一种虚拟编组列车分布式追踪控制方法、系统及列车

本发明涉及虚拟编组列车控制领域，特别是涉及一种虚拟编组列车分布式追踪控制方法、系统及列车。

背景技术：

1、列车虚拟编组(virtual coupling，vc)技术是指一列车中的多个列车单元彼此之间不再通过车钩进行物理联挂，而是通过列车单元与列车单元之间的无线通信技术以及计算控制能力使相邻列车单元以极小的间距保持虚拟联挂。一列虚拟编组列车与一列物理编组列车提供运输服务的方式一致，但虚拟编组列车的编组和解编不再仅仅局限于车站，而可以在运行过程中灵活、快速进行编解。因此，虚拟编组技术通过灵活调整列车编组，有效解决客流时空分布不均衡带来的运力浪费问题，从而降低运营成本、提升车辆资源利用率，达到降本增效的目的。因此，vc技术已经成为轨道交通领域的焦点。

2、虚拟编组列车自动驾驶方法是实现虚拟编组列车运行的关键。现有方法按照控制结构可分为集中式控制和分布式控制方法两种。集中式控制方法是通过使用集中控制器统一下达指令来控制虚拟编组列车车队内各列车单元协同运行。此类方法要求获取虚拟编组列车内所有列车单元的信息以统一计算控制命令，需要处理的信息量大，导致响应时间长，实时性较差且对通信与计算能力要求较高。而采用分布式控制方法时，每个列车单元依据自身与来自其他列车单元的信息，独立计算其自身的控制命令，最终实现与前车保持期望间距同速运行。此时每辆列车单元仅需获取前车信息，且独立计算自身控制命令，与集中式控制方法相比，其实时性更强且易于实现。因此，目前的研究大多采用分布式控制方法实现虚拟编组列车自动驾驶。

3、然而，由于列车单元间的信息交互存在通信延时，导致后车无法实时获取前车的实时信息，严重影响虚拟编组列车追踪控制的精确性。若不对通信延时造成的影响进行合适处理，将增大虚拟编组列车追踪间距，严重影响运行效率。针对该问题，现有技术方案通过模型预测控制(model predictive control，mpc)方法对前车未来运行轨迹进行预测并提供给后车，在其控制和决策时使用，从而实现虚拟编组列车单元保持小间距进行追踪。然而，现有技术方案仍存在以下问题：

4、(1)若不对通信延时造成的影响进行处理，后车将对前车延迟前的状态进行追踪，而此时前车的实际位置已经超出延迟前的位置，因此会增大虚拟编组列车追踪间距。此外，相比于延迟前的速度，前车的实际速度可能已发生变化。因此，若不对通信延时造成的影响进行处理还会导致虚拟编组列车追踪准确性下降、容易违背安全约束而触发紧急制动等。

5、(2)现有方案通过mpc方法使后车直接追踪前车预测的未来状态时，由于列车当前时刻作用的与在之前时刻预测获得的控制命令不是完全相同，因此无法保证前车预测轨迹与实际状态完全相同。因此，该方法下，列车控制命令的最优性与可行性难以保证。例如，当前车不按照之前时刻预测轨迹行驶转而进行制动时，因为存在通信延时后车无法及时获取前车制动的信息，从而无法针对前车的制动行为及时计算相应的控制命令，导致后车追踪准确性下降、容易违背安全约束而触发紧急制动等问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种虚拟编组列车分布式追踪控制方法、系统及列车。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种虚拟编组列车分布式追踪控制方法，所述方法包括：

4、构建预测模型；

5、构建最优控制问题；

6、基于所述预测模型获取列车信息；所述列车信息包括前车实时状态、后车实时状态以及前车延迟的最优控制序列；

7、基于获取的列车状态信息求解所述最优控制问题，得到列车最优控制命令；其中，基于前车实时状态以及历史缓冲的前车最优控制命令序列求解最优控制问题生成当前时刻前车的最优控制命令；基于前车实时状态以及前车延迟的最优控制序列确定前车的预测轨迹；基于后车实时状态以及前车的预测轨迹求解最优控制问题生成当前时刻后车的最优控制命令；

8、根据迭代终止条件判断是否进入下一控制周期，得到判断结果；

9、当所述判断结果为否时，终止迭代，结束轨迹追踪；

10、当所述判断结果为是时，重新构建最优控制问题，并返回执行基于所述预测模型获取列车状态信息的步骤。

11、可选地，构建预测模型，具体包括：

12、考虑阻力，基于列车纵向动力学方程构建连续时间模型；

13、对所述连续时间模型进行离散化处理得到离散时间模型；

14、对所述离散时间模型进行矩阵变化与计算，得到所述预测模型。

15、可选地，构建最优控制问题，具体包括：

16、设计前车的代价函数；设计的前车的代价函数等价于使得前车在预测时域内按照一条提前给定的参考轨迹运行；

17、设计前车的约束条件；所述前车的约束条件包括安全约束、输入饱和约束以及兼容性约束；

18、设计后车的代价函数；设计的后车的代价函数等价于使得后车在预测时域内与前车预测轨迹保持同速以及设定间距追踪；

19、设计后车的约束条件；后车的包括安全约束和输入饱和约束。

20、可选地，基于获取的列车状态信息求解所述最优控制问题，得到列车最优控制命令，具体包括：

21、预测或读取当前时刻的列车状态；

22、将代价函数通过二次规划的方法化简为求解具有二次规划形式的最优控制问题，基于当前时刻的列车状态得到未来一段时间内的最优控制序列。

23、可选地，将代价函数通过二次规划的方法化简为求解具有二次规划形式的最优控制问题，基于当前时刻的列车状态得到未来一段时间内的最优控制序列，具体包括：

24、对前车的最优控制序列中的第一个元素施加兼容性约束，使当前时刻的最优控制序列的第一个元素是上一个延迟时间的最优控制序列中当前时刻对应的元素；

25、不对后车的最优控制序列中第一个元素施加额外的约束条件，并将后车的最优控制序列中第一个元素作用于虚拟编组列车的跟踪控制。

26、一种虚拟编组列车分布式追踪控制系统，所述系统用于实施本发明提供的虚拟编组列车分布式追踪控制方法；所述系统包括：

27、列车状态信息采集模块，用于采集列车状态；

28、mpc控制模块，与所述列车状态信息采集模块连接，用于基于获取的列车状态信息求解所述最优控制问题，得到列车最优控制命令；其中，基于前车实时状态以及历史缓冲的前车最优控制命令序列求解最优控制问题生成当前时刻前车的最优控制命令；基于前车实时状态以及前车延迟的最优控制序列确定前车的预测轨迹；基于后车实时状态以及前车的预测轨迹求解最优控制问题生成当前时刻后车的最优控制命令；

29、车车无线通信模块，与所述mpc控制模块连接，用于实现虚拟编组列车中各列车单元间的信息交互。

30、一种虚拟编组列车，包括多个列车单元；每一所述列车单元上均装备有本发明提供的虚拟编组列车分布式追踪控制系统。

31、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

32、本发明在解最优控制问题得到列车最优控制命令的过程中，通过基于后车实时状态以及前车的预测轨迹求解最优控制问题生成当前时刻后车的最优控制命令，以此来保证后车当前时刻收到的前车延迟前预测的当前时刻的控制命令与前车当前时刻的实际控制命令一致，提高了前车预测信息的准确性，从而使得后车做出更加准确的控制策略。这有效提升了虚拟编组列车轨迹追踪的精确度，并且能够克服通信延时的影响、减小虚拟编组列车单元追踪间距，有效规避了虚拟编组内列车单元违背安全约束触发紧急制动的风险。