基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例提供了一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)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(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)；計(jì)算出列車(chē)的動(dòng)態(tài)限速；計(jì)算出列車(chē)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(chē)的最優(yōu)操縱控制指令序列。本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例通過(guò)首先采集列車(chē)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(chē)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?chē)基本運(yùn)行阻力系數(shù)進(jìn)行精確估計(jì)，通過(guò)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(chē)運(yùn)行能耗。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法
本專(zhuān)利技術(shù)涉及高速列車(chē)運(yùn)行信號(hào)控制
，尤其涉及一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法。
技術(shù)介紹
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。基于社會(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(lái)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(wàn)公里客運(yùn)專(zhuān)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。高速列車(chē)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(guò)程，該過(guò)程中各個(gè)目標(biāo)之間是相互制約與影響的。若以列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的能耗最小為優(yōu)化控制目標(biāo)，則需要列車(chē)盡可能多的釆用惰行方式以減少牽引過(guò)程產(chǎn)生的能耗，而列車(chē)惰行距離越長(zhǎng)，相應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間必然延長(zhǎng)，無(wú)法保證準(zhǔn)時(shí)性。因此，高速列車(chē)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(chē)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(wèn)題。目前，現(xiàn)有技術(shù)中還沒(méi)有一種高效率的高速列車(chē)運(yùn)行軌跡的實(shí)時(shí)規(guī)劃方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施例提供了一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)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(chē)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行規(guī)劃。一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法，包括：計(jì)算列車(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)；計(jì)算出所述列車(chē)的動(dòng)態(tài)限速；計(jì)算出所述列車(chē)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(chē)的最優(yōu)操縱控制指令序列。優(yōu)選地，所述的計(jì)算列車(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)，包括：車(chē)載設(shè)備采集列車(chē)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(chē)的實(shí)時(shí)輸出力矩；所述列車(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)r＝(r1r2r3)的計(jì)算方法如下：其中：s為采集得到的列車(chē)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(chē)實(shí)時(shí)控制指令，F(xiàn)(v,u)為列車(chē)實(shí)時(shí)輸出力矩，M為列車(chē)質(zhì)量，R2為列車(chē)運(yùn)行附加阻力。優(yōu)選地，所述的計(jì)算出所述列車(chē)的動(dòng)態(tài)限速，包括：利用車(chē)載通信設(shè)備接收前行列車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)信息及調(diào)度、限速信息，結(jié)合列車(chē)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(chē)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(chē)作用下當(dāng)前采樣時(shí)刻的列車(chē)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(chē)限速v'max(k)：確定當(dāng)前時(shí)刻的動(dòng)態(tài)限速值vmax(k)：其中，vk、sk為采樣時(shí)刻k的列車(chē)速度、位置，as為列車(chē)常用制動(dòng)減速度，Ls為列車(chē)追蹤安全距離，為前行列車(chē)在采樣時(shí)刻k的位置，L為列車(chē)車(chē)身長(zhǎng)度，v′r為臨時(shí)限速值，s'為前方臨時(shí)限速起始位置。優(yōu)選地，所述的計(jì)算出所述列車(chē)的自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值，包括：根據(jù)列車(chē)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ΔT*(k)：ΔT*(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ωT與能耗目標(biāo)權(quán)值ωE：ωE＝1-ωT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(chē)在sk處的運(yùn)行時(shí)間，ΔT0為可接受的列車(chē)運(yùn)行晚點(diǎn)時(shí)間。優(yōu)選地，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(chē)運(yùn)行能耗函數(shù)φE(uk)、準(zhǔn)點(diǎn)度函數(shù)φT(uk)，計(jì)算公式如下：其中，u為操縱控制指令，F(xiàn)為列車(chē)實(shí)時(shí)輸出力矩，為采樣時(shí)刻k+j-1與k+j之間的列車(chē)平均運(yùn)行速度，sk+j、sk+j-1為采樣時(shí)刻k通過(guò)uk得到的k+j、k+j-1時(shí)刻的列車(chē)推算位置，η為再生能量回收率，E(k-1)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(sk+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，ΔT0為可接受的列車(chē)運(yùn)行晚點(diǎn)時(shí)間，σT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(uk)取值。優(yōu)選地，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，應(yīng)用滾動(dòng)規(guī)劃方法計(jì)算出設(shè)定時(shí)間窗范圍內(nèi)的所述列車(chē)的最優(yōu)運(yùn)行軌跡及其對(duì)應(yīng)的控制序列，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(chē)的最優(yōu)操縱控制指令序列所述最優(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，φN(uk)為最終優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，φf(shuō)(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)，xf為結(jié)束位置的約束狀態(tài)，且有：通過(guò)求解上述方程組，得到最優(yōu)操縱控制指令序列將得到的最優(yōu)操縱控制指令序列uk中第一個(gè)操縱指令作用于列車(chē)。優(yōu)選地，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(chē)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)操縱指令作用于列車(chē)；重復(fù)執(zhí)行上述規(guī)劃過(guò)程，直至所述列車(chē)到達(dá)運(yùn)行目標(biāo)站點(diǎn)，結(jié)束滾動(dòng)規(guī)劃過(guò)程。由上述本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例通過(guò)首先采集列車(chē)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息(位置、速度、加速度及時(shí)間信息)及實(shí)時(shí)輸出力矩，利用通信設(shè)備接收調(diào)度命令與前行列車(chē)實(shí)時(shí)位置、速度信息，之后采用滾動(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(chē)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)。該方法能夠克服無(wú)法對(duì)列車(chē)基本運(yùn)行阻力系數(shù)進(jìn)行精確估計(jì)的問(wèn)題，并通過(guò)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(chē)運(yùn)行能耗。本專(zhuān)利技術(shù)附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)踐了解到。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本專(zhuān)利技術(shù)的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例一提供的一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法的實(shí)現(xiàn)原理示意圖；圖2為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例一提供的一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法的處理流程圖；圖3為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例三提供的一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)區(qū)間運(yùn)行軌跡規(guī)劃方法的應(yīng)用場(chǎng)景示意圖；圖4為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例三提供的一種列車(chē)1在區(qū)間運(yùn)行過(guò)程中的優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值ωT的變化過(guò)程示意圖；圖5(a)為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例三提供的一種按照本專(zhuān)利技術(shù)算法計(jì)算的列車(chē)1運(yùn)行能耗累加過(guò)程示意圖；圖5(b)為本專(zhuān)利技術(shù)實(shí)施例三提供的一種按照本專(zhuān)利技術(shù)算法計(jì)算的列車(chē)1準(zhǔn)點(diǎn)度變化過(guò)程示意圖。具體實(shí)施方式下面詳細(xì)描述本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類(lèi)似的標(biāo)號(hào)表示相同或類(lèi)似的元件或具有相同或類(lèi)似功能的元件。下面通過(guò)參本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)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(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)；計(jì)算出所述列車(chē)的動(dòng)態(tài)限速；計(jì)算出所述列車(chē)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(chē)的最優(yōu)操縱控制指令序列。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)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(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)；計(jì)算出所述列車(chē)的動(dòng)態(tài)限速；計(jì)算出所述列車(chē)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(chē)的最優(yōu)操縱控制指令序列；所述的計(jì)算出所述列車(chē)的自適應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)權(quán)值，包括：根據(jù)列車(chē)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ΔT*(k)：ΔT*(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ωT與能耗目標(biāo)權(quán)值ωE：ωE＝1-ωT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(chē)在sk處的運(yùn)行時(shí)間，ΔT0為可接受的列車(chē)運(yùn)行晚點(diǎn)時(shí)間；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(chē)運(yùn)行能耗函數(shù)φE(uk)、準(zhǔn)點(diǎn)度函數(shù)φT(uk)，計(jì)算公式如下：其中，u為操縱控制指令，F(xiàn)為列車(chē)實(shí)時(shí)輸出力矩，為采樣時(shí)刻k+j-1與k+j之間的列車(chē)平均運(yùn)行速度，sk+j、sk+j-1為采樣時(shí)刻k通過(guò)uk得到的k+j、k+j-1時(shí)刻的列車(chē)推算位置，η為再生能量回收率，E(k-1)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(sk+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，ΔT0為可接受的列車(chē)運(yùn)行晚點(diǎn)時(shí)間，σT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(uk)取值。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于滾動(dòng)優(yōu)化的列車(chē)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(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)，包括：車(chē)載設(shè)備采集列車(chē)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(chē)的實(shí)時(shí)輸出力矩；所述列車(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)基本阻力系數(shù)r＝(r1...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：上官偉，嚴(yán)細(xì)輝，蔡伯根，王劍，劉江，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：北京交通大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：北京;11