CN113525461B

CN113525461B - 面向虚拟编队的列车运行控制方法

Info

Publication number: CN113525461B
Application number: CN202110900988.7A
Authority: CN
Inventors: 燕飞; 杨一鸣; 牛儒
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2021-08-06
Publication date: 2022-04-22
Anticipated expiration: 2041-08-06
Also published as: CN113525461A

Abstract

本发明提供一种面向虚拟编队的列车运行控制方法，包括步骤S1：获取编队线路内的所有车站参数信息、列车参数信息以及线路运行参数信息；步骤S2：根据列车安全制动模型计算动态编队与解编过程中最小动态安全运行距离d_min；步骤S3：利用模型预测控制方法解算出后车的控制序列U_k，并利用所述控制序列U_k使得后车动态地加入或退出编队车队；步骤S4：控制编队车队同步运行，并在保持编队车队的条件下完成列车编队整体的加速与减速操作；步骤S5：控制列车退出编队车队。本发明根据编队内前后列车的运行状态，建立了能够描述列车间距与前后列车速度的函数关系，并将计算出最不利情况下动态安全运行距离作为控制目标，完成列车的动态编队与解编。

Description

面向虚拟编队的列车运行控制方法

技术领域

本发明涉及铁路列车控制技术领域，尤其涉及一种面向虚拟编队的列车运行控制方法。

背景技术

虚拟编队的概念起源于2000年左右的欧洲，为应对由于铁路运力限制带来的运输压力，欧洲学者提出了虚拟编队运行的初步设想，将每一列车视为一个具有牵引系统和计算能力的智能体，多列车之间采用无线通信连接，以实现列车编队。编队运行通过车车通信实现列车编队运行，具有提高列车运行效率、增加运营灵活度的潜力，同时带来可观的收益，适应未来铁路发展需求。欧盟第七框架支持的Shift2Rail项目有多项研究涉及编队运行。随着轨道交通网路日趋完善、运输压力日渐增加。运输能力紧张问题亟待解决，通过提高列车运行控制效率提升轨道交通运输能力问题显得尤为重要。

虽然目前对于虚拟编队的研究常处于起步阶段，没有具体的工程应用，但是国内外学者普遍认为虚拟编队需要完成以下场景：

1)动态编队/解编：在目前常用的移动闭塞方法下，前后列车间会保持着大于后车制动距离的间隔，但是虚拟编队状态下列车的追踪间隔大大减小，必定会小于移动闭塞下的安全距离，为实现前后列车由移动闭塞转为虚拟编队状态，列车需要在运行过程中动态地加入编队车队，同样，当列车需要结束虚拟编队时，列车执行动态解编操作。

2)编队内列车追踪控制：完成动态编队后的列车需要进行追踪控制，该状态为编队运行状态，该状态下列车需要保持低间隔追踪，并且完成车队加减速，进出站等操作。

3)与编队外的编队或列车的安全运行：虚拟编队是否可以带来线路运力的提升，不仅是需要考虑编队内列车的安全运行，同时也要保证与周围编队或列车的安全。

纵观国内外的研究，虚拟编队对提升地铁线路运力具有重要意义，设计一种面向虚拟编队的列车运行组织方法十分有必要。

发明内容

本发明之目的是提供一种面向虚拟编队的列车运行控制方法，能够解决现有技术中对于列车运行间隔缩短，系统复杂程度随之增长，不能保障列车运行系统安全性的技术问题。

本发明提供一种面向虚拟编队的列车运行控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：获取编队线路内的所有车站参数信息、列车参数信息以及线路运行参数信息；

步骤S2：根据列车安全制动模型计算动态编队与解编过程中最小动态安全运行距离d_min；

步骤S3：利用模型预测控制方法解算出后车的控制序列U_k，并利用所述控制序列U_k使得后车动态地加入或退出编队车队；

步骤S4：控制编队车队同步运行，并在保持编队车队的条件下完成列车编队整体的加速与减速操作；

步骤S5：控制列车退出编队车队。

优选地，还包括如下步骤：步骤S6：控制编队与编队之外的列车运行安全。

优选地，所述步骤S2中根据列车安全制动模型计算动态编队与解编过程中最小动态安全运行距离d_min包括：

所述列车安全制动模型中包括通信延迟阶段、牵引切除阶段、紧急制动建立阶段、紧急制动实施阶段；设定列车的定位误差为±es，通信延迟设为t_c，牵引切除时间为t_b，紧急制动建立时间为t_e；

其中，最不利制动距离为：

最有利制动距离为：

最小动态安全运行距离为：d_min＝d_f-d_l+s_m+2es；

其中，s_m是两车留有的安全裕量，a_d,a_b分别为列车的牵引与制动加速度，v₀是列车制动前的运行速度。

优选地，所述步骤S3中利用模型预测控制方法解算出后车的控制序列U_k，并利用所述控制序列U_k使得后车动态地加入或退出编队车队包括：

基于纵向列车动力学(LTD)模型建立单车运行模型，将列车作为质点，分析列车的受力情况，动态方程如下：

其中，v(m/s)和s(m)表示列车的速度和位置；F_u(N)是受控的驱动力或制动力；F_e(N)是轨道造成的外力，包括弯道和坡道两部分阻力；M(kg)为列车质量；a+bv+cv²是列车的基本阻力，其中a，b，c是戴维斯系数，与列车车辆类型和线路条件相关；

考虑到车载ATO是周期离散控制的，用△T表示ATO控制周期，对列车连续模型进行离散化处理，得到列车的预测模型；

其中，x(k)＝[s(k),v(k)]^T，s(k),v(k)分别表示列车的位置与速度，x(k)为状态向量；u(k)为控制量；y(k)＝[s(k),v(k)]^T，y(k)为输出向量；w(k)为附加向量，包括阻力和外部干扰；A、B、C分别为状态矩阵、控制矩阵、输出矩阵；

设置上述模型中A、B、C分别为：A＝[1,△T；0,1]，B＝[△T²/2；△T]，C＝[1,0；0,1]；

则列车动态加入编队的优化目标函数J(k)表示为：

并且满足约束条件：

其中，

Y_r(k)是列车的实际输出；Y_p(k)＝[y^T(k+1|k),y^T(k+2|k),…y^T(k+Np|k)]^T；Y_p(k)是列车的预测输出；△U(k)＝[△u(k),△u(k+1)…△u(k+Nc-1)]^T；△U(k)为控制增量，作为列车的舒适度指标；

Np为预测时域，Nc为控制时域，Q、R为权重矩阵，u_min,u_max(m/s²)是控制量的边界值，J_min,J_max(m/s³)是列车冲击率的边界值；

通过求解二次规划问题得到后车的控制序列U_k，其中设置第一列的控制序列被施加用以控制列车运行，在下一采样时刻设置k'＝k+1，并重复此优化过程，完成滚动时域优化控制。

优选地，所述步骤S4中控制编队车队同步运行，并在保持编队车队的条件下完成列车编队整体的加速与减速操作包括如下步骤：

通过车车通信设备按周期发送前车ATO计算的速度曲线至后车，将整个编队车队视为一个整体进行控制。

优选地，列车之间通过车车通信设备进行信息共享，将数据传输至跟随车的MPC控制器，列车控制器根据MPC的输出对列车进行控制，列车再将周期内的运行数据返回MPC进行循环。

优选地，所述列车退出编队包括正常退出编队与意外退出编队。

优选地，所述正常退出编队包括命令下发阶段、解编执行阶段与解编结束阶段。

优选地，编队与编队之外的列车采用移动闭塞的行车控制方法。

优选地，所有车站参数信息、列车参数信息以及线路运行参数信息包括所有车站相对位置信息、列车参数、限速信息、弯道的曲率半径和坡度条件。

本发明的面向虚拟编队的列车运行控制方法相比现有技术具有如下有益效果：

1、本发明提出一种面向虚拟编队的列车运行控制方法，在保证虚拟编队的编队安全的同时提高地铁线路运力，为设计人员在虚拟编队运行方案制定过程中提供评估依据与参考。

2、本发明中在列车虚拟编队的过程中，根据编队内前后列车的运行状态，建立了能够描述列车间距与前后列车速度的函数关系，并将计算出最不利情况下动态安全运行距离作为控制目标，完成列车的动态编队与解编。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例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，下面描述中的附图仅仅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为本发明的面向虚拟编队的列车运行控制方法的流程示意图；

图2为虚拟编队车队运行示意图；

图3为虚拟编队安全制动模型示意图；

图4为列车速度与安全距离的关系图；

图5为基于头车控制下的车队控制系统框架；

图6为加速场景下头车计算速度曲线的变化图；

图7为MPC控制的列车速度曲线图；

图8为干扰下的MPC速度曲线1示意图；

图9为干扰下的MPC速度曲线2示意图；

图10为干扰下的MPC速度曲线3示意图；

图11为不同干扰下的头车与跟随车1运行间隔示意图；

图12为不同干扰下的头车与跟随车2运行间隔示意图。

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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，本发明提供一种面向虚拟编队的列车运行控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：获取编队线路内的所有车站相对位置信息、列车参数、限速信息、弯道的曲率半径和坡度条件；

步骤S2：根据虚拟编队安全制动模型计算动态编队与解编过程中最小动态安全运行距离d_min；

步骤S4：控制虚拟编队车队同步运行，并在保持编队车队的条件下完成列车编队整体的加速与减速操作；

步骤S5：控制列车退出编队车队；

步骤S6：控制编队与编队之外的列车运行安全。

在本发明的进一步实施例中，如图3所示，本发明的列车安全制动模型中包括通信延迟阶段A、牵引切除阶段B、紧急制动建立阶段C、紧急制动实施阶段D；设定列车的定位误差为±es，通信延迟设为t_c，牵引切除时间为t_b，紧急制动建立时间为t_e；

其中，根据虚拟编队安全制动模型，最不利制动距离为：

最有利制动距离为：

最小动态安全运行距离为：d_min＝d_f-d_l+s_m+2es；

其中，s_m是两车留有的安全裕量，a_d,a_b分别为列车的牵引与制动加速度，v₀是列车制动前的运行速度。除前后两车速度为变量外，其余参数均已知，最小动态安全运行距离可以描述为与前后列车速度相关的函数。为了保证列车运行安全，设置d_min的最小值为s_m+2es，列车速度与安全距离的关系如图4所示。

如图2所示，基于纵向列车动力学(LTD)模型建立单车运行模型，将列车作为质点，分析列车的受力情况，动态方程如下：

考虑到车载ATO(列车自动运行系统)是周期离散控制的，用△T表示ATO控制周期，对列车连续模型进行离散化处理，得到列车的预测模型；

则列车动态加入编队的优化目标函数J(k)表示为：

并且满足约束条件：

其中，

Y_r(k)是列车的实际输出；Y_p(k)＝[y^T(k+1|k),y^T(k+2|k),…y^T(k+Np|k)]^T；Y_p(k)是列车的预测输出；△U(k)＝[△u(k),△u(k+1)…△u(k+Nc-1)]^T；△U(k)为控制增量，作为列车的舒适度指标。

Np为预测时域，Nc为控制时域，Q、R为权重矩阵，u_min,u_max(m/s²)是控制量的边界值，J_min,J_max(m/s³)是列车冲击率的边界值。

关于前车的状态及预测信息，则通过车车通信的方式由前车发送至后车。通过求解二次规划问题得到后车的控制序列U_k，其中设置第一列的控制序列被施加用以控制列车运行，在下一采样时刻设置k'＝k+1，并重复此优化过程，完成滚动时域优化控制。

在发明的进一步实施例中，步骤S4为控制编队车队同步运行，并在保持编队车队的条件下完成列车编队整体的加速与减速操作。其中，多车编队的车队控制目标为所有列车应保持同步运行，且相邻列车间距为理想编队间隔。其中头车将根据其车载设备生成的速度曲线行车，跟随车采取主动跟随的策略与前车保持同步的运行状态。目前较为常见的方法是头车跟随策略和前车跟随策略，但是这两种方法都是根据本列车的控制器来跟随前车或者是头车的速度，由于虚拟编队对于列车间距的高要求，长时间编队运行的控制误差累计可能导致列车间的距离不再满足虚拟编队的要求。为此本发明中通过车车通信设备按周期发送前车ATO(列车自动运行系统)计算的速度曲线至后车，将整个编队车队视为一个整体进行控制。优选地，列车之间通过车车通信设备进行信息共享，将数据传输至跟随车的MPC控制器，列车控制器根据MPC控制器的输出对列车进行控制，列车再将周期内的运行数据返回MPC控制器进行循环。

如图5所示为基于头车控制下的车队控制系统框架，图5中分别使用L、F1、F2表示编队车队中的头车、跟随车1、跟随车2，控制过程为列车之间通过车车通信设备进行信息共享，将数据传输至跟随车的MPC控制器，列车控制器根据MPC的输出对列车进行控制，列车再将周期内的运行数据返回MPC进行循环。与一般的编队控制策略不同的是，常见的控制模型是通过L发送列车的参数给F1，F1通过自身的控制器计算曲线来跟随前车，本发明中通过车车通信设备按周期发送前车ATO计算的速度曲线至后车，减少了后车的计算过程，将整的编队视为一个整体进行控制。相比跟随的策略，头车控制策略对列车间距的控制更加直接，也更能保证车队运行的安全性。

需要注意的是，在头车计算目标速度曲线时，不再是只考虑本车，而是将整个编队视为一个整体，并且后车在跟随速度曲线时也要考虑与前车的位置差，以加速的场景为例，在确定列车长度及编队间隔后，编队中列车的目标速度可以表示为图6。

利用MPC控制器对列车进行控制，图7为MPC控制器根据实际线路条件以及目标速度的输出，在没有外界干扰的情况下，MPC控制器能够保证列车与目标曲线十分接近。后车除了需要前车每周期计算的速度曲线，还需要前车的速度位置等信息，为了模拟实际列车的运行，给编队内的列车增加不同的外部干扰，运行结果如图8、9、10、11、12所示。

例如，根据计算列车在加速至80km/h后，安全间隔为74.9m，图中头车与跟随车1的间距在62.8m，在编队车队运行的过程出现由于跟随过程中的累计误差，而不能一直维持理想的编队间距的情况，需要根据两车实时间距大小对参考速度做出适当修正，设定理想的编队距离范围为d_imin≤d_i≤d_imax，设定前后两车的运行间距在编队距离范围内，则编队正常运行，若间距大于d_imax或小于d_imin，则需要对当前速度进行修正，修正量设为v_ε，即如果两车间距过大，则设计调整后的列车目标速度为v_m＝v_des+v_ε，v_des为列车原先的目标速度，等待间隔恢复至正常范围则取消调整速度。当实时间隔小于d_imin时，列车需要在参考速度的基础上降低速度，调整速度应为-v_ε。v_ε的取值直接影响列车间隔回归速率，可以通过调整v_ε的值来改变列车回归正常范围的速率。

此外，需要要求参与编队的列车性能相近，若存在某一列车牵引制动效果远差于其他列车，会降低整个编队的运行效率，并且会提高编队运行的难度。

在本发明的进一步实施例中，定义列车退出编队是由虚拟编队的行车状态变为移动闭塞的行车状态。则步骤S5中列车退出编队包括正常退出编队与意外退出编队。

正常解编过程：

1、命令下发阶段

由ATS(Automatic Train Supervision)确认解编信息并向ZC(Zone Controller)发送解除编队命令，ZC将解编计划发送到头车的车载设备，头车将解编计划发送至编队内的所有列车。

2、解编执行阶段

在编队内列车全都确认了解编命令时，由队尾列车开始进行解编操作，首先队尾列车退出头车控制的运行方式，且降低运行速度至v_de，拉开与前车的距离，当与前车的距离达到后车的最不利制动距离d_f则认为后车已经解除了编队状态，但是在整个编队完成解编之前需要保持速度v_de不变以保证解编过程的安全性，至此，前一列车开始减速，并且依此规则使车队完成解编操作。可以根据线路状态调整v_de的值来调节解编需要的距离及时间。

3、解编结束阶段

当完成车队操作时，头车发送完成信息给ZC，由ZC收集区域内列车信息若判断列车运行间隔已经为虚拟编队安全间隔，则认为车队完成解编操作。此时由车车通信模式转变为车地通信模式，由ZC给各列车更新MA。当后车完全驶出解编区域时，向ZC报告解编完成。

意外退出编队：

由于导致意外退出编队的情况有多种可能性，以下仅列出几种较为可能出现的情况进行说明。

1、编队内某一辆列车的车车通信设备故障

当某一跟随列车在连续几个通信周期内没有接收到前车的位置信息，即可判定为通信发生故障，则要求此列车打开车地通信设备向ZC发送列车信息，ZC根据头车与故障车的运行状态给故障车更新MA，在接收到ZC命令之前保持恒定的速度运行。并且ZC向头车发送故障车辆ID，由头车发送至剩余列车，收到信息后位于故障车后的列车开始进行解编操作，最后由ZC控制故障车的解编。前方列车可以继续保持编队运行。

2、当车队中两车间距过大

由于跟随速度误差存在，在长时间的运行后，前后列车间距将产生累计误差，当无法通过调整回到理想间距时，列车会处于意外解编状态。对于意外解除编队的距离这里给出参考值v_re＝max(1.2d_imax,150)，由于d_imax设定为与速度相关的参数，当编队速度较小时即使间距超出1.2d_imax，此时两车的实际距离并不大，所以设定当列车间隔若同时超过150m与1.2d_imax，则认为列车处于意外解编状态，此时为了保证编队的整体安全，列车不再采用速度调整策略恢复间隔，两车队应该向地面设备申请重新编队，地面设备根据线路状态和列车状态规划出编队区域，然后两车车队完成动态编队过程。若此时线路条件不满足编队条件，则由意外解编的列车作为第二编队的头车进行控制，由一个编队分解为两个编队。

3、某一辆列车突发紧急情况改变运行速度

在此类情景下，偏离参考曲线的列车立即取消头车控制模型，由本车ATO开始计算速度曲线，并通过车车通信向后车发送新的速度曲线信息，后车接收到该信息后立即转为新的头车控制模式，此时原本一个编队车队将解散成为两个车队，车队内仍是虚拟编队的运行模式，车队间变为移动闭塞的运动模式。

在本发明的进一步实施例中，编队与编队之外的列车采用移动闭塞的行车控制方法，即后车以前车的车尾位置为追踪目标。在编队追踪其他列车时同样采用非线性间距追踪策略，将最不利制动距离d_f作为列车与编队之间的最小安全防护距离。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。