CN114834503A

CN114834503A - 基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法

Info

Publication number: CN114834503A
Application number: CN202210348365.8A
Authority: CN
Inventors: 燕飞; 杨一鸣
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2022-04-01
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2022-08-02

Abstract

本发明提供一种基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，包括步骤S1：获取编组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组与解编过程中最小动态安全追踪间隔距离d_min；步骤S3：根据虚拟编组运行场景建立基于列车追踪间隔的弹性追踪模型，基于所述弹性追踪模型进行弹性控制虚拟编组列车的运行过程。本发明在列车虚拟编组的过程中，根据编组内前后列车的追踪间隔的动态变化，通过虚拟斥力与吸引力维持编组列车以最优追踪间隔运行，在保证线路运行效率的同时有效提高编组运行的安全性。

Description

基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法

技术领域

本发明涉及铁路列车控制技术领域，尤其涉及一种基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法。

背景技术

截止2020年底，中国铁路运营里程达到14.63万公里，其中高速铁路运营里程达到3.8万公里，占比超过全世界高速铁路运营里程的2/3。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。

20世纪末，欧洲货物运输逐渐从铁路运输更多的向道路运输转变，主要原因是灵活性差、运输时间长。相关学者提出基于独立列车模块的虚拟编组列车编组”的设想。列车之间连接不再是实际的物理车钩相连接，而是通过车车通信，保持很短的距离在一起编组运行，就像一列列车运行一样。这是虚拟编组列车运行的雏形。随着人们对轨道交通的需求不断增加，科技水平尤其是通信领域的不断进步，提升轨道交通运行效率和运营灵活性已成为了国家战略和人们生活的迫切需求。国内公司目前也都开始对虚拟编组展开了研究，交控公司利用北京地铁11号线进行了虚拟编组的模拟仿真，率先尝试应用自主虚拟编组的技术。

编组运行通过车车通信实现列车编组运行，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组运行。虚拟编组通过无线通信的方式来达到类似于物理车钩连接的效果，将有可能在列车运行的时候实现动态编组和动态解编，针对编组运行技术的研究目前尚处于初始探索阶段，尤其是运行时如何保证行车安全，因此研究编组运行的列车安全防护控制方法具有非常重要的理论和现实意义。

发明内容

本发明之目的是提供一种基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，能够提出一种列车虚拟编组弹性追踪模型，在保证虚拟编组编组安全的同时提高地铁线路运力。

本发明提供一种基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：获取编组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组与解编过程中最小动态安全追踪间隔距离d_min；

步骤S3：根据虚拟编组运行场景建立基于列车追踪间隔的弹性追踪模型，基于所述弹性追踪模型进行弹性控制虚拟编组列车的运行过程。

优选地，所述步骤S2中根据列车安全制动模型计算动态编组与解编过程中最小动态安全追踪间隔距离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：

最小动态安全追踪间隔距离为：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中根据虚拟编组运行场景建立基于列车追踪间隔的弹性追踪模型，基于所述弹性追踪模型进行弹性控制虚拟编组列车的运行过程包括：

列车运行状态与追踪间隔的关联性表现为一种线性弹性特征，利用弹性追踪模型来模拟列车追踪间隔的动态变化，具体通过以弹簧的弹性变换特征来描述追踪间隔的动态变化；

其中，当相邻列车的追踪间隔增大时，列车间将产生虚拟弹性吸引力，迫使列车间隔缩小，线路运载能力得以提升；当相邻列车间距趋近于最小动态安全追踪间隔距离时，将产生虚拟弹性斥力，增大追踪间隔，使追踪间隔始终大于最小安全间隔，保证运行安全。

优选地，所述弹簧的弹性变换特征通过弹性力计算模型来描述，弹性力计算模型以胡克定律为基础，与两车的追踪间隔偏差成正比，即：

F_f＝k(d_real-d_min)

F_l＝k(d_min-d_real)

F_f为虚拟弹性吸引力，F_l为虚拟弹性斥力，k为弹性劲度系数，d_real为相邻列车间当前实际追踪间隔距离，d_min为最小动态安全追踪间隔距离；

对于虚拟编组，以列车追踪间隔距离作为判断编组的安全标准，利用相邻列车间当前实际追踪间隔距离与最小动态安全追踪间隔距离来表示安全约束，其中约束函数表述如下：

约束函数δ以相邻列车间的当前实际追踪间隔距离与最小动态安全追踪间隔的比值表示，当δ>1+ε时，则代表相邻列车间隔距离过大,前后列车存在弹性吸引力，当δ<1-ε时，则代表相邻列车间隔距离过小，前后列车存在弹性斥力，当1-ε<δ<1+ε时，则代表相邻列车追踪间隔合适，保持当前运行状态；

其中ε为追踪效率因子，ε>0。

优选地，编组车队中相邻列车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，将整个编组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，并通过所述弹性追踪模型进行控制策略实时调整与优化。

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。

本发明的基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法相比现有技术具有如下有益效果：

1、本发明提出一种基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，在列车虚拟编组的过程中，根据编组内前后列车的追踪间隔的动态变化，通过虚拟斥力与吸引力维持编组列车以最优追踪间隔运行，在保证线路运行效率的同时有效提高编组运行的安全性。

2、本发明提出一种编组运行过程中的控制方法来保证协同运行控制的安全性，为建立虚拟编组安全防护方案提供理论依据及参考。

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为本发明的基于弹性调整策略的虚拟编组列车控制方法的流程示意图；

图2为虚拟编组车队运行示意图；

图3为虚拟编组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为虚拟编组运行曲线在线弹性调整过程示意图；

图6为动态编组弹性追踪间隔过程模型；

图7为动态编组过程中前后列车状态示意图一；

图8为动态编组过程中前后列车状态示意图二；

图9为引入弹性调整策略后的动态编组示意图一；

图10为引入弹性调整策略后的动态编组示意图二；

图11为使用弹性策略的跟踪过程示意图一；

图12为使用弹性策略的跟踪过程示意图二。

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，本发明提供一种基于弹性调整策略的虚拟编组列车控制方法，包括如下步骤：

在本发明的进一步实施例中，列车与前方列车某时刻的期望追踪距离，由追踪间隔策略决定，一般追踪策略包括：固定间距追踪策略、固定定时距追踪策略或非线性间距追踪策略，由于虚拟编组的列车间距要求更高，设定理想间距为与前后列车速度相关的函数即非线性间距追踪策略。

虚拟编组间隔是编组车队中相邻列车的行车间距，最小间隔是在最不利条件下行车间距可以取得的最小值。在计算编组内列车间的动态安全运行距离考虑整体的最不利情况为前车采取最有利制动后车采取最不利制动。则以此场景作为基础来建立虚拟编组安全制动模型，并计算动态安全追踪间隔距离。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，根据虚拟编组安全制动模型，最不利制动距离为：

最有利制动距离为：

最小动态安全追踪间隔距离为：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，最小动态安全追踪间隔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。

优选地，步骤S3中根据虚拟编组运行场景建立基于列车追踪间隔的弹性追踪模型，基于所述弹性追踪模型进行弹性控制虚拟编组列车的运行过程包括：

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：

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。

在列车运行过程中，当相邻列车间隔等同于平衡距离时，列车间的相互作用力抵消，列车编组处于平衡状态。当编组内列车速度发生变化时，为确保行车安全和一定的运行效率，后续列车均需要依据追踪间隔和前车速度、工况等状态信息，改变自身追踪策略，使列车加速或者减速，恢复列车编组的追踪平衡状态。

列车运行状态与追踪间隔的关联性表现为一种线性弹性特征，因此，针对虚拟编组的动态间隔控制问题，利用弹性追踪模型来模拟列车追踪间隔的动态变化，具体通过以弹簧的弹性变换特征来描述追踪间隔的动态变化。其中，当相邻列车的追踪间隔增大时，列车间将产生虚拟弹性吸引力，迫使列车间隔缩小，线路运载能力得以提升；当相邻列车间距趋近于最小动态安全追踪间隔距离时，将产生虚拟弹性斥力，增大追踪间隔，使追踪间隔始终大于最小安全间隔，保证运行安全。

如图6所示为动态编组弹性追踪间隔过程模型，状态1为列车从移动闭塞的状态接收到ATS下发的虚拟编组命令后车开始加速，此时列车运行间隔为移动闭塞下的安全运行间隔，状态2为后车逐渐加速到区间限速值，此时后车由于速度限制无法继续加速，保持最大限速值运行，状态3中前后车运行间隔逐渐缩短至步骤2中定义的安全运行间隔此时后车开始减速，同时引入弹性调整策略前车适当进行加速，状态5为调整结束后两车速度相同并进入到虚拟编组状态。

对于虚拟编组而言，列车的运行间隔不到100m，运行干扰极易传播，以追踪间隔距离作为判断编组的安全标准。利用列车i与前行列车i-1的追踪间隔偏离程度来计算列车间的弹性力，偏离程度通过相邻列车间当前实际追踪间隔和最优追踪间隔的偏差与最优追踪间隔的比值来表示。利用相邻列车间当前实际追踪间隔距离与最小动态安全追踪间隔距离来表示安全约束，其中约束函数表述如下：

约束函数δ以相邻列车间的当前实际追踪间隔距离与最小动态安全追踪间隔的比值表示，当δ>1+ε时，则代表相邻列车间隔距离过大,前后列车存在弹性吸引力，当δ<1-ε时，则代表相邻列车间隔距离过小，前后列车存在弹性斥力，当1-ε<δ<1+ε时，则代表相邻列车追踪间隔合适，保持当前运行状态；其中ε为追踪效率因子，ε>0。

同时，因为列车在运行过程中存在许多临时干扰，如线路条件变化、列车车辆故障、计算误差等不确定因素，使得列车不能严格依照预先计划行走。其追踪间隔的变化对虚拟编组的运行安全有直接的影响，因而在运行过程中，编组列车应该根据运行状态信息、线路条件等动态因素，实时监测列车运行行为和追踪间隔距离，并及时对运行控制策略进行在线调整和优化，如图5所示。

当编组中某一列车受到干扰时，可以针对受干扰列车以及其后的所有列车对剩余区间进行运行控制策略曲线的调整优化。

F_f＝k(d_real-d_min)

F_l＝k(d_min-d_real)

F_f为虚拟弹性吸引力，F_l为虚拟弹性斥力，k为弹性劲度系数，d_real为相邻列车间当前实际追踪间隔距离，d_min为最小动态安全追踪间隔距离。

编组过程中如果遇到特殊情况需要解除编组，就需要及时取消弹性调整过程。

此外，还可以根据步骤3中基于列车追踪间隔的弹性追踪模型进行线路列车的运行仿真，并验证方案的可行性。

以图6中的动态编组弹性追踪间隔过程模型的动态编组场景为例，设置区间限速为80km/h，前车起始速度为60km/h，后车起始速度40km/h，起始位置差为500m。前后列车类型相同，其余相关仿真参数如下表：

表1相关仿真参数

通常较为简单的编组方法就是通过让前车保持速度恒定，让后车来追踪前车并保证安全距离进行逼近，如图7和8所示，最终编组结束两车速度相同，编组间隔为64.71m，与最小动态安全追踪间隔距离之差为5.36m，编组时间 170.7s。

但是实际上前车的速度或多或少会受到外界环境、线路条件或内部设备状态的影响而无法保持不变，如果前车速度在后车减速时间内也可以配合适当加速，就可有效减少编组时间。城市轨道交通中车站间距比铁路间距小，在保证安全的同时缩短编组时间与编组距离对虚拟编组的应用是十分必要的。

所以考虑在列车的动态编组过程中通过弹性追踪模型引入弹性速度调整策略，这样可以在保证安全的同时又可以降低编组时间与距离，但是从移动闭塞开始转变为虚拟编组的运行方式势必在开始阶段两车的距离过大，所以考虑引入弹性速度调整策略后的动态编组如图9和10所示，最终编组结束两车速度70km/h，编组间隔为67.40m，与最小动态安全追踪间隔距离之差为0.2m，编组时间140s左右。

通过对比发现在相同场景下，与未引入弹性速度调整策略的编组过程相比，编组时间降低了30s以上，距离控制更准确，在两车站距离较短的城市轨道交通中可以有效提高虚拟编组的使用率。

如下说明弹性追踪模型在编组列车中具体应用弹性追踪策略的过程。通常来讲多车编组的车队紧密追踪过程中的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组间隔。但是实际情况下列车受到的任何扰动或者是列车模型定义不准确都会导致列车偏离原有曲线而产生运行误差。而通常采取的方法是利用车载设备根据目前的速度偏差计算每个时间片内的最优控制量，来减小编组列车运行的累计误差，但此方法需要每个周期都进行大量计算，在运行间距小于100m的跟踪运行过程中较长时间的计算会导致对编组的安全性产生影响。

本发明中通过设置弹性追踪策略可以提升编组的抗干扰性。对于列车编组中的头车而言，依据离线最优运行控制策略曲线运行，若其在运行过程中受到干扰等不确定影响，头车可能会偏离预定曲线。此时，将实时采集的列车运行数据，与离线运行控制策略曲线进行对比，判断其偏离程度是否满足弹性力判定标准，若偏离程度过大，则启动在线调整，对列车运行曲线进行重新规划，尽快恢复预定的运行控制策略运行。后续跟随列车就依据步骤2中计算的最小动态安全追踪间隔距离利用弹性追踪模型设置的弹性策略进行跟踪。

图11和12为使用弹性策略的编组列车跟踪过程，就如同通常情况下通过车钩连挂的列车一样，在前车加速拉开距离时给后车一个弹性拉力来保证两车速度协同。为了保持编组的运行效率在加速过程中不再给前车施加向后的拉力。由前车控制编组整体速度，后车进行跟随即可。

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。

Claims

1.一种基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，其特征在于，所述步骤S2中根据列车安全制动模型计算动态编组与解编过程中最小动态安全追踪间隔距离d_min包括：

其中，最不利制动距离为：

最有利制动距离为：

最小动态安全追踪间隔距离为：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。

3.根据权利要求1所述的基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，其特征在于，所述步骤S3中根据虚拟编组运行场景建立基于列车追踪间隔的弹性追踪模型，基于所述弹性追踪模型进行弹性控制虚拟编组列车的运行过程包括：

4.根据权利要求3所述的基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，其特征在于，所述弹簧的弹性变换特征通过弹性力计算模型来描述，弹性力计算模型以胡克定律为基础，与两车的追踪间隔偏差成正比，即：

F_f＝k(d_real-d_min)

F_l＝k(d_min-d_real)

其中ε为追踪效率因子，ε>0。

5.根据权利要求1所述的基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，其特征在于，编组车队中相邻列车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，将整个编组车队视为一个整体进行控制。

6.根据权利要求5所述的基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，其特征在于，列车之间通过车车通信设备进行信息共享，并通过所述弹性追踪模型进行控制策略实时调整与优化。

7.根据权利要求1所述的基于弹性追踪模型的虚拟编组列车控制方法，其特征在于，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。