CN117239935B - 一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统及管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及轨道交通能源分配技术领域，具体公开了一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统及管理方法，包括数据收集模块、数据分析模块、模型建立模块、控制模块以及显示模块；本发明通过层次分析法建立分层矩阵，并计算指标层及次指标层中各因素的权重，再通过数据分析模块建立轨道交通能耗用电管理模型，并依据系统分析针对不同人流量时期对各用电设备进行合理控制，提高了能源利用率，降低了设备运行和维护的成本，缓解人流量少时用电能源浪费的现象。
Description
技术领域
本发明涉及轨道交通能源分配技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统及管理方法。
背景技术
进入新世纪以来，低碳环保的理念深入人心，轨道交通不仅方便了人们的出行，也极大地缓解了城市交通压力。虽然轨道交通的整体能耗相比于其他交通方式如出租、公交低，但是轨道交通能耗同样很大，据研究显示，能耗成本约占据总运营成本的30%，同时用电成本占据能耗成本的90%左右，由于轨道交通涉及的能耗种类过多，从而难以精细管理。目前，针对轨道交通能耗多是对车站及车内各设备能耗进行研究分析，而在不同运营阶段同样将对轨道交通能耗产生极大的影响。现有轨道交通迫切需要一种全面详细的用电能耗管理系统，以针对不同人流量时期控制用电能源，为了解决上述问题，现提供一种技术方案。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明通过层次分析法建立分层矩阵，并计算指标层及次指标层中各因素的权重，再通过数据分析模块建立轨道交通能耗用电管理模型，并依据系统分析针对不同人流量时期对各用电设备进行合理控制，提高了能源利用率，降低了设备运行和维护的成本，缓解人流量少时用电能源浪费的现象，为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统，包括数据收集模块、数据分析模块、模型建立模块、控制模块以及显示模块，
数据收集模块用于收集、统计车站及列车运行的能耗信息，并存储数据；
数据分析模块用于通过层次分析法构建分层矩阵并计算各层指标权重；
模型建立模块通过建立轨道交通能耗用电管理模型获得轨道交通用电能耗量，轨道交通用电能耗的影响因子包括运行能耗、车站能耗以及轨道交通耗电修正量，轨道交通能耗用电管理模型的计算公式为：
；
式中：为轨道交通用电能耗量，/>为运行能耗，/>为车站能耗，/>为轨道交通耗电修正量；
控制模块用于将人流量时间段进行划分分类，并对人流量低的时间段采取能源调控；
显示模块用于展示各设备能源消耗量。
进一步的，数据收集模块与数据分析模块相连接，数据分析模块与模型建立模块相连接，模型建立模块与控制模块相连接，控制模块与显示模块相连接。
进一步的，数据分析模块通过层次分析法将轨道交通用电能耗管理指标评估体系分为两层，分别为指标层及次指标层，指标层为运行能耗以及车站能耗，运行能耗的次指标层为车辆牵引能耗量、车内空调能耗量、通风系统能耗量以及车内辅助系统能耗量；车站能耗的次指标层为电用扶梯能耗量、站内空调能耗量、站内照明能耗量、通信能耗量、排水能耗量、监控能耗量以及消防能耗量。
进一步的，数据分析模块用于通过层次分析法构建分层矩阵并计算各层指标权重，具体步骤为：
步骤一，建立两层轨道交通用电能耗管理指标评估体系，自上而下分别为指标层及次指标层；
步骤二，通过层次分析法构造分层矩阵，并对分层矩阵进行归一化处理；
步骤三，对分层矩阵中的数据进行一致性检验；
步骤四，通过和积法计算得出指标层及次指标层中各因素的权重。
进一步的，对分层矩阵中的数据进行一致性检验的计算公式为：
；
；
；
式中：为一致性比例，/>为一致性指标，/>为平均随机一致性指标，/>为分层矩阵阶数，/>为分层矩阵的最大特征根，/>为分层矩阵，/>为指标层及次指标层中单个因素每一行权重的和除以所有指标权重的总和。
通过和积法计算得出指标层及次指标层中各因素的权重，计算步骤为：
步骤Z1，将分层矩阵的每一列元素做归一化处理，计算公式为：
；
式中：为归一化后的分层矩阵，/>为原始分层矩阵，/>为分层矩阵的行，/>为分层矩阵的列，/>为列矩阵；
步骤Z2，将归一化的分层矩阵按行相加，计算公式为：
；
式中：为按行相加后的归一化分层矩阵。
步骤Z3，轨道交通用电能耗管理指标评估体系对向量进行归一化，计算公式为：
；
式中：为归一化后的/>，/>为按列相加后的归一化分层矩阵。
进一步的，控制模块通过分析车站实时人流量情况特点，将不同时间段的人流量划分为出行高峰期以及非出行高峰期。
进一步的，轨道交通能耗用电管理模型的计算公式中用到的轨道交通耗电修正量，其计算公式为：
；
式中：为设备故障导致的能源消耗量。
进一步的，运行能耗的管理模型为：
；
式中：为车辆牵引能耗量，/>为车内空调能耗量，/>为通风系统能耗量，/>为车内辅助系统能耗量；
车站能耗的管理模型为：
；
式中：为电用扶梯能耗量，/>为站内空调能耗量，/>为站内照明能耗量，/>为通信能耗量，/>为排水能耗量，/>为监控能耗量，/>为消防能耗量。
进一步的，一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统的管理方法，包括如下步骤：
步骤S1，通过数据收集模块收集车站能耗信息，将信息传送至数据分析模块；
步骤S2，数据分析模块通过层次分析法将轨道交通用电能耗管理指标评估体系分为两层，建立分层矩阵，对分层矩阵的数据进行一次性检验，通过和积法计算出指标层及次指标层中各因素的权重；
步骤S3，通过数据分析模块的输出建立轨道交通能耗用电管理模型，获得轨道交通用电能耗量；
步骤S4，通过控制模块对人流量时间段进行划分分类，分类为出行高峰期以及非出行高峰期，具体划分标准为：
出行高峰期指早上七点至九点钟、傍晚五点至八点钟以及节假日全天的出行高峰时段；
非出行高峰期指指出行高峰期之外的运行时段；
步骤S5，控制模块在高峰期时，依据轨道交通用电能耗动态调整能源供应，在非出行高峰期时降低车辆牵引能耗量、车内空调能耗量，通风系统能耗量、车内辅助系统能耗量、电用扶梯能耗量、站内空调能耗量以及站内照明能耗量。
本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：
1、本发明通过实时监控和分析地铁系统的能源消耗，及时找到能耗较高的环节并采取相应措施降低能耗，提高了能源利用率，降低了设备运行和维护的成本，缓解了人流量少时用电能源浪费的现象；
2、本发明通过提高能源使用效率，减少能源浪费，有助于实现节能环保的目标。
附图说明
图1为本发明一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统的结构示意图；
图2为本发明一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统的流程图；
图3为本发明中轨道交通用电能耗管理指标评估体系的结构图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
参照图1-图3，一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统，包括数据收集模块、数据分析模块、模型建立模块、控制模块以及显示模块；
数据收集模块用于收集、统计车站及列车运行的能耗信息，并存储数据；
数据分析模块用于通过层次分析法构建分层矩阵并计算各层指标权重；
模型建立模块通过建立轨道交通能耗用电管理模型获得轨道交通用电能耗量，轨道交通用电能耗的影响因子包括运行能耗、车站能耗以及轨道交通耗电修正量，轨道交通能耗用电管理模型的计算公式为：
；
式中：为轨道交通用电能耗量，/>为运行能耗，/>为车站能耗，/>为轨道交通耗电修正量；
其中，由轨道交通能耗用电管理模型公式可知轨道交通用电能耗量受轨道交通耗电修正量的影响较大，受运行能耗以及车站能耗的影响较小。
控制模块用于将人流量时间段进行划分分类，并对人流量低的时间段采取能源调控；
显示模块用于展示各设备能源消耗量。
车辆牵引能耗量是指列车在运行过程中消耗的电力，通过在列车上安装的电表测量；车内空调能耗量通过监测列车上的空调系统的电力消耗获得；通风系统的能耗量通过监测列车车厢内的通风设备的电力消耗来获得；车内辅助系统，包括照明、插座以及信息屏幕的能耗，通过监测这些设备的电力消耗获得；电用扶梯能耗量通过监测扶梯电机的电力消耗获得；站内空调系统的能耗通过监测空调设备的电力消耗获得；站内照明能耗通过监测站台和站内照明设备的电力消耗获得；通信设备的能耗通过监测通信设备的电力消耗来获得，包括列车内部和车站之间的通信系统；排水系统的能耗通过监测排水设备的电力消耗获得；监控系统的能耗通过监测监控设备、摄像头以及服务器的电力消耗获得；消防系统的能耗通过监测消防设备、报警系统以及紧急照明设备的电力消耗获得。
本发明实施例中，数据收集模块与数据分析模块相连接，数据分析模块与模型建立模块相连接，模型建立模块与控制模块相连接，控制模块与显示模块相连接。
实施例1
当在一线城市地铁的线路中共有20个车站，每天运送大量乘客，为了降低能源消耗，提高能源利用效率，线路的运营公司决定采用综合能源管理分配系统来进行能源管理。首先，数据收集模块会实时收集车站及列车运行的能耗信息，包括用电量、用水量以及燃气量，并存储在数据库中；数据分析模块通过层次分析法构建分层矩阵，并计算各层指标权重，将车站及列车运行的能耗信息分为运行能耗和车站能耗，其中运行能耗包括列车牵引能耗量、车内空调能耗量、通风系统能耗量以及车内辅助系统能耗量；车站能耗包括电用扶梯能耗量、站内空调能耗量、站内照明能耗量、通信能耗量、排水能耗量、为监控能耗量以及消防能耗量，通过计算，得到各能耗指标的权重，以便于后续的模型建立和调控。然后，模型建立模块根据所收集的数据，建立轨道交通能耗用电管理模型，计算出整个地铁线路的用电能耗量；控制模块将人流量时间段进行划分分类，分类为出行高峰期、非出行高峰期，根据各个时段的客流量，对各个设备的能源消耗进行调控，当在夏季出行高峰期时，提高照明亮度，提高空调调节出力；而在夏季非出行高峰期时，降低照明亮度，降低空调调节出力；显示模块会实时展示各个设备的能源消耗量，以便于运营人员实时监控和管理。通过采用这种综合能源管理分配系统，该地铁线路的运营公司能够成功降低能源消耗，提高能源利用效率，从而降低了运营成本，取得显著的环保效益和经济效益。
本实施例通过层次分析法建立分层矩阵，并计算指标层及次指标层分层矩阵中各因素的权重，再通过数据分析模块建立轨道交通能耗用电管理模型，并依据系统分析针对不同人流量时期对各用电设备进行合理控制，有助于缓解人流量少时用电能源浪费的现象。
本实施例中数据分析模块通过层次分析法将轨道交通用电能耗管理指标评估体系分为两层，分别为指标层及次指标层，指标层为运行能耗以及车站能耗，运行能耗的次指标层为车辆牵引能耗量、车内空调能耗量、通风系统能耗量以及车内辅助系统能耗量，车站能耗的次指标层为电用扶梯能耗量、站内空调能耗量、站内照明能耗量、通信能耗量、排水能耗量、监控能耗量以及消防能耗量。
本实施例中数据分析模块用于通过层次分析法构建分层矩阵并计算各层指标权重，具体步骤为：
步骤一，建立两层轨道交通用电能耗管理指标评估体系，自上而下分别为指标层及次指标层；
步骤二，通过层次分析法构造分层矩阵，并对分层矩阵进行归一化处理；
步骤三，对分层矩阵中的数据进行一致性检验；
步骤四，通过和积法计算得出指标层及次指标层中各因素的权重。
本实施例利用次分析法构建分层矩阵并计算各层指标权重，将复杂的问题分解为几个子问题，形成一个有层次的结构，使得分析过程变得清晰和易于理解，并具有系统性和逻辑性。通过对指标层以及次指标层进行权重计算，全面考虑问题的各个方面，避免了因片面考虑问题而导致的决策偏差，并且有助于反映指标之间的相对重要性，有利于更准确地进行决策分析。
本实施例中对分层矩阵中的数据进行一致性检验的计算公式为：
；
；
；
式中：为一致性比例，/>为一致性指标，/>为平均随机一致性指标，/>为分层矩阵阶数，/>为分层矩阵的最大特征根，/>为分层矩阵，/>为指标层及次指标层中单个因素每一行权重的和除以所有指标权重的总和。
通过和积法计算得出指标层及次指标层中各因素的权重，计算步骤为：
步骤Z1，将分层矩阵的每一列元素做归一化处理，计算公式为：
；
式中：为归一化后的分层矩阵，/>为原始分层矩阵，/>为分层矩阵的行，/>为分层矩阵的列，/>为列矩阵；
步骤Z2，将归一化的分层矩阵按行相加，计算公式为：
；
式中：为按行相加后的归一化分层矩阵。
步骤Z3，轨道交通用电能耗管理指标评估体系对向量进行归一化，计算公式为：
；
式中：为归一化后的/>，/>为按列相加后的归一化分层矩阵。
通过构建分层矩阵，能够将复杂的问题分解为多个层次的指标，从而使问题分析更具系统性和条理性，将多个指标按照层次进行排列，从而使决策者能够清晰地看到各个指标之间的层次关系和权重，并能够避免主观因素对权重分配的影响，从而使计算结果更加客观公正。由于和积法能够将不同层次的指标按照统一的标准进行权重计算，因此有利于对不同方案或者不同评价对象进行横向和纵向的比较，能够根据需要调整层次和指标，以满足不同问题的需求，具有较高的灵活性，以帮助决策者更加科学、客观、公正地评估轨道交通用电能耗管理指标，从而为轨道交通的节能减排提供有力的支持。
本实施例中控制模块通过分析车站实时人流量情况特点，将不同时间段的人流量划分为出行高峰期以及非出行高峰期。
本实施例中轨道交通能耗用电管理模型的计算公式中用到的轨道交通耗电修正量，其计算公式为：
；
式中：为设备故障导致的能源消耗量。
通过考虑设备故障带来的能耗，车站以及列车中的设备或机械部件故障将导致能源消耗，当燃气管道或暖气系统的泄漏时，会导致天然气或热能的损失，考虑设备故障带来的能耗使轨道交通能耗用电管理系统更加综合全面。
实施例2
当城市轨道交通运营公司希望降低能耗，提高能源利用效率时，采用了一种轨道交通能耗用电管理模型，通过数据收集模块获取了轨道交通能耗信息，包括运行能耗、车站能耗以及人为损坏导致的能源消耗量，数据分析模块通过层次分析法构建了分层矩阵，并计算了各个指标的权重，模型建立模块根据所收集的数据，建立了轨道交通能耗用电管理模型，控制模块将人流量时间段进行划分分类，并对人流量低的时间段采取能源调控措施。在应用过程中，运营公司发现，在某些时间段内，人为损坏导致的能源消耗量较高，从而导致了轨道交通耗电修正量的上升，这意味着，在这些时间段内，轨道交通的能源消耗量可能高于实际需求。通过轨道交通能耗用电管理模型，运营公司能够及时降低人为损坏导致的能源消耗量，从而降低轨道交通耗电修正量，有助于提高轨道交通的能源利用效率，降低运营成本，取得显著的环保效益和经济效益。
本实施例中运行能耗的管理模型为：
；
式中：为车辆牵引能耗量，/>为车内空调能耗量，/>为通风系统能耗量，/>为车内辅助系统能耗量；
其中，由运行能耗的管理模型可知，运行能耗受车内空调能耗量的影响较大，受车辆牵引能耗量、通风系统能耗量以及车内辅助系统能耗量的影响较小。
车站能耗的管理模型为：
；
式中：为电用扶梯能耗量，/>为站内空调能耗量，/>为站内照明能耗量，/>为通信能耗量，/>为排水能耗量，/>为监控能耗量，/>为消防能耗量。
本实施例中一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统的管理方法，包括如下步骤：
步骤S1，通过数据收集模块收集车站能耗信息，将信息传送至数据分析模块；
步骤S2，数据分析模块通过层次分析法将轨道交通用电能耗管理指标评估体系分为两层，建立分层矩阵，对分层矩阵的数据进行一次性检验，通过和积法计算出指标层及次指标层中各因素的权重；
步骤S3，通过数据分析模块的输出建立轨道交通能耗用电管理模型，获得轨道交通用电能耗量；
步骤S4，通过控制模块对人流量时间段进行划分分类，分类为出行高峰期以及非出行高峰期，具体划分标准为：
出行高峰期指早上七点至九点钟、傍晚五点至八点钟以及节假日全天的出行高峰时段；
非出行高峰期指出行高峰期之外的运行时段；
步骤S5，控制模块在高峰期时依据轨道交通用电能耗动态调整能源供应，在非出行高峰期时降低车辆牵引能耗量、车内空调能耗量，通风系统能耗量、车内辅助系统能耗量、电用扶梯能耗量、站内空调能耗量以及站内照明能耗量。
本实施例通过层次分析法建立分层矩阵，层次分析法帮助确定轨道交通系统中不同因素之间的相互关系和依赖性，通过识别和优化这些关系，提高系统的能源效率和性能，降低能耗量。再通过计算指标层及次指标层分层矩阵中各因素的权重，再通过数据分析模块建立轨道交通能耗用电管理模型，并依据系统分析针对不同人流量时期对各用电设备进行合理控制，提高了能源利用率，降低了设备运行和维护的成本，缓解人流量少时用电能源浪费的现象。
本实施例通过实时监控和分析地铁系统的能源消耗，能够及时找到能耗较高的环节并采取相应措施降低能耗，通过提高能源使用效率，减少能源浪费，有助于实现节能环保的目标。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统，包括数据收集模块、数据分析模块、模型建立模块、控制模块以及显示模块，其特征在于，数据收集模块与数据分析模块相连接，数据分析模块与模型建立模块相连接，模型建立模块与控制模块相连接，控制模块与显示模块相连接；数据收集模块用于收集、统计车站及列车运行的能耗信息，并存储数据；数据分析模块用于通过层次分析法构建分层矩阵并计算各层指标权重；模型建立模块通过建立轨道交通能耗用电管理模型获得轨道交通用电能耗量，轨道交通用电能耗的影响因子包括运行能耗、车站能耗以及轨道交通耗电修正量，轨道交通能耗用电管理模型的计算公式为：
；
式中：为轨道交通用电能耗量，/>为运行能耗，/>为车站能耗，/>为轨道交通耗电修正量；
控制模块用于将人流量时间段进行划分分类，并对人流量低的时间段采取能源调控；显示模块用于展示各设备能源消耗量；
数据分析模块通过层次分析法将轨道交通用电能耗管理指标评估体系分为两层，分别为指标层及次指标层，指标层为运行能耗以及车站能耗，运行能耗的次指标层为车辆牵引能耗量、车内空调能耗量、通风系统能耗量以及车内辅助系统能耗量；车站能耗的次指标层为电用扶梯能耗量、站内空调能耗量、站内照明能耗量、通信能耗量、排水能耗量、监控能耗量以及消防能耗量；
数据分析模块用于通过层次分析法构建分层矩阵并计算各层指标权重，具体步骤为：
步骤一，建立两层轨道交通用电能耗管理指标评估体系，自上而下分别为指标层及次指标层；
步骤二，通过层次分析法构造分层矩阵，并对分层矩阵进行归一化处理；
步骤三，对分层矩阵中的数据进行一致性检验；
步骤四，通过和积法计算得出指标层及次指标层中各因素的权重；
对分层矩阵中的数据进行一致性检验的计算公式为：
；/>；/>；
式中：为一致性比例，/>为一致性指标，/>为平均随机一致性指标，/>为分层矩阵阶数，为分层矩阵的最大特征根，/>为分层矩阵，/>为指标层及次指标层中单个因素每一行权重的和除以所有指标权重的总和。
2.根据权利要求1所述的一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统，其特征在于，控制模块通过分析车站实时人流量情况特点，将不同时间段的人流量划分为出行高峰期以及非出行高峰期。
3.根据权利要求1所述的一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统，其特征在于，轨道交通能耗用电管理模型的计算公式中用到的轨道交通耗电修正量，其计算公式为：
；
式中：为设备故障导致的能源消耗量。
4.根据权利要求1所述的一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统，其特征在于，运行能耗的管理模型为：
；
式中：为车辆牵引能耗量，/>为车内空调能耗量，/>为通风系统能耗量，/>为车内辅助系统能耗量；
车站能耗的管理模型为：
；
式中：为电用扶梯能耗量，/>为站内空调能耗量，/>为站内照明能耗量，/>为通信能耗量，/>为排水能耗量，/>为监控能耗量，/>为消防能耗量。
5.根据权利要求1所述的一种用于轨道交通的综合能源管理分配系统的管理方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤S1，通过数据收集模块收集车站能耗信息，将信息传送至数据分析模块；
步骤S2，数据分析模块通过层次分析法将轨道交通用电能耗管理指标评估体系分为两层，建立分层矩阵，对分层矩阵的数据进行一次性检验，通过和积法计算出指标层及次指标层中各因素的权重；
步骤S3，通过数据分析模块的输出建立轨道交通能耗用电管理模型，获得轨道交通用电能耗量；
步骤S4，通过控制模块对人流量时间段进行划分分类，分类为出行高峰期以及非出行高峰期，具体划分标准为：
出行高峰期指早上七点至九点钟、傍晚五点至八点钟以及节假日全天的出行高峰时段；
非出行高峰期指出行高峰期之外的运行时段；
步骤S5，控制模块在非出行高峰期时降低车辆牵引能耗量、车内空调能耗量，通风系统能耗量、车内辅助系统能耗量、电用扶梯能耗量、站内空调能耗量以及站内照明能耗量。
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- 2023-11-10 CN CN202311490187.3A patent/CN117239935B/zh active Active
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