CN109649417A - 一种城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统，包括：列车运行图仿真优化子系统，用于优化及绘制出列车运行图，并根据运行图提取出列车在线路区间运行时分数据；列车运行速度曲线仿真优化子系统，用于根据车辆、线路、提取运行图中的区间运行时分数据对列车的在站间的驾驶控制进行仿真模拟及优化，并对列车速度曲线进行显示和性能分析；列车牵引供电能耗仿真子系统，用于根据列车驾驶控制数据及运行图数据进行单车和多车运行能耗运算，并将运算结果输出。本发明根据多列车运行数据在牵引供电系统的仿真，得出相应时间段内的系统总能耗；对列车运行图和速度曲线的进行节能优化。

Description

一种城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统

技术领域

本发明涉及列车运行组织领域，列车运行控制系统领域，以及列车牵引供电领域，尤其涉及一种城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统。

背景技术

城市轨道交通是城市耗电大户，城市轨道交通的能耗来源主要有牵引能耗、通风空调、电扶梯和排水照明等方面。列车牵引能耗作为城市轨道交通系统中能耗比例最大的一部分，主要用于为系统内移动的列车提供电能。因此，减少列车运行牵引能耗也是目前城市轨道交通节能的重要研究方向之一。

城轨列车在实施牵引的过程中，从牵引供电网获得电能，部分电能损失在变压器、换流器、电机和变速器中，部分电能克服牵引过程中的阻力，其余转化为列车的动能。在列车的制动过程中，现代大部分城轨列车都具再生制动能力，即采用电制动的方式，在向列车提供了制动力的同时，把电动机转化成发电机使用，将列车的动能转化成电能。这部分再生能可以利用储能装置存储起来以供其他用电设备使用或通过电网传送给其他列车使用。使用再生制动的车辆仍然会有传统的空气制动方式，以在电制动不足或低速运行时提供制动力。实现减少城轨列车牵引能耗的主要方式就是减少列车牵引能量消耗和增加再生制动能量的利用率。

列车运行过程中，其牵引能耗主要与列车实施的牵引力、牵引的位置、以及牵引距离直接相关。对于给定的线路，城轨列车的速度曲线决定了实施的各运行工况、工况的序列、以及工况间的转换点。因此对于给定的站间和运行时间，列车在站间的速度曲线决定了其站间的牵引能耗。通过合理优化列车在站间的速度曲线，可以有效减少列车牵引能耗。同时，列车运行时分是列车牵引能耗的决定因素，在某一个站间的运行时分越长，对应的站间运行能耗越小。而列车运行图决定了列车在各个站间的运行时分，因此列车的牵引能耗也与列车运行图相关。

对于再生制动能量的回收和利用，主要分为列车间直接利用和通过储能装置存储两种方式。列车间直接利用的方式是将制动列车产生的再生制动能量直接传递给相邻的牵引列车使用。为了减少再生能量传递过程中的损失，一般需要列车在同一时刻的位置相近，这些由列车运行图决定；另外需要相邻列车具有匹配的运行工况(牵引和制动同时实施)，这与列车运行速度曲线相关。因此，再生制动能量的利用同时与列车速度曲线和运行图相关。

综上所述，可以通过结合列车运行速度曲线和列车运行图的一体化优化的方法能有效减少城轨列车牵引供电能耗，实现节能减排。

现有技术中主要集中于对单辆列车运行速度曲线的优化，和对总站间运行时间的分配上，并已有成熟的算法和程序，而从整个城轨系统出发的节能研究较少。而对于现有技术中对列车运行图和速度曲线一体化优化的方法研究中，在精细化建模方面都专注于单辆列车牵引能耗分析，没有关于仿真技术验证理论的模型。

发明内容

本发明提供了一种城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统，在对城轨列车的牵引供电能耗的仿真上，主要根据列车实时输出的牵引、制动功率、沿线变电所提供的电压和最大电功率，计算出城轨系统沿线供电电流、电压、和瞬时功率，并根据各变电所的瞬时功率在时间上的积分得出相应时间段内城轨系统的总能耗，并据此通过优化列车运行图和速度曲线，以有效减少城轨列车牵引供电能耗，实现节能减排。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

本发明提供了一种城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统，包括：列车运行图仿真优化子系统、列车运行速度曲线仿真优化子系统和列车牵引供电能耗仿真子系统；

列车运行图优化子系统，用于优化及绘制出列车运行图，并根据运行图提取出列车在线路区间运行时分数据；

列车运行速度曲线优化子系统，用于根据车辆、线路、提取运行图中的区间运行时分数据对列车的在站间的驾驶控制进行仿真模拟及优化，并对列车速度曲线进行显示和性能分析；

列车牵引供电能耗计算子系统，用于根据所述的列车速度曲线数据和列车运行图数据进行单车和多车运行仿真，并将系统能耗结果输出。

进一步地，列车运行图仿真优化子系统还用于通过外部输入对所述的绘制出的列车运行图进行修改。

进一步地，列车运行速度曲线优化子系统还用于通过外部输入对所述的优化的速度曲线进行修改。

进一步地，列车牵引供电能耗计算子系统输出的运算结果为能量利用报告和位置-时间-速度图。

进一步地，系统还包括人机界面子系统，用于显示所述系统绘制的列车运行图、优化列车运行速度曲线以及能量利用报告。

进一步地，列车牵引供电能耗仿真子系统具体用于根据所述的优化速度数据，仿真出实时的列车电压、电流；变电所电压、电流、输出功率和损耗功率；输电网网压，回流轨网压；线路传输损耗功率，并输出能量利用报告。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明的城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统，基于输入的线路和列车数据以及站间运行时间，输出最优驾驶速度曲线和能量利用报告；通过输入车次时刻表，可以铺画列车运行图，并可以对运行图进行修改；基于列车运行图，输入线路和列车数据，可以输出每辆列车的在各个站间的节能驾驶速度曲线；基于列车运行图和每辆列车的最优驾驶速度曲线，可以输出包括牵引供电、辅助能耗和再生能力利用情况的能量利用报告；基于牵引供电系统，对列车运行图和驾驶速度曲线进行一体化优化，最小化城轨系统列车运行的净能耗。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明实施例提供的一种城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤和操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤和操作。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统示意图，参照图1，该系统包括：列车运行图仿真优化子系统、列车运行速度曲线仿真优化子系统和列车牵引供电能耗仿真子系统。

列车运行图仿真优化子系统，用于优化并绘制出列车运行图，并根据所述运行图整合出列车在线路区间运行时分数据。

优选地，列车运行图仿真优化子系统还用于通过外部输入对所述的绘制出的列车运行图进行修改。

优选地，列车运行图仿真优化子系统接收到的数据为列车车次时刻表。

具体运行步骤为：

1)列车运行图仿真优化子系统读取列车车次时刻表，示意性地，列车车次时刻表包括车站名、列车上下行、车次号、列车在车站的到发时间等信息。

2)基于列车车次时刻表等信息，选择绘制不同时间段的列车运行图。

3)在显示的界面简单修改列车运行图，可以通过修改某车次运行线，改变该车次站间运行时间和停站时间。

4)将绘制和修改完的列车运行图保存成pdf格式，并再次生成新的列车车次时刻表。

5)在绘制和修改完列车运行图后，截取各车次在各车站间运行时间和车站停站时间，以规定格式存储成多列车运行时分数据，以备列车运行速度曲线仿真优化子系统调用，进而仿真或优化各车次在各个站间的速度曲线。还可以通过根据运行图信息整理出列车在区间上运行情况，输出成列车牵引供电能耗仿真模块可调用，可与列车运行速度曲线优化模块输出的运行数据融合的数据文件。

列车运行速度曲线仿真优化子系统，用于根据所述的线路区间运行时分数据对列车站间运行速度曲线进行仿真或优化，将所述的优化速度曲线整合成规定的数据进行输出。

优选地，列车运行速度曲线优化子系统还用于通过外部输入对所述的优化的速度曲线进行修改。

进一步地，列车运行速度曲线优化子系统根据列车运行速度曲线优化子系统输入的单辆车运行时分数据，模拟单车驾驶，输出速度曲线；基于多列车运行时分数据模拟运行图中各车次驾驶，输出指定车次的速度曲线；实现对速度曲线的修改；整合每秒线路运行数据存储成线路运行数据以备列车牵引供电能耗计算模块计算能耗。

具体运行步骤为：

1)列车运行速度曲线仿真优化子系统根据列车数据、线路数据、列车运行图等静态参数导入，以供仿真运行使用。优选地，导入方式分为两种：包括读取数据文件直接导入，并保存成数据模版；直接读取已保存的列车运行数据模版。

2)实现单车仿真运行：列车运行速度曲线仿真优化子系统选择起点或终点车站并设置站间运行时间；运行后显示指定站间运行时间的优化速度曲线；可以将每个采集点的列车运行数据(列车位置、电功率等)以规定格式存储成数据文件，以备列车牵引供电能耗仿真模块评估能耗。

3)实现多车仿真运行：列车运行速度曲线仿真优化子系统选择载入列车运行图仿真优化子系统导出的列车运行时分数据；运行后，可以自动计算输入的各车次在各车站间速度曲线；可以选择车次和车站区间，以显示相对应的速度曲线；可以将每个采集点的列车运行数据(列车位置、车次号、电功率等)以规定格式存储，以备列车牵引供电能耗仿真模块评估能耗。

4)在实现单车和多车仿真运行过程中，列车运行图仿真及优化和列车运行速度曲线仿真优化子系统可以通过外部输入对列车运行图和速度曲线进行修改：可以修改列车在各个车站的到发时刻、通过改变列车的控制策略修改列车速度曲线，同时重新存储多列车运行数据。

列车牵引供电能耗仿真子系统，用于根据所述的列车运行数据进行单车和多车运行能耗仿真，并将结果输出。

优选地，列车牵引供电能耗仿真子系统输出的结果为能量利用报告和位置-时间-速度(Space-Time-Speed，S-T-S)图。

优选地，该系统还包括人机界面子系统，用于显示所述系统绘制的列车运行图、列车运行速度曲线以及能量利用报告。

进一步地，列车牵引供电能耗仿真子系统具体用于根据所述的优化速度数据，计算出实时的列车电压、电流、牵引功率和再生制动功率；变电所电压、电流、输出功率和损耗功率；输电网网压，回流轨网压；线路传输损耗功率；并整合输出能量利用报告。

进一步地，列车牵引供电能耗仿真子系统导入存储的列车运行数据，进行单车和多车运行能耗仿真，并将仿真结果以能量利用报告的形式展现，示意性地，能量利用报告包括总体能耗、牵引制动能耗、辅助能耗、再生能产生、再生能利用情况；其次列车牵引供电能耗仿真子系统选择车次和运行区段，生成S-T-S图以供参考。

具体运行步骤为：

(1)进行单车运行能耗计算：车牵引供电能耗仿真子系统导入列车运行速度曲线仿真优化子系统中输出的线路运行数据并进行能耗计算。输出S-T-S图和生成能量利用报告。

(2)进行多车运行能耗计算：车牵引供电能耗计算子系统导入列车运行图和列车运行速度曲线仿真优化子系统融合输出的列车运行数据，或列车运行图与速度曲线一体化优化的列车运行数据，用于能耗仿真；输出S-T-S图和生成能量利用报告。

以上是各子系统的具体功能。各子系统可以根据输入数据，仿真出多列车运行牵引供电能耗。也可以单独工作，分别完成输出列车运行图并进行优化修改、输出单车运行速度优化曲线、根据线路运行数据仿真牵引供电能耗等功能。

本领域技术人员应能理解，图1仅为简明起见而示出的各类网络元素的数量可能小于一个实际网络中的数量，但这种省略无疑是以不会影响对发明实施例进行清楚、充分的公开为前提的。

综上所述，本发明实施例的城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统可以更好的利用再生制动能来节约牵引能耗，同时打破了专业壁垒，集成了列车运行图优化、列车速度曲线优化、牵引供电三个专业的优化方法，并基于牵引供电仿真子系统，提出了列车运行图和速度曲线一体化优化方法，设计系统框架，整合数据接口，基于一体化方法搭建了仿真计算和优化平台，将各个优化方向集成到一起，避免其各自分工，从系统的角度实现了更高效的节能优化，减少了城轨运营成本，提高了行业竞争力，并为后续进一步研究提供了数据支撑和仿真平台验证条件。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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或者实施例的某些部分所述的方法。

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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种城轨列车牵引能耗一体化仿真优化系统，其特征在于，包括：列车运行图仿真优化子系统、列车运行速度曲线仿真优化子系统和列车牵引供电能耗仿真子系统；

所述的列车运行图优化子系统，用于优化及绘制出列车运行图，并根据运行图提取出列车在线路区间运行时分数据；

所述的列车运行速度曲线优化子系统，用于根据车辆、线路、提取运行图中的区间运行时分数据对列车的在站间的驾驶控制进行仿真模拟及优化，并对列车速度曲线进行显示和性能分析；

所述的列车牵引供电能耗计算子系统，用于根据所述的列车速度曲线数据和列车运行图数据进行单车和多车运行仿真，并将系统能耗结果输出。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的列车运行图仿真优化子系统还用于通过外部输入对所述的绘制出的列车运行图进行修改。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的列车运行速度曲线优化子系统还用于通过外部输入对所述的优化的速度曲线进行修改。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的列车牵引供电能耗计算子系统输出的运算结果为能量利用报告和位置-时间-速度图。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的系统还包括人机界面子系统，用于显示所述系统绘制的列车运行图、优化列车运行速度曲线以及能量利用报告。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的列车牵引供电能耗仿真子系统具体用于根据所述的优化速度数据，仿真出实时的列车电压、电流；变电所电压、电流、输出功率和损耗功率；输电网网压，回流轨网压；线路传输损耗功率，并输出能量利用报告。