CN109278812B - 一种动车组应急运行司机指导方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动车组应急运行司机指导方法，当列车牵引网故障时，经司机确认后，即刻进入列车应急处置状态；基于当前线路条件、双向到站距离、列车参数与特性、辅助系统耗能、车载储能系统容量水平，采用全局快速优化算法进行应急运行的动态优化决策，推送当前运行方向下的最优解决方案与反向应急运行下的最优解决方案；根据两种优化解决方案的可行性进行排序，并按排序顺序将生成的优化解决方案推送至司机，司机选择一优化解决方案进行应急作业。本发明通过综合考虑线路条件、双向到站距离、列车参数与特性、辅助系统能量管理策略、车载储能系统容量等，规划合理的列车应急走行方案，实现最佳化的就近停车指导。

Description

一种动车组应急运行司机指导方法

技术领域

本发明属于列车应急指导的技术领域，具体涉及一种动车组应急运行司机指导方法。

背景技术

动车组在运行过程中，因恶劣天气、高压电缆脱落、接触网故障、供电系统故障等多种原因都会造成供电电网停电，列车动力丢失，影响列车的正常运营。动车组技术条件规定，列车在无网状态下应当具备一定的应急走行功能。

动车组处于应急状态时，列车所有能量全部由车载储能装置提供。列车在应急处置的过程中，不仅要提供空调(通风)、照明所需电能，还需要提供列车应急运行阶段的牵引传动系统能量。但由于安装空间和能量密度的限制，车载储能装置容量受限。辅助系统耗能和应急牵引运行耗能分别从时间和空间两个维度对能量管理提出了需求。

应急走行方案不仅受到列车车重、牵引/制动特性、辅助系统动态功率以及车载储能装置容量等内部参数限制，还受到线路坡道、限速、到达站位置等外部因素影响。优化应急走行方案，不仅可以避免司机人为估算带来的主观决策错误，还可实现线路限速、车载储能装置容量等多因素约束下的多目标优化，如时间和空间综合考虑的就近停车，节能操控直接受益的储能装置寿命提升。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种动车组应急运行司机指导方法，以解决列车牵引网故障时，现有应急运行方案不能从时间和空间两个维度对能量进行管理，进而无法推送一个合理的列车应急运行方案的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种动车组应急运行司机指导方法，其包括：

S1、当列车牵引网故障时，经司机确认后，即刻进入列车应急处置状态；

S2、基于当前线路条件、双向到站距离、列车参数与特性、辅助系统耗能、车载储能系统容量水平，采用全局快速优化算法进行应急运行的动态优化决策，并推送正向运行和反向运行下的最优解决方案；

S3、根据正向运行和反向运行下的最优解决方案的可行性进行排序，并按排序顺序将生成的优化解决方案推送至司机，司机选择一优化解决方案进行应急作业。

优选地，列车应急作业流程包括：列车最佳停车阶段、停车后应急处置准备阶段和应急运行操控阶段。

优选地，确定列车最佳停车阶段的方法为：

分析列车正向运行时，列车当前动能和前方线路势能以及停车是否处于困难区段，并评估列车前行方向的最佳停车位置；

分析列车反向运行时，列车前方线路势能对列车反向运行的影响，若前方线路上存在持续下坡道或平缓坡道，则即刻制动停车；若前方线路上为持续上坡道，则保持惰行功能，充分利用列车当前动能进行动能闯坡，为停车后的应急运行提供势能；

根据列车当前线路条件，综合比较列车正向运行时和反向运行时的运行参数和特性，决策推送列车的最佳停车位置。

优选地，若牵引网故障发生时刻列车速度具备惰行至最近车站的能力，则惰行至最近车站；

若牵引网故障发生时刻列车速度不足以惰行至最近车站，且列车前后均有上坡道，则停止在非困难爬坡区段。

优选地，停车后应急处置准备阶段包括：

根据车载储能系统的实时电量，以及列车正向运行和反向运行时线路坡限速和运行距离条件，优化列车应急运行速度曲线，得到应急运行方向、预计运行时长、操纵工况序列、目标速度和工况切换时间点的决策，将所得决策推送至司机，并作为司机与车站调度的沟通依据。

优选地，应急运行操控阶段包括：

采用列车节能优化操纵算法，优化列车区间运行速度曲线，通过迭代计算得到应急运行时间，并在每一次迭代中，计算列车辅助能耗和基于应急运行时间约束的列车最优运行牵引能耗，得到列车总能耗；

根据列车每一次迭代计算的总耗能，综合车载储能装置剩余电量、列车应急运行时间、应急运行速度和操纵工况序列，优化推送列车节能优化操纵策略。

本发明提供的动车组应急运行司机指导方法，具有以下有益效果：

本发明综合考虑线路条件、双向到站距离、列车参数与特性、辅助系统能量管理策略、车载储能系统当前电量等，采用全局快速优化算法进行应急运行的动态优化决策，推送多种优化解决方案，并从时间和空间两个维度对能量进行管理，规划合理的列车应急走行方案，实现列车的最佳化就近停车指导。

附图说明

图1为动车组应急运行司机指导方法北京北-清河区间列车正常运行。

图2为动车组应急运行司机指导方法合适的惰行操控实现就近停车。

图3为动车组应急运行司机指导方法困难点A之前更早的可正向就近停车位置。

图4为动车组应急运行司机指导方法低于设定恒速速度的惰行节能。

图5为动车组应急运行司机指导方法停车前合理的惰行节能。

图6为动车组应急运行司机指导方法充分利用线路势能惰性节能。

图7为动车组应急运行司机指导方法建议反向应急运行的优化方案。

图8为动车组应急运行司机指导方法列车节能优化操纵算法功能框图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，本方案的动车组应急运行司机指导方法，包括：

1)热备运行，当列车牵引网故障时，司机确认后，即刻进入列车应急处置状态，实现无缝指导。

2)优化计算，基于当前线路条件、双向到站距离、列车参数与特性、辅助系统耗能、车载储能系统容量水平，采用全局快速优化算法进行应急运行的动态优化决策，并推送若干种优化解决方案。

并根据参数变化实时触发优化计算更新，包括：

应急运行准备期间，电量变化超过一定程度；

应急运行期间，实际操纵与规划偏离过大，引起时间偏差过大；

应急运行期间，实际操纵与规划偏离过大，引起电能消耗过大。

3)交互定制，根据多种优化解决方案的可行性进行排序，并按排序顺序将生成的优化解决方案推送至司机，司机选择一优化解决方案进行应急作业。

同时，司机可根据需要，配置如下需求：

4)时间要求，由车地协调后输入，以配合线路运营要求；

5)运行方向要求，由车地协调后明确，其中，反向运行，需要当前区间无追踪列车；

6)限速设置，当地面列控无有效信号输出，列车按站间闭塞运行时，需要对限速进行设置。

其中，向司机推送优化解决方案时，可通过HMI以图形化方式突出显示，同时，由语音提示适时给出指导，避免司机分散注意力，提高列车运行的安全性。

本发明从牵引网故障发生到应急处置完成之间，包括牵引网故障后列车最佳停车阶段、停车后应急处置准备阶段和应急运行操控阶段，以下对三个阶段进行详细描述。

1、牵引网故障后列车最佳停车阶段

故障发生时，需要分别分析列车正向和反向两种运行情况，以确定列车的最佳停车位置。

分析列车正向运行时，列车当前动能和前方势能以及停车是否处于困难区段，并评估列车前行方向的最佳停车位置。

分析列车反向运行时，列车前方势能对列车反向运行的影响，若前方线路上存在持续下坡道或平缓坡道，则即刻停止运行；若前方线路上为持续上坡道，则保持惰行功能，充分利用当前动能进行动能闯坡，为停车后的应急运行提供势能。

根据列车当前线路条件，综合比较列车正向运行时和反向运行时的运行参数和特性，决策推送出列车的最佳停车位置。

其中，若牵引网故障发生时刻列车速度具备惰行至最近车站的能力，则惰行至最近车站。

若牵引网故障发生时刻列车速度不足以惰行至最近车站，且列车前后均有上坡道，则停止在非困难爬坡区段。

根据本申请的一个实施例，参考图1，以北京北-清河区间为例，在牵引网故障后列车最佳停车阶段的指导策略，基于本发明的指导方法计算得到该区间的困难点A，发生在K15+700m处。

其有两种情况待分析，情况一：列车正常运营至该点前出现牵引网故障；情况二：列车正常运营至该点后出现牵引网故障。

对于情况一，根据前方线路坡道，确定在困难点A前尽快停车更有利，还是越过A点后，保持惰行，用当前的动能积累反向应急运行势能后停车更佳，或者尽可能闯过困难区段，为正向应急运行提供更为有利的条件。

对于情况二，确认该区间内是否存在其他困难点，若不存在，则采用惰行工况，尽可能用当前动能克服前方线路势能，以及基本阻力做功，以时列车停车后应急运行所需能耗最小，若存在其他困难点，则优化分析情形与情况一相似。

参考图2，给出了K15+800前按正常运行，K15+800后惰行运行直至清河停站的速度曲线，基于该曲线，可以直观地发现，在该困难点后发生牵引网故障，列车仅通过正向惰行完成区间调速运行，制动进站停车，即可直接完成应急处置。

进一步地，在该困难点前由于存在持续下坡道，在K13+700～K15+800，列车处于电制动贴限速运行工况，从而，在北京北(K12+414)至K13+700范围内，仍可确定某一合适的位置，使得列车在该位置之后仅靠惰行即可完成正向区间内运行，参考图3，K13处开始惰行，区间内无超速运行，不需牵引，仅进站停车依靠制动工况。从而，在北京北出站运行600m后，即使牵引网故障，列车仍可通过惰行工况，充分利用线路势能实现正向“就近”停车。

2、停车后应急处置准备阶段

牵引网故障时，若站间距大，正向运行区段内大坡道多且长，则列车往往无法避免区间内非正常停车，此时，列车进入应急处置准备阶段。

根据车载储能系统的实时电量，以及列车正向运行和反向运行时线路条件坡道、限速、运行距离，优化列车应急运行速度曲线，得到应急运行方向、运行时长和操纵工况的决策，将所得决策推送至司机，并作为司机与车站调度的沟通依据。

在相同的线路条件下，列车的运行速度决定了列车牵引能耗，列车的运行时间决定了列车辅助能耗。列车整体运行速度越高，牵引能耗越高，但运行时间越短，辅助能耗越低。而作为关键约束条件之一的车载储能系统容量，则制约了两大电能消耗的总和。

随着应急运行准备阶段的时间推移，辅助系统累计能耗增大，车载储能系统电量下降，因此，停车后应急处置准备阶段，需要依据车载储能系统电量，适时更新优化的建议方案。

特别地，当应急运行准备阶段应因地面调度等原因耗时较长时，可能会出现剩余电量很难保证进站停车，此时，建议的方案可能会降级为考虑辅助耗能需求的最接近停车运行优化方案。

3、应急运行操控阶段

应急运行操控阶段，按列车节能最优控制理论，应用节能优化操纵算法，实现列车区间运行速度曲线的全局优化。

参考图4-图7，采用列车节能优化操纵算法，优化列车区间运行速度曲线，通过迭代计算得到应急运行时间，并在每一次迭代中，计算列车辅助能耗和基于应急运行时间约束的列车最优运行牵引能耗，得到列车总能耗。

根据列车每一次迭代计算的总耗能，综合车载储能装置剩余电量、列车应急运行时间、应急运行速度和操纵工况序列，优化推送列车节能优化操纵策略。

参考图7，在京张高铁上行线路，东花园至八达岭长城区间内，列车于K83+500处开始应急运行操控，由于原运行方向前方线路多为上坡道，当前剩余电量不足以使列车应急运行至八达岭长城站(K68+50)停车，故算法给出列车反向应急运行的优化方案，司机在得到反向行车许可后，按照优化方案应急运行至东花园站(K89+565)停车。

参考图8，列车节能优化操纵策略，包括平缓坡道上的恒速牵引策略、大上坡道上的动能闯坡、下坡道上的惰行节能、过低限速(或停车)前的惰行、必要的恒速制动和减速制动等。

本发明综合考虑线路条件、双向到站距离、列车参数与特性、辅助系统能量管理策略、车载储能系统当前电量等，采用全局快速优化算法进行应急运行的动态优化决策，推送多种优化解决方案，并从时间和空间两个维度对能量进行管理，规划合理的列车应急走行方案，实现列车的最佳化就近停车指导，能够有效地解决现有应急运行方案不能从时间和空间两个维度对能量进行管理，进而无法推送一个合理的列车应急运行方案的问题。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种动车组应急运行司机指导方法，其特征在于，包括：

S1、当列车牵引网故障时，经司机确认后，即刻进入列车应急处置状态；

S2、基于当前线路条件、双向到站距离、列车参数与特性、辅助系统耗能、车载储能系统容量水平，采用全局快速优化算法进行应急运行的动态优化决策，并推送正向运行和反向运行下的最优解决方案；

S3、根据正向运行和反向运行下的最优解决方案的可行性进行排序，并按排序顺序将生成的最优解决方案推送至司机，司机选择一最优解决方案进行应急作业。

2.一种用于权利要求1所述的动车组应急运行司机指导方法，其特征在于，所述列车应急作业流程包括：列车最佳停车阶段、停车后应急处置准备阶段和应急运行操控阶段。

3.一种用于权利要求2所述的动车组应急运行司机指导方法，其特征在于，确定所述列车最佳停车阶段的方法为：

分析列车正向运行时，列车当前动能和前方线路势能以及停车是否处于困难区段，并评估列车前行方向的最佳停车位置；

分析列车反向运行时，列车前方线路势能对列车反向运行的影响，若前方线路上存在持续下坡道或平缓坡道，则即刻制动停车；若前方线路上为持续上坡道，则保持惰行功能，充分利用列车当前动能进行动能闯坡，为停车后的应急运行提供势能；

根据列车当前线路条件，综合比较列车正向运行时和反向运行时的运行参数和特性，决策推送列车的最佳停车位置。

4.一种用于权利要求3所述的动车组应急运行司机指导方法，其特征在于：

若牵引网故障发生时刻列车速度具备惰行至最近车站的能力，则惰行至最近车站；

若牵引网故障发生时刻列车速度不足以惰行至最近车站，且列车前后均有上坡道，则停止在非困难爬坡区段。

5.一种用于权利要求2所述的动车组应急运行司机指导方法，其特征在于，停车后应急处置准备阶段包括：

根据车载储能系统的实时电量，以及列车正向运行和反向运行时线路坡限速和运行距离条件，优化列车应急运行速度曲线，得到应急运行方向、预计运行时长、操纵工况序列、目标速度和工况切换时间点的决策，将所得决策推送至司机，并作为司机与车站调度的沟通依据。

6.一种用于权利要求2所述的动车组应急运行司机指导方法，其特征在于，应急运行操控阶段包括：

采用列车节能优化操纵算法，优化列车区间运行速度曲线，通过迭代计算得到应急运行时间，并在每一次迭代中，计算列车辅助能耗和基于应急运行时间约束的列车最优运行牵引能耗，得到列车总能耗；

根据列车每一次迭代计算的总耗能，综合车载储能装置剩余电量、列车应急运行时间、应急运行速度和操纵工况序列，优化推送列车节能优化操纵策略。