基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)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(yùn)行信號(hào)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車 區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鐵路運(yùn)輸在我國(guó)旅客、貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展歷程中，長(zhǎng)期處于重要的骨干地位，其優(yōu)勢(shì) 不可替代，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步具有重大的貢獻(xiàn)和意義?；谏鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要， 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，高速鐵路以其運(yùn)輸能力大、安全舒適、節(jié)能環(huán)保和全天候 運(yùn)輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，為越來越多的國(guó)家所重視，成為世界鐵路發(fā)展的重要趨勢(shì)和交通運(yùn)輸現(xiàn)代化 的重要標(biāo)志之一。截止2012年，我國(guó)有1. 3萬公里客運(yùn)專線及城際鐵路投入運(yùn)營(yíng)，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(duì)國(guó)家綜合實(shí)力和發(fā)展水平的 提升具有重要意義。
[0003] 高速列車運(yùn)行軌跡規(guī)劃是一個(gè)需要同時(shí)滿足安全、節(jié)能、正點(diǎn)等要求的多目標(biāo)優(yōu) 化過程，該過程中各個(gè)目標(biāo)之間是相互制約與影響的。若以列車運(yùn)行過程中的能耗最小為 優(yōu)化控制目標(biāo)，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(zhǎng)，相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間必然延長(zhǎng)，無法保證準(zhǔn)時(shí)性。因此，高速列車運(yùn)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(yùn)行軌跡中選擇一種可以保證列車運(yùn)行安 全、舒適、準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)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(biāo)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(yùn)行軌跡的實(shí)時(shí)規(guī)劃方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法，以實(shí)現(xiàn) 高效率地對(duì)高速列車的運(yùn)行軌跡進(jìn)行規(guī)劃。
[0006] 一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法，包括：
[0007] 計(jì)算列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)；
[0008] 計(jì)算出所述列車的動(dòng)態(tài)限速；
[0009] 計(jì)算出所述列車的自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值；
[0010] 基于所述實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)、動(dòng)態(tài)限速和自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值，利用免疫差分進(jìn) 化算法計(jì)算出設(shè)定時(shí)間窗范圍內(nèi)的每個(gè)采樣時(shí)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(jì)算列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)，包括：
[0012] 車載設(shè)備采集列車的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，該實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息包括位置、速度、加 速度及時(shí)間信息，動(dòng)力系統(tǒng)獲取列車的實(shí)時(shí)輸出力矩；
[0013] 所述列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)r = (Γι r2 r3)的計(jì)算方法如下：
[0015] 其中：S為采集得到的列車實(shí)時(shí)位置，v為實(shí)時(shí)速度，a為實(shí)時(shí)加速度，u為列車實(shí)
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于，包括： 計(jì)算列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)； 計(jì)算出所述列車的動(dòng)態(tài)限速； 計(jì)算出所述列車的自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值； 基于所述實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)、動(dòng)態(tài)限速和自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值，利用免疫差分進(jìn)化算 法計(jì)算出設(shè)定時(shí)間窗范圍內(nèi)的每個(gè)采樣時(shí)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(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于， 所述的計(jì)算列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)，包括： 車載設(shè)備采集列車的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息，該實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息包括位置、速度、加速度 及時(shí)間信息，動(dòng)力系統(tǒng)獲取列車的實(shí)時(shí)輸出力矩； 所述列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)r= Cr1 r2 r3)的計(jì)算方法如下：
其中：s為采集得到的列車實(shí)時(shí)位置，V為實(shí)時(shí)速度，a為實(shí)時(shí)加速度，u為列車實(shí)時(shí)控 制指令，F(xiàn) (v，u)為列車實(shí)時(shí)輸出力矩，M為列車質(zhì)量，馬為列車運(yùn)行附加阻力。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于， 所述的計(jì)算出所述列車的動(dòng)態(tài)限速，包括： 利用車載通信設(shè)備接收前行列車的運(yùn)行狀態(tài)信息及調(diào)度、限速信息，結(jié)合列車自身運(yùn) 動(dòng)狀態(tài)信息在每個(gè)采樣時(shí)刻計(jì)算出列車的當(dāng)前動(dòng)態(tài)限速。 當(dāng)前動(dòng)態(tài)限速的計(jì)算方法如下： 計(jì)算前行列車作用下當(dāng)前采樣時(shí)刻的列車限速:
計(jì)算前方臨時(shí)限速作用下當(dāng)前采樣時(shí)刻的列車限速ν' max (k):
確定當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)態(tài)限速值Vmax (k): vire!, (/') = min I v,；!V (λ ), ymi!x (λ·)} 其中，Vk、Sk為采樣時(shí)刻k的列車速度、位置，a s為列車常用制動(dòng)減速度，L s為列車追蹤 安全距離，'為前行列車在采樣時(shí)刻k的位置，L為列車車身長(zhǎng)度，ν' 臨時(shí)限速值，s' 為前方臨時(shí)限速起始位置。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于， 所述的計(jì)算出所述列車的自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值，包括： 根據(jù)列車實(shí)時(shí)位置、時(shí)間信息與運(yùn)行圖數(shù)據(jù)的比較結(jié)果，在每個(gè)采樣周期內(nèi)計(jì)算出包 括準(zhǔn)點(diǎn)目標(biāo)權(quán)值、能耗目標(biāo)權(quán)值的自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值； 所述自適應(yīng)分配優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值計(jì)算方法如下： 計(jì)算采樣時(shí)刻k的運(yùn)行時(shí)間與運(yùn)行圖計(jì)劃時(shí)間之間的偏差A(yù)fGO : Δ T* (k) = t (sk) -t* (Sk) 計(jì)算并更新當(dāng)前采樣時(shí)刻k的準(zhǔn)點(diǎn)目標(biāo)權(quán)值〇^與能耗目標(biāo)權(quán)值ω E:
ωΕ= 1_ω τ 其中，t(sk)為采樣時(shí)刻k的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，t#(sk)為運(yùn)行圖計(jì)劃的列車在S k處的運(yùn)行 時(shí)間，ATtl為可接受的列車運(yùn)行晚點(diǎn)時(shí)間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)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(jì)算出列車運(yùn)行能耗函數(shù)Φ E(uk)、準(zhǔn)點(diǎn)度函數(shù) Φτ (Uk)，計(jì)算公式如下：
其中，U為操縱控制指令，F(xiàn)為列車實(shí)時(shí)輸出力矩，R,,為采樣時(shí)刻k+j-Ι與k+j之間的 列車平均運(yùn)行速度，sk+j、Skf1為采樣時(shí)刻k通過uk得到的k+j、k+j-1時(shí)刻的列車推算位 置，η為再生能量回收率，E(k-Ι)為采樣時(shí)刻k之前已消耗的能量，Emin、Emax為當(dāng)前采樣 時(shí)刻所有可行控制序列對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng) 的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間與運(yùn)行圖計(jì)劃時(shí)間， ΛΤ(1為可接受的列車運(yùn)行晚點(diǎn)時(shí)間，σ τ為晚點(diǎn)懲罰因 子，Tmin、Tmax為當(dāng)前采樣時(shí)刻所有可行控制序列對(duì)應(yīng)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(xiàng)所述的基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法，其 特征在于，所述的基于所述實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)、動(dòng)態(tài)限速和自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值，利用免疫 差分進(jìn)化算法計(jì)算出設(shè)定時(shí)間窗范圍內(nèi)的每個(gè)采樣時(shí)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(shí)間窗范圍內(nèi)，在每個(gè)采樣時(shí)刻k利用免疫差分進(jìn)化算法計(jì)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(duì)應(yīng)的最終優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：
其中，ΦΝ(%)為最終優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，Ctf(Uk)為每個(gè)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(gè)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(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法，其特征在于， 所述的方法還包括： 利用當(dāng)前采樣時(shí)刻的操縱指令及列車狀態(tài)，推算出設(shè)定時(shí)間窗范圍內(nèi)的下一采樣時(shí)刻 的初始狀態(tài)，計(jì)算出設(shè)定時(shí)間窗范圍內(nèi)的下一采樣時(shí)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(gè)操縱指令WiH乍用于列車； 重復(fù)執(zhí)行上述規(guī)劃過程，直至所述列車到達(dá)運(yùn)行目標(biāo)站點(diǎn)，結(jié)束滾動(dòng)規(guī)劃過程。
【專利摘要】本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法。該方法主要包括：計(jì)算列車運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)；計(jì)算出列車的動(dòng)態(tài)限速；計(jì)算出列車的自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值；基于實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)、動(dòng)態(tài)限速和自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值，利用免疫差分進(jìn)化算法計(jì)算出設(shè)定時(shí)間窗范圍內(nèi)的每個(gè)采樣時(shí)刻的列車的最優(yōu)操縱控制指令序列。本發(fā)明實(shí)施例通過首先采集列車的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息及實(shí)時(shí)輸出力矩，采用滾動(dòng)規(guī)劃方式在每個(gè)采樣時(shí)刻以一定時(shí)間窗范圍內(nèi)進(jìn)行高速列車區(qū)間運(yùn)行軌跡的局部最優(yōu)化計(jì)算直至到達(dá)目標(biāo)站點(diǎn)，能夠?qū)α熊嚮具\(yùn)行阻力系數(shù)進(jìn)行精確估計(jì)，通過自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值分配機(jī)制實(shí)現(xiàn)冗余運(yùn)行時(shí)間的最大化利用，從而降低高速列車運(yùn)行能耗。
【IPC分類】G05D1-02
【公開號(hào)】CN104731096
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510058592
【發(fā)明人】上官偉, 嚴(yán)細(xì)輝, 蔡伯根, 王劍, 劉江
【申請(qǐng)人】北京交通大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年2月4日