CN109409008B - 一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法 - Google Patents

一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法 Download PDF

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Abstract

一种城市轨道交通工具线路典型速度‑时间行驶工况构建方法，属于城市轨道交通节能评价体系构建领域。解决了现有城市轨道交通列车运行没有运行工况进行参考，造成牵引能耗的浪费，消耗能量大的问题。本发明利用列车实际运行数据，对列车的实际运行数据进行异常数据剔除替换处理，将所有的标准速度‑时间候选片段进行拼接绘制成运行工况曲线，截取运行工况曲线最大速度和平均速度的变化具有周期性的部分作为标准运行工况；将标准工况的特征值与实际工况的特征值做归一化偏差计算，获得偏差矩阵，将偏差矩阵中每列数据的最小的值对应的标准速度‑时间候选片段进行拼接获得列车实际运行状态的典型速度‑时间工况。本发明适用于城市轨道交通构建参照工况使用。

Description

一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建 方法
技术领域
本发明属于城市轨道交通节能评价体系构建领域。
背景技术
做为城市交通***中最重要的一部分，城市轨道交通具有自身运输量大，速度快，安全可靠等优点，已成为世界各大城市人们出行必备的交通工具，在我国也得到了迅速发展。但是，城市轨道交通的能耗是一个不容忽视的因素。对于我国人均所占资源不足的国情，城市轨道交通***节能相关措施的制定和实施显得尤为重要。
城市轨道交通中运行能耗的主要影响因素之一是列车的运行工况。列车的运行曲线、列车的重量等因素决定了列车的牵引力大小，而牵引力做功是构成城轨列车运行能耗的重要部分。但是现有技术中并不存在对城市列车运行工况的构建方法为减少城市轨道交通***能耗提供参考依据。
发明内容
本发明是为了解决现有城市轨道交通列车运行没有运行工况进行参考，造成牵引能耗的浪费，消耗能量大的问题，提出了一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法。
本发明所述的一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法，该方法包括：
步骤一、对轨道交通工具线路每日速度-时间运行历史数据，按照时间顺序进行拼接，获得连续的速度-时间数据表；
步骤二、从连续的速度-时间数据表中提取列车运行的起始点，确定两个起始点之间的速度-时间片段为一个初始候选片段；
步骤三、计算每个初始候选片段中的停车时间，令所有停车时间长度大于Tmax的初始候选片段的停车时间均为Tmax；获得剔除异常停车时间数据的候选片段；其中，Tmax为正数；
步骤四、将步骤三获得的剔除异常停车时间数据的候选片段中速度大于Vmax的速度数据替换为Vmax，获得剔除异常速度数据的候选片段，确定所述剔除异常速度数据的候选片段为标准速度-时间候选片段；其中，Vmax为正数；
步骤五、求取步骤四获得的标准速度-时间候选片段的特征值，所述特征值包括：最大速度、平均技术速度、
Figure BDA0001877686580000021
平均旅行速度、最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；
步骤六、将所有在标准速度-时间候选片段进行拼接绘制成运行工况曲线，截取运行工况曲线最大速度和平均速度的变化具有周期性的部分，将具有周期变化的速度-时间候选片段进行拼接作为标准运行工况；将标准运行工况对应的标准速度-时间候选片段存为n*m的元胞数组矩阵；所述元胞数组矩阵中各个数据点均包括8个特征值；
步骤七、将所有在标准速度-时间候选片段进行拼接绘制成运行工况曲线，求取运行工况曲线的整体特征值：所述整体特征值包括：最大速度、平均技术速度、
Figure BDA0001877686580000022
平均旅行速度、最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；
步骤八、将步骤六的标准运行工况所包含的每一个标准速度-时间候选片段对应的特征值与步骤七求取的运行工况曲线的对应的整体特征值进行归一化偏差计算，获得n*m的偏差矩阵，其中，n为周期数，m为每个周期内速度-时间候选片段个数；
步骤九、提取n*m偏差矩阵中每列偏差的最小值及其对应的标准速度-时间候选片段，将n*m偏差矩阵中每列的偏差最小值对应的标准速度-时间候选片段进行拼接构成线路典型速度-时间工况，实现城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况的构建。
进一步地，步骤五求取特征值中最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度的具体方法为：
首先对每个标准速度-时间候选片段对应的曲线进行求导，获得每个标准速度-时间候选片对应的加速度数据，将加速度数据中加速度大于amax的数据替换为amax，将加速度小于amin的数据替换为amin；获得剔除异常加速度数据后的加速度-时间数据组；其中，amax为加速度的最大阈值，amin为加速度的最小阈值；再提取速度-时间数据组中的最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；减速度数据为加速度值为负数时的数据；最大减速度为加速度为负数时，绝对值最大的数值。
进一步地，步骤七求取运行工况曲线的整体特征值中最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度的具体方法为：
首先对运行工况曲线进行求导，获得运行工况曲线所有的加速度数据，将加速度数据中加速度大于amax的数据替换为amax，将加速度小于amin的数据替换为amin；获得剔除异常加速度数据后的运行工况曲线的加速度-时间数据组；其中，amax为加速度的最大阈值，amin为加速度的最小阈值；
再提取运行工况曲线的速度-时间数据组中的最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；减速度数据为加速度值为负数时的数据；最大减速度为加速度为负数时，绝对值最大的数据。
进一步地，步骤八中将步骤六的标准运行工况所包含的每一个标准速度-时间候选片段对应的特征值与步骤七求取的运行工况曲线的对应的整体特征值进行归一化偏差计算的具体方法为：
通过公式：
Figure BDA0001877686580000031
实现，其中，T(i)fra_typ为速度-时间候选片段对应特征值，T(i)tot_typ为标准运行工况的速度-时间工况特征值；i＝1,2,3,4,5,6,7,8分别对应
Figure BDA0001877686580000032
最大速度、平均技术速度、平均旅行速度、最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度。
进一步地，步骤九中，提取n*m偏差矩阵中每列偏差的最小值时，当任意一列有多个相等的最小值时，记录位于矩阵中所在列由上到下的第一个最小值及其对应的速度-时间候选片段。
进一步地，步骤三中所述的Tmax为125s。
进一步地，步骤四中的速度Vmax为80km/h或100km/h。
本发明利用列车实际运行数据，对列车的实际运行数据进行异常数据剔除替换处理，将所有的标准速度-时间候选片段进行拼接绘制成运行工况曲线，截取运行工况曲线最大速度和平均速度的变化具有周期性的部分作为标准运行工况；将标准工况的特征值与实际工况的特征值做归一化偏差计算，获得偏差矩阵，将偏差矩阵中每列数据的最小的值对应的标准速度-时间候选片段进行拼接获得列车实际运行状态的典型速度-时间工况。该典型速度-时间工况做为城市轨道交通列车能耗仿真运行工况，在该典型速度-时间工况基础上，对列车进行不同影响因素下列车能耗分析，为城市轨道交通工具的节能措施提供参考依据。
附图说明
图1是本发明所述城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法的流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法，该方法包括：
步骤一、对轨道交通工具线路每日速度-时间运行历史数据，按照时间顺序进行拼接，获得连续的速度-时间数据表；
步骤二、从连续的速度-时间数据表中提取列车运行的起始点，确定两个起始点之间的速度-时间片段为一个初始候选片段；
步骤三、计算每个初始候选片段中的停车时间，令所有停车时间长度大于Tmax的初始候选片段的停车时间均为Tmax；获得剔除异常停车时间数据的候选片段；其中，Tmax为正数；
步骤四、将步骤三获得的剔除异常停车时间数据的候选片段中速度大于Vmax的速度数据替换为Vmax，获得剔除异常速度数据的候选片段，确定所述剔除异常速度数据的候选片段为标准速度-时间候选片段；其中，Vmax为正数；
步骤五、求取步骤四获得的标准速度-时间候选片段的特征值，所述特征值包括：最大速度、平均技术速度、
Figure BDA0001877686580000041
平均旅行速度、最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；
步骤六、将所有在标准速度-时间候选片段进行拼接绘制成运行工况曲线，截取运行工况曲线最大速度和平均速度的变化具有周期性的部分作为标准运行工况；将标准运行工况对应的标准速度-时间候选片段存为n*m的元胞数组矩阵；所述元胞数组矩阵中各个数据点均包括8个特征值；
步骤七、将所有在标准速度-时间候选片段进行拼接绘制成运行工况曲线，求取运行工况曲线的整体特征值：所述特征值包括：最大速度、平均技术速度、
Figure BDA0001877686580000051
平均旅行速度、最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；
步骤八、将步骤六的标准运行工况所包含的每一个标准速度-时间候选片段对应的特征值与步骤七求取的运行工况曲线的对应的整体特征值进行归一化偏差计算，获得n*m的偏差矩阵，其中，n为周期数，m为每个周期内速度-时间候选片段个数；
步骤九、提取n*m偏差矩阵中每列偏差的最小值及其对应的标准速度-时间候选片段，将n*m偏差矩阵中每列的偏差最小值对应的标准速度-时间候选片段进行拼接构成线路典型速度-时间工况，实现城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况的构建。
本实施方式所述的平均旅行速度为列车一段旅行的平均速度，具体为，列车在运行旅程的总路程除以该路程所用的所有时间，包括运行过程中中间站的停靠时间；平均技术速度为列车在运行旅程的总路程除以该路程所用时间减去中间站的停靠时间的其余时间；
本发明中城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建，基于列车的实际速度-时间运行工况。将实际采集的列车运行数据通过不合理数据剔除，候选片段提取，偏差分析，典型工况构建等流程，构建出可以更加真实的反应列车运行情况的典型工况。该发明解决了城市轨道交通列车没有用于能耗评估和性能测试所用的统一速度-时间工况的问题。
具体实施方式二：本实施方式对实施方式一所述的一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法作进一步说明，步骤五求取特征值中最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度的具体方法为：
首先对每个标准速度-时间候选片段对应的曲线进行求导，获得每个标准速度-时间候选片对应的加速度数据，将加速度数据中加速度大于amax的数据替换为amax，将加速度小于amin的数据替换为amin；获得剔除异常加速度数据后的加速度-时间数据组；其中，amax为加速度的最大阈值，amin为加速度的最小阈值；
再提取速度-时间数据组中的最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；减速度数据为加速度值为负数时的数据；最大减速度为加速度为负数时，绝对值最大的数据。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一所述的一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法作进一步说明，步骤七求取运行工况曲线的整体特征值中最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度的具体方法为：
首先对运行工况曲线进行求导，获得运行工况曲线所有的加速度数据，将加速度数据中加速度大于amax的数据替换为amax，将加速度小于amin的数据替换为amin；获得剔除异常加速度数据后的运行工况曲线的加速度-时间数据组；其中，amax为加速度的最大阈值，amin为加速度的最小阈值；
再提取运行工况曲线的速度-时间数据组中的最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；减速度数据为加速度值为负数时的数据；最大减速度为加速度为负数时，绝对值最大的数据。
具体实施方式四：本实施方式对实施方式一所述的一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法作进一步说明，步骤八中将步骤六的标准运行工况所包含的每一个标准速度-时间候选片段对应的特征值与步骤七求取的运行工况曲线的对应的整体特征值进行归一化偏差计算的具体方法为：
通过公式：
Figure BDA0001877686580000061
实现，其中，T(i)fra_typ为速度-时间候选片段对应特征值，T(i)tot_typ为线路实际运行工况的速度-时间工况特征值；i＝1，2，3，4，5，6，7，8分别对应
Figure BDA0001877686580000062
最大速度、平均技术速度、平均旅行速度、最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度。
具体实施方式五：本实施方式是对实施方式一所述的一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法作进一步说明，步骤九中提取n*m偏差矩阵中每列偏差的最小值时，当任意一列有多个相等的最小值时，记录位于矩阵中所在列由上到下的第一个最小值及其对应的速度-时间候选片段。
具体实施方式六：本实施方式是对实施方式一所述的一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法作进一步说明，步骤三中所述的Tmax为125s。
具体实施方式七：本实施方式是对实施方式一所述的一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法作进一步说明，步骤四中的速度Vmax为80km/h或100km/h。本发明采用上述方法构建出城市轨道交通用线路典型速度-时间行驶工况实现为轨道交通日常运行提供能耗参考，驾驶人员可以根据线路典型速度-时间行驶工况对输出功率的控制，较少能量的浪费，同时也避免了功率输出过低造成形式中断的问题。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法，其特征在于，该方法包括：
步骤一、对轨道交通工具线路每日速度-时间运行历史数据，按照时间顺序进行拼接，获得连续的速度-时间数据表；
步骤二、从连续的速度-时间数据表中提取列车运行的起始点，确定两个起始点之间的速度-时间片段为一个初始候选片段；
步骤三、计算每个初始候选片段中的停车时间，令所有停车时间长度大于Tmax的初始候选片段的停车时间均为Tmax；获得剔除异常停车时间数据的候选片段；其中，Tmax为正数；
步骤四、将步骤三获得的剔除异常停车时间数据的候选片段中速度大于Vmax的速度数据替换为Vmax，获得剔除异常速度数据的候选片段，确定所述剔除异常速度数据的候选片段为标准速度-时间候选片段；其中，Vmax为正数；
步骤五、求取步骤四获得的标准速度-时间候选片段的特征值，所述特征值包括：最大速度、平均技术速度、
Figure FDA0001877686570000011
平均旅行速度、最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；
步骤六、将所有在标准速度-时间候选片段进行拼接绘制成运行工况曲线，截取运行工况曲线最大速度和平均速度的变化具有周期性的部分，将具有周期变化的速度-时间候选片段进行拼接作为标准运行工况；将标准运行工况对应的标准速度-时间候选片段存为n*m的元胞数组矩阵；所述元胞数组矩阵中各个数据点均包括8个特征值；
步骤七、将所有在标准速度-时间候选片段进行拼接绘制成运行工况曲线，求取运行工况曲线的整体特征值：所述整体特征值包括：最大速度、平均技术速度、
Figure FDA0001877686570000012
平均旅行速度、最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；
步骤八、将步骤六的标准运行工况所包含的每一个标准速度-时间候选片段对应的特征值与步骤七求取的运行工况曲线的对应的整体特征值进行归一化偏差计算，获得n*m的偏差矩阵，其中，n为周期数，m为每个周期内速度-时间候选片段个数；
步骤九、提取n*m偏差矩阵中每列偏差的最小值及其对应的标准速度-时间候选片段，将n*m偏差矩阵中每列的偏差最小值对应的标准速度-时间候选片段进行拼接构成线路典型速度-时间工况，实现城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况的构建。
2.根据权利要求1所述一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法，其特征在于，步骤五求取特征值中最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度的具体方法为：
首先对每个标准速度-时间候选片段对应的曲线进行求导，获得每个标准速度-时间候选片对应的加速度数据，将加速度数据中加速度大于amax的数据替换为amax，将加速度小于amin的数据替换为amin；获得剔除异常加速度数据后的加速度-时间数据组；其中，amax为加速度的最大阈值，amin为加速度的最小阈值；
再提取速度-时间数据组中的最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；减速度为加速度值为负数时的数据；最大减速度为加速度为负数时，绝对值最大的数据。
3.根据权利要求1所述一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法，其特征在于，步骤七求取运行工况曲线的整体特征值中最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度的具体方法为：
首先对运行工况曲线进行求导，获得运行工况曲线所有的加速度数据，将加速度数据中加速度大于amax的数据替换为amax，将加速度小于amin的数据替换为amin；获得剔除异常加速度数据后的运行工况曲线的加速度-时间数据组；其中，amax为加速度的最大阈值，amin为加速度的最小阈值；
再提取运行工况曲线的速度-时间数据组中的最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度；减速度数据为加速度值为负数时的数据；最大减速度为加速度为负数时，绝对值最大的数据。
4.根据权利要求1所述一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法，其特征在于，步骤八中将步骤六的标准运行工况所包含的每一个标准速度-时间候选片段对应的特征值与步骤七求取的运行工况曲线的对应的整体特征值进行归一化偏差计算的具体方法为：
通过公式：
Figure FDA0001877686570000021
实现，其中，T(i)fra_typ为速度-时间候选片段对应特征值，T(i)tot_typ为标准运行工况的速度-时间工况特征值；i＝1，2，3，4，5，6，7，8分别对应
Figure FDA0001877686570000022
最大速度、平均技术速度、平均旅行速度、最大加速度、最大减速度、平均加速度和平均减速度。
5.根据权利要求1所述一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法，其特征在于，步骤九中，提取n*m偏差矩阵中每列偏差的最小值时，当任意一列有多个相等的最小值时，记录位于矩阵中所在列由上到下的第一个最小值及其对应的速度-时间候选片段。
6.根据权利要求1所述一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法，其特征在于，步骤三中所述的Tmax为125s。
7.根据权利要求1所述一种城市轨道交通工具线路典型速度-时间行驶工况构建方法，其特征在于，步骤四中的速度Vmax为80km/h或100km/h。
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