[发明专利]一种轨道交通列车节能速度轨迹曲线优化方法

说明书

本发明涉及一种轨道交通列车节能速度轨迹曲线优化方法，包括：S1、选取自变量、状态变量及控制变量；S2、根据列车从接触网吸收的牵引能耗，构建目标函数；S3、确定约束条件；S4、将最优控制问题离散为多阶段决策问题；S5、计算各离散化状态变量的初始牵引能耗值；S6、从最后一个决策阶段至第一个决策阶段进行逆向搜索，求得各个决策阶段下不同离散化状态变量对应的牵引能耗值，并存储于回溯记录表；S7、从第一个决策阶段至最后一个决策阶段进行正向搜索，求得列车在各决策阶段下的最优节能速度轨迹曲线。与现有技术相比，本发明根据列车牵引与制动性能，通过问题离散化处理，结合逆向搜索和正向搜索，能够快速准确得到全局最优解。

技术领域

本发明涉及轨道交通列车控制技术领域，尤其是涉及一种轨道交通列车节能速度轨迹曲线优化方法。

背景技术

对于采用ATO(Automatic train operation，列车自动运行)系统控制的列车，主要是利用ATO系统在线实时跟踪预设的参考曲线，从而控制列车运行，实现列车站间运行速度的控制与调整。然而，随着列车运行速度的提高、运行距离的延长，使得列车运行过程中会产生巨大的能源消耗，而列车运行速度曲线则能够直接反映出列车的能源消耗，因此，为减少列车站间运行能耗，可以考虑构建合理的列车速度轨迹曲线。

目前对于列车速度轨迹曲线方面的研究，主要是通过建立列车模型，以加速度和牵引力作为输入变量，采用最大值原理寻求速度等级曲线，这种方法求得的速度轨迹曲线并不是全局最优解，仅仅是局部的一个最优解，且计算复杂度较高、需要占用大量计算资源、耗费时间较长；此外，有研究工作发现坡度是影响列车运行能耗的一个重要因素，于是通过分析线路坡度之和，以构建节能控制策略，然而由于列车控制系统是一个非线性系统，采用近似计算分析控制输入很难保证结果的准确性。

综上所述，在能耗建模方面，由于列车自身结构及非线性特点，传统的节能速度轨迹曲线优化方法并未考虑牵引力和制动力的因素；在策略寻优方面，通常是对列车运行曲线进行一次局部优化，未能获取全局优化的最优解。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种轨道交通列车节能速度轨迹曲线优化方法，通过充分考虑列车牵引与制动性能，在列车准点约束下，快速准确得到最优的列车速度轨迹曲线。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种轨道交通列车节能速度轨迹曲线优化方法，包括以下步骤：

S1、选取列车位置作为自变量，列车速度与运行时间作为状态变量，列车的牵引力使用率与制动力使用率作为控制变量；

S2、根据列车从接触网吸收的牵引能耗，构建目标函数，该目标函数仅考虑列车吸收的牵引能耗；

S3、基于列车纵向运动学方程，分别确定边界与路径约束条件、控制输出约束条件；

S4、分别对自变量进行决策阶段划分、对状态变量进行离散化、对控制变量进行离散化，以将最优控制问题离散为多阶段决策问题；

S5、将列车终点约束以惩罚函数的形式转化为软约束，并嵌入目标函数，分别计算各离散化状态变量的初始牵引能耗值；

S6、从最后一个决策阶段至第一个决策阶段进行逆向搜索，求得各个决策阶段下不同离散化状态变量对应的牵引能耗值，并将其存储于回溯记录表；

S7、根据回溯记录表和初始已知状态变量，从第一个决策阶段至最后一个决策阶段进行正向搜索，求得各决策阶段下的最优状态变量及对应的最优控制律，即得到列车在各决策阶段下的最优节能速度轨迹曲线。

进一步地，所述步骤S1中自变量具体为：

x∈[x₀,x_f]

其中，x为列车位置，x₀为列车初始位置，x_f为列车终点位置；