CN110877616A - 电能消耗优化方法、存储介质以及自动驾驶和监控系统 - Google Patents

电能消耗优化方法、存储介质以及自动驾驶和监控系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电能消耗优化方法、存储介质以及自动驾驶和监控系统。所述方法包括基于车辆的当前位置和车辆的目的地确定(110)该车辆的优选驾驶概况的步骤，每个优选驾驶概况包括多个时隙，并且对于每个时隙包括期望牵引值和/或期望制动值。所述方法还包括以下步骤：将所述优选驾驶概况发送(120)到ATS系统；由所述车辆的ATO系统获取(130)由所述ATS系统生成的优化驾驶概况；以及将所述优化驾驶概况应用(140)到所述车辆的驾驶。

Description

电能消耗优化方法、存储介质以及自动驾驶和监控系统
技术领域
本发明涉及一种用于优化多个车辆的电能消耗的方法。
本发明还涉及相关的计算机可读存储介质以及自动驾驶和监控系统。
特别地，本发明使得可以优化在相同电气区段上行驶的多个轨道车辆的电力消耗，每个轨道车辆具有被称为ATO(自动列车操作)系统的自动驾驶系统，该自动驾驶系统由ATS(列车自动监控)系统监控。
背景技术
以已知的方式，轨道车辆，特别是列车，包括两个并行的制动系统。
这些系统之一是机械制动系统，其使用保证列车快速减速的机械制动装置。该系统通常在列车具有相对低的速度时使用，这例如是当列车执行运行停止时的情况。
另一个系统是电气制动系统，其使用列车的引擎作为电能的发电机来降低列车的速度。当列车具有相对高的速度时，该系统通常是可用的。
在这种情况下，在制动阶段期间产生的电能经由适当的电阻耗散或被注入到为相应电气区段供电的电网中。
因此，当两个列车在相同的电气区段中行驶时，其中例如第一列车位于加速阶段，则由在制动阶段的第二列车注入电网的电能可以由第一列车回收。否则，该能量被电网耗散并因此损失。还可以存储该能量，使得其可以稍后使用，但是这种解决方案通常具有非常高的成本。
然后可以看出，需要优化在相同电气区段上行驶的不同列车的制动和加速阶段。
为此，现有技术提出使这些不同列车的出发和到达时间同步，以优化其最显著的加速和制动阶段。因此，这导致优化在相同电气区段上行驶的所有列车的电力消耗。
这样获得的时刻表被存储在ATS系统中，ATS系统然后定义列车的出发和到达。
然而，这种操作模式仅考虑最显著的加速和制动阶段，这不可能有效地限制所考虑的电气区段上的电消耗。此外，所做的处理不考虑由每列列车的ATO系统产生的任何驾驶策略。
最后，该运行模式基于所设置的时刻表，因此例如在一列或数列列车延迟的情况下是不合适的。
发明内容
本发明旨在解决这些缺点，并因此提出一种使得能够优化连接到相同供电区段的车辆的电力消耗的方法和系统，该方法和系统考虑了这些车辆的任何延迟以及任何其他意外事件。
为此，本发明涉及一种连接到相同供电区段的多个车辆的电能消耗优化方法，每个车辆包括：
-能够基于牵引值来驱动相应车辆运动的牵引系统，
-能够基于制动值降低相应车辆的速度并注入制动后回收的电能的制动系统，以及
-列车自动运行(ATO)系统，其能够与列车自动监控(ATS)系统远程地通信；
所述方法包括由各车辆的ATO系统执行的以下步骤：
-基于车辆的当前位置和车辆的目的地确定相应车辆的优选驾驶概况，每个优选驾驶概况包括多个时隙，并且对于每个时隙，包括期望牵引值和/或期望制动值；
-将所述优选驾驶概况发送到ATS系统；
-获取由ATS系统生成的优化驾驶概况，该优化驾驶概况基于由连接到所述电气区段的所有车辆发送到ATS系统的优选驾驶概况来确定，并且对于相应的优选驾驶概况的每个时隙，包括优化牵引值和/或优化制动值，以便使所述电气区段中的电能消耗最小化；
-将优化驾驶概况应用于相应车辆的驾驶。
根据本发明的其他有利方面，所述方法包括单独考虑或根据所有技术上可能的组合考虑的以下特征中的一个或多个：
-对于每个时隙，优选驾驶概况还包括由相应车辆的操作约束限定的最小牵引值和/或最大牵引值；
-对于每个时隙，优选驾驶概况还包括由相应车辆的操作约束限定的最大制动值；
-确定优化驾驶概况，以便在每个时隙中遵循最小牵引值和/或最大牵引值和/或最大制动值；
-确定优化驾驶概况，以遵循从以下组中选择的标准中的至少一个标准：
-对于每个时隙，使与所述电气区段中的所有车辆的优化牵引值的总和相对应的总牵引力和与所述电气区段中的所有车辆的优化制动值的总和相对应的总制动力之间的差值最小化；
-对于每个时隙，与所述电气区段中所有车辆的优化牵引值之和相对应的总牵引力的限制；
-将给定时隙中的不允许的牵引值和/或制动值分配给相邻时隙。
-该方法还包括初始步骤，用于基于相应车辆的当前位置和其目的地来确定相应车辆的多个可能的驾驶概况，每个可能的驾驶概况包括多个时隙，并且对于每个时隙，包括可能的牵引值和/或可能的制动值；优选驾驶概况选自所述多个可能的驾驶概况；
-用于将优化驾驶概况应用于相应车辆的驾驶的步骤包括以下特征中的至少一个：
-符合每个时隙的优化牵引值；
-当优化制动值能够遵循相应车辆的操作约束时，符合每个时隙的优化制动值，否则，在相应时隙中应用期望制动值；
-使最初计划的出发时间和/或到达时间偏移；
-通过无线信号，优选地以公共消息的形式，将优化驾驶概况发送到车辆。
本发明还涉及存储软件指令的计算机可读存储介质，所述软件指令在由处理器执行时实现先前限定的方法。
本发明还涉及一种用于连接到供电区段的车辆的列车自动运行(ATO)系统，该车辆包括：
-牵引系统，其基于牵引值来驱动相应车辆的移动，以及
-制动系统，其基于制动值来制动相应车辆，并将所述制动后回收的电能注入所述供电区域；
该ATO系统能够与列车自动监控(ATS)系统远程通信，并且包括被配置为实施如上述限定的方法的步骤的技术装置。
本发明还涉及一种列车自动监控(ATS)系统，其能够与如下限定的一个或多个ATO系统远程通信以接收由这些ATO系统生成的优选驾驶概况，并且包括被配置为从这些优选驾驶概况确定优化驾驶概况的技术装置。
附图说明
本发明的这些特征和优势将在阅读以下仅作为非限制性示例提供并参考附图进行的描述时显现，在附图中：
图1是在相同电气区段上行驶的多个轨道车辆的示意图，每个轨道车辆包括由根据本发明的列车自动监控系统监控的根据本发明的列车自动运行系统；以及
图2是根据本发明的优化方法的流程图，该方法由图1的列车自动运行系统和列车自动监控系统实现。
具体实施方式
图1的车辆10A、...、10N有利地是轨道车辆，例如列车，特别是自动列车或至少部分地由列车员控制的列车，例如地铁列车。
在变型例中，车辆是电动公共汽车或有轨电车。
轨道车辆10A、...、10N例如在多个铁路轨道上行驶，这些铁路轨道可选地平行或相邻，并且当轨道车辆10A、...、10N在这些轨道上行驶时可以通过相同供电区段12来供电。
特别地，这样的电气区段12包括共享电能传输装置，当轨道车辆10A、...、10N在与所述电能区段相关联的铁路轨道上行进时，该共享电能传输装置使得能够至少部分地为轨道车辆10A、...、10N中的每一个供电，并且能够使用本身已知的方法在这些不同的车辆10A、...、10N之间实现过剩电能的交换。
轨道车辆10A、...、10N根据由这些车辆中的每一个确定的操作约束在对应轨道上行驶。
操作约束特别地限定车辆10A、...、10N的路径、其操作停止点、轨道的拓扑结构、距相邻车辆的距离、交通规则等。
每个轨道车辆10A、...、10N特别地包括牵引系统和电气制动系统。
牵引系统包括一个或多个马达，使得能够使用由电气区段12供应的电能使相应的轨道车辆10A、...、10N运动。该系统的操作在每个时刻由牵引值限定，该牵引值例如对应于该系统能够提供的总力的百分比。
电气制动系统使得可以通过使用牵引系统的马达作为发电机来减慢相应轨道车辆10A、...、10N的移动。该制动系统还使得能够将由马达产生的电能注入到电气区段12中。
制动系统的操作在每个时刻由制动值限定，该制动值例如对应于该系统能够施加的使相应的轨道车辆减速的总力的百分比。
每个轨道车辆10A、...、10N还包括列车自动监控系统，称为ATO。
该ATO系统尤其能够限定相应的轨道车辆10A、...、10N的驾驶概况，根据该驾驶概况，该车辆的行驶至少部分地自动进行。该驾驶概况特别地基于相应车辆10A、...、10N的操作约束来确定。
每个ATO系统的操作由称为ATS系统的列车自动监控系统监控。
ATS系统是例如布置在远程控制站中的远程系统。该ATS系统能够经由电磁信号、特别是经由无线信号与每个ATO系统远程通信。
每个ATO系统和ATS系统例如至少部分地采用计算机的形式，每个计算机设置有存储器和能够执行存储在该存储器中的软件的处理器。根据一个实施方式变型例，这些系统中的至少一些还包括可编程逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)类型的可编程逻辑电路，使得可以至少部分地实现由这些系统提供的功能。根据另一实施方式变型例，上述系统中的至少一些完全采用这种电路的形式。
轨道车辆10A、...、10N的ATO系统和ATS系统使得可以在电气区段12中实现电能消耗优化方法，现在将参考图2描述该方法，图2示出了其步骤的流程图。
以下描述的步骤由ATO系统和ATS系统中的每一个来实施。为了简化阅读，下面将结合单个ATO系统(例如轨道车辆10A的ATO系统)来解释这些步骤。结合其他ATO系统实现这些步骤是类似的。
此外，由ATO系统实施的步骤由每个ATO系统实施至少一次，例如同时实施，然后在相应车辆的操作约束、特别是驾驶概况的每次改变时，由这些ATO系统中的至少一些实施。
在初始步骤105期间，ATO系统确定轨道车辆10A的多个可能的驾驶概况。
这些概况例如基于车辆10A的当前位置及其目的地以及基于该行程期间的其他操作约束来确定。
每个驾驶概况包括多个时隙，并且对于每个时隙，包括限定牵引系统在该时隙期间的操作的牵引值和限定制动系统在该时隙期间的操作的制动值。
时隙定义了相应轨道车辆的行程的连续时刻。每个时隙例如对应于行程的几秒，例如基本上对应于10秒。
在随后的步骤110期间，ATO系统从可能的驾驶概况中确定轨道车辆10A的优选驾驶概况。
例如，确定该优选概况以便最好地遵循车辆10A的操作约束，并且可选地，以便通过使用该车辆10A的ATO系统已知的消耗数据来使该车辆10A的电能消耗最小化。
因此，每个优选驾驶概况包括多个时隙，并且对于每个时隙，包括在该时隙期间的期望牵引值和期望制动值。
特别地，期望的牵引值和制动值分别对应于ATO系统认为最适合于相应时隙的牵引值和制动值，特别是基于轨道车辆10A的操作约束。
有利地，对于每个时隙，每个优选驾驶概况还包括同样基于轨道车辆10A的操作约束而确定的最小牵引值、最大牵引值和最大制动值。
特别地，最小牵引值指示牵引系统在相应时隙期间必须提供的最小力，以便例如避免上坡坡度上能量缺乏的情形和/或确保车辆10A从停止点的正常离开。
最大牵引值指示牵引系统被允许在相应时隙期间提供的最大力，以便例如避免转弯或下坡坡度上的超速情况。在对应于车辆的操作停止点的时隙中，最大牵引值等于零。
最大制动值指示制动系统被允许在相应时隙期间提供的最大力。在对应于车辆的操作停止点的时隙中，最大制动值等于零。
有利地，对于每个时隙，每个优选驾驶概况还包括在该时隙期间车辆10A要行驶的估计距离。
在随后的步骤120期间，ATO系统将优选驾驶概况发送到ATS系统。该发送例如通过与该ATS系统的无线链路来完成。
在随后的步骤125期间，ATS系统需要来自车辆10A的ATO系统的优选驾驶概况，并且为该车辆10A生成优化驾驶概况。
基于由电气区段12的所有轨道车辆10A、...、10N发送到ATS系统的优选驾驶概况来确定优化驾驶概况。
特别地，对于由该车辆10A的ATO系统发送的优选驾驶概况的每个时隙，针对车辆10A确定的优化驾驶概况包括优化牵引值和优化制动值，使得可以使电气区段12中的电力消耗最小化。
车辆10A的优化驾驶概况由ATS系统确定，以便特别地在每个时隙中符合由车辆10A的优选驾驶概况限定的最小牵引值、最大牵引值和最大制动值。
有利地，进一步确定车辆10A的优化驾驶概况，以便对于每个时隙使电气区段12中的总牵引力和总制动力之间的差值最小化。
特别地，在给定时刻在电气区段12中的总牵引力对应于在该时刻在该电气区段12中的所有轨道车辆10A、...、10N的优化牵引值的总和。该总和例如基于这些车辆的位置和电网的拓扑结构或者基于任何其他优化标准而被加权。
类似地，在给定时刻在电气区段12中的总制动力对应于在该时刻在该电气区段12中的所有轨道车辆10A、...、10N的优化制动值的总和。该总和例如基于这些车辆的位置和电网的拓扑结构或者基于任何其他优化标准而被加权。
例如，通过将一些车辆10A、...、10N的加速阶段与其他车辆的减速阶段对准，通过可选地修改这些车辆10A、...、10N中的至少一些车辆的到达时间和/或离开时间，来实现上述差值的最小化。
有利地，进一步确定车辆10A的优化驾驶概况，以便对于每个时隙使电气区段12中的总牵引力和总制动力之间的差值最小化。
该总牵引力受到例如由电能供应商或任何其他类型的约束施加的消耗阈值的限制。
有利地，进一步确定车辆10A的优化驾驶概况，以便将给定时隙中的不允许的牵引值和/或制动值分配给相邻时隙。
因此，例如，当在给定时隙中被ATS系统认为是最优的牵引值或制动值不被该时隙的ATO系统的优选驾驶概况所允许而是在相邻时隙中被允许时，ATS系统将该牵引值或制动值分配给该相邻时隙。
与给定时隙相邻的时隙指的是与该给定时隙紧邻或者与该给定时隙相隔例如等于几十秒的预定阈值以下的值的时隙。
在该步骤125结束时，ATS系统将优化驾驶概况发送到车辆10A的ATO系统。
该概况例如通过无线信号发送，优选地以例如使用广播技术的公共消息的形式发送。
更一般地，在步骤125期间，ATS系统生成/确定由电气区段12供电的每个车辆的优化驾驶概况，并且在步骤125结束时，向每个车辆发送与其相关联的优化概况，并且有利地发送由电气区段12供电的所有车辆的优化概况。
例如，每次由电气系统12供电的车辆向ATS系统发送修改的优选驾驶概况时，ATS系统生成/确定由电气区段12供电的每个车辆的新的优化驾驶概况，并且在步骤125结束时，向每个车辆发送与其相关联的优化概况，并且有利地发送由电气区段12供电的所有车辆的优化概况。
在变型例中，每当车辆之一的ATO系统修改其应用于车辆驾驶的驾驶概况(意外制动、超速等情况)时，其向ATS系统发送所应用的驾驶概况作为优选驾驶概况，并且ATS系统针对由电气区段12供电的每个车辆生成/确定新的优化驾驶概况。
根据另一变型例，以预定频率有规律地重复步骤125，并且重复地计算新的优化驾驶概况并将其发送到车辆。
在随后的步骤130期间，ATO系统获取由ATS系统发送的优化驾驶概况，并且可选地获取由电气区段12供电的所有车辆的优化概况。
在随后的步骤140期间，ATO系统将优化驾驶概况应用于车辆10A的驾驶。
具体地，在该步骤140期间，ATO系统通过根据优化驾驶概况，针对每个时隙施加与该时隙的优化牵引值相对应的牵引值，来监测车辆10A的牵引系统的操作。
此外，ATO系统通过对每个时隙施加制动值来监测车辆10A的制动系统的操作。
当该制动值使得能够在相应时隙期间符合轨道车辆10A的操作约束时，该制动值对应于由ATS系统优化的制动值。
否则，所施加的制动值由ATO系统基于操作约束动态地确定，特别地以便符合相应时隙中的最大允许速度。
因此，例如，当车辆10A处于下坡坡度上并且当优化的制动值不足以防止车辆10A在该坡度上超速时，ATO系统施加更高的制动值以避免该超速。因此动态地确定该制动值。
最后，应用优化驾驶概况可以涉及针对至少一些操作停止点最初确定的出发时间和/或到达时间的偏移。
然后可以看出，本发明具有一定数量的优点。
特别地，本发明使得可以动态地优化在相同电气区段中行驶的轨道车辆的电能消耗。
因此，在这些车辆的时刻表中发生延迟或任何改变的情况下，本发明使得可以快速采用新的时刻表，从而使整个电气区段中的电能消耗最小化。
此外，本发明使得可以限制给定电气区段中的电能消耗峰值。这例如使得可以符合由相应的电能供应装置或由电能供应商施加的消耗约束。

Claims (13)

1.一种连接到相同供电区段(12)的多个车辆(10A、...、10N)的电能消耗优化方法，每个车辆包括：
-牵引系统，其能够基于牵引值驱动相应车辆(10A、...、10N)运动，
-制动系统，其能够根据制动值降低相应车辆(10A、...、10N)的速度，并注入制动后回收的电能(12)，以及
-列车自动运行系统，所述列车自动运行系统被称为ATO系统，其能够与被称为ATS系统的列车自动监控系统远程地通信；
所述方法包括由各车辆(10A、...、10N)的所述ATO系统执行的以下步骤：
-基于车辆的当前位置和有利地车辆的目的地确定(110)相应车辆(10A、...、10N)的优选驾驶概况，每个优选驾驶概况包括多个时隙，并且对于每个时隙，包括期望牵引值和/或期望制动值；
-将所述优选驾驶概况发送(120)到所述ATS系统；
-获取(130)由所述ATS系统生成的优化驾驶概况，所述优化驾驶概况基于由连接到所述电气区段(12)的所有车辆(10A、...、10N)发送到所述ATS系统的优选驾驶概况来确定，并且对于相应的优选驾驶概况的每个时隙，包括优化牵引值和/或优化制动值，以便使所述电气区段(12)中的电能消耗最小化；
-将所述优化驾驶概况应用(140)于相应车辆的驾驶。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，对于每个时隙，所述优选驾驶概况还包括由相应车辆(10A、...、10N)的操作约束来限定的最小牵引值和/或最大牵引值。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，对于每个时隙，所述优选驾驶概况还包括由相应车辆(10A、...、10N)的操作约束来限定的最大制动值。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，对于每个时隙，所述优选驾驶概况还包括由相应车辆(10A、...、10N)的操作约束来限定的最小牵引值和/或最大牵引值；并且
其中，优化驾驶概况被确定为在每个时隙中遵循最小牵引值和/或最大牵引值和/或最大制动值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，优化驾驶概况被确定为遵循从以下组中选择的标准中的至少一个标准：
-对于每个时隙，使与所述电气区段(12)中的所有车辆(10A、...、10N)的优化牵引值的总和相对应的总牵引力和与所述电气区段(12)中的所有车辆(10A、...、10N)的优化制动值的总和相对应的总制动力之间的差值最小化；
-对于每个时隙，与所述电气区段(12)中所有车辆(10A、...、10N)的所述优化牵引值之和相对应的总牵引力的限制；
-将给定时隙中的不被允许的牵引值和/或制动值分配给相邻时隙。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法还包括初始步骤(105)，用于基于相应车辆(10A、...、10N)的当前位置确定该相应车辆(10A、...、10N)的多个可能的驾驶概况，每个可能的驾驶概况包括多个时隙，并且对于每个时隙，包括可能的牵引值和/或可能的制动值；
所述优选驾驶概况选自所述多个可能的驾驶概况。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，用于将所述优化驾驶概况应用(140)于所述相应车辆(10A、...、10N)的驾驶的步骤包括以下特征中的至少一个：
-符合每个时隙的优化牵引值；
-在优化制动值能够遵循所述相应车辆(10A、...、10N)的操作约束时，符合每个时隙的优化制动值，否则，在相应时隙中应用期望制动值；
-使最初计划的出发时间和/或到达时间偏移。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，通过无线信号将所述优化驾驶概况发送到车辆(10A、...、10N)。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述确定期间，基于车辆的目的地进一步确定相应车辆的优选概况。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括初始步骤(105)，用于基于相应车辆(10A、...、10N)的当前位置和目的地来确定该相应车辆(10A、...、10N)的多个可能的驾驶概况，每个可能的驾驶概况包括多个时隙，并且对于每个时隙，确定可能的牵引值和/或可能的制动值；
所述优选驾驶概况选自多个可能的驾驶概况。
11.一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储软件指令，当由处理器执行所述软件指令时，实现根据前述权利要求中任一项所述的方法。
12.一种列车自动运行系统，所述列车自动运行系统被称为ATO系统，该ATO系统用于与供电区段(12)连接的车辆(10A、...、10N)，所述车辆包括：
-牵引系统，其基于牵引值来驱动相应车辆(10A、...、10N)的移动，以及
-制动系统，其基于制动值来制动相应车辆，并将所述制动后回收的电能注入所述电气区段(12)；
所述ATO系统能够与列车自动监控(ATS)系统远程通信，并且包括被配置为实施根据权利要求1至10中任一项所述的方法的步骤的技术装置。
13.一种列车自动监控系统，所述列车自动监控系统被称为ATS系统，其能够与根据权利要求12所述的一个或多个ATO系统远程通信以接收由这些ATO系统生成的优选驾驶概况，并且包括被配置为从这些优选驾驶概况确定优化驾驶概况的技术装置。
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