CN117401001A - 复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置，其中，该方法包括：获取车站客流量数据、路况信息、调度信息、列车运行参数；将列车运行线路依次进行隔断分离为一个或多个区段；利用离散化矩阵和拉格朗日寻优思想，将分割后的不同区段与各车站客流量数据、调度信息和列车运行参数组合，构建复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制模型。最后以列车运行总能耗最低为目标，以列车准点时间、误差、乘客舒适度为限制条件，以单车最低能耗与多列车协同控制为基础，构建复杂工况下的多列车行车调度时刻表模型。具有自适应协调列车数量、运行参数、乘客数量与舒适度的平衡关系，具有计算效率高且精确、应用范围广等优点。

Description

复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置

技术领域

本发明涉及城市轨道交通车辆节能优化操作与行车调度综合控制方法的技术领域，具体地，涉及一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置。

背景技术

近年来，随着我国地铁建设的迅速发展，地铁运营里程迅速增加，近10年间运营里程翻了10倍多，其中山东开通地铁城市2个。自2015年山东青岛首条地铁线路开通以来，省内地铁建设得到迅速发展，截至2022年12月，济南轨道交通运营线路共有3条，运营里程共计84.1km，共设车站43座，在建线路7条，在建线路总长203km；青岛地铁开通运营线路7条，共设车站163座，线路里程315km，在建线路8条。在地铁运营中，电能消耗费用占运营总费用的40％以上，而列车牵引能耗又占电能消耗的40％-50％，甚至更高。以青岛地铁发车间隔为例，假设列车平均发车间隔为6min，列车每日运营16小时，地铁每公里运行消耗电能12kw·h，则青岛地铁每年消耗电能保守估计为2.2亿kw·h，按照山东省平均工业用电0.8元/kw·计算，则青岛地铁每年仅列车运行电费支出超过1.76亿元。同理，济南地铁每年消耗电能约为0.61亿kw·h，电费支出超过0.49亿元。经过节能优化操纵研究，通过建立最优操作ATO系统和最优行车调度时刻表模型，以节约20％耗电量计算，济南和青岛每年仅车辆运行节约电能可达0.56亿kw·h，节约电费支出超过0.45亿元。且随着山东省地铁建设的快速发展，后续节能降费将更加明显，若将节能优化操纵推广到全国电力机车及城市轨道交通运营中，每年节约的电能及电费支出相当可观。

车辆设备和基础设施技术的改善需要长时间和高投资，因此限制了列车节能运行。但改善列车节能优化操纵方法和建立合适的列车行车调度模型以提高能源使用效率的短期或中期策略则无需高投资。在一定的地铁车辆、线路等硬件环境下和既定的运行图、列车编组计划等运营管理状况下，探索地铁列车运行能耗计算方法，提高列车再生制动能量回收利用效率，设定合理的列车行车调度时刻表，以寻找列车最优操纵方式，降低能源消耗和运营成本，是一条经济有效且直接可行的节能途径。因此，本项目提出对复杂工况条件下地铁列车优化操纵及多车协同调度综合节能控制方法开展研究，不仅具有较高的经济价值和良好的社会效益，而且刻不容缓。

本发明专利综合考虑车站客流量、乘客舒适度、城市轨道交通车辆节能优化操纵控制策略、再生制动能量利用率和行车调度信息，基于离散化矩阵和拉格朗日控制思想，通过建立列车运行能耗模型，探索复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，降低列车运行总能耗，满足铁路部门对于列车控制可靠性高、舒适度强、稳定性好、安全性高、节能环保的高标准要求。

发明内容

本发明是为了实现地铁列车在复杂工况条件下综合利用城市轨道交通车辆再生制动能量，克服现有技术中列车行车调度中不能建立有效的单车节能、多车协同利用再生制动能量的列车行车控制节能时刻表的缺陷，根据本发明的一个方面，提出一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法。

为实现上述目的本发明提供的一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，通过执行如下步骤调控列车行进速度和进出站时间，使得在同一供电区段内存在的至少两辆列车同时制动和牵引，并且牵引列车吸收制动列车的再生能量，包括：

采集车站客流量数据、路况信息、调度信息、列车运行参数；

利用离散化矩阵和拉格朗日控制方法，将列车运行线路隔断分解成若干区段，各个相邻区段之间的衔接点处的速度相同，所述区段至少包括加速阶段、再生制动阶段中的一个或多个阶段；并将线路分解出的区段与车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、线路运行车辆数量、再生制动点、加速点进行拟合建立离散化矩阵控制序列模型并离散化编码；

根据所述离散化矩阵控制序列参数，计算列车运行总能耗，获取总能耗最低时的城轨多列车行车调度综合节能最优控制时刻表模型，并将根据行车调度最优控制时刻表建立的发车间隔、速度曲线和加速度曲线；所述最优地铁列车行车调度控制时刻表为某一地铁运行线路站间列车运行总能耗最低时所对应的行车调度控制时刻表；

将发车间隔、速度曲线和加速度曲线导入地铁控制台调度中心，用于控制列车行进。

所述列车调度信息包括：站间列车运行数量、列车发车间隔、准点时间、准点误差、站间距离；所述列车运行参数包括：最大允许速度、最大允许加速度、列车重量、客流量数据；所述列车路况信息包括：坡度、坡道距起点距离、坡道长度、弯道长度、弯道距起点距离。

所述离散化编码为设置模型数据的采样频率，用于根据精度获取不同采用频率下的离散化矩阵控制序列参数。

所述站间列车最优节能实矩阵控制模型参数包括：加速度、加速后的最佳匀速速度、再生制动后速度和发车间隔；

1)所述站间列车最优节能实矩阵控制模型表示为：

其中，N_sy为车号为y的列车在s站间的实矩阵控制模型；T_min为发车区间下限；T_max为发车区间上限；t_p-min为停站耗时下限；t_p-max为停站耗时上限；﹒、+为排列组合符号；r，x为极小实数，可根据具体路况和计算精度调整。

2)根据站间列车最优节能实矩阵控制模型，构建整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型：

[N_s1,N_s2，…，N_sy]

3)整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型，均对应一组时间控制序列：

其中，t^s为s车站的列车时间控制序列模型，为牵引耗时；/>为牵引后运行耗时；为再生制动耗时；/>为弯道运行耗时；/>为惰行耗时；/>为坡道运行耗时；/>为空气制动耗时。

当列车实际运行线路中不包含弯道、坡道，则

4)根据s车站时间控制序列模型，可建立整条线路行车调度时刻表模型：

M＝t¹·t²·t³……t^s

所述站间列车最优节能实矩阵控制模型，以列车运行总能耗最低为目标，以乘客舒适度和调度信息为限制条件，以单车节能与多车协同利用再生制动能量为基础，建立列车最佳节能时刻表模型，具体包括：

建立单车节能优化操作和多车协同利用再生制动能量计算模型，该模型主要有前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种模式，进而计算出站间列车再生制动能量利用率；

根据再生制动能量利用率，结合车站客流量数据、调度信息、列车运行参数、控制模式建立满足约束条件最佳行车调度时刻表，所述最佳行车调度时刻表为列车站间运行时总能耗最低时的控制模式。

所述站间距离约束条件、所述准点时间约束条件和所述计算约束条件分别为：

S(t,a,v)＝S

T(t,a,v)≤T

其中，S和T分别为所述列车运行参数中的列车准点时间和站间距离，S(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶距离，T(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶时间，T_min，T_max分别表示发车间隔的下限、上限；t_min，t_max分别表示停站时间的下限、上限，h为乘客舒适度，h_min，h_max分别为乘客舒适度的上限、下限。

所述再生制动利用率计算由前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种控制方法所产生的速度-时间曲线重叠部分面积表示，其重叠部分面积可由其重叠部分时间计算；

所述再生制动能量J可表示为：

其中，v_zm为列车制动时的行驶速度；v_jm为制动结束后的速度；M为列车质量；g为重力加速度；s_m为制动距离；t为制动时间；v_tm为列车在t时刻速度；θ_m为坡道坡度，‰；m为站间制动次数；a，b，c为阻力系数，且a＝2.73，b＝0.131，c＝0.0083。

一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制装置，包括：

捕捉模块，用于捕捉和采集车站客流量数据、乘客舒适度数据、路况信息、调度信息、列车运行参数，所述列车调度信息包括：站间列车运行数量、列车发车间隔、准点时间、准点误差、站间距离，所述列车运行参数包括：最大允许速度、最大允许加速度、列车重量、客流量数据，所述列车路况信息包括：坡度、坡道距起点距离、坡道长度、弯道长度、弯道距起点距离；

组合模块，用于将列车运行线路隔断分解，并将线路分解出的区段与车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、线路运行车辆数量、再生制动点、加速点进行拟合建立离散化矩阵控制序列模型并离散化编码；

模型计算模块，用于根据所述获得的列车运行不同控制策略，确定站间列车最优节能实矩阵控制模型，进而形成列车最佳节能控制时刻表模型，结合列车运行路况和运行参数，计算出站间列车运行总能耗，并制作列车行车调度与速度曲线的综合控制模型作为最佳模型；所述列车最佳节能控制时刻表模型是指某一线路上所有列车在某一线路运行总能耗为最低时所对应的时刻表模型；

导入模块，用于将获得的列车行车调度与速度曲线综合控制模型导入车站控制中心和列车车载控制单元，用于控制列车行进。

所述站间列车最优节能实矩阵控制模型参数包括：加速度、加速后的最佳匀速速度、再生制动后速度和发车间隔；

所述站间列车最优节能实矩阵控制模型表示为：

其中，N_sy为车号的y列车在s站间的实矩阵控制模型；T_min为发车区间下限；T_max为发车区间上限；t_t-min为停站耗时下限；t_t-max为停站耗时上限；﹒、+为排列组合符号；r，x为极小实数，可根据具体路况和计算精度调整。

根据站间列车最优节能实矩阵控制模型，构建整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型：

[N_s1,N_s2，…，N_sy]

整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型，均对应一组时间控制序列：

其中，t^s为s车站的列车时间控制序列模型，为牵引耗时；/>为牵引后运行耗时；为再生制动耗时；/>为弯道运行耗时；/>为惰行耗时；/>为坡道运行耗时；/>为空气制动耗时。

当列车实际运行线路中不包含弯道、坡道，则

根据s车站时间控制序列模型，可建立整条线路行车调度时刻表模型：

M＝t¹·t²·t³……t^s

所述组合模块还用于：

建立单车节能控制和多车协同利用再生制动能量计算模型，该模型主要有前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种模式。

本发明具有以下有益效果和有点：

本发明实提供的一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置，该方法和装置综合考虑了车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、坡道、弯道及其复合复杂线路的路况、再生制动。行车调度等列车优化操纵节能因素，可实现列车最节能行车调度信息的精确计算，具有自适应协调列车数量、运行参数、再生制动间、乘客数量、乘客舒适度的平衡关系，具有计算效率高、运算精确、应用范围广等优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法流程图；

图2为列车运行速度曲线图；

图3为实施例一中地铁列车再生制动能量利用模式；

图4为本发明实施例中复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

根据本发明实施例，提供了一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，图1为该方法的流程图，具体包括：

步骤101：获取车站客流量、路况信息、列车调度信息和运行参数。

具体的，利用车载传感器采集车站客流量数据、列车调度信息、运行参数和路况信息，并预先导入乘客舒适度限制条件数据，且基于车载以太网进行列车调度信息、运行参数和路况信息的传输。基于车载以太网的传输模式，确保数据传输高效、准确；所采集的车站客流量数据、列车调度信息、运行参数和路况信息根据地铁列车具体运行线路规划及车型而定。

列车调度信息包括：站间列车运行数量、列车发车间隔、准点时间、准点误差、站间距离，所述列车运行参数包括：最大允许速度、最大允许加速度、列车重量、客流量数据，所述列车路况信息包括：坡度、坡道距起点距离、坡道长度、弯道长度、弯道距起点距离；

步骤102：将列车运行线路隔断分解成若干区段并与车站客流量、调度信息、乘客舒适度进行拟合并编码。

城市轨道交通列车具有快启快停、高智能自动驾驶(ATO)、运行线路小曲线和大坡道、站间距离短等特点，基于以上特点，本发明实例中，利用离散化矩阵和拉格朗日控制思想，将列车运行线路隔断分解成若干区段，各个相邻区段之间的衔接点处的速度相同，所述区段至少包括加速阶段、再生制动阶段中的一个或多个阶段；并将线路分解出的区段与车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、线路运行车辆数量、再生制动点、加速点进行拟合建立离散化矩阵控制序列模型并离散化编码。

步骤103：根据不同区段和车站客流量、调度信息、乘客舒适度的组合控制，构造复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制模型。

即如果在步骤102中将客流量数据、乘客舒适度、列车运行线路、发车间隔、站间列车运行数量划分为N个排列组合序列，则需要建立N个列车节能控制模型，且该N个节能控制模型与该N个排列组合序列是一一对应的。

具体的，在本发明实施例中，站间列车最优节能实矩阵控制模型参数包括：加速度、加速后的最佳匀速速度、再生制动后速度和发车间隔；

所述站间列车最优节能实矩阵控制模型表示为：

其中，N_sy为车号为y的列车在s站间的实矩阵控制模型；T_min为发车区间下限；T_max为发车区间上限；t_p-min为停站耗时下限；t_p-max为停站耗时上限；﹒、+为排列组合符号；r，x为极小实数，可根据具体路况和计算精度调整。

根据站间列车最优节能实矩阵控制模型，构建整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型：

[N_s1,N_s2，…，N_sy]

整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型，均对应一组时间控制序列：

其中，t^s为s车站的列车时间控制序列模型，为牵引耗时；/>为牵引后运行耗时；为再生制动耗时；/>为弯道运行耗时；/>为惰行耗时；/>为坡道运行耗时；/>为空气制动耗时。

当列车实际运行线路中不包含弯道、坡道，则

根据s车站时间控制序列模型，可建立整条线路行车调度时刻表模型：

M＝t¹·t²·t³……t^s。

步骤104：以乘客舒适度和调度信息为限制条件，计算多列车协同控制最低能耗，确定最优控制序列，以此构建最低能耗列车速度运行曲线并导入列车控制单元。

其中，对车站客流量数据、乘客舒适度、列车运行线路、调度信息、路况等进行离散化分解后，以列车运行总能耗最低为目标，以乘客舒适度和调度信息为限制条件，以单车节能与多车协同利用再生制动能量为基础，建立列车最佳节能时刻表模型，具体包括：建立单车节能优化操作和多车协同利用再生制动能量计算模型，该模型主要有前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种模式，进而计算出站间列车再生制动能量利用率；根据再生制动能量利用率，结合车站客流量数据、调度信息、列车运行参数、控制模式建立满足约束条件最佳行车调度时刻表，所述最佳行车调度时刻表为列车站间运行时总能耗最低时的控制模式。

站间距离约束条件、准点时间约束条件和计算约束条件分别为：

S(t,a,v)＝S

T(t,a,v)≤T

其中，S和T分别为所述列车运行参数中的列车准点时间和站间距离，S(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶距离，T(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶时间，T_min，T_max分别表示发车间隔的下限、上限；t_min，t_max分别表示停站时间的下限、上限，h为乘客舒适度，h_min，h_max分别为乘客舒适度的上限、下限。

具体的，本发明实施例中，再生制动能量J可表示为：

其中，v_zm为列车制动时的行驶速度；v_jm为制动结束后的速度；M为列车质量；g为重力加速度；s_m为制动距离；t为制动时间；v_tm为列车在t时刻速度；θ_m为坡道坡度，‰；m为站间制动次数；a，b，c为阻力系数，且a＝2.73，b＝0.131，c＝0.0083。

本发明实施例提供的一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置，其中，该方法包括：获取车站客流量数据、路况信息、调度信息、列车运行参数；将列车运行线路依次进行隔断分离为一个或多个区段；利用离散化矩阵和拉格朗日寻优思想，将分割后的不同区段与各车站客流量数据、调度信息和列车运行参数组合，构建复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制模型。最后以列车运行总能耗最低为目标，以列车准点时间、准点误差、乘客舒适度为限制条件，以单列车最低能耗与多列车协同控制为基础，构建复杂工况下的多列车行车调度时刻表模型。该方法和装置综合考虑了车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、坡道、弯道及其复合复杂线路的路况、再生制动。行车调度等列车优化操纵节能因素，可实现列车最节能行车调度信息的精确计算，具有自适应协调列车数量、运行参数、再生制动间、乘客数量、乘客舒适度的平衡关系，具有计算效率高、运算精确、应用范围广等优点。

下面通过一个实施例详细介绍该方法的具体流程。

实施例一

列车实际运营的线路一般包括弯道、坡道等复杂工况线路，在实施例一中，以某城市某一线路区段的B2型列车运行为例具体分析，复杂工况条件下的地铁典型站间列车运行速度曲线图如图2所示。

单车运行的再生制动能量J可以表示为

式中：v_zm为列车制动时的行驶速度起始；v_jm为制动结束后的速度；M为列车质量；g为重力加速度；s_m为制动距离；t为制动时间；v_tm为列车在t时刻速度；θ为坡道坡度；m为站间制动次数。

站间运行时M保持不变，且

a_Fm＝a_zm+a_rm+a_θm (3)

v_tm＝v_t-1,m-a_Fmt (5)

式中：a_Fm为加速度，m/s2；a_zm为制动加速度，m/s2；a_rm为基本阻力加速度，m/s2；a_θm为坡道加速度，m/s2。

综合公式(1)至公式(6)得出

由公式(5)、公式(6)可知，列车运行速度、再生制动能量均随时间变化，因此可建立关于时间t的函数如下。

v_t＝v(t) (7)

J＝J(t) (8)

结合电制动能量计算实际要求，可自主设定数据采集频率(如可设置为10Hz)，进而通过系统运算，构建列车电制动过程中速度大小和能量变化的匹配模型。

再生能量回收利用有2种模式，即：前车起动、牵引、后车制动，以及前车制动、后车起动、牵引。相邻列车利用再生制动能量的场景如图3所示。

当将坡道、弯道及其混合组建的线路考虑进去时，其再生能量计算及回收利用建模将更加复杂。在此提出了一种矩阵离散算法，该方法将列车时刻表、运营工况、线路信息、制动点位等参数进行分解、离散并编码，最后构建列车单车优化操纵、多车协同控制和时刻表调度控制实矩阵模型。

设列车在s站间按图2运行时，各阶段运行参数可构建控制矩阵模型K如下。

式中：为牵引加速度；/>为牵引后的速度；/>为再生制动加速度；/>为弯道速度；/>为惰行速度；n为牵引次数(n≥1)。

当线路中没有弯道和坡道时

根据各阶段矩阵控制模型消耗的时间建立列车站间运行完整时间控制模型如下。

式中：y为列车在s站间车号；为牵引耗时；/>为牵引后运行耗时；/>为再生制动耗时；/>为弯道运行耗时；/>为惰行耗时；/>为坡道运行耗时；/>为空气制动耗时。

当列车实际运行线路中不包含弯道、坡道，则

同一供电区段内，列车电制动能量被邻车利用需要满足至少有一对列车存在牵引和制动的时间重合段，因此，在确保列车整条运营线路正点、舒适的前提下，调整列车运营时间点和车站停靠时间，更改行车调度时刻表，将尽可能多的存在同时牵引和制动且时间重合率最大的列车放在同一供电区段内即可，基于此，可建立列车运行的实矩阵控制模型如下。

式中：T_min为发车区间下限；T_max为发车区间上限；t_p-min为停站耗时下限；t_p-max为停站耗时上限；·，+为排列组合符号；r，x为极小实数，可根据具体路况和计算精度调整。

由控制模型(11)可进一步构建列车在整条线路运行时各个站间运行模型，记为[N_s1,N_s2，…，N_sy]，列车在每一车站间运行时的操纵模型对应一组时间控制序列，可记为从而可计算出同一供电区段内列车起动、牵引与其他列车制动的重叠时间Tn，进一步通过系统运算得出列车在该运行区段内的再生能量利用率等，再结合列车在不同车站间运行时建立的能耗模型所对应的时间组控制序列/>在满足地铁运营准点率和总耗时约束条件下，建立列车最小能耗模型minJ总，其对应的列车节能运行操纵模型[N_s1,N_s2，…，N_sy]、停站耗时t_t、发车间隔T，即为列车电制动能量利用率最高的操纵模式。

站间距离约束条件、准点时间约束条件和计算约束条件分别为：

其中，S和T分别为所述列车运行参数中的列车准点时间和站间距离，S(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶距离，T(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶时间，T_min，T_max分别表示发车间隔的下限、上限；t_min，t_max分别表示停站时间的下限、上限，h为乘客舒适度，h_min，h_max分别为乘客舒适度的上限、下限。

在实施例一中，为提高收敛速度，减少收敛时间，设定初始起动加速度不小于最佳运行速度不小于/>弯道行驶速度不小于/>计算机寻优计算所得数据可知，可得出地铁列车基于复杂工况条件多列车优化操纵综合节能控制方法运行时，耗能约为10.009kW·h/km，相比原始数据，每公里单位能耗降低0.773kW·h，节能约为7.17％，再生能量利用率提高到56.95％。虽然采用多列车优化操纵综合节能控制模型建立的列车行车时刻表后，列车延长运行时间14.46s，但相较于总时间2 710.37s来说，误差率很小，依然满足地铁准点条件。

以上详细介绍了基于复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法的流程，该方法也可以通过装置实现，下面详细介绍该装置的结构和功能。

本发明实施例还提供的一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制装置，参见图4所示，包括：

捕捉模块401，用于捕捉和采集车站客流量数据、乘客舒适度数据、路况信息、调度信息、列车运行参数，所述列车调度信息包括：站间列车运行数量、列车发车间隔、准点时间、准点误差、站间距离，所述列车运行参数包括：最大允许速度、最大允许加速度、列车重量、客流量数据，所述列车路况信息包括：坡度、坡道距起点距离、坡道长度、弯道长度、弯道距起点距离；

组合模块402，用于将列车运行线路隔断分解，并将线路分解出的区段与车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、线路运行车辆数量、再生制动点、加速点进行拟合建立离散化矩阵控制序列模型并离散化编码；

计算模块403，用于根据所述获得的列车运行不同控制策略，确定站间列车最优节能实矩阵控制模型，进而形成列车最佳节能控制时刻表模型，结合列车运行路况和运行参数，计算出站间列车运行总能耗，并制作列车行车调度与速度曲线综合控制模型；

导入模块404，用于将获得的列车行车调度与速度曲线综合控制模型导入车站控制中心和列车车载控制单元，所述列车最佳节能控制时刻表模型是指某一线路上所有列车在某一线路运行总能耗为最低时所对应的时刻表模型。

在上述技术方案中，所述站间列车最优节能实矩阵控制模型参数包括：加速度、加速后的最佳匀速速度、再生制动后速度和发车间隔；

所述站间列车最优节能实矩阵控制模型表示为：

其中，N_sy为车号为y的列车在s站间的实矩阵控制模型；T_min为发车区间下限；T_max为发车区间上限；t_p-min为停站耗时下限；t_p-max为停站耗时上限；﹒、+为排列组合符号；r，x为极小实数，可根据具体路况和计算精度调整。

根据站间列车最优节能实矩阵控制模型，构建整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型：

[N_s1,N_s2，…，N_sy]

整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型，均对应一组时间控制序列：

其中，t^s为s车站的列车时间控制序列模型，为牵引耗时；/>为牵引后运行耗时；为再生制动耗时；/>为弯道运行耗时；/>为惰行耗时；/>为坡道运行耗时；/>为空气制动耗时。

当列车实际运行线路中不包含弯道、坡道，则

根据s车站时间控制序列模型，可建立整条线路行车调度时刻表模型：

M＝t¹·t²·t³……t^s。

优选的，组合模块还用于：建立单车节能控制和多车协同利用再生制动能量计算模型，该模型主要有前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种模式。

优选的，再生制动利用率计算由前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种控制方法所产生的速度-时间曲线重叠部分面积表示，其重叠部分面积可由其重叠部分时间计算；

所述再生制动能量J可表示为：

其中，v_zm为列车制动时的行驶速度；v_jm为制动结束后的速度；M为列车质量；g为重力加速度；s_m为制动距离；t为制动时间；v_tm为列车在t时刻速度；θ_m为坡道坡度；m为站间制动次数；a，b，c为阻力系数，且a＝2.73，b＝0.131，c＝0.0083。

优选的，站间距离约束条件、准点时间约束条件和计算约束条件分别为：

S(t,a,v)＝S

T(t,a,v)≤T

其中，S和T分别为所述列车运行参数中的列车准点时间和站间距离，S(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶距离，T(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶时间，T_min，T_max分别表示发车间隔的下限、上限；t_min，t_max分别表示停站时间的下限、上限，h为乘客舒适度，h_min，h_max分别为乘客舒适度的上限、下限。

本发明实施例提供的一种复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法及装置，该方法和装置综合考虑了车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、坡道、弯道及其复合复杂线路的路况、再生制动。行车调度等列车优化操纵节能因素，可实现列车最节能行车调度信息的精确计算，具有自适应协调列车数量、运行参数、再生制动间、乘客数量、乘客舒适度的平衡关系，具有计算效率高、运算精确、应用范围广等优点。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图4为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)

1.复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，其特征在于，执行如下步骤调控列车行进速度和进出站时间，使得在同一供电区段内存在的至少两辆列车同时制动和牵引，并且牵引列车吸收制动列车的再生能量，包括：

采集车站客流量数据、路况信息、调度信息、列车运行参数；

利用离散化矩阵和拉格朗日控制方法，将列车运行线路隔断分解成若干区段，各个相邻区段之间的衔接点处的速度相同，所述区段至少包括加速阶段、再生制动阶段中的一个或多个阶段；并将线路分解出的区段与车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、线路运行车辆数量、再生制动点、加速点进行拟合建立离散化矩阵控制序列模型并离散化编码；

根据所述离散化矩阵控制序列参数，计算列车运行总能耗，获取总能耗最低时的城轨多列车行车调度综合节能最优控制时刻表模型，并将根据行车调度最优控制时刻表建立的发车间隔、速度曲线和加速度曲线；所述最优地铁列车行车调度控制时刻表为某一地铁运行线路站间列车运行总能耗最低时所对应的行车调度控制时刻表；

将发车间隔、速度曲线和加速度曲线导入地铁控制台调度中心，用于控制列车行进。

2.根据权利要求1所述的复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，其特征在于，所述列车调度信息包括：站间列车运行数量、列车发车间隔、准点时间、准点误差、站间距离；所述列车运行参数包括：最大允许速度、最大允许加速度、列车重量、客流量数据；所述列车路况信息包括：坡度、坡道距起点距离、坡道长度、弯道长度、弯道距起点距离。

3.根据权利要求1所述的复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，其特征在于，所述离散化编码为设置模型数据的采样频率，用于根据精度获取不同采用频率下的离散化矩阵控制序列参数。

4.根据权利要求1所述的复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，其特征在于，所述站间列车最优节能实矩阵控制模型参数包括：加速度、加速后的最佳匀速速度、再生制动后速度和发车间隔；

1)所述站间列车最优节能实矩阵控制模型表示为：

其中，N_sy为车号为y的列车在s站间的实矩阵控制模型；T_min为发车区间下限；T_max为发车区间上限；t_p-min为停站耗时下限；t_p-max为停站耗时上限；﹒、+为排列组合符号；r，x为极小实数，可根据具体路况和计算精度调整。

2)根据站间列车最优节能实矩阵控制模型，构建整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型：

[N_s1,N_s2，…，N_sy]

3)整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型，均对应一组时间控制序列：

其中，t^s为s车站的列车时间控制序列模型，为牵引耗时；/>为牵引后运行耗时；/>为再生制动耗时；/>为弯道运行耗时；/>为惰行耗时；/>为坡道运行耗时；/>为空气制动耗时。

当列车实际运行线路中不包含弯道、坡道，则

4)根据s车站时间控制序列模型，可建立整条线路行车调度时刻表模型：

M＝t¹·t²·t³……t^s

5.根据权利要求4所述的复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，其特征在于，所述站间列车最优节能实矩阵控制模型，以列车运行总能耗最低为目标，以乘客舒适度和调度信息为限制条件，以单车节能与多车协同利用再生制动能量为基础，建立列车最佳节能时刻表模型，具体包括：

建立单车节能优化操作和多车协同利用再生制动能量计算模型，该模型主要有前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种模式，进而计算出站间列车再生制动能量利用率；

根据再生制动能量利用率，结合车站客流量数据、调度信息、列车运行参数、控制模式建立满足约束条件最佳行车调度时刻表，所述最佳行车调度时刻表为列车站间运行时总能耗最低时的控制模式。

6.根据权利要求5所述的复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，其特征在于，所述站间距离约束条件、所述准点时间约束条件和所述计算约束条件分别为：

S(t,a,v)＝S

T(t,a,v)≤T

其中，S和T分别为所述列车运行参数中的列车准点时间和站间距离，S(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶距离，T(t,a,v)为列车根据某一控制序列行驶时的行驶时间，T_min，T_max分别表示发车间隔的下限、上限；t_min，t_max分别表示停站时间的下限、上限，h为乘客舒适度，h_min，h_max分别为乘客舒适度的上限、下限。

7.根据权利要求6所述的复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制方法，其特征在于，所述再生制动利用率计算由前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种控制方法所产生的速度-时间曲线重叠部分面积表示，其重叠部分面积可由其重叠部分时间计算；

所述再生制动能量J可表示为：

其中，v_zm为列车制动时的行驶速度；v_jm为制动结束后的速度；M为列车质量；g为重力加速度；s_m为制动距离；t为制动时间；v_tm为列车在t时刻速度；θ_m为坡道坡度，‰；m为站间制动次数；a，b，c为阻力系数，且a＝2.73，b＝0.131，c＝0.0083。

8.复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制装置，其特征在于，包括：

捕捉模块，用于捕捉和采集车站客流量数据、乘客舒适度数据、路况信息、调度信息、列车运行参数，所述列车调度信息包括：站间列车运行数量、列车发车间隔、准点时间、准点误差、站间距离，所述列车运行参数包括：最大允许速度、最大允许加速度、列车重量、客流量数据，所述列车路况信息包括：坡度、坡道距起点距离、坡道长度、弯道长度、弯道距起点距离；

组合模块，用于将列车运行线路隔断分解，并将线路分解出的区段与车站客流量、乘客舒适度、发车间隔、线路运行车辆数量、再生制动点、加速点进行拟合建立离散化矩阵控制序列模型并离散化编码；

模型计算模块，用于根据所述获得的列车运行不同控制策略，确定站间列车最优节能实矩阵控制模型，进而形成列车最佳节能控制时刻表模型，结合列车运行路况和运行参数，计算出站间列车运行总能耗，并制作列车行车调度与速度曲线的综合控制模型作为最佳模型；所述列车最佳节能控制时刻表模型是指某一线路上所有列车在某一线路运行总能耗为最低时所对应的时刻表模型；

导入模块，用于将获得的列车行车调度与速度曲线综合控制模型导入车站控制中心和列车车载控制单元，用于控制列车行进。

9.根据权利要求8所述的复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制装置，其特征在于，所述站间列车最优节能实矩阵控制模型参数包括：加速度、加速后的最佳匀速速度、再生制动后速度和发车间隔；

所述站间列车最优节能实矩阵控制模型表示为：

其中，N_sy为车号的y列车在s站间的实矩阵控制模型；T_min为发车区间下限；T_max为发车区间上限；t_t-min为停站耗时下限；t_t-max为停站耗时上限；﹒、+为排列组合符号；r，x为极小实数，可根据具体路况和计算精度调整。

根据站间列车最优节能实矩阵控制模型，构建整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型：

[N_s1,N_s2，…，N_sy]

整条线路的城轨多列车行车调度综合节能控制实矩阵模型，均对应一组时间控制序列：

其中，t^s为s车站的列车时间控制序列模型，为牵引耗时；/>为牵引后运行耗时；/>为再生制动耗时；/>为弯道运行耗时；/>为惰行耗时；/>为坡道运行耗时；/>为空气制动耗时。

当列车实际运行线路中不包含弯道、坡道，则

根据s车站时间控制序列模型，可建立整条线路行车调度时刻表模型：

M＝t¹·t²·t³……t^s

10.根据权利要求8或9任意一项所述的复杂工况下的城轨多列车行车调度综合节能控制装置，其特征在于，所述组合模块还用于：

建立单车节能控制和多车协同利用再生制动能量计算模型，该模型主要有前车制动、后车牵引或者前车牵引、后车制动两种模式。