高速列车移动协同闭塞控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了高速列车移动协同闭塞控制方法及系统，通过根据同一线路上的当前列车的前后列车运行状态，实时获得当前列车的允许行车范围，允许行车范围之间保持预设的安全间隔，根据允许行车范围和基于列车速度受约束条件，建立列车动力学模型，根据列车动力学模型，建立控制列车运行的分布式控制模型，将待控制列车期望速度、前后列车的位置以及前后列车的期望相对距离输入到所述分布式协同控制模型中，求解得到并执行实时执行待控制列车的控制牵引力以实现多列车协同控制。解决了现有高速多列车运行效率低的技术问题，并能在保证相邻列车始终保持安全距离的基础上，实现多列车协同控制，从而保证列车能够安全、高效地运行。

Control method and system of high speed train moving cooperative block

【技术实现步骤摘要】
高速列车移动协同闭塞控制方法及系统
本专利技术涉及列车系统运行控制领域，尤其涉及高速列车移动协同闭塞控制方法及系统。
技术介绍
我国高速铁路的列车控制系统在不断发展，从最初的CTCS2系统到目前的CTCS3系统，地面设备不断减少，列车与调度中心的信息交互也越来越多。然而，出于行车安全的考虑，目前高速列车采取的闭塞方式仍然基于固定闭塞。在此闭塞方式下，列车间距大，运行效率低，已不适合目前高铁发展的需求。在未来CTCS4系统中，列车通讯能力进一步加强，列车运行将采取移动闭塞的策略。但在现有理论中，研究移动闭塞方式下的多列车协同运行，只能采用势函数来处理列车之间的避碰问题，而在实际中列车控制输入(列车牵引力)不能任意大，导致列车避碰策略在实际中难以实现，因此，多列车移动闭塞方式在理论上没有完全解决。
技术实现思路
本专利技术提供的一种高速列车移动协同闭塞控制方法及系统，解决了现有列车避碰策略在实际中难以实现的技术问题。为解决上述技术问题，本专利技术提出的高速列车移动协同闭塞控制方法，包括：实时获取同一线路上的待控制列车的前后列车运行状态，并根据预设的安全间隔距离构建以待控制列车的牵引力为输入，以待控制列车的速度为输出变量，以待控制列车的允许行车范围和列车速度受约束条件为约束的列车动力学模型；根据所述列车动力学模型设计待控制列车的分布式协同控制模型，所述分布式协同控制模型以待控制列车的期望速度和前后列车的期望相对距离作为扰动，以待控制列车的牵引力作为控制输入；实时获取并将待控制列车期望速度、前后列车运行状态以及前后列车的期望相对距离输入到所述分布式协同控制模型中，求解得到所述待控制列车的牵引力，并控制待控制列车实时执行所述牵引力以实现多列车协同控制。优选的，所述列车动力学模型具体为：其中，k为采样点，取值为非负整数；T为采样周期；xi(kT)表示列车i在kT时刻的位置；vi(kT)表示列车i在kT时刻的速度；vi((k+1)T)表示列车i在(k+1)T时刻的速度；ui(kT)表示列车i在kT时刻的列车的牵引力；c0、cv和ca均为正常数；Yi代表列车i的实时允许行车范围；为投影算子，其数学定义为：表示集合X到点x最小距离所对应的点；Sat[.]为饱和算子，具体定义为：其中，vi表示列车i的虚拟速度，和分别表示列车i所能到达的速度上限和下限值。优选的，根据所述列车动力学模型设计待控制列车的分布式协同控制模型，包括以下步骤：令和Hi＝Ci-Fi，对所述列车动力学模型进行平移变换，从而得到变换后的列车动力学模型具体为：其中，表示变换后列车i在kT时刻的位置；xi(kT)表示列车i在kT时刻的位置；xd(k)表示平移的距离；表示变换后列车i在kT时刻的速度；vi(k)表示列车i在kT时刻的速度；vd表示平移的速度；Hi表示平移后的区间；Ci表示列车行车范围；Fi表示列车期望位置；表示变换后列车i在(k+1)T时刻的位置；T为采样周期；为投影算子；表示变换后列车i在(k+1)T时刻的速度；表示变换后列车i在kT时刻的列车的牵引力；表示变换后列车i在kT时刻的速度；Sat[.]为饱和算子；根据变换后的列车动力学模型设计待控制列车的分布式协同控制模型。优选的，所述分布式控制模型具体为：其中，ui((k+1)T)表示列车i在(k+1)T时刻的牵引力；ui(kT)表示列车i在kT时刻的牵引力；h1i(kT)和h2i(kT)分别为列车i的第一控制参数和第二控制参数；T为采样周期；vi(kT)表示列车i在kT时刻的速度；vr为期望速度；c0、cv和ca分别表示第一拟合参数、第二拟合参数以及第三拟合参数，所述c0、cv和ca均为正常数；Ni(k)表示kT时刻列车i的邻居列车集合；xj(kT)表示列车j在kT时刻的位置；xi(kT)表示列车i在kT时刻的位置；aij为列车i与列车j之间的通信强度，其中μ为正常数；n为研究线路区间内的列车数目；为列车i与列车j之间的期望相对距离；Sat[.]为饱和算子，Ui表示饱和约束集合。本专利技术提出的一种高速列车移动协同闭塞控制系统包括：存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述计算机程序时实现本专利技术提出的高速列车移动协同闭塞控制方法的步骤。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术提供的高速列车移动协同闭塞控制方法及系统，通过根据同一线路上的待检测列车的前后列车运行状态，实时获得待检测列车以及前后列车的允许行车范围，并在待检测列车与前后列车的允许行车范围之间设置预设的安全间隔，根据待检测列车以及前后列车的允许行车范围和基于列车速度受约束条件，建立列车动力学模型，根据列车动力学模型，建立控制列车运行的分布式控制模型，实时获取并将待控制列车期望速度、前后列车运行状态以及前后列车的期望相对距离输入到所述分布式协同控制模型中，求解得到所述待控制列车的控制牵引力，待控制列车实时执行所述控制牵引力以实现多列车协同控制。进而解决了现有高速多列车运行效率低的技术问题，且通过分布式控制模型对控制参数进行自适应调整，能在保证相邻列车始终保持安全距离的基础上，实现多列车协同控制，从而保证列车能够安全、高效地运行。附图说明图1是本专利技术提出的移动协同闭塞下多列车运行图；图2是本专利技术实施例一的高速列车移动协同闭塞控制方法的流程图；图3是本专利技术实施例二的高速列车移动协同闭塞控制方法的流程图；图4是本专利技术实施例二的列车动力学模型通过平移处理后的系统原理图，其中，平移后的区间H1、H2、H3中心均为0点，表示列车变换后的位置；图5是本专利技术实施例二的列车实现车车通讯的信息交互过程；图6是采用本专利技术实施例二获得的多列车协同运行的位置和速度变化曲线图；图7是本专利技术实施例的高速列车移动协同闭塞控制系统的结构简图。附图标记：10、存储器；20、处理器。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本专利技术作更全面、细致地描述，但本专利技术的保护范围并不限于以下具体的实施例。以下结合附图对本专利技术的实施例进行详细说明，但是本专利技术可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。在本专利技术中，待控制列车即为当前列车。由于现有采用移动闭塞方式下的多列车协同运行，只能采用势函数来处理列车之间的避碰问题，从而导致不能对列车控制参数进行自适应调整，例如采用移动闭塞方式下的多列车协同控制获得的列车控制输入，即的列车的牵引力，可能会相当大，这明显与列车实际运行情况不符，且列车控制输入太大也不能很好地实现多列车的协同优化控制，针对该问题，本专利技术提出移动协同闭塞机制，移动协同闭塞机制定义如图1所示，图1中列车行车范围ci通过调度中心给出或根据其前后列车的运行状态获得，Fi为列车期望位置，为列车i与列车j之间的期望相对距离。通过前后车运行状态给定当前本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高速列车移动协同闭塞控制方法，其特征在于，所述方法包括：/n实时获取同一线路上的待控制列车的前后列车运行状态，并根据预设的安全间隔距离构建以待控制列车的牵引力为输入，以待控制列车的速度为输出变量，以待控制列车的允许行车范围和列车速度受约束条件为约束的列车动力学模型；/n根据所述列车动力学模型设计待控制列车的分布式协同控制模型，所述分布式协同控制模型以待控制列车的期望速度和前后列车的期望相对距离作为扰动，以待控制列车的牵引力作为控制输入；/n实时获取将待控制列车期望速度、前后列车运行状态以及前后列车的期望相对距离输入到所述分布式协同控制模型中，求解得到所述待控制列车的牵引力，并控制待控制列车实时执行所述牵引力以实现多列车协同控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种高速列车移动协同闭塞控制方法，其特征在于，所述方法包括：
实时获取同一线路上的待控制列车的前后列车运行状态，并根据预设的安全间隔距离构建以待控制列车的牵引力为输入，以待控制列车的速度为输出变量，以待控制列车的允许行车范围和列车速度受约束条件为约束的列车动力学模型；
根据所述列车动力学模型设计待控制列车的分布式协同控制模型，所述分布式协同控制模型以待控制列车的期望速度和前后列车的期望相对距离作为扰动，以待控制列车的牵引力作为控制输入；
实时获取将待控制列车期望速度、前后列车运行状态以及前后列车的期望相对距离输入到所述分布式协同控制模型中，求解得到所述待控制列车的牵引力，并控制待控制列车实时执行所述牵引力以实现多列车协同控制。


2.根据权利要求1所述的高速列车移动协同闭塞控制方法，其特征在于，所述列车动力学模型具体为：



其中，k为采样点，取值为非负整数；T为采样周期；xi(kT)表示列车i在kT时刻的位置；vi(kT)表示列车i在kT时刻的速度；vi((k+1)T)表示列车i在(k+1)T时刻的速度；ui(kT)表示列车i在kT时刻的列车的牵引力；c0、cv和ca均为正常数；Yi代表列车i的实时允许行车范围；为投影算子，其数学定义为：表示集合X到点x最小距离所对应的点；Sat[.]为饱和算子，具体定义为：



其中，vi表示列车i的虚拟速度，和αi分别表示列车i所能到达的速度上限和下限值。


3.根据权利要求2所述的高速列车移动协同闭塞控制方法，其特征在于，根据所述列车动力学模型设计待控制列车的分布式协同控制模型，包括以下步骤：
令和Hi＝Ci-Fi，对所述列车动力学模型进行平移变换，从而得到变换后的列车动力学模型具体为：

【专利技术属性】
技术研发人员：林鹏，李刚，廖亚丽，沈小宇，段萌萌，田宇，徐家豪，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43