一种基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法与流程

技术特征：
1.一种基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤s1：基于列车运行过程受力分析，结合动态规划原理，建立列车牵引能耗多阶段计算模型；步骤s2：以阶段能耗和时间的加权作为优化目标函数，采用二分法搜索固定时间的区间运行曲线；步骤s3：将步骤s2中所得固定时间的区间运行曲线输入步骤s1建立的牵引能耗多阶段计算模型，获得各区间不同运行时间下相应的牵引能耗；步骤s4：基于最小二乘法，拟合出不同区间的时间能耗反比例特征曲线；步骤s5：计算各区间最短运行时间，和计划运行时间对比得到冗余时间t，离散化冗余时间，将冗余时间等间隔划分为n段，每一段为一个时间单元δt；步骤s6：建立基于时间分配的多区间运行曲线协同优化模型；步骤s7：取一个时间单元预分配到所有区间；步骤s8：对比各区间新运行时间和原运行时间下的能耗，最终将该时间单元分配到能耗变化量最大的区间；步骤s9：更新区间运行时间和冗余时间，若冗余时间t已全部分配，则分配结束进入步骤s10，否则跳转至步骤s7；步骤s10：将步骤s9中冗余时间分配结果输入到ats系统，编制新的节能运行图。2.根据权利要求1所述的基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法，其特征在于，步骤s1所述列车运行过程受力包括列车牵引力、制动力、坡道阻力、弯道阻力和基本阻力。3.根据权利要求1所述的基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法，其特征在于，步骤s1所述建立列车牵引能耗多阶段计算模型是基于位置的单质点模型，具体如下：步骤101：以δs作为分段间距，将整个区间等间隔划分为许多份子区间，s
k
为其中一份子区间，假设在子区间s
k
内，列车加速度恒定，且线路的坡道值、弯道值不变，则在任意子区间s
k
内有内有式中，v
k
为列车在子区间s
k
内的起点速度；v
k 1
为列车在子区间s
k
内的终点速度；a
k,k 1
为列车在子区间s
k
内运行的加速度；t
k,k 1
为列车在子区间s
k
内运行所用的时间；步骤102：若列车在子区间s
k
内惰行，则惰行加速度为：式中，ρ为列车质量的旋转因子；g为列车所受重力加速度，单位为m/s2；ω0为列车的单位基本阻力，单位为kn/n；ω
i
为列车的单位坡道阻力，上坡为正，下坡为负，单位为kn/n；ω
r
为列车的单位弯道阻力，单位为kn/n；步骤103：若则在区间s
k
内列车牵引力发挥作用，列车的牵引能耗为：
式中，为列车在子区间s
k
内运行的牵引耗能，单位为焦耳；m为列车质量，单位为吨；步骤104：若则在区间s
k
内列车制动力发挥作用，假设制动电阻耗能为零，则列车的制动馈能为：式中，为列车在子区间s
k
内运行的制动馈能，单位为焦耳；步骤105：若则在区间s
k
内列车惰行，列车的惰行能耗为：式中，为列车在子区间s
k
内运行的惰行能耗；步骤106：t为列车在整个区间运行耗时，单位为秒；e为列车在整个区间运行的牵引能耗，单位为焦耳；t、e的计算公式如下：耗，单位为焦耳；t、e的计算公式如下：4.根据权利要求3所述的基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法，其特征在于，步骤s2所述以阶段能耗和时间的加权作为优化目标函数具体如下：为达到阶段时间和能耗的平衡，取能耗因子μ，目标函数f
k,k 1
采用阶段能耗和时间的加权，即：上式中，μ为目标函数中阶段运行时间t
k,k 1
相对于阶段牵引能耗的权重，μ值越高，阶段运行时间t
k,k 1
的权重越大，最终解出的列车区间运行时间越长，区间能耗越低，反之，权重越小，解出的的列车区间运行时间越短，区间能耗越高。5.根据权利要求4所述的基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法，其特征在于，步骤s2所述采用二分法搜索固定时间的区间运行曲线，具体如下：步骤201：将目标函数f
k,k 1
改写成为如下形式：式中，α为区间(0,1)区间内的参数，e
k,k 1
为子区间s
k
内列车的牵引能耗，t
k,k 1
为子区间s
k
内列车的运行时间；步骤202：设定并输入区间的运行时间t
i
；步骤203：将列车运行区间按δs等间隔划分为n-1份，每份为一个子区间，共有n个端点，每个端点的速度记为速度点；划分时任意两个速度点之间的弯道和坡道恒定，若坡道和弯道的变化点刚好处于两速度点之间，则按就近原则进行划算；
步骤204：按照列车在区间运行时的最短运行时间策略得到该策略下的速度点集合；步骤205：以δv作为速度分段间距，将最短运行时间策略下各阶段的速度点离散化，每个阶段能够选择的速度点集合记为速度状态空间，速度状态空间中能够选取的点记为速度状态点，各阶段速度状态点的最小值均为0，最大值为最短运行时间策略下该阶段的速度点；步骤206：从第n-1个子区间开始，v
n
＝0，仅有一个速度状态点，令第n-1阶段的目标函数f
n-1,n
＝0；步骤207：第n-1阶段，依据贝尔曼原理式中，为第n-1个速度状态点处的最优指标；为第n个速度状态点处的最优指标，由于是末端点，将此指标记为0；向前一个步长，得到的最优指标，由于是末端点，将此指标记为0；向前一个步长，得到以此类推；步骤208：第n-2阶段，设该阶段的速度状态点编号为j,j＝1,2,3,...k，即该阶段一共有k个速度点能够选择，则依次前向迭代计算直至n＝1；步骤209：迭代计算完成，统计优化过程中每个阶段的速度点，总能耗e_sum、总运行时间time_sum；步骤210：比较总运行时间time_sum和输入的区间运行时间t
i
的大小，如果time_sum不等于t
i
，则采用二分法调整α的大小，α∈(0,1)，重复步骤206至步骤209，直到|t
i-time_sum|＜δ，δ是设定的阈值，至此算法结束，获得固定时间下的区间运行曲线。6.根据权利要求1所述的基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法，其特征在于，步骤s4中所述时间能耗反比例特征曲线，指列车在某一区间存在不同的运行时间，每一个运行时间都存在对应的最小牵引能耗，随着运行时间的增加，对应的最小牵引能耗也逐渐减小，运行时间与最小牵引能耗之间的关系成反比例，亦即每个区间都存在一条独特的时间能耗反比例曲线。7.根据权利要求1所述的基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法，其特征在于，步骤s5所述各区间最短运行时间，指列车ato以最大牵引-巡航-最大制动模式运行时，各区间的运行时间；所述冗余时间t，指由计划时刻表中规定的全线各区间运行时间之和减去各区间最短运行时间之和所得的差值。8.根据权利要求1所述的基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法，其特征在于，步骤s6～步骤s9具体包括：步骤601：以列车上行或下行的总牵引能耗为优化目标，目标函数如下式所示：
上式中，e(t)表示列车上行或下行的总牵引电耗，单位kw
·
h；n表示线路运行区间的数量，为车站总数减1；e
j
(t
j
)表示列车在第j个区间运行且运行时间为t
j
时的牵引电耗；步骤602：列车总运行时间需满足线路计划总运行时间的约束，保证列车发车间隔不因冗余时间分配超时而受到影响，总运行时间约束如下式所示：上式中，t
j
表示列车在第j个区间的运行时间，x
j
表示列车在第j个车站的停站时间，t
total
表示时间分配后列车总运行时间，t
plan
表示线路计划总运行时间；步骤603：计算上行冗余时分t，计算列车上行各区间的最短运行时分之和t
min
，上行各区间计划运行时分之和t
plan
，t
plan
减去t
min
得到的结果即为上行冗余时分t；步骤604：将冗余时间等间隔划分为n小份，每一份为一个时间单元δt，δt＝t/n；步骤605：将δt预分配至所有上行区间，结合每个区间的时间能耗反比例特征曲线，得到每个区间的能耗变化量δe
i
；步骤606：比较δe
i
，最终将时间单元δt分配至能耗变化量最大的区间，更新该区间的运行时间t
i
＝t
i
δt，更新冗余时间t＝t-δt；步骤607：如果第i个区间的运行时间达到该区间的最长运行时间，则不再向该区间分配冗余时间；步骤608：如果冗余时间t不为零，则重复步骤605至步骤607；否则结束。

技术总结
本发明公开了一种基于动态规划和时间分配的列车运行节能方法。该方法为：建立列车牵引能耗多阶段计算模型；以阶段能耗和时间的加权作为优化目标函数，搜索固定时间的区间运行曲线，并输入牵引能耗多阶段计算模型，获得各区间不同运行时间下相应的牵引能耗；拟合出不同区间的时间能耗反比例特征曲线；计算各区间的冗余时间，离散化冗余时间得到多个时间单元；建立多区间运行曲线协同优化模型；取一个时间单元预分配到所有区间，通过对比将该时间单元分配到能耗变化量最大的区间；更新区间运行时间和冗余时间，直至冗余时间全部分配；将冗余时间分配结果输入到ATS系统，编制新的节能运行图。本发明实现了综合节能降耗和运营智能优化管理。能优化管理。能优化管理。


技术研发人员：奚永明 胡文斌 哈进兵 吕建国 胡希 曹鑫
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2020.07.23
技术公布日：2022/1/25