基于弯道位置平均超高的列车过弯最佳调节位置预测方法

本发明一般涉及列车自动控制，具体涉及基于弯道位置平均超高的列车过弯最佳调节位置预测方法。

背景技术：

1、近年来，随着科技的不断进步和铁路运输需求的增长，高铁已经成为一种高效、安全、舒适、环保的交通方式，得到了广泛的应用和推广。

2、高铁列车的速度是通过多种方式控制的，包括轨道上的信号系统以及列车的自动驾驶系统。在行驶过程中，列车会不断地接收轨道上的信号系统发出的信号，这些信号包括列车的行驶速度、轨道曲率等信息。同时，列车也会自动调整直线行驶速度，以确保列车在行驶过程中的安全性和稳定性。

3、列车行驶到弯道前，列车控制中心会接收到驾驶员的控制指令，根据弯道的半径和列车的速度传感器来计算列车的加速度，并发送指令给列车上的车载电脑系统，由车载电脑系统控制列车的行驶速度和加速度，以使列车安全地通过弯道。

4、上述控制过弯速度的方式需要列车驾驶员根据经验判断恰当的弯道位置，进而向车载电脑系统发出指令，以启动上述调节过程，进而通过车载电脑系统自动完成过弯车速调节。

5、假设过弯车速调节过程中需要调节的速度差不变，开始调节位置过于靠近弯道位置时，则调节加速度则会偏大，导致乘客乘坐体验不佳；开始调节位置过于远离弯道位置时，则会导致列车行驶时间的延长，有可能导致列车班次延误。

6、现有的控制方式依旧依赖驾驶员的经验判断合适的弯道位置，因而难以保证过弯时列车的整体时间消耗以及列车整体的加速度处于最佳值；当驾驶员经验不足或行驶陌生路段时，可能产生急加速、急减速导致乘客乘坐体验不佳；或过弯需要减速时，过早减速，使列车平均速度降低，导致列车班次延误。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供基于弯道位置平均超高的列车过弯最佳调节位置预测方法。

2、本技术提供基于弯道位置平均超高的列车过弯最佳调节位置预测方法，包括：

3、获取列车的当前车速；

4、获取铁轨线路下一处的弯道位置和所述弯道位置的平均超高；所述平均超高表示弯道位置处两段铁轨之间高度差的平均值；

5、根据所述当前车速、弯道位置和平均超高，构建列车由最佳调节位置处开始调节车速，直至列车行驶至弯道位置处，列车所需的调节时长表达式和调节加速度表达式；所述调节时长表达式和所述调节加速度表达式中包含有未知的最佳调节位置；所述最佳调节位置表示：所述调节时长和所述调节加速度加权之和最小时，开始调节车速的位置；

6、根据所述调节时长表达式和所述调节加速度表达式构建目标优化函数；

7、根据所述目标优化函数，对调节时长和调节加速度进行寻优，直至所述调节时长和所述调节加速度的值使所述目标优化函数取得最小值，得到目标调节加速度和目标调节时长；

8、根据所述目标调节加速度和目标调节时长计算得到所述最佳调节位置；

9、获取列车在铁轨线路上的当前位置；

10、判断：所述最佳调节位置处于当前位置与弯道位置之间时，待列车行驶至所述最佳调节位置处，开始以所述目标调节加速度调节列车的车速，持续所述目标调节时长；

11、所述当前位置刚好处于最佳调节位置处时，直接开始以所述目标调节加速度调节列车的车速，持续所述目标调节时长。

12、根据本发明提供的技术方案，当所述当前位置处于最佳调节位置与弯道位置之间时，进行以下步骤：

13、根据所述当前位置、弯道位置、当前车速和平均超高计算，自当前位置开始调节车速，直至行驶至弯道位置处时，列车所需的加速度，得到补偿加速度；

14、以所述补偿加速度调节列车的车速，直至列车行驶至弯道位置。

15、根据本发明提供的技术方案，获取铁轨线路下一处的弯道位置和所述弯道位置的平均超高的过程包括：

16、获取铁轨线路数据库；所述铁轨线路数据库中至少存储有铁轨线路所有弯道位置以及每个弯道位置对应的平均超高；

17、查询铁轨线路数据库，得到铁轨线路上所有弯道位置；

18、根据列车当前位置和所有弯道位置，计算得到距离当前位置沿铁轨线路路程最近的弯道位置；

19、根据最近的弯道位置查询所述铁轨线路数据库得到对应的平均超高。

20、根据本发明提供的技术方案，获取所述铁轨线路数据库的过程包括：

21、获取铁轨线路上多个铁路定位器的编号；

22、根据所述铁轨线路上所有铁路定位器对所述所述铁轨线路进行等间隔分割，得到多个线路单元；所述线路单元的中点与铁路定位器连线垂直于铁轨线路的延伸方向；所述线路单元的长度等于相邻铁路定位器之间的距离；

23、将线路单元与线路单元中点和铁路定位器连线垂直于铁轨线路的延伸方向的铁路定位器的编号一一对应；

24、对所述线路单元内等间隔采样，测量线路单元内多个采样点的超高值；

25、将多个超高值取平均值，计算得到线路单元的平均超高；

26、将每个相互对应的线路单元、与线路单元对应的铁路定位器的编号和线路单元的平均超高保存至数据库，得到铁轨线路数据库。

27、根据本发明提供的技术方案，根据所述当前车速、弯道位置和平均超高，构建列车由最佳调节位置处开始调节车速，直至列车行驶至弯道位置处，列车所需的调节时长表达式和调节加速度表达式的过程包括：

28、获取铁轨宽度、弯道位置的曲率半径和列车总质量；

29、根据所述铁轨宽度、平均超高、曲率半径和列车总质量计算得到最佳过弯速度；所述最佳过弯速度表示列车重力与铁轨对列车支撑力矢量叠加所得合力提供列车过弯时所需的向心力；

30、将开始调节位置设置为未知参数；

31、根据开始调节位置和所述弯道位置计算得到开始调节位置距弯道位置的调节路程表达式；所述调节路程表达式中开始调节位置为未知参数；

32、根据所述最佳过弯速度、当前车速和调节路程表达式，构建得到所述调节时长表达式；所述调节时长表达式中开始调节位置和调节时长为未知参数；

33、根据所述最佳过弯速度、当前车速和所述调节时长，构建得到调节加速度表达式；所述调节加速度表达式中开始调节位置、调节时长和调节加速度为未知参数。

34、根据本发明提供的技术方案，所述目标优化函数表示所述调节时长和所述调节加速度加权之和；所述目标优化函数由公式（一）表示；

35、公式（一）；

36、其中， f表示目标优化函数， w1和 w2均表示权重，表示调节时长， a表示调节加速度，表示绝对值。

37、根据本发明提供的技术方案，根据所述目标优化函数，对调节时长和调节加速度进行寻优的过程包括：

38、将所述平均超高、当前车速、铁轨宽度、弯道位置的曲率半径、列车总质量、最佳过弯速度、调节时长表达式和调节加速度表达式代入所述目标优化函数，得到目标优化函数展开式；所述目标优化函数展开式中仅有开始调节位置为未知参数；

39、对所述目标优化函数展开式关于开始调节位置求导，并计算所述目标优化函数展开式的极小值点；

40、将所述极小值点对应的开始调节位置作为所述最佳调节位置；

41、将所述最佳调节位置代入所述调节时长表达式和调节加速度表达式计算得到目标调节加速度和目标调节时长。

42、根据本发明提供的技术方案，根据所述目标优化函数，对调节时长和调节加速度进行寻优的过程包括：

43、使用粒子群算法对调节时长和调节加速度进行寻优，得到目标调节加速度和目标调节时长。

44、根据本发明提供的技术方案，使用粒子群算法对调节时长和调节加速度进行寻优的步骤包括：

45、s91:初始设置粒子群算法的算法参数：设置关于调节时长和调节加速度的搜索空间；设置多个粒子在搜索空间内的第n位置，以及每个粒子的第n速度；n值初始设置为1；

46、s92:根据所述第n位置，获取搜索空间内的第n调节时长和第n调节加速度；

47、s93:根据所述第n调节时长和第n调节加速度，计算粒子当前位置的目标优化函数，得到第n目标优化函数；

48、s94:将每个粒子的第n位置代入粒子群算法的位置更新公式；将每个粒子的第n速度代入粒子群算法的速度更新公式，计算得到第n次迭代过程中每个粒子的第n+1位置和第n+1速度；

49、s95:判断：达到终止条件时，根据粒子最终所处位置获取搜索空间内的第n调节时长和第n调节加速度，将所述第n调节时长和第n调节加速度作为所述目标调节加速度和所述目标调节时长；否则，令n值加一，并重复执行s92-s95的步骤。

50、根据本发明提供的技术方案，所述搜索空间包括：第一区间和第二区间；

51、所述第一区间用于表示调节时长的搜索范围；所述第二区间用于表示调节加速度的搜索范围；

52、所述第一区间如公式（二）所示；

53、所述第二区间如公式（三）所示；

54、公式（二）；

55、公式（三）；

56、其中， t表示调节时长, a表示调节加速度, s0表示铁轨线路全长,表示弯道位置处弯道长度, vmax表示列车最高行驶速度, t表示列车行驶完铁轨线路且不延误班次的最长时间, amax表示列车最大加速度。

57、本技术的有益效果在于：

58、根据当前车速、下一处弯道位置和弯道位置的平均超高计算调节时长、调节加速度与调节位置的关系式。并根据调节时长和调节加速度构建目标优化函数，进而根据目标优化函数对调节时长和调节加速度进行寻优。当调节时长和调节加速度使目标优化函数取得最小值时，计算得出最佳调节位置。进而判断最佳调节位置是否处于列车当前位置和下一处弯道位置之间；当最佳调节位置是否处于列车当前位置和下一处弯道位置之间时，待列车行驶至所述最佳调节位置处，开始以所述目标调节加速度调节列车的车速，持续所述目标调节时长。上述方式能够预测列车过弯前开始调节车速的最佳调节位置，以使列车的整个过弯过程用时更短且加速度更小，进而使乘客不经历较大的加速减速，保证的乘坐体验，同时保证列车不产生班次延误。