基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高速列车运行信号控制技术领域，尤其涉及一种基于滚动优化的列车 区间运行轨迹规划方法。
【背景技术】
[0002] 铁路运输在我国旅客、货物运输的发展历程中，长期处于重要的骨干地位，其优势 不可替代，对国民经济发展和社会进步具有重大的贡献和意义。基于社会经济发展的需要， 随着科学技术的不断创新和发展，高速铁路以其运输能力大、安全舒适、节能环保和全天候 运输等优势，为越来越多的国家所重视，成为世界铁路发展的重要趋势和交通运输现代化 的重要标志之一。截止2012年，我国有1. 3万公里客运专线及城际铁路投入运营，已构成 "四横四纵"高速铁路网的基本结构。高速铁路的建设和发展对国家综合实力和发展水平的 提升具有重要意义。
[0003] 高速列车运行轨迹规划是一个需要同时满足安全、节能、正点等要求的多目标优 化过程，该过程中各个目标之间是相互制约与影响的。若以列车运行过程中的能耗最小为 优化控制目标，则需要列车尽可能多的釆用惰行方式以减少牵引过程产生的能耗，而列车 惰行距离越长，相应的运行时间必然延长，无法保证准时性。因此，高速列车运行轨迹规划 需要在既定的线路约束条件下，从众多可行的运行轨迹中选择一种可以保证列车运行安 全、舒适、准点，同时具有较高的能源效益的操纵策略，其本质即为约束多目标优化问题。
[0004] 目前，现有技术中还没有一种高效率的高速列车运行轨迹的实时规划方法。
【发明内容】
[0005] 本发明的实施例提供了一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，以实现 高效率地对高速列车的运行轨迹进行规划。
[0006] 一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，包括：
[0007] 计算列车运行的实时基本阻力系数；
[0008] 计算出所述列车的动态限速；
[0009] 计算出所述列车的自适应优化目标权值；
[0010] 基于所述实时基本阻力系数、动态限速和自适应优化目标权值，利用免疫差分进 化算法计算出设定时间窗范围内的每个采样时刻的所述列车的最优操纵控制指令序列。
[0011] 优选地，所述的计算列车运行的实时基本阻力系数，包括：
[0012] 车载设备采集列车的实时运动状态信息，该实时运动状态信息包括位置、速度、加 速度及时间信息，动力系统获取列车的实时输出力矩；
[0013] 所述列车运行的实时基本阻力系数r = (Γι r2 r3)的计算方法如下：
[0015] 其中：S为采集得到的列车实时位置，v为实时速度，a为实时加速度，u为列车实
【主权项】
1. 一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其特征在于，包括： 计算列车运行的实时基本阻力系数； 计算出所述列车的动态限速； 计算出所述列车的自适应优化目标权值； 基于所述实时基本阻力系数、动态限速和自适应优化目标权值，利用免疫差分进化算 法计算出设定时间窗范围内的每个采样时刻的所述列车的最优操纵控制指令序列。
2. 根据权利要求1所述的基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其特征在于， 所述的计算列车运行的实时基本阻力系数，包括： 车载设备采集列车的实时运动状态信息，该实时运动状态信息包括位置、速度、加速度 及时间信息，动力系统获取列车的实时输出力矩； 所述列车运行的实时基本阻力系数r= Cr1 r2 r3)的计算方法如下：
其中：s为采集得到的列车实时位置，V为实时速度，a为实时加速度，u为列车实时控 制指令，F (v，u)为列车实时输出力矩，M为列车质量，馬为列车运行附加阻力。
3. 根据权利要求1所述的基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其特征在于， 所述的计算出所述列车的动态限速，包括： 利用车载通信设备接收前行列车的运行状态信息及调度、限速信息，结合列车自身运 动状态信息在每个采样时刻计算出列车的当前动态限速。 当前动态限速的计算方法如下： 计算前行列车作用下当前采样时刻的列车限速:
计算前方临时限速作用下当前采样时刻的列车限速ν' max (k):
确定当前时刻的动态限速值Vmax (k): vire!, (/') = min I v,；!V (λ ), ymi!x (λ·)} 其中，Vk、Sk为采样时刻k的列车速度、位置，a s为列车常用制动减速度，L s为列车追踪 安全距离，'为前行列车在采样时刻k的位置，L为列车车身长度，ν' 临时限速值，s' 为前方临时限速起始位置。
4. 根据权利要求1所述的基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其特征在于， 所述的计算出所述列车的自适应优化目标权值，包括： 根据列车实时位置、时间信息与运行图数据的比较结果，在每个采样周期内计算出包 括准点目标权值、能耗目标权值的自适应优化目标权值； 所述自适应分配优化目标权值计算方法如下： 计算采样时刻k的运行时间与运行图计划时间之间的偏差AfGO : Δ T* (k) = t (sk) -t* (Sk) 计算并更新当前采样时刻k的准点目标权值〇^与能耗目标权值ω E:
ωΕ= 1_ω τ 其中，t(sk)为采样时刻k的实际运行时间，t#(sk)为运行图计划的列车在S k处的运行 时间，ATtl为可接受的列车运行晚点时间。
5. 根据权利要求4所述的基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其特征在于， 所述的方法还包括： 根据初始化的操纵控制指令序列Uk计算出列车运行能耗函数Φ E(uk)、准点度函数 Φτ (Uk)，计算公式如下：
其中，U为操纵控制指令，F为列车实时输出力矩，R,,为采样时刻k+j-Ι与k+j之间的 列车平均运行速度，sk+j、Skf1为采样时刻k通过uk得到的k+j、k+j-1时刻的列车推算位 置，η为再生能量回收率，E(k-Ι)为采样时刻k之前已消耗的能量，Emin、Emax为当前采样 时刻所有可行控制序列对应的最小与最大能耗，t(s k+N)、t#(sk+N)分别为推算位置sk+N对应 的实际运行时间与运行图计划时间， ΛΤ(1为可接受的列车运行晚点时间，σ τ为晚点惩罚因 子，Tmin、Tmax为当前采样时刻所有可行控制序列对应的最小与最大T (u k)取值。
6. 根据权利要求1至5任一项所述的基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其 特征在于，所述的基于所述实时基本阻力系数、动态限速和自适应优化目标权值，利用免疫 差分进化算法计算出设定时间窗范围内的每个采样时刻的所述列车的最优操纵控制指令 序列，包括： 在设定的时间窗范围内，在每个采样时刻k利用免疫差分进化算法计算出列车的最优 操纵控制指令序列Mi =; 所述最优操纵控制指令序列Uk对应的最终优化目标函数为：
其中，ΦΝ(%)为最终优化目标函数，Ctf(Uk)为每个规划采样周期内结束位置的约束函 数，结束位置的约束状态，且有： 通过求解上述方程组，得到最优操纵控制指令序列 * * * * ~ [}{k ^k+l 5 ' * * } N-2 ? Uk+N-\ J ' 将得到的最优操纵控制指令序列Uk中第一个操纵指令 <作用于列车。
7. 根据权利要求6所述的基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法，其特征在于， 所述的方法还包括： 利用当前采样时刻的操纵指令及列车状态，推算出设定时间窗范围内的下一采样时刻 的初始状态，计算出设定时间窗范围内的下一采样时刻的最优操纵控制指令序列uk，将所 述最优操纵控制指令序列Uk中第一个操纵指令WiH乍用于列车； 重复执行上述规划过程，直至所述列车到达运行目标站点，结束滚动规划过程。
【专利摘要】本发明实施例提供了一种基于滚动优化的列车区间运行轨迹规划方法。该方法主要包括：计算列车运行的实时基本阻力系数；计算出列车的动态限速；计算出列车的自适应优化目标权值；基于实时基本阻力系数、动态限速和自适应优化目标权值，利用免疫差分进化算法计算出设定时间窗范围内的每个采样时刻的列车的最优操纵控制指令序列。本发明实施例通过首先采集列车的实时运动状态信息及实时输出力矩，采用滚动规划方式在每个采样时刻以一定时间窗范围内进行高速列车区间运行轨迹的局部最优化计算直至到达目标站点，能够对列车基本运行阻力系数进行精确估计，通过自适应优化目标权值分配机制实现冗余运行时间的最大化利用，从而降低高速列车运行能耗。
【IPC分类】G05D1-02
【公开号】CN104731096
【申请号】CN201510058592
【发明人】上官伟, 严细辉, 蔡伯根, 王剑, 刘江
【申请人】北京交通大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年2月4日