專利名稱：基于粒子群算法的軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及城市軌道交通領(lǐng)域的一種列車運(yùn)行調(diào)度方法，特別是一種基于粒子群算法的軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在城市軌道交通運(yùn)營過程中以消耗由牽引變電所提供的電能為主，一般地鐵線路的能耗為幾十甚至上百兆瓦級(jí)，其中有近50%來自于列車牽引能耗。大量牽引能耗不僅對(duì)牽引變電所造成較高的峰值功率沖擊，而且給城市供電系統(tǒng)帶來了沉重的負(fù)擔(dān)。較高的牽引變電所峰值功率將帶來以下問題第一，高峰值功率占用較大牽引變電所容量，牽引變電所的電能容量變小，對(duì)在運(yùn)營線路上不斷增加行車數(shù)量造成困難；第二，牽引供電系統(tǒng)上的線路損耗明顯增加；整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的總能耗增加；第三，牽引供電系統(tǒng)上的線路及設(shè)備因受較高的峰值功率沖擊極易老化，其安全性明顯降低?，F(xiàn)有用于解決城市軌道交通牽引能耗問題的技術(shù)方案主要有
一是增加列車制動(dòng)能量回收裝置。即利用車輛再生制動(dòng)能量儲(chǔ)存裝置儲(chǔ)存可再生制動(dòng)的能量并在需要時(shí)再釋放使用，以達(dá)到節(jié)能的目的。如中國專利CN200820056656. 5公開了上海工程技術(shù)大學(xué)提出的一種軌道交通車輛制動(dòng)能量回收裝置，屬于一種利用儲(chǔ)能設(shè)備節(jié)能的技術(shù)方法。它雖然能有效地利用能源，但儲(chǔ)存電能設(shè)備的造價(jià)極其昂貴，且安全性不高，尚未進(jìn)入實(shí)用階段。二是優(yōu)化車輛調(diào)度運(yùn)行圖節(jié)能。即利用車輛行車密度大、不同車輛同時(shí)處于不同牽引、制動(dòng)工況的概率較高的特點(diǎn)，回收車輛制動(dòng)能量并實(shí)施再生利用。如中國專利申請(qǐng) 201110311427. X公開了一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法，屬于一種運(yùn)行調(diào)度的節(jié)能技術(shù)方法。它將再生制動(dòng)能量合理回饋利用，產(chǎn)生了顯著的節(jié)能效果。它雖然能有效利用能量，但未能同時(shí)解決牽引變電所峰值功率沖擊對(duì)整個(gè)牽引供電系統(tǒng)安全性以及線路擴(kuò)容的難題。如何克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，解決城市軌道交通牽引峰值功率的平衡運(yùn)行問題，已成為當(dāng)今城市軌道交通領(lǐng)域中亟待解決的一項(xiàng)重大難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于粒子群算法的軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法，它應(yīng)用于城市軌道交通列車運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)，可明顯降低牽引變電站峰值功率、列車牽引能耗和牽引供電系統(tǒng)上的線路損耗，既增加牽引供電系統(tǒng)的供電裕量，延長供電系統(tǒng)輸配電線路及設(shè)備的使用壽命，又提高牽引供電線路及設(shè)備的安全性。根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于粒子群算法的城市軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行設(shè)計(jì)方法，其特征在于主要步驟包括
第一步數(shù)據(jù)采集輸入可供牽引功率平衡運(yùn)行圖分析計(jì)算的軌道線路數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)；
第二步數(shù)據(jù)初始化粒子群
⑴將調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)中車輛在每一站停站時(shí)間作為每個(gè)粒子的位置向量 ^ =......, N為總的站間數(shù)，H Xn即為車在第1、2、N站的停站時(shí)間；
同時(shí)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括粒子個(gè)數(shù)K，停站時(shí)間的最大值Ittix和最小值^mil ,粒子速度最大值,學(xué)習(xí)因子cl和c2，最大迭代次數(shù)Maxlter，評(píng)價(jià)函數(shù)Eval ； [2 j隨機(jī)生成K個(gè)粒子，每個(gè)粒子的位置向量ImiriSZi < Zaajt ;隨機(jī)生成每個(gè)粒子的速度向量Z=[巧義2>.…..，巧實(shí)；對(duì)所有的粒子進(jìn)行能耗仿真；用評(píng)價(jià)函數(shù)Eval評(píng)價(jià)所有粒子；
吲將初始評(píng)價(jià)值作為個(gè)體歷史最優(yōu)解巧，并尋找總?cè)后w內(nèi)最優(yōu)解巧； 第三步數(shù)據(jù)終極化粒子群根據(jù)下面慣性權(quán)重范圍和最大迭代次數(shù)之間的線性遞減關(guān)系，計(jì)算第t次迭代的慣性權(quán)重值，
φ( ) = ~ ■ (MaxItsr — ) Maxlter
其中和Φ-分別為初始和最后一次迭代的慣性權(quán)重值。⑵對(duì)每一個(gè)粒子，按粒子群距離、速度公式進(jìn)行更新獲取新的位置和速度，超過其范圍時(shí)按邊界取值，
ff+1) = aP . if) +C1. randQ. (Pi -1產(chǎn))+ . RandQ. (Pg - XiiihJ
X^ = Xi^+ ψ
上式中，和為兩個(gè)取值在
之間的隨機(jī)數(shù)；對(duì)所有的粒子進(jìn)行能耗仿真；用評(píng)價(jià)函數(shù)Eval評(píng)價(jià)所有粒子；尋找當(dāng)前粒子群內(nèi)最優(yōu)解，更新G ；
ITj如果t=MaxIter，則群體最優(yōu)解&對(duì)應(yīng)的粒子結(jié)果即是最優(yōu)的功率平衡調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)；
第四步繪制運(yùn)行圖根據(jù)最優(yōu)解功率平衡調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)，繪制牽弓I功率平衡運(yùn)行圖。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著優(yōu)點(diǎn)是第一，本發(fā)明應(yīng)用于城市軌道交通列車運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)，可使該系統(tǒng)降低牽引變電站峰值功率10%以上、所對(duì)應(yīng)的列車牽引能耗降低 5%以上、牽引供電系統(tǒng)上的線路損耗降低5%以上；第二，本發(fā)明除具有顯著的降耗節(jié)能效果外，同時(shí)還明顯延長牽引供電系統(tǒng)輸配電線路及設(shè)備的使用壽命，有效地提高牽引供電系統(tǒng)輸配電線路及設(shè)備運(yùn)營的安全性；第三，實(shí)施本發(fā)明可增加牽引供電系統(tǒng)的供電裕量， 為在運(yùn)營線路上不斷增加行車數(shù)量提供更大的裕量；第四，本發(fā)明采用粒子群算法，優(yōu)化過程更簡單，需要調(diào)整的參數(shù)更少，得到牽引功率平衡運(yùn)行設(shè)計(jì)圖的速度更快，便于實(shí)時(shí)調(diào)度。本發(fā)明不僅適用于城市軌道交通系統(tǒng)，而且還適用于鐵路交通系統(tǒng)等，均可取得顯著的應(yīng)用效果。


圖1為本發(fā)明的程序流程示意圖。圖2為城市軌道交通某條地鐵線路應(yīng)用本發(fā)明前后的變電站功率曲線比較示意圖。圖3為城市軌道交通某條地鐵線路應(yīng)用本發(fā)明前后的變電站能耗數(shù)據(jù)比較示意圖。圖4為城市軌道交通某條地鐵線路應(yīng)用本發(fā)明前后的變電站平均牽引功率及能耗數(shù)據(jù)比較示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。結(jié)合圖1，本發(fā)明提出的一種基于粒子群算法的軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法，其程序流程包括數(shù)據(jù)輸入?yún)?shù)設(shè)置和粒子群算法優(yōu)化模塊，待調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和軌道線路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊的數(shù)據(jù)輸入完畢后，設(shè)置相關(guān)計(jì)算參數(shù)并將其輸入粒子群算法優(yōu)化模塊，通過計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化而得到牽弓I功率平衡運(yùn)行圖?，F(xiàn)以解決城市軌道交通某條地鐵線路的牽引功率平衡問題為例，實(shí)施本發(fā)明的具體步驟如下
第一步數(shù)據(jù)采集輸入可供牽引功率平衡運(yùn)行圖分析計(jì)算的該條地鐵線路的軌道線路數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)；軌道線路數(shù)據(jù)包括軌道線路、車站位置、牽引變電站位置容量、供電分區(qū)、軌道分區(qū)等數(shù)據(jù)信息；列車運(yùn)行數(shù)據(jù)包括列車在任一個(gè)站間運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間-功率數(shù)據(jù)；調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)包括不同時(shí)間段列車的發(fā)車間隔、發(fā)車對(duì)數(shù)等。
第二步數(shù)據(jù)初始化粒子群
⑴指定粒子群算法的各相關(guān)參數(shù)，詳見表1。
表1城市軌道交通某條地鐵線路應(yīng)用本發(fā)明時(shí)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置
權(quán)利要求
1.一種基于粒子群算法的城市軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法，其特征在于該方法的步驟包括第一步數(shù)據(jù)采集輸入可供牽引功率平衡運(yùn)行圖分析計(jì)算的軌道線路數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)；第二步數(shù)據(jù)初始化粒子群；第三步數(shù)據(jù)終極化粒子群； 第四步繪制運(yùn)行圖根據(jù)最優(yōu)解功率平衡調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)，繪制得到牽引功率平衡運(yùn)行圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的城市軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法，其特征在于數(shù)據(jù)初始化粒子群的步驟包括⑴將調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)中車輛在每一站停站時(shí)間作為每個(gè)粒子的位置向量 ......,Xff] , N為總的站間數(shù)，X1、Χ2、ΧΝ即為車在第1、2、N站的停站時(shí)間；同時(shí)設(shè)置相關(guān)參數(shù)，包括粒子個(gè)數(shù)K，停站時(shí)間的最大值Iira和最小值Zaift,粒子速度最大值Iffi ,學(xué)習(xí)因子cl和c2，最大迭代次數(shù)Maxlter，評(píng)價(jià)函數(shù)Eval ；(2)隨機(jī)生成K個(gè)粒子，每個(gè)粒子的位置向量Zair^Xi；⑶隨機(jī)生成每個(gè)粒子的速度向量F = ......U ,巧謂腿；⑷對(duì)所有的粒子進(jìn)行能耗仿真； 用評(píng)價(jià)函數(shù)Eval評(píng)價(jià)所有粒子； 將初始評(píng)價(jià)值作為個(gè)體歷史最優(yōu)解石，并尋找總?cè)后w內(nèi)最優(yōu)解盡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的城市軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法，其特征在于數(shù)據(jù)終極化粒子群的步驟包括⑴根據(jù)下面慣性權(quán)重范圍和最大迭代次數(shù)之間的線性遞減關(guān)系，計(jì)算第t次迭代的慣性權(quán)重值，
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的城市軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法，其特征在于 所述的能耗仿真是對(duì)軌道交通的線路、車輛和供電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行的能耗建模仿真計(jì)笪弁。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的城市軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法，其特征在于 所述的能耗仿真是對(duì)軌道交通的線路、車輛和供電系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行的能耗建模仿真計(jì)笪弁。
全文摘要
本發(fā)明涉及城市軌道交通領(lǐng)域的一種列車運(yùn)行調(diào)度方法，特別是一種基于粒子群算法的軌道交通牽引功率平衡運(yùn)行圖設(shè)計(jì)方法。該方法的主要步驟包括第一步數(shù)據(jù)采集輸入可供牽引功率平衡運(yùn)行圖分析計(jì)算的軌道線路數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)和調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)；第二步數(shù)據(jù)初始化粒子群；第三步數(shù)據(jù)終極化粒子群；第四步繪制運(yùn)營圖根據(jù)最優(yōu)解功率平衡調(diào)度運(yùn)營數(shù)據(jù)，繪制得到牽引功率平衡運(yùn)營圖。本發(fā)明應(yīng)用于城市軌道交通列車運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)，可明顯降低牽引變電站峰值功率、列車牽引能耗和牽引供電系統(tǒng)上的線路損耗，既增加牽引供電系統(tǒng)的供電裕量，延長供電系統(tǒng)輸配電線路及設(shè)備的使用壽命，又提高牽引供電線路及設(shè)備的安全性。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102495934SQ201110419990
公開日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者余良輝, 呂建國, 吳超飛, 哈進(jìn)兵, 姚凱, 李培偉, 王勇博, 胡文斌 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)