复杂线路条件下城市轨道交通列车节能优化控制与多车协同调度研究

To improve the control method of urban rail transit train and energy utilization, and build a reasonable train-operation schedule to improve energy efficiency has the vital significance for urban rail transit operation energy consumption saving. Firstly, according to the load condition and stress distribution of urban rail transit train, the train dynamics model is established under the condition of complex rail. Based on the complex operation routes composited by ramps and curves, the train optimal energy consumption model is established. Secondly, each stage of parameters in train’s operation stage is discredited and coded, the discrete matrix model on the different control sequence of train operation is set up, so as to find single train operation energy consumption characteristics and the best control strategy for energy saving of metro train. Based on the single train energy-saving model, the complex operation routes composited by single ramp and curve are considered to explore the rules of single train energy saving and coordinated multi-train use of regenerative-braking energy under the conditions of complex lines, different departure intervals and operating conditions by studying on the specific operation and braking characteristics of metro rains. At last, the lowest energy consumption of the whole line is considered as the objective function and the matrix discrete method is proposed to set up train saving energy operation optimization and dispatching integrated real matrix control model under complicated working conditions to find the optimal energy-saving control strategy and train dispatching schedule based on cooperative using of regenerative braking energy by multiple-train. The goal is to provide the theoretical basis and method support for train safety and energy saving operation.

优化城市轨道交通列车控制方法和提高能量利用率，进而制定合理的列车行车调度模型，对于节约城市轨道交通运营能耗具有重要的意义。本项目根据城市轨道交通列车载荷工况和受力情况，建立复杂线路条件下的列车动力学模型；综合考虑弯道、坡道及其复合线路，建立复杂线路下的城市轨道交通列车最优能耗模型；将列车运行各阶段参数进行离散化分解并编码，针对不同控制序列建立离散化矩阵模型，以寻找单列车运行能耗特征及最优控制方法；以单一弯道和坡道构成的列车站间运行复杂线路为切入点，研究复杂线路和不同发车间隔、运行工况条件下单车节能和多车协同利用再生制动能量规律，构建单车再生能量和多车协同利用再生能量模型；以整条线路列车运行总能耗最低为目标函数，建立复杂工况条件下的行车调度综合实矩阵控制模型，以构建多车协同行车调度节能模型方法，为提升城市轨道交通列车的安全、节能运行提供理论基础和方法支撑。

轨道交通运输部门作为国民经济中耗能最大的单位之一，如何保证列车安全、舒适、准点运行的同时，最大限度的减少能源消耗，降低运营成本，对于实现轨道交通“节能、低碳、绿色、环保”具有重要意义。在一定的牵引列车、复杂线路等硬件环境下和既定的运行图、列车编组计划等运营管理状况下，本项目研究了城市轨道交通列车运行能耗的精确计算模型与方法，通过提高列车再生制动能量回收利用效率，设定合理的列车行车调度时刻表，寻找列车最优控制方式，降低能源消耗和运营成本，研究成果丰富和拓展了节能优化理论在列车运行控制中的应用，提高了行车调度指挥与节能应用水平，促进我国轨道交通可持续发展。主要研究进展及创新点：（1）提出了复杂线路条件下城市轨道交通列车能耗模型及单车节能最优控制方法，建立了基于单质点模型的列车动力学模型，综合考虑弯道、坡道、长大下坡、复合线路、限速和隧道等因素对能耗模型进行定量非线性化，实现高效指导列车节能运行，克服了现有列车节能优化控制模式不足的局限。（2）建立了城市轨道交通列车再生制动能量回收利用模型，以多列车协同利用再生制动能量为基础，提出了满足柔性时间及安全约束的多车协同调度模型和综合节能控制方法，解决了城市轨道交通列车节约能耗和准点运行的问题。（3）建立了平衡耗能与换乘出行的综合优化模型，结合多列车优化控制模型和换乘等待时间模型，采用遗传算法对发车间隔和停站时间等参数进行优化，求解最佳多车控制策略，实现地铁系统进一步节能和便捷出行的目的。（4）开发了城市轨道交通列车优化操纵与行车调度综合节能仿真平台，可实现列车实时牵引和节能控制功能，以南宁地铁1-5号线线路和运营数据为例，通过仿真计算及应用证明平均可节约牵引能耗10%左右。研究成果在国际期刊Applied Energy (IF=9.746，2篇)、Journal of Cleaner Production (IF=9.297)、IEEE Transactions on Sustainable Energy (IF=7.917)等发表高水平学术论文30篇，其中中科院二区及以上论文9篇、中文T1论文8篇；申请发明专利10件；项目共培养硕士23名；研究成果支持项目负责人以第一完成人获2019年广西科技进步奖技术发明类二等奖和2018年广西科技进步三等奖、2018年获广西十百千人才工程人选。