基于数据驱动的新能源公交车用接触网优化设计方法与流程

1.本发明属于新能源车辆充放电设备技术领域，具体涉及一种基于数据驱动对新能源公交车用接触网实现优化设计的方法。


背景技术：

2.现阶段，公共交通领域中运行的许多传统燃油车辆，其高油耗与严重的污染排放量已不符合当前低碳环保的要求，因而被越来越多的新能源电动公交车所取代，在很多城市的公交线路上正采用纯电动公交汽车、双源无轨电车与燃油车混合运行，逐步向全线路的纯电动运营过渡。然而，电动汽车充电补能较慢的缺点，使得其运行时相比燃油公交车具有较长的发车间隔，从而导致了线路运营线路效率的降低。市中心、交通密集区域同时也不适合大量设置电动公交车充电站，车辆普遍采用运行固定圈数后返回位置相对偏僻的充电站充电方式，存在充电循环不合理，过充过放情况发生频繁的问题，造成动力电池的性能和寿命衰减严重，发生事故的风险也随之提高。双源无轨电车在动力电池系统的基础上增设了受电弓、集电杆等取电部件，在行驶中可适时升起并通过接触网充电和驱动车辆，使返回充电站充电的次数大大减少，动力电池寿命与衰减过程得以延长。但由于电网取电方式在车速较高时容易发生脱网，双源无轨电车在直行与转弯时都需要严格遵守相应的限速要求，同时较小容量的车载动力电池也只适合匀速或小负载运行，因此全线运行相比其他电动或燃油公交车辆速度较慢，运行效率不尽如人意。车辆行驶时电池边放电边充电的现象难以避免，易引发电池滥用的安全风险。上述双源无轨电车的运行特点意味着接触网更适合架设在交通密集区域，但随着其网络与线缆规模的增加不仅带来的是更高的配套设备成本，规划和建设施工中所涉及的问题也会更多且复杂，线缆长期通电时自身所产生的较高能耗也不能被忽视。因此，如何结合各公交线路工况与能耗特点对接触网络、供配电设备等充电设施的设置实现优化，在有效降低运营成本的同时提高运营效率，是本领域中亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，针对本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种基于数据驱动的新能源公交车用接触网优化设计方法，具体包括以下步骤：
4.步骤一、针对在特定城乡区域内运行且不属于双源无轨电车的电动公交汽车，采集同车型的单车运行中包括电池电压、电池电流、soc、车辆经纬度坐标、车速、电机转速、时间、环境温度、空调工作状态、当前运行线路等的数据，并上传至大数据平台；
5.步骤二、大数据平台对接收的上传数据执行预处理，分别建立与每帧电池电压、电池电流、soc、车辆经纬度坐标、车速、电机转速、环境温度、空调工作状态、当前运行线路等特征数据对应的标签，并基于时间数据分别建立每日时段、月份、季节标签；利用所建立的标签生成该车型电动公交汽车的运行特征标签集；
6.步骤三、对此区域的地图执行网格化处理，按照相同的网格长度将区域中各条公
交线路分别划分为若干线路区段，并计算各单车每次经过不同区段时的soc变化量，同时生成各单车的时间-区段-soc变化量数据库；
7.步骤四、针对某个线路区段，利用车辆经纬度坐标与当前运行线路标签从运行特征标签集中筛选出适合历史周期上途径此区段公交汽车的相应标签，将其与从数据库中的相应soc变化量组成与各帧对应的多个数组；对数组执行聚类算法，将聚类中心对应的soc变化量作为不同工况条件下此线路区段的等效soc变化量，并设定各区段soc变化量阈值，以及最大与最小等效soc变化量之间差值的阈值；
8.步骤五、根据步骤四得到的各区段的等效soc变化量结合两个所述阈值，作为指导双源无轨电车的接触网铺设与供电的参考，包括在不同工况条件下等效soc变化量始终大于soc变化量阈值的区段以及最大与最小等效soc变化量差值大于阈值的区段中，选择部分必要区段设置接触网供电线路，并结合区段具体的工况条件执行相应的供电策略；对于现存接触网中基于前述步骤分析确定可以省略的部分，则在后续运营中停止供电或拆除。
9.进一步地，所述供电策略包括对于在不同工况条件下等效soc变化量始终大于soc变化量阈值的区段中的部分必要区段，例如长期交通拥堵车流缓慢的区间，或者能耗较高的爬坡路段等，可始终保持对双源无轨电车供电；对于最大与最小等效soc变化量差值大于阈值的区段，仅在其等效soc变化量高于相应阈值的部分工况条件所对应的时间范围，如特定每日时段和/或季节和/或月份，对双源无轨电车供电，对于其他工况条件所对应的时间范围则可停止供电。
10.对于同一公交线路上运行的新能源公交汽车来说，无论是双源无轨电车还是其他类型的纯电动公交汽车，基本会经历完全相同的温度、天气等环境条件及交通路况条件，并且在单个城乡区域公交网络中普遍采用统一的双源无轨电车、其他类型的纯电动公交汽车及燃油车车型。在此前提下，本发明的方法将区域内的全部非双源无轨电车的新能源公交汽车行驶数据统一纳入考虑，由于行驶中在忽略动能回收的基础上，各车之间电池soc与续驶里程核算关系基本可视为始终一致，从而可以由车辆在不同时间途径相同区段时的soc变化情况体现出具体工况条件的变化，而这些工况条件的变化对同线路的双源无轨电车来说同样也会经历，因此可以利用其它纯电动公交车所得到的线路工况条件指导双源无轨电车所适用的接触网建设与供电。例如，如果由其他纯电动公交车识别出某些区段长期或定期存在拥堵、交通枢纽位置较多乘客上下车导致的停车或缓行，则可基于类似的工况条件判定满足双源无轨电车从电网受电的低速、匀速行驶条件。仅使用动力电池驱动的纯电动公交车不存在双源无轨电车充放电常发生转换的情况，因此对其实车大数据的提取、处理和应用也更为简便。
11.进一步地，步骤四中在对标签执行筛选前，先根据部分运行特征划分出几种特定工况，再以其余运行特征作为输入、所述几种特定工况对应的某整条线路的能耗作为输出建立成本函数；利用历史实车运行数据训练神经网络，得到不同特定工况下所述其余运行特征各自的权重，利用所述权重并结合各权重阈值剔除部分运行特征标签，并将保留的运行特征标签用于后续步骤。
12.进一步地，大数据平台还将各聚类中心邻域内数组的相应soc、车辆经纬度坐标、车速、电机转速、每日时段、月份、季节数据标签提取，用于作为区域内接触网与公交线路网络的优化以及交通管理的辅助信息提供给相应的大数据平台与单位。
13.进一步地，在所述聚类过程中的离群点对应的数据标签同步进行提取，用于对各单车上存在的车辆自身或工况异常情况进行分析。
14.本发明所提供的方法充分利用了纯电动公交汽车的实车大数据，来得到公交线路受时间、道路等多方面影响下相应的分段soc变化量，可反映出线路上行驶的双源无轨电车途径各区段的大致能耗变化情况，从而能够提供用于指导双源无轨电车用接触网的规划建设与如何实施供电策略的参考。通过对纯电动公交汽车运行特征聚类，识别出公交线路每个区段在不同时段、季节、月份、交通等具体情况及能耗，从而能够避免设置覆盖整条线路接触网所导致的高成本和人力物力浪费，并且结合电车受电时须保持低速、匀速的要求实现仅在必要区段和时段使线缆供电，大大减少了电缆自身不必要的电力消耗。若在现有双源无轨电车基础上适当增加动力电池容量，则可保证车辆有更长的脱网行驶距离，从而使线路平均车速和运营效率显著提升。
具体实施方式
15.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
16.通常来说电动汽车在不考虑动能回收的纯放电模式行驶时，相同路段上的soc下降和能耗表现受特定的每日时段、季节、月份、交通事件的影响会存在规律性差异。例如，同样路段上车辆在早晚高峰时段相比每日的其他时段具有更高的soc下降速度；在夏季或冬季车辆行驶时由于会开启空调，相比春秋季节也呈现不同的soc变化趋势，当然考虑到冬季电池容量衰减等因素，夏季与冬季的soc变化也需要分别进行计算。部分商圈周边在节假日其附近发生交通拥堵，而工作日早晚高峰与其他时段交通状况差别不大的情况；对于中小学上下学时段，学校周边在学期与寒暑假期间的道路状况截然不同，早晚高峰起始的时段也不一致；某些重点区段还存在定期交通管制；火车站、长途客运站等交通枢纽周边相对其他区段存在交通拥堵叠加更高乘客载荷的情况等等，上述的几种特殊情况相互叠加又会产生出更多类型的工况条件，而同样的工况条件在换做双源无轨电车运行时也必然会经历，因此将公交线路划分为多个区段，逐个区段分析其具体工况并结合双源无轨电车的自身特点来设计与优化配套的供电接触网具有较高的现实意义。
17.同时，对于任意一条完整的公交线路，其各个区段由于交通或地理原因使得公交车辆经过时的实际工况条件持续变化，例如前述列举的特殊情况，车辆经过商圈、学校、管制路段、交通枢纽等区域时的电能消耗情况与其他区段必然不尽相同，因此通过网格化地图方式将整体公交线路划分为多段，能保证对不同工况条件的分类识别更加精确。
18.基于上述的考虑，本发明由此提供了以下基于数据驱动的新能源公交车用接触网优化设计方法，具体包括以下步骤：
19.步骤一、针对在特定城乡区域内运行且不属于双源无轨电车的电动公交汽车，采集同车型的单车运行中包括电池电压、电池电流、soc、车辆经纬度坐标、车速、电机转速、时间、环境温度、空调工作状态、当前运行线路等的数据，并上传至大数据平台；
20.步骤二、大数据平台对接收的上传数据执行预处理，分别建立与每帧电池电压、电池电流、soc、车辆经纬度坐标、车速、电机转速、环境温度、空调工作状态、当前运行线路等
特征数据对应的标签，并基于时间数据分别建立每日时段、月份、季节标签；利用所建立的标签生成该车型电动公交汽车的运行特征标签集；
21.步骤三、对此区域的地图执行网格化处理，按照相同的网格长度将区域中各条公交线路分别划分为若干线路区段，并计算各单车每次经过不同区段时的soc变化量，同时生成各单车的时间-区段-soc变化量数据库；
22.步骤四、针对某个线路区段，利用车辆经纬度坐标与当前运行线路标签从运行特征标签集中筛选出适合历史周期上途径此区段公交汽车的相应标签，将其与从数据库中的相应soc变化量组成与各帧对应的多个数组；对数组执行聚类算法，将聚类中心对应的soc变化量作为不同工况条件下此线路区段的等效soc变化量，并设定各区段soc变化量阈值，以及最大与最小等效soc变化量之间差值的阈值；
23.步骤五、根据步骤四得到的各区段的等效soc变化量结合两个阈值，作为指导用于双源无轨电车的接触网铺设与供电的参考，包括在不同工况条件下等效soc变化量始终大于soc变化量阈值的区段以及最大与最小等效soc变化量差值大于阈值的区段中，选择部分必要区段设置接触网供电线路，并结合区段具体的工况条件执行相应的供电策略；对于现存接触网中基于前述步骤分析确定可以省略的部分，则在后续运营中逐步地停止供电甚至是拆除，从而有效节省了设备成本、电能损耗并使接触网得到优化。
24.上述方法中运行特征标签在聚类中作为数组坐标能够使不同区段的具体工况条件得以区分，譬如春秋季拥堵、空调关闭时段与夏冬季非高峰时段、空调开启时某区段上的能耗线路接近，但本领域技术人员应当知晓有必要结合车速、电机转速、空调工作状态等特征具体确定是否在此区段通过接触网受电，假如区段的较高能耗是由空调工作、高乘客载荷等因素导致但交通通畅没有牺牲车速的必要，则不应在此受电或者设置供电线路。由于双源无轨电车配备的动力电池普遍较小，通常在部分匀速轻载的情况下车辆才以脱网纯放电模式行驶，因此拖慢了线路均速，然而在执行上述方法的同时若配合容量更大的电池，则可使车辆更多地脱网快速行驶，使运营效率显著提高。
25.本领域技术人员也应当知晓如果在此基础上进一步增加运行特征种类，则对区段工况条件可实现更精确的分类。在比如温度适中的春季和秋季，某些城市区段相同时段的交通状况、能耗变化情况比较接近，则在聚类中这两个季节的特征采用相同的“春秋季”季节数据标签；相同的季节下线路能耗的差异大多只与不同时段的交通状况有关，因此早晚高峰时段的数据可设为相同的“高峰拥堵”时段标签，其他时段则采用“平时通畅”时段标签，由此根据实际需要调整工况聚类精度。可以看出，聚类后最终得到的工况条件类型数量有限可控，并不会产生过多的分类结果与较高的运算成本。当然分类的多少也取决于运动特征具体设置的种类、数量、筛选的精细程度以及聚类邻域范围。
26.在本发明的一个优选实施方式中，步骤四中在对数据标签筛选前，先根据部分运行数据特征划分几种特定工况，再以其余运行特征作为输入、所述几种特定工况对应的完整线路能耗作为输出建立成本函数；利用历史实车运行数据训练神经网络，得到不同特定工况下所述其余运动数据特征各自的权重，利用所述权重并结合各权重阈值剔除部分运行数据标签，并将保留的运行数据标签用于后续步骤。通过这种方式可预先对某些特定工况比如秋冬季学期早晚高峰时段，以相关性分析的思想计算出不同运行特征对线路能耗影响程度高低，从而可以保留较为重要的特征标签并剔除部分影响不大的标签，使参与聚类的
数组所包含元素数量和整体运算量进一步降低。
27.在本发明的一个优选实施方式中，大数据平台还将各聚类中心邻域内数组的相应soc、车辆经纬度坐标、车速、电机转速、每日时段、月份、季节数据标签提取，用于作为特定区域内接触网、公交线路网络的优化以及交通管理的辅助信息提供给相应的大数据平台与单位。譬如对于某些道路设计规划、交通管制等存在问题容易拥堵的区段和时段，可利用这些实车大数据即可为相关部门提供重要优化依据
28.本发明的具体实施中还可对纯电动公交存在的异常如电池严重衰减、存在热失控等风险具有额外的实现效果，由于这些异常单车对应的运行数据在聚类中表现为离群点的可能性极高，因此对所述聚类过程中的离群点对应的特征标签同步提取，可及时有效地发现其安全隐患并避免事故发生。
29.应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
30.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.基于数据驱动的新能源公交车用接触网优化设计方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、针对在特定城乡区域内运行且不属于双源无轨电车的电动公交汽车，采集同车型的单车运行中包括电池电压、电池电流、soc、车辆经纬度坐标、车速、电机转速、时间、环境温度、空调工作状态、当前运行线路的数据，并上传至大数据平台；步骤二、大数据平台对接收的上传数据执行预处理，分别建立与每帧电池电压、电池电流、soc、车辆经纬度坐标、车速、电机转速、环境温度、空调工作状态、当前运行线路等特征数据对应的标签，并基于时间数据分别建立每日时段、月份、季节标签；利用所建立的标签生成该车型电动公交汽车的运行特征标签集；步骤三、对此区域的地图执行网格化处理，按照相同的网格长度将区域中各条公交线路分别划分为若干线路区段，并计算各单车每次经过不同区段时的soc变化量，同时生成各单车的时间-区段-soc变化量数据库；步骤四、针对某个线路区段，利用车辆经纬度坐标与当前运行线路标签从运行特征标签集中筛选出适合历史周期上途径此区段公交汽车的相应标签，将其与从数据库中的相应soc变化量组成与各帧对应的多个数组；对数组执行聚类算法，将聚类中心对应的soc变化量作为不同工况条件下此线路区段的等效soc变化量，并设定各区段soc变化量阈值，以及最大与最小等效soc变化量之间差值的阈值；步骤五、根据步骤四得到的各区段的等效soc变化量结合两个所述阈值，作为指导双源无轨电车的接触网铺设与供电的参考，包括在不同工况条件下等效soc变化量始终大于soc变化量阈值的区段以及最大与最小等效soc变化量差值大于阈值的区段中，选择部分必要区段设置接触网供电线路，并结合区段具体的工况条件执行相应的供电策略；对于现存接触网中基于前述步骤分析确定可以省略的部分，则在后续运营中停止供电或拆除。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述供电策略包括对于在不同工况条件下等效soc变化量始终大于soc变化量阈值的区段中的部分必要区段，始终保持对双源无轨电车供电；对于最大与最小等效soc变化量差值大于阈值的区段，仅在其等效soc变化量高于相应阈值的部分工况条件所对应的时间范围对双源无轨电车供电，对于其他工况条件所对应的时间范围则停止供电。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四中在对标签执行筛选前，先根据部分运行特征划分出几种特定工况，再以其余运行特征作为输入、所述几种特定工况对应的某整条线路的能耗作为输出建立成本函数；利用历史实车运行数据训练神经网络，得到不同特定工况下所述其余运行特征各自的权重，利用所述权重并结合各权重阈值剔除部分运行特征标签，并将保留的运行特征标签用于后续步骤。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：大数据平台还将各聚类中心邻域内数组的相应soc、车辆经纬度坐标、车速、电机转速、每日时段、月份、季节数据标签提取，用于作为区域内接触网与公交线路网络的优化以及交通管理的辅助信息提供给相应的大数据平台与单位。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：在所述聚类过程中的离群点对应的数据标签同步进行提取，用于对各单车上存在的车辆自身或工况异常情况进行分析。

技术总结
本发明提供了基于数据驱动的新能源公交车用接触网优化设计方法，其通过对仅使用动力电池驱动的纯电动公交汽车运行特征聚类，识别出公交线路每个区段在不同时段、季节、月份、交通等具体情况及能耗，可以指导双源无轨电车用接触网的规划建设与如何实施供电策略。通过执行该方法不仅能够避免设置覆盖整条线路接触网所导致的高成本和人力物力浪费，还能结合电车受电时须保持低速、匀速的要求实现仅在必要区段和时段使线缆供电，大大减少了电缆自身不必要的电力消耗。若在现有双源无轨电车基础上适当增加动力电池容量，则可保证车辆有更长的脱网行驶距离，从而使线路平均车速和运营效率显著提升。显著提升。


技术研发人员：李凯 安振佳 刘强 辛涛 唐晓猛 杨芳 张宇 黄建民 张欣莹
受保护的技术使用者：隆瑞三优新能源汽车科技有限公司
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/9/7