一种能量受限且时间自由的列车运行优化方法与流程

本发明属于能量受限的列车运行优化控制技术领域，具体涉及一种适用于列车应急自走行的优化方法。

背景技术：

我国轨道交通迅猛发展，列车运营数量庞大，所需的电力设备多，由于我国幅员辽阔，线路条件复杂，东西部天气变化大，因此恶劣天气、高压电缆脱落、接触网故障和供电系统故障等多种原因都会造成供电电网停电，列车动力丢失，则此时列车只能依靠车载储能设备进行供电。因为列车空间有限以及为减少非必要的能耗，车载储能装置的重量和大小不能过大，由于目前电池技术的限制，因此车载储能装置的容量是受限的，在车载储能装置供电下并且没有对时间的约束情况下如何将列车安全高效地运行到停车点对于铁路系统安全运营具有重要意义。故本发明提出一种能量受限时间自由的列车运行优化方法。

在只有列车电池供电的情况下，列车后续运行过程中的能耗由列车牵引能耗和列车辅助系统能耗组成，列车辅助系统能耗主要用于列车空调、制氧、照明等，其中列车所需要的辅助能耗占总能耗较大比例。列车运行速度越低则牵引能耗越少，但是列车运行时间将变长，列车的辅助系统能耗在功率一定的情况下与运行时间成正比，因此将列车牵引能耗和辅助能耗和作为目标函数，对列车后续的运行进行优化，以尽量减少运行过程的能耗，达到对列车运行优化节能的目的；若列车的电池剩余电量不能够到达停车目标点，则采用新的策略进行优化，使得列车由最大的运行距离。

目前大多数列车运行优化方案时不考虑能量受限和时间自由的情况，在现有的优化方案中鲜有针对能量受限的列车运行过程，同时没有对于时间不限的列车运行优化。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决列车运行优化的问题，提出了一种适用于列车应急自走行的优化方法。

本发明的技术方案是：一种适用于列车应急自走行的优化方法包括以下步骤：

s1：采集列车的基本数据、列车的状态信息、线路的基本数据、辅助系统能耗的基本数据和车载储能系统状态的基本数据；

s2：基于列车的基本数据、列车的状态信息、线路的基本数据和辅助系统能耗的基本数据，将列车行驶的前方车站或救援站作为停车目标站，利用惰性节能策略获取最低累计能耗的列车运行速度曲线；

s3：根据最低累计能耗的列车运行速度曲线，判断最低累计能耗是否小于列车电池剩余电量，若是则进入步骤s4，否则进入步骤s5；

s4：将最低累计能耗的列车运行速度曲线作为最低累计能耗的列车运行速度优化曲线，完成列车优化运行；

s5：将列车电池剩余电量作为约束条件，利用恒速惰行策略获取最远运行距离的列车运行速度优化曲线，完成列车优化运行。

进一步地，步骤s1中，列车的基本数据包括车重和牵引制动特性；

列车的状态信息包括列车运行速度和列车所处位置；

线路的基本数据包括车站公里标、限速、坡度和曲线；

辅助系统能耗的基本数据包括辅助系统功率；

车载储能系统的基本数据包括车载储能系统容量、列车电池剩余电量和放电特性。

进一步地，步骤s2包括以下子步骤：

s21：将列车行驶的前方车站或救援站作为停车目标站，根据列车的状态信息和辅助系统能耗的基本数据，构建累计能耗最小模型；

s22：设定恒速速度步长，并确定对应恒速速度等级和对应恒速速度；

速度步长只需要设置一个，速度等级每增加一，速度就在原来基础上加一个设定的步长；

s23：根据列车的基本数据和不同的恒速速度对应的恒速工况，计算牵引恒速制动曲线，并将牵引恒速制动曲线的牵引工况作为起始点，制动工况作为结束点，将牵引恒速制动曲线划分为若干个子区间；

s24：在各个子区间设置惰行起点，并根据惰行起点添加惰行工况；

s25：基于累计能耗最小模型，遍历各个惰行起点，根据列车的状态信息和线路的基本数据，计算添加惰行工况后的列车运行速度曲线及对应的累计能耗；

s26：判断是否遍历完所有惰行起点，若是则进入步骤s27，否则返回步骤s25；

s27：将遍历完所有惰行起点得到的列车运行速度曲线中累计能耗最小的曲线作为最节能速度曲线；

s28：遍历各个速度等级，并判断是否遍历完所有的速度等级，若是则进入步骤s29，否则返回步骤s22；

s29：将遍历完所有速度等级得到的列车运行速度曲线中累计能耗最小的曲线作为最低累计能耗的列车运行速度曲线。

进一步地，步骤s21中，累计能耗最小模型mine的表达式为：

mine＝et eaux

et＝∫f(t)ds

其中，e表示列车运行过程的总能耗，et表示列车的牵引能耗，eaux表示列车的辅助能耗，f(t)表示列车施加的牵引力，paux(t)表示辅助系统功率，v(t)表示列车运行速度。

进一步地，步骤s5包括以下子步骤：

s51：根据列车电池剩余电量，构建列车电量约束模型；

s52：设定恒速速度步长，并确定对应恒速速度等级和对应恒速速度；

s53：根据车载储能系统的基本数据和不同的恒速速度对应的恒速工况，计算不同恒速速度等级下的列车运行速度曲线，并将列车运行速度曲线的牵引工况作为起始点，列车恒速运行至列车剩余电池电量耗尽作为结束点，将列车运行速度曲线划分为若干个子区间；

s54：在各个子区间内添加惰性工况，遍历各个恒速速度等级，并更新添加惰性工况后的列车运行速度曲线，确定更新后的列车运行速度曲线的运行距离；

s55：判断是否遍历完所有恒速速度等级，若是则进入步骤s56，否则返回步骤s54；

s56：将所有恒速速度等级中运行距离最远的列车运行速度曲线作为最远运行距离的列车运行速度优化曲线。

进一步地，步骤s51中，列车电量约束模型e'的表达式为：

e'≤ebattery

其中，ebattery表示列车电池剩余能量。

本发明的有益效果是：

(1)本发明适用于一类具有车载储能供电能力的列车，在接触网失电自我救援场景下，优化列车运行速度曲线，降低累计运行能耗，扩大有限储能电量下的列车走行距离。

(2)在能量受限时间自由的条件下，优化列车运行速度曲线，以列车运行能耗与辅助系统能耗和最低为目标进行优化，得到最节能的速度曲线，具有节能性。

(3)能量受限情况下的列车，若列车不能够运行至设定位置，列车停靠在运行线路上，会造成铁路系统多列车晚点甚至车次取消等后果，从而严重影响铁路系统的正常运营，通过优化列车运行使列车在电池电量不足时也能运行最远距离，降低对铁路系统的影响，故具有高效性。

附图说明

图1为列车运行优化方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

在描述本发明的具体实施例之前，为使本发明的方案更加清楚完整，首先对本发明中出现的缩略语和关键术语定义进行说明：

能量受限且时间自由的列车运行：指由车载储能系统供电的列车需要运行到停车目标且无时间约束的这类列车的走行过程。

如图1所示，本发明提供了一种适用于列车应急自走行的优化方法，包括以下步骤：

s1：采集列车的基本数据、列车的状态信息、线路的基本数据、辅助系统能耗的基本数据和车载储能系统状态的基本数据；

s2：基于列车的基本数据、列车的状态信息、线路的基本数据和辅助系统能耗的基本数据，将列车行驶的前方车站或救援站作为停车目标站，利用惰性节能策略获取最低累计能耗的列车运行速度曲线；

s3：根据最低累计能耗的列车运行速度曲线，判断最低累计能耗是否小于列车电池剩余电量，若是则进入步骤s4，否则进入步骤s5；

s4：将最低累计能耗的列车运行速度曲线作为最低累计能耗的列车运行速度优化曲线，完成列车优化运行；

s5：将列车电池剩余电量作为约束条件，利用恒速惰行策略获取最远运行距离的列车运行速度优化曲线，完成列车优化运行。

在本发明实施例中，步骤s1中，列车的基本数据包括车重和牵引制动特性；

列车的状态信息包括列车运行速度和列车所处位置；

线路的基本数据包括车站公里标、限速、坡度和曲线；

辅助系统能耗的基本数据包括辅助系统功率；

车载储能系统的基本数据包括车载储能系统容量、列车电池剩余电量和放电特性。

在本发明实施例中，如图1所示，步骤s2包括以下子步骤：

s21：将列车行驶的前方车站或救援站作为停车目标站，根据列车的状态信息和辅助系统能耗的基本数据，构建累计能耗最小模型；

s22：设定恒速速度步长，并确定对应恒速速度等级和对应恒速速度；

s23：根据列车的基本数据和不同的恒速速度对应的恒速工况，计算牵引恒速制动曲线，并将牵引恒速制动曲线的牵引工况作为起始点，制动工况作为结束点，将牵引恒速制动曲线划分为若干个子区间；

s24：在各个子区间设置惰行起点，并根据惰行起点添加惰行工况；

s25：基于累计能耗最小模型，遍历各个惰行起点，根据列车的状态信息和线路的基本数据，计算添加惰行工况后的列车运行速度曲线及对应的累计能耗；

s26：判断是否遍历完所有惰行起点，若是则进入步骤s27，否则返回步骤s25；

s27：将遍历完所有惰行起点得到的列车运行速度曲线中累计能耗最小的曲线作为最节能速度曲线；

s28：遍历各个速度等级，并判断是否遍历完所有的速度等级，若是则进入步骤s29，否则返回步骤s22；

s29：将遍历完所有速度等级得到的列车运行速度曲线中累计能耗最小的曲线作为最低累计能耗的列车运行速度曲线。

步骤s2.1所述的运行累积能耗指列车运行过程中列牵引能耗与列车辅助系统能耗的和。

在本发明实施例中，步骤s21中，累计能耗最小模型mine的表达式为：

mine＝et eaux

et＝∫f(t)ds

其中，e表示列车运行过程的总能耗，et表示列车的牵引能耗，eaux表示列车的辅助能耗，f(t)表示列车施加的牵引力，paux(t)表示辅助系统功率，v(t)表示列车运行速度。

在本发明实施例中，步骤s5包括以下子步骤：

s51：根据列车电池剩余电量，构建列车电量约束模型；

s52：设定恒速速度步长，并确定对应恒速速度等级和对应恒速速度；

s53：根据车载储能系统的基本数据和不同的恒速速度对应的恒速工况，计算不同恒速速度等级下的列车运行速度曲线，并将列车运行速度曲线的牵引工况作为起始点，列车恒速运行至列车剩余电池电量耗尽作为结束点，将列车运行速度曲线划分为若干个子区间；

s54：在各个子区间内添加惰性工况，遍历各个恒速速度等级，并更新添加惰性工况后的列车运行速度曲线，确定更新后的列车运行速度曲线的运行距离；

s55：判断是否遍历完所有恒速速度等级，若是则进入步骤s56，否则返回步骤s54；

s56：将所有恒速速度等级中运行距离最远的列车运行速度曲线作为最远运行距离的列车运行速度优化曲线。

在本发明实施例中，步骤s51中，列车电量约束模型e'的表达式为：

e'≤ebattery

其中，ebattery表示列车电池剩余能量。

本发明的工作原理及过程为：首先采集列车的基本数据、列车的状态信息、线路的基本数据、辅助系统能耗的基本数据和车载储能系统状态的基本数据；然后，基于列车的基本数据、列车的状态信息、线路的基本数据和辅助系统能耗的基本数据，将列车行驶的前方车站或救援站作为停车目标站，利用惰性节能策略获取最低累计能耗的列车运行速度曲线；再根据最低累计能耗的列车运行速度曲线，判断最低累计能耗是否小于列车电池剩余电量，进行不同的曲线优化。

本发明的有益效果为：

(1)本发明适用于一类具有车载储能供电能力的列车，在接触网失电自我救援场景下，优化列车运行速度曲线，降低累计运行能耗，扩大有限储能电量下的列车走行距离。

(2)在能量受限时间自由的条件下，优化列车运行速度曲线，以列车运行能耗与辅助系统能耗和最低为目标进行优化，得到最节能的速度曲线，具有节能性。

(3)能量受限情况下的列车，若列车不能够运行至设定位置，列车停靠在运行线路上，会造成铁路系统多列车晚点甚至车次取消等后果，从而严重影响铁路系统的正常运营，通过优化列车运行使列车在电池电量不足时也能运行最远距离，降低对铁路系统的影响，故具有高效性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。