專利名稱：一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及城市軌道交通運行調(diào)度方法，特別是一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
在城市軌道交通運營過程中以消耗電能為主，其耗電方式可歸結(jié)為車輛運行中的牽引耗電和其它設(shè)備耗電兩大類。在城市軌道交通運營過程中，一般地鐵線路的能耗為幾十甚至上百兆瓦級，其中有近50%來自于列車牽引能耗，不僅城市軌道交通運營成本居高不下，而且也給城市供電系統(tǒng)帶來了沉重的負擔(dān)?，F(xiàn)有解決城市軌道交通牽引能耗的方法主要有
一是車輛設(shè)計節(jié)能。如在列車交流牽引系統(tǒng)中運用調(diào)頻調(diào)壓控制技術(shù)，以變頻調(diào)速來降低列車調(diào)速時由附加電阻消耗掉大量的電能，避免因附加電阻的發(fā)熱提高隧道內(nèi)的溫度而要求增加通風(fēng)量和制冷電能。二是車輛運行節(jié)能。如電動客車采用微機控制自動駕駛，即在信號系統(tǒng)設(shè)計時，根據(jù)線路的坡道、彎道及列車載重等情況，設(shè)計自動駕駛ATO曲線，自動調(diào)整行駛速度，控制隨行點使電動客車永遠處于最佳運行狀態(tài)，以便減少電耗，達到節(jié)能的目的。但該方法解決的是單輛車運行時的節(jié)能，尚不能解決多輛車同時在線的能量互饋問題。三是線路選線與列車優(yōu)化編組節(jié)能。如線路節(jié)能設(shè)計主要考慮盡可能優(yōu)化曲線半徑，以減少車輛行駛過程中因曲線阻力大而增加電耗；優(yōu)化線路節(jié)能坡，設(shè)置合理的進出站坡度，使列車進站時上坡，將動能轉(zhuǎn)化為勢能，列車出站時下坡，再將勢能轉(zhuǎn)化為動能，這樣有利于減少牽引能耗；線路縱坡設(shè)計還綜合考慮泵站位置等設(shè)備布置，以達到優(yōu)化、合理、 經(jīng)濟、節(jié)約能源的目的。該方法在線路設(shè)計階段實施，不僅實施周期長，而且造價昂貴。又如確定全線的總體運營規(guī)模、合理確定列車編組、合理設(shè)置運營交路、合理安排列車運營對數(shù)等技術(shù)措施，將有效降低人車公里能耗。該方法雖能有效降低人車公里能耗，但卻不能有效降低列車牽引能耗。四是列車系統(tǒng)再生制動節(jié)能。如利用車輛行車密度大、不同車輛同時處于不同牽弓丨、制動工況的概率較高的特點，回收車輛制動能量，但該方法不能完全將制動能量吸收。 針對這一不足，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能量回收裝置，屬于一種儲能設(shè)備節(jié)能方法。它將再生制動能量儲存起來并在需要時再釋放，雖然能較好利用能源，但儲存電能設(shè)備的造價極其昂貴，且安全性不高，影響其實際運用。如何克服以上各種方法解決城市軌道交通牽引能耗所存在的不足，已成為當今城市軌道交通運營領(lǐng)域亟待解決的一項重大難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足而提供一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖設(shè)計方法，它利用遺傳算法計算分析現(xiàn)有城市軌道交通運營調(diào)度系統(tǒng)，有效調(diào)整運行圖中列車停站時間，可明顯降低列車牽引能耗，且?guī)缀醪辉黾尤魏卧O(shè)備成本。根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖設(shè)計方法，其特征在于包括首先，建立可供節(jié)能運行圖分析計算的數(shù)據(jù)模塊；其次，分別計算該城市軌道交通系統(tǒng)不同客流時間段的參數(shù)；再次，計算不同時間段該城市軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能運行數(shù)據(jù)；最后，利用不同時間段的節(jié)能運行數(shù)據(jù)組合繪制形成全天候的節(jié)能運行圖。本發(fā)明的進一步優(yōu)選方案是上述可供節(jié)能運行圖分析計算的數(shù)據(jù)模塊包括軌道線路數(shù)據(jù)模塊、 列車運行數(shù)據(jù)模塊和調(diào)度運營數(shù)據(jù)模塊。分別計算城市軌道交通系統(tǒng)不同客流時間段參數(shù)的步驟包括第一步，根據(jù)調(diào)度運營數(shù)據(jù)對不同發(fā)車時間段進行運行分組；第二步，根據(jù)不同的運行分組計算不同的遺傳參數(shù)，利用遺傳參數(shù)計算該時間段的節(jié)能運行圖。計算城市軌道交通不同時間段節(jié)能運行數(shù)據(jù)的步驟包括第一步，編碼將列車停站時間分為短停站時間和長停站時間，以二進制代碼0和1分別代表兩種停站時間，對每列車在各站的停站時間進行編碼；第二步，確定種群數(shù)量并隨機生成相應(yīng)數(shù)量的種群根據(jù)該時間段的遺傳參數(shù)設(shè)置種群數(shù)量；第三步，設(shè)置算法關(guān)系式設(shè)置種群的適應(yīng)度方程；第四步，計算種群適應(yīng)度選擇交配種群根據(jù)不同種群的適應(yīng)度，選擇適應(yīng)度大的種群作為交配種群； 第五步，交配交配種群以交配概率Pc隨機地交換編碼數(shù)據(jù)串結(jié)構(gòu)中某個串的值而得到后代種群；第六步，突變后代種群以變異概率Rii隨機地改變編碼數(shù)據(jù)串結(jié)構(gòu)中某個串的值而得到優(yōu)化種群；第七步，檢驗檢驗優(yōu)化種群的性能，對不達標的優(yōu)化種群重返上述第四步、第五步和第六步，使其循環(huán)而達標。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著優(yōu)點是第一，本發(fā)明在城市軌道交通系統(tǒng)的運營階段實施，僅需優(yōu)化調(diào)度運行中的列車停站時間間隔，即可實現(xiàn)降耗節(jié)能，簡便易行；第二， 運用本發(fā)明的軌道交通系統(tǒng)幾乎能將所有的制動能耗合理轉(zhuǎn)移利用，可為我國城市軌道交通系統(tǒng)每年節(jié)電達億度以上；第三，成本低廉，通過分析計算調(diào)整列車的能耗回饋與消耗關(guān)系，合理利用制動能量，不增加任何設(shè)備成本；第四，實用性強，本發(fā)明輸入數(shù)據(jù)來自于城市軌道交通系統(tǒng)的真實運營數(shù)據(jù)，精確建立列車能耗仿真模型，得到的節(jié)能運行圖實用可靠; 使得能耗設(shè)計結(jié)果與實際結(jié)果趨于一致；第五，本發(fā)明的設(shè)計方法計算速度快，計算結(jié)果準確。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，均可取得顯著的節(jié)能效果。


圖1是本發(fā)明提出的一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖設(shè)計方法的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明提出的可供一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖分析計算的數(shù)據(jù)模塊流程示意圖。圖3是本發(fā)明提出的一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖的設(shè)計流程示意圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進一步詳細描述。如圖1所示，一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖設(shè)計方法包括建立調(diào)度運營數(shù)據(jù)、列車運行數(shù)據(jù)、軌道線路數(shù)據(jù)、節(jié)能運行圖分析計算和分析結(jié)果打印輸出結(jié)構(gòu)模塊。其中，待調(diào)度運營數(shù)據(jù)、列車運行數(shù)據(jù)和軌道線路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊的數(shù)據(jù)準備完畢后， 將其輸入節(jié)能運行圖分析計算模塊，通過計算機仿真計算，最后將分析結(jié)果打印輸出。在節(jié)能運行圖分析計算模塊中，經(jīng)過運營分組后采用遺傳控制計算與能耗仿真計算產(chǎn)生一代代節(jié)能的列車運行數(shù)據(jù)，經(jīng)列車安全距離計算校核后形成最終的城市軌道交通節(jié)能運行圖設(shè)計結(jié)果。如圖2所示，一種可供城市軌道交通節(jié)能運行圖分析計算的數(shù)據(jù)模塊包括調(diào)度運營數(shù)據(jù)、列車運行數(shù)據(jù)和軌道線路數(shù)據(jù)準備模塊。當數(shù)據(jù)準備模塊都完成且通過各自及相互之間的數(shù)據(jù)檢查后，方可進行下一步分析計算。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。輸入軌道線路數(shù)據(jù)有兩種方式建立一條新的軌道線路數(shù)據(jù)庫文件或者從已有的軌道線路數(shù)據(jù)庫中選取需要進行分析計算的軌道線路數(shù)據(jù)庫。如果建立一條新的數(shù)據(jù)庫，則需錄入新的軌道線路數(shù)據(jù)，保存時自動進行數(shù)據(jù)完整性檢查；如果是選擇既有的軌道線路數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)進行了修改操作時，數(shù)據(jù)將自動重新進行完整性檢查，否則直接提示軌道線路數(shù)據(jù)的準備模塊數(shù)據(jù)準備完畢。列車運行數(shù)據(jù)包括列車在任一個站間運行時產(chǎn)生的時間-功率數(shù)據(jù)；列車運行數(shù)據(jù)即可以采用列車運行仿真時生成的數(shù)據(jù)，也可以采用實際測量的列車運行數(shù)據(jù)。究竟采用哪種數(shù)據(jù)視實際情況而定，若要提高分析的準確性，采用實際測量的數(shù)據(jù)；若實際數(shù)據(jù)無法得到，可以采用仿真數(shù)據(jù)。當選取已有的或輸入新的列車運行數(shù)據(jù)，并且通過列車運行數(shù)據(jù)完整性檢查，該模塊即準備完畢。調(diào)度運營數(shù)據(jù)包括不同時間段列車的發(fā)車間隔、發(fā)車對數(shù)等。當選取已有的或輸入新的調(diào)度運營數(shù)據(jù)，在通過數(shù)據(jù)完整性檢查之后，計算程序即進入節(jié)能運行圖分析計算模塊。如圖3所示，一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖的設(shè)計流程為首先， 運營分組，根據(jù)調(diào)度運營數(shù)據(jù)對不同發(fā)車時間段運營分組，計算不同的遺傳參數(shù)；其次，隨機產(chǎn)生某一時間段的第一代種群，第一代種群進行能耗仿真計算得到各自的適應(yīng)度，根據(jù)適應(yīng)度大小選擇交配種群；交配種群以交配概率Pc為0. 25 0. 75進行染色體的交叉產(chǎn)生后代種群；后代種群以變異概率Rii為0. 001 0. 1變異產(chǎn)生優(yōu)化種群；再次，檢驗優(yōu)化種群的性能，對不達標的優(yōu)化種群重返圖3所述步驟，使其循環(huán)達標，優(yōu)化種群中的最優(yōu)種群即是該時間段的節(jié)能運行數(shù)據(jù)；最后，判斷是否計算完所有時間段的節(jié)能運行數(shù)據(jù)，利用所有時間段的節(jié)能運行數(shù)據(jù)組合繪制形成全天候的節(jié)能運行圖?，F(xiàn)以城市軌道交通中某條線路為例，其繪制形成全天候的節(jié)能運行圖的設(shè)計步驟如下
首先，建立可供節(jié)能運行圖分析計算的數(shù)據(jù)模塊。輸入該條線路的調(diào)度運營數(shù)據(jù)、列車運行數(shù)據(jù)、軌道線路數(shù)據(jù)，在通過數(shù)據(jù)完整性檢查之后，計算程序即進入節(jié)能運行圖分析計算模塊。其次，分別計算該城市軌道交通系統(tǒng)不同客流時間段的參數(shù)。分別計算城市軌道交通系統(tǒng)不同客流時間段參數(shù)的步驟包括第一步，根據(jù)調(diào)度運營數(shù)據(jù)對不同發(fā)車時間段進行運營分組，設(shè)定不同時間段的遺傳參數(shù)。根據(jù)調(diào)度運營信息，線路在全天候運營過程中分為三個運營時間段高峰時間段(時間段tl-t2)，發(fā)車間隔4分鐘；低峰時間段(時間段t3-t4)，發(fā)車間隔9分鐘；平峰時間段 (除tl-t2，t3-t4段的所有時間段)，發(fā)車間隔7分鐘。第二步，根據(jù)不同的運營分組計算不同的遺傳參數(shù)，設(shè)定高峰時間段的種群數(shù)量為25，低峰時間段的種群數(shù)量為40，平峰時間段的種群數(shù)量為35。 再次，計算不同時間段該城市軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能運行數(shù)據(jù)。計算城市軌道交通不同時間段節(jié)能運行數(shù)據(jù)的步驟包括
第一步，編碼，即對每個種群編碼。將列車停站時間分為短停站時間(25秒)和長停站時間(40秒)，以二進制代碼0和1分別代表兩種停站時間，對每列車在各站的停站時間進行編碼。下表是某一種群中不同列車在不同站間的停站時間。
權(quán)利要求
1.一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖設(shè)計方法，其特征在于包括首先， 建立可供節(jié)能運行圖分析計算的數(shù)據(jù)模塊；其次，分別計算該城市軌道交通系統(tǒng)不同客流時間段的參數(shù)；再次，計算不同時間段該城市軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能運行數(shù)據(jù)；最后，利用不同時間段的節(jié)能運行數(shù)據(jù)組合繪制形成全天候的節(jié)能運行圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于可供節(jié)能運行圖分析計算的數(shù)據(jù)模塊包括軌道線路數(shù)據(jù)模塊、列車運行數(shù)據(jù)模塊和調(diào)度運營數(shù)據(jù)模塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計方法，其特征在于分別計算城市軌道交通系統(tǒng)不同客流時間段參數(shù)的步驟包括⑴根據(jù)調(diào)度運營數(shù)據(jù)對不同發(fā)車時間段的進行運營分組；⑵根據(jù)不同的運營分組計算不同的遺傳參數(shù)，利用遺傳參數(shù)計算該時間段的節(jié)能運行圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求權(quán)利1所述的設(shè)計方法，其特征在于計算城市軌道交通不同時間段節(jié)能運行數(shù)據(jù)的步驟包括⑴編碼將列車停站時間分為短停站時間和長停站時間，以二進制代碼0和1分別代表兩種停站時間，對每列車在各站的停站時間進行編碼；⑵確定種群數(shù)量根據(jù)該時間段的遺傳參數(shù)設(shè)置種群數(shù)量；⑶設(shè)置算法關(guān)系式設(shè)置種群的適應(yīng)度方程；⑷計算種群適應(yīng)度選擇交配種群根據(jù)不同種群的適應(yīng)度，選擇適應(yīng)度大的種群作為交配種群；ω交配交配種群以交配概率Pc隨機地交換編碼數(shù)據(jù)串結(jié)構(gòu)中某個串的值而得到后代種群；(6)突變后代種群以變異概率Rii隨機地改變編碼數(shù)據(jù)串結(jié)構(gòu)中某個串的值而得到優(yōu)化種群；(7)檢驗檢驗優(yōu)化種群的性能，對不達標的優(yōu)化種群重返上述⑷、(5)、(6)步驟，使其循環(huán)而達標。
5.根據(jù)權(quán)利要求權(quán)利4所述的設(shè)計方法，其特征在于交配中的交配概率Pc為0.25 0. 75。
6.根據(jù)權(quán)利要求權(quán)利4所述的設(shè)計方法，其特征在于突變中的變異概率Rii為0.001 ·0. 1。
全文摘要
本發(fā)明涉及城市軌道交通運行調(diào)度方法，特別是一種基于遺傳算法的城市軌道交通節(jié)能運行圖設(shè)計方法。它包括首先，建立可供節(jié)能運行圖分析計算的數(shù)據(jù)模塊；其次，分別計算該城市軌道交通系統(tǒng)不同客流時間段的參數(shù)；再次，計算不同時間段該城市軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能運行數(shù)據(jù)；最后，利用不同時間段的節(jié)能運行數(shù)據(jù)組合繪制形成全天候的節(jié)能運行圖。運用本發(fā)明的軌道交通系統(tǒng)幾乎能將所有的制動能耗合理轉(zhuǎn)移利用，可為我國城市軌道交通系統(tǒng)每年節(jié)電達億度以上。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，均可取得顯著的節(jié)能效果。
文檔編號G06F17/50GK102360401SQ20111031142
公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者呂建國, 哈進兵, 姚凱, 王勇博, 胡文斌 申請人:南京理工大學(xué)