基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高速列車運行信號控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于滾動優(yōu)化的列車 區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵路運輸在我國旅客、貨物運輸?shù)陌l(fā)展歷程中，長期處于重要的骨干地位，其優(yōu)勢 不可替代，對國民經(jīng)濟發(fā)展和社會進步具有重大的貢獻和意義?；谏鐣?jīng)濟發(fā)展的需要， 隨著科學技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，高速鐵路以其運輸能力大、安全舒適、節(jié)能環(huán)保和全天候 運輸?shù)葍?yōu)勢，為越來越多的國家所重視，成為世界鐵路發(fā)展的重要趨勢和交通運輸現(xiàn)代化 的重要標志之一。截止2012年，我國有1. 3萬公里客運專線及城際鐵路投入運營，已構(gòu)成 "四橫四縱"高速鐵路網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)。高速鐵路的建設(shè)和發(fā)展對國家綜合實力和發(fā)展水平的 提升具有重要意義。
[0003] 高速列車運行軌跡規(guī)劃是一個需要同時滿足安全、節(jié)能、正點等要求的多目標優(yōu) 化過程，該過程中各個目標之間是相互制約與影響的。若以列車運行過程中的能耗最小為 優(yōu)化控制目標，則需要列車盡可能多的釆用惰行方式以減少牽引過程產(chǎn)生的能耗，而列車 惰行距離越長，相應的運行時間必然延長，無法保證準時性。因此，高速列車運行軌跡規(guī)劃 需要在既定的線路約束條件下，從眾多可行的運行軌跡中選擇一種可以保證列車運行安 全、舒適、準點，同時具有較高的能源效益的操縱策略，其本質(zhì)即為約束多目標優(yōu)化問題。
[0004] 目前，現(xiàn)有技術(shù)中還沒有一種高效率的高速列車運行軌跡的實時規(guī)劃方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的實施例提供了一種基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法，以實現(xiàn) 高效率地對高速列車的運行軌跡進行規(guī)劃。
[0006] 一種基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法，包括：
[0007] 計算列車運行的實時基本阻力系數(shù)；
[0008] 計算出所述列車的動態(tài)限速；
[0009] 計算出所述列車的自適應優(yōu)化目標權(quán)值；
[0010] 基于所述實時基本阻力系數(shù)、動態(tài)限速和自適應優(yōu)化目標權(quán)值，利用免疫差分進 化算法計算出設(shè)定時間窗范圍內(nèi)的每個采樣時刻的所述列車的最優(yōu)操縱控制指令序列。
[0011] 優(yōu)選地，所述的計算列車運行的實時基本阻力系數(shù)，包括：
[0012] 車載設(shè)備采集列車的實時運動狀態(tài)信息，該實時運動狀態(tài)信息包括位置、速度、加 速度及時間信息，動力系統(tǒng)獲取列車的實時輸出力矩；
[0013] 所述列車運行的實時基本阻力系數(shù)r = (Γι r2 r3)的計算方法如下：
[0015] 其中：S為采集得到的列車實時位置，v為實時速度，a為實時加速度，u為列車實
【主權(quán)項】
1. 一種基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括： 計算列車運行的實時基本阻力系數(shù)； 計算出所述列車的動態(tài)限速； 計算出所述列車的自適應優(yōu)化目標權(quán)值； 基于所述實時基本阻力系數(shù)、動態(tài)限速和自適應優(yōu)化目標權(quán)值，利用免疫差分進化算 法計算出設(shè)定時間窗范圍內(nèi)的每個采樣時刻的所述列車的最優(yōu)操縱控制指令序列。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于， 所述的計算列車運行的實時基本阻力系數(shù)，包括： 車載設(shè)備采集列車的實時運動狀態(tài)信息，該實時運動狀態(tài)信息包括位置、速度、加速度 及時間信息，動力系統(tǒng)獲取列車的實時輸出力矩； 所述列車運行的實時基本阻力系數(shù)r= Cr1 r2 r3)的計算方法如下：
其中：s為采集得到的列車實時位置，V為實時速度，a為實時加速度，u為列車實時控 制指令，F(xiàn) (v，u)為列車實時輸出力矩，M為列車質(zhì)量，馬為列車運行附加阻力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于， 所述的計算出所述列車的動態(tài)限速，包括： 利用車載通信設(shè)備接收前行列車的運行狀態(tài)信息及調(diào)度、限速信息，結(jié)合列車自身運 動狀態(tài)信息在每個采樣時刻計算出列車的當前動態(tài)限速。 當前動態(tài)限速的計算方法如下： 計算前行列車作用下當前采樣時刻的列車限速:
計算前方臨時限速作用下當前采樣時刻的列車限速ν' max (k):
確定當前時刻的動態(tài)限速值Vmax (k): vire!, (/') = min I v,；!V (λ ), ymi!x (λ·)} 其中，Vk、Sk為采樣時刻k的列車速度、位置，a s為列車常用制動減速度，L s為列車追蹤 安全距離，'為前行列車在采樣時刻k的位置，L為列車車身長度，ν' 臨時限速值，s' 為前方臨時限速起始位置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于， 所述的計算出所述列車的自適應優(yōu)化目標權(quán)值，包括： 根據(jù)列車實時位置、時間信息與運行圖數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，在每個采樣周期內(nèi)計算出包 括準點目標權(quán)值、能耗目標權(quán)值的自適應優(yōu)化目標權(quán)值； 所述自適應分配優(yōu)化目標權(quán)值計算方法如下： 計算采樣時刻k的運行時間與運行圖計劃時間之間的偏差AfGO : Δ T* (k) = t (sk) -t* (Sk) 計算并更新當前采樣時刻k的準點目標權(quán)值〇^與能耗目標權(quán)值ω E:
ωΕ= 1_ω τ 其中，t(sk)為采樣時刻k的實際運行時間，t#(sk)為運行圖計劃的列車在S k處的運行 時間，ATtl為可接受的列車運行晚點時間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于， 所述的方法還包括： 根據(jù)初始化的操縱控制指令序列Uk計算出列車運行能耗函數(shù)Φ E(uk)、準點度函數(shù) Φτ (Uk)，計算公式如下：
其中，U為操縱控制指令，F(xiàn)為列車實時輸出力矩，R,,為采樣時刻k+j-Ι與k+j之間的 列車平均運行速度，sk+j、Skf1為采樣時刻k通過uk得到的k+j、k+j-1時刻的列車推算位 置，η為再生能量回收率，E(k-Ι)為采樣時刻k之前已消耗的能量，Emin、Emax為當前采樣 時刻所有可行控制序列對應的最小與最大能耗，t(s k+N)、t#(sk+N)分別為推算位置sk+N對應 的實際運行時間與運行圖計劃時間， ΛΤ(1為可接受的列車運行晚點時間，σ τ為晚點懲罰因 子，Tmin、Tmax為當前采樣時刻所有可行控制序列對應的最小與最大T (u k)取值。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5任一項所述的基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法，其 特征在于，所述的基于所述實時基本阻力系數(shù)、動態(tài)限速和自適應優(yōu)化目標權(quán)值，利用免疫 差分進化算法計算出設(shè)定時間窗范圍內(nèi)的每個采樣時刻的所述列車的最優(yōu)操縱控制指令 序列，包括： 在設(shè)定的時間窗范圍內(nèi)，在每個采樣時刻k利用免疫差分進化算法計算出列車的最優(yōu) 操縱控制指令序列Mi =; 所述最優(yōu)操縱控制指令序列Uk對應的最終優(yōu)化目標函數(shù)為：
其中，ΦΝ(%)為最終優(yōu)化目標函數(shù)，Ctf(Uk)為每個規(guī)劃采樣周期內(nèi)結(jié)束位置的約束函 數(shù)，結(jié)束位置的約束狀態(tài)，且有： 通過求解上述方程組，得到最優(yōu)操縱控制指令序列 * * * * ~ [}{k ^k+l 5 ' * * } N-2 ? Uk+N-\ J ' 將得到的最優(yōu)操縱控制指令序列Uk中第一個操縱指令 <作用于列車。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于， 所述的方法還包括： 利用當前采樣時刻的操縱指令及列車狀態(tài)，推算出設(shè)定時間窗范圍內(nèi)的下一采樣時刻 的初始狀態(tài)，計算出設(shè)定時間窗范圍內(nèi)的下一采樣時刻的最優(yōu)操縱控制指令序列uk，將所 述最優(yōu)操縱控制指令序列Uk中第一個操縱指令WiH乍用于列車； 重復執(zhí)行上述規(guī)劃過程，直至所述列車到達運行目標站點，結(jié)束滾動規(guī)劃過程。
【專利摘要】本發(fā)明實施例提供了一種基于滾動優(yōu)化的列車區(qū)間運行軌跡規(guī)劃方法。該方法主要包括：計算列車運行的實時基本阻力系數(shù)；計算出列車的動態(tài)限速；計算出列車的自適應優(yōu)化目標權(quán)值；基于實時基本阻力系數(shù)、動態(tài)限速和自適應優(yōu)化目標權(quán)值，利用免疫差分進化算法計算出設(shè)定時間窗范圍內(nèi)的每個采樣時刻的列車的最優(yōu)操縱控制指令序列。本發(fā)明實施例通過首先采集列車的實時運動狀態(tài)信息及實時輸出力矩，采用滾動規(guī)劃方式在每個采樣時刻以一定時間窗范圍內(nèi)進行高速列車區(qū)間運行軌跡的局部最優(yōu)化計算直至到達目標站點，能夠?qū)α熊嚮具\行阻力系數(shù)進行精確估計，通過自適應優(yōu)化目標權(quán)值分配機制實現(xiàn)冗余運行時間的最大化利用，從而降低高速列車運行能耗。
【IPC分類】G05D1-02
【公開號】CN104731096
【申請?zhí)枴緾N201510058592
【發(fā)明人】上官偉, 嚴細輝, 蔡伯根, 王劍, 劉江
【申請人】北京交通大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年2月4日