[發明專利]一種雙層多目標優化鐵路機車操縱序列生成方法

有效

• 申請號: 201410119280.8
• 申請日: 2014-03-27
• 公開（公告）號: CN103847749A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 黃晉;趙曦濱;陳昕玥;陳欣潔;杜方宇
• 申請（專利權）人: 北京清軟英泰信息技術有限公司;清華大學
• 主分類號: B61C17/00
• 分類號: B61C17/00
• 代理公司: 北京律譜知識產權代理事務所(普通合伙) 11457
• 代理人: 王慶海

技術領域

本發明涉及一種雙層多目標鐵路機車優化操縱序列生成方法，屬于鐵路機車控制技術領域。

背景技術

隨著能源問題的日益突出，在保證列車安全、準點的運行條件下，如何減少能耗、降低運營成本已經成為鐵路部門十分關心的大事，因此節能控制研究也就具有重要意義。在已知列車編組、運行時間、運行距離的情況下存在著許多不同的操縱方法，也會直接導致不同的能耗，尋找優化的操縱方法也因此成為一個重要課題。

檔位與動力和能耗都有直接的關聯。在實際駕駛過程中，列車司機通過控制離散的檔位來達到控制鐵路機車行駛速度，在保證不超過限速的前提下盡可能保證準點的需求。

因為涉及到的很多關系是非線性的（鐵路機車牽引力與檔位、速度的關系曲線、鐵路機車制動力與檔位、速度的關系曲線、能耗與檔位的關系曲線等等），改變局部的若干檔位對于列車行駛的時間和能耗的影響是難以預測的（必須要通過復雜的計算過程來模擬實現），因此有必要應用優化算法來為檔位操縱的方法提供方向性的指引。

為了實現檔位操縱的優化，現有技術中通常按照以下序列計算方法：

實際駕駛中，列車司機根據經驗和操縱指導書的指引來進行檔位控制。通常情況下，司機總是在固定的線路上進行駕駛，相應的檔位序列（方法）也是固定的，并不會動態地根據路況、鐵路機車的參數變化進行調整。這樣的方法以安全（不超過限速）為第一目標，能耗的節省效果有限，同時不具有通用性和理論基礎（不同司機的在同一線路的方法多有不同，而同一司機在某一線路的方法很難遷移到別的線路上）。

基于遺傳算法的優化操縱序列生成方法以列車牽引計算為出發點，建立多目標的列車節能控制模型，采用實數編碼的遺傳算法，根據遺傳算法計算所得的適應度值的大小決定能耗曲線是否能繼續參與迭代。在滿足迭代函數后，得到適應度最大的操縱曲線，也就是鐵路機車優化操縱序列。這個方法的主要問題有兩個：一是在不引入領域知識的情況下搜索的空間太大，得到優化解需要的時間太長，不能滿足在線實時計算的需求，甚至對于較長或是較為復雜的路段，離線計算的時間代價也不能滿足要求（優化50km長的路段就需要1小時以上的時間）。

通用電氣公司2007年1月18日申請的，授權公告號為CN101374714B的專利公開了一種“用于列車的行程優化系統及方法”，該專利實現了在外界因素變化下向司機提供既滿足駕駛安全要求又能達到節能效果的操縱方法，但是由于該專利的技術方案是將在時域中的動態優化控制問題轉化為具有多個決定變量的等效靜態數學編程問題，對于實際中的線路操縱方法求解問題而言，等效問題的個數會達到上千個之多，對嵌入式設備的計算能力要求較高難以直接實現，因此需要使用簡化的列車模型，從而效果并不如直接使用精確的列車模型的效果好。

北京交通大學2008年1月22日申請的，授權公開號為CN101214819B的專利專利公開了一種“內燃牽引鐵路機車優化操縱的方法和指導裝置”，該專利提供了一種能實現列車安全、平穩、準時、節能地行駛的，適用于國內各主要型號內燃鐵路機車的列車優化操縱方法和指導裝置，但是該專利的技術方案由于對兩個重要的分支“節能算法”和“節時算法”的設計過于主觀，并沒有足夠的理論支撐，并不能保證最優的效果。

基于單層遺傳算法的優化操縱序列生成方法以列車牽引計算為出發點，建立多目標的的列車節能控制模型，采用實數編碼的遺傳算法，根據遺傳算法計算所得的適應度值的大小決定能耗曲線是否能繼續參與迭代。在滿足迭代函數后，得到適應度最大的操縱曲線，也就是鐵路機車優化操縱序列。這個方法的主要問題有兩個：一是在不引入領域知識的情況下搜索的空間太大，得到優化解需要的時間太長，不能滿足在線實時計算的需求，甚至對于較長或是較為復雜的路段，離線計算的時間代價也不能滿足要求（優化5km長的路段就需要1小時以上的時間）；二是固定步長的分段方式忽略了路況的影響，單一步長同一檔位的設計與領域知識相悖，難以得到理想的優化操縱序列。

發明內容

本發明提出一種雙層多目標機車優化操縱序列計算方法，在局部為特定路段搜索出特定最優的檔位序列，在全局上通過輸入、輸出速度分配方案的調整進一步逼近了能耗最少、準時性最佳的目標，從而達到了鐵路機車操縱的節能優化。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是提供一種雙層多目標優化鐵路機車操縱序列生成方法，其特征在于：

步驟1、準備當前鐵路機車車輛參數、線路數據和司機駕駛操縱歷史數據，并進行數據預處理；