基于仿真的列车能耗-时间Pareto曲线生成方法技术

本发明专利技术提供了一种基于仿真的列车能耗‑时间Pareto曲线生成方法。包括：对列车运行的线路中满足化简条件的坡段的坡度进行合并，将曲线转化为等效坡度，得到线路加算坡度，基于加算坡度和线路限速划分计算区段；根据相邻计算区段目标速度的大小关系给出操纵策略，采用变步长实现仿真过程；结合DE算法和新的拥挤距离算子，得到改进的INSGA‑II算法；随机生成一组计算区段的目标速度的初始解，以该目标速度为所述改进的INSGA‑II算法中染色体上基因，以能耗‑时间为优化目标，计算出列车在线路上的能耗‑时间Pareto曲线。本发明专利技术通过简化线路条件并划分计算区段，结合DE算法和新的拥挤距离算子，利用INSGA‑II分计算区段、变步长仿真得到列车在线路上的能耗‑时间Pareto曲线。

【技术实现步骤摘要】
基于仿真的列车能耗-时间Pareto曲线生成方法
本专利技术涉及列车节能操纵
，尤其涉及一种基于仿真的列车能耗-时间Pareto曲线生成方法。
技术介绍
铁路系统耗能巨大，在满足运输需求的前提下，提高铁路的节能效率，有助于降低铁路成本，符合绿色交通的理念。列车运行操纵是一个多目标优化问题，如时间和能耗的博弈，给定运行时间越长，列车的能耗越小，但是铁路的运输效率将大大降低；相反，一味的缩短运行时间，未充分利用时刻表中的冗余时间，路网的总体能耗将大幅度增加。因此，列车节能操纵是铁路节能的有效手段，一方面可以降低列车在区间的牵引运行能耗，另一方面得到的速度-距离曲线为节能时刻表的制定提供了参考。目前，现有技术中关于列车节能操纵，南澳大利亚大学SCG小组做了大量的研究，主要是基于Pontryagin最大值原则以及Hamiltonian函数推导最优的控制策略，如最大加速度加速/减速、尽可能早的开始惰行等，但是理论推导的方法需要对线路、列车做大量的假设。此外，大部分研究采用主观赋予目标权重的方式，仅少部分学者针对地铁列车运用了多目标优化的方法，但是结果并不完全适用于线路条件更复杂、运行距离更长的铁路系统。目前，现有技术中关于列车节能操纵，从方法上看主要包括以下三种：基于动力学原理求解微分方程的解析算法、将问题转化为数学优化问题求解的数值算法，以及通过模拟/启发式算法求解的优化算法。解析法和数值法对问题进行了大量简化，如果考虑更加复杂的实际情况，将引入非线性方程和约束，这给问题求解带来困难。而模拟/启发式算法很容易将复杂实际问题(如列车属性、线路条件等)包括在模型中，随着计算能力的快速发展，在求解复杂问题中优势明显。
技术实现思路
本专利技术的实施例提供了一种基于仿真的列车能耗-时间Pareto曲线生成方法，以实现列车在不同时间条件下的节能运行。为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案。一种基于仿真的列车能耗-时间Pareto曲线生成方法，包括：基于现有时刻表计算线路的平均速度，确定需简化计算区段的范围，对所述需简化计算区段的范围内满足化简条件的坡段的坡度进行合并，将曲线转化为等效坡度，得到线路加算坡度，基于加算坡度和线路限速重新划分所述需简化计算区段的范围内的计算区段；根据相邻计算区段目标速度的大小关系给出操纵策略，分析列车运行过程中的受力、速度、距离、时间和能耗之间的数量关系，采用100-10-1m的变步长实现仿真过程；结合DE算法和新的拥挤距离算子，以计算区段的目标速度为自变量得到改进的INSGA-II算法，随机生成每个计算区段的目标速度的初始解，以该目标速度为所述改进的INSGA-II算法中染色体上基因，以能耗-时间为优化目标，利用所述改进的INSGA-II算法通过变步长仿真计算出列车在线路上的能耗-时间Pareto曲线。优选地，所述的基于现有时刻表计算线路的平均速度，确定需简化计算区段的范围，包括：基于现有的时刻表计算线路平均速度，即：其中，是列车在线路的平均运行速度，L是线路全长，T是现有时刻表中列车的运行时长；确定需简化计算区段的范围，即：其中，K是需简化计算区段集合，v(sp)是列车在位置sp时的速度。计算区段根据线路条件划分，同一个计算区段内坡度、限速等线路条件相同。从线路起点采用最大加速度加速策略，当速度则sp所在计算区段p开始需要简化；从线路终点反向采用最大减速度制动策略，当速度则sq所在计算区段q以后无需简化。优选地，所述的对所述需简化计算区段的范围内满足化简条件的坡段的坡度进行合并，将曲线转化为等效坡度，得到线路加算坡度，包括：对所述需简化计算区段的范围内满足化简条件的坡段的坡度进行合并，将曲线转化为等效坡度，并计算线路加算坡度，即：ih＝(H2-H1)/lh·1000＝(H2-H1)/∑li·1000ir＝B·∑α/lhiall＝ih+ir其中，ih是合并后的坡度，ir是曲线的等效坡度，iall是化简坡段的加算坡度，H1和H2分别是化简坡段始、终点的标高，lh是化简坡段的长度，li是待化简坡段i的长度，α是曲线中心角，A,B是经验常数，当且仅当li≤A/|ih-i|，i是线路坡度，满足化简条件时合并线路坡度。优选地，所述的基于加算坡度和线路限速重新划分所述需简化计算区段的范围内的计算区段，包括：从计算区段p开始，把iall相同且限速值相同的线路划分为一个计算区段，iall值或者限速值发生改变，则进入下一个计算区段，以此类推，直到计算区段q停止。优选地，根据相邻计算区段目标速度的大小关系给出操纵策略，包括：(1)如果计算区段k的目标速度小于等于计算区段k+1的目标速度即且与制动曲线无交点，则列车从计算区段k起点以最大加速度加速，达到则保持该速度进入计算区段k+1；(2)如果且与制动曲线无交点，则列车从计算区段k终点反向惰行搜索，直到与正向曲线相交；(3)如果与制动曲线相交，则根据制动曲线操纵。优选地，分析列车运行过程中的受力、速度、距离、时间和能耗之间的数量关系，采用100-10-1m的变步长实现仿真过程，包括：分析列车运行过程中的受力、速度、距离、时间和能耗之间的数量关系，即：Fr(v)＝μ+κ·v+γ·v2Fg(s)＝M·g·sin(iall(s))≈M·g·iall(s)其中，s是距离，t是时间，M是列车的质量，ρ是转动惯量，Ff是列车牵引力，Fb是列车制动力，Fr和Fg分别是列车受到的基本阻力和等效的坡道阻力，μ,κ和γ分别是戴维斯公式中参考阻力、滚动阻力和空气阻力参数，g是重力加速度，列车速度、距离、时间、能耗之间的关系如下：其中，vk,o,vk,e是计算区段k的起始、终到速度，是计算区段k允许的最高运行速度，Sk是计算区段k的长度，分别是计算区段k的牵引、匀速、惰行、制动距离，tk是计算区段k的运行时间，E(sk)计算区段k的能耗；采用100-10-1m的变步长实现仿真过程，即：Step1：初始化。令步长ds＝100，累计距离l＝0，索引i＝0，(s,t,E)＝(0,0,0)；输入速度v，计算距离数组tag(如果线路距离为12345m，则tag＝[123,4,5])；Step2：以100-10-1m的步长仿真实现tag中的距离；Step2.1：Whiles<l+tag[i]·dsStep2.1.1：计算列车当前速度条件下的加速度、速度v、距离s以及时间；Step2.1.2：IfAND(ds>1)，计算能耗E，转Step2.1.1；否则，转Step2.1.3；Step2.1.3：IfAND(ds>1)，令tag[i+1]＝10，s＝s–ds，转Step2.2；否则，转Step2.1.4；Step2.1.4：IfAND(ds＝＝1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于仿真的列车能耗-时间Pareto曲线生成方法，其特征在于，包括：/n基于现有时刻表计算线路的平均速度，确定需简化计算区段的范围，对所述需简化计算区段的范围内满足化简条件的坡段的坡度进行合并，将曲线转化为等效坡度，得到线路加算坡度，基于加算坡度和线路限速重新划分所述需简化计算区段的范围内的计算区段；/n根据相邻计算区段目标速度的大小关系给出操纵策略，分析列车运行过程中的受力、速度、距离、时间和能耗之间的数量关系，采用100-10-1m的变步长实现仿真过程；/n结合DE算法和新的拥挤距离算子，以计算区段的目标速度为自变量得到改进的INSGA-II算法，随机生成每个计算区段的目标速度的初始解，以该目标速度为所述改进的INSGA-II算法中染色体上基因，以能耗-时间为优化目标，利用所述改进的INSGA-II算法通过变步长仿真计算出列车在线路上的能耗-时间Pareto曲线。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于仿真的列车能耗-时间Pareto曲线生成方法，其特征在于，包括：
基于现有时刻表计算线路的平均速度，确定需简化计算区段的范围，对所述需简化计算区段的范围内满足化简条件的坡段的坡度进行合并，将曲线转化为等效坡度，得到线路加算坡度，基于加算坡度和线路限速重新划分所述需简化计算区段的范围内的计算区段；
根据相邻计算区段目标速度的大小关系给出操纵策略，分析列车运行过程中的受力、速度、距离、时间和能耗之间的数量关系，采用100-10-1m的变步长实现仿真过程；
结合DE算法和新的拥挤距离算子，以计算区段的目标速度为自变量得到改进的INSGA-II算法，随机生成每个计算区段的目标速度的初始解，以该目标速度为所述改进的INSGA-II算法中染色体上基因，以能耗-时间为优化目标，利用所述改进的INSGA-II算法通过变步长仿真计算出列车在线路上的能耗-时间Pareto曲线。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基于现有时刻表计算线路的平均速度，确定需简化计算区段的范围，包括：
基于现有的时刻表计算线路平均速度，即：



其中，是列车在线路的平均运行速度，L是线路全长，T是现有时刻表中列车的运行时长；
确定需简化计算区段的范围，即：



其中，K是需简化计算区段集合，v(sp)是列车在位置sp时的速度，计算区段根据线路条件划分，同一个计算区段内坡度、限速等线路条件相同，从线路起点采用最大加速度加速策略，当速度则sp所在计算区段p开始需要简化；从线路终点反向采用最大减速度制动策略，当速度则sq所在计算区段q以后无需简化。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的对所述需简化计算区段的范围内满足化简条件的坡段的坡度进行合并，将曲线转化为等效坡度，得到线路加算坡度，包括：
对所述需简化计算区段的范围内满足化简条件的坡段的坡度进行合并，将曲线转化为等效坡度，并计算线路加算坡度，即：
ih＝(H2-H1)/lh·1000＝(H2-H1)/∑li·1000
ir＝B·∑α/lh
iall＝ih+ir
其中，ih是合并后的坡度，ir是曲线的等效坡度，iall是化简坡段的加算坡度，H1和H2分别是化简坡段始、终点的标高，lh是化简坡段的长度，li是待化简坡段i的长度，α是曲线中心角，A,B是经验常数，当且仅当li≤A/|ih-i|，i是线路坡度，满足化简条件时合并线路坡度。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基于加算坡度和线路限速重新划分所述需简化计算区段的范围内的计算区段，包括：
从计算区段p开始，把iall相同且限速值相同的线路划分为一个计算区段，iall值或者限速值发生改变，则进入下一个计算区段，以此类推，直到计算区段q停止。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据相邻计算区段目标速度的大小关系给出操纵策略，包括：
(1)如果计算区段k的目标速度小于等于计算区段k+1的目标速度即且与制动曲线无交点，则列车从计算区段k起点以最大加速度加速，达到则保持该速度进入计算区段k+1；
(2)如果且与制动曲线无交点，则列车从计算区段k终点反向惰行搜索，直到与正向曲线相交；
(3)如果与制动曲线相交，则根据制动曲线操纵。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分析列车运行过程中的受力、速度、距离、时间和能耗之间的数量关系，采用100-10-1m的变步长实现仿真过程，包括：
分析列车运行过程中的受力、速度、距离、时间和能耗之间的数量关系，即：



Fr(v)＝μ+κ·v+γ·v2
Fg(s)＝M·g·sin(iall(s))≈M·g·iall(s)
其中，s是距离，t是时间，M是列车的质量，ρ是转动惯量，Ff是列车牵引力，Fb是列车制动力，Fr和Fg分别是列车受到的基本阻力和等效的坡道阻力，μ,κ和γ分别是戴维斯公式中参考阻力、滚动阻力和空气阻力参数，g是重力加速度，列车速度、距离、时间、能耗之间的关系如下：












其中，vk,o,vk,e是计算区段k的起始、终到速度，是计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾利民，张惠茹，王莉，秦勇，王铭铭，徐杰，郭建媛，程晓卿，
申请(专利权)人：北京交通大学，株洲中车时代电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11