CN103538601B - 一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于列车通信与控制技术领域的一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法。首先将受传输丢包影响的多列车运行控制系统等效为一个网络控制系统；区域控制器等待接收所有列车的状态信息，估计未收到状态信息的列车的状态，列车等待接收移动授权命令，如果未收到则根据上一移动授权命令估计新的移动授权命令。列车根据最小能耗或最小列车间距准则选取闭环增益，利用本车状态和前面所有列车或部分列车状态计算并执行控制命令。本发明可以减少车地信息传输丢包引起的不必要的列车牵引和制动，降低列车牵引能耗，提高乘坐舒适度。同时，可以减小传输丢包引起的列车间距的波动，提高线路的运输能力，提高乘客乘坐舒适度。

Description

一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法

技术领域

本发明属于轨道交通的列车间通信与控制技术领域，特别涉及一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法。具体说是在车地信息存在传输丢包条件下，降低列车牵引能耗，以及提高线路通过能力的方法，降低传输丢包对列车牵引能耗和线路通过能力的影响。

背景技术

传统的基于轨道的列车控制系统(Track-basedTrainControlsystem,TBTC)采用轨道电路实现对列车的粗略定位并单向地向列车发送控制信息。定位的不准确和低速率的单向地—车信息传输，降低了线路的通行能力。采用TBTC的城市轨道交通系统的最小发车间隔通常为几分钟。

基于通信的列车运行控制系统(Communication-basedTrainControlsystem,CBTC)利用无线传输车—地双向信息（如图1所示）。列车采用里程计、多普勒雷达等装置实时测量自身的位置、速度信息，通过无线周期地发送给地面控制中心，实现了高精度的列车定位。地面控制中心根据线路上运行列车的状态信息，实时地为列车生成控制命令并周期地发送给列车，实现对列车的闭环控制。采用CBTC的城市轨道交通系统的最小发车间隔通常为90秒或更少。

CBTC的控车机制如图1所示。列车与区域控制器（ZoneController,ZC）严格时间同步。每个周期的开始时刻，所有列车将自身的状态信息（列车尾部的位置、速度）发送给ZC。ZC收到一个列车的状态信息后，将其作为移动授权终点（LimitofMovingAuthority,LMA）发送给相邻的后车。LMA即为线路上的一个位置，列车的车头绝不可以越过这一位置。后车根据本车和接收的LMA计算紧急制动速度位置曲线，控制列车在该曲线下运行。如果在指定的时间内ZC未收到某一列车的状态信息，则假定该列车停留在最近汇报的位置，将该位置和零速度作为LMA发送给相邻的后车。如果某一列车未接收到LMA，则假定相邻前车停留在在上一LMA所述位置，以该位置和零速度作为新的LMA。

CBTC的车地无线通信系统绝大多数采用基于IEEE802.11的无线设备，工作在开放的ISM(IndustryScientificMedical)频段，容易受到来自外界的干扰。同时，IEEE802.11也并非针对高速应用设计。在CBTC的车地通信系统面存在以下问题：

1.外界干扰导致通信链路的信噪比恶化，将以一定的概率引入丢包，随信噪比的降低将导致丢包率上升；

2.列车高速移动引入多普勒频移，信道估计的误差增大，导致丢包率上升；

3.车载无线设备在轨旁接入点（AccessPoint,AP）间切换，将引入丢包，着切换频率的增加，丢包率上升。

现有的列车运行控制机制不考虑通信对列车运行控制系统性能的影响，当车地信息出现丢包时，认为前行列车停留在上一汇报位置，后车以此为依据计算紧急制动触发曲线，这种方式将控制系统的设计与通信系统的服务质量(QualityofService,QoS)割裂开来，车地信息传输过程中的丢包将引入列车不必要的牵引、制动甚至是紧急制动，最终导致牵引能耗的上升，也降低了旅客乘坐的舒适度。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法，其特征在于，在传输丢包情况下，减少列车运行控制系统不必要的牵引和制动，降低系统能耗，包括如下步骤：

步骤1：将受传输丢包影响的所有列车等效为一个网络控制系统，包括（1）将所有列车的车载控制器(VehicleOnBoardController,VOBC)的集合等效为控制器；（2）将所有列车的牵引/制动装置的集合等效为执行器；（3）将所有列车的测速定位装置的集合等效为传感器；（4）区域控制器（ZC）作为传感器和控制器之间传输网络的一部分，对数据进行转发处理；

步骤2：从每一个通信周期的开始时刻，区域控制器等待接收所有列车的状态信息，等待时间小于预先规定的最长接收等待时间；

步骤3：区域控制器根据步骤2估计未接收到状态信息的列车的状态；区域控制器估计未接收到状态信息的列车位置与列车上一次汇报的位置相同，列车速度为上一次汇报或估计的列车速度与一个周期内最大可能的列车速度变化量的和；

步骤4：区域控制器为每辆列车生成相同的移动授权命令；该移动授权命令包含所有接收到的列车状态和未接收到状态信息的列车的估计状态信息；

步骤5：区域控制器同时向所有列车的车载控制器发送移动授权命令；

步骤6：车载控制器从每个通信周期的开始时刻起等待接收移动授权命令，等待时间长度τ满足τ≥2·τ_m，τ_m为最大的列车状态传输时延；

步骤7：列车的车载控制器计算控制命令；

步骤8：列车的车载控制器根据接收到的或估计的移动授权命令，选择其闭环增益Gⁱ,i=1,2,…,n，通过Gⁱ的选择利用列车自身及列车前面所有或部分列车的状态计算控制命令；

步骤9：列车执行控制命令。

所述步骤7包括以下两种情况：

情况一：列车的车载控制器收到移动授权命令则根据移动授权命令计算控制命令；

情况二：列车的车载控制器在等待时间内未接收到移动授权命令，则根据上一次接收的移动授权命令估计其它列车的状态，生成估计的移动授权命令，其它列车的估计位置与上一个移动授权命令中的该列车的位置相同，其它列车的估计速度为上一个移动授权命令中的该列车速度与一个周期内最大可能的列车速度变化量之和；

所述步骤8选择闭环增益，列车根据当前时刻的作用力偏差与没有丢包时的最优作用力偏差的差值的平方最小的准则选取闭环增益，或者列车根据当前时刻的列车间距偏差与没有丢包时的最优列车间距偏差的差值的平方最小的准则选取闭环增益。

所述闭环增益Gⁱ的选择基于以下两个准则：

1）最小能耗准则：第i辆列车选择Gⁱ，使得当前时刻的作用力偏差与最优作用力偏差的差值的平方最小，

$\min {({\mathrm{\δf}}_k^i-{\mathrm{\δ}\tilde{f}}_k^i)}^2$

其中，是有传输丢包情况下，第i辆列车在第k个周期起始时刻的作用力偏差；是没有传输丢包情况下，第i辆列车在第k个周期起始时刻的作用力偏差（最优作用力偏差）。

2）最小列车间隔准则：第i辆列车选择Gⁱ，使得当前时刻的列车间距偏差与最优间距偏差的差值的平方最小，

$\min {({\mathrm{\δd}}_k^i-{\mathrm{\δ}\tilde{d}}_k^i)}^2$

多列车运行控制系统的闭环增益G是所有Gⁱ,i=1,2,…,n的组合，

G=[G^1′G^2′G^3′G^4′]′

其中，[G^1′G^2′G^3′G^4′]′代表矩阵[G^1′G^2′G^3′G^4′]的转置。

所述区域控制器的等待时间分为以下两种情况：

情况一：所有列车的状态传输时延中的最大值小于最大允许等待时间，区域控制器的等待时间等于所有列车状态传输时延的最大值；区域控制器接收到最后一个列车的状态信息后开始计算列车的移动授权命令；

情况二：所有列车的状态传输时延中的最大值大于最大允许等待时间，区域控制器等待最大允许等待时间后，开始计算列车的移动授权命令。

所述区域控制器估计未接收到列车的状态为在上一次汇报位置，速度为上一次汇报或估计速度加上一个周期时间内最大可能的速度变化量；

步骤6列车的等待指定的时间间隔，该时间间隔长度不小于列车状态的最大传输时延与移动授权命令的最大传输时延之和。

所述列车根据上一移动授权命令中其它列车的状态估计现在其它列车的状态；估计的列车位置保持与上一移动授权命令中的位置不变，估计的列车速度为上一移动授权中的速度加上一个周期内最大可能的速度变化量。

本发明相对于现有技术，能够产生如下有益效果：

1）区域控制器将所有接收的和估计的列车状态信息作为移动授权命令发送给控制器，列车根据接收或估计的移动授权命令计算控制命令。列车通过选取闭环增益，利用自身和前面所有或部分列车的状态信息计算控制器输出命令，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，降低列车的牵引能耗。同时，也可以减少列车与前车间距的波动，因此可以采用较小的列车间距，进一步提高线路的运输能力；

2）区域控制器在不超过指定的最大允许等待时间内，接收所有列车的状态信息，同时将移动授权命令发送给所有列车，同步了列车状态信息的传输；

3）控制器从每个通信周期的开始时刻起等待接收移动授权命令，等待时间长度不小于指定的最小等待时间间隔，等待时间结束后，控制器计算控制器输出命令并同时发送给执行器，同步了控制命令的传输。

4）通过采用最小能耗准则选取闭环增益，可以减少传输丢包情况下列车不必要的牵引和制动，提高乘坐舒适度，降低系统的牵引能耗，减小传输丢包对多列车运行控制系统性能的影响；

5）通过采用最小列车间隔准则，可以减小传输丢包情况下列车间隔的波动，采用较小的列车间隔，提升线路的运输能力，减小传输丢包对多列车运行控制系统性能的影响。

附图说明

图1为车地双向信息传输示意图；

图2为多列车控制系统模型；

图3为等效网络控制器模型；

图4为n列车运行控制系统；

图5为3列车运行控制系统；

图6为采用现有控制方法的3列车运行控制系统的第3列车性能曲线；

图7为采用发明的控制方法和最小能耗准则的3列车运行控制系统的第3列车的性能曲线；

图8为采用发明的控制方法和最小列车间距准则的3列车运行控制系统的第3列车的性能曲线。

具体实施方式

本发明提供一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法。下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图3所示，首先将受传输丢包影响的多列车控制装置等效为一个网络控制系统，包括（1）所有列车所属的车载控制器的集合等效为控制器；（2）将所有列车的牵引/制动装置的集合等效为执行器；（3）将所有列车的测速定位装置的集合等效为传感器；（4）ZC作为传感器和控制器之间传输网络的一部分，对数据进行转发处理（如图2所示）；

本发明考虑了传输丢包对控制系统的影响，包含列车状态信息的传输丢包和移动授权命令的传输丢包。本发明制定列车控制策略时不仅考虑当前列车和相邻前车的状态，还考虑前面所有或部分列车的运行状态。区域控制器利用所有接收和估计的列车状态为列车生成移动授权命令。列车从每一个通信周期的开始时刻起等待接收移动授权命令，在指定的等待时间结束后，利用接收或估计的移动授权命令计算控制命令。在计算控制命令时，列车根据最小能耗准则或最小列车间距准则选取闭环增益，利用列车自身和前方所有或部分列车的状态计算并执行控制命令。从而在存在传输丢包的情况下，减少列车不必要的牵引和制动，降低列车牵引能耗，减小列车间距的波动，提高线路的运输能力，减小传输丢包对多列车运行控制系统性能的影响。

该方法具体包括以下步骤：

步骤1：从每一个通信周期的开始时刻，区域控制器等待接收所有列车的状态信息，等待时间不超过指定的最大允许等待时间；

步骤2：区域控制器估计未接收到状态信息的列车状态。假定该列车仍在上一汇报位置，列车速度为上一汇报速度加上一个周期内最大可能的列车速度变化量；

步骤3：区域控制器为所有列车生成移动授权命令。该移动授权命令包括所有接收的和估计的列车状态信息；

步骤4：区域控制器同时向所有列车的车载控制器发送移动授权命令；

步骤5：从每一个通信周期的开始时刻，列车的车载控制器等待接收移动授权命令，等待时间长度为指定值τ，τ不小于列车状态信息最大传输时延和移动授权命令最大传输时延的总和；

步骤6：如果列车的车载控制器在等待时间内未收到移动授权命令，则利用上一接收的移动授权命令估计其它列车的状态，假定其它列车仍在上一移动授权命令所述位置，列车速度为上一移动授权命令所述速度加上一个周期内最大可能的列车速度变化量；

步骤7：在等待时间结束时刻，列车的车载控制器根据接收或估计的移动授权命令计算控制命令。计算控制命令时采用最小能耗准则或最小列车间隔准则选取闭环增益，利用列车自身及前面所有或部分列车的状态计算控制命令；

步骤8：列车执行控制命令。

实施例1

如图4所示，由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。l¹,l²,…,lⁿ分别为T-1，T-2,…,T-n的长度。分别为kT周期开始时刻T-1,T-2,…,T-n尾部的位置。分别为kT周期开始时刻T-1,T-2,…,T-n列车的速度。分别为kT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，

在CBTC系统中，列车和ZC严格时间同步，列车状态的采样周期非常短。因此，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多列车控制系统表示为：

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

其中，X_k为系统的状态矩阵，包括所有列车的状态；U_k为控制器输出矩阵，包含所有列车的控制变量；G为闭环增益矩阵；A,B为参数矩阵。

状态矩阵X_k包括每两列车距离前车尾部的距离的偏差和速度的偏差。

$X_k=\left[\begin{array}{c}{D}_k\\ V_k\end{array}\right],---\left(2\right)$

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

$\begin{array}{c}{D}_k={\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\δ}{d}_k^1& {\mathrm{\δd}}_k^2& ...& {\mathrm{\δd}}_k^n\end{array}\right]}^{\′},\\ V_k={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\δv}}_k^1& {\mathrm{\δv}}_k^2& ...& {\mathrm{\δv}}_k^n\end{array}\right]}^{\′},\end{array}---\left(3\right)$

其中，分别为kT周期开始时刻T-1,T-2,…,T-n的距离偏差；分别为kT周期开始时刻T-1,T-2,…,T-n的速度偏差。

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。

$U_k={\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{\δf}}_k^1& {\mathrm{\δf}}_k^2& ...& {\mathrm{\δf}}_k^n\end{array}\right]}^{\′}---\left(4\right)$

其中，分别为kT周期开始时刻T-1,T-2,…,T-n的作用力偏差。

根据动力学方程可以推导出A、B、A₁₁、A₂₁、A₂₂、B₁₁、B₂₁矩阵，

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

A₁₁=I_n,

A₂₁=0_n,n,A₂₂=I_n

其中，I_n是一个n×n的单位矩阵；0_n,n是一个n×n的零矩阵；m¹,m²,…,mⁿ分别为T-1,T-2,…,T-n的质量。

用分别表示列车状态和移动授权命令的传输结果。其中，表示第i列车在第k周期的状态信息传输失败，区域控制器未收到该列车的状态信息；表示第i列车在第k周期的状态信息传输成功，区域控制器正确接收该列车的状态信息；表示第i列车在第k周期未收到区域控制器发送的移动授权命令；表示第i列车在第k周期正确接收移动授权命令；

结合车地无线信道的特点，假定独立且服从相同的贝努力分布。

$\begin{array}{c}P({\mathrm{\γ}}_k^i=1)=P({\mathrm{\θ}}_k^i=1)=p,\\ P({\mathrm{\γ}}_k^i=0)=P({\mathrm{\θ}}_k^i=0)=1-p.\end{array}---\left(5\right)$

第j列车估计的第i列车的状态取决于区域控制器是否成功接收第i列车的状态信息以及第j列车是否成功接收区域控制器发送的移动授权命令。

其中，分别是第j列车估计的第i列车的尾部位置和速度；Δ_v是列车在通信周期T内最大可能的速度增加量；表明第j列车是否收到第i列车的状态信息。

由于本发明中，列车利用自身和前面所有或部分列车状态计算控制命令，这里仅需后车估计前车的状态，所以有

定义第j列车估计的系统状态为

${\hat{X}}^j={\left[\begin{array}{cc}{\hat{D}}_k^{j^{\′}}& {\hat{V}}_k^{j^{\′}}\end{array}\right]}^{\′},---\left(8\right)$

其中，分别是估计的列车间距和估计的列车速度的n维矢量。

$\begin{array}{c}{\hat{D}}_k^j={\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\δ}{\hat{d}}_k^{1,j}& \mathrm{\δ}{\hat{d}}_k^{2,j}& ...& \mathrm{\δ}{\hat{d}}_k^{n,j}\end{array}\right]}^{\′},\\ {\hat{V}}_k^j={\left[\begin{array}{cccc}\mathrm{\δ}{\hat{v}}_k^{1,j}& \mathrm{\δ}{\hat{v}}_k^{2,j}& ...& \mathrm{\δ}{\hat{v}}_k^{n,j}\end{array}\right]}^{\′},\end{array}---\left(9\right)$

其中，分别是第j列车估计的第i列车的间距和速度偏差。

取决于可表示为：

其中，Δ_d是列车在一个通信周期内最大可能走行的距离。

为便于运算，我们定义以下对角矩阵来表示传输结果：

其中，是n×n的矩阵；表示生成一个以矢量为对角的矩阵；表示生成一个以矢量为对角的矩阵；表示生成一个以矢量为对角的矩阵；表示生成一个以矢量为对角的矩阵。

第j列车估计的系统状态可表示为：

${\hat{X}}_k^j={\hat{C}}_k^j{X}_k+{\hat{E}}_k^j{X}_{k-1}+{\hat{F}}_k^j{\hat{X}}_{k-1}^j+{\hat{H}}_k^j{W}_0^j,---\left(11\right)$

其中，

${\hat{C}}_k^j=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Θ}}_k^j{\mathrm{\γ}}_k^j& -\frac{T}{2}{\mathrm{\Θ}}_k^j{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_k^j\\ 0_{n,n}& {\mathrm{\Θ}}_k^j\end{array}\right],{\hat{E}}_k^j=\left[\begin{array}{cc}{0}_{n,n}& -\frac{T}{2}{\mathrm{\Θ}}_k^j{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_k^j\\ 0_{n,n}& 0_{n,n}\end{array}\right],$

${\hat{F}}_k^j=\left[\begin{array}{cc}{I}_n-{\mathrm{\Θ}}_k^j{\mathrm{\γ}}_k^j& 0_{n,n}\\ 0_{n,n}& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Θ}}}_k^j\end{array}\right],{\hat{H}}_k^j=\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Θ}}}_k^j& 0_{n,n}\\ 0_{n,n}& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Θ}}}_k^j\end{array}\right],$

$W_0^j={\left[\begin{array}{cccccc}{-\mathrm{\Δ}}_d& ...& -{\mathrm{\Δ}}_d& {\mathrm{\Δ}}_v& ...& {\mathrm{\Δ}}_v\end{array}\right]}^{\′},$

表示第j列车估计的系统状态的矩阵；

针对多车情况，我们定义以下矩阵：

${\hat{C}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{\hat{C}}_k^1& ...& {\hat{C}}_k^n\end{array}\right]\right),$

${\hat{E}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{\hat{E}}_k^1& ...& {\hat{E}}_k^n\end{array}\right]\right),$

${\hat{F}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{\hat{F}}_k^1& ...& {\hat{F}}_k^n\end{array}\right]\right),$

${\hat{H}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{\hat{H}}_k^1& ...& {\hat{H}}_k^n\end{array}\right]\right),$

$W_0={\left[\begin{array}{ccc}{W}_0^{1^{\′}}& ...& W_0^{n^{\′}}\end{array}\right]}^{\′},$

其中，BlkDiag([…］)生成一个以输入参数为对角块的块对角矩阵，矩阵的对角。

为便于多车的计算重新定义系统状态、估计的系统状态、参数、闭环增益和控制矩阵如下：

Y_k=[X′_k…X′_k]′,A_y=BlkDiag([A…A]),

${\hat{Y}}_k={\left[\begin{array}{ccc}{\hat{X}}_k^{1^{\′}}& ...& {\hat{X}}_k^{n^{\′}}\end{array}\right]}^{\′},B_y=\mathrm{BlkDiag}\left(\begin{array}{c}\left[\begin{array}{ccc}B& ...& B\end{array}\right]\end{array}\right),$

${\hat{G}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{G}_k& ...& G_k\end{array}\right]\right),{\hat{U}}_k={\left[\begin{array}{ccc}{U}_k^{\′}& ...& U_k^{\′}\end{array}\right]}^{\′}.$

存在列车状态传输丢包和/或移动授权命令传输丢包情况下，多列车控制系统可表示为：

$Y_{k+1}=A_y{Y}_k-B_y{\hat{G}}_k{\hat{Y}}_k=A_y{Y}_k-B_y{\hat{G}}_k({\hat{C}}_k{Y}_k+{\hat{E}}_k{Y}_{k-1}+{\hat{F}}_k{\hat{Y}}_{k-1}+{\hat{H}}_k{W}_0),---\left(12\right)$ ${\hat{U}}_k=-{\hat{G}}_k{\hat{Y}}_k.$

公式(12)中的由G_k组成。G_k由每辆列车的闭环增益组成的矩阵。每辆列车根据本车状态和前面所有或部分列车状态计算控制命令。如

图4所示的n列车运行控制系统，处于不同位置的列车的闭环增益具有如下性质：

第1列车有2^1-1种闭环增益，G^1，1；

第2列车有2^2-1种闭环增益，G^2,1,G^2,2；

第i列车有2^i-1种闭环增益，

第n列车有2^n-1种闭环增益，

第i列车(i=1,2,…，n)根据以下两个准则选取闭环增益

1)最低能耗准则：从2^i-1个闭环增益中选取一个Gⁱ使得该通信周期内作用力偏差与最优作用力偏差的差值的平方最小，即：

$\min {({\mathrm{\δf}}_k^i-{\mathrm{\δ}\tilde{f}}_k^i)}^2$

2)最小列车间隔准则：从2^i-1个闭环增益中选取一个Gⁱ使得该通信周期内列车间距偏差与最优间距偏差的差值的平方最小，即：

$\min {({\mathrm{\δd}}_k^i-{\mathrm{\δ}\tilde{d}}_k^i)}^2$

每列车都根据最小能耗准则或最小列车间隔准则选取闭环增益。所有列车的闭环增益的组合构成多列车运行控制系统的闭环增益G_k。

G_k=[G^1′G^2′…G^n′]′

G_k有N种可能，

$N=2^0\·2^1....2^{n-1}=2^{1+2+...+(n-1)}=2^{\frac{n(n-1)}{2}}$

通过G_k得到再通过公式(12)得到控制器输出命令。

实施例2

如图5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。l¹,l²,l³分别为T-1,T-2,T-3的长度。分别为kT周期开始时刻T-1,T-2,T-3尾部的位置。分别为kT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ZC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：

X_k+1=AX_k+BU_k,

U_k=-GX_k,

其中，X_k为三列车的状态矩阵；U_k为控制器输出矩阵；G为控制系统的闭环增益；A,B为参数矩阵。

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

其中，D_k为距离偏差矩阵；V_k为速度偏差矩阵。

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

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

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A,B。

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

$A_{11}=I_3,A_{12}=T\left[\begin{array}{ccc}-1& 0& 0\\ 1& -1& 0\\ 0& 1& -1\end{array}\right],$

A₂₁=0_3,3,A₂₂=I₃

$B_{11}=\frac{T^2}{2}\left[\begin{array}{ccc}\frac{-1}{m^1}& 0& 0\\ \frac{1}{m^1}& \frac{-1}{m^2}& 0\\ 0& \frac{1}{m^2}& \frac{-1}{m^3}\end{array}\right],B_{21}=T\left[\begin{array}{ccc}\frac{1}{m^1}& 0& 0\\ 0& \frac{1}{m^2}& 0\\ 0& 0& \frac{1}{m^3}\end{array}\right],,$

其中，I₃是一个3×3的单位矩阵；0_3,3是一个3×3的零矩阵；m¹,m²,m³分别为T-1,T-2,T-3的质量。

定义第j列车(j≤3)估计的系统状态为

${\hat{X}}^j={\left[\begin{array}{cc}{\hat{D}}_k^{j^{\′}}& {\hat{V}}_k^{j^{\′}}\end{array}\right]}^{\′},$

其中，分别是估计的列车间距和估计的列车速度的n维矢量。

${\hat{D}}_k^j={\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\δ}{\hat{d}}_k^{1,j}& \mathrm{\δ}{\hat{d}}_k^{2,j}& \mathrm{\δ}{\hat{d}}_k^{3,j}\end{array}\right]}^{\′},$

${\hat{V}}_k^j={\left[\begin{array}{ccc}\mathrm{\δ}{\hat{v}}_k^{1,j}& \mathrm{\δ}{\hat{v}}_k^{2,j}& \mathrm{\δ}{\hat{v}}_k^{3,j}\end{array}\right]}^{\′},$

其中，分别是第j列车估计的第i列车(i≤3)的间距和速度偏差。

取决于可表示为：

其中，Δ_d是列车在一个通信周期内最大可能走行的距离。

为便于运算，我们定义以下对角矩阵来表示传输结果：

其中，是3×3的矩阵；生成一个以矢量为对角的矩阵；生成一个以矢量为对角的矩阵；生成一个以矢量为对角的矩阵。

第j列车估计的系统状态可表示为：

${\hat{X}}_k^j={\hat{C}}_k^j{X}_k+{\hat{E}}_k^j{X}_{k-1}+{\hat{F}}_k^j{\hat{X}}_{k-1}^j+{\hat{H}}_k^j{W}_0^j,$

其中，

${\hat{C}}_k^j=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{\Θ}}_k^j{\mathrm{\γ}}_k^j& -\frac{T}{2}{\mathrm{\Θ}}_k^j{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_k^j\\ 0_{\mathrm{3,3}}& {\mathrm{\Θ}}_k^j\end{array}\right],{\hat{E}}_k^j=\left[\begin{array}{cc}{0}_{\mathrm{3,3}}& -\frac{T}{2}{\mathrm{\Θ}}_k^j{\stackrel{\‾}{\mathrm{\γ}}}_k^j\\ 0_{\mathrm{3,3}}& 0_{\mathrm{3,3}}\end{array}\right],$

${\hat{F}}_k^j=\left[\begin{array}{cc}{I}_3-{\mathrm{\Θ}}_k^j{\mathrm{\γ}}_k^j& 0_{\mathrm{3,3}}\\ 0_{\mathrm{3,3}}& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Θ}}}_k^j\end{array}\right],{\hat{H}}_k^j=\left[\begin{array}{cc}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\Θ}}}_k^j& 0_{\mathrm{3,3}}\\ 0_{\mathrm{3,3}}& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\Θ}}}_k^j\end{array}\right],$

$W_0^j={\left[\begin{array}{cccccc}{-\mathrm{\Δ}}_d& -{\mathrm{\Δ}}_d& -{\mathrm{\Δ}}_d& {\mathrm{\Δ}}_v& {\mathrm{\Δ}}_v& {\mathrm{\Δ}}_v\end{array}\right]}^{\′}.$

针对多车情况，我们定义以下矩阵：

${\hat{C}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{\hat{C}}_k^1& {\hat{C}}_k^2& {\hat{C}}_k^3\end{array}\right]\right),$

${\hat{E}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{\hat{E}}_k^1& {\hat{E}}_k^2& {\hat{E}}_k^3\end{array}\right]\right),$

${\hat{F}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{\hat{F}}_k^1& {\hat{F}}_k^2& {\hat{F}}_k^3\end{array}\right]\right),$

${\hat{H}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{\hat{H}}_k^1& {\hat{H}}_k^2& {\hat{H}}_k^3\end{array}\right]\right),$

$W_0={\left[\begin{array}{ccc}{W}_0^{1^{\′}}& W_0^{2^{\′}}& W_0^{3^{\′}}\end{array}\right]}^{\′},$

其中，BlkDiag([…])生成一个以输入参数为对角块的块对角矩阵，矩阵的对角。

为便于多车的计算重新定义系统状态、估计的系统状态、参数、闭环增益和控制矩阵如下：

Y_k=[X′_kX′_kX′_k]′,A_y=BlkDiag([AAA]),

${\hat{Y}}_k={\left[\begin{array}{ccc}{\hat{X}}_k^{1^{\′}}& {\hat{X}}_k^{2^{\′}}& {\hat{X}}_k^{3^{\′}}\end{array}\right]}^{\′},B_y=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}B& B& B\end{array}\right]\right),$

${\hat{G}}_k=\mathrm{BlkDiag}\left(\left[\begin{array}{ccc}{G}_k& G_k& G_k\end{array}\right]\right),{\hat{U}}_k={\left[\begin{array}{ccc}{U}_k^{\′}& U_k^{\′}& U_k^{\′}\end{array}\right]}^{\′}.$

存在列车状态传输丢包和/或移动授权命令传输丢包情况下，多列车控制系统可表示为：

$Y_{k+1}=A_y{Y}_k-B_y{\hat{G}}_k{\hat{Y}}_k=A_y{Y}_k-B_y{\hat{G}}_k({\hat{C}}_k{Y}_k+{\hat{E}}_k{Y}_{k-1}+{\hat{F}}_k{\hat{Y}}_{k-1}+{\hat{H}}_k{W}_0),$

${\hat{U}}_k=-{\hat{G}}_k{\hat{Y}}_k.$

式中由G_k组成。G_k由每辆列车的闭环增益组成的矩阵。每辆列车根据本车状态和前面所有或部分列车状态计算控制命令。如图4所示的n列车运行控制系统，处于不同位置的列车的闭环增益具有如下性质：

采用极点放置的方法确定列车的闭环增益如下：

第1列车有2^1-1种闭环增益，

G^1，1=[-0.082000.684500].；

第2列车有2^2-1种闭环增益，

G^2,1=[0-1.2026000.90160],

G^2,2=[-0.0449-0.43260-0.071570.77070].；

第3列车有2^3-1种闭环增益，

G^3,1=[00-1.5023000.8032],

G^3,2=[-0.0382-0.0380-0.3850-0.07331-0.07830.7048],

G^3,3=[-0.04600-0.4629-0.0733300.7048],

G^3,4=[0-0.1035-1.03600-0.073330.7048].

第1列车的闭环增益只有一个选择。第2列车根据最低能耗准则或最小列车间隔准则从G^2,1,G^2,2中选取。第3列车根据最低能耗准则或最小列车间隔准则从G^3,1,G^3,2,G^3,3,G^3,4中选取。

3列车运行控制系统的闭环增益为第1、2、3列车闭环增益的组合，有种可能

1)[G^1,1′G^2,1′G^3,1′]′，

2)[G^1,1′G^2,1′G^3,2′]′

3)[G^1,1′G^2,1′G^3,3′]′

4)[G^1,1′G^2,1′G^3,4′]′

5)[G^1,1′G^2,2′G^3,1′]′

6)[G^1,1′G^2,2′G^3,2′]′

7)[G^1,1′G^2,2′G^3,3′]′

8)[G^1,1′G^2,2′G^3,4′]′

图6是存在传输丢包情况下，采用现有控制策略的3列车运行控制系统中第3列车的性能曲线。

图7是采用本发明提供的方法和最小能耗准则，3列车运行控制系统中第3列车的性能曲线。从图7可以看出，列车的间距偏差、速度偏差和作用力偏差曲线更加平滑，减少了列车不必要的牵引和制动，降低了系统的能耗。

图8是采用本发明提供的方法和最小列车间距准则，3列车运行控制系统中第3列车的性能曲线。从图8可以看出列车间距的波动降低，可以采取更小的列车间距即意味着线路运输能力的提升。运算过程中假定列车为单位质量，所以这里的加速度偏差等效为作用力偏差。

Claims (8)

1.一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法，其特征在于，在传输丢包情况下，减少列车运行控制系统不必要的牵引和制动，降低系统能耗，包括如下步骤：

步骤1：将受传输丢包影响的所有列车等效为一个网络控制系统，包括(1)将所有列车的车载控制器的集合等效为控制器；(2)将所有列车的牵引/制动装置的集合等效为执行器；(3)将所有列车的测速定位装置的集合等效为传感器；(4)区域控制器作为传感器和控制器之间传输网络的一部分，对数据进行转发处理；

步骤2：从每一个通信周期的开始时刻，区域控制器等待接收所有列车的状态信息，等待时间小于预先规定的最长接收等待时间；

步骤3：区域控制器根据步骤2估计未接收到状态信息的列车的状态；区域控制器估计未接收到状态信息的列车位置与列车上一次汇报的位置相同，列车速度为上一次汇报或估计的列车速度与一个周期内最大可能的列车速度变化量的和；

步骤4：区域控制器为每辆列车生成相同的移动授权命令；该移动授权命令包含所有接收到的列车状态和未接收到状态信息的列车的估计状态信息；

步骤5：区域控制器同时向所有列车的车载控制器发送移动授权命令；

步骤6：车载控制器从每个通信周期的开始时刻起等待接收移动授权命令，等待时间长度τ满足τ≥2·τ_m，τ_m为最大的列车状态传输时延；

步骤7：列车的车载控制器计算控制命令；

步骤8：列车的车载控制器根据接收到的或估计的移动授权命令，选择其闭环增益Gⁱ,i＝1,2,…,n，通过Gⁱ的选择利用列车自身及列车前面所有或部分列车的状态计算控制命令；

步骤9：列车执行控制命令。

2.根据权利要求1所述一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法，其特征在于，所述步骤7包括以下两种情况：

情况一：列车的车载控制器收到移动授权命令则根据移动授权命令计算控制命令；

情况二：列车的车载控制器在等待时间内未接收到移动授权命令，则根据上一个移动授权命令估计其它列车的位置和速度，生成估计的移动授权命令，根据估计的移动授权命令计算控制命令。

3.根据权利要求1所述一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法，其特征在于，所述步骤8选择闭环增益，列车根据当前周期作用力偏差与没有丢包时的作用力偏差的差值的平方最小准则选取闭环增益，或者列车根据当前周期列车间距偏差与没有丢包时的最优列车间距偏差的差值的平方最小准则选取闭环增益。

4.根据权利要求3所述一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法，其特征在于，所述闭环增益Gⁱ的选择基于以下两个准则：

1)最小能耗准则：第i辆列车选择Gⁱ，使得当前时刻的作用力偏差与最优作用力偏差的差值的平方最小，

$min{({\mathrm{\δf}}_k^i-\mathrm{\δ}{\tilde{f}}_k^i)}^2$

其中，是有传输丢包情况下，第i辆列车在第k个周期起始时刻的作用力偏差；是没有传输丢包情况下，第i辆列车在第k个周期起始时刻的作用力偏差；

2)最小列车间隔准则：第i辆列车选择Gⁱ，使得当前时刻的列车间距偏差与最优间距偏差的差值的平方最小，

$min{({\mathrm{\δd}}_k^i-\mathrm{\δ}{\tilde{d}}_k^i)}^2$

多列车运行控制系统的闭环增益G是所有Gⁱ,i＝1,2,…,n的组合，

G＝[(G¹)′(G²)′…(Gⁿ)′]′

其中，[(G¹)′(G²)′…(Gⁿ)′]′代表矩阵[(G¹)′(G²)′…(Gⁿ)′]的转置。

5.根据权利要求1所述一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法，其特征在于，所述区域控制器的等待时间分为以下两种情况：

情况一：所有列车的状态传输时延中的最大值小于最大允许等待时间，区域控制器的等待时间等于所有列车状态传输时延的最大值；区域控制器接收到最后一个列车的状态信息后开始计算列车的移动授权命令；

情况二：所有列车的状态传输时延中的最大值大于最大允许等待时间，区域控制器等待最大允许等待时间后，开始计算列车的移动授权命令。

6.根据权利要求1所述一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法，其特征在于，所述区域控制器估计未接收到列车的状态为在上一汇报位置，速度为上一次汇报速度加上一个周期时间内最大可能的速度变化量。

7.根据权利要求1所述一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法，其特征在于，步骤6列车的等待指定的时间间隔，该时间间隔长度不小于列车状态的最大传输时延与移动授权命令的最大传输时延之和。

8.根据权利要求1所述一种降低列车能耗、提高线路运输能力的方法，其特征在于，列车的车载控制器根据上一移动授权命令中的列车状态估计其它列车当前的状态；估计的列车位置保持与上一移动授权命令中的位置不变，估计的列车速度为上一移动授权中的速度加上一个周期内最大可能的速度变化量。