CN113428195A

CN113428195A - 列车自动控制方法及装置

Info

Publication number: CN113428195A
Application number: CN202110726204.3A
Authority: CN
Inventors: 张晨; 吴亮; 彭朝阳; 周丽华; 柴荣阳; 李涛涛
Original assignee: CRSC Urban Rail Transit Technology Co Ltd
Current assignee: CRSC Urban Rail Transit Technology Co Ltd
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2021-06-29
Publication date: 2021-09-24
Anticipated expiration: 2041-06-29
Also published as: CN113428195B

Abstract

本发明提供一种列车自动控制方法及装置，首先确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；然后基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；最后确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制。由于在目标控制器包括有鲁棒补偿器，可以抑制第一加速度信息中的干扰项，使得输出的加速度控制信息考虑了外界的干扰，更加切合实际且更加准确，进而可以得到更加准确的级位信息，可以提高列车自动控制的准确性。

Description

列车自动控制方法及装置

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种列车自动控制方法及装置。

背景技术

随着城市轨道交通技术的不断发展与进步，列车自动运行(Automatic TrainOperation，ATO)系统控车方法也越来越受到人们的重视。ATO系统控车方法的好坏，将直接影响列车的稳定高效运行。

ATO系统通常在道路限速等限制条件下，控制列车的牵引、惰行、制动，从而实现列车高效、合理的自动驾驶以及区间运行等功能。ATO系统在进行区间控车时，通常采用PID控制方法实现。

但是现有的PID控制方法，在列车遇到潮湿、风阻等外界干扰或者车辆参数差异大的情况下，控制效果将会变差，可能会出现超速、级位突变或频繁施加牵引制动等情况，影响ATO系统的控车效率以及乘客的乘车体验和舒适度。

发明内容

本发明提供一种列车自动控制方法及装置，用以解决现有技术中存在的缺陷。

本发明提供一种列车自动控制方法，包括：

确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；

基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；

确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制；

其中，所述目标控制器包括闭环控制器和鲁棒补偿器，所述闭环控制器用于基于所述差值确定所述列车的第一加速度信息，所述鲁棒补偿器用于基于所述第一加速度信息确定所述列车的第二加速度信息，所述加速度控制信息基于所述第一加速度信息和所述第二加速度信息确定。

根据本发明提供的一种列车自动控制方法，所述实际运行信息包括实际速度信息；相应地，

所述确定所述加速度控制信息对应的级位信息，具体包括：

确定所述实际速度信息在速度级位表中所处的速度段；

基于所述加速度控制信息以及所述速度段，确定所述速度级位表中对应的所述级位信息；

其中，所述速度级位表中存储有不同速度段下加速度控制信息与级位信息之间的对应关系。

根据本发明提供的一种列车自动控制方法，所述鲁棒补偿器基于如下方式构建：

确定补偿常数；

基于所述补偿常数、所述列车的实际位置变量以及所述闭环控制器的输出变量，构建所述鲁棒补偿器。

根据本发明提供的一种列车自动控制方法，所述补偿常数可调。

根据本发明提供的一种列车自动控制方法，所述闭环控制器具体为PID控制器。

本发明还提供一种列车自动控制装置，包括：

运行信息确定模块，用于确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；

加速度信息确定模块，用于基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；

控制模块，用于确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制；

根据本发明提供的一种列车自动控制装置，所述控制模块，具体用于：

确定所述实际速度信息在速度级位表中所处的速度段；

根据本发明提供的一种列车自动控制装置，还包括鲁棒补偿器构建模块，用于：

确定补偿常数；

本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任一种所述列车自动控制方法的步骤。

本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述列车自动控制方法的步骤。

本发明提供的列车自动控制方法及装置，首先确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；然后基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；最后确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制。由于在目标控制器包括有鲁棒补偿器，可以抑制第一加速度信息中的干扰项，使得输出的加速度控制信息考虑了外界的干扰，更加切合实际且更加准确，进而可以得到更加准确的级位信息，可以提高列车自动控制的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的列车自动控制方法的流程示意图；

图2是本发明提供的列车运行曲线示意图；

图3是本发明提供的列车自动控制方法的完整流程示意图；

图4是本发明提供的列车自动控制装置的结构示意图；

图5是本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有的PID控制方法，在列车遇到潮湿、风阻等外界干扰或者车辆参数差异大的情况下，控制效果将会变差，可能会出现超速、级位突变或频繁施加牵引制动等情况，影响ATO系统的控车效率以及乘客的乘车体验和舒适度。而且，现有的PID控制方法，控车级位会频繁切换，降低了乘客的适度与乘车体验。现有的PID采用分级控制，使得列车的实际速度与目标制动曲线跟随性差，影响舒适度以及区间运行效率。在列车电空转换制动过程中，由于列车的不可控造成控车难度大，列车级位变化大，造成列车制动系统磨损严重。为此，本发明实施例中提供了一种列车自动控制方法。

图1为本发明实施例中提供的一种列车自动控制方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括：

S1，确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；

S2，基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；

S3，确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制；

具体地，本发明实施例中提供的列车自动控制方法，其执行主体为服务器，该服务器可以是本地服务器，也可以是云端服务器，本地服务器具体可以是计算机、平板电脑以及智能手机等，本发明实施例中对此不作具体限定。

首先执行步骤S1，确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；目标运行区间为ATO区间，是指需要对列车的运行状态进行控制的运行区间，可以是列车行驶路径上的任一长度范围的区间，本发明实施例中对此不作具体限定。列车的目标运行信息是指列车理论上的运行信息，可以包括列车的目标运行位置或目标运行速度等信息。列车的实际运行信息是指列车实际运行过程中的运行信息。

本发明实施例中，可以通过采集模块采集得到列车的实际运行信息，例如采集模块可以包括速度采集模块和位置采集模块，通过速度采集模块可以采集列车的实际速度信息，通过位置采集模块可以采集列车的实际位置信息。其中，位置采集模块可以是定位模块。

然后执行步骤S2，计算目标运行信息与实际运行信息之间的差值，即可以得到速度差值或位置差值，然后根据目标控制器，可以确定出目标运行信息与实际运行信息的差值对应的列车的加速度控制信息。本发明实施例中，可以将差值输入至目标控制器，然后由目标控制器输出列车的加速度控制信息。

其中，目标控制器为自适应控制器，可以包括闭环控制器和鲁棒补偿器，闭环控制器可以根据目标运行信息与实际运行信息的差值确定出列车的第一加速度信息。即闭环控制器的输入为速度差值或位置差值，输出为列车的第一加速度信息。鲁棒补偿器可以对闭环控制器输出的第一加速度信息进行补偿，补偿的方式是通过第一加速度信息确定列车的第二加速度信息。然后将第二加速度信息叠加至第一加速度信息，得到列车最终的加速度控制信息。加速度控制信息是加速度信息，用于控制列车按照加速度控制信息进行运行。

最后，执行步骤S3，确定出加速度控制信息对应的级位信息。本发明实施例中，可以预先确定出加速度控制信息与列车的级位信息之间的对应关系，然后通过上述对应关系即可确定出列车的级位信息，该级位信息表征列车的挡位，即当前时刻需要控制列车达到的级位信息。根据列车的级位信息即可实现对列车的自动控制。

本发明实施例中提供的列车自动控制方法，首先确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；然后基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；最后确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制。由于在目标控制器包括有鲁棒补偿器，可以抑制第一加速度信息中的干扰项，使得输出的加速度控制信息考虑了外界的干扰，更加切合实际且更加准确，进而可以得到更加准确的级位信息，可以提高列车自动控制的准确性。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的列车自动控制方法，所述实际运行信息包括实际速度信息；相应地，

所述确定所述加速度控制信息对应的级位信息，具体包括：

确定所述实际速度信息在速度级位表中所处的速度段；

具体地，本发明实施例中，由于当列车的实际速度处于不同速度段时，加速度控制信息与级位信息之间的对应关系并不一定相同，为此在确定列车的级位信息时，可以借助于速度级位表，在速度级位表中存储有不同速度段下加速度控制信息与级位信息之间的对应关系。首先可以确定出实际速度信息所处的速度段，然后在该速度段下查找加速度控制信息对应的级位信息。

本发明实施例中，对于不同速度段，给出相应的加速度控制信息与级位信息之间的对应关系，可以使得级位信息的准确性大大提高。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的列车自动控制方法，所述鲁棒补偿器基于如下方式构建：

确定补偿常数；

具体地，本发明实施例中，在构建鲁棒补偿器时，可以先确定出补偿常数，补偿常数可以包括g₁、g₂。然后根据补偿常数、列车的实际位置变量以及闭环控制器的输出变量，构建鲁棒补偿器。例如，列车的实际位置变量为X，位置控制算法可以表示为：

其中，a为常数，U为目标控制器的输出，即加速度控制新，且有U＝U^PID+U^RC，U^PID为闭环控制器的输出，即第一加速度信息，U^RC为鲁棒补偿器的输出，即第二加速度信息，d_X为干扰项，即外界的等价干扰。

首先可以设计鲁棒补偿器为：

其中，s为微分算子，F_X(s)＝g₁g₂/(s+g1)(s+g2)。当g₁g₂足够大时，可以使得鲁棒补偿器的输出变量U^RC(s)接近于-d_X(s)/a，从而抑制等价干扰d_X。

上述两个公式联合解算，可以得到：

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的列车自动控制方法，所述补偿常数可调。

具体地，本发明实施例中，在鲁棒补偿器实现补偿控制时，可以通过反复试验，调整补偿常数g₁、g₂，来抑制外界扰动。如图2所示，图2中包括曲线21、曲线22、曲线23以及曲线24，其中曲线21表示列车实际受到干扰后同等级位的加速度波动曲线，曲线22表示列车的理想加速度曲线，曲线23表示列车的实际速度曲线，曲线24表示列车收到的命令速度曲线。当由于外界干扰，例如风阻变大，地面潮湿，以及车辆参数突变，电控转换过程实际减速度与理论减速度差值较大的情况下，鲁棒补偿器能够抑制因列车参数不确定性给控制系统带来的影响。

位置1处，以曲线21为例，在列车区间运行过程中，由于列车受到隧道潮湿或者风阻的影响而导致列车牵引与制动力与实际值存在偏差而导致实际的加减速度大于或小于闭环控制器配置表中配置值，此制动力偏差严重影响了ATO控车精度与舒适度。在目标控制器控制输出后，可以有效识别出响应扰动造成的加速度变化，从而抵抗此扰动，将其滤掉，仍然保持当前惰行形式，增强乘客体验。

位置2处，以曲线21为例，在列车减速过程中，由于电空转化过程中制动力不可控，或者减速度差异大等因素导致列车加速度有大的抖动，此时目标控制器能够很快的做出调整，缩短了过度时间，有效的抑制了超调。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的列车自动控制方法，所述闭环控制器具体为PID控制器。

具体地，闭环控制器可以是模糊PID控制器，其表达式为：

其中，U^PID(s)为闭环控制器，

为闭环控制器的比例系数，

为闭环控制器的积分系数，

为闭环控制器的微分系数，e为目标运行信息与实际运行信息的差值。

以及

均为闭环控制器的控制参数。

图3为本发明实施例中提供的列车自动控制方法的完整流程示意图，如图3所示，首先获取目标运行信息以及实际运行信息，并确定二者的差值e，然后将差值e输入至PID控制器，得到输出U^PID。通过鲁棒补偿器可以得到输出U^RC，U^PID与U^RC相加即得到目标控制器的输出U，将U作用于列车，即可实现对列车的自动控制。同时，U也可以作用于鲁棒补偿器，以对鲁棒补偿器进行修正，使鲁棒补偿器的补偿效果更好。

在调试过程中，先根据列车的目标运行区间跑车，调整PID控制器的控制参数，在确定PID控制器的控制参数后，单向调节补偿常数g₁、g₂来实现鲁棒补偿。

综上所述，本发明实施例中在列车的实际ATO区间控车运行过程中，通过自适应的目标控制器来达到最优控制的同时，还能抑制外部干扰，增强系统的可靠性与鲁棒性。目标控制器包括鲁棒控制器与模糊PID控制器，在ATO区间运行过程中，控制列车按照此制动命令曲线控车，在满足运行效率的同时提升乘客乘车舒适度，同时使控车曲线更加平滑，控制效果更好，保障了列车进站的精确停车。同时能够有效的抑制在区间运行过程中，受到的外界干扰，增强系统的鲁棒性。而且，为了实现ATO列车区间自动运行，自适应调整列车的级位信息，提升乘客舒适度与乘车体验。在既有传统PID控车基础上，通过大量数据分析，制定模糊PID控制器与鲁棒补偿控制器控制策略，对列车区间ATO控车级位进行自适应调节，增强系统的可靠性，同时在满足区间运行时分条件的同时，增加系统的鲁棒性。本发明实施例中，将列车ATO控制系统的不确定性，车辆差异性，以及其他外部干扰等效为等价干扰，使用鲁棒补偿器来抑制等效干扰对系统产生的影响，且能够有较快的跟随性。同时设计模糊PID控制器，代替传统PID控制器，从而达到精确自适应控车的效果。目标控制器能够适应区间运行过程中不同的目标曲线要求，同时在受到外界扰动后能够迅速做出反应并回归到正常控车曲线中去。

如图4所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供了一种列车自动控制装置，包括：运行信息确定模块41、加速度信息确定模块42和控制模块43。

运行信息确定模块41，用于确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；

加速度信息确定模块42，用于基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；

控制模块43，用于确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制；

具体地，本发明实施例中提供的列车自动控制装置中各模块的作用与上述方法类实施例中各步骤的操作流程是一一对应的，实现的效果也是一致的，具体参见上述实施例，本发明实施例中对此不再赘述。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的列车自动控制装置，所述控制模块，具体用于：

确定所述实际速度信息在速度级位表中所处的速度段；

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的列车自动控制装置，还包括鲁棒补偿器构建模块，用于：

确定补偿常数；

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的列车自动控制装置，所述补偿常数可调。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的列车自动控制装置，所述闭环控制器具体为PID控制器。

图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行上述各实施例提供的列车自动控制方法，该方法包括：确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制；其中，所述目标控制器包括闭环控制器和鲁棒补偿器，所述闭环控制器用于基于所述差值确定所述列车的第一加速度信息，所述鲁棒补偿器用于基于所述第一加速度信息确定所述列车的第二加速度信息，所述加速度控制信息基于所述第一加速度信息和所述第二加速度信息确定。

此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各实施例提供的列车自动控制方法，该方法包括：确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制；其中，所述目标控制器包括闭环控制器和鲁棒补偿器，所述闭环控制器用于基于所述差值确定所述列车的第一加速度信息，所述鲁棒补偿器用于基于所述第一加速度信息确定所述列车的第二加速度信息，所述加速度控制信息基于所述第一加速度信息和所述第二加速度信息确定。

又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的列车自动控制方法，该方法包括：确定目标运行区间内列车的目标运行信息，并获取所述列车的实际运行信息；基于目标控制器，确定所述目标运行信息与所述实际运行信息的差值对应的所述列车的加速度控制信息；确定所述加速度控制信息对应的级位信息，并基于所述级位信息对所述列车进行自动控制；其中，所述目标控制器包括闭环控制器和鲁棒补偿器，所述闭环控制器用于基于所述差值确定所述列车的第一加速度信息，所述鲁棒补偿器用于基于所述第一加速度信息确定所述列车的第二加速度信息，所述加速度控制信息基于所述第一加速度信息和所述第二加速度信息确定。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种列车自动控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述实际运行信息包括实际速度信息；相应地，

所述确定所述加速度控制信息对应的级位信息，具体包括：

确定所述实际速度信息在速度级位表中所处的速度段；

3.根据权利要求1所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述鲁棒补偿器基于如下方式构建：

确定补偿常数；

4.根据权利要求3所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述补偿常数可调。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述闭环控制器具体为PID控制器。

6.一种列车自动控制装置，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的列车自动控制装置，其特征在于，所述控制模块，具体用于：

确定所述实际速度信息在速度级位表中所处的速度段；

8.根据权利要求6所述的列车自动控制装置，其特征在于，还包括鲁棒补偿器构建模块，用于：

确定补偿常数；

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至5任一项所述列车自动控制方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述列车自动控制方法的步骤。