遺傳優(yōu)化算法的城市軌道交通多列車(chē)運(yùn)行節(jié)能計(jì)算方法

提出了城市軌道交通列車(chē)區(qū)間運(yùn)行的節(jié)能駕駛策略,分析了能耗節(jié)約量與區(qū)間運(yùn)行時(shí)分增加量的關(guān)系.通過(guò)解析方程,分析了列車(chē)區(qū)間運(yùn)行的節(jié)能效果.通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了惰行進(jìn)站策略的節(jié)能效果優(yōu)于降速行駛策略.利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方法,在城市軌道交通服務(wù)水平的約束下,求解了全線路能耗節(jié)約量與列車(chē)旅行時(shí)間的關(guān)系,便于運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)制定更節(jié)能的列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃.

地鐵列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)偏離計(jì)劃運(yùn)行圖的情況,為使列車(chē)盡量正點(diǎn)運(yùn)行,提升列車(chē)的正點(diǎn)率及乘客滿(mǎn)意度,需對(duì)偏離運(yùn)行圖的列車(chē)進(jìn)行調(diào)整。改變列車(chē)的運(yùn)行等級(jí)是列車(chē)調(diào)整的一種重要手段。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有運(yùn)行等級(jí)的研究,改進(jìn)了列車(chē)運(yùn)行等級(jí)劃分,將列車(chē)運(yùn)行等級(jí)劃分為p1—p8共8個(gè)等級(jí),每個(gè)運(yùn)行等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)運(yùn)行的速度上限,包括列車(chē)允許的最大行駛速度、最大牽引加速度及制動(dòng)減速度。并基于鄭州地鐵1號(hào)線的部分線路進(jìn)行牽引仿真計(jì)算,驗(yàn)證該運(yùn)行等級(jí)劃分的合理性。仿真結(jié)果表明,運(yùn)行等級(jí)的劃分合理,通過(guò)改變列車(chē)的運(yùn)行等級(jí),能夠在很大程度上改善列車(chē)偏離的情況。

隨著城市交通壓力不斷增大,人們的交通需求無(wú)法得到充分滿(mǎn)足,城市軌道交通隨之發(fā)展起來(lái)本文在建立單質(zhì)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行列車(chē)牽引計(jì)算分析,對(duì)城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真研究,希望能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌熊?chē)運(yùn)營(yíng)提供參考。

隨著城市交通壓力不斷增大,人們的交通需求無(wú)法得到充分滿(mǎn)足,城市軌道交通隨之發(fā)展起來(lái)本文在建立單質(zhì)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行列車(chē)牽引計(jì)算分析,對(duì)城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真研究,希望能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌熊?chē)運(yùn)營(yíng)提供參考.

隨著城市交通壓力不斷增大,人們的交通需求無(wú)法得到充分滿(mǎn)足,城市軌道交通隨之發(fā)展起來(lái)本文在建立單質(zhì)點(diǎn)模型基礎(chǔ)上,進(jìn)行列車(chē)牽引計(jì)算分析,對(duì)城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真研究,希望能夠?yàn)槌鞘熊壍澜煌熊?chē)運(yùn)營(yíng)提供參考。

探討了開(kāi)發(fā)城市軌道交通多列車(chē)運(yùn)行模擬系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題.研制了可用于多列車(chē)運(yùn)行模擬、牽引計(jì)算、方案評(píng)價(jià)的模擬系統(tǒng),該系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮姆椒ê湍K化的設(shè)計(jì),具有良好的可擴(kuò)展性.重點(diǎn)介紹了模擬系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多列車(chē)追蹤運(yùn)行的計(jì)算模型.此外,本文以實(shí)際線路為背景,對(duì)多列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果表明,系統(tǒng)可用于分析列車(chē)安全運(yùn)行間隔、研究多列車(chē)運(yùn)行時(shí)相互間的影響、研究不同的信號(hào)顯示制式對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響等.

研究了單列和多列列車(chē)運(yùn)行能耗優(yōu)化決策問(wèn)題。城市軌道交通系統(tǒng)對(duì)能源的需求量非常大,通過(guò)對(duì)列車(chē)的合理調(diào)度,可使列車(chē)的運(yùn)行能耗進(jìn)一步降低。列車(chē)運(yùn)行環(huán)境和線路路型的復(fù)雜性,導(dǎo)致列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中其本身所受到的力是隨時(shí)變化的。通過(guò)模擬現(xiàn)實(shí)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)得出優(yōu)化模型,具有十分重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。主要采用極大值原理、非線性方程模型、多目標(biāo)二次規(guī)劃對(duì)列車(chē)消耗的能量進(jìn)行優(yōu)化。在能量最優(yōu)化的情況下,對(duì)速度與位移和時(shí)間與速度的變換規(guī)律進(jìn)行了研究。

當(dāng)下,城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展加快,城市內(nèi)的人口也逐年增加,增加了人們對(duì)交通工具的需求,而道路的擁堵已經(jīng)成為城市交通的主要問(wèn)題,所以,城市軌道交通列車(chē)的設(shè)計(jì),是基于當(dāng)下交通擁堵的基本情況,增設(shè)安全、環(huán)保的交通工具,改善城市的交通環(huán)境,但交通列車(chē)運(yùn)行的部分問(wèn)題還有待解決。

城市軌道交通系統(tǒng)具有列車(chē)運(yùn)行間隔小、站間距離短、車(chē)站線路布置比較簡(jiǎn)單等特點(diǎn),一旦列車(chē)發(fā)生運(yùn)行延誤,其傳播的速度快、影響范圍大。本文在分析城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行延誤發(fā)生的隨機(jī)性特征的基礎(chǔ)上,指出城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行延誤具有直接性、快速性和雙向性的特點(diǎn)以及基于這些特點(diǎn)的列車(chē)運(yùn)行延誤傳播的兩種表現(xiàn)形式,然后運(yùn)用系統(tǒng)仿真的理論與方法,建立了基于列車(chē)運(yùn)行圖的城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行延誤的仿真模型,通過(guò)設(shè)計(jì)合理的列車(chē)運(yùn)行延誤統(tǒng)計(jì)指標(biāo)和仿真分析方案,以某城市軌道交通線路為背景進(jìn)行仿真分析。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn),列車(chē)運(yùn)行延誤及其傳播主要與能力利用率、緩沖時(shí)間、備車(chē)數(shù)量以及輔助線數(shù)量等因素有關(guān),并且這些參數(shù)之間應(yīng)該保持一定的合理匹配關(guān)系。

本文根據(jù)目前我國(guó)地鐵車(chē)輛運(yùn)行的實(shí)際情況,按照車(chē)輛和線路最高運(yùn)行速度80km/h,以b型車(chē)為例,分析了列車(chē)運(yùn)行的基本過(guò)程,計(jì)算出列車(chē)在不同運(yùn)行距離情況下列車(chē)運(yùn)行時(shí)間,從而為制定城市軌道交通列車(chē)運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表提供具體的參數(shù)支持.

列車(chē)運(yùn)行圖是軌道交通生產(chǎn)的綜合性計(jì)劃,結(jié)合天津地鐵1號(hào)線實(shí)際編制列車(chē)運(yùn)行圖的經(jīng)驗(yàn),分析列車(chē)運(yùn)行圖的編制要素及編制程序,歸納、總結(jié)列車(chē)運(yùn)行圖的編制技巧,以提高列車(chē)運(yùn)行圖編制的水平,使城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行圖計(jì)劃做到科學(xué)、合理和經(jīng)濟(jì)。

將列車(chē)編組納入城市軌道交通列車(chē)開(kāi)行方案,優(yōu)化確定列車(chē)編組長(zhǎng)度、列車(chē)數(shù)量和開(kāi)行時(shí)段。在分析客流廣義出行費(fèi)用的基礎(chǔ)上,合理考慮運(yùn)輸能力、運(yùn)輸組織要求、運(yùn)輸效益和客流需求,明確列車(chē)開(kāi)行的約束條件和目標(biāo)函數(shù),建立了城市軌道交通列車(chē)開(kāi)行方案的多目標(biāo)規(guī)劃模型。根據(jù)模型特點(diǎn),借鑒開(kāi)行方案制定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),設(shè)計(jì)了三階段求解方法。針對(duì)長(zhǎng)沙地鐵2號(hào)線的應(yīng)用表明,優(yōu)化方法具有較高求解效率和較好求解質(zhì)量。

運(yùn)用多質(zhì)點(diǎn)列車(chē)運(yùn)行計(jì)算模型和列車(chē)節(jié)能運(yùn)行算法,分析列車(chē)運(yùn)行圖要素與能耗間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線為例,提出了滿(mǎn)足不同運(yùn)行策略下的列車(chē)運(yùn)行圖優(yōu)化方案,為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)企業(yè)在編制綠色節(jié)能列車(chē)運(yùn)行圖時(shí)提供了參考依據(jù).

針對(duì)城市軌道交通全日客流時(shí)間分布不均衡下的列車(chē)開(kāi)行方案優(yōu)化問(wèn)題,以乘客等待時(shí)間和企業(yè)成本最小為優(yōu)化目標(biāo),以運(yùn)輸供給、列車(chē)最小發(fā)車(chē)間隔、最大服務(wù)間隔,以及列車(chē)數(shù)為約束條件,構(gòu)建基于多編組模式下的多目標(biāo)列車(chē)開(kāi)行方案優(yōu)化模型,并設(shè)計(jì)兩階段求解算法.案例分析表明：與傳統(tǒng)單一編組列車(chē)開(kāi)行方案相比,基于多編組的軌道交通列車(chē)開(kāi)行方案使乘客等待時(shí)間和車(chē)公里數(shù)分別減少17%和27%,列車(chē)運(yùn)行小時(shí)增加20%;當(dāng)客流不均衡系數(shù)大于1.48時(shí),宜采用多編組運(yùn)輸組織方式.

針對(duì)軌道交通列車(chē)存在偏離列車(chē)時(shí)刻表的問(wèn)題,為保證列車(chē)的實(shí)際到站時(shí)間和發(fā)車(chē)時(shí)間與計(jì)劃到站發(fā)車(chē)時(shí)間絕對(duì)值之差最小,將pso算法引入軌道交通運(yùn)行調(diào)度,在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和約束條件的基礎(chǔ)上,運(yùn)用pso算法優(yōu)化求解。研究結(jié)果表明,通過(guò)pso算法優(yōu)化調(diào)度,可以實(shí)時(shí)調(diào)整列車(chē)運(yùn)行,確保列車(chē)晚點(diǎn)時(shí)間在較小的范圍內(nèi),與此同時(shí),與其他算法相比,本文算法具有更快的收斂速度和更低的時(shí)間誤差。

為了使城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行曲線能更好地為司機(jī)提供駕駛指導(dǎo),進(jìn)一步保證列車(chē)高效運(yùn)行,在前人研究的基礎(chǔ)上,建立包含巡航模式的列車(chē)運(yùn)行過(guò)程優(yōu)化模型。在建模過(guò)程中綜合考慮列車(chē)運(yùn)行過(guò)程的時(shí)間、能耗、乘坐舒適度、精確停車(chē)等多個(gè)性能指標(biāo),并使用差分進(jìn)化算法對(duì)建立的模型進(jìn)行求解。由于傳統(tǒng)的差分進(jìn)化算法存在許多不足,采用一種具有自適應(yīng)參數(shù)調(diào)整策略的改進(jìn)差分進(jìn)化算法。通過(guò)調(diào)整算法的變異因子和交叉因子,增加了種群的多樣性、擴(kuò)大了全局搜索區(qū)域,避免了局部最優(yōu)解,同時(shí)在后期也加快了收斂速度。通過(guò)對(duì)所選線路的仿真優(yōu)化,使各優(yōu)化性能指標(biāo)達(dá)到了整體相對(duì)最優(yōu),驗(yàn)證了模型與算法的有效性。

城市軌道交通是解決我國(guó)大城市交通擁擠現(xiàn)狀的有效途徑,但我國(guó)城市軌道建設(shè)卻面臨巨大的資金缺口。軌道交通作為“準(zhǔn)公共產(chǎn)品”,有著明顯的外部效應(yīng),通過(guò)重點(diǎn)考查城市軌道交通對(duì)其沿線房地產(chǎn)的增值影響,就影響程度提出可行性計(jì)算方法,并就外部效應(yīng)內(nèi)部化提出建議。

針對(duì)高峰時(shí)間客流量大、換乘站客流風(fēng)險(xiǎn)突出的情況,從能力匹配角度研究了城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸組織協(xié)調(diào)方法.分析了站臺(tái)客流的變化規(guī)律,確定了列車(chē)疏解能力、候車(chē)客流需求、站臺(tái)最大聚集人數(shù)的計(jì)算方法.提出了運(yùn)力協(xié)調(diào)度的概念,用以描述客流需求與各線運(yùn)輸能力的匹配程度.以換乘站整體的運(yùn)力協(xié)調(diào)度最優(yōu)為目標(biāo),以首班列車(chē)發(fā)車(chē)時(shí)刻和列車(chē)運(yùn)行間隔為決策變量,以保證站內(nèi)客流安全為主要約束,建立了列車(chē)運(yùn)行計(jì)劃協(xié)同優(yōu)化的非線性整數(shù)規(guī)劃模型,并采用遺傳算法求解.對(duì)某兩線相交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行算例分析表明:采用運(yùn)力協(xié)調(diào)方案后,列車(chē)開(kāi)行總數(shù)僅增加1列,留乘人數(shù)減少了68.44%,運(yùn)力協(xié)調(diào)度更接近1,大客流方向站臺(tái)的最大聚集人數(shù)分別降低11.77%與19.68%,各方向的運(yùn)能供給更好地適應(yīng)客流需求,可有效提高乘客和運(yùn)營(yíng)企業(yè)雙方的利益.

介紹列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行仿真系統(tǒng)(satm)中數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊、列車(chē)自動(dòng)監(jiān)控核心部件、列車(chē)運(yùn)行仿真和列車(chē)調(diào)度終端系統(tǒng)的功能特點(diǎn),給出該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架。

在編制城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行圖時(shí),需要綜合考慮不同時(shí)間段的發(fā)車(chē)間隔、車(chē)底折返及車(chē)底出入庫(kù)方式等問(wèn)題。介紹了計(jì)算機(jī)編制城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行圖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、總體結(jié)構(gòu)。研究了城軌交通列車(chē)運(yùn)行圖計(jì)算機(jī)編制過(guò)程中的行車(chē)間隔、車(chē)底數(shù)量、運(yùn)行周期之間相互影響和制約,列車(chē)出入庫(kù)運(yùn)行線的自動(dòng)編制,高峰與非高峰時(shí)間段過(guò)渡運(yùn)行線的編制,大小交路列車(chē)運(yùn)行圖的鋪畫(huà)等問(wèn)題。

針對(duì)高密度行車(chē)因受運(yùn)輸干擾而導(dǎo)致城市軌道交通列車(chē)晚點(diǎn)的問(wèn)題,按照在計(jì)劃層的列車(chē)運(yùn)行時(shí)段內(nèi)調(diào)整列車(chē)緩沖時(shí)間以?xún)?yōu)化列車(chē)運(yùn)行圖魯棒性的思路,考慮列車(chē)載客能力約束,基于歷史客流數(shù)據(jù)和通過(guò)候車(chē)乘客與列車(chē)的交互關(guān)系確定列車(chē)的實(shí)際停站時(shí)間,然后基于列車(chē)運(yùn)行圖擾動(dòng)時(shí)間的遞推關(guān)系,建立以列車(chē)運(yùn)行圖擾動(dòng)時(shí)間之和最小為目標(biāo)的列車(chē)運(yùn)行圖魯棒性?xún)?yōu)化模型;運(yùn)用改進(jìn)的遺傳算法對(duì)屬于非線性混合整數(shù)規(guī)劃模型的該優(yōu)化模型進(jìn)行求解;另外還對(duì)只要求大型樞紐站等重要車(chē)站準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)車(chē)的實(shí)際運(yùn)輸需求,用時(shí)間控制點(diǎn)法對(duì)該優(yōu)化模型進(jìn)行擴(kuò)展.以北京市城市軌道交通房山線為例驗(yàn)證了該優(yōu)化模型和改進(jìn)遺傳算法的有效性.

以西南交通大學(xué)的cbtc仿真與性能分析系統(tǒng)為平臺(tái),詳細(xì)研究了列車(chē)運(yùn)行的能耗算法,針對(duì)不同的線路和不同類(lèi)型的列車(chē),通過(guò)仿真均能得到列車(chē)行駛過(guò)程中的速度狀態(tài)和列車(chē)牽引能耗以及再生制動(dòng)能的關(guān)系。該研究為今后利用此平臺(tái),以節(jié)能為目標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。