CN114559985A - 一种列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，属于列车控制领域。本发明在使用列车安全制动曲线模型计算列车不可突破速度时，在t1阶段计算时，引入变化率k，采用二阶的方式计算t1阶段结尾时速度和t1阶段运动距离。本发明用于城市轨道交通，在车辆移动授权计算列车不可突破速度时，在保证安全的前提条件下提高车辆运行速度，提高城市轨道交通运行效率，从而节约运营成本，提高运力。

Description

一种列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法
技术领域
本发明属于列车控制领域，具体涉及一种列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法。
背景技术
车载ATP系统是保证列车运行安全的系统。安全制动曲线的计算模型是其中的关键技术。安全制动曲线是根据列车制动性能、线路条件等因素采用列车牵引计算得到的。通过列车安全制动曲线，车载ATP能够实时地监控列车的运行速度，保障列车的安全运行。
IEEE1474.1标准规定的ATP安全制动模型，如图1所示。
模型中，列车在Pnow位置触发紧急制动，此时列车速度为V1，由于存在速度测量误差Verr和距离计算误差，所以认为列车在Pmax位置触发紧急制动，此时速度为V1。
·列车先经过AB段，由于ATP的反应时间和列车切除牵引反应时间，列车并不会立刻减速，而是以当前最大加速度加速行驶。列车在该段仍然具有最大加速度a1，AB段的其时间为t1。a1和t1由ATP和列车参数决定。
·由于列车先切除牵引，后施加紧急制动，BC段为车辆已经切除牵引，但还没有施加紧急制动。列车在该段具有加速度a2，其时间为t2。ad2和t2由ATP和列车参数决定。
·紧急制动力是逐渐施加的，CD段为车辆从紧急制动开始施加到制动力施加到90％大小所需时间。列车在该段具有加速度a3，其时间为t3。a3和t3由列车参数决定。
·CD段为列车以最大紧急制动减速度开始减速，直到列车停稳，此时其加速度为a4，时间为t4。a4和由列车参数决定,t4可以计算得到。
·图1中ma表示车辆移动授权的终点。
·Verr表示车载设备的最大测速误差。
·V5为实际不存在的速度，和ma一一对应，可以用ma计算
Figure BDA0003557235430000021
该模型中，认为t1、t2、t3和t4这四个阶段，均为匀变速运动，因此最后可以通过求解一个一元二次方程，对于每一个v0，都可以计算得到一个ma，ma与v5是一一对应关系，就可以得到v0和v5的函数对应关系，该关系就是列车的限速表。
上述方法计算快捷方便，但与实际列车运动状况不完全符合，t1阶段，列车的牵引加速度和车速相关，该阶段不是匀变速运动。采用该模型根据列车移动授权计算得到的列车紧急制动速度偏低，从而导致运行效率降低。
针对现有计算模型过于简单的不足，本发明要解决的技术问题是，提供一种列车安全制动曲线模型的非线性分析和计算方法。该方法主要用于城市轨道交通，在根据车辆移动授权计算列车不可突破速度时，在保证安全的前提条件下提高车辆运行速度，提高城市轨道交通运行效率，从而节约运营成本，提高运力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，以解决IEEE1474.1标准中的ATP安全制动模型计算列车限速不够精确的缺点。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，列车在速度v＝v0时收到紧急制动命令，该方法包括如下步骤：
S1、v1＝v0+Verr，其中，v1为紧急制动时的列车速度，测量速度误差Verr；
S2、t1阶段，获取列车的加速度初值和变化率，a0为加速度初值；k为变化率，
Figure BDA0003557235430000031
Δa为牵引加速度变化值，Δv为速度变化值；则t1阶段的速度v＝v1+a0t-1/2a0kt2，t1阶段结尾时速度v2＝v1+a0t1-1/2a0kt1 2；t1阶段运动距离s1＝v1t1+1/2a0t1 2-1/6a0kt1 3；
S3、t2阶段，获取列车的加速度a2，则t2阶段的速度v＝v2+a2t，则t2阶段结尾时速度v3＝v2+a2t2；t2阶段运动距离s2＝v2t2+1/2a2t2 2；
S4、t3阶段，获取列车的加速度a3，则t3阶段的速度v＝v3+a3t，则t3阶段结尾时速度v4＝v3+a3t3；t3阶段运动距离s3＝v3t3+1/2a3t3 2；
S5、t4阶段，获取列车的加速度a4，则t4阶段的运动距离s4＝v4 2/(2a4)；
S6、列车停车位置S＝s1+s2+s3+s4；
S7、获得列车的不可突破速度
Figure BDA0003557235430000032
进一步地，从列车的控制系统获取列车的速度和加速度。
进一步地，t1为列车切除牵引时间，t2为列车时间紧急制动的时间与列车切除牵引时间的差值，t3为车辆从紧急制动开始施加到制动力施加到90％大小所需时间。
进一步地，所述安全制动曲线模型为ATP的ATP安全制动模型。
进一步地，所述安全制动曲线模型的输入为制动减速度、线路坡度和列车初速度，输出为列车的位置。
进一步地，所述安全制动曲线模型中，列车的制动减速度、线路坡度、牵引加速度综合计算结果为列车的加速度；加速度经过积分，得到列车的速度，速度再经过积分后和初速度求和，得到列车位置；同时，列车的速度通过F(v)函数牵引后作为反馈的牵引加速度。
进一步地，F(v)函数由车辆牵引参数计算得到，只跟车辆参数有关。
进一步地，F(v)函数为二阶非线性函数。
进一步地，t1为车辆的确定参数，车辆出厂后就已经决定。
进一步地，所述变化率的获取过程为：获取列车第一速度，获取此时列车的第一最大牵引加速度，经过一段时间后，获取列车第二速度，获取此时列车的第二最大牵引加速度，则
Figure BDA0003557235430000041
(三)有益效果
本发明提出一种列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，该方法用于城市轨道交通，在车辆移动授权计算列车不可突破速度时，在保证安全的前提条件下提高车辆运行速度，提高城市轨道交通运行效率，从而节约运营成本，提高运力。
附图说明
图1为本发明IEEE1474.1安全制动模型示意图；
图2为安全制动模型框图；
图3为a＝F(v)图像；
图4为列车的安全制动模型；
图5为优化后的模型和原准确模型紧急制动停车的位置误差示意图；
图6为修正后的优化模型误差示意图；
图7为匀变速简化模型和本文档所述模型的位置误差示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，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。
本发明解决了IEEE1474.1标准中的ATP安全制动模型计算列车限速不够精确的缺点，给出了一种计算方法，提高了安全制动曲模型，从而提高列车的运行效率。
列车自动防护automatic train protection(ATP)
自动实现列车运行间隔、超速防护、进路安全和车门等监控技术的总称。
移动授权movement authority(MA)
列车沿给定的行驶方向进入并在某一特定区域内行车的许可，移动授权应考虑列车运行前方的各种危险点信息，应保证列车在授权范围内的正常移动不受限制，移动授权的末端不应越过危险点。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是:提供一种列车安全制动曲线模型的非线性分析和计算方法，分析方法如下:
将安全制动曲线模型可以看作一个二阶系统，系统输入的加速度积分得到列车的速度，速度再积分得到列车的位置。根据列车的牵引参数可知，列车的牵引加速度可以描述为速度的函数，即a＝f(v)。那么列车的安全制动模型可以如图2描述。
图2中，
系统的输入为制动减速度，线路坡度，列车初速度。
系统的输出为列车的位置。
列车的制动减速度，线路坡度，牵引加速度综合计算结果为列车的加速度；加速度经过积分，得到列车的速度，速度再经过积分后和初速度求和，得到列车位置；同时，列车的速度通过F(v)函数牵引后作为反馈的牵引加速度。
F(v)函数由车辆牵引参数计算得到，只跟车辆参数有关。如图3所示。
由于函数F(v)并不是简单函数，因此该系统是一个二阶非线性系统，很难进行解析分析和计算。但是通过对函数a＝F(v)的图像的分析，可得到以下结论F(v)函数由车辆牵引参数计算得到，只跟车辆参数有关。函数a＝F(v)连续、分段可导，针对每一个连续可导区间，a＝F(v)可以描述为:
a＝F(v)＝kv+b
a为牵引加速度，k为直线斜率，b为直线截距
对等号两边求导可得:
Figure BDA0003557235430000061
Figure BDA0003557235430000062
是一阶线性齐次微分方程，通解为:
a＝Ce-kt
对于AB阶段，在牵引时间t1内，从仿真结果可以看出，加速度随时间变化曲线近似为一条直线。C、k为一阶线性齐次方程通解的常数量，受初始条件影响。也就是说，在AB牵引阶段，可以近似认为在牵引阶段，列车加速度随时间匀速变化。参考之前的描述，AB，BC，CD对应t1,t2,t3。
带入初值t0＝0，可得a0＝C，则加速度的变化率da/dt近似等于:
Figure BDA0003557235430000063
综合以上分析，列车的安全制动模型可以做如图4的简化。
假设车辆参数如下：
表1车辆参数
Figure BDA0003557235430000064
Figure BDA0003557235430000071
表2列车的最大牵引加速度a1
Figure BDA0003557235430000072
列车在t1阶段，做加速度匀速变化的运动，加速度初值a0，变化率
Figure BDA0003557235430000081
比如列车速度为50km/h时，触发紧急制动，测试最大牵引加速度为0.88m/s2，则a0＝0.88，55km/h时，牵引加速度为0.81m/s2，则
Figure BDA0003557235430000082
Figure BDA0003557235430000083
在t2阶段，做匀速运动；
在t3阶段，做加速度a＝a3的匀减速运动；
在t4阶段，做加速度a＝a4的匀减速运动。
计算方法如下:
已知列车在速度v＝v0时收到紧急制动命令，求列车不可突破速度v5。
S1、v1＝v0+Verr；
S2、t1阶段，速度v＝v1+a0t-1/2a0kt2，则v2＝v1+a0t1-1/2a0kt1 2；
t1阶段运动距离s1＝v1t1+1/2a0t1 2-1/6a0kt1 3；
S3、t2阶段，速度v＝v2+a2t，则v3＝v2+a2t2；
t2阶段运动距离s2＝v2t2+1/2a2t2 2；
S4、t3阶段，速度v＝v3+a3t，则v4＝v3+a3t3；
t3阶段运动距离s3＝v3t3+1/2a3t3 2；
S5、t4阶段，运动距离s4＝v4 2/(2a4)
S6、列车停车位置S＝s1+s2+s3+s4
S7、
Figure BDA0003557235430000084
实施例1：
一种列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，列车在速度v＝v0时收到紧急制动命令，该方法包括如下步骤：
S1、v1＝v0+Verr，其中，v1为紧急制动时的列车速度，测量速度误差Verr；
S2、t1阶段，获取列车的加速度初值和变化率，a0为加速度初值；k为变化率，
Figure BDA0003557235430000091
Δa为牵引加速度变化值，Δv为速度变化值；则t1阶段的速度v＝v1+a0t-1/2a0kt2，t1阶段结尾时速度v2＝v1+a0t1-1/2a0kt1 2；t1阶段运动距离s1＝v1t1+1/2a0t1 2-1/6a0kt1 3；
S3、t2阶段，获取列车的加速度a2，则t2阶段的速度v＝v2+a2t，则t2阶段结尾时速度v3＝v2+a2t2；t2阶段运动距离s2＝v2t2+1/2a2t2 2；
S4、t3阶段，获取列车的加速度a3，则t3阶段的速度v＝v3+a3t，则t3阶段结尾时速度v4＝v3+a3t3；t3阶段运动距离s3＝v3t3+1/2a3t3 2；
S5、t4阶段，获取列车的加速度a4，则t4阶段的运动距离s4＝v4 2/(2a4)；
S6、列车停车位置S＝s1+s2+s3+s4；
S7、获得列车的不可突破速度
Figure BDA0003557235430000092
进一步地，从列车的控制系统获取列车的速度和加速度。
进一步地，t1为列车切除牵引时间，t2为列车时间紧急制动的时间与列车切除牵引时间的差值，t3为车辆从紧急制动开始施加到制动力施加到90％大小所需时间。
在MATLAB/simulink环境进行仿真分析。
仿真参数:坡度＝0 v0＝0-90km/s
图5为优化后的模型和原准确模型紧急制动停车的位置误差:
在速度为77km/h时，出现了较大的偏向非安全侧误差，对优化模型加以修正，修正的原则为，当牵引加速度不在随速度增大变化时，在这个不在变化的加速度对应速度的前一个值开时，不再使用本专利优化方法计算。如专利中列车，在速度超过80km/h时，牵引加速度为0.5m/s2不变化话，则在V>75km/h，令k＝0。
图6为修正后的优化模型误差:对比可以看出来修正后的优化模型虽然在速度V＝37km/s和v＝77km/h时有较大的误差，但是误差偏向安全测。误差偏向安全测，就是误差不存在风险，是安全的，因为计算的停车位置在列车实际停车位置后方。
下面对比匀变速简化模型和本文档所述模型的位置误差。
图7中，实线为简化匀变速模型，虚线为本文档所述优化模型，7张图分别为坡度为0、5、10、15、20、25、30两个模型对应的停车位置误差。
可以看出本模型相对于匀变速简化模型，在速度40km/h-70km/h可以有效减小停车位置误差，从而提高反推出来的列车不可突破速度。
本发明可以提高列车紧急制动距离计算精度，提高列车紧急制动触发速度，从而提高地铁运行效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，列车在速度v＝v0时收到紧急制动命令，该方法包括如下步骤：
S1、v1＝v0+Verr，其中，v1为紧急制动时的列车速度，测量速度误差Verr；
S2、t1阶段，获取列车的加速度初值和变化率，a0为加速度初值；k为变化率，
Figure FDA0003557235420000011
Δa为牵引加速度变化值，Δv为速度变化值；则t1阶段的速度v＝v1+a0t-1/2a0kt2，t1阶段结尾时速度v2＝v1+a0t1-1/2a0kt1 2；t1阶段运动距离s1＝v1t1+1/2a0t1 2-1/6a0kt1 3；
S3、t2阶段，获取列车的加速度a2，则t2阶段的速度v＝v2+a2t，则t2阶段结尾时速度v3＝v2+a2t2；t2阶段运动距离s2＝v2t2+1/2a2t2 2；
S4、t3阶段，获取列车的加速度a3，则t3阶段的速度v＝v3+a3t，则t3阶段结尾时速度v4＝v3+a3t3；t3阶段运动距离s3＝v3t3+1/2a3t3 2；
S5、t4阶段，获取列车的加速度a4，则t4阶段的运动距离s4＝v4 2/(2a4)；
S6、列车停车位置S＝s1+s2+s3+s4；
S7、获得列车的不可突破速度
Figure FDA0003557235420000012
2.如权利要求1所述的列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，从列车的控制系统获取列车的速度和加速度。
3.如权利要求1所述的列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，t1为列车切除牵引时间，t2为列车时间紧急制动的时间与列车切除牵引时间的差值，t3为车辆从紧急制动开始施加到制动力施加到90％大小所需时间。
4.如权利要求1所述的列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，所述安全制动曲线模型为ATP的ATP安全制动模型。
5.如权利要求1所述的列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，所述安全制动曲线模型的输入为制动减速度、线路坡度和列车初速度，输出为列车的位置。
6.如权利要求5所述的列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，所述安全制动曲线模型中，列车的制动减速度、线路坡度、牵引加速度综合计算结果为列车的加速度；加速度经过积分，得到列车的速度，速度再经过积分后和初速度求和，得到列车位置；同时，列车的速度通过F(v)函数牵引后作为反馈的牵引加速度。
7.如权利要求6所述的列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，F(v)函数由车辆牵引参数计算得到，只跟车辆参数有关。
8.如权利要求6所述的列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，F(v)函数为二阶非线性函数。
9.如权利要求1所述的列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，t1为车辆的确定参数，车辆出厂后就已经决定。
10.如权利要求1-9任一项所述的列车安全制动曲线模型的列车限速确定方法，其特征在于，所述变化率的获取过程为：获取列车第一速度，获取此时列车的第一最大牵引加速度，经过一段时间后，获取列车第二速度，获取此时列车的第二最大牵引加速度，则
变化率
Figure FDA0003557235420000021
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