后，车载ATO会计算响应节能的目标速度曲线，根据所述列车下一区间需执行的运行节能等级采用控制算法计算追踪目标速度需输出的控制量，计算完成后输出相应的牵引、制动或惰行指令给列车，其中，所述牵引、制动或惰行指令用来控制列车速度与目标速度一致。

下面对附图2涉及的城市轨道交通综合节能系统的各个子系统进行详细说明。

一、调度中心ATS

调度中心ATS通过采用两种节能手段相结合达到节能目的：1.静态的编制基于不同时间段调节的柔性运行图，2.动态的基于在线列车运行状态的节能运行调整。

当ATS通过基于不同时间段调节的柔性运行图时刻表，在车载ATO控车时，通过设定列车的停站时间和区间运行等级(旅行时间)，自动调整列车的区间运行等级，这属于静态的节能调整措施。当ATS接收各列车的在车站的发车时间，与计划的站停时间相比较，当满足判据条件则动态计算列车下一区间的旅行时间来增大列车区间行驶过程中的惰行，这种方法则属于动态的节能调整措施。

为了实现静态的节能调整措施，需要编制基于不同时间段调节的柔性运行图，过程如下：

首先，对城市轨道节能运行的运行图进行数据建模，建立可供节能运行图分析计算的数据库；数据库包括电子地图数据模块、列车行车数据模块和调度运营数据模块等。数据模块为具体真实城市轨道交通线路和真实车辆制作而成，采用专门的数据录入及制作软件生成，经过人工审查和机器自动审查通过数据有效性检查后方可使用。

电子地图数据描述的轨道线路信息，包括线路的逻辑区段位置、道岔位置、信号机位置、应答器位置、车站位置、牵引变电站位置及容量、供电分区、轨道分区等数据信息。

列车运行数据包括列车在任一个站间运行时产生的列车运行数据。包括列车区间运行时间、区间运行能耗、牵引/制动及惰行次数等。列车运行数据既可以采用列车运行仿真时生成的数据，也可以采用实际测量的列车运行数据。一般使用实际测量的列车运行数据来进行真实的节能模型仿真，但如不具备条件使用真实数据，如线路未开通未真实列车运行，也可以采用室内仿真列车运行数据。

调度运营数据包括不同时间段列车的发车车次、发车间隔、发车对数等调度运营数据信息。

其次，分别计算不同客流时间段的参数。步骤包括：1.根据调度运营数据对不同发车时间段进行运营分组；2.根据不同的运营分组计算不同参数，利用参数计算该时间段的节能运行数据。

再次，计算不同时间段的节能运行数据，步骤包括：

1.归一化：将不同客流时间段参数按照时间的长短间隔进行归一化处理，统一成软件可计算识别的标量。

2.指标评价：对各站停站时间、区间运行时间进行总体指标评价，考虑局部优化和整体优化，计算出一个总体的评价指标；

3.迭代计算，微量调整各站的停站时间和区间运行时间，回到步骤2计算总体评价指标；

4.检验：检验优化性能，与期望的总体评价指标进行比对，若步骤2,3迭代次数超限后仍不达标，则降低期望总体评价指标，并返回步骤2，使其循环而达标。

最后，利用不同时间段的节能运行数据组合绘制形成全天候的节能运行图。

基于在线列车运行状态的节能运行调整：

当列车在ATO控车进站停车后，车载VOBC根据ATS发送的列车运营时刻和计划时刻计算该站停站时间进行停站倒计时。司机在本站完成开关门作业后，可以在未到达发车时间的情况下提前发车。具体表现在车载VOBC的逻辑为：当车载ATO判断前方进路开放，出站信号机为绿灯，且满足发车条件时，则控制ATO启动灯进行闪烁，提示司机可以提前发车。

当司机按压发车启动按钮，ATO将发车状态发送给ATS，ATS则将剩余发车时间与节能等级判据进行计算判定，具体计算步骤为：

1.对剩余发车时间进行有效性检查，若剩余发车时间小于等于0，则计算结果区间运行等级为默认运行等级；

2.当剩余发车时间大于0，则判断当前剩余站停时间为高速节能、中速节能和低速节能哪个档级内，得出相应的区间节能等级；

3.根据列车车型及编组来进行区间等级的校验，若校验通过则将该区间节能运行等级作为最终结果，若校验失败则将该区间默认运行等级作为最终结果。

若ATS计算完成该列车下一区间节能运行等级成功并取得有效的节能运行等级后，则将该节能运行等级发送给车载VOBC。若ATS计算完成后未取得有效的节能运行等级，则发送该区间的默认运行等级发送给VOBC。

VOBC按照ATS发送的节能等级，来调用内置的节能曲线数据库，选择该区间相应的节能曲线并按照该曲线行车。

调度中心ATS相关节能功能的模块包括：

1、节能相关数据库：包括电子地图数据模块、列车行车数据模块和调度运营数据模块等。用来制定节能柔性运行图建模、分析及计算使用。

2、时间段参数计算模块：通过不同客流时间段的运行数据来计算计算柔性运行图节能运行数据所需的参数。

3、节能运行数据计算模块：利用时间段参数，通过归一化、指标评价、迭代计算和校验等几个步骤来计算柔性运行图所需的节能运行数据。

4、动态区间节能运行等级计算模块：通过车载ATO汇报的提前发车状态来计算该列车下一区间需执行的运行节能等级。

二、区域控制器ZC

目前地铁列车多采用再生制动和机械制动混合制动方式，当列车速度较高时通常采用再生制动，当列车速度较低再生制动力不足时，施加机械制动。再生制动可将列车制动产生的能量进行回馈，除列车本身使用一部分外，其他的再生制动能量将反馈回电网。再生制动剩余电能是指在列车再生制动产生的能量超过同一供电区段内其他列车电能需求量的那部分再生制动能量。

本综合节能系统通过ZC区域控制器合理计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值。若具有剩余能量则分配能量转化为牵引时间发送其他列车，使列车增大区间运行的惰行时间，从而达到降低牵引能耗的目的。

具体步骤如下：

1、区域控制器根据当前控制区域内列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，计算剩余能量；

2、若剩余能量小于等于0时，则无需调整同供电区段内其他列车速度距离曲线，若剩余能量大于0时，则区域控制器Z对剩余能量转化为牵引时长进行分配发送给其他列车；

3、同区段内其他列车根据所分配的牵引时长计算施加该能量牵引后的惰行时间，并按照此牵引-惰行-牵引策略运行。需保证该阶段的平均速度与不施加该策略的该阶段平均速度相等；

4、区域控制器判断未来T时间内是否有列车制动，如有，则重复步骤1到4，若无，则执行当前运行方案。

其中，剩余能量分配的步骤如下：

同供电区段内的其他列车判断当前时刻是否为当前制动列车的进站制动开始时间，若是，则根据分配牵引时长来牵引列车，并执行步骤2，若不是，则重复当前步骤；

同供电区段的其他列车判断当前时刻是否为当前进站制动列车结束时间，若是，则转入惰行模式，并执行步骤3，若不是，则重复当前步骤；

同供电区段的其他列车判断是否恢复为原速度距离曲线，若是，则转入原速度距离曲线方式，若否，则重复当前步骤。

区域控制器ZC相关节能功能的模块包括：

1、剩余能计算模块，用于根据再生制动能量与同供电区段内其他列车计划运行所需能量的关系计算剩余能量；

2、能量优化分配模块，根据计算得到的剩余电能，对每个非制动列车所分配能量进行优化；

3、列车控制模块，用于将优化后的剩余能量分配给供电区段内非制动列车，使该非制动车对原速度距离曲线进行调整，并按新的速度距离曲线运行。

三、无线管理DCS

无线管理DCS实现CBTC系统地面设备之间和车地设备之间的双向信息交互的子系统,是CBTC系统的核心部件之一。调度中心ATS和区域控制器ZC通过无线管理DCS与车载VOBC来进行无线通信。

四、车载VOBC

车载VOBC负责功能模块为车载ATO子系统。在ATO控车状态下，具备三种方式来判断是否实施节能驾驶策略，其中包括：响应ATS远程节能命令，响应司机人工选择节能命令，响应ZC的节能命令。

响应ATS远程节能命令：当列车在ATO控车进站停车后，车载VOBC按照ATS发送的该站停站时间进行停站倒计时。司机在本站完成开关门作业后，可以在未到达发车时间的情况下提前发车。当司机按压发车启动按钮，ATO将发车状态发送给ATS，ATS则将剩余发车时间与节能等级判据进行计算判定，当计算完成并取得有效的节能等级后，则将该节能等级发送给ATO。按照ATS发送的节能等级，来调用内置的节能曲线数据库，选择该区间相应的节能曲线并按照该曲线行车。

响应司机人工选择节能命令：在MMI的INFO区域，设置ATO节能按钮。当列车在正线运营满足可选择ATO节能按钮的条件下，触按MMI的INFO区域，可进入节能模式选择界面，节能模式选择界面有两个虚拟按钮，分别为节能和非节能按钮；

列车接收ATS的时刻表信息，车载ATO基于列车当前运营时刻和计划到达目的站时刻进行比较，基于准点目标下，选择列车下一区间的节能等级，并在MMI上文字提示给司机下一区间的节能等级；

当司机触按MMI的节能/非节能按钮时，按钮显示高亮，并给出按钮选择的文字提示。司机选择后，触按返回区域回到MMI主界面；

MMI主界面共有四种相关的文字提示：①单车节能模式；②ATS节能模式；③非节能区域(车辆段、场内、折返轨显示)；④区间节能等级(高速节能、中速节能、低速节能)。1.若司机按压MMI节能按钮手动选择单车节能模式且ATO满足节能条件情况下，则MMI上显示①单车节能模式+④区间节能等级；2.若司机按压非节能按钮选择单车非节能模式，收到ATS的区间运行等级不为默认运行等级，且ATO满足节能条件情况下，则MMI上显示②ATS节能模式+④区间节能等级；3.若司机按压非节能按钮选择单车非节能模式，收到ATS的区间运行等级为默认运行等级，且列车未处于非节能区域，则MMI上无以上各文字提示显示；4.当列车当前处于非节能区域，ATO不能执行节能驾驶策略时，则MMI上显示③非节能区域；

当列车选择单车非节能模式情况下，且ATS发送的节能等级不是默认区间运行等级时，ATO可响应ATS发送的节能等级，同时MMI上会给予文字提示；

车载控制端的节能选择不能影响另一端的节能选择；

响应ZC的节能命令：当列车接收到ZC发送的牵引时长和制动列车制动的开始和结束时间，则根据所分配的牵引时长计算施加该能量牵引后的惰行时间，需保证该阶段的平均速度与不施加该策略的该阶段平均速度相等。当判断进站列车开始制动时，则施加相应时长的牵引命令，然后再执行之前计算出一段时间的惰行命令。采取执行牵引-惰行-牵引的节能驾驶策略，增大惰行来保证节能。

车载VOBC相关节能的模块包括：

数据输入模块：该模块用于接收与节能相关的外部输入信息，如ATS发送的区间节能等级、司机选择的人工节能命令、ZC发送的牵引时长和其他制动列车的制动开始/结束时间等信息；

节能命令有效性判断模块：该模块负责当接收到节能相关信息后，判断是否满足节能条件的节能有效性检查。如节能等级范围、是否处于允许节能区域、ZC发送的牵引时长是否在允许范围内等；

目标速度曲线计算模块：该模块用于计算响应节能的目标速度曲线，考虑列车编组、列车载重、列车性能、线路数据、区间运行时间等，综合计算出目标速度曲线；

目标速度跟踪模块：该模块用于采用控制算法计算追踪目标速度需输出的控制量，计算完成后输出相应的牵引、制动和惰行指令来控制列车速度与目标速度一致；

人机界面显示模块：该模块用于显示给司机提示信息的人机界面相关的逻辑管理，提示司机目标速度、当前区间节能等级以及不允许节能原因等信息；

数据输出模块：该模块用于发送与节能功能相关的外部输出信息，如发送给ATS的发车状态、发送给ZC的制动开始和结束时间等。

其中，所述方法还包括：

ATO节能策略的异常处理：

在车辆段的停车库/停车场内触按MMI的INFO区域，可正常进入日检界面，日检界面与之前保持一致，不显示ATO节能按钮；

在正线当ATO不满足可选择ATO节能按钮的条件下，触按MMI的INFO区域，无法进入节能模式选择界面；

车载控制端的节能选择不能影响另一端的节能选择；

列车上电后默认为非节能按钮，只要车载不下电，则需保持本端的节能按钮状态；

以节能模式ATO控车，在区间某种原因停车后，只能通过退出ATO控车来退出节能模式，或继续以节能模式ATO控车到下一站；

其中，不满足可选择ATO节能按钮/节能的条件包括：

列车处于车辆段的停车场/停车库内；

列车处于正线的折返流程中的折返区域内；

非CBTC-AM模式下

单车节能情况下，列车以某种原因在站间退出CBTC-AM后，再次进入CBTC-AM模式。

参看图3，本实施例公开一种基于前述实施例提供的城市轨道交通综合节能系统的综合节能方法，包括：

S1、所述调度中心ATS基于不同时间段调节的柔性运行图时刻表计算列车运营时刻和计划时刻，将所述列车运营时刻和计划时刻发送给所述车载VOBC，以及在所述车载VOBC的车载ATO控车进站停车后，通过所述车载ATO汇报的提前发车状态来计算列车下一区间需执行的运行节能等级，将所述列车下一区间需执行的运行节能等级发送给所述车载VOBC；

S2、所述区域控制器ZC计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，在具有剩余能量时将剩余能量转化为牵引时长进行分配并发送给其他列车的车载VOBC，以使所述其他列车的车载VOBC根据对应的牵引时长对原速度距离曲线进行调整，并按调整后的速度距离曲线运行；

S3、所述车载VOBC根据所述调度中心ATS或区域控制器ZC发送的信息采用相应的节能驾驶策略控制列车行驶。

本发明实施例提供的城市轨道交通综合节能方法，调度中心ATS采用静态的编制基于不同时间段调节的柔性运行图和动态的基于在线列车运行状态的节能运行调整两种节能手段相结合达到节能目的，区域控制器ZC合理计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，若具有剩余能量则分配能量转化为牵引时间发送其他列车，使列车增大区间运行的惰行时间，从而达到降低牵引能耗的目的。

与现有技术相比其显著优点是：第一，该系统在城市轨道交通系统的运营阶段实施，仅需优化调度运行中的列车停站时间间隔，即可实现降耗节能，简便易行；第二，运用本节能系统的轨道交通系统几乎能将所有的智能能耗合理转移，可为我国城市轨道交通系统每年节电亿度以上；第三，成本低，通过分析计算调整列车的能耗回馈与消耗关系，合理利用制动能量，不增加任何设备成本；第四，实用性强，本节能系统建立节能模型基于真实运营数据，使该列车能耗仿真模型建立的更精确，得到的节能运行图实用可靠；使得能耗设计结果与实际结果趋于一致。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种城市轨道交通综合节能系统，其特征在于，包括：

无线管理DCS、调度中心ATS、区域控制器ZC以及车载VOBC；其中，

所述无线管理DCS，用于实现所述调度中心ATS和区域控制器ZC与所述车载VOBC之间的无线通信；

所述调度中心ATS，基于不同时间段调节的柔性运行图时刻表计算列车运营时刻和计划时刻，将所述列车运营时刻和计划时刻发送给所述车载VOBC，以及在所述车载VOBC的车载ATO控车进站停车后，通过所述车载ATO汇报的提前发车状态来计算列车下一区间需执行的运行节能等级，将所述列车下一区间需执行的运行节能等级发送给所述车载VOBC；

所述区域控制器ZC，用于计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，在具有剩余能量时将剩余能量转化为牵引时长进行分配并发送给其他列车的车载VOBC，以使所述其他列车的车载VOBC根据对应的牵引时长对原速度距离曲线进行调整，并按调整后的速度距离曲线运行；

所述车载VOBC，用于根据所述调度中心ATS或区域控制器ZC发送的信息采用相应的节能驾驶策略控制列车行驶；

其中，所述调度中心ATS，包括：

节能相关数据库、时间段参数计算模块、节能运行数据计算模块和动态区间节能运行等级计算模块；其中，

所述节能相关数据库，包括：电子地图数据模块、列车行车数据模块和调度运营数据模块，其中，所述电子地图数据模块描述的是轨道线路信息，所述列车行车数据模块包括列车在任一个站间运行时产生的列车运行数据，所述调度运营数据模块包括不同客流时间段列车的调度运营数据信息；

所述时间段参数计算模块，用于利用所述调度运营数据模块计算柔性运行图节能运行数据所需的参数；

所述节能运行数据计算模块，用于利用所述计算柔性运行图节能运行数据所需的参数、电子地图数据模块和列车行车数据模块，通过归一化、指标评价、校验、迭代和绘制步骤来计算柔性运行图所需的节能运行数据；

所述节能运行数据计算模块，具体用于：

归一化：将不同客流时间段参数按照时间的长短间隔进行归一化处理，统一成可计算识别的标量；

指标评价：基于所述标量对各站停站时间和区间运行时间进行总体指标评价，考虑局部优化和整体优化，计算出一个总体的评价指标；

检验：将所述总体的评价指标与期望的总体评价指标进行比对，若达标，则不对各站停站时间和区间运行时间进行调整；若不达标，则重复执行迭代计算步骤直至迭代次数未超限且达标，或者若迭代次数超限后仍不达标，则循环执行降低期望的总体评价指标以及重复执行迭代计算步骤的过程直至迭代次数未超限且达标；

迭代计算：微量调整各站的停站时间和区间运行时间，回到指标评价步骤计算总体的评价指标；

绘制：在最终得到各站的停站时间和区间运行时间后，利用不同时间段的节能运行数据组合绘制形成全天候的柔性运行图。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述调度中心ATS，还包括：

所述动态区间节能运行等级计算模块，具体用于：

在车载ATO控车进站停车后，基于车载ATO汇报的提前发车状态对列车剩余发车时间进行有效性检查，若剩余发车时间小于或等于0，则确定出中间区间等级为区间默认运行等级，或者若剩余发车时间大于0，则确定出当前剩余站停时间，并确定出中间区间等级为所述当前剩余站停时间相应的区间运行节能等级，其中，所述当前剩余站停时间相应的区间运行节能等级包括高速节能、中速节能和低速节能三种；

根据列车车型及编组来进行中间区间等级的校验，若校验通过则将中间区间等级作为列车下一区间需执行的运行节能等级，若校验失败则将区间默认运行等级作为列车下一区间需执行的运行节能等级。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述区域控制器ZC，包括：

剩余能量计算模块，用于根据当前控制区域内列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，计算剩余能量；

能量优化分配模块，用于根据计算得到的剩余电能，对每个非制动列车所分配能量进行优化；

列车控制模块，用于将优化后的剩余能量转化为牵引时长分配给供电区段内非制动列车。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述车载VOBC的车载ATO，用于：

上电后接收所述调度中心ATS发送的列车运营时刻和计划时刻，判断是否满足可选择ATO节能按钮的条件，若满足可选择ATO节能按钮的条件，在司机触按MMI的INFO区域后，进入节能模式选择界面，其中，所述节能模式选择界面有两个虚拟按钮，分别为节能和非节能按钮，所述车载ATO在上电后默认为不节能状态；

在司机选择节能按钮后，计算响应节能的目标速度曲线，根据所述列车运营时刻和计划时刻，通过比较获取完成本次任务运营的剩余时间，然后从所述电子地图数据模块中获取距离目的地的各站间的距离和站停时分，计算出下一区间的运行节能等级，并在MMI上文字提示给司机；

在司机选择运行节能等级后，在发车后采用控制算法计算追踪目标速度需输出的控制量，计算完成后输出相应的牵引、制动或惰行指令给列车和所述区域控制器ZC，其中，所述牵引、制动或惰行指令用来控制列车速度与目标速度一致。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述车载VOBC的车载ATO，还用于：

当接收到所述区域控制器ZC发送的牵引时长和制动列车制动的开始时间和结束时间，根据所述牵引时长计算施加对应能量牵引后的惰行时间，当根据所述制动列车制动的开始时间确定制动列车开始制动时，施加所述牵引时长的牵引命令，当根据所述制动列车制动的结束时间确定制动列车停止制动时，施加所述惰行时间的惰行命令，并在列车恢复为原速度距离曲线时转入原速度距离曲线方式控制列车运行。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述车载VOBC的车载ATO，还用于：

在列车进站停稳后，接收所述调度中心ATS发送的列车运营时刻和计划时刻，通过比较获取完成本次任务运营的剩余时间，并进行停站倒计时；

司机在本站完成开关门作业后，当按压发车启动按钮时，将发车状态发送给所述调度中心ATS；

接收所述调度中心ATS发送的列车下一区间需执行的运行节能等级；

计算响应节能的目标速度曲线，根据所述列车下一区间需执行的运行节能等级采用控制算法计算追踪目标速度需输出的控制量，计算完成后输出相应的牵引、制动或惰行指令给列车，其中，所述牵引、制动或惰行指令用来控制列车速度与目标速度一致。

7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，不满足可选择ATO节能按钮的条件，包括：

列车处于车辆段的停车场/停车库内；

列车处于正线的折返流程中的折返区域内；

非CBTC-AM模式下；以及

单车节能情况下，列车以某种原因在站间退出CBTC-AM后，再次进入CBTC-AM模式。

8.一种基于权利要求1所述的系统的综合节能方法，其特征在于，包括：

所述调度中心ATS基于不同时间段调节的柔性运行图时刻表计算列车运营时刻和计划时刻，将所述列车运营时刻和计划时刻发送给所述车载VOBC，以及在所述车载VOBC的车载ATO控车进站停车后，通过所述车载ATO汇报的提前发车状态来计算列车下一区间需执行的运行节能等级，将所述列车下一区间需执行的运行节能等级发送给所述车载VOBC；

所述区域控制器ZC计算当前控制区域内进站列车制动时间内的再生制动能量与同供电区段内其他列车该时段内计划运行所需能量的差值，在具有剩余能量时将剩余能量转化为牵引时长进行分配并发送给其他列车的车载VOBC，以使所述其他列车的车载VOBC根据对应的牵引时长对原速度距离曲线进行调整，并按调整后的速度距离曲线运行；

所述车载VOBC根据所述调度中心ATS或区域控制器ZC发送的信息采用相应的节能驾驶策略控制列车行驶；

其中，所述调度中心ATS，包括：

节能相关数据库、时间段参数计算模块、节能运行数据计算模块和动态区间节能运行等级计算模块；其中，

所述节能相关数据库，包括：电子地图数据模块、列车行车数据模块和调度运营数据模块，其中，所述电子地图数据模块描述的是轨道线路信息，所述列车行车数据模块包括列车在任一个站间运行时产生的列车运行数据，所述调度运营数据模块包括不同客流时间段列车的调度运营数据信息；

所述时间段参数计算模块，用于利用所述调度运营数据模块计算柔性运行图节能运行数据所需的参数；

所述节能运行数据计算模块，用于利用所述计算柔性运行图节能运行数据所需的参数、电子地图数据模块和列车行车数据模块，通过归一化、指标评价、校验、迭代和绘制步骤来计算柔性运行图所需的节能运行数据；

所述节能运行数据计算模块，具体用于：

归一化：将不同客流时间段参数按照时间的长短间隔进行归一化处理，统一成可计算识别的标量；

指标评价：基于所述标量对各站停站时间和区间运行时间进行总体指标评价，考虑局部优化和整体优化，计算出一个总体的评价指标；

检验：将所述总体的评价指标与期望的总体评价指标进行比对，若达标，则不对各站停站时间和区间运行时间进行调整；若不达标，则重复执行迭代计算步骤直至迭代次数未超限且达标，或者若迭代次数超限后仍不达标，则循环执行降低期望的总体评价指标以及重复执行迭代计算步骤的过程直至迭代次数未超限且达标；

迭代计算：微量调整各站的停站时间和区间运行时间，回到指标评价步骤计算总体的评价指标；

绘制：在最终得到各站的停站时间和区间运行时间后，利用不同时间段的节能运行数据组合绘制形成全天候的柔性运行图。

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