CN102955884A - 一种高速列车跟驰运行全速域安全车距标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速列车跟驰运行全速域安全车距标定方法，包括以下步骤：1)后车根据拟合函数计算绝对制动模式下的绝对安全车距；2)后车根据制动模式对安全车距进行调整；3)后车根据跟驰运行过程中采取的制动模式，确定自身与前车应保持的安全车距后，进一步确定与其对应的跟驰控制策略；4)后车根据该跟驰控制策略对运行状态进行调整，直至达到所述的安全车距。与现有技术相比，本发明以列车运行状态、列车实际间距等因素为约束条件，能够获取不同制动模式下、全速域范围内的最佳安全车距，有助于高速列车在复杂运输环境中采取合理的跟驰控制策略，保证跟驰运行的安全性和高效性。

Description

一种高速列车跟驰运行全速域安全车距标定方法

技术领域

本发明涉及铁路运输列车运行控制技术，尤其是涉及一种高速列车跟驰运行全速域安全车距标定方法。

背景技术

我国铁路当前最先进的列车运行控制技术(简称“列控技术”)以京沪高速铁路的CTCS-3级列车运行控制系统(简称“列控系统”)为代表，属于“准移动闭塞系统”范畴，根据我国铁路列控技术发展战略，未来将进一步过渡到采用“移动闭塞技术”的CTCS-4级列控系统；然而，在“CTCS-3级列控系统”向“CTCS-4级列控系统”的过渡过程中，存在着许多关键性技术难题需要攻克；目前，在世界范围内还鲜有“铁路移动闭塞系统”的报道。

移动闭塞系统完全取消了传统固定闭塞系统以轨道电路区段和地面信号机对列车进行定位、导航的行车模式，代之以精确定位、导航技术；与固定闭塞系统相比；移动闭塞系统中列车间隔呈现出“移动”和“长度变化”的特征，因为高速列车跟驰运行过程中，从安全角度考虑，列车间隔不能太小，从线路运能的充分利用来讲，列车间隔有不能太大；高速列车在跟驰运行过程中，必须随时根据自身的速度、应与前车保持的安全车距，以及当前与前车的实际车距等诸多因素，通过调整自身运行状态，来实现对列车间隔的控制，从而达到安全、高效跟驰运行的目的。由于不同速度条件下高速列车的制动距离不一样，应与前车保持的距离也有所不同，如何实时确定其安全跟驰车距，无疑是高速列车跟驰运行过程中科学调整自身行为实现安全、高效跟驰运行必须遵循的重要依据之一。

对安全车距进行标定，必须遵循“安全第一的原则”，首先考虑列车全速域范围内的跟驰运行安全问题；对安全车距进行标定，不能仅仅考虑安全，还应在确保安全行车的前提下考虑线路运行能的充分利用问题，即安全车距不宜过大；安全车距的标定，应以安全、高效行车为目标，紧密结合列车性能、线路状况、列车运行状态、列车运行控制策略等诸多因素。

安全车距的标定，为高速列车安全、高效跟驰运行提供了可以遵循的依据；但是，最后标定的安全车距，仅为有限数据的集合。高速列车行为调整，由于自身惯性，其速度是连续变化，需要在列车运行状态动态变化过程中解决全速域范围内安全车距的标定问题。

高速列车跟驰运行过程中全速域安全车距动态、实时标定技术，是移动闭塞系统中高速列车在不同速度条件下均能实现安全、高效和平稳(舒适)运行的关键与核心技术之一。移动闭塞条件下高速列车在跟驰运行过程中对自身行为的科学调整，必须建立在全速域动态安全车距实时标定的基础之上。因此，如何在列车运行过程中对安全车距进行实时、动态和合理标定，将决定能否为高速列车自身行为调整提供优化目标与科学的依据。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以在保证高速列车跟驰运行的安全性前提下有助于提高线路运能利用程度的的全速域安全车距标定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种高速列车跟驰运行全速域安全车距标定方法，包括以下步骤：

1)后车根据绝对安全车距关于车速的拟合函数计算绝对制动模式下的绝对安全车距；

2)若后车采取相对制动模式，则根据前车的性能参数、当前位置、运行状态和控制策略诸信息，对步骤1)中得到的安全车距进行相应的调整，获取当前应与前车保持的相对安全车距，然后执行步骤3；若后车采取绝对制动模式，则直接执行步骤3)；

3)后车根据跟驰运行过程中采取的制动模式，确定自身与前车应保持的安全车距后，进一步确定与其对应的跟驰控制策略；

4)后车根据跟驰该控制策略对运行状态进行调整，直至达到所述的安全车距。

列车的安全车距为：

d＝d₂+Δd-d₁

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，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诸信息，则采用相对制动模式，该制动模式下对应的安全车距为相对安全车距，若后车只能获取前车的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，该模式下对应的安全车距为绝对安全车距。

在绝对制动模式下确定安全车距的具体过程包括以下步骤：

A)建立绝对安全车距的数学模型，并结合高速列车跟驰运行的实际情况加以验证，在全速域范围内对不同车速条件下的绝对安全车距进行标定，建立绝对安全车距关于车速的拟合函数，同时后车在性能参数允许范围内建立高速列车的控制策略库；

B)后车根据绝对安全车距关于车速的拟合函数，计算当前情况下后车与前车应保持的安全车距；

C)对在当前情况下安全车距与实际车距进行比较，确定安全性及高效性最好的控制策略。

在相对制动模式下确定安全车距的具体过程包括以下步骤；

a)后车通过无线通信链路获取前车的性能参数、当前位置、运行状态以及将要采取的控制策略；

b)后车接收到前车发送的信息后，基于当前绝对安全车距(即d₂+Δd)计算相对安全车距(即d＝d₂+Δd-d₁，前车加速运行情况下d₁按其当前运行状态下的紧急制动距离计算)，作为调整自身运行状态的依据之一；

c)后车对当前的相对安全车距与实际车距进行比较，结合自身性能参数、当前位置与运行状态确定当前最佳控制策略。

与现有技术相比，本发明以列车运行状态、列车实际间距等因素为约束条件，根据列车的不同制动模式及前、后列车的信息交流状况，在跟驰运行过程中对(绝对或相对)安全车距进行实时标定，获取当前跟驰状态下应保持的最佳车距，并根据相应的控制策略对列车的运行进行控制，以达到该安全车距，从而在保证高速列车跟驰运行安全性的前提下进一步提高线路运能的利用效率。

附图说明

图1为高速列车跟驰运行安全车距计算的示意图；

图2为高速列车减速运行控制策略曲线图，其中(a)为速度时间曲线图，(b)为加速度时间曲线图。

图3为安全车距关于后车车速的拟合曲线图；

图4为绝对制动模式下安全车距实时标定的示意图；

图5为相对制动模式下安全车距实时标定的示意图。

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

一种高速列车跟驰运行全速域安全车距标定方法，包括以下步骤：

第一步，确定不同制动模式下计算安全车距的总体框架。安全车距的计算如图1所示，设定前车为Train1，后车为Train2，两车保持一定间距并以速度v₀匀速行驶，当Train1减速时，Train2必须采取因应措施减速停车，设Train1减速开始时刻为初始时刻，那么d₁为Train1运行距离，d₂为Train2运行距离，d为两车之间的间隔，Δd为保证安全行车所必须的富裕间隔。

因此，跟驰运行速度v₀条件下的车距应为

d＝d₂+Δd-d₁                       (1)

绝对制动模式中前车的制动距离d₁＝0，称为“撞硬墙方式”，相对制动模式中前车的制动距离d₁≠0，称为“撞软墙方式”。因此，相对安全车距可在当前绝对安全车距的基础上进一步考虑前车运行状态和欲采取的控制策略计算而得。

然后，可以建立计算绝对安全车距的数学模型，该数学模型应能够准确描述经验司机驾车时列车减速运行过程的行为细节，并反映人们对列车减速运行过程的普遍期望；然后，结合高速铁路运输实践加以验证，实现对不同车速条件下的安全车距的静态标定。

高速列车减速停车的数学模型如式(2)所示：

v＝-(b+δ)*tanh(k*(t-τ))-b+v₀               (2)

式中，v₀、b、k、τ为大于0的常数，δ为大于0的微小增量常数，v为速度变量(停车时v＝0)，t为时间变量，tanh(*)表示双曲正切函数。

对式(2)求导可得列车减速运行过程中的加速度函数

$a=\frac{\mathrm{dv}}{\mathrm{dt}}=-k*(b+\mathrm{\δ})*(1-\tan h^2(k*(t-\mathrm{\τ})))---\left(3\right)$

由于tanh2(k*(t-τ))≤1，有

max(|a|)＝k*(b+δ)                        (4)

成立。显然，当t＝τ时，加速度a的绝对值最大。只要max(|a|)选择合理，就可以确保高速列车变速运行的舒适性和平稳性，使旅客感觉不到车体传递到人体的加速度，或使货物免受损坏。

当k＝k₁、k₂(0＜k₁＜k₂)时，可得相应的v-t曲线和a-t曲线，见图2所示(图中虚线表示的曲线为k＝k₁时的曲线沿横坐标轴平移而得)。

图2(a)描述了不同k值条件下由初速v₀+δ降至末速v₀-2b-δ匀速行驶的列车减速运动规律，其图形为关于点(τ，v₀-b)对称的单调函数(τ＝τ₁或τ＝τ₂)。当t→-∞时，v→v₀+δ，其加速度值趋于0；t→+∞时，v→v₀-2b-δ，其加速度值趋于0；整个变速运行过程存在加速度极值点，见图2(b)所示。

由于列车减速运行过程必须考虑工程化实现问题，为此在式(2)中引入了δ参数。可以看出，当δ确定后，不同k值条件下列车减速运行过程，即从初速v₀至末速v₀-2b，所花费的时间和运行的距离存在着“差异”；k值的大小与曲线的陡峭程度存在密切相关性，k值不仅体现了列车运行的效率和平稳程度，而且反映了列车在自身减速能力约束下所采取的控制策略，能够准确描述经验司机驾车行驶条件下列车减速运行过程的行为细节，以及人们对列车减速运行过程的普遍期望。

一般情形下的安全车距计算的数学模型见式(5)所示。

$d={\∫}_0^{T_2}{v}_2*\mathrm{dt}+\mathrm{\Δd}-{\∫}_0^{T_1}{v}_1*\mathrm{dt}---\left(5\right)$

其中，v₁、v₂可由式(2)给出，T₁、T₂分别为Train1、Train2由其各自的初速度v₁₀、v₂₀和末速度0以及速度-时间函数v₁、v₂计算而得，而且T₂包括Train2对Train1的行为变化做出反应的滞后时间。

建立计算绝对安全车距的数学模型，见式(6)所示。

$d_{\mathrm{Absolute}}={\∫}_0^{T_2}{v}_2*\mathrm{dt}+\mathrm{\Δd}---\left(6\right)$

这样，根据式(6)就可以计算得到不同跟驰速度条件下高速列车应保持的绝对安全车距。考虑到铁路运输环境的复杂性，结合高速列车跟驰运行的实际情况，对计算而得的“绝对安全车距”加以验证、完善和提高，从而实现对不同车速条件下的安全车距的静态标定。

根据上述理论可以建立绝对安全车距关于车速的拟合函数，见式(7)所示。

d_Absolute＝f(v₂)                             (7)

相应的拟合曲线见图3所示。利用该拟合函数，后车就可以在全速域范围内根据自身运行状态，对与前车应保持的绝对安全车距进行实时标定。

若高速列车减速停车采取绝对制动模式，那么由式(7)计算得到的绝对安全车距将作为其运行状态调整的重要依据之一。

第二步，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诸信息，则采用相对制动模式，若后车只能获取前车的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。

如果高速列车减速停车采取相对制动模式，由(5)、(6)、(7)诸式，可得相对安全车距的计算公式：

d＝d_Absolute-d₁                               (8)

这样，就可以实现相对制动模式下相对安全车距的实时标定，以作为后车科学调整自身运行状态的依据。

如果高速列车的减速停车采取绝对制动模式，则直接将拟合函数获取的安全距离，作为当前制动模式下所需要的安全距离。

第三步，后车根据当前安全车距和实际车距，对自身运行状态进行安全性、高效性综合评估，进而确定对应的跟驰控制策略。

第四步：根据跟驰控制策略对运行状态进行调整，直至达到所述的安全车距。

其中，在绝对制动模式下，该方法的实施过程如图4所示，包括以下4个步骤：

步骤1：建立全速域范围内计算绝对安全车距的数学模型(见式(6)所示)，并结合高速列车跟驰运行实际情况，实现不同跟驰速度条件下绝对安全车距的静态标定，然后建立“绝对安全车距关于车速的拟合函数d_Absolute＝f(v₂)”，其拟合曲线见图3所示。

步骤2：根据绝对安全车距关于车速的拟合函数d_Absolute＝f(v₂)，后车能够实时计算当前情况下应与前车保持的绝对安全车距，以作为自身运行状态调整的依据。

步骤3：后车获取对当前情况下安全车距与实际车距后，对自身运行状态进行安全性及高效性综合评估，进而确定安全性及高效性综合最优的控制策略，并对自身运行状态进行科学调整，直至达到所述的安全车距。

在相对制动模式下，该方法的实施过程如图5所示，包括以下4个步骤：

步骤1：根据绝对安全车距关于车速的拟合函数d_Absolute＝f(v₂)，实时计算当前跟驰运行状态下后车应与前车保持的绝对安全车距。

步骤2：后车Train2通过无线通信链路获取前车Train1的性能参数、当前位置及运行状态，以及将要采取的控制策略。

步骤3：然后，后车Train2根据自身性能参数、当前位置与运行状态，利用式(8)计算当前跟驰运行状态下的相对安全车距；

步骤4：后车获取对当前情况下安全车距与实际车距后，对自身运行状态进行安全性及高效性综合评估，进而确定安全性及高效性综合最优的控制策略，并对自身运行状态进行科学调整，直至达到所述的安全车距。

本发明以列车运行状态、列车实际间距等因素为约束条件，对列车不同制动模式下的安全车距进行实时标定，获取前、后车应保持的最佳车距，并根据对应的控制策略对列车运行进行控制，以达到安全、高效跟驰运行的目的，即在确保行车安全前提下，尽可能地提高线路运能的利用效率，对未来铁路移动闭塞条件下高速列车跟驰运行控制提供可资遵循的科学依据，为复杂运输环境中不同速度情况下高速列车实现安全、高效跟驰运行奠定前提技术条件。

Claims (5)

1.一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，包括以下步骤：

1)后车根据绝对安全车距关于车速的拟合函数计算绝对制动模式下的绝对安全车距；

2)若后车采取相对制动模式，则根据前车的性能参数、当前位置、运行状态和控制策略，对步骤1)中得到的安全车距进行相应的调整，获取当前应与前车保持的相对安全车距，然后执行步骤3；若后车采取绝对制动模式，则直接执行步骤3)；

3)后车根据跟驰运行过程中采取的制动模式，确定自身与前车应保持的安全车距后，进一步确定与其对应的跟驰控制策略；

4)后车根据该跟驰控制策略对运行状态进行调整，直至达到所述的安全车距。

2.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，列车的安全车距为：

d＝d₂+Δd-d₁

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。

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，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，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诸信息，则采用相对制动模式，该制动模式下对应的安全车距为相对安全车距，若后车只能获取前车的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，该模式下对应的安全车距为绝对安全车距。

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，在绝对制动模式下确定安全车距的具体过程包括以下步骤：

A)建立绝对安全车距的数学模型，并结合高速列车跟驰运行的实际情况加以验证，在全速域范围内对不同车速条件下的绝对安全车距进行标定，建立绝对安全车距关于车速的拟合函数，同时后车在性能参数允许范围内建立高速列车的控制策略库；

B)后车根据绝对安全车距关于车速的拟合函数，计算当前情况下后车与前车应保持的安全车距；

C)对在当前情况下安全车距与实际车距进行比较，确定安全性及高效性最好的控制策略。

5.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，在相对制动模式下确定安全车距的具体过程包括以下步骤：

a)后车通过无线通信链路获取前车的性能参数、当前位置、运行状态以及将要采取的控制策略；

b)后车接收到前车发送的信息后，基于当前绝对安全车距计算相对安全车距；

c)后车对当前的相对安全车距与实际车距进行比较，结合自身性能参数、当前位置与运行状态确定当前最佳控制策略。

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