CN102514602A - 一种列车运行速度规划与控制的方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种列车运行速度规划与控制系统，包括列车行驶接近的地面设备、安装在列车上的车载设备。所述车载设备包括：速度计、人机界面、地面设备应答单元、列车自动防护单元、速度控制单元、牵引/制动单元。其中，列车自动防护单元，分别与速度计、人机界面、地面设备应答单元以及速度控制单元连接；地面设备应答单元，分别与地面设备和列车自动防护单元连接；速度控制单元，分别与列车自动防护单元和牵引/制动单元连接。本发明通过地面应答器接收到包括铁路状况、线路限制速度、行车许可等信息，同时考虑乘客乘坐的舒适性和列车运行的准时性、节能性，规划出最优的基于距离-速度的目标速度运行曲线，并通过输出适当的牵引/制动命令实现目标速度的实时跟踪。

Description

一种列车运行速度规划与控制的方法及系统

技术领域

本发明涉及轨道交通自动运行技术领域，特别涉及一种列车运行速度规划与控制的方法及系统。

背景技术

国家“中长期铁路规划”使得城际铁路进入了一个新的发展时期和新一轮的建设高潮，各大城市间都在进行轨道交通建设。随着我国高速铁路的发展，列车运行速度和运输密度不断提高，运行区间不断加大，传统的人工驾驶方式己难以满足驾驶要求。

在此背景下，开发高效的列车自动驾驶系统显得尤为重要。列车自动驾驶系统利用先进的计算机技术对运行过程进行模拟计算和预测仿真，从而获得合理、优化的操纵方案。列车自动驾驶系统根据地面设备提供的信号信息、线路参数、临时限速信息及车辆特性等对目标曲线进行规划，生成目标速度-距离曲线，控制器通过对目标曲线进行实时跟踪控制列车运行，实现列车自动驾驶，提高舒适度、降低能耗、减少磨损。作为列车自动驾驶系统的核心组成部分，目标曲线规划对于提高运输效率，改善乘客舒适性，降低运行能耗等方面具有重要作用。

目前，已研制了适用于高密度城市轨道交通的列车自动驾驶系统，并在城市轨道交通系统中广泛应用，而城际间列车运行还主要依靠人工驾驶，未能实现列车自动驾驶。

已有技术中的列车自动驾驶系统主要应用在CTCS-3级列控系统中，通过基于无线通信的无线闭塞中心将线路数据、临时限速等信息实时传送给列车，实现列车自动驾驶。但目前我国铁路系统主要还是以CTCS-2级列控系统为主，车-地通信主要依靠地面应答器、地面电子单元，未能实现实时无线通信，因此不能推广应用到CTCS-2级列控系统中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种列车运行速度规划与控制的方法及系统，其适用于CTCS-2级列控系统的列车自动驾驶系统；该方法及系统能够根据有效速度限制速度曲线，在满足准时、舒适、节能的条件下，自动生成目标速度曲线，并且通过速度控制器实现目标速度的跟踪；该方法及系统通过地面应答器接收到包括铁路状况、线路限制速度、行车许可等信息，同时考虑乘客乘坐的舒适性和列车运行的准时性、节能性，规划出最优的基于距离-速度的目标速度运行曲线，速度控制器通过输出适当的牵引/制动命令实现目标速度的实时跟踪。

本发明的技术方案如下：

一种列车运行速度规划与控制系统，包括列车行驶接近的地面设备、安装在列车上的车载设备；所述地面设备，用于向车载设备提供至少包括线路坡度、前方线路限速信息、前方线路列车占用情况的线路信息；所述车载设备，用于接收地面设备提供的线路信息，并对列车运行速度进行规划和控制；

所述车载设备，进一步包括：速度计、人机界面、地面设备应答单元、列车自动防护单元、速度控制单元、牵引/制动单元，其中：

速度计，与列车自动防护单元连接，其用于检测列车的实际运行速度，并通过列车自动防护单元传送至速度控制单元；

人机界面，与列车自动防护单元连接，其用于显示列车运行状况，并用于向所述规划与控制系统发送人工控制命令；

地面设备应答单元，分别与地面设备和列车自动防护单元连接；其用于接收地面设备提供的线路信息，并将线路信息传输给列车自动防护单元；

列车自动防护单元，分别与速度计、人机界面、地面设备应答单元以及速度控制单元连接；其用于接收由速度计、人机界面、地面设备应答单元、传送来的数据信息，且对该些数据信息进行处理后发送至速度控制单元；

速度控制单元，分别与列车自动防护单元和牵引/制动单元连接；其用于接收由列车自动防护单元发送过来的数据信息，利用该些数据信息并结合行车的舒适性、准时性、节能性的要求规划出目标速度曲线，进而生成牵引/制动命令，并把该命令传送至牵引/制动单元；

牵引/制动模块，与速度控制单元连接；其用于接收由速度控制单元发送的牵引/制动命令，控制列车实际运行速度。

较佳地，所述速度控制单元，进一步包括：

数据输入子单元、目标速度运行曲线规划子单元和基于专家控制的控制器、减法器，其中：

数据输入子单元，用于接收列车自动防护单元发送过来的数据信息，并对该些数据信息进行预处理；

目标速度运行曲线规划子单元，用于接收从数据输入子单元发送过来的信息；并利用该些信息，根据准时性、舒适性、节能性的要求规划出以距离为横坐标的目标速度运行曲线；

减法器，用于将当前位置目标速度减去列车实际运行速度，并作为基于专家控制的控制器的输入信息；

基于专家控制的控制器，用于根据当前位置列车实际运行速度与目标速度的差值，对照专家知识库输出合适的牵引/制动命令。

较佳地，列车行驶接近的地面设备包括以下一种或两种类型：地面电子单元和地面应答器。

较佳地，所述；地面设备应答单元包括以下一种或两种类型：应答器接收模块、环线模块；所述应答器接收模块与所述地面应答器无线连接；所述地面电子单元与所述环形模块无线连接。

一种上述系统进行列车运行速度规划与控制的方法，包括下列步骤：

S1：列车经过所述地面设备安装的位置，地面设备向地面设备应答单元提供至少包括线路坡度、前方线路限速信息、前方线路列车占用情况的线路信息；

S2：地面应答单元将接收到的线路信息传输给列车自动防护单元；速度计将检测到的列车的实际运行速度传输给列车自动防护单元；人机界面显示列车运行状况，并将人工控制命令传输给列车自动防护单元；

S3：列车自动防护单元将从速度计、人机界面、地面设备应答单元接收到的数据信息进行处理，并将该些处理过的数据信息发送至速度控制单元；

S4：速度控制单元接收由列车自动防护单元发送过来的数据信息，利用该些数据信息并结合行车的舒适性、准时性、节能性的要求规划出目标速度曲线，进而生成输出牵引/制动命令，并把该命令传送至牵引/制动单元；

S5：牵引/制动模块接收由速度控制单元发送的牵引/制动命令，并按照命令控制列车实际运行速度。

较佳地，所述步骤S4进一步包括：

S41：数据输入子单元接收列车自动防护单元发送过来的数据信息，并对该些数据信息进行预处理；

S42：目标速度运行曲线规划子单元接收从数据输入子单元发送过来的信息；利用该些信息，并根据准时性、舒适性、节能性的要求规划出以距离为横坐标的目标速度运行曲线；

S43：减法器将当前位置目标速度减去列车实际运行速度，并作为基于专家控制的控制器的输入信息；

S44：基于专家控制的控制器根据减法器输入的当前位置列车实际运行速度与目标速度的差值，对照专家知识库输出合适的牵引/制动命令。

较佳地，步骤S41中，数据输入子单元接收的列车自动防护单元发送过来的数据信息，至少包括：

列车行驶位置、列车运营时间、当前行驶速度、列车固有属性、线路数据、速度限制信息以及行车许可。

较佳地，所述步骤S42进一步包括：

S421：列车自动防护单元接收到最新的速度限制信息以及行车许可，并综合相关信息获得有效速度限制速度曲线；该曲线被输送给数据输入子单元；

S422：目标速度规划子单元接收到有效速度限制速度曲线，在保证安全余量的基础上，规划出最短用时的运行曲线，并计算出最短耗时为T_MIN；

S423：设定运营时间T_SET，经列车自动防护单元发送至速度控制单元的数据输入子单元；

S424：根据T_SET和T_MIN关系，目标速度规划子单元输出目标速度运行曲线。

较佳地，所述步骤S424进一步包括：

如果T_SET≥T_MIN，则目标速度运行曲线规划子单元将根据准时性、节能性、舒适性的要求自动规划运行曲线；

如果T_SET＜T_MIN，则系统报警提示无法准点到达，并给出最短运营时间T_MIN。

较佳地，所述步骤S424还包括：

当T_SET≥T_MIN时，目标速度运行曲线需要降低运营速度，即远离有效速度限制速度曲线，并得到新的目标速度曲线对应的最短耗时Trun，具体做法为：

每次削减一定量目标速度运行曲线的尖峰，即每次都使目标速度运行曲线的最大运行速度值减去一个定值；如果新的目标速度曲线对应的最短耗时Trun仍小于计划运营时间，则再次削减一定量目标速度运行曲线的尖峰，直到|T_run-T_set|≤1s，则输出目标速度曲线。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)提供适用性更强的列车自动驾驶系统，实现互通运营

已有技术中的列车自动驾驶系统主要应用在CTCS-3级列控系统中，通过基于无线通信的无线闭塞中心将线路数据、临时限速等信息实时传送给列车，实现列车自动驾驶。但目前我国铁路系统主要还是以CTCS-2级列控系统为主，车-地通信主要依靠地面应答器、地面电子单元，未能实现实时无线通信，因此不能推广应用到CTCS-2级列控系统中。

本发明的系统采用车载存储与点式设备(如应答器)相结合的方式获取列车线路参数信息，以及周期性与触发性(如通过点式设备接收到新的线路信息)刷新目标速度运行曲线的方法，实现列车自动驾驶的目的，适用于CTCS-2级列控系统中。

显然该方法也适用于CTCS-3级列控系统，此时获取列车线路参数信息的方式变换成为无线通信系统，通过触发性(如通过GSM-R实时接收到新的线路信息)刷新目标速度运行曲线，实现列车自动驾驶。由于CTCS-3实现了地面-列车间连续的信息传输，所以该发明在CTCS-3级列控系统中将会获得更好的控制效果。

本发明将提供一种适用于CTCS-2、CTCS-3级列控系统的列车运行速度规划与控制的方法及系统，可实现互通运营。

(2)提供符合实际的列车模型

目前的列车自动驾驶系统使用的列车模型一般都是根据《牵规》中的计算公式，不能精确模拟出实际列车运行情况。本发明通过数据输入子系统采集列车性能参数，结合《牵规》的计算公式，建立了一个更符合实际的列车模型，用于目标速度规划子系统规划目标速度运行曲线。

由于使用更符合实际的列车模型，规划出得目标速度运行曲线也更接近列车实际运行情况，从而更好地发挥了列车固有的牵引/制动特性，实现舒适、准时、节能驾驶。

(3)使列车运行更加准时、节能

如上所述，本发明采用了更符合实际的列车模型，规划得到的目标速度运行曲线也更接近列车实际运行情况，从而更好地发挥列车自身性能；

其次，本发明采用周期性与触发性(如通过点式设备接收到新的线路信息)刷新目标速度运行曲线，从而不断减小目标运行曲线与列车实际运行情况之间的误差，实现列车运行的准时性；

如上所述，本发明采用了一种新的目标速度运行曲线规划方法，通过削减目标速度运行曲线尖峰的方法得到最终的目标曲线，避免了列车频繁加速减速过程，从而实现节能驾驶。

附图说明

图1是列车自动驾驶系统整体构造视图；

图2是本发明采用的速度控制单元结构示意图；

图3是有效速度限制速度曲线示意图；

图4是本发明提供的目标速度运行曲线规划方法的流程；

图5是根据本发明提出的方法得到的目标速度运行曲线；

图6a和6b表示规划目标速度运行曲线时每一限速段存在的运行模式一；

图7a和7b表示规划目标速度运行曲线时每一限速段存在的运行模式二；

图8表示规划目标速度运行曲线时每一限速段存在的运行模式三；

图9a和9b表示规划目标速度运行曲线时每一限速段存在的运行模式四；

图10是规划目标速度运行曲线时寻找合适的安全余量的流程图；

图11a和图11b是规划最短用时运行曲线的示意图；

图12是本发明控制列车实际运行的曲线示意图。

具体实施方式

下方结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例

如图1，一种列车运行速度规划与控制系统，包括列车行驶接近的地面设备110、安装在列车上的车载设备120。所述地面设备120，用于向车载设备110提供至少包括线路坡度、前方线路限速信息、前方线路列车占用情况的线路信息；所述车载设备120，用于接收地面设备提供的线路信息，并对列车运行速度进行规划和控制。

车载设备120进一步包括：速度计121、人机界面122、地面设备应答单元、列车自动防护单元(ATP)125、速度控制单元126、牵引/制动单元127，其中：

速度计121，用于检测列车的实际运行速度，并通过列车自动防护单元125传送至速度控制单元126。

人机界面122，用于显示列车运行状况，并用于向所述规划与控制系统发送人工控制命令。

地面设备应答单元，用于接收地面设备110提供的线路信息，并将线路信息传输给列车自动防护单元125。

列车自动防护单元125，用于接收由速度计121、人机界面、地面设备应答单元传送来的列车当前运行速度、列车运营时间、前方线路限速信息、前方线路占用情况、前方线路坡度等线路数据以及列车固有属性等数据信息，这些数据经过处理由列车自动防护单元125将列车行驶位置、列车运营时间、当前行驶速度、列车固有属性、线路数据、速度限制信息以及行车许可发送至速度控制单元126。

速度控制单元126，用于接收由列车自动防护单元125发送过来的数据信息，利用该些数据信息并结合行车的舒适性、准时性、节能性的要求规划出目标速度曲线，进而生成输出牵引/制动命令给牵引/制动单元127。

牵引/制动模块127，用于接收由速度控制单元126发送的牵引/制动命令，控制列车实际运行速度。

如图2，其中，速度控制单元126又进一步包括：

数据输入子单元201、目标速度运行曲线规划子单元202和基于专家控制的控制器203、减法器204，其中：

数据输入子单元201，用于接收列车自动防护单元发送过来的数据信息，并对该些数据信息进行预处理；该些数据信息包括列车当前速度、线路数据、列车固有属性、列车行驶位置、列车运营时间、速度限制信息以及行车许可等信息。

其中，列车当前速度：从速度计121获得。

线路数据：从地面设备应答单元获得。

列车固有属性：由司机输入，系统保持。

运行时间从地面设备应答单元以及站内车地通信接口获得。

速度限制信息：从列车自动防护单元125(ATP)获取。

行车许可；从列车自动防护单元125(ATP)获取。

目标速度运行曲线规划子单元202，用于接收从数据输入子单元201发送过来的信息；并利用该些信息，根据准时性、舒适性、节能性的要求规划出以距离为横坐标的目标速度运行曲线；

减法器204，用于将当前位置目标速度减去列车实际运行速度，并作为基于专家控制的控制器的输入信息；

基于专家控制的控制器203，用于根据当前位置列车实际运行速度与目标速度的差值，对照专家知识库输出合适的牵引/制动命令。

本实施例中，列车行驶接近的地面设备101包括地面电子单元111和地面应答器112，这里仅为举例，具体实施时，地面设备也可以仅包括其中一种或是其它能够提供线路信息的设备。

相应地，本实施例中，地面设备应答单元包括应答器接收模块(BTM)124、环线模块(TWC)123；应答器接收模块124与地面应答器112无线连接；地面电子单元111与环形模块123无线连接。

如上所述，本发明实施例采用周期性与触发性(如通过地面设备接收到新的线路信息)刷新目标速度运行曲线，从而提高控制精度。刷新周期可根据列车实际情况进行设置，周期越短控制精度越高，但会增加系统的运算量；周期越长，则控制精度越低。触发性刷新的触发条件有如下几种：

(1).如上所述，当列车运行至地面设备110时，将会接收到最新的数据，此时会触发速度控制单元刷新目标速度运行曲线；

(2).如上所述，通过减法器204将得到当前位置目标速度与列车实际运行速度的差值，当该数值的绝对值大于临界数值时(本实例取5km/h)，将触发速度控制单元刷新目标速度运行曲线。

图3所示的是有效速度限制速度曲线的示意图。有效速度限制速度曲线通过综合MRSP和行车许可信息得到。例如MRSP覆盖线路的长度为0-10km，行车许可覆盖线路的长度为0-6km，则得到的有效速度限制速度曲线覆盖的长度为0-6km；反之亦然。参照图3对有效速度限制速度曲线进行解释，在0km到1km之间的线路列车被允许以小于等于60km/h的速度运行，当列车运行速度大于该数值则系统将报警提示；在1km到2km之间的线路列车被允许以小于等于90km/h的速度运行，当列车运行速度大于该数值则系统将报警提示；同理可对2km到6km进行解释。

其中，当列车行驶至有效速度限制速度曲线的终点(此实例为6km处)时，如没接收到最新的有效速度限制速度曲线信息，则列车将停止。

当列车速度控制单元126从列车自动防护单元125(ATP)处接收到最新的速度限制信息以及行车许可时，将自动生成有效速度限制速度曲线，如图3所示；目标速度运行曲线规划子单元202接收到有效速度限制速度曲线，并根据列车运行时间、线路信息、列车固有属性以及行车的准时性、舒适性、节能性自动规划目标速度运行曲线；减法器204将最新生成的目标速度运行曲线得到推荐目标速度减去列车当前运行速度，得到二者的速度差；输入至基于专家控制的控制器203，最后输出牵引/制动命令，控制列车速度。

一种基于上述系统进行列车运行速度规划与控制的方法，包括下列步骤：

S1：当列车运行至地面设备110安装的位置时，地面设备110(地面电子单元111和地面应答器112)向地面设备应答单元(环线模块123、应答器接收模块124)发送包括线路坡度、前方线路限速信息、前方线路列车占用情况等最新线路信息；

S2：地面应答单元(环线模块123、应答器接收模块124)将接收到的线路信息传输给列车自动防护单元125；速度计121将检测到的列车的实际运行速度传输给列车自动防护单元125；人机界面122显示列车运行状况，并将人工控制命令传输给列车自动防护单元125。

S3：列车自动防护单元从速度计、人机界面、地面设备应答单元接收到的列车当前运行速度、列车运营时间、前方线路限速信息、前方线路占用情况、前方线路坡度等线路数据以及列车固有属性等数据；将该些信息进行处理后将列车行驶位置、列车运营时间、当前行驶速度、列车固有属性、线路数据、速度限制信息以及行车许可发送至速度控制单元；

S4：速度控制单元接收由列车自动防护单元发送过来的数据信息，并利用该些数据信息并结合行车的舒适性、准时性、节能性的要求规划出最新的目标速度曲线，进而生成输出牵引/制动命令给牵引/制动单元；

S5：牵引/制动模块接收由速度控制单元发送的牵引/制动命令，并按照命令控制列车实际运行速度。

其中，所述步骤S4进一步包括：

S41：数据输入子单元接收列车自动防护单元发送过来的数据信息，并对该些数据信息进行预处理；

数据输入子单元接收的列车自动防护单元发送过来的数据信息，至少包括：列车行驶位置、列车运营时间、当前行驶速度、列车固有属性、线路数据、速度限制信息以及行车许可。

S42：目标速度运行曲线规划子单元接收从数据输入子单元发送过来的信息；并利用该些信息，根据准时性、舒适性、节能性的要求规划出以距离为横坐标的目标速度运行曲线；

S43：减法器将当前位置目标速度减去列车实际运行速度，并作为基于专家控制的控制器的输入信息；

S44：基于专家控制的控制器根据减法器输入的当前位置列车实际运行速度与目标速度的差值，对照专家知识库输出合适的牵引/制动命令。

其中，所述步骤S42进一步包括：

S421：列车自动防护单元接收到最新的速度限制信息以及行车许可，并综合相关信息获得有效速度限制速度曲线；该曲线被输送给数据输入子单元。

S422：目标速度规划子单元202接收到有效速度限制速度曲线，在保证安全余量的基础上，即与有效速度限制速度曲线保持5km/h的速度差，规划出最短用时的运行曲线，并计算出最短耗时为T_MIN；如图5虚线所示，其中501至506的值都是5km/h。根据有效速度限制速度曲线计算。按照有效速度限制速度曲线最快的速度运行需要的时间即为最短耗时T_MIN。

S423：设定运营时间T_SET，经列车自动防护单元125发送至速度控制单元126的数据输入子单元201；

其中T_SET实际为剩下路段列车计划运营时间，即计划运营时间减去已经运行时间的差。

其中设定运营时间T_SET有很多方式，本实施例采用人工界面输入。具体实施时，其还可以通过别的方式实现，如通过地面应答器或者环形模块设定，本发明不对其作出限定。

S424：根据T_SET和T_MIN关系，目标速度规划子单元输出目标速度运行曲线：

如图4，如果剩下路段列车计划运营时间充沛，即T_SET≥T_MIN，则目标速度运行曲线规划子单元202将根据准时性、节能性、舒适性的要求自动规划运行曲线，如上所述，采用的策略是：

目标速度运行曲线需要降低运营速度，即远离有效速度限制速度曲线，并得到新的目标速度曲线对应的最短耗时Trun，具体做法为：

每次削减一定量目标速度运行曲线的尖峰，即每次都使目标速度运行曲线的最大运行速度值减去一个定值；如果新的目标速度曲线对应的最短耗时Trun仍小于计划运营时间，则再次削减一定量目标速度运行曲线的尖峰，直到|T_run-T_set|≤1s，则输出目标速度曲线。

本实例将该值取1km/h，即每次使501至506中一个或多个加1km/h，如果目标速度曲线用时仍小于计划运营时间，则再次削减一定量目标速度运行曲线的尖峰，直到目标速度曲线用时于计划运营时间的差值小于1s。

如果剩下路段列车计划运营时间不足，即T_SET＜T_MIN，则系统报警提示无法准点到达，并给出最短运营时间T_MIN。

最后输出目标速度运行曲线，如图5实线所示。

由上文可见，本发明提供的目标速度运行曲线规划方法的核心是规划出最短用时的运行曲线。以此为基础，再考虑准时性、节能性的要求，规划出目标速度运行曲线。通过分析有效速度限制速度曲线，以每一段有效限制速度单位，本发明总结出4类速度运行曲线模式，如图6a至图6d所示。

模式一：

如图6a和6b所示，当有效速度限制速度曲线的当前段限速大于前一段限速，同时大于下一段限速，即v1＜v2且v3＜v2时，列车运行速度曲线模式有两种可能。在当前安全余量601的值(本实例中取5km/h)不变的前提下，根据列车的牵引/制动特性，其加速、减速距离的和小于当前限速段长度时，列车运行速度曲线模式如图6a所示，根据列车实际的牵引/制动特性计算得到AB段加速运行曲线和CD段减速运行曲线，剩下BC段位恒速牵引部分；在当前安全余量602的值(本实例中取5km/h)不变的前提下，根据列车的牵引/制动特性，其加速、减速距离的和大于等于当前限速段长度时，列车运行速度曲线模式如图6b所示，此时需要寻找合适的安全余量602数值，寻找过程如图10所示，首先在当前安全余量602为5km/h的前提下，根据列车的牵引/制动特性计算加减速距离S_ac和S_de的值；然后转入到步骤703，与限速段长度S作比较，当S_ac+S_de≤S时，则转入步骤704输出寻找到合适的安全余量值；当S_ac+S_de＞S时，转入步骤705，使安全余量604加上1km/h，根据列车的牵引/制动特性计算此时加减速距离S_ac和S_de的值，再次转入步骤703与限速段长度S作比较，直到输出合适的安全余量602。

模式二：

如图7a和7b所示，当有效速度限制速度曲线的当前段限速大于前一段限速，同时小于下一段限速，即v1＜v2＜v3时，列车运行速度曲线模式有两种可能。在当前安全余量603的值(本实例中取5km/h)不变的前提下，根据列车的牵引特性，其加速距离小于当前限速段长度时，列车运行速度曲线模式如图7a所示，由列车实际的牵引特性计算得到AB段运行曲线，剩下BC段位恒速牵引部分；在当前安全余量604的值(本实例中取5km/h)不变的前提下，根据列车的牵引特性，其加速距离大于等于当前限速段长度时，列车运行速度曲线模式如图7b所示，此时需要寻找合适的安全余量602数值，寻找过程与模式一相同。

模式三：

如图8所示，当有效速度限制速度曲线的当前段限速小于前一段限速，同时小于下一段限速，即v2＜v1且v2＜v3时，列车运行速度曲线模式只有一种可能，即恒速运行。

模式四：

如图9a和9b所示，当有效速度限制速度曲线的当前段限速小于前一段限速，同时大于下一段限速，即v3＜v2＜v1时，列车运行速度曲线模式有两种可能。在当前安全余量605的值(本实例中取5km/h)不变的前提下，根据列车的制动特性，其减速距离小于当前限速段长度时，列车运行速度曲线模式如图9a所示，由列车实际的制动特性计算得到BC段运行曲线，剩下AB段为恒速牵引部分；在当前安全余量606的值(本实例中取5km/h)不变的前提下，根据列车的制动特性，其减速距离大于等于当前限速段长度时，列车运行速度曲线模式如图9b所示，此时需要寻找合适的安全余量606的数值，寻找过程与模式一相同。

图11a和11b介绍了根据上述方法规划最短用时运行曲线。在0km-1km限速段，根据前后限速段信息可知套用模式二对曲线进行规划，并根据列车的牵引/制动特性计算列车在该限速段运行所需时间；在1km-2km限速段，根据前后限速段信息可知套用模式一对曲线进行规划，并根据列车的牵引/制动特性计算列车在该限速段运行所需时间。依次类推即可得到图11a所示的最短用时运行曲线以及最短运行时间T_MIN。下面在图11a的基础上讨论一种特殊情况，其它特殊情况可参照本情况进行解释，如图11b所示，2km-3km限速段的限速至由50km/h下调至40km/h。在0km-1km限速段，根据前后限速段信息可知套用模式二对目标曲线进行规划，并根据列车的牵引/制动特性计算列车在该限速段运行所需时间；在1km-2km限速段，根据前后限速段信息可知套用模式二对目标曲线进行规划，由于下一限速段限速值下调至40km/h，列车减速距离随之增加，导致在当前安全余量802为5km/h的条件下，加、减速距离大于本限速段长度，故需要增加本限速段的安全余量802，寻找合适的安全余量值，进而根据列车的牵引/制动特性对曲线进行规划，并计算列车在该限速段运行所需时间；同理得到3km-4km限速段运行曲线。依次类推即可得到图11b所示的最短用时运行曲线(实线)以及最短运行时间T_MIN。

在得到最短用时目标速度曲线的基础上，参照图4所示流程即可得到满足准时性、节能性的目标速度运行曲线，由于上文已经对该过程进行描述，此处不再复述。

由图2所示，速度控制单元将从目标速度曲线得到列车运行的目标速度与列车此时实际运行速度做差的结果作为控制器的输入，依据专家知识输出牵引/制动命令，从而控制列车实际运行。本实例给出了一种基于专家知识的模糊控制命令集，如下表所示。相关领域的技术人员可以根据不同列车的实际特性进行知识库的开发工作。

下面表1为模糊控制命令集。

表1模糊控制命令集

采用本模糊控制可以得到较好的跟踪效果，如图12所示，其中光滑曲线为目标速度曲线，附在其上面的波浪形曲线为列车实际运行曲线。

本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种列车运行速度规划与控制系统，其特征在于，包括列车行驶接近的地面设备、安装在列车上的车载设备；所述地面设备，用于向车载设备提供至少包括线路坡度、前方线路限速信息、前方线路列车占用情况的线路信息；所述车载设备，用于接收地面设备提供的线路信息，并对列车运行速度进行规划和控制；

所述车载设备，进一步包括：速度计、人机界面、地面设备应答单元、列车自动防护单元、速度控制单元、牵引/制动单元，其中：

速度计，与列车自动防护单元连接，其用于检测列车的实际运行速度，并通过列车自动防护单元传送至速度控制单元；

人机界面，与列车自动防护单元连接，其用于显示列车运行状况，并用于向所述规划与控制系统发送人工控制命令；

地面设备应答单元，分别与地面设备和列车自动防护单元连接；其用于接收地面设备提供的线路信息，并将线路信息传输给列车自动防护单元；

列车自动防护单元，分别与速度计、人机界面、地面设备应答单元以及速度控制单元连接；其用于接收由速度计、人机界面、地面设备应答单元、传送来的数据信息，且对该些数据信息进行处理后发送至速度控制单元；

速度控制单元，分别与列车自动防护单元和牵引/制动单元连接；其用于接收由列车自动防护单元发送过来的数据信息，利用该些数据信息并结合行车的舒适性、准时性、节能性的要求规划出目标速度曲线，进而生成牵引/制动命令，并把该命令传送至牵引/制动单元；

牵引/制动模块，与速度控制单元连接；其用于接收由速度控制单元发送的牵引/制动命令，控制列车实际运行速度。

2.根据权利要求1所述的一种列车运行速度规划与控制系统，其特征在于，所述速度控制单元，进一步包括：

数据输入子单元、目标速度运行曲线规划子单元和基于专家控制的控制器、减法器，其中：

数据输入子单元，用于接收列车自动防护单元发送过来的数据信息，并对该些数据信息进行预处理；

目标速度运行曲线规划子单元，用于接收从数据输入子单元发送过来的信息；并利用该些信息，根据准时性、舒适性、节能性的要求规划出以距离为横坐标的目标速度运行曲线；

减法器，用于将当前位置目标速度减去列车实际运行速度，并作为基于专家控制的控制器的输入信息；

基于专家控制的控制器，用于根据当前位置列车实际运行速度与目标速度的差值，对照专家知识库输出合适的牵引/制动命令。

3.根据权利要求1所述的一种列车运行速度规划与控制系统，其特征在于，列车行驶接近的地面设备包括以下一种或两种类型：地面电子单元和地面应答器。

4.根据权利要求3所述的一种列车运行速度规划与控制系统，其特征在于，所述地面设备应答单元包括以下一种或两种类型：应答器接收模块、环线模块；所述应答器接收模块与所述地面应答器无线连接；所述地面电子单元与所述环形模块无线连接。

5.一种基于权利要求1或2所述系统进行列车运行速度规划与控制的方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1：列车经过所述地面设备安装的位置，地面设备向地面设备应答单元提供至少包括线路坡度、前方线路限速信息、前方线路列车占用情况的线路信息；

S2：地面应答单元将接收到的线路信息传输给列车自动防护单元；速度计将检测到的列车的实际运行速度传输给列车自动防护单元；人机界面显示列车运行状况，并将人工控制命令传输给列车自动防护单元；

S3：列车自动防护单元将从速度计、人机界面、地面设备应答单元接收到的数据信息进行处理，并将该些处理过的数据信息发送至速度控制单元；

S4：速度控制单元接收由列车自动防护单元发送过来的数据信息，利用该些数据信息并结合行车的舒适性、准时性、节能性的要求规划出目标速度曲线，进而生成输出牵引/制动命令，并把该命令传送至牵引/制动单元；

S5：牵引/制动模块接收由速度控制单元发送的牵引/制动命令，并按照命令控制列车实际运行速度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

S41：数据输入子单元接收列车自动防护单元发送过来的数据信息，并对该些数据信息进行预处理；

S42：目标速度运行曲线规划子单元接收从数据输入子单元发送过来的信息；利用该些信息，并根据准时性、舒适性、节能性的要求规划出以距离为横坐标的目标速度运行曲线；

S43：减法器将当前位置目标速度减去列车实际运行速度，并作为基于专家控制的控制器的输入信息；

S44：基于专家控制的控制器根据减法器输入的当前位置列车实际运行速度与目标速度的差值，对照专家知识库输出合适的牵引/制动命令。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S41中，数据输入子单元接收的列车自动防护单元发送过来的数据信息，至少包括：

列车行驶位置、列车运营时间、当前行驶速度、列车固有属性、线路数据、速度限制信息以及行车许可。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤S42进一步包括：

S421：列车自动防护单元接收到最新的速度限制信息以及行车许可，并综合相关信息获得有效速度限制速度曲线；该曲线被输送给数据输入子单元；

S422：目标速度规划子单元接收到有效速度限制速度曲线，在保证安全余量的基础上，规划出最短用时的运行曲线，并计算出最短耗时为T_MIN；

S423：设定运营时间T_SET，经列车自动防护单元发送至速度控制单元的数据输入子单元；

S424：根据T_SET和T_MIN关系，目标速度规划子单元输出目标速度运行曲线。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S424进一步包括：

如果T_SET≥T_MIN，则目标速度运行曲线规划子单元将根据准时性、节能性、舒适性的要求自动规划运行曲线；

如果T_SET＜T_MIN，则系统报警提示无法准点到达，并给出最短运营时间T_MIN。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，

所述步骤S424还包括：

当T_SET≥T_MIN时，目标速度运行曲线需要降低运营速度，即远离有效速度限制速度曲线，并得到新的目标速度曲线对应的最短耗时Trun，具体做法为：

每次削减一定量目标速度运行曲线的尖峰，即每次都使目标速度运行曲线的最大运行速度值减去一个定值；如果新的目标速度曲线对应的最短耗时Trun仍小于计划运营时间，则再次削减一定量目标速度运行曲线的尖峰，直到|T_run-T_set|≤1s，则输出目标速度曲线。

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