CN108466637B - 列车控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种列车控制方法，该方法包括：根据多个列车当前的运行状态以及多个列车之中的各成员列车之间的通信质量判断是否满足虚拟钧连的条件；以及，当虚拟钧连的条件得到满足时，启动各成员列车之间的虚拟钧连，在各成员列车之间形成电子车钧，虚拟钧连使得各成员列车之间的间距收敛，且多个列车的运行状态逐渐趋于一致，并随后进入大致稳定的编组运行阶段。采用本发明的方法，能够保障列车以超高密度运行，达到迅速转移客流的目的。

Description

列车控制方法

技术领域

本发明涉及铁路运输技术领域，具体而言，涉及一种列车控制方法。

背景技术

作为国民经济的大动脉和交通运输体系的骨干，近年来，我国轨道交通蓬勃发展并取得了举世瞩目的成就。

然而，随着社会的进步和经济的发展，人民群众出行日渐增多，对轨道交通的运力需求也随之增加。建设新线缓解运力紧张的最有效途径，但是时间长、成本高，很难及时解决当前的难题。

因此，通过技术手段在现有基础设施基础上提升轨道交通线路运力是保障人民群众方便、快捷出行的必由之路。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种列车控制方法，以解决上述的问题。

本发明所提供的列车控制方法可用于自动编队的多个列车，该方法包括：根据所述多个列车当前的运行状态以及所述多个列车之中的各成员列车之间的通信质量判断是否满足虚拟钩连的条件；以及启动各所述成员列车之间的虚拟钩连，借助于所述电子车钩，所述虚拟钩连使得各所述成员列车之间的间距收敛，且所述多个列车的运行状态逐渐趋于一致，并随后进入稳定的编组运行阶段。其中，所述电子车钩允许各所述成员列车之间的间距突破安全距离的限制。

采用本发明的技术方案使得当面临突发的客流增长时，建立虚拟钩连并形成电子车钩，从而保障列车以超高密度运行，达到迅速转移客流的目的。

附图说明

图1示出了本发明的列车控制方法的一种实施例的流程图。

具体实施方式

一般来说，在铁路运输领域中，为了提升线路运力，最直接的方法就是增加线路中列车的数量或者增大列车的长度。然而，既有信号系统闭塞区间的设置使得前后列车的间距要大于紧急制动距离，这个间距也被称作安全距离。客运列车长度不同于货运列车，而且，由于站台等基础设施的限制，大多数情况下编组长度是固定的。同时，当前部分高速铁路线路和城市轨道交通线路在运营过程中发车间隔指标已经接近设计极限。

本发明的列车控制方法以客流突变等对轨道交通运输能力需求猛增的时间为触发条件，地面控制中心及时计算和评估运力需求以确定预编队方案。所谓预编队方案，即控制中心根据列车所处位置与客流突变等事件发生地，以及对客流的状态预测结果通知各列车进入集结区域，使之形成列车群。在确定符合虚拟钩连的条件后，列车群启动虚拟钩连，以包括但不限于距离、速度等指标参数的一致性和收敛性作为衡量标准，列车群进入编组运行阶段，在达到控制中心所设置的预期目标之后列车群进入解除虚拟钩连阶段，之后的列车按照调整后的行车计划继续运营。

预编队方案是控制中心根据客流的当前状态以及状态预测，结合路网内列车的运行状态和空间分布特征，确定所需列车数量、编号、进入客流突发站的次序等，旨在实现对突发客流的快速转运。

地面控制中心对所需列车进行信息告知需通过车地通信系统通过广播、单播或者多播方式完成，信息内容包括但不限于列车群内各列车ID、列车速度、列车加速度等运行状态，实现列车群里信息的共享。

列车自动编组包括编队过程、运行过程和解编过程三个阶段。编队过程需要通过车地通信和车车通信的协调，保障列车之间的信息交互处于可靠、可信状态，进而通过接车之间的加速和减速操作保持稳定的间距和一致的运行状态，形成处于稳态的列车群；运行过程即多列车已形成编队，各成员基于多传感器等感知信息和列车之间的信息交互所获知各成员状态参数，保障列车之间安全距离，安全距离受到列车的相对速度、相对加速度、车车通信时延等因素的影响，可定义为d_safe＝d_Bbrake-d_Fbrake+V_Bmax·Δt，其中，d_Bbrake以及d_Fbrake分别为前车和后车制动距离，V_Bmax为后车运行的最大速度，Δt为最大车车通信时延。

虚拟钩连的条件包括当前列车群内各列车间的距离、速度差、加速度差、车车通信质量等，如果满足安全保障条件，列车启动虚拟钩连。各列车的距离需要满足车车通信的要求，也就是说，列车间距小于有效通信距离，即，d_t2t＜d_ComAva，其中，有效通信距离d_ComAva是由车车通信的服务质量确定，即，当列车间距是d_ComAva时，车车通信的质量需满足最低要求，可表述为通信时延T_delay＜1ms，丢包率PLR＜0.1％，吞吐量TP＞1Mbps。

控制中心在车地通信系统的监测下完成列车的虚拟钩连，列车群内各列车通过车车通信实现运行状态的共享，确定车车通信链路的可靠性和可信度水平之后，列车之间建立链接，形成电子车钩，列车根据自身及群内其他成员运行状态在电子车钩约束下，进行加速和减速的决策，使得列车群内各列车的运行状态达到自动编组的需求。电子车钩以无线通信链路的形式使得列车以超短间距(＜10米)运行，从而达到机械车钩连接列车的效果。

电子车钩的建立需要进行请求、认证、连接以及性能测试四个阶段。请求阶段即列车A、B的间距、速度差以及加速度差等运行状态达到了要求，列车A会发起电子车钩的建立请求，列车B确认A的信息后会予以回复，在这一过程中，列车A、B间的请求数据和回复数据具有预制密钥来保障二者身份的合法性；认证阶段即列车A、B发送相关身份认证信息，再次保障二者链路的可信性和可靠性；连接阶段即列车A、B启动时间同步等事项，保障行动的一致性；性能测试阶段，列车A、B之间进行测试数据的交互，根据丢包率、通信时延以及吞吐量等性能指标的可靠性，最终确认电子车钩的可靠性。

列车编组运行是列车群内各列车实现列车间隔相对稳定、列车运行状态相对一致的动态平衡，同时在面临系统扰动时列车会迅速根据控制算法重新快速处于稳定状态。所述的控制算法实现多列车之间的协同，即各列车以本列车以及周围列车的观测状态为输入，基于目标函数，自主调整运行状态，以安全为约束，快速、准确实现列车之间运行状态的相对稳定性。

列车解除虚拟钩连是当达到应对突发客流的目的之后，列车群内的各列车不需要以如此超高密度的间距行车。控制中心向列车群各列车下达解除虚拟钩连的指令，列车群根据自身的运行状态和列车间距依次解除虚拟钩连，重新通过车地通信直接接收控制中心的指令。

所述的安全保障机制包括但不限于电子车钩无法建立时，自动编队取消，列车恢复独立运行；编队运行时，如遇突发事件导致列车安全约束变化，列车群迅速解除虚拟钩连。该安全保障机制以大量的信息交互为基础，以状态预测为核心，以协同控制为手段，保障列车面临破坏列车群稳定性的外部扰动时，能够快速响应，保障列车群的安全、高效运行。

本发明至少能够带来如下有益效果：面临突发的客流增长，在控制中心的指导和监督下列车实现预编队；通过车车通信建立虚拟钩连，从而保障列车以超高密度运行，达到迅速转移客流的目的；通过信息的大量、高频次交互，对相邻列车的运行状态进行研判和预测，及时调整自身的行车策略来保障自动编队运行时的安全性。

实施例一

以下将对本发明的一个实施例进行描述，需要理解的是，本发明并不局限于特定的实施方式。

一下参照图1，图1示出了根据本发明的列车控制方法的一个具体的实施例。在图1中，包括了下述的八个步骤，分别是：

步骤S1：车站通过技术手段监测客流，并将客流信息实时上报到控制中心，客流增加超过一定阈值即驱动控制中心发布预编队方案。控制中心对客流大小进行分析，确定所需的列车数量，同时结合车站位置和相邻列车的运行状态确定预编队方案，该方案包括但不限于编队成员ID、预定集结地点、集结时间等。

步骤S2：控制中心通过车地通信系统将预编队方案下发到各列车，包括但不限于编队成员ID、预定集结地点，集结时间等。

步骤S3：列车根据预编队方案行驶在集结时间约束下到达集结地点。列车启动车车通信机制，并根据通信服务质量(QoS)确定链路的可靠性、可信性等。

步骤S4：判断通信链路是否达到实现虚拟钩连的条件。

步骤S5：启动虚拟钩连，形成电子车钩。列车群通过车车通信建立自组织网，列车之间交互自身的运行状态。运行状态包括但不限于列车群内其他成员的速度、位置、加速度等。车载控制器根据所有参数根据自身协同机制驱动列车制定加速或者减速策略，使得列车距离收敛、列车运行状态达到一致的稳定状态。

步骤S6：列车群达到稳定状态后，控制中心通过车地通信系统将列车群运行计划下发到各列车，各列车在安全边界及群内其他列车的运行状态的共同约束下调整自身运行策略，以协同一致的方式按计划运行。

步骤S7：列车群到达目的地，完成运营计划后，列车群解除虚拟钩连。

步骤S8：各列车恢复独立运行。

需要注意的是，在上述的步骤S5至步骤S7期间，始终贯穿安全保障机制，一旦无法满足安全保障条件，则虚拟钩连或编组运行即时解除，列车群内的各列车恢复独立运行状态。另外，安全边界指在基于当前列车的加速度和速度，相邻列车之间的间距不小于安全距离d_safe，即，

所述的安全边界还包括列车之间的车车通信可靠、可信，即不存在认证、加密以及干扰等信息安全风险。

由于本发明提供的方法可实现超高密度的列车运行，其安全需求相对于传统轨道交通更加苛刻。因此，在列车虚拟钩连、编组运行和解除虚拟钩连的过程中均需要控制中心对各列车运行状态的实时监视，并具有最高权限的控制权，能够根据列车运行状态对安全状态进行评估同时对未来运行状态进行预测。

可如下所述地构建本发明：

(1)、一种面向自动编队的轨道交通列车控制方法，其包括以下步骤：

步骤1：轨道交通地面控制中心监测并预测客流，确定客流突变导致运力需求剧增时，控制中心启动预编队方案。

步骤2：地面控制中心确定所需列车数量，基于客流突变地面和相邻列车运行状态，确定编队成员，并通过车地通信系统下发预编队命令。

步骤3：待编队列车基于预编队命令通过车地通信系统在控制中心的监督下进入集结区域。在这一过程中列车的间距逐渐逼近传统信号系统所设定的安全距离时，控制中心切换区域的信号系统模式，使得列车间距突破安全距离的限制。

步骤4：进入集结区域后，列车群内各成员基于车车通信链路的性能判断是否能够实现虚拟钩连，如果确定通信链路可靠、可信则可启动虚拟钩连。

步骤5：列车群虚拟钩连以车车通信作为电子车钩实现的基础，实现协同一致的运行，当列车群运行状态稳定且列车间距等运行参数收敛时，进入编组运行阶段。

步骤6：列车进入编组运行阶段，以协同控制算法保障列车运行状态的一致性，使得列车群整体状态在外部系统扰动的情况下仍能约束在安全边界内。列车群的运行需要通过车地通信系统在控制中心的指导下实现。

步骤7：控制中心通过对客流等参数的整体评估，确定列车群已完成运输计划，发送解除编队命令。

步骤8：列车群接收到解除编队命令后，根据列车运行状态和安全约束，确定列车解除虚拟钩连的优先级，保障列车快速、高效、安全地进入到独立运行状态。

步骤9：各列车恢复到编队之前的运行模式，在控制中心的监督指导下运行。

2、如(1)的一种面向自动编队的列车控制方法，其中，步骤1：控制中心通过视频监控、检票信息等评估实时客流，基于历史客流数据变化态势对客流进行预测。

3、如(1)的一种面向自动编队的列车控制方法，其中，步骤4：通信链路的可靠、可信需要通过物理层信号强度、MAC层丢帧率以及应用层丢包率和通信时延等多层次指标综合判断。

4、如(1)的一种面向自动编队的列车控制方法，其中，步骤5：车车通信形成“电子车钩”需要通过握手协议实现列车群内所有列车的身份认证，保障列车的合法性。同时，列车之间交互的信息需要通过加密处理，以保证信息传输保密性。

5、如(1)的一种面向自动编队的列车控制方法，其中，步骤6：所采用的协同控制算法兼顾效率和控制精度，通过列车的距离和运行状态差异建立列车和列车之间的势能函数，实现列车的聚集控制和一致性控制，同时在系统扰动的影响下，保障列车运行状态约束在安全边界内，并快速达到状态的收敛和运行状态的一致。

6、如(1)的一种面向自动编队的列车控制方法，其中，步骤8：解除虚拟钩连的优先级是通过列车在编队中的位置综合所有列车的运行状态进行判断，基于优先级列车以此执行解除虚拟钩连。

7、如(1)的一种面向自动编队的列车控制方法，解除虚拟钩连的实质是将车车通信模式转换为车地通信模式，通过握手协议实现列车群对解除虚拟钩连的操作的授权。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种列车控制方法，所述方法用于自动编队的多个列车，其特征在于，所述方法包括：

根据所述多个列车当前的运行状态以及所述多个列车之中的各成员列车之间的通信质量判断是否满足虚拟钩连的条件；

当所述虚拟钩连的条件得到满足时，启动各所述成员列车之间的虚拟钩连，各所述成员列车之间形成电子车钩；

各所述成员列车进入大致稳定的编组运行阶段；以及

所述多个列车的各所述成员列车解除所述虚拟钩连，

其中，所述虚拟钩连使得各所述成员列车之间的间距收敛，同时所述多个列车的运行状态逐渐趋于一致，并且所述电子车钩允许各所述成员列车之间的间距突破安全距离的限制，

并且，所述形成电子车钩包括：

当所述多个列车之中的第一成员列车的所述运行状态与第二成员列车的所述运行状态满足所述虚拟钩连的条件时，由所述第一成员列车向第二成员列车发起建立所述电子车钩的请求；

所述第二成员列车确认所述请求的信息并对所述请求进行回复；

所述第一成员列车与所述第二成员列车互发身份认证信息；

启动所述第一成员列车与所述第二成员列车之间的时间同步；及

所述第一成员列车与所述第二成员列车互发测试数据，根据所述测试数据的可靠性，确认所述第一成员列车与所述第二成员列车之间的所述电子车钩的可靠性，

所述请求以及所述回复携带有预制的密钥。

2.根据权利要求1所述的列车控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取实时外部信息，对所述实时外部信息进行分析，根据所述分析的结果来确定所述多个列车的所述成员列车的数量，并根据车站的位置以及临近的各所述成员列车的所述运行状态来确定针对各所述成员列车的所述多个列车的预编队方案。

3.根据权利要求2所述的列车控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在形成所述电子车钩之前，将所述预编队方案发送至所述成员列车，所述预编队方案包括各所述成员列车的列车ID、预定集结地点以及集结时间。

4.根据权利要求3所述的列车控制方法，其特征在于，所述各所述成员列车之间形成电子车钩还包括：

在所述多个列车之间形成自组织网，所述自组织网允许所述多个列车之间的各所述成员列车交互各自的所述运行状态，各所述成员列车根据所述运行状态调整各自的加速和/或减速策略，使得所述多个列车之间处于大致相同的所述运行状态。

5. 根据权利要求4所述的列车控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述多个列车处于大致相同的运行状态后，将运行计划发送到各所述成员列车；以及

在安全边界以及所述多个列车的各所述成员列车的运行状态的共同约束下，所述多个列车按照所述运行计划，以协同一致的方式运行。

6.根据权利要求5所述的列车控制方法，其特征在于，所述多个列车的各所述成员列车解除所述虚拟钩连包括：

对所述实时外部信息进行评估，并根据所述评估的结果解除所述虚拟钩连。

7.根据权利要求6所述的列车控制方法，其特征在于，所述根据所述评估的结果解除所述虚拟钩连包括：

确认所述多个列车已完成运输计划，并将解除所述虚拟钩连的命令发送到各所述成员列车；以及

在各所述成员列车接收所述命令后，根据各自的所述运行状态以及所述安全边界的约束，确定各所述成员列车解除所述虚拟钩连的优先级，使得各所述成员列车进入独立运行状态。

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