CN103136451B - 动态相对安全车距的实时计算方法 - Google Patents

Abstract

动态相对安全车距的实时计算方法及其应用，该发明属于载运工具跟驰运行控制技术领域，具体涉及到相对制动模式下安全车距的动态计算问题，为在安全跟驰运行的前提下进一步提高线路运能的充分利用程度，提出一套新的适用于前、后载运工具全速域任意速差范围的安全车距动态计算方法，从而为载运工具跟驰行为质量评估、优化提供重要依据。

Description

动态相对安全车距的实时计算方法

技术领域

本发明属于载运工具跟驰运行控制技术领域，具体涉及到相对制动模式下安全车距的动态计算问题，提出一套新的适用于前、后载运工具全速域任意速差范围的安全车距动态计算方法，为载运工具跟驰行为质量评估、优化提供重要依据。

背景技术

图1描述了Vehicle2跟随Vehicle1以速度v₀匀速行驶的情况下，当Vehicle1减速停车时，Vehicle2必须采取因应措施减速停车。设Vehicle1减速开始时刻为初始时刻，那么L₁为Vehicle1运行距离，L₂为Vehicle2运行距离，L为两车之间的间距，ΔL为保证安全行车所必须的富裕间距。

由图1可知，某一跟驰速度情况下，安全跟驰车距(简称“安全车距”)的计算公式为

L=L₂-L₁+ΔL(式1)

可以看出，除了线路状况等因素外，安全车距的大小与载运工具的性能、运行状态、控制策略等因素存在密切的关系。

载运工具以某一固定速度和固定间距稳态跟驰运行过程中：若实际车距超出安全车距太大，安全性足以保证，但线路运能得不到充分的利用；若实际车距小于安全车距，行车密度虽然可以得到增加，但安全上存在较大的风险。

载运工具跟驰运行控制，必须首先和充分考虑跟驰运行过程中有效避免冲突的安全性，进而考虑其跟驰行为的高效性和平稳(舒适)性。因此，安全车距不仅是评估载运工具跟驰行为质量的重要依据，而且也是载运工具行为调整时如何进行控制的基础数据之一。

目前，安全车距的计算主要有两种方法：基于绝对制动模式的安全车距(简称“绝对安全车距”)计算方法和基于相对制动模式的安全车距(简称“相对安全车距”)计算方法。绝对安全车距计算方法，是以前方某一固定位置为目标停车点，计算载运工具当前状态下应与该目标点保持的距离，故式(1)中取L₁=0，即可得绝对安全车距计算公式：

L_absolute=L₂+ΔL(式2)

相对安全车距计算方法，是以前方载运工具停车时的尾部位置为目标停车点，需要考虑前方载运工具减速停车运行的一段距离，故式(1)可以作为相对安全车距计算公式。相比较而言，相对安全车距计算方法较为复杂，但有助于进一步增加行车密度，提高线路运能的充分利用的程度。

就绝对安全车距而言，尽管不同的减速停车策略会有不同的值与之对应，但综合考虑安全性、高效性和车辆减速运行的平稳(舒适)性，必存在一最佳绝对安全车距，故文中不做特别说明，“绝对安全车距”均指“最佳绝对安全车距”。同理，在“最佳绝对安全车距”的基础上，就可以根据前车Vehicle1的运行状态和将采取的控制策略，计算得到(最佳的)相对安全车距。

但是，由传统“相对安全车距计算方法”得到的“相对安全车距”，是在前、后载运工具以某一固定速度匀速跟驰运行的条件下计算而得，实际跟驰运行过程中前、后载运工具的速度，可能在大部分时间里，并不总是保持完全一致。另一方面，“相对安全车距”与前、后载运工具的运行状态和控制策略等因素密切相关，后车Vehicle2在不知道前车Vehicle1的运行状态、控制策略的情况下，特别是前后载运工具运行速度不一致的情况下，应以怎样的“相对安全车距”作为行为调整的依据？确实存在传统计算方法与跟驰运行控制需求不相适应的缺陷。

传统计算方法存在的另一突出问题在于：对前、后载运工具的控制策略，没有给出明确的界定。由于前、后载运工具可采取不同的控制策略，其减速停车距离L₁、L₂也会呈现出纷繁的复杂性，造成安全车距与前、后载运工具的速度及控制策略之间函数关系的定义域和值域均为无限多值空间，难以穷尽前、后载运工具在某一跟驰状态下应保持的安全车距，如果不加以(严格)界定，则很难确定一个可以遵循的、可行的“安全车距”行业标准。

“相对安全车距”只有真实反映前、后载运工具在跟驰运行过程中运行状态和控制策略等因素实时变化，才能作为跟驰行为质量评判和进行行为调整的重要依据之一；“相对安全车距”的计算方法，必须考虑运输环境的复杂性和工程实施的可行性，一般遵循“安全第一”的原则，以最不利情况作为约束条件。这是“相对安全车距”能够运用于载运工具跟驰运行控制，发挥“基于相对制动模式的安全车距计算方法”优势的前提条件，也是本发明的目的所在。

发明内容

本发明旨在克服传统计算方法存在的缺陷，遵循“安全第一”的原则，注重安全行车前提下线路运能的充分利用，兼顾载运工具跟驰运行过程中行为调整质量，提出一种动态相对安全车距实时计算方法，以算法的适应性和工程实践的可行性为主要特征，适用于载运工具跟驰运行过程中全速域、任意速差的情形。

本发明技术方案一：

一种基于相对制动模式的动态安全车距实时计算方法，适用于载运工具跟驰运行过程中全速域、任意速差的情形，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)首先，建立最佳绝对安全车距L_absolute关于后车Vehicle2速度V₂的拟合函数

L_absolute=f(V₂)(式3)

并根据该拟合函数，实时计算自身在当前状态下应与前车Vehicle1保持的绝对安全车距。

(2)然后，根据前车Vehicle1运行状态和最不利情况下将采取的减速停车控制策略等信息，动态计算当前跟驰状态下后车应与前车保持的“相对安全车距”，并作为后车Vehicle2行为调整的重要依据之一，所述相对安全车距L_relative的计算方法为：

L_relative=L_absolute-L₁(式4)

其中，L₁为前车最不利情况时当前速度条件下采取紧急停车策略运行的距离，有两种计算方法，分别为

或者

L₁=g(V₁)(式6)

其中，V₁和T分别为前车Vehicle1的当前运行速度和减速运行至停车的时间，a_{1_emergency}为前车Vehicle1采取紧急制动停车时的加速度。L₁=g(V₁)为前车Vehicle1最不利条件下紧急制动距离L₁与自身速度V₁的拟合函数。

前车紧急制动距离的两种计算方法，可根据实际技术条件加以选择，也可互为冗余、互为补充。

(3)转步骤(1)，进行“相对安全车距L_relative”的循环计算。

每个“相对安全车距L_relative”的计算周期结束时，重新计算新的跟驰运行状态下的“相对安全车距L_relative”，作为后车Vehicle2行为调整新的依据，从而能够通过动态相对安全车距L_relative的实时跟踪，实现后车Vehicle2跟驰行为的优化。

本发明技术方案二：动态相对安全车距计算方法在载运工具跟驰运行优化中的应用，即考虑后车紧急停车和定点停车的情形，将动态相对安全车距的计算方法灵活应用于载运工具跟驰运行控制，实现其全过程跟驰行为的优化。

显而易见，本发明提出的相对安全车距L_relative的计算方法，遵循“安全第一”的原则，考虑了突发事件的随机性和车辆运行状态调整的动态性，以最不利运输情况作为相对安全车距计算的约束条件，避免了安全车距计算的复杂性，从而增强了算法的适应性和工程实施的可行性，适用于前、后载运工具跟驰运行的全过程、全速域和任意速差范围的情形，有助于进一步增强载运工具的自主智能，为载运工具跟驰运行过程中科学调整自身行为，提供决策依据，以提高跟驰运行的安全性和对线路运能的利用水平。

附图说明

图1为载运工具跟驰运行安全车距的计算模型示意图。

图2为后车Vehicle2减速停车过程中不同控制策略下的v₂-t曲线。

图3为后车Vehicle2减速停车过程中不同控制策略下的a₂-t曲线。

图4为后车Vehicle2减速停车过程中不同控制策略下的da₂/dt-t曲线。

图5为后车Vehicle2减速停车过程中不同控制策略下的v₂-s₂曲线。

图6为最佳绝对安全车距L_absolute关于后车Vehicle2速度V₂的拟合曲线。

图7为后车Vehicle2“相对安全车距”算法。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细说明。

实施例1

步骤1

确定载运工具跟驰运行过程中绝对安全车距关于速度的拟合函数，用以实现绝对安全车距的实时计算。

首先，建立“绝对安全车距L_absolute”关于后车Vehicle2瞬时速度V₂的拟合函数

L_absolute=f(V₂)(式3)

这样，后车Vehicle2在当前状态下与前车Vehicle1的车尾位置应保持的绝对安全车距L_absolute，就可以通过上式实时计算而得。由于车辆速度越大其制动距离越远，故L_absolute是关于V₂的单调增函数。

载运工具运行过程中定点停车的情形，亦可借助于“最佳绝对安全车距关于速度的拟合函数”加以实现。

所述最佳绝对安全车距，除了考虑车辆跟驰运行的安全性和高效性外，还需考虑车辆减速停车运行的平稳(舒适)性，以避免突然减速给人造成的不舒适和对货物造成的损坏。根据ISO2631等相关文献规定的载运工具行为质量评价标准，以加速度绝对值|a₂|≤0.63m/s²和冲动值作为车辆变速运行的平稳(舒适)性评价指标。

举例说，图2-图5为后车400km/h运行时采取不同控制策略减速停车全过程的仿真情况，图中V₂,a₂,S₂分别表示后车Vehicle2的速度、加速度和减速停车运行的距离，不难确定满足平稳(舒适)性评价指标的速度--时间曲线和相应的速度--(制动)距离曲线，从而可以得到400km/h速度条件下的最佳绝对安全车距为2.76*10⁴m。

同理，其他典型速度条件的最佳绝对安全车距可以用类似的方法获得，见表1所示。

表1不同速度条件下的最佳绝对安全跟驰车距

进而可以得到后车Vehicle2应与前车Vehicle1保持的最佳绝对安全车距关于自身速度的抛物线拟合函数

$L_{\mathrm{absolute}}=f\left(V_2\right)=0.20*{V_2}^2-10.64*V_2+331.33$

此即为式(3)的一个具体实例，其中，L_absolute为最佳绝对安全车距，V₂为后车Vehicle2当前速度。图6为绝对安全车距L_absolute关于后车Vehicle2速度V₂的一种抛物线拟合曲线。

通过“最佳绝对安全车距L_absolute关于后车Vehicle2速度V₂的拟合函数”，载运工具就可以在跟驰运行过程中根据自身运行状态，实时确定应与前车Vehicle1保持的最佳绝对安全车距。

步骤2

根据绝对安全车距L_absolute关于后车Vehicle2瞬时速度V₂的拟合函数，计算出当前状态下后车Vehicle2应与前车Vehicle1保持的绝对安全车距L_absolute。

步骤3

根据前、后车跟驰运行状态和最不利条件下前车Vehicle1拟采取的紧急停车控制策略，进行相对安全车距的动态计算。

后车Vehicle2根据已经得到的绝对安全车距L_absolute关于速度V₂的函数，结合前车Vehicle1的运行状态及将采取的控制策略，动态计算“相对安全车距L_relative”。

相对安全车距L_relative的计算方法，必须遵循“安全第一”的原则，考虑突发事件的随机性和车辆运行状态的调整的动态性。相对安全车距L_relative的计算见下式所示：

L_relative=L_absolute-L₁(式4)

其中，L₁为前车Vehicle1最不利情况时当前速度条件下采取紧急停车策略运行的距离，有两种计算方法，分别为

或者

L₁=g(V₁)(式6)

V₁和T分别为前车Vehicle1的当前运行速度和减速运行至停车的时间，a_{1_emergency}为前车Vehicle1采取的紧急制动停车的加速度。

对前一种计算方法而言，所述L₁可根据前车当前速度V₁和紧急停车策略a_{1_emergency}计算而得，计算的主体可以是前车Vehicle1，也可以是后车Vehicle2，但具有跟驰关系的前、后车之间必须保持良好的通信。

后一种计算方法，则是通过建立前车Vehicle1最不利条件下紧急制动距离L₁与当前速度V₁的拟合函数来计算L₁。若计算的主体为前车Vehicle1，必须保证其与后车Vehicle2始终能够进行良好的通信；若计算的主体为后车Vehicle2，由于后车Vehicle2可以通过非车间通信手段获取前车Vehicle1速度，因而可以自主直接计算L₁，有效增强后车Vehicle2的自主智能。

上述前车Vehicle1紧急制动距离L₁的两种计算方法，可根据实际技术条件加以选择，也可互为冗余、互为补充。

就车辆跟驰运行而言，只要后车Vehicle2的速度V₂始终不大于前车Vehicle1的速度V₁，就不会发生“撞车”事故。但车辆行为调整是一个时间上的速度渐变过程，具有跟驰关系的车辆之间必须保持一定的空间距离才能保证行车的安全。由于惯性的存在以及后车Vehicle2根据前车Vehicle1运行状态和车辆间距变化进行行为调整的滞后性，必须从安全角度考虑，以前车Vehicle1因自然灾害、断轨等随机或突发事件情况下紧急停车为最不利条件，计算相对安全车距。

后车Vehicle2“相对安全车距”算法，见图7所示。

显然，在任意时刻都有下式成立：

L_relative≤L_absolute

因此，“相对安全车距”可赋予载运工具跟驰运行更高的行车效率。

L_relative>0的情况下：后车Vehicle2可根据实际车距和“相对安全车距”L_relative的差别程度，以及其他必要因素，确定当前运行状态下行为调整策略。

L_relative≤0情况下：若前车Vehicle1加速度a₁≥0时，后车Vehicle2的跟驰效率极待增强；若a₁<0时，后车Vehicle2跟随前车Vehicle1的减速运行过程可以更平稳、舒适。

步骤4

再转入步骤2，进行“相对安全车距”的循环计算。

每个“相对安全车距”的计算周期结束时，重新计算新的跟驰运行状态下的“相对安全车距”，作为后车Vehicle2行为调整新的依据。

实施例2

“动态相对安全车距的实时计算方法”在载运工具跟驰行为优化中的应用见图7所示。具体步骤如下：

步骤1：确定绝对安全车距关于速度的拟合函数，见式(3)所示。

步骤2：根据式(3)，确定后车Vehicle2应与前车Vehicle1保持的绝对安全车距。

步骤3：后车Vehicle2获取前车Vehicle1的运行状态和最不利条件下的减速停车控制策略，根据实际技术条件，选择式(4)、(5)或者式(4)、(6)计算当前跟驰状态下的相对安全车距。

在步骤3动态计算相对安全车距的算法中，不仅考虑正常跟驰运行过程中“全速域范围内任意速差”一般情形下相对安全车距的计算问题，还能适应在实际复杂运输中可能出现的“后车Vehicle2定点停车”和“紧急制动停车”的情形。

当出现后车Vehicle2定点停车时，如果后车Vehicle2与目标停车点的实际车距等于最佳绝对安全车距，则按照定点停车最佳控制策略减速停车(该属于现有技术知识，不是本发明技术方案所要完成的任务，本说明书不作具体说明)。

当自然灾害或断轨等突发事件条件下需要后车Vehicle2紧急制动停车的情形，则按照紧急制动停车最佳控制策略减速停车(该属于现有技术知识，不是本发明技术方案所要完成的任务，本说明书不作具体说明)。

步骤4：后车Vehicle2根据实际车距和相对安全车距，以及前、后车跟驰运行状态等因素，对自身跟驰行为进行安全性、高效性和平稳(舒适)性综合评价(如何评价属于现有技术知识，不是本发明技术方案所要完成的任务，本说明书不作具体说明)，决定是否进行行为调整，并确定最佳行为调整方案(如何实现不是本发明技术方案所要完成的任务)。

步骤5：实施最佳行为调整方案(如何实施不是本发明技术方案所要完成的任务)。

步骤6：最佳行为调整方案实施过程中，转步骤2，以循环往复地进行相对安全车距的计算、跟驰行为综合评价、确定行为最佳调整方案和最佳方案实施。

Claims (1)

1.一种基于相对制动模式的动态安全车距实时计算方法，适用于载运工具跟驰运行过程中全速域、任意速差的情形，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)首先，建立最佳绝对安全车距L_absolute关于后车Vehicle2速度V₂的拟合函数

L_absolute＝f(V₂)(式3)

并根据该拟合函数，实时计算自身在当前状态下应与前车Vehicle1保持的绝对安全车距；

(2)然后，根据前车Vehicle1运行状态和最不利情况下，动态计算当前跟驰状态下后车应与前车保持的“相对安全车距L_relative”，并作为后车Vehicle2行为调整的重要依据之一，所述相对安全车距L_relative的计算方法为：

L_relative＝L_absolute-L₁(式4)

其中，L₁为前车最不利情况下当前速度条件下采取紧急停车策略运行的距离，有两种计算方法，分别为

$L_1={\&Integral;}_0^T(V_1+a_{1\_emergency}*t)*dt$ (式5)

或者

L₁＝g(V₁)(式6)

其中，V₁和T分别为前车Vehicle1的当前运行速度和减速运行至停车的时间，a_{1_emergency}为前车Vehicle1采取紧急制动停车时的加速度，

L₁＝g(V₁)为前车Vehicle1最不利情况下紧急制动距离L₁与自身速度V₁的拟合函数；

所述最不利情况是指因随机或突发事件情况下的紧急停车，该随机或突发事件包括自然灾害、断轨；

(3)转步骤(1)，进行“相对安全车距L_relative”的循环计算：

每个“相对安全车距L_relative”的计算周期结束时，重新计算新的跟驰运行状态下的“相对安全车距L_relative”，作为后车Vehicle2行为调整新的依据，从而能够通过动态相对安全车距L_relative的实时跟踪，实现后车Vehicle2跟驰行为的优化。