融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法

本发明属于轨道交通，具体涉及融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法。

背景技术：

1、铁路物流运输需求的快速增加有力的推动了以群组运行为代表的更短追踪距离、更高运行密度的列车运行控制技术的发展，同时也为运行控制层面的避撞和动力学层面的运行安全提出了更高的要求。建立合理的、适用于重载列车群组运行控制的高效模拟方法，成为解决该关键技术难题的有效手段。

2、就研究对象而言，可分为两个关键类别：以高铁、地铁等为代表的短编组、高动拖比的列车和以重载列车为主的长编组、低动拖比的列车。

3、前者的特点是机动性高、延迟低、运行线路条件良好，因此它们也是虚拟联挂、移动闭塞等更短距离追踪技术的主要应用对象。对于这类列车，其运行控制普遍采用了基于单质点的列车运动模型，研究热点主要集中在车-车通信延迟、不确定扰动、系统响应延迟和列车的异构属性上。需要特别注意的是，由于这类列车自身性能及运行线路条件均较好，所以各种延迟、扰动都可以限定在很小的范围内，这使得其模型和控制方法的线性化是可行且合理的。

4、后者由于机动性差（无动力货车数量多、列车长度长）、系统响应延迟大、运行环境复杂、非线性特性显著，所以目前的研究主要集中在单个列车的控制上，包括优化空气制动以降低纵向冲动(zhang and zhuan, 2014；zhang et al., 2023)、长大坡道的运行控制(liu et al., 2021)等，其模型普遍为列车纵向动力学模型，重点关注问题主要有空气制动系统响应延迟、列车纵向冲动（车钩力）等。值得注意的是，重载列车的强非线性特性使得其纵向动力学模型通常很难被线性化，而传统基于单质点的列车运动模型又无法反映重载列车纵向冲动显著的客观事实。这导致迄今为止关于重载列车大规模群组内更短距离追踪技术的理论模型、控制方法极其罕见。尽管roscoe and dick (2022)基于对重型卡车队列技术的深刻见解分析了移动闭塞模式下重载列车的跟踪控制方法，但这显然是不够的，因为其仅突出了重载列车的大惯性和理想线路条件下的控制方法。我们依旧期望能有更多的理论方法和应用经验来加速重载列车更短距离追踪技术理论体系的构建。

5、重载列车更短距离追踪时安全防护的基本需求促使我们不得不考虑时延、扰动等尽可能多的因素，这显著提升了模型的复杂度，也增加了列车运行控制的难度。通常，群组内包含有多列重载列车，它们延迟高、非线性强、通信模式多样、运行环境复杂、不确定扰动显著，这些因素决定了列车群组运行控制模型是一个多参数、高维度的复杂模型，短时间内做出响应并实现相应的控制动作并不容易。而快速响应是列车运行控制设备的基本要求，例如中国列车运行控制系统目前广泛采用0.2秒的刷新速率。如何提升列车群组运行控制模型的实时计算能力，是群组运行方案设计必须考量的关键环节。目前尚无基于列车纵向动力学进行重载列车运行控制系统设计的研究，其主要原因在于模型复杂难以转换，同时引入列车纵向动力学后无法完成实时在线优化与控制。值得注意的是，澳大利亚中央昆士兰大学wu et al (2023,2022)率先开展了列车运行控制与列车动力学的联合研究，他们基于并行计算架构提出了面向城轨等短编组列车的解决方案——借助列车动力学来验证虚拟联挂的控制器、测试控制系统的性能。但遗憾的是，截至目前，我们尚未发现将列车系统动力学模型直接正向用于大规模重载列车群组运行控制的技术方案。

6、为解决重载列车群组运行控制体系理论基础薄弱、计算模型匮乏、实时能力差的严重问题，开展了列车纵向动力学与列车运行控制统一模型构建技术的研究，全面考虑重载列车运行环境及其自身属性的复杂性，提出了“规划+控制”的实时模拟方案，基于列车纵向动力学理论构建了重载列车运行控制模型，结合分布式模型预测控制方法构建了群组运行控制器，形成了融合列车系统动力学的大规模重载列车群组运行控制高效模拟方法。

技术实现思路

1、为克服上述存在之不足，提出了融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法，其可以突出群组运行等更短追踪距离运行模式下的车-车通信关系，为大规模重载列车群组运行通信关系模拟、列车与列车之间基于通信的虚拟相互作用关系表征提供技术支持；准确量化不同通信模式下的车-车通信延迟、系统响应延迟，为列车间相对制动距离实时计算提供关键依据，能更真实、更准确模拟列车群组运行的实际特征。

2、为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：提供一种融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法。其步骤包括：

3、步骤1：环境感知: 1）静态参数：获取组群列车类型及参数、线路设计参数、通信系统参数、路网信息；2）动态时变参数：天气条件、人工临时授权信息、预设的动态编解组行为及其发生位置；

4、步骤2：列车群组内通信系统建模：根据步骤1获取的通信系统参数，建立列车群组内车-车通信模型；

5、步骤3：列车纵向动力学建模：根据步骤1获取的组群列车参数，基于列车系统动力学基本理论建立考虑不确定扰动和时延的重载列车纵向动力学模型；

6、步骤4：运动规划—列车可达域规划： 4.1计算确定列车在既定线路、当前环境下可达到的最高运行速度，从而获得速度区间变化特征；4.2根据速度区间变化特征确定对应的牵引/制动操纵切换点位置，其中速度区间长度不低于二倍的列车长度； 4.3根据最高运行速度计算确定列车在当前线路、当前环境下各位置处的绝对制动距离；

7、步骤5：运动规划—群组内列车协同规划： 5.1将步骤4中获得的最高运行速度逐车带入步骤3的列车系统动力学模型中，计算各列车通过该线路时的时间-里程对应关系图，并逐车统一以里程为横轴、时间为纵轴建立平面直角坐标系，沿时间轴平移各列车里程-时间曲线，能保证两相邻列车里程-时间曲线不相交的最小值即为群组内最小发车时间间隔，群组内最大发车时间间隔取5分钟；5.2结合步骤1中的组群列车类型、步骤4中的列车实时绝对制动距离，以群组内发车时间间隔为自变量，计算确定群组内列车不同组合模式下的相对制动距离； 5.3在各列车时间-里程曲线图上，以横轴坐标差（即相对位置）不低于相对制动距离与前车长度之和为约束修正最小发车时间间隔；5.4以步骤4最高运行速度为边界约束条件、通过该线路区间最短时间为目标重新优化获取群组内各列车的最优运行速度；

8、步骤6：运动规划—运动稳定性规划：平滑步骤5中获得的最优速度，降低由机车操纵引起的列车纵向冲动，并以车钩力不超限为约束获得最大允许加速度、最大允许加加速度；

9、步骤7：重载列车群组运行控制系统建模：以各列车的里程、速度、操纵力为状态向量，里程、速度为输出向量，列车集总控制力为控制矢量，将步骤3中的列车系统动力学模型转化到离散时间状态空间内，形成重载列车群组运行控制系统模型；

10、步骤8：重载列车群组运行控制器设计：以步骤5群组内最小发车时间间隔为初值约束、步骤7重载列车群组运行控制系统模型为动力学约束、步骤6中最大允许加速度、最大允许加加速度不超过最大允许值为机车操纵约束，以步骤5中相对制动距离追踪误差及各列车的最优运行速度追踪误差最小为目标函数，以步骤7输出向量预测值和期望值之差的二范数、输出向量预测值和假定值之差的二范数、控制矢量与操纵力之差的二范数三项之和为代价函数，为群组内每一个列车基于模型预测控制方法设计控制器；

11、步骤9：控制前速度判定：判定步骤5计算的最优运行速度是否满足当前位置的限速要求，如果符合，则进行步骤10；如果不符合，则调整速度以满足临时限速要求，然后再进行步骤10；

12、步骤10：群组运行控制：评估列车在当前速度下能否产生对应控制力，如果可行，将速度分配给步骤8的控制器，进行列车运行控制，计算实时控制指令；如果不可行，则根据牵引/制动特性曲线确定与当前环境下机车最大有效输出力一致的速度，随后，将该速度分配给步骤8的控制器，进行列车运行控制，计算实时控制指令。

13、根据本发明所述的融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法，其进一步的优选技术方案是：步骤1中，路网信息包含车站、股道、道岔信息。

14、根据本发明所述的融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法，其进一步的优选技术方案是：步骤3中，不确定扰动基于步骤1中的天气条件数据以高斯函数反映，时延包括空气制动系统响应时延和车-车通信时延，空气制动系统响应时延基于步骤1中的列车类型由空气制动系统充/放气时间确定，车-车通信时延由步骤2获得。

15、根据本发明所述的融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法，其进一步的优选技术方案是：步骤4.1中，当前环境包括天气条件和人工临时授权信息。

16、根据本发明所述的融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法，其进一步的优选技术方案是：步骤4.1中，基于车辆—轨道耦合动力学、重载铁路设计规范计算确定列车在既定线路、当前环境下可达到的最高运行速度。

17、根据本发明所述的融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法，其进一步的优选技术方案是：速度平滑方法包括但不限于指数型、梯形、余弦、多项式、7段s型、7段修正s型、15段s型、31段s型平滑方法。

18、根据本发明所述的融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法，其进一步的优选技术方案是：步骤6中，以指数型进行速度平滑：下式(1)~(3)平滑步骤5中获得的最优速度：

19、                  （1）

20、（2）

21、（3）

22、式中，、、为已知量，分别表示第i列车当前所处的里程坐标、最大允许加速度、最大允许加加速度；为所求的目标量，表示第i列车平滑后的最优速度；、、、为平滑方程的系数。

23、根据本发明所述的融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法，其进一步的优选技术方案是：步骤8中，相对制动距离追踪误差以步骤5中群组内各列车不同组合模式下的相对制动距离计算得到；步骤5中各列车的最优运行速度追踪误差由群组内各列车的最优运行速度计算得到。

24、根据本发明所述的融合列车纵向动力学的大规模重载列车群组运行控制方法，其进一步的优选技术方案是：步骤9中，当前位置的限速由步骤1人工临时授权信息获取

25、相比现有技术，本发明的技术方案具有如下优点/有益效果：

26、1、突出群组运行等更短追踪距离运行模式下的车-车通信关系，为大规模重载列车群组运行通信关系模拟、列车与列车之间基于通信的虚拟相互作用关系表征提供技术支持；准确量化不同通信模式下的车-车通信延迟，为列车间相对制动距离实时计算提供关键依据，能更真实、更准确模拟列车群组运行的实际特征。

27、2、首次将车钩力实时在线计算评估纳入大规模重载列车群组运行控制系统，且以加速度、加加速度不超过最大允许值对机车操纵进行约束，进一步控制重载列车纵向冲动，有效降低了重载列车群组运行时的断钩风险，无需额外的车钩力监测设备，显著降低设备成本、人力成本及运维成本。

28、3、控制方案具有极强的鲁棒性，即使列车面临较大的不确定扰动力、车-车通信延迟和系统响应延迟，控制器依旧能够计算输出相应的控制指令，为复杂环境（严苛的通信条件、降雨/降雪/大风等复杂气象条件）下的重载列车群组运行控制提供更稳健、更可靠、更准确的控制方法。

29、4、实时计算能力显著增强。克服了列车系统动力学模型用于长编组、多列车大规模场景下列车运行控制时实时计算能力差、无法满足既有列控系统0.2秒刷新速率的根本要求。