CN103332211A - 一种列车运行控制系统性能的改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了列车运行控制技术领域中的一种列车运行控制系统性能的改进方法。包括：区域控制器在第k个周期开始时，接收所有列车当前时刻的状态信息；在不超过设定的最大允许等待时间时，计算生成与发送第k个周期的移动授权命令的总时延；区域控制器预测所有列车的状态信息，并根据每列列车的状态信息和其前方所有列车的状态信息生成移动授权命令；在移动授权命令中插入时间戳并发送至所有列车；各个列车收到移动授权命令后，提取时间戳并根据指定的等待时间计算移动授权命令的执行时间；列车在到达移动授权命令的执行时间后，执行移动授权命令；进入下一个周期并继续上述步骤。本发明消除了列车上行和下行传输时延对列车运行控制性能的影响。

Description

一种列车运行控制系统性能的改进方法

技术领域

本发明属于列车运行控制技术领域，尤其涉及一种列车运行控制系统性能的改进方法。 

背景技术

传统的基于轨道电路的列车控制系统（Track-based Train Control system，TBTC）利用轨道电路检测轨道区段的占用与清空，实现对列车的定位，定位精度取决于轨道电路区段的长度。同时，还可以轨道电路单向传输地面控制命令至车载设备。由于钢轨的趋肤效应使得信息只能以很低的速率传输(几千比特每秒)。定位的不准确和低速率的单向地—车信息传输，限制了列车追踪间隔的进一步缩短，通常情况下，基于轨道电路的列车控制系统的发车间隔一般为几分钟。 

新一代的基于通信的列车控制系统（Communication-based Train Control system，CBTC），采用无线通信传输车—地双向信息，列车周期地将状态信息发送给地面控制中心，可实现高精度的列车定位，定位的精度取决于通信周期和列车的速度。同时，控制中心可以将控制命令实时地发送给列车，实现对全线列车的精确、闭环控制。 

图1是CBTC系统的示意图。CBTC系统包含车载设备、轨旁设备和数据通信子系统（Data Communication System，DCS）。其中车载设备包括车载列车自动防护设备（Automatic Train Protection，ATP）和列车自动驾驶设备（Automatic Train Operation，ATO）。轨旁设备包括列车自动监督（Automatic Train Supervision， ATS）、计算机联锁（Computer Interlocking，CI）、区域控制器（Zone Controller，ZC）、数据存储单元（Data Storage Unit，DSU）。DSU为车载设备和其它轨旁设备提供线路参数、临时限速等信息。ATS管理线路上列车的运行，跟踪列车的运行状态，根据预先制订好的时刻表，自动通知CI为运行列车办理进路。CI检查进路上轨旁信号设备的状态，并根据进路需求将信号设备转换至指定的位置。当进路办理完毕且已锁闭后，CI通知ZC安全进路终点的位置。ZC根据这一位置信息为管辖区域内的列车产生移动授权命令（Limit of Moving Authority，LMA），向运行列车周期地发送LMA。LMA指明列车前方最近的障碍物的位置。ATP根据接收的LMA、线路参数和列车参数，计算紧急制动触发曲线，当列车速度超过紧急制动触发曲线时，ATP立即触发紧急制动，确保列车可以在LMA前完全停车。ATO在紧急制动触发曲线以下计算列车运行速度位置曲线。ATO自动控制列车的牵引与制动，使得列车按照ATO计算的速度位置曲线运行。 

DCS包括无线接入网和骨干网。其中无线接入网由轨旁接入点（Access Point，AP）和车载STA组成。AP沿钢轨架设，间距小于300米。所有的AP和轨旁设备通过骨干网连接。车载STA与轨旁AP关联，提供ZC和VOBC之间的双向数据通道。VOBC周期地采集列车的状态信息并发送给ZC，ZC周期地向管辖区域内的运行列车发送LMA。 

CBTC系统现有的列车控制策略不考虑通信的影响，ZC将前车尾部的位置作为LMA发给后车。后车以前车尾部为追踪目标，计算速度位置曲线。车地无线通信是CBTC系统的关键技术之一，现有的CBTC系统通常采用基于IEEE802.11的WLAN传输车地双向信息。然而IEEE802.11并非针对高速应用制订。在高速环境下，由于车地无线链路质量的恶化使得误帧率上升，从而导致车地传输时延的增加，如图2和图3所示。车地传输时延的增加将引发列车不必要的牵引、制动甚至是紧急制动。由于CBTC系统的列车运行间隔较短，一辆列车因传输时延引发意外的牵引和制动，后车将产生连锁的反应，对线路的通过 能力产生严重影响。 

发明内容

本发明的目的在于,提供一种列车运行控制系统性能的改进方法，用于解决列车状态信息和移动授权命令在传输过程中，因传输时延引发意外的牵引和制动进而导致列车运行控制系统性能下降的问题。 

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种列车运行控制系统性能的改进方法，其特征是所述方法包括： 

步骤1：区域控制器在第k个周期开始时，接收管辖区域内所有列车当前时刻的状态信息；其中，k为整数且k≥2； 

步骤2：在不超过设定的最大允许等待时间h时，区域控制器计算生成与发送第k个周期的移动授权命令的总时延； 

步骤3：区域控制器预测管辖区域内第k个周期所有列车的状态信息，，并根据预测的每列列车自身的状态信息和其前方所有列车的状态信息生成第k个周期的移动授权命令； 

步骤4：区域控制器在第k个周期的移动授权命令中插入时间戳并发送至管辖区域内所有列车； 

步骤5：各个列车收到第k个周期的移动授权命令后，提取时间戳，根据指定的等待时间，计算第k个周期的移动授权命令的执行时间； 

步骤6：列车在到达第k个周期的移动授权命令的执行时间后，执行所述移动授权命令； 

步骤7：令k＝k+1，返回至步骤1，进入下一个周期并继续上述步骤。 

所述状态信息包括列车尾部的位置和列车的速度。 

所述区域控制器计算生成与发送第k个周期的移动授权命令的总时延利用 公式其中，是区域控制器管辖区域内所有列车在第k个周期的状态信息传输时延的最大值，

是第i列列车在第k个周期的状态信息传输时延，i＝1,2,...,n，n是区域控制器管辖区域内的列车数量，j∈{1,2,...,n}，τ_max是区域控制器发送第k个周期的移动授权命令的最大传输时延。 

所述区域控制器预测管辖区域内第k个周期所有列车的状态信息采用公式： 

$\left\{\begin{array}{c}X(\mathrm{kT}+{\mathrm{\τ}}_k)=e^{A{\mathrm{\τ}}_k}X\left(\mathrm{kT}\right)+\mathrm{\ΓU}[(k-1)T+{\mathrm{\τ}}_{k-1}]\\ \mathrm{\Γ}=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\τ}}_k}{\∫}}{e}^{\mathrm{As}}\mathrm{Bds}\end{array}\right.$

其中，T是周期的时长，τ_k是生成与发送第k个周期的移动授权命令的总时延； 

X(kT)是kT时刻列车的状态信息且 $X\left(\mathrm{kT}\right)=\left[\begin{array}{c}{D}_k\\ V_k\end{array}\right],$ D_k是第k个周期的距离偏差矩阵且 $D_k={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\δd}}_k^1& {\mathrm{\δd}}_k^2& \·\·\·& {\mathrm{\δd}}_k^n\end{array}\right]}^{\′},$ [·]′是矩阵转置运算，

是第k个周期开始时第i列列车尾部与第i-1列列车尾部的距离和最优间距的偏差，即

是第k个周期开始时第i列列车尾部与第i-1列列车尾部的距离，Δd是最优间距且Δd是设定值；V_k是第k个周期的速度偏差矩阵且 $V_k={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\δv}}_k^1& {\mathrm{\δv}}_k^2& \·\·\·& {\mathrm{\δv}}_k^n\end{array}\right]}^{\′},$

是第k个周期开始时第i列列车的速度和最优速度的偏差，即

是第k个周期开始时第i列列车的速度，Δv是最优速度且Δv是设定值； 

U[(k-1)T+τ_k-1]是区域控制器预测生成第k-1个周期的移动授权命令，τ_k-1是生成与发送第k-1个周期的移动授权命令的总时延； 

$A=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right],$ A₁₁＝I_n，A₂₁＝0_n,n，A₂₂＝I_n，I_n是n×n单位矩阵，0_n,n是n×n零矩阵，n是区域控制器管辖区域内的列车数量； 

$B=\left[\begin{array}{c}{B}_{11}\\ B_{21}\end{array}\right],$

m_i是第i列列车的质量，i＝1,2,...,n； 

所述根据预测的每列列车自身的状态信息和其前方所有列车的状态信息生成第k个周期的移动授权命令采用公式U(kT+τ_k)＝-GX(kT+τ_k)；其中，G是列控系统的闭环增益矩阵，由区域控制器根据预测的每列列车自身的状态信息和其前方所有列车的状态信息计算获得。 

本发明同步了列车上行和下行的传输时延，消除了列车上行和下行传输时延对列车运行控制性能的影响，减少了列车不必要的牵引和制动，提高了线路的通过能力。 

附图说明

图1是CBTC系统结构示意图； 

图2是受传输时延影响的多列车控制系统示意图； 

图3是受传输时延影响的多列车控制系统等效的网络控制系统示意图； 

图4是列车运行控制系统性能的改进方法流程图； 

图5是n列车控制系统示意图； 

图6是3列车控制系统示意图； 

图7是传输时延对现有列车运行控制系统性能的影响示意图；其中，(a)是有传输时延时导致的列车距离偏差曲线图，(b)是有传输时延和没有传输时延时导致的列车速度偏差曲线图，(c)是有传输时延和没有传输时延时导致的列车加速度偏差曲线图； 

图8是采用本发明设计的控制方法后传输时延对性能的影响示意图；其中，(a)是有传输时延时导致的列车距离偏差曲线图，(b)是有传输时延和没有传输时延时导致的列车速度偏差曲线图，(c)是有传输时延和没有传输时延时导致的列车加速度偏差曲线图。 

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。 

首先，对本发明技术方案所涉及传输时延情况下列车运行控制系统性能的改进方法进行概述。该方法考虑了传输时延对控制系统的影响，包含传感器—控制器时延和控制器—执行器时延的总时延。本发明制订列车控制策略时不仅考虑当前列车和前一列车的状态，还考虑前面所有列车的运行状态。区域控制器接收所有列车的状态信息后为每辆列车生成移动授权命令，实现不同列车的状态传输时延的同步。区域控制器在移动授权命令中加入时间戳。列车根据移动授权命令中的时间戳和指定的等待时间计算该移动授权命令的执行时间，通过该方法实现不同列车的移动授权命令传输时延的同步。通过不同列车的状态和移动授权命令传输时延的同步，区域控制器可以估计列车执行当前生成的控制命令的时间，并根据接收的所有列车状态和上一个控制命令，预测当前生成的控制命令的执行时刻所有列车的状态信息，根据预测的列车状态信息生成控制命令。消除传输时延对多列车控制系统性能的影响。 

实施例1 

图4是列车运行控制系统性能的改进方法流程图。如图4所示，本发明提供的一种列车运行控制系统性能的改进方法包括： 

步骤1：区域控制器在第k个周期开始时，接收管辖区域内所有列车在当前时刻的状态信息；其中，k为整数且k≥2。其中，状态信息包括列车尾部的位置和列车的速度。 

如图5所示，区域控制器管辖区域内的n（n≥2）辆列车组成的控制系统，列车1（T-1）为首车，列车2（T-2）为第二辆列车，列车n（T-n）为尾车。1¹,1²,…,1ⁿ分别为T-1，T-2,…,T-n的长度。分别为第k个周期开始时刻T-1,T-2,…,T-n尾部的位置。

分别为第k个周期开始时刻T-1,T-2,…,T-n列车的速度。

分别为第k个周期开始时刻T-2,T-3,T-n列车尾部位置距前车尾部的距离，

对于第一列车，其前一列车的尾部的位置，可以是前一个区域控制器管辖的列车群尾车的尾部位置，也可以是前方一个固定的停车位置，如果第一列车以一个固定的停车位置为其前车的尾部位置，则其状态为位置不为零，速度为零。 

步骤2：在不超过设定的最大允许等待时间h时，区域控制器计算生成与发送第k个周期的移动授权命令的总时延。 

假定

分别为列车T-1,T-2,…,T-n的状态信息的传输时延，且有 

是区域控制器管辖区域内所有列车在第k个周期的状态信息传输时延的最大值，j∈{1,2,...,n}，h为区域控制器的最大允许等待时间，其为设定值。区域控制器在时刻（即第k个周期加上）生成列车的移动授 权命令，插入的时间戳标注该时刻。区域控制器预计列车在kT+τ_k时刻执行即将预测生成的移动授权命令。τ_k为同步后的总的传输时延，即区域控制器计算生成与发送第k个周期的移动授权命令的总时延，

τ_max是区域控制器发送第k个周期的移动授权命令的最大传输时延。 

步骤3：区域控制器预测管辖区域内第k个周期所有列车的状态信息，并根据预测的每列列车自身的状态信息和其前方所有列车的状态信息生成第k个周期的移动授权命令。 

在CBTC系统中，列车和区域控制器严格时间同步，列车状态的采样周期非常短。因此，可以将列车控制系统看作是一个离散线性非时变系统。采用状态空间的方法将多列车控制系统表示为： 

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{k+1}={\mathrm{AX}}_k+{\mathrm{BU}}_k\\ U_k={-\mathrm{GX}}_k\end{array}\right.---\left(1\right)$

公式（1）中，X_k+1和X_k分别为第k+1个周期和第k个周期列车的状态信息形成的矩阵，包括所有列车的状态；U_k为区域控制器输出的授权命令，包含所有列车的授权命令，因此也是一个矩阵；G为列控系统的闭环增益矩阵；A和B分别为参数矩阵。 

状态信息矩阵X_k包括每辆列车距离前车尾部的距离的偏差和速度的偏差。 

$X_k=\left[\begin{array}{c}{D}_k\\ V_k\end{array}\right]$

其中，D_k是第k个周期的距离偏差矩阵，包含所有列车距前车尾部的距离与最优间距的偏差；V_k是第k个周期的速度偏差矩阵，包含所有列车速度与最优速度的偏差。 

$D_k={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\δd}}_k^1& {\mathrm{\δd}}_k^2& \·\·\·& {\mathrm{\δd}}_k^n\end{array}\right]}^{\′}$

$V_k={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\δv}}_k^1& {\mathrm{\δv}}_k^2& \·\·\·& {\mathrm{\δv}}_k^n\end{array}\right]}^{\′}$

其中，[·]′是矩阵转置运算，分别第k个周期开始时第i列列车尾部与第i-1列列车尾部的距离和最优间距的偏差，

是第k个周期开始时第i列列车尾部与第i-1列列车尾部的距离，Δd是最优间距且Δd是设定值。 

分别为第k个周期开始时第i列列车的速度和最优速度的偏差， 

是第k个周期开始时第i列列车的速度，Δv是最优速度且Δv是设定值，i＝1,2,...,n。 

区域控制器输出矩阵U_k包括所有列车的作用力相对于克服基本阻力的作用力的偏差。 

$U_k={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\δf}}_k^1& {\mathrm{\δf}}_k^2& \·\·\·& {\mathrm{\δf}}_k^n\end{array}\right]}^{\′}$

其中，

分别为第k个周期开始时第i列列车的作用力偏差。 

是第k个周期开始时第i列列车的作用力，Δf是列车基本阻力的作用力且Δf是固定值。 

根据动力学方程可以推导出参数矩阵A和B。其中， $A=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right],$ A₁₁＝I_n， 

A₂₁＝0_n,n，A₂₂＝I_n，I_n是n×n单位矩阵，0_n,n是n×n零矩阵，n是区域控制器管辖区域内的列车数量。 

$B=\left[\begin{array}{c}{B}_{11}\\ B_{21}\end{array}\right],$

m_i是第i列列车的质量，i＝1,2,...,n。 

由于总时延τ_k通常小于周期的时长T，因此通常用如下连续公式预测列车的状态信息矩阵 

$\left\{\begin{array}{c}X(\mathrm{kT}+{\mathrm{\τ}}_k)=e^{A{\mathrm{\τ}}_k}X\left(\mathrm{kT}\right)+\mathrm{\ΓU}[(k-1)T+{\mathrm{\τ}}_{k-1}]\\ \mathrm{\Γ}=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\τ}}_k}{\∫}}{e}^{\mathrm{As}}\mathrm{Bds}\end{array}\right.---\left(2\right)$

公式（2）中，X(kT+τ_k)为区域控制器在kT+τ_k时刻管辖区域内所有列车的状态信息。由于预测的时刻为第k个周期T加入总时延τ_k，因此预测的状态信息更符合列车实际运行状况。公式（2）中，X(kT)是kT时刻列车的状态信息矩阵，可以直接取 $X\left(\mathrm{kT}\right)=\left[\begin{array}{c}{D}_k\\ V_k\end{array}\right].$ 参数矩阵A和B如上所说。U[(k-1)T+τ_k-1]是区域控制器预测生成第k-1个周期的移动授权命令，其始终保存在区域控制其中，因此可以直接使用。通过上述公式计算出X(kT+τ_k)后，再利用公式 

U(kT+τ_k)＝-GX(kT+τ_k) 

即可预测出第k个周期的移动授权命令，其即kT+τ_k时刻的移动授权命令。该移动授权命令是考虑到总时延τ_k的移动授权命令。需要说明的是，列车控制系统的闭环增益矩阵G，由区域控制器根据每个列车自身的状态信息和区域控制器管辖区域内该列车前方所有列车的状态信息，利用零极点法计算获得。由于列 车控制系统的闭环增益矩阵G已经是本领域的公知性常识技术，因此本发明在此不再赘述。 

步骤4：区域控制器在第k个周期的移动授权命令中插入时间戳并发送至管辖区域内所有列车。 

步骤5：各个列车收到第k个周期的移动授权命令后，提取时间戳，根据制定的等待时间，计算第k个周期的移动授权命令的执行时间。 

步骤6：列车在到达第k个周期的移动授权命令的执行时间后，执行该移动授权命令。 

由于输出的移动授权命令包括作用力偏差，因此根据接收的移动授权命令，列车可以计算紧急制动触发曲线和运行速度位置曲线，当列车速度超过紧急制动触发曲线时，立即触发紧急制动，确保列车完全停车。或者根据运行速度位置曲线，自动控制列车的牵引与制动，使得列车按照速度位置曲线运行。 

步骤7：令k＝k+1，返回至步骤1，进入下一个周期并继续上述步骤。 

实施例2 

如图6所示，由3辆列车组成的控制系统，列车1（T-1）为首车，列车2（T-2）为中间列车，列车3（T-3）为尾车。1¹,1²,1³分别为T-1,T-2,T-3的长度。

分别为第k个周期开始时刻T-1,T-2,T-3尾部的位置。

分别为第k个周期开始时刻T-1,T-2,T-3的速度。为T-2尾部距T-1尾部的距离，

为T-3尾部距T-2尾部的距离,

在CBTC系统中，列车和区域控制器时间严格同步，列车状态的采样周期T非常短，可以将三列车控制系统看作是一个离散线性非时变系统。采用状态空间的方法将三列车控制系统表示为： 

$\left\{\begin{array}{c}{X}_{k+1}={\mathrm{AX}}_k+{\mathrm{BU}}_k\\ U_k={-\mathrm{GX}}_k\end{array}\right.$

其中，X_k+1和X_k分别为第k+1个周期和第k个周期为三列车的状态信息矩阵；U_k为控制器输出的移动授权命令矩阵；G为控制系统的闭环增益；A和B分别为参数矩阵，且 

$X_k=\left[\begin{array}{c}{D}_k\\ V_k\end{array}\right]$

其中，D_k是第k个周期的距离偏差矩阵，V_k是第k个周期的速度偏差矩阵。 

$D_k={\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\δd}}_k^1& {\mathrm{\δd}}_k^2& {\mathrm{\δd}}_k^3\end{array}\right]}^{\′}$

$V_k={\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\δv}}_k^1& {\mathrm{\δv}}_k^2& {\mathrm{\δv}}_k^3\end{array}\right]}^{\′}$

其中，

分别为T-1,T-2,T-3的距离偏差；

分别为T-1,T-2,T-3的速度偏差。 

$U_k={\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\δf}}_k^1& {\mathrm{\δf}}_k^2& {\mathrm{\δf}}_k^3\end{array}\right]}^{\′}$

其中，

分别为T-1,T-2,T-3的作用力偏差。 

根据动力学方程可以推导出参数矩阵A和B。 $A=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right],$ A₁₁＝I₃，  $A_{12}=T\left[\begin{array}{ccc}-1& 0& 0\\ 1& -1& 0\\ 0& 1& -1\end{array}\right],$ A₂₁＝0_3,3，A₂₂＝I₃，I₃是3×3单位矩阵，0_3,3是3×3零矩阵。 

$B=\left[\begin{array}{c}{B}_{11}\\ B_{21}\end{array}\right],$ $B_{11}=\frac{T^2}{2}\left[\begin{array}{ccc}\frac{-1}{m_1}& 0& 0\\ \frac{1}{m_1}& \frac{-1}{m_2}& 0\\ 0& \frac{1}{m_2}& \frac{-1}{m_3}\end{array}\right],$ $B_{12}=T\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{m_1}& 0& 0\\ 0& \frac{1}{m_2}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{m_3}\end{array}\right].$ m₁,m₂,m₃分别为T-1,T-2,T-3的质量。 

假定分别为T-1,T-2,T-3状态的传输时延，且有h为区域控制器的最大允许等待时间。区域控制器在

时间生成列车的 移动授权命令，插入的时间戳标注该时刻。区域控制器预计列车在kT+τ_k时间执行即将计算的移动授权命令。τ_k为同步后的总的传输时延，

τ_max为控制命令的最大传输时延。区域控制器根据收到的列车状态X(kT)和上一控制器输出U[(k-1)T+τ_k-1]，利用 $\left\{\begin{array}{c}X(\mathrm{kT}+{\mathrm{\τ}}_k)=e^{A{\mathrm{\τ}}_k}X\left(\mathrm{kT}\right)+\mathrm{\ΓU}[(k-1)T+{\mathrm{\τ}}_{k-1}]\\ \mathrm{\Γ}=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\τ}}_k}{\∫}}{e}^{\mathrm{As}}\mathrm{Bds}\end{array}\right.$ 预测X(kT+τ_k)。 

可采用零极点法确定3列车控制系统的闭环增益G，其中的一种可能的情况如下： 

$G=\left[\begin{array}{cccccc}-0.0820& 0& 0& 0.6845& 0& 0\\ -0.0610& -0.2826& 0& -0.1191& 0.7707& 0\\ -0.0482& -0.0871& -0.1867& -0.0933& -0.0783& 0.6748\end{array}\right].$

区域控制器利用公式U(kT+τ_k)＝-GX(kT+τ_k)，根据X(kT+τ_k)生成移动授权命令U(kT+τ_k)。 

列车在kT+τ_k时刻执行U(kT+τ_k)，消除了传输时延对多列车运行控制系统性能的影响。 

当列车状态、列车移动授权命令在0.05～0.27s范围内随机分布时，图7给出了CBTC系统现有控制方法的性能。其中，图7(a)为有传输时延时导致的列车距离偏差曲线图，图7(b)为有传输时延和没有传输时延时导致的列车速度偏差曲线图，图7(c)为有传输时延和没有传输时延时导致的列车加速度偏差曲线图。图7中，T-1w,T-2w,T-3w(with)分别为有传输时延时，T-1,T-2,T-3的性能曲线。T-1w/o,T-2w/o,T-3w/o(without)分别为没有传输时延时，T-1,T-2,T-3的性能曲线。从图7可以看出，传输时延导致列车距离偏差、速度偏差和加速度偏差(这里假定列车为单位质量，所以作用力偏差等效为加速度偏差)的波动加 大，最终将导致列车频繁的加速和制动、能耗的增加和线路运输能力的下降。图8给出了本发明的控制方法的性能。其中，图8(a)为有传输时延时导致的列车距离偏差曲线图，图8(b)为有传输时延和没有传输时延时导致的列车速度偏差曲线图，图8(c)为有传输时延和没有传输时延时导致的列车加速度偏差曲线图。图8中，T-1w,T-2w,T-3w(with)分别为有传输时延时，T-1,T-2,T-3的性能曲线。T-1w/o,T-2w/o,T-3w/o(without)分别为没有传输时延时，T-1,T-2,T-3的性能曲线。对比有时延和没有时延影响的结果可以看出，本发明的方法可以有效地消除传输时延的影响，提高列车运行控制系统性能。 

本发明技术方案相对于现有技术，能够产生如下有益效果： 

（1）区域控制器接收到所有列车的状态信息或超过最大允许等待时间后，才为每个列车计算移动授权命令，通过该方法同步了列车状态的上行传输时延； 

（2）区域控制器在同一时间为每个列车产生移动授权命令，通过增加时间戳的方式，所有列车在时间戳后的指定时间执行移动授权命令，通过该方法同步了列车控制命令的下行传输时延； 

（3）通过该方法同步了所有列车的传输时延，包括上行传输时延和下行传输时延； 

（4）通过该方法，区域控制器在为每个列车生成移动授权命令时知道每个列车执行移动授权指令的时间。控制中心根据移动授权指令执行时刻的系统状态生成移动授权命令，从而有效地消除上、下行传输时延对列车运行控制性能的影响； 

（5）区域控制器依据每辆列车前方的所有列车的状态信息为列车生成移动授权命令，后车可以更及时地根据前车状态调整控车策略，减少列车不必要的牵引和制动； 

（6）通过采用本发明提供的技术方案，消除传输时延的影响，可以大大 减小列车间隔的偏差，提高线路的运输能力； 

（7）通过采用本发明提供的技术方案，消除传输时延的影响，可以大大降低列车速度的偏差，提高列车的平均旅行速度，缩短旅行时间； 

（8）通过采用本发明提供的技术方案，消除传输时延的影响，可以大大降低列车运行过程中不必要的牵引和制动，提高列车乘坐的舒适度，降低系统整体的牵引能耗。 

最后，本发明针对列车状态、列车控制命令的传输时延对列车运行控制系统的影响的问题，利用区域控器接收到所有列车状态信息后，利用列车前方所有列车的状态为其制订控制策略。同时，在移动授权命令中插入时间戳，同步列车状态和列车移动授权命令的传输时延。区域控制器根据总的传输时延预测列车执行移动授权命令时的系统状态，生成移动授权命令，消除传输时延对列车运行控制系统性能的影响。通过采用本发明提供的方法，可以大大减少在运行过程中因为传输时延而产生的列车间隔、速度和作用力的偏差，提高线路的通过能力、改善乘坐的舒适度，降低能耗。 

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。 

Claims (5)

1.一种列车运行控制系统性能的改进方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：区域控制器在第k个周期开始时，接收管辖区域内所有列车当前时刻的状态信息；其中，k为整数且k≥2；

步骤2：在不超过设定的最大允许等待时间h时，区域控制器计算生成与发送第k个周期的移动授权命令的总时延；

步骤3：区域控制器预测管辖区域内第k个周期所有列车的状态信息，并根据预测的每列列车自身的状态信息和其前方所有列车的状态信息生成第k个周期的移动授权命令；

步骤4：区域控制器在第k个周期的移动授权命令中插入时间戳并发送至管辖区域内所有列车；

步骤5：各个列车收到第k个周期的移动授权命令后，提取时间戳，根据指定的等待时间，计算第k个周期的移动授权命令的执行时间；

步骤6：列车在到达第k个周期的移动授权命令的执行时间后，执行所述移动授权命令；

步骤7：令k＝k+1，返回至步骤1，进入下一个周期并继续上述步骤。

2.根据权利要求1所述的改进方法，其特征是所述状态信息包括列车尾部的位置和列车的速度。

3.根据权利要求2所述的改进方法，其特征是所述区域控制器计算生成与发送第k个周期的移动授权命令的总时延利用公式

其中，

是区域控制器管辖区域内所有列车在第k个周期的状态信息传输时延的最大值，

是第i列列车在第k个周期的状态信息传输时延，i＝1,2,...,n，n是区域控制器管辖区域内的列车数量，j∈{1,2,...,n}，τ_max是区域控制器发送第k个周期的移动授权命令的最大传输时延。

4.根据权利要求3所述的改进方法，其特征是所述区域控制器预测管辖区域内第k个周期所有列车的状态信息采用公式：

$\left\{\begin{array}{c}X(\mathrm{kT}+{\mathrm{\τ}}_k)=e^{A{\mathrm{\τ}}_k}X\left(\mathrm{kT}\right)+\mathrm{\ΓU}[(k-1)T+{\mathrm{\τ}}_{k-1}]\\ \mathrm{\Γ}=\underset{0}{\overset{{\mathrm{\τ}}_k}{\∫}}{e}^{\mathrm{As}}\mathrm{Bds}\end{array}\right.;$

其中，T是周期的时长，τ_k是生成与发送第k个周期的移动授权命令的总时延；

X(kT)是kT时刻列车的状态信息且 $X\left(\mathrm{kT}\right)=\left[\begin{array}{c}{D}_k\\ V_k\end{array}\right],$ D_k是第k个周期的距离偏差矩阵且 $D_k={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\δd}}_k^1& {\mathrm{\δd}}_k^2& \·\·\·& {\mathrm{\δd}}_k^n\end{array}\right]}^{\′},$ [·]′是矩阵转置运算，

是第k个周期开始时第i列列车尾部与第i-1列列车尾部的距离和最优间距的偏差，即

是第k个周期开始时第i列列车尾部与第i-1列列车尾部的距离，Δd是最优间距且Δd是设定值；V_k是第k个周期的速度偏差矩阵且 $V_k={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\δv}}_k^1& {\mathrm{\δv}}_k^2& \·\·\·& {\mathrm{\δv}}_k^n\end{array}\right]}^{\′},$

是第k个周期开始时第i列列车的速度和最优速度的偏差，即

是第k个周期开始时第i列列车的速度，Δv是最优速度且Δv是设定值；

U[(k-1)T+τ_k-1]是区域控制器预测生成第k-1个周期的移动授权命令，τ_k-1是生成与发送第k-1个周期的移动授权命令的总时延；

$A=\left[\begin{array}{cc}{A}_{11}& A_{12}\\ A_{21}& A_{22}\end{array}\right],$ A₁₁＝I_n，

A₂₁＝0_n,n，A₂₂＝I_n，I_n是n×n单位矩阵，0_n,n是n×n零矩阵，n是区域控制器管辖区域内的列车数量；

$B=\left[\begin{array}{c}{B}_{11}\\ B_{21}\end{array}\right],$ m_i是第i列列车的质量，i＝1,2,...,n。

5.根据权利要求4所述的改进方法，其特征是所述根据预测的每列列车自身的状态信息和其前方所有列车的状态信息生成第k个周期的移动授权命令采用公式U(kT+τ_k)＝-GX(kT+τ_k)；其中，G是列控系统的闭环增益矩阵，由区域控制器根据预测的每列列车自身的状态信息和其前方所有列车的状态信息计算获得。

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