再生制动条件下地铁列车运行图编制的鲁棒优化技术研究

The regenerative braking technology has spread in the subway system in China. But the energy generated is limited by energy storage equipment, the recovery utilization rate is no high. Upon improving the recovery rate, the most feasible way is to dispatch the spatio-temporal relationship of the trains, which will lead the electric energy, generated by the train when it braking , be absorbed immediately by other trains in the same power supply arm. Due to the spatio-temporal relationship of the trains is determined by a train operation diagram, obviously optimizing this relationship is the best way to improve the recovery rate , when drawing the train working diagram. Owing to consideration of nanosecond calculation of the regenerative braking in making the train operation diagram, it should be using the Robust Optimization theory to exclude the uncertainty in the time accuracy of the running time and the stopping time. This research is to utilize each time control points on the adjustable range, optimize the regenerative braking energy absorption rate, and use the Robust Optimization theory to build Robust Optimization Technology of Train Operation Diagram under the Regenerative Braking Condition, And to renew the robust optimization technology though making the train operation diagram on the condition of electric regenerative braking, which could be provided more theoretical and technical support for the energy saving optimization of subway train in China.

再生制动技术目前已在我国城市的轨道交通系统中普及，但产生的电能在回收上受到储能设备的限制，回收率一直不高。而要提高回收率，目前最为可行的方法是通过调配线路上的列车时空关系，使得某列车在制动时产生的电能能够即时被同一供电臂上的其它列车吸收。由于列车的时空关系由运行图所决定，因此在运行图编制时优化这一时空关系显然是提高电能回收率的最好方式。不过运行图的编制过程要在再生制动技术的秒级精度上进行考虑，则需要应用鲁棒优化理论，以便排除列车的运行时间、停站时间等在这一时间精度上表现出的不确定性。本课题以运行线上各时间控制点的可调整范围作为约束条件，以再生制动电能的吸收率作为优化目标，应用鲁棒优化理论，在再生制动条件下搭建基于鲁棒优化的地铁列车运行图编制模型，并最终得到再生制动条件下地铁列车运行图编制的鲁棒优化技术，为我国的地铁列车节能优化提供更多的理论和技术支持。

由于我国城市化的逐步推进深入导致城市人口过度集中，城市病频发，特别是交通拥堵、交通污染等问题日趋严重，地铁成为城市交通可持续化发展的有效出路之一。地铁虽然较之其他交通方式环保，但其巨大的耗电量依然对城市的资源承载能力造成较大压力；此外，电能的来源方式也并非完全清洁。因此，降低地铁系统的电能耗费既有降低地铁运营成本的内在需求，也有城市可持续化发展的外在需要。地铁再生制动节能技术的使用为地铁系统环保节能提供了新的方向，而在目前的技术条件、环境和成本压力下下，通过调配同一供电臂上列车之间的时空关系来提升再生制动电能的利用率，是较好的解决再生制动电能利用问题的有效途径之一。调配同一供电臂上的不同列车的时空关系，提高制动车辆反馈电能被其他列车利用率的关键在于列车运行图的结构。也既优化编制列车运行图，可以提升系统的再生制动电能利用率，最终达到节能的目的。因此，本课题对再生制动条件（秒级精度）下地铁运营系统不确定性的机理解析、列车位置与再生制动电能吸收的关系；列车运行图的节能效果评价研究以及列车运行图铺画的鲁棒优化技术等内容进行了研究，在研究中，项目组发现，地铁列车的运行过程是一个随机有控与有控随机的综合作用过程。在这一综合作用下，地铁列车的停站时分和列车区间运行时分若精确到秒级，都会更接近偏分的β分布而不是正态分布。项目组在此基础上将本课题的前提设定为在ATO模式下，地铁列车以最佳节能操纵方式进行运行，列车的停站时间和区间运行时间已经确定的情况下，对发车间隔进行优化建模。在模型求解上，采用了按发车顺序逐条运行线优化的方法。这一方法虽然无法保证取得最优解，但能够保证结果的可实施性并能够应对一定程度上的随机调度调整因素。整体来看，本项目的研究能用于指导地铁企业在不降低旅客服务水平的前提下提升再生制动电能的利用率，直接通过减少电力成本给地铁运营企业带来效益，而在另一层面上也能为降低城市的电力负荷压力做出贡献。