一种高速列车全局最优节能速度曲线生成方法

1.本发明涉及高速列车参考速度曲线生成技术领域，具体涉及一种高速列车全局最优节能速度曲线生成方法。


背景技术：

2.高速列车中牵引能耗约占高速列车铁路总能耗的70％，有着较大的节能空间。因此，在列车运行安全性，准点性约束条件下，以实现牵引能耗最小化为目标，研究高速列车全局节能最优速度曲线的生成算法，可为司机提供参考速度曲线和操纵提示，从而减小列车牵引能耗。这个工作意义十分深远。
3.现有的高速列车节能优化速度曲线生成算法大多采用增加惰行的优化策略，即，在给定线路，列车动力学参数，目标运行时间的条件下，在富裕时间，即设定的区间运行时间与最大运行能力曲线所需时间的差值，允许的情况下尽可能地往最大能力曲线上插入惰行，以实现节能的目的。但是现有的算法没有充分考虑全局最优，即当富裕时间较长时，存在一组可行解，对应不同目标恒速下速度曲线运行时间均满足设定运行时间的一组惰行节能优化速度曲线，而这一组可行解中，存在一条能耗最小的节能速度曲线，即全局节能最优速度曲线。
4.综上所述，高速列车节能最优速度曲线生成算法对于降低列车牵引能耗，实现列车节能运行具有重要意义。但是现有的速度曲线生成算法没有考虑充分考虑全局最优。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种综合惰行节能优化策略和调整线路限速策略的高速列车全局最优节能速度曲线生成方法。
6.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种高速列车全局最优节能速度曲线生成方法，包括以下步骤：
8.s1、获取高速列车数据、线路数据和区间运行数据；
9.s2、基于线路限速值迭代计算对应的最大运行能力曲线，搜索最大运行能力曲线中运行时间满足设定运行时间时对应的线路限速值，作为最优限速值所在范围的下限；
10.s3、基于线路限速值迭代计算对应的最长惰行节能优化速度曲线，搜索最长惰行节能优化速度曲线中运行时间满足设定运行时间时对应的线路限速值，作为最优限速值所在范围的上限；
11.s4、根据最优限速值所在范围的下限和上限，计算每一个限速值下运行时间满足设定运行时间的可行惰行节能优化速度曲线；
12.s5、从所有可行惰行节能优化速度曲线中选取能耗最小的可行惰行节能优化速度曲线，得到全局节能最优速度曲线。
13.可选地，步骤s1中，
14.所述高速列车数据具体包括：车长、载荷质量、回转质量系数、回转黏着系数、辅助
功率、传动效率、再生效率、牵引特性、制动特性、减速度特性；
15.所述线路数据具体包括：线路限速、坡道坡度、曲线半径、曲线长度、隧道长度、车站位置公里标、电分相公里标、是否存在长短链；
16.所述区间运行数据具体包括：起始站、终点站、计划发车时间、计划到站时间。
17.可选地，步骤s2具体包括以下分步骤：
18.s21、以初始线路限速值作为迭代区间的上限，以线路允许的最低限速值作为迭代区间的下限，从迭代区间的上限和下限之间选择一个线路限速值作为初始的迭代限速值；
19.s22、以此时的迭代限速值作为新的线路限速值，计算该线路限速条件下的高速列车最大运行能力曲线和对应的运行时间；
20.s23、判断最大运行能力曲线对应的运行时间是否等于设定运行时间；
21.若是，则跳转至步骤s26；
22.否则，跳转至步骤s24；
23.s24、根据最大运行能力曲线对应的运行时间与设定运行时间之间的差值，确定下一迭代限速值；
24.s25、判断确定的下一迭代限速值是否超出迭代区间的上限和下限；
25.若是，则流程结束；
26.否则，返回步骤s22；
27.s26、输出此时的迭代限速值作为最优限速值所在范围的下限。
28.可选地，步骤s22中计算该线路限速条件下的高速列车最大运行能力曲线具体包括：
29.构建高速列车运行模型，根据高速列车运行速度和运行时间满足速度限制和整体时间限制的约束条件，得到高速列车最优控制工况；
30.以此时的迭代限速值作为新的线路限速值，在该线路限速条件下采用全力牵引工况加速到线路限速值，再采用部分牵引工况和部分制动工况维持恒速，在前方遇到低限速或停车时进行提前制动，按照全力制动工况反向计算速度—位置曲线与恒速部分相交，最终生成高速列车最大运行能力曲线。
31.可选地，步骤s3具体包括以下分步骤：
32.s31、以初始线路限速值作为迭代区间的上限，以步骤s2得到的最优限速值所在范围的下限作为迭代区间的下限，从迭代区间的上限和下限之间选择一个线路限速值作为初始的迭代限速值；
33.s32、以此时的迭代限速值作为新的线路限速值，计算该线路限速条件下的高速列车最长惰行节能优化速度曲线和对应的运行时间；
34.s33、判断最长惰行节能优化速度曲线对应的运行时间是否等于设定运行时间；
35.若是，则跳转至步骤s36；
36.否则，跳转至步骤s34；
37.s34、根据最长惰行节能优化速度曲线对应的运行时间与设定运行时间之间的差值，确定下一迭代限速值；
38.s35、判断确定的下一迭代限速值是否超出迭代区间的上限和下限；
39.若是，则流程结束；
40.否则，返回步骤s32；
41.s36、输出此时的迭代限速值作为最优限速值所在范围的上限。
42.可选地，步骤s32中计算该线路限速条件下的高速列车最长惰行节能优化速度曲线具体包括：
43.基于步骤s2计算的最大运行能力曲线，将其中牵引后制动工况区段替换为惰行工况，替换条件为替换的惰行工况下的速度-位置曲线与原曲线连接且每个被替换区段内的惰行工况曲线尽可能长；
44.直到将所有满足替换条件的牵引后制动工况全部替换，得到高速列车最长惰行节能优化速度曲线。
45.可选地，步骤s4具体包括以下步骤：
46.s41、根据步骤s2得到的最优限速值所在范围的下限和步骤s3得到的最优限速值所在范围的上限确定的最优限速值范围作为搜索区间，根据求解精度设定迭代步长，并且以最优限速值所在范围的下限作为初始迭代限速值；
47.s42、以此时的迭代限速值作为新的线路限速值，计算该线路限速条件下的高速列车惰行节能优化速度曲线和对应的运行时间；
48.s43、判断惰行节能优化速度曲线对应的运行时间是否等于设定运行时间；
49.若是，则跳转至步骤s44；
50.否则，跳转至步骤s45；
51.s44、保存此时的迭代限速值对应的惰行节能优化速度曲线作为一个可行解；
52.s45、根据此时的迭代限速值和迭代步长，确定下一迭代限速值；
53.s46、判断确定的下一迭代限速值是否超出搜索区间；
54.若是，则流程结束；
55.否则，返回步骤s42。
56.可选地，步骤s42中计算该线路限速条件下的高速列车惰行节能优化速度曲线具体包括：
57.s421、基于步骤s2计算的最大运行能力曲线，将其中牵引后制动工况区段替换为惰行工况；
58.s422、根据最大运行能力曲线和设定运行时间计算富裕时间，
59.s423、判断富裕时间是否小于或等于零；
60.若是，则将最大运行能力曲线作为惰行节能优化速度曲线；
61.否则，跳转至步骤s425；
62.s424、判断设定运行时间是否大于当前限速下的最长惰行所需时间；
63.若是，则将步骤s3计算的最长惰行节能优化速度曲线作为惰行节能优化速度曲线；
64.否则，跳转至步骤s425；
65.s425、根据富裕时间确定每个被替换为惰行工况的区段内惰行工况的长短，将替换后的速度-位置曲线作为惰行节能优化速度曲线。
66.本发明具有以下有益效果：
67.(1)本发明通过综合惰行节能优化策略和调整限速策略，实现了搜索全速度域内
满足曲线运行时间等于设定运行时间的一组不同线路限速下的惰行节能优化速度曲线可行解，且输出其中能耗最小的一条速度曲线，即全局节能最优速度曲线，进一步降低了能耗。
68.(2)本发明通过在迭代中计算最大能力曲线快速确定可行限速区间的上限和在迭代中计算最长惰行节能优化速度曲线快速确定可行限速区间的下限，极大减少了因需要分配惰行区间从而较为耗时的惰行节能优化曲线的计算次数，因此极大降低了进行一次迭代的平均时间，也缩小了搜索范围从而降低了迭代次数，因此提高了搜索效率。
附图说明
69.图1为本发明实施例中一种高速列车全局最优节能速度曲线生成方法的流程示意图。
具体实施方式
70.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
71.如图1所示，本发明实施例提供了一种高速列车全局最优节能速度曲线生成方法，包括以下步骤：
72.s1、获取高速列车数据、线路数据和区间运行数据；
73.在本发明的一个可选实施例中，本发明的步骤s1需要获取用于节能速度曲线生成的基础数据，包括高速列车数据、线路数据和区间运行数据。
74.其中高速列车数据具体包括：车长、载荷质量、回转质量系数、回转黏着系数、辅助功率、传动效率、再生效率、牵引特性、制动特性、减速度特性；
75.线路数据具体包括：线路限速、坡道坡度、曲线半径、曲线长度、隧道长度、车站位置公里标、电分相公里标、是否存在长短链；
76.区间运行数据具体包括：起始站、终点站、计划发车时间、计划到站时间。
77.s2、基于线路限速值迭代计算对应的最大运行能力曲线，搜索最大运行能力曲线中运行时间满足设定运行时间时对应的线路限速值，作为最优限速值所在范围的下限；
78.在本发明的一个可选实施例中，本发明的步骤s2搜索可行限速值范围的下限，即通过不停地改变限速值计算对应的最大运行能力曲线，搜索最大能力曲线运行时间满足设定运行时间时的限速值，作为可行限速值范围，即最优限速值所在范围的下限。
79.在本发明的一个可选实施例中，本发明的步骤s2具体包括以下分步骤s21至s26：
80.s21、以初始线路限速值作为迭代区间的上限，以线路允许的最低限速值作为迭代区间的下限，从迭代区间的上限和下限之间选择一个线路限速值作为初始的迭代限速值，从而实现迭代区间和初始迭代限速值的初始化；
81.s22、以此时的迭代限速值作为新的线路限速值，计算该线路限速条件下的高速列车最大运行能力曲线和对应的运行时间；
82.在本发明的一个可选实施例中，步骤s22中计算该线路限速条件下的高速列车最
大运行能力曲线具体包括以下分步骤s221至s222：
83.s221、构建高速列车运行模型，根据高速列车运行速度和运行时间满足速度限制和整体时间限制的约束条件，得到高速列车最优控制工况；
84.在步骤s221中，本发明构建高速列车运行模型为：
[0085][0086][0087]
其中，u
t
，ub分别为列车牵引力和制动力的控制系数，满足u
t
∈[0，1]，ub∈[0，1]且u
t
·
ub＝0，f(v)为指列车单位质量下最大牵引力，b(v)为列车单位质量下最大制动力，w(v)为列车运行阻力，gr(x)为外部坡道阻力，v为列车运行速度，x为列车位置，t为运行时间。
[0088]
高速列车运行速度和时间需要满足速度限制和整体时间限制的约束条件为：
[0089]
v(0)＝0，v(x)＝0，v(x)≤v
lim
(x)
[0090]
t(x)-t(0)＝t
[0091]
其中，v
lim
(x)是最大允许速度，t是给定的整体运行时间，x为运行终点位置。
[0092]
根据列车运行模型，构造哈密顿函数：
[0093][0094]
伴随变量λ1＝λ1(x)，λ2＝λ2(x)是伴随等式的解
[0095][0096][0097]
其中m是互补松弛因子。
[0098]
定义新的伴随变量哈密顿函数被转化为
[0099][0100]
从而得到列车最优控制工况，如表1所示。
[0101]
表1
[0102][0103]
s222、以此时的迭代限速值作为新的线路限速值，在该线路限速条件下采用全力牵引工况加速到线路限速值，再采用部分牵引工况和部分制动工况维持恒速，在前方遇到低限速或停车时进行提前制动，按照全力制动工况反向计算速度-位置曲线与恒速部分相交，最终生成高速列车最大运行能力曲线。
[0104]
在步骤s222中，本发明在给定限速下，由全力牵引工况，恒速工况(包含恒速部分牵引和恒速部分制动)，全力制动工况序列下，依据线路条件、列车特性和目标约束，求解得到高速列车最大运行能力曲线。该曲线在该限速下耗时最少，能耗最高。
[0105]
最后，本发明计算高速列车最大运行能力曲线的运行时间，计算公式为：
[0106][0107]
s23、判断最大运行能力曲线对应的运行时间是否等于设定运行时间；这里的设定运行时间具体为运行时刻表规定的区间运行时间；
[0108]
若是，则跳转至步骤s26；
[0109]
否则，跳转至步骤s24；
[0110]
s24、根据最大运行能力曲线对应的运行时间与设定运行时间之间的差值，确定下一迭代限速值；
[0111]
具体而言，本发明可以采用二分法、最速下降法等迭代方法，根据最大运行能力曲线对应的运行时间与设定运行时间之间的差值，确定下一迭代限速值；
[0112]
s25、判断确定的下一迭代限速值是否超出迭代区间的上限和下限；
[0113]
若是，则流程结束；
[0114]
否则，返回步骤s22；
[0115]
s26、输出此时的迭代限速值作为最优限速值所在范围的下限。
[0116]
s3、基于线路限速值迭代计算对应的最长惰行节能优化速度曲线，搜索最长惰行节能优化速度曲线中运行时间满足设定运行时间时对应的线路限速值，作为最优限速值所在范围的上限；
[0117]
在本发明的一个可选实施例中，本发明的步骤s3搜索可行限速值范围的上限，即通过不停地改变限速值然后计算最长惰行节能优化速度曲线，搜索节能优化速度曲线运行
时间满足设定运行时间时的限速值，作为可行限速值范围，即最优限速值所在范围的上限。
[0118]
在本发明的一个可选实施例中，本发明的步骤s3具体包括以下分步骤：
[0119]
s31、以初始线路限速值作为迭代区间的上限，以步骤s2得到的最优限速值所在范围的下限作为迭代区间的下限，从迭代区间的上限和下限之间选择一个线路限速值作为初始的迭代限速值，从而实现迭代区间和初始迭代限速值的初始化；
[0120]
s32、以此时的迭代限速值作为新的线路限速值，计算该线路限速条件下的高速列车最长惰行节能优化速度曲线和对应的运行时间；
[0121]
在本发明的一个可选实施例中，本发明的步骤s32中计算该线路限速条件下的高速列车最长惰行节能优化速度曲线具体包括：
[0122]
基于步骤s2计算的最大运行能力曲线，将其中牵引后制动工况区段替换为惰行工况，替换条件为替换的惰行工况下的速度-位置曲线与原曲线连接且每个被替换区段内的惰行工况曲线尽可能长，即能够保证连接原曲线情况下的最长替换长度；
[0123]
直到将所有满足替换条件的牵引后制动工况全部替换，得到高速列车最长惰行节能优化速度曲线。
[0124]
每一次替换成惰行工况运行时间都会增大，直到将所有满足条件的牵引后制动工况全部替换，此时的速度—位置曲线为最长惰行节能优化速度曲线，该曲线在该限速下能耗最小，耗时最长。
[0125]
s33、判断最长惰行节能优化速度曲线对应的运行时间是否等于设定运行时间；
[0126]
若是，则跳转至步骤s36；
[0127]
否则，跳转至步骤s34；
[0128]
s34、根据最长惰行节能优化速度曲线对应的运行时间与设定运行时间之间的差值，确定下一迭代限速值；
[0129]
具体而言，本发明可以采用二分法、最速下降法等迭代方法，根据最长惰行节能优化速度曲线对应的运行时间与设定运行时间之间的差值，确定下一迭代限速值；
[0130]
s35、判断确定的下一迭代限速值是否超出迭代区间的上限和下限；
[0131]
若是，则流程结束；
[0132]
否则，返回步骤s32；
[0133]
s36、输出此时的迭代限速值作为最优限速值所在范围的上限。
[0134]
s4、根据最优限速值所在范围的下限和上限，计算每一个限速值下运行时间满足设定运行时间的可行惰行节能优化速度曲线；
[0135]
在本发明的一个可选实施例中，本发明的步骤s4获取所有可行惰行节能优化速度曲线，即通过设定合适的步长，在由步骤s2得到的可行限速值范围下限和步骤s3得到的可行限速值范围上限确定的可行限速值范围中，计算每一个限速下速度曲线运行时间满足设定运行时间的可行惰行节能优化速度曲线。
[0136]
本发明的步骤s4具体包括以下步骤：
[0137]
s41、根据步骤s2得到的最优限速值所在范围的下限和步骤s3得到的最优限速值所在范围的上限确定的最优限速值范围作为搜索区间，根据求解精度设定迭代步长，并且以最优限速值所在范围的下限作为初始迭代限速值；
[0138]
具体而言，本发明以由步骤s2得到的可行限速值范围下限和步骤s3得到的可行限
速值范围上限确定的可行限值范围作为搜索区间，根据求解精度设定迭代步长，正常求解精度迭代步长1km/h，高精度迭代步长设定为0.1km/h，并且以可行限速值范围的下限作为初始迭代限速值，从而确定搜索区间、初始迭代限速值和迭代步长。
[0139]
s42、以此时的迭代限速值作为新的线路限速值，计算该线路限速条件下的高速列车惰行节能优化速度曲线和对应的运行时间；
[0140]
在本发明的一个可选实施例中，本发明的步骤s42中计算该线路限速条件下的高速列车惰行节能优化速度曲线具体包括：
[0141]
s421、基于步骤s2计算的最大运行能力曲线，将其中牵引后制动工况区段替换为惰行工况；
[0142]
s422、根据最大运行能力曲线和设定运行时间计算富裕时间，
[0143]
s423、判断富裕时间是否小于或等于零；
[0144]
若是，则将最大运行能力曲线作为惰行节能优化速度曲线；
[0145]
否则，跳转至步骤s425；
[0146]
s424、判断设定运行时间是否大于当前限速下的最长惰行所需时间；
[0147]
若是，则将步骤s3计算的最长惰行节能优化速度曲线作为惰行节能优化速度曲线；
[0148]
否则，跳转至步骤s425；
[0149]
s425、根据富裕时间确定每个被替换为惰行工况的区段内惰行工况的长短，将替换后的速度-位置曲线作为惰行节能优化速度曲线。
[0150]
具体而言，这里的惰行节能优化速度曲线是指在给定限速下，介于最大能力曲线和最长惰行节能优化速度曲线之间的速度曲线。
[0151]
本发明首先得到给定限速下的最大能力曲线和最长惰行节能优化速度曲线，仍然将最大能力曲线中的牵引后制动工况替换为惰行工况，同一区段有多个可替换的惰行工况曲线，曲线长度递减且都能连接原最大能力曲线。我们知道，惰行占比越大，能耗越低，时间越长，但不同区段不同长度惰行曲线的能效比(单位时间能耗)不同。本发明将富裕时间进行分配，使得每一牵引后制动工况区段内的惰行工况曲线能效比都最高，对应的速度曲线为惰行节能优化速度曲线。
[0152]
若富裕时间小于等于0，惰行节能优化速度曲线为最大运行曲线；若设定时间t0大于当前限速下的最长惰行所需时间，惰行节能优化速度曲线为最长惰行运行曲线；其余情况，根据富裕时间确定每个可以被替换为惰行工况的区段内惰行工况的长短。
[0153]
s43、判断惰行节能优化速度曲线对应的运行时间是否等于设定运行时间；
[0154]
若是，则跳转至步骤s44；
[0155]
否则，跳转至步骤s45；
[0156]
s44、保存此时的迭代限速值对应的惰行节能优化速度曲线作为一个可行解；
[0157]
s45、根据此时的迭代限速值和迭代步长，确定下一迭代限速值；
[0158]
具体而言，本发明利用此时的迭代限速值加上迭代步长，确定下一迭代限速值。
[0159]
s46、判断确定的下一迭代限速值是否超出搜索区间；
[0160]
若是，则流程结束；
[0161]
否则，返回步骤s42。
[0162]
s5、从所有可行惰行节能优化速度曲线中选取能耗最小的可行惰行节能优化速度曲线，得到全局节能最优速度曲线。
[0163]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0164]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0165]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0166]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0167]
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。