CN113665638A - 一种针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法，其包括获取列车数据和停车目标点；根据列车数据和前方的停车目标点，利用最大化势能方法，计算并更新列车运行速度曲线；根据列车数据和后方的停车目标点，利用冲坡反向运行方法，计算并更新列车运行速度曲线；输出更新的列车运行速度曲线，并根据该曲线控制列车运行；反馈列车车载储能无法支撑列车到达停车目标点，并启动救援措施。本发明充分利用最大化势能，允许列车超过目标速度惰性运行，提高应急自走能力；充分利用冲坡反向运行的势能转换，避免谷底停车现象，降低列车起车困难。

Description

一种针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法

技术领域

本发明涉及列车应急指导技术领域，具体涉及一种针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法。

背景技术

随着人们的日常出行的需求越来越高，轨道交通行业在得到了极大的发展，国内高速铁路遍布全国各地。但由于我国幅员辽阔，山区线路条件复杂，因此恶劣天气、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，则此时列车只能依靠车载储能设备进行供电。然而列车空间有限，对车载储能设备的体积和重量进行限制，车载储能设备的容量是十分有限的，因此在车载储能设备容量允许的前提下，优化列车运行曲线尤为重要。

当列车运行在一些复杂山区铁路时，车载储能设备对列车应急运行的限制就变得格外突出。首先，由于目前电池技术的限制，因此车载储能装置的容量是受限的，当运行在长大下坡道时，在已有的解决方案中，是选取制动工况进行能量的再生，但车载储能装置的再生储能能力和容量限制了它回收能量的上限；当运行在长大上坡道时，由于车载储能装置的容量和功率受限，就导致所能提供的牵引能力受限，导致在长大上坡道无法顺利通行。

综上所述，目前现有的列车在应急自走行时的操纵策略更多的是普遍使用于全线列车的通用方法，但在面对复杂山区铁路时，往往不能达到预期的目的。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法解决了已有技术中列车依靠自身储能无法通过困难区域的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法，其包括以下步骤：

S1、获取列车数据和停车目标点；其中停车目标点包括列车前后方的停车目标点；

S2、根据列车数据和前方的停车目标点，利用最大化势能方法，计算并更新列车运行速度曲线；

S3、基于当前的列车运行速度曲线，判断列车是否能够正向抵达前方的停车目标点，若是则进入步骤S6；否则进入步骤S4；

S4、根据列车数据和后方的停车目标点，利用冲坡反向运行方法，计算并更新列车运行速度曲线；

S5、基于当前的列车运行速度曲线，判断列车是否能够反向抵达后方的停车目标点，若是则进入步骤S6；否则进入步骤S7；

S6、输出当前的列车运行速度曲线，并根据该曲线控制列车运行，完成优化通行；

S7、反馈列车车载储能无法支撑列车到达停车目标点，并启动救援措施，完成优化通行。

进一步地，步骤S2的具体方法为：

S2-1、根据前方的停车目标点，设置列车距离步长；

S2-2、基于列车距离步长，计算得到最大能力曲线；

S2-3、划分最大能力曲线的子区间，并设置搜寻距离步长；

S2-4、提取当前子区间，将当前子区间牵引工况起始位置作为初始搜寻点，并在初始搜寻点插入惰性，使列车允许超过目标速度惰性运行，并确认惰性终点位置，直到搜寻完所有子区间；

S2-5、将每个子区间搜寻结果中对应能耗最小的速度曲线作为该子区间的惰性速度曲线；

S2-6、将选取的惰性速度曲线插入恒速运行曲线中，得到列车速度优化曲线，并以此更新列车运行速度曲线。

进一步地，步骤S2-2的具体方法为：

S2-2-1、进入满级牵引状态，通过满级牵引工况和目标速度，利用公式

进行迭代获取满级牵引曲线；

其中满级牵引工况为

g为重力工况，f为列车的单位牵引力，ω为列车的单位全阻力，v₂为当前距离步长的列车速度，v₁为上一距离步长的列车速度，ΔS为列车距离步长；

S2-2-2、进入目标速度下的恒速牵引状态，根据目标速度获取目标速度下的恒速牵引曲线；

S2-2-3、进入目标速度下的恒速制动状态，通过恒速制动工况和目标速度，获取目标速度下的恒速制动曲线；其中恒速制动工况为0；

S2-2-4、进入目标速度下的满级制动状态，通过满级制动工况、目标速度和线路限制速度，获取目标速度下的满级制动曲线；

其中满级制动工况为

b为列车的单位制动力；

S2-2-5、进入线路限制速度下的恒速牵引状态，根据线路限制速度获取线路限制速度下的恒速牵引曲线；

S2-2-6、进入线路限制速度下的恒速制动状态，通过恒速制动工况和线路限制速度，获取线路限制速度下的恒速制动曲线；

S2-2-7、进入线路限制速度下的满级制动状态，通过满级制动工况和线路限制速度，获取线路限制速度下的满级制动曲线；

S2-2-8、根据线路限制速度下的满级制动曲线到目标速度下的满级制动曲线反向计算ATP防护曲线；

S2-2-9、将步骤S2-2-1到步骤S2-2-8所得曲线组合得到最大能力曲线。

进一步地，步骤S4的具体方法为：

S4-1、搜寻满级制动停车点到惰性停车点之间的区域，即计算可折返区间；

S4-2、基于可折返区间，计算最节能折返点；

S4-3、根据最节能折返点和最大化势能方法，计算列车速度优化曲线，并以此更新列车运行速度曲线。

进一步地，步骤S4-2的具体方法为：

S4-2-1、根据公式：

得到停车总能量消耗E₁和反向行车至列车故障点总能量消耗E₂；其中E_q1为停车过程中的牵引能耗，E_aux1为停车过程中的辅助能耗，E_q2为反向行车至列车故障点过程中的牵引能耗，E_aux2为反向行车至列车故障点过程中的辅助能耗，X_D为最节能折返点位置，X_A为列车发生故障位置，F_t(v)为列车施加的牵引力，P_aux为列车辅助系统功率，v(t)为列车运行速度，F_t(v')为列车施加的牵引力，v'(t)为列车运行速度，∫dx为积分公式；

S4-2-2、根据公式：

得到故障时刻列车动能E_K0；其中M为列车质量，v₀为列车发生故障时刻的速度；

S4-2-3、根据公式：

得到停车后返回故障位置的列车动能E_Kt；其中v_t为列车反向行车至列车故障点时刻的速度；

S4-2-4、根据公式：

ΔE＝E_K0-E_Kt-E₁-E₂

得到等效消耗能量ΔE；

S4-2-5、根据最小等效消耗能量确定最节能折返点。

本发明的有益效果为：

1、通过使用最大化势能利用策略，允许列车超过目标速度惰行运行，充分利用线路势能提高运行速度，能够越过困难区段，以提高应急自走行能力；

2、通过使用冲坡反向运行方法，实现了从正向动能到线路势能再到反向动能的转换，最大程度节约了列车初始动能、相比既有应急方案中停车后再反向运行的动能损失更小、还避免了谷底停车现象，降低列车起车困难；

3、提出了一种当列车应急自走行时，优先考虑正向行车，若列车无法正向行车到达前方站点则朝着后方救援站反向运行实现自我救援的列车优化通行方法。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为最大能力曲线图；

图3为搜寻惰性方案曲线图；

图4为列车速度优化曲线图；

图5为列车应急折返示意图。

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。

如图1所示，该针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法包括以下步骤：

S1、获取列车数据和停车目标点；其中停车目标点包括列车前后方的停车目标点；

S2、根据列车数据和前方的停车目标点，利用最大化势能方法，计算并更新列车运行速度曲线；

S3、基于当前的列车运行速度曲线，判断列车是否能够正向抵达前方的停车目标点，若是则进入步骤S6；否则进入步骤S4；

S4、根据列车数据和后方的停车目标点，利用冲坡反向运行方法，计算并更新列车运行速度曲线；

S5、基于当前的列车运行速度曲线，判断列车是否能够反向抵达后方的停车目标点，若是则进入步骤S6；否则进入步骤S7；

S6、输出当前的列车运行速度曲线，并根据该曲线控制列车运行，完成优化通行；

S7、反馈列车车载储能无法支撑列车到达停车目标点，并启动救援措施，完成优化通行。

步骤S2的具体方法为：

S2-1、根据前方的停车目标点，设置列车距离步长；

S2-2、基于列车距离步长，计算得到最大能力曲线；

S2-3、划分最大能力曲线的子区间，并设置搜寻距离步长；

S2-4、提取当前子区间，将当前子区间牵引工况起始位置作为初始搜寻点，并在初始搜寻点插入惰性，使列车允许超过目标速度惰性运行，并确认惰性终点位置，直到搜寻完所有子区间；

S2-5、将每个子区间搜寻结果中对应能耗最小的速度曲线作为该子区间的惰性速度曲线；

S2-6、将选取的惰性速度曲线插入恒速运行曲线中，得到列车速度优化曲线，并以此更新列车运行速度曲线。

如图2所示，X₀A段为满级牵引状态，速度从0以满级牵引工况加速至目标速度V_set；AB段为目标速度下的恒速牵引状态，BC段为目标速度下的恒速制动状态，CD段为目标速度下的满级制动状态，DE段为线路限制速度下的恒速牵引状态，EF段为线路限制速度下的恒速制动状态，FX_end段为限制速度下的满级制动状态。

从A处到B处，列车处于恒速牵引工况，需要使速度恒定等于v_set，此时通过调节列车牵引力使用系数λ_y使单位合力c_Y为0，从而使加速度等于零保持恒速运行，即

从B处到C处，列车处于恒速制动工况，需要使速度恒定等于v_set，此时通过调节列车制动力使用系数λ_d使单位合力c_D为0，从而使加速度等于零保持恒速运行，即

最大能力运行曲线与ATP制动防护曲线相交于C处，即列车从B处恒速运行到C处后以满级制动工况运行到D处；从D处到F处，线路限速v_lim低于目标速度v_set，则优先以线路限速作为恒速速度运行；最大能力运行曲线与ATP制动防护曲线相交于F处，即列车从D处恒速运行到F处后以满级制动工况运行到X_end处。

如图3所示，为步骤S2-4到步骤S2-6的惰性搜寻结果。

如图4所示，为步骤S2-6的结果。

步骤S2-2的具体方法为：

S2-2-1、进入满级牵引状态，通过满级牵引工况和目标速度，利用公式

进行迭代获取满级牵引曲线；

其中满级牵引工况为

g为重力工况，f为列车的单位牵引力，ω为列车的单位全阻力，v₂为当前距离步长的列车速度，v₁为上一距离步长的列车速度，ΔS为列车距离步长；

S2-2-2、进入目标速度下的恒速牵引状态，根据目标速度获取目标速度下的恒速牵引曲线；

S2-2-3、进入目标速度下的恒速制动状态，通过恒速制动工况和目标速度，获取目标速度下的恒速制动曲线；其中恒速制动工况为0；

S2-2-4、进入目标速度下的满级制动状态，通过满级制动工况、目标速度和线路限制速度，获取目标速度下的满级制动曲线；

其中满级制动工况为

b为列车的单位制动力；

S2-2-5、进入线路限制速度下的恒速牵引状态，根据线路限制速度获取线路限制速度下的恒速牵引曲线；

S2-2-6、进入线路限制速度下的恒速制动状态，通过恒速制动工况和线路限制速度，获取线路限制速度下的恒速制动曲线；

S2-2-7、进入线路限制速度下的满级制动状态，通过满级制动工况和线路限制速度，获取线路限制速度下的满级制动曲线；

S2-2-8、根据线路限制速度下的满级制动曲线到目标速度下的满级制动曲线反向计算ATP防护曲线；

S2-2-9、将步骤S2-2-1到步骤S2-2-8所得曲线组合得到最大能力曲线。

如图5所示，步骤S4的具体方法为：

S4-1、搜寻满级制动停车点到惰性停车点之间的区域，即计算可折返区间；

S4-2、基于可折返区间，计算最节能折返点；

S4-3、根据最节能折返点和最大化势能方法，计算列车速度优化曲线，并以此更新列车运行速度曲线。

步骤S4-2的具体方法为：

S4-2-1、根据公式：

得到停车总能量消耗E₁和反向行车至列车故障点总能量消耗E₂；其中E_q1为停车过程中的牵引能耗，E_aux1为停车过程中的辅助能耗，E_q2为反向行车至列车故障点过程中的牵引能耗，E_aux2为反向行车至列车故障点过程中的辅助能耗，X_D为最节能折返点位置，X_A为列车发生故障位置，F_t(v)为列车施加的牵引力，P_aux为列车辅助系统功率，v(t)为列车运行速度，F_t(v')为列车施加的牵引力，v'(t)为列车运行速度，∫dx为积分公式；

S4-2-2、根据公式：

得到故障时刻列车动能E_K0；其中M为列车质量，v₀为列车发生故障时刻的速度；

S4-2-3、根据公式：

得到停车后返回故障位置的列车动能E_Kt；其中v_t为列车反向行车至列车故障点时刻的速度；

S4-2-4、根据公式：

ΔE＝E_K0-E_Kt-E₁-E₂

得到等效消耗能量ΔE；

S4-2-5、根据最小等效消耗能量确定最节能折返点。

本发明通过使用最大化势能利用策略，允许列车超过目标速度惰行运行，充分利用线路势能提高运行速度，能够越过困难区段，以提高应急自走行能力；通过使用冲坡反向运行方法，实现了从正向动能到线路势能再到反向动能的转换，最大程度节约了列车初始动能、相比既有应急方案中停车后再反向运行的动能损失更小、还避免了谷底停车现象，降低列车起车困难；提出了一种当列车应急自走行时，优先考虑正向行车，若列车无法正向行车到达前方站点则朝着后方救援站反向运行实现自我救援的列车优化通行方法。

Claims (5)

1.一种针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取列车数据和停车目标点；其中停车目标点包括列车前后方的停车目标点；

S2、根据列车数据和前方的停车目标点，利用最大化势能方法，计算并更新列车运行速度曲线；

S3、基于当前的列车运行速度曲线，判断列车是否能够正向抵达前方的停车目标点，若是则进入步骤S6；否则进入步骤S4；

S4、根据列车数据和后方的停车目标点，利用冲坡反向运行方法，计算并更新列车运行速度曲线；

S5、基于当前的列车运行速度曲线，判断列车是否能够反向抵达后方的停车目标点，若是则进入步骤S6；否则进入步骤S7；

S6、输出当前的列车运行速度曲线，并根据该曲线控制列车运行，完成优化通行；

S7、反馈列车车载储能无法支撑列车到达停车目标点，并启动救援措施，完成优化通行。

2.根据权利要求1所述的针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法，其特征在于，步骤S2的具体方法为：

S2-1、根据前方的停车目标点，设置列车距离步长；

S2-2、基于列车距离步长，计算得到最大能力曲线；

S2-3、划分最大能力曲线的子区间，并设置搜寻距离步长；

S2-4、提取子区间，将当前子区间牵引工况起始位置作为初始搜寻点，并在初始搜寻点插入惰性，使列车允许超过目标速度惰性运行，并确认惰性终点位置，直到搜寻完所有子区间；

S2-5、将每个子区间搜寻结果中对应能耗最小的速度曲线作为该子区间的惰性速度曲线；

S2-6、将选取的惰性速度曲线插入恒速运行曲线中，得到列车速度优化曲线，并以此更新列车运行速度曲线。

3.根据权利要求2所述的针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法，其特征在于，步骤S2-2的具体方法为：

S2-2-1、进入满级牵引状态，通过满级牵引工况和目标速度，利用公式

进行迭代获取满级牵引曲线；

其中满级牵引工况为

g为重力工况，f为列车的单位牵引力，ω为列车的单位全阻力，v₂为当前距离步长的列车速度，v₁为上一距离步长的列车速度，ΔS为列车距离步长；

S2-2-2、进入目标速度下的恒速牵引状态，根据目标速度获取目标速度下的恒速牵引曲线；

S2-2-3、进入目标速度下的恒速制动状态，通过恒速制动工况和目标速度，获取目标速度下的恒速制动曲线；其中恒速制动工况为0；

S2-2-4、进入目标速度下的满级制动状态，通过满级制动工况、目标速度和线路限制速度，获取目标速度下的满级制动曲线；

其中满级制动工况为

b为列车的单位制动力；

S2-2-5、进入线路限制速度下的恒速牵引状态，根据线路限制速度获取线路限制速度下的恒速牵引曲线；

S2-2-6、进入线路限制速度下的恒速制动状态，通过恒速制动工况和线路限制速度，获取线路限制速度下的恒速制动曲线；

S2-2-7、进入线路限制速度下的满级制动状态，通过满级制动工况和线路限制速度，获取线路限制速度下的满级制动曲线；

S2-2-8、根据线路限制速度下的满级制动曲线到目标速度下的满级制动曲线反向计算ATP防护曲线；

S2-2-9、将步骤S2-2-1到步骤S2-2-8所得曲线组合得到最大能力曲线。

4.根据权利要求1所述的针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法，其特征在于，步骤S4的具体方法为：

S4-1、搜寻满级制动停车点到惰性停车点之间的区域，即计算可折返区间；

S4-2、基于可折返区间，计算最节能折返点；

S4-3、根据最节能折返点和最大化势能方法，计算列车速度优化曲线，并以此更新列车运行速度曲线。

5.根据权利要求1所述的针对带车载储能列车在复杂山区铁路的优化通行方法，其特征在于，步骤S4-2的具体方法为：

S4-2-1、根据公式：

得到停车总能量消耗E₁和反向行车至列车故障点总能量消耗E₂；其中E_q1为停车过程中的牵引能耗，E_aux1为停车过程中的辅助能耗，E_q2为反向行车至列车故障点过程中的牵引能耗，E_aux2为反向行车至列车故障点过程中的辅助能耗，X_D为最节能折返点位置，X_A为列车发生故障位置，F_t(v)为列车施加的牵引力，P_aux为列车辅助系统功率，v(t)为列车运行速度，F_t(v')为列车施加的牵引力，v'(t)为列车运行速度，∫dx为积分公式；

S4-2-2、根据公式：

得到故障时刻列车动能E_K0；其中M为列车质量，v₀为列车发生故障时刻的速度；

S4-2-3、根据公式：

得到停车后返回故障位置的列车动能E_Kt；其中v_t为列车反向行车至列车故障点时刻的速度；

S4-2-4、根据公式：

ΔE＝E_K0-E_Kt-E₁-E₂

得到等效消耗能量ΔE；

S4-2-5、根据最小等效消耗能量确定最节能折返点。

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