CN102951189A - 基于安全车距实时标定的高速列车跟驰运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于安全车距实时标定的高速列车跟驰运行控制方法，包括以下步骤：1)后车计算绝对安全车距；2)根据采取的制动模式调整安全车距；3)将安全车距与实际车距进行比较，判断是否为最佳跟驰状态，若为是，则返回步骤1)，继续循环执行；若为否，则执行步骤4)；4)根据实际车距与安全车距选取最优的控制策略；5)按照最优的控制策略对列车进行控制，将实际车距调整至安全车距后，返回步骤1)，继续循环执行。与现有技术相比，本发明能够利用高速列车跟驰运行动态信息，在全速域范围内对跟驰行为进行科学调整，通过列车间隔的动态控制，达到列车安全、高效跟驰运行的目的。

Description

基于安全车距实时标定的高速列车跟驰运行控制方法

技术领域

本发明涉及铁路运输列车运行控制技术领域，尤其是涉及一种基于安全车距实时标定的高速列车跟驰运行控制方法。

背景技术

目前，世界范围内轨道交通领域的列车运行控制(以下简称“列控”)技术，从速度控制方式来看，主要有分级速度控制和目标距离速度控制两种模式。

分级速度控制模式，以一个闭塞分区为单位，根据列车运行的速度分级，对列车运行进行速度控制。该模式下列车追踪间隔主要与闭塞分区的划分、列车性能和速度有关，由于闭塞分区长度以列车性能与线路参数来确定的，只有闭塞分区空闲或列车出清该闭塞分区，才可能允许后续列车驶入，故线路运能的充分利用受到很大的限制。采用分级速度控制模式的典型列控系统主要有法国U/T(UM71/TVM300，UM71/TVM430，)系统、日本ATC(AutomaticTrain System)系统等。

目标距离速度控制模式，为连续式一次制动速度控制方式，即根据目标距离、目标速度及列车本身的性能、状态确定列车制动曲线。连续式一次速度控制模式若以前方列车占用的闭塞分区人口为追踪目标点，则为准移动闭塞；若以前方列车的尾部为追踪目标点，则为移动闭塞。采用目标距离速度控制模式的典型列控系统主要有欧洲ETCS(European Train Control System)列控系统和德国LZB列控系统，以及我国的CTCS-2级(Chinese Train Control System Level 2)和CTCS-3级列控系统等。

由于跟驰运行过程中，后车追踪运行的目标点会随着前车的移动而移动，“基于目标距离速度控制模式的连续式一次制动曲线”也会随着目标点的移动而向前推进，后车一般会按正常的速度行驶，间或根据线路状况进行相应的行为调整，或者与前车的相对位置发生某种对安全行车不利的变化而触发自身按“一次连续制动曲线”减速运行；只要前车恢复正常速度继续向前行驶，待目标点前移至与后车合理的位置处，后车也将会逐渐恢复正常的跟驰运行状态；若前车减速停车，后车也将按“一次连续制动曲线”减速运行直至停车。

目标距离速度控制模式，相对于分级速度控制模式而言，在安全行车前提下对线路运能的利用有进一步的提高，在欧美、日本等先进国家，以及我国的轨道交通领域得到了非常广泛的应用。但目前以前方列车的尾部为追踪目标点的“移动闭塞”只在城市轨道交通中有运用，铁路系统中尚无运用实例。我国CTCS-3级列控系统为准移动闭塞技术。

城市轨道交通领域虽有移动闭塞技术的应用，但其列控技术还不能直接移植到铁路领域，必须根据我国特有的国情、路情，研究铁路移动闭塞条件下的高速列车全速域跟驰运行控制理论与技术，主要原因在于，与城市轨道交通系统相比，铁路运输系统具有自身的特点：

(1)我国幅员辽阔、地质地形复杂，铁路运输网络纵横交错，拓扑结构极其复杂，不可能像城市轨道交通那样，几乎每条线路封闭运行；另一方面，资源丰富但分布不均，以及各地区经济发展不平衡，造成追踪运行的前后列车在牵引、制动性能与牵引重量往往也差别较大。

(2)铁路系统运输组织远较城市轨道交通系统复杂。解体、编组、越行、避让或转线运行等运输作业，在铁路领域司空见惯，追踪不同的列车或被不同的列车追踪，属于高速列车运行过程中的常态。

(3)城市轨道交通系统专事旅客运输业务，列车采取分散动力牵引方式；铁路领域客、货运输兼重，除客运专线外，大部分线路仍然客、货列车混跑，且集中动力牵引方式与分散动力牵引方式并存。

(4)铁路运输不仅在列车牵引重量上远超城市轨道交通，而且在运行速度上也远大于后者。城市轨道交通系统中，列车运行速度一般在0～60km/h；铁路领域高速列车的时速可达350km，甚至更高。

显然，城市轨道交通系统的列车追踪运行控制技术，不论是从速域考虑，还是从追踪运行控制的复杂性来看，都不能简单地移植到铁路运输中去。

基于目标距离速度控制模式的连续式一次制动曲线，在铁路领域与城市轨道交通系统均有广泛的应用，包括为城市轨道交通“移动闭塞系统”所采用。“基于目标距离速度控制模式的一次连续制动曲线”的先进性毋庸置疑，但并不是完美无缺。不足之处在于：

(1)目标距离速度控制模式下的连续式一次制动曲线，秉承“安全第一”的原则，把“制动”放在列车运行控制的首要位置，但没有兼顾应提高行车效率时的加速运行情况；

(2)高速列车行为调整的智能主体地位没有得到充分体现，这对于移动闭塞系统中列车跟驰运行控制是非常重要的一环。后车跟驰运行过程中受前车行为的制约，当自身运行状态、自身与目标点的距离等因素触发“一次连续制动曲线”发生作用时，后车将按“一次连续制动曲线”减速运行，如果后车减速运行过程中与目标点的距离不再呈现“扩大”的趋势，后车应与前车保持同样的速度匀速行驶，或者继续减速运行直至停车。如果后车减速运行过程中与目标点的距离重新呈现出“扩大”的趋势，仅靠“目标距离速度控制模式下的连续式一次制动曲线”，显然难以实现后车运行状态的科学调整以达到安全、高效跟驰运行的目的。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术存在的缺陷，为未来铁路移动闭塞系统提供一种安全、高效的高速列车跟驰运行控制方法。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于安全车距实时标定的高速列车跟驰运行控制方法，该方法包括以下步骤：

1)后车根据自身运行状态调整过程中的安全性、高效性和平稳性需求，计算自身当前速度下应与前车保持的绝对安全车距；

2)根据采取的制动模式，判断是否对绝对安全车距进行调整：若为相对制动模式，则根据绝对安全车距计算当前的相对安全车距，再执行步骤3)，若为绝对制动模式，则直接执行步骤3)；

3)将安全车距与实际车距进行比较，判断是否为最佳跟驰状态，若为是，则返回步骤1)，继续循环执行；若为否，则执行步骤4)；

4)根据实际车距与安全车距选取最优的控制策略；

5)按照最优的控制策略对列车进行控制，将实际车距调整至安全车距后，返回步骤1)，继续循环执行。

所述的安全车距为：

d＝d₂+Δd-d₁    (1)

其中，d₁为前车的制动距离，d₂为后车的制动距离，d为前车与后车的安全车距，Δd为保证安全行车所必须的富裕间隔。

所述的制动模式包括绝对制动模式和相对制动模式，绝对制动模式中前车的制动距离d₁＝0，所述的相对制动模式中前车的制动距离d₁≠0。若后车可获取前车的性能参数、当前位置、运行状态和控制策略信息，则采用相对制动模式；若后车只能获取前车当前位置或自身为定点停车运行状态，则采用绝对制动模式。

绝对制动模式下的安全车距为绝对安全车距d_Absolute，根据以下公式计算：

d_Absolute＝d₂+Δd

相对制动模式下的安全车距为相对安全车距d_Relative，根据以下公式计算：

d_Relative＝d_Absolute-d₁

步骤2)中高速列车采取相对制动模式时，在当前绝对安全车距的基础上，根据前车的当前位置、运行状态和控制策略信息，计算当前应与前车保持的相对安全车距。

步骤4)中，首先根据实际车距与安全车距由控制策略库中获取多种控制策略，然后根据获取的多种控制策略仿真计算列车动态行为，并进行安全性和高效性的评估，获取安全性和高效性综合最优的控制策略。

与现有技术相比，本发明基于动态安全车距的实时标定技术，确定复杂运输情况下高速列车安全、高效跟驰运行应遵循的车距标准以后，对跟驰运行过程中自身的行为质量做出评估，再根据评估结果确定行为调整的控制策略，并加以实施，能够为复杂运输环境中不同速度情况下高速列车的安全、高效跟驰运行奠定基础。

附图说明

图1为高速列车跟驰运行的一般情形示意图；

图2为跟驰稳态被打破后，后车的适应性行为调整过程示意图；

图3为基于绝对制动模式的跟驰运行控制方法流程图；

图4为基于相对制动模式的跟驰运行控制方法流程图；

图5为动态安全车距实时标定及列车运行控制示意图；

图6为高速列车跟驰运行控制系统框图；

图7为仿真结果图，其中(a)为前车和后车跟驰运行的V-t曲线，(b)为后车的控制律a₂-t曲线，(c)为前车和后车的速度与当前位置的关联曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图1描述了高速列车跟驰运行的一般情形，后车Train2跟随前车Train1向前跟驰运行过程中，二者的速度可能并不完全一致，需要在任何时刻确保后车Train2的跟驰行为是安全和高效的。因此可以通过一种基于安全车距实时标定的高速列车跟驰运行控制方法来实现后车安全、高效跟驰运行，该方法中列车的制动模式包括绝对制动模式和相对制动模式，绝对制动模式下的安全车距为绝对安全车距d_Absolute，相对制动模式下的安全车距为相对安全车距d_Relative，具体包括以下步骤：

1)后车根据自身运行状态调整过程中的安全性、高效性和平稳性需求，计算自身当前速度下应与前车保持的绝对安全车距d_Absolute，其计算公式如下；

d_Absolute＝d₂+Δd

其中，d₂为后车的制动距离，Δd为保证安全行车所必须的富裕间隔。

2)根据采取的制动模式，判断是否对安全车距进行调整：若为绝对制动模式，则直接执行步骤3)；若为相对制动模式，则后车在当前绝对安全车距的基础上，根据前车当前位置、运行状态和控制策略等信息，进一步计算当前相对安全车距d_Relative，再执行步骤3)。

相对安全车距d_Relative的计算公式如下：

d_Relative＝d_Abeolute-d₁

其中，d₁可根据前车当前位置、运行状态和控制策略等信息计算而得。

3)将安全车距与实际车距进行比较，判断是否为最佳跟驰状态，若为是，则返回步骤1)，继续循环执行；若为否，则执行步骤4)。

前车Train1、后车Train2保持匀速和固定车距安全、高效跟驰运行的状态称之为“稳态跟驰”或“最佳跟驰状态”，否则称之为“暂态跟驰”。图2描述了失去稳态跟驰状态情况下后车Train2的适应性行为调整过程。

4)根据实际车距与安全车距选取最优的控制策略；

5)按照最优的控制策略对列车进行控制，将实际车距调整至安全车距后，返回步骤1)，继续循环执行。

基于绝对制动模式和相对制动模式的跟驰运行控制算法分别如图3和图4所示。图5描述了后车Train2跟随前车Train1运行过程中动态安全车距实时标定及列车行为调整的控制原理。其中：a₁、a₂分别为前、后车的加速度；V₁₀、V₂₀分别为前、后车的初始速度；V₁、V₂分别为前、后车当前速度；S₁₀、S₂₀分别为前、后车变速运行前的初始位置；S₁、S₂分别为前、后车当前位置；S为前、后车之间的当前实际车距。后车Train2可以根据当前实际车距S和安全、高效跟驰运行应保持的安全车距d，对自身行为的安全性、高效性做出判断，再结合前后两车的当前运行速度，就可以进行控制律的动态计算。

高速列车跟驰运行控制系统见图6所示。高速列车能够根据自身减速停车时采取的制动模式，实时确定跟驰运行过程中应与前车保持的最佳车距为何，并基于当前两车的性能和运行状态，经安全性、高效性综合评估后，确定最佳的行为调整策略，最后实施控制策略。

对本发明的控制方法进行仿真，假设前车Train1和后车Train2以300km/h的速度和10965.40m的车距匀速跟驰运行；前车Train1首先加速运行，加速度为0.2m/s²；至速度350km/h时，前车Train1匀速运行60s；然后，以加速度-0.8m/s²减速运行至停车。图7为后车Train2跟随前车Train1运行，以安全运行和线能充分利用为目的，针对前车Train1行为变化作出相应的行为调整的仿真情况。其中，前车Train1和后车Train2的行为描述见图7(a)所示。图7(b)为后车Train2控制策略计算情况，从图7(c)还可以看出，后车Train2的行为调整能够随着跟驰速度的变化对列车间隔进行合理的动态调整，实现了安全、高效运行。

Claims (5)

1.一种基于安全车距实时标定的高速列车跟驰运行控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： 

1)后车根据自身运行状态调整过程中的安全性、高效性和平稳性需求，计算自身当前速度下应与前车保持的绝对安全车距； 

2)根据采取的制动模式，判断是否对绝对安全车距进行调整：若为相对制动模式，则根据绝对安全车距计算当前的相对安全车距，再执行步骤3)，若为绝对制动模式，则直接执行步骤3)； 

3)将安全车距与实际车距进行比较，判断是否为最佳跟驰状态，若为是，则返回步骤1)，继续循环执行；若为否，则执行步骤4)； 

4)根据实际车距与安全车距选取最优的控制策略； 

5)按照最优的控制策略对列车进行控制，将实际车距调整至安全车距后，返回步骤1)，继续循环执行。 

2.根据权利要求1所述的一种基于安全车距实时标定的高速列车跟驰运行控制方法，其特征在于，所述的安全车距为： 

d＝d₂+Δd-d₁    (1) 

其中，d₁为前车的制动距离，d₂为后车的制动距离，d为前车与后车的安全车距，Δd为保证安全行车所必须的富裕间隔。 

所述的制动模式包括绝对制动模式和相对制动模式，绝对制动模式中前车的制动距离d₁＝0，所述的相对制动模式中前车的制动距离d₁≠0。若后车可获取前车的性能参数、当前位置和运行状态信息，则采用相对制动模式；若后车只能获取前车当前位置或自身为定点停车运行状态，则采用绝对制动模式。 

3.根据权利要求2所述的一种高速列车跟驰运行全速域安全车距标定方法，其特征在于，绝对制动模式下的安全车距为绝对安全车距d_Absolute，根据以下公式计算： 

d_Absolute＝d₂+Δd 

相对制动模式下的安全车距为相对安全车距d_Relative，根据以下公式计算： 

d_Relative＝d_Absolute-d₁。

4.根据权利要求3所述的一种高速列车跟驰运行全速域安全车距标定方法， 其特征在于，步骤2)中高速列车采取相对制动模式时，在当前绝对安全车距的基础上，根据前车的当前位置、运行状态和控制策略信息，计算当前应与前车保持的的相对安全车距。 

5.根据权利要求1所述的一种高速列车跟驰运行全速域安全车距标定方法，其特征在于，步骤4)中，首先根据实际车距与安全车距由控制策略库中获取多种控制策略，然后根据获取的多种控制策略仿真计算列车动态行为，并进行安全性和高效性的评估，获取安全性和高效性综合最优的控制策略。 

Images