TW201520092A - 用於將公共運輸網路所需耗電量最小化的方法及相關演算平台 - Google Patents

Abstract

本發明說明一種用於將公共運輸網路所需耗電量最小化的方法，其包含許多耗能者(consumer)(如：電動車輛)，在該等車輛煞車時，在網路(如：移動車輛)上傳送可由耗能者回復之能量，其特徵在於-對於所有該等車輛，至少考量以下參數來產生運行順序(orders)的時間表：每輛車的動態位置、對每輛車在停車區外的停車排程、運輸網路中對每輛車在停車區內的啟動排程；-取決於在該等參數之至少一者中的時間及運動變化，在該時間表中至少一些該等運行順序係按照時間順序地根據自煞車到耗能者潛在積極地需要電力所回復能量最大分配用的至少一個準則(criterion)予以修改；-含有該等順序之該時間表係被傳送至該等車輛。 亦提出相關演算平台以便實現根據本發明之方法。

Description

用於將公共運輸網路所需耗電量最小化的方法及相關演算平台

本發明如請求項1及8之引言，係關於用於將公共運輸網路所需耗電量最小化的方法及相關演算平台。

日益增加的全球人口都市化需要重建城市及運輸。估計到了2050年，全球城市居民的比例將達到70%。此發展的主要挑戰係響應對於人員及貨品的流動性(mobility)之絕對必要的需求。事實上，目前重大的經濟趨勢其特點是市場全球化以及貿易加速，涉及到整體運輸供給的強化及改造。此流動性的爆炸性成長，為環境及衛生帶來重大危害。面對全球暖化及氣候變遷，歐洲政府因而已企圖在2050年將溫室氣體排放量降低4個級數。

為了因應以下兩者互相矛盾的目標，亦即改善運輸供給的品質及降低溫室氣體排放量，化石資源預期會枯竭自不待言，有待在能量系統及運輸供給全球化 組織方面作出努力。多年來，在這方面已藉由重新導入電動公共運輸(如：有軌電車、都市捷運系統甚或是電動巴士)進行城市開發。此類運輸有助於城市流動性，並且一般係依靠電能運作，使其比私用車或傳統巴士更無污染。

雖然(電)軌道運輸仍屬污染較低的領域之一，運輸系統(尤其是都市體系)運作時的能量成本很重要，這導致有必要改善該等系統的總體生產力。永續流動性及總體能量最佳化的理念，從系統觀點來看，仍是未來的一項挑戰。

在這種背景下，目前有許多研究正關注於在車站或車上採用能量儲存。然而，一些應用已顯示出，已有可能無需新增儲存設備，便可透過運輸系統線上列車之間的能量回復最佳化，節省相當多的(電)能量。事實上，在電軌道牽引(traction)中，列車馬達消耗電流以便運行並且在煞車時予以產生，然後將馬達轉換成發電機。

此類透過能量回復將耗電量最小化的方法之一優異的已知實施例，在第DE 196 52407 C1號專利有充分說明，尤其是其第1、2a與2b圖及此等圖示的相關描述，其中，能量係藉由將公共運輸車輛之一者煞車而釋出，接著由該運輸系統中的另一移動車輛予以回復。原則上，當運輸系統中地上的變電站偵測到能量流入(源自車輛煞車)，其將無線電信號發送到位於其無線電涵蓋區中的其他移動車輛以便予以指揮，若可能(亦即若車輛 至少在無線電涵蓋範圍內)，立即使用可得之流入能量，而非消耗，或以便至少將其從運輸系統供電網路支付的能量消耗最小化。第DE 196 52407 C1號專利所述方法在實現方面也似乎有限制，這是因為順序係送予無足夠裕度(margin)立即使用或回復能量的車輛，在車輛正以最大核准速度移動(並且無法回復更多能量)時、或由於車輛在進入車站前必須經歷強制煞車(受迫失去剩餘能量)，都隱喻其運動(速度、加速)之適應性。

如今，煞車期間產生的電一般未予以儲存(或只是成本高)，從而必須由例如運行列車的車輛予以消耗。若(藉由回復)產生的電超出需求，則從而失去且耗散煞車期間可回復的動能。在這種情況下，煞車片生熱且磨耗。所以，在任何給定時刻，列車進行啟動、煞車、運行或靜置，且發電及耗電階段持續進行交變。如此會有兩種情況：-太多列車處於啟動階段，且所需電力太高，-太多列車在同一時間煞車，無法以較低成本藉由其他車輛將所有動能完全回復(若無任何儲存手段)。

本發明之一目的在於提出一種用於將公共運輸網路所需耗電量最小化(明確地說，例如將「所需電力」最小化)的方法，其包含許多耗能者(如：電動車輛)，該等車輛在煞車時，在網路(如：移動車輛)上傳送能由耗能者回復之能量，為此，接著要避免兩種涉及網路該「所需電力」過度消耗之情形：

-太多列車處於啟動階段，並且所需電力大到無法藉由太少煞車能量所回復之流入電力予以補償。

-太多列車在同一時間煞車，並且無法回復動能進行有效重新分配(依據用於「耗能者」車輛之電源輸出-亦即瞬間可用)。

另外，本發明之一目的在於提出能夠實現上述方法，並且能夠簡單實現用於在運輸網路中執行運行順序的演算平台。此平台應充分動態以週期性(例如：每日)或瞬間實現用於上述方法的平台。

根據本發明之方法及演算平台應該穩固，以便對抗運輸網路流量方面的干擾及不可預測事件，結果達到每日流量之頻率及可變密度得以維持一定限度，但不會損及運輸網路使用者的利益。

因此，透過如請求項1及8之特徵，根據用於將公共運輸系統網路所需耗電量最小化之方法、以及相關演算平台，提出一種解決方案。

以用於將含有許多如電動車(有軌電車、無軌電車、都市捷運系統、列車等)之類耗能者之公共運輸系統網路所需耗電量最小化之方法為基礎，該等車輛在煞車時，在如移動車輛之類的網路上傳送可由耗能者回復之能量，根據本發明之該方法其特徵在於：-針對所有該等車輛，至少考量以下參數產生運行順序的時間表：在運輸網路中，每輛車的動態位置、每輛車在停車區外的停車排程、每輛車在停車區內的啟動排程； -取決於該等參數至少一者中的時間及運動變化，該時間表中該等運行順序至少有一些係按照時間，根據從煞車到耗能者潛在積極需要電力所回復能量最大分配之至少一準則予以修改；-含有該等順序之該時間表係予以傳送至該等車輛。

事實上，僅就上述參數之了解，有可能有助於判斷所有車輛的瞬間及推進動力(至少短如數秒，或長如一天)，從而亦對於每輛車瞬間或提前適應「模組運行順序(model running orders)」，以便根據車輛在網路中的各別位置、其需要或提供能量之運行階段以有智慧的方式相互關聯(例如：透過引進可察覺的運行順序時間延遲，相對置於第一車輛下游處之第二車輛啟動第一車輛，並且在固定排程內規劃之停車之前，尚未開始其煞車階段)，來避免如部分本發明之上述問題。換句話說，將複數個運行順序週期性地修改來配合鄰近車輛的位置及運動，以便能夠相互關聯，亦即符合其能量要求及貢獻，這在最佳運行之時間及空間準則之一者內可相互轉移。了解該等運行順序修改頗為頻繁，其僅涉及一些車輛在短暫時間(例如：10秒)內的減速、加速或延長停車，從而幾乎未干擾公共運輸網路/系統上之使用者/旅客。

尤其是，關於自動運輸系統(如：沿著路線含有定位信標之無人駕駛之捷運線或公共運輸線)，並且由於直接且動態知道車輛，根據本發明之方法能予以輕易實現。

根據本發明之方法的實現，不同於第DE 196 52407 C1號專利之教示，當車輛運行順序針對立即使用能量或準立即(quasi-immediate)預測性回復能量(涉及調適其在調整啟動排程、停車排程等方面的運動)具有可接受的變化裕度時，亦有助於可行性。

一組附屬項亦呈現本發明之優點。

根據本發明之方法提供的是，用於所有車輛之運行順序時間表最終能考量至少以下另外的參數之一者而產生：車輛煞車數目、耗能者數目、每輛車之瞬間速度、以及任何與安全或降級移動車輛運作模式相關的其他參數。經由推理，這些另外的參數理論上可源自上述網路流量安全、「非降級(non-degraded)」模式之定位，但若警示信號對至少一輛車指示降級模式，根據本發明之方法再次針對所有其他車輛呈現穩固性之優點，由於其亦可能像是使車輛處於降級模式，如缺乏能量，以補償另一輛車需要能量的要求。

根據本發明之方法提供的是，藉由將時間表或其順序儲存於行車車輛運行控制模組(onboard vehicle running control module)中、或即時藉由將時間表或其瞬間可修改的順序傳輸至所有該等車輛，來分配該時間表中的該等順序。按照這種方式，即使網路中車輛的數目增加(尖峰階段)其運行順序仍能根據上述樣式予以自行修改。

根據本發明之方法提供的是，該等可變或可修改運行順序至少包含以下順序之一者：延長停車；提 早停車；提早啟動；降低速度；加快速度；加速或減速間隔。按照這種方式，由於這些變化仍在小間隔內予以頻繁更新，其趨向於準持續性且低振幅範圍，以致未干擾許多鄰近車輛的總體流量(根據本方法這能夠交換能量)。尤其是，可變運行順序(如：「延長停車」或「提早啟動」)在合理最大間隔內屬於可變，以致未干擾施加之最小流量頻率(例如：10秒之最大延長停車間隔內)。

根據本發明之方法提供的是，若車輛總體數目或運輸網路頻率出現變化，則取決於至少一類干擾在預定義樣式內、或經修改並且瞬間分配至車輛之動態順序樣式內，即時更新時間表。本方法同樣有很大的彈性符合網路或多或少的預測及動態性質。尤其是，在部分網路修改、擴充或中斷期間，根據本發明之方法以精準或次佳方式的形式提供自主能量管理。因此，運輸網路管理者針對干擾樣式(其不合時宜之性質可能導致流量長時間阻塞)，不再需要承擔高複雜能量規劃工作。

根據本發明之方法最後提供的是，可變運行順序取決於斜坡、高架道路等線道分布因子、以及運輸網路上旅客數目之類的載客率。因此，根據本發明之方法著眼於修改車輛運行順序，適宜符合影響其能量需求之外部網路因子。

亦有助益地提出一種用以實現根據本發明之方法的演算平台，其具有用於儲存時間表之記憶體支援，該時間表包含一或多輛車之至少一運行順序，該運行順序係待由該運輸網路中該等車輛之每一者予以瞬間 執行。按照這種方式，能更加自行根據本發明、或在車輛本身之間(就轉盤網路設定使用「逐跳式(Hop-by-Hop)」交換透過車間資料傳輸，其中係對轉盤整體長度循序施加運行順序修改循環)、以及在符合目前公共運輸要求之安全通訊協定範圍內，修改每輛車的運行順序。

還有，根據本發明之演算平台能集中包括於運輸網路總體流量中央控制位置中記憶體支援之至少一個部分，該部分能與車輛運行順序執行模組互連。若網路管理者希望以含有中央運行順序命令之既有網路為基礎，實現根據本發明之方法，則附有中央資料分配之演算設定可有幫助。演算平台由於僅需更新中央網路及車輛控制與命令演算法而快速且安裝簡單。

最後，根據本發明之演算平台能包括於連結至車輛運行順序執行模組的車輛上之記憶體支援之至少一個部分。車輛本身裡頭車輛控制及命令之重新定位使得根據本發明之方法其實現更有彈性，這是因為其能更加自主，尤其是在期待提供車間通訊方面，為的是要經由中央位置以較不大量(heavier)的通訊架構局部修改網路中的運行順序。

根據本發明之演算平台提供的是，車輛運行順序執行模組執行關於最小耗電量限制之車輛運行程式。為了能夠防止運行順序修改維持在限定的振幅範圍內，也可施加其他限制，從而僅涉及準連續流量(運行)變化，其平均變化涉及目標時間表，可理解後者保證公 共運輸網路管理者及使用者/旅客兩者每日流量的滿意度。

1‧‧‧列車

2‧‧‧列車

3‧‧‧列車

4‧‧‧列車

5‧‧‧列車

6‧‧‧列車

7‧‧‧列車

8‧‧‧列車

I1‧‧‧第一能量分布

I2‧‧‧第二能量分布

I3‧‧‧能量分布

I4‧‧‧能量分布

I5‧‧‧能量分布

I6‧‧‧能量分布

I7‧‧‧能量分布

I8‧‧‧能量分布

It1‧‧‧總能量分布

It2‧‧‧總能量分布

S1‧‧‧車站

S2‧‧‧車站

S3‧‧‧車站

S4‧‧‧車站

S5‧‧‧車站

S6‧‧‧車站

S7‧‧‧車站

I12‧‧‧理想的能量分布

I34‧‧‧修改之分布

I56‧‧‧理想的能量分布

I78‧‧‧理想的能量分布

使用所述圖示提供例示性具體實施例及應用：第1圖取決於車輛運行順序之模組能量分布，第2圖無(2A)及有(2B)藉由修改兩輛車運行順序之至少一者實現根據本發明之方法的能量分布，第3圖實施根據本發明之方法藉由在轉盤式路線上循環修改車輛運行順序。

第1圖在兩個停靠站之間已知運輸系統中車輛運行順序下，根據路線P呈現模組能量分布I。消耗量或潛在流入(potential inflow)能量從而是在四個相繼階段A、B、C、D中表示：-在階段A中，車輛停靠在車站，因而原則上未消耗能量，至少是未消耗任何其移動所需的能量；-在階段B中，車輛正在離開車站，並且呈現往上加速至許可速度所需的牽引能量消耗量；-在階段C中，車輛正以平穩速度形式之準固定速度沿著其路線運行；-在階段D中，車輛正在靠近另一個停靠站並且正在開始煞車，可能在這期間藉由煞車能量回復從該車輛流入能量。

第2A圖在第一圖表中，根據第1圖，分別呈現第一及第二車輛之第一及第二能量分布I1、I2，第一及第二車輛可正例如在介於兩個停靠站之間而置之兩條軌道上，順著相反方向移動。交錯之車輛接著靠近到足以允許交換能量，正如至少在先前技術DE 196 52407 C1專利所述者。更確切地說，第2A圖包含車輛能量分布，其為第一、第二、第三與第四車站之間交錯之時間t的函數。在第一與第二車站之間，第二車輛相對已從第一車站啟動之第一車輛，係延遲從第二車站啟動。當然，兩輛車之間因其中一輛處於耗能者階段而有可能進行能量交換，耗能者階段期間將有可能從另一輛車藉由電流回復進行供應階段。因此，總體而言，在第二圖表上，能藉由每輛車之分布I1、I2之代數和，推導(deduct)四個車站之間運輸系統的總能量分布It1(事實上，所有車輛都在介於四個車站之間的路線上交錯)。即使總能量分布It1必定呈現電力需求之衰減峰值(It1>0)，由於耗能者及能量回復階段在車輛之間耦合，該等消耗峰值仍因交通事件、路線狀況、旅客數目等無法預測，而低於理想位準不可量化控制。再者，總能量分布It1也呈現能量之潛在回復階段(It1<0)，其根據經控制的最佳值，最終不再有效(actively)回復，從而導致不可避免的煞車損耗及/或餘熱。

第2B圖與第2A圖有相同的模型，在兩個圖表上呈現能量分布I1、I2、It1，同時也實現根據本發明之方法。換句話說，為了簡化提供的實施例，將修改第一及/或第二車輛的運行順序，其中： -針對所有該等車輛，至少考量以下參數產生運行順序的時間表：運輸網路中，每輛車的動態位置、每輛車在停車區外的停車排程、每輛車在停車區內的啟動排程；-取決於該等參數至少一者中的時間及運動變化，該時間表中該等運行順序至少有一些係按照時間地根據從煞車到耗能者潛在積極地需要電力所回復能量最大分配之至少一個準則予以修改；-含有該等順序之該時間表係予以傳送至該等車輛。

關於第2B圖之第一圖表，對應於第二分布I2之第二車輛係予以停車，並且相對移動中之第一車輛之啟動，延遲該第二車輛之啟動排程，從而將予以選擇(至少在前兩個車站之間)而以至少一可察覺加重延遲啟動，以至於至少使其啟動階段(第1圖之階段B)與第一車輛之能量回復階段(第1圖之階段D)符合。在第2B圖中的第二圖表上，因而可看到兩個優點：-第2B圖上的總能量分布It2呈現受到控制的能量消耗量最大值Imax，這顯著低於根據第2A圖之總能量分布It1的峰值；-第2B圖上之總能量分布It2呈現受到控制的能量回復最小值Imin，這(就絕對值而言)顯著低於根據第2A圖之總能量分布It1的峰值。

這根據第2A圖之非常簡單的運行順序修改實施例，從而經由推理可能是導因於知道車輛位置，其接近性允許能量交換。然而，為了根據對運輸網路及系統使用者/旅客無不利因素之準則修改運行順序，知道 此等車輛停車及啟動排程是有用的。再者，由於根據本發明之方法提供目標運行順序之動態修改，知道每輛車的運動，故也根據不合宜的特徵(降級車輛模式之案例)，或在流量密度變更期間(非尖峰與尖峰時段之間的轉換)，自主修改該等順序或其參數。對於運輸網路/系統管理者及對於使用者/旅客兩者都有相當大的彈性優勢。

第3圖呈現針對在轉盤式路線上七個車站S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7之間運行的許多列車1、2、3、4、5、6、7、8，用以定義運行順序之第一基本時間表，也示出該等列車各自的能量分布I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7、I8，標示成對列車的階段B與D有一致(根據第1及2B圖)。根據本發明之方法藉由循環修改列車運行順序所作的實現，因而適用於作為列車群組接近性原則的函數。原則上，鄰近列車群組之牽引及煞車運行順序涉及時間表(在這裡，例如，成對列車1與2、5與6、7與8的牽引及煞車階段根據時間表，藉由初始去同步化(initial desynchronization)而完美對齊，以致產生理想的能量分布I12、I56、I78)，而其他如成對列車3與4之階段，則可隨著與基本時間表有關的優先權，予以循環部分/互補地去同步化，以致符合局部流量變化，並且防止能量損耗。這對列車3與4的能量分布I3、I4因而根據本發明予以調整，以便完成分布I34之(重新)修改，呈現如列車3與4之初始時間表將導致與理想分布有關的可察覺變化。總言之，運行順序之局部階段調整 (舉例而言)係動態可行，以便將轉盤總體能量分布(絕對)值最小化(如第2B圖)。

I1‧‧‧第一能量分布

I2‧‧‧第二能量分布

It1‧‧‧總能量分布

It2‧‧‧總能量分布

Claims (11)

1. 一種用於將公共運輸網路所需耗電量最小化的方法，其包含複數個如電動車輛的耗能者，該等車輛在煞車時，在如移動的車輛之該網路上傳送能由耗能者回復之能量，其特徵在於：-針對所有該等車輛，至少考量以下參數產生運行順序的時間表：在運輸網路中，每輛車的動態位置、每輛車在停車區外的停車排程、每輛車在停車區內的啟動排程；-取決於該等參數至少一者中的時間及運動變化，該時間表中該等運行順序至少有一些係按照時間根據從煞車到耗能者潛在積極需要電力所回復能量最大分配之至少一準則予以修改；-含有該等順序之該時間表係予以傳送至該等車輛。
2. 如請求項1之方法，其中用於所有該等車輛之該運行順序的時間表係考量至少以下另外的參數之至少一者而產生：車輛煞車數目、耗能者數目、每輛車之瞬間速度、以及任何與安全或降級移動車輛運作模式相關的其他參數。
3. 如請求項1或2之方法，其中藉由將該表或其順序儲存於車上車輛運行控制模組中、或即時藉由將該表或其瞬間可修改順序傳輸至所有該等車輛，分配該時間表中的該等順序。
4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該等可變運行順序至少包含以下順序之一者：延長停車；提早停車；提早啟動；降低速度；加快速度；加速或減速間隔。
5. 如請求項4之方法，其中如「延長停車」或「提早啟動」之該等可變運行順序在如10秒之最大延長停車間隔內的合理最大間隔內屬於可變，以致未干擾施加之最小流量頻率。
6. 如前述請求項1至5中任一項之方法，其中若總體車輛數目或運輸網路頻率出現變化，則取決於至少一類干擾在預定義樣式內、或經修改並且瞬間分配至該等車輛之動態順序樣式內，即時更新該時間表。
7. 如前述請求項1至6中任一項之方法，其中該等可變運行順序取決如於斜坡、高架道路等線道分布因子、以及如該運輸網路上旅客數目之類的載客率。
8. 一種用於實現如前述請求項1至7中任一項方法之演算平台，其具有用於儲存該時間表之記憶體支援，該時間表包含一個以上車輛之至少一個運行順序，該運行順序係將由該運輸網路中該等車輛之每一者予以瞬間執行。
9. 如請求項8之演算平台，其在該運輸網路中，於總體流量用中央控制位置中包含記憶體支援之至少一個部分，該部分能與車輛運行順序執行模組互連。
10. 如請求項8或9之演算平台，其包含在連結至車輛運行順序執行模組的車輛上的記憶體支援之至少一個部分。
11. 如請求項10之演算平台，其中該車輛運行順序執行模組執行關於最小耗電量限制之車輛運行程式。