一种采用虚拟耦合的多列车协同控制方法及系统与流程

本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种采用虚拟耦合的多列车协同控制方法及系统。

背景技术

在轨道交通中，通常以闭塞进行追踪控制，即用信号或者凭证，保证列车按照前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离(空间间隔制)运行的技术方法分区问题。该方式下前控制列车按照闭塞分区进行追踪，其追踪间隔相对较大、受管控层级较多影响控制效率较低；此外，两列车作为独立个体进行管理，分别占用一个车次号、一条计划线，不能灵活的调整单车次的运输能力。虽然现有线路上采用了重连车的方式，但是受车钩等设备的物理连接影响，其连接、拆解效率不高，无法在线动态控制，并且受站台长度影响，仅能实现两列车物理重连。

申请号为cn201710686257.0的专利公开了一种虚拟连挂小编组的列车控制方法，该方法中控制列车之间基于车载设备实现点对点通信，进而构成虚拟连挂的小编组。由于通过虚拟的方式实现连挂，所以对列车中多车的协同控制提出了较高的要求，上述专利中控制列车对紧前列车的追踪策略为：主车跟随紧前列车的加速、巡航与减速运行状态，控制模型是一个以距离偏差和速度偏差为输入，基于加速度的闭环反馈控制，同时根据当前速度实时计算相对安全距离，作为控制模型的安全限制条件。但是这种跟踪策略非常简单，在虚拟耦合的列车的实际运行过程中，列车会出现急加速、急减速等导致列车发生抖动的现象，造成乘客的严重不适感。这种现象在多车情况下，例如3车编组、8车编组、16车编组等情况下，尤其严重。

技术实现要素：

针对现有技术中多车虚拟耦合情况下无法实现稳定协同的技术问题，本发明提出了一种虚拟耦合的多列车协同控制方法。

一种采用虚拟耦合的多列车协同控制方法，所述方法包括：

首先，获取控制列车的相邻列车的加速度、所述控制列车的相邻列车与所述控制列车的速度差值、所述控制列车的相邻列车与所述控制列车之间的冗余距离；

其次，根据所述控制列车的相邻列车的加速度、所述控制列车的相邻列车与所述控制列车的速度差值、所述控制列车的相邻列车与所述控制列车的冗余距离，确定所述控制列车的加速度；

最后，根据确定的所述控制列车的加速度对所述控制列车的速度进行调整。

进一步地：

根据所述控制列车的相邻列车与所述控制列车的速度差值、所述控制列车的相邻列车与所述控制列车之间的冗余距离，确定所述控制列车的相邻列车与所述控制列车的加速度差值；

基于所述加速度差值和所述控制列车的相邻列车的加速度，确定所述控制列车的加速度。

进一步地：

确定所述控制列车的相邻列车与所述控制列车的加速度差值δai具体为：

其中，

i＝1,2,3,…,n；

max()表示取两者或多者之间的最大值；

为所述控制列车速度vi与所述控制列车的相邻列车速度vi-1的差值，

δxi为所述控制列车与所述控制列车的相邻列车之间的冗余距离；

aacc_max为列车的最大驱动加速度；

abreak_c为列车的常用制动加速度；

为所述控制列车的相邻列车的实际加速度；

xm为列车控制力达到最大时的距离偏差；

确定所述控制列车的控制加速度ai具体为：

进一步地：

获取所述控制列车与所述控制列车的相邻列车之间的距离、所述控制列车与所述控制列车的相邻列车之间的理想间距；

根据所述控制列车的相邻列车与所述控制列车之间的距离、所述控制列车的相邻列车与所述控制列车之间的理想间距确定所述控制列车的相邻列车与控制列车之间的冗余距离。

进一步地：基于所述控制列车的相邻列车与所述控制列车之间的安全间距、所述控制列车的常用制动距离和所述控制列车的相邻列车的紧急制动距离，确定所述控制列车的相邻列车与所述控制列车之间的理想间距。

进一步地：所述控制列车的常用制动距离，通过查询实际列车参数获取。

进一步地：所述控制列车的相邻列车的紧急制动距离，通过查询实际列车参数获取。

进一步地：基于制动反应时间、信号及信息传输延时、所述控制列车的相邻列车与所述控制列车车速确定安全间距。

进一步地：安全间距＝(制动反应时间+信号处理与传输延时)×控制列车速度×安全系数。

一种采用虚拟耦合的多列车协同控制系统，所述系统包括：

信息获取单元，用于获取控制列车的相邻列车与控制列车的加速度、控制列车的相邻列车与控制列车的速度差值、控制列车的相邻列车与控制列车之间的冗余距离；

加速度计算单元，用于根据所述控制列车的相邻列车的加速度、所述控制列车的相邻列车与控制列车的速度差值、所述控制列车的相邻列车与控制列车的冗余距离，确定所述控制列车的加速度；

速度调整单元，用于根据确定的所述控制列车的加速度对所述控制列车的速度进行调整；

通信单元，用于前控制列车之间通信，以及车与控制中心之间通信；

控制中心，用于实时监测列车群运行状态。

通过本发明的技术方案，实现了虚拟耦合多列车群体的高效安全运行。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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示出了根据本发明实施例的协同控制位置关系示意图；

图2示出了根据本发明实施例的运行状态转换示意图；

图3示出了根据本发明实施例的存在负冗余距离的两车位置关系示意图；

图4示出了根据本发明实施例的协同控制系统的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中，多列车之间不再采用车钩等设备实现物理连接，而是采用车车通信等无线通信方式使得多列车之间实现虚拟耦合。在虚拟耦合的系统中，由于各列车之间没有采用车钩等设备实现物理连接，而是采用了无线连接方式，所以在列车的运行过程中，列车之间的距离或者相对位置会发生变化。如图1示例性地示出了虚拟耦合系统的协同控制中多个列车之间的位置关系图。本发明针对虚拟耦合的多列车协同进行控制，根据多列车位置的前后关系，将连续的多列车看成虚拟耦合在一起的列车群；对列车群内某列车进行控制，可将该车视为控制列车，根据控制列车状态及其相邻列车的运行状态，确定所述控制列车的控制加速度，从而调整控制列车的速度。

如图1所示，多个列车包括列车1…列车i-1、列车i…列车n，其中列车1可以作为领航车。本发明实施例以多个列车中前后相邻的两个列车列车i和列车i-1为例进行示例性说明。

作为控制列车的列车i与作为与其相邻的紧前列车的列车i-1具有一定的距离。图中，xi和xi-1分别表示列车i和列车i-1车头所处的位置，vi与vi-1则分别表示列车i及其列车i-1当前的行驶速度；d(vi,vi-1)为列车i在行驶速度为vi、列车i-1的行驶速度为vi-1时，两车之间需要保持的理想间距，该理想间距受控制列车的速度影响。在列车的运行过程中，列车i和列车i-1之间距离d(vi,vi-1)是较为理想的距离，两车之间保持理想间距运行时，能够保证列车的高效运行且不会发生碰撞等安全问题。

其中，上述理想间距d(vi,vi-1)还与安全间距d0、列车长度l、列车i的常用制动距离sci(vi)、列车i-1的紧急制动距离sui-1(vi-1)有关。而列车i的常用制动距离sci(vi)取决于列车i的当前速度vi，可通过查询实际列车参数获取；列车i-1的紧急制动距离sui-1(vi-1)取决于列车i-1的当前速度vi-1，可通过查询实际列车参数获取。

上述理想间距d(vi,vi-1)的具体如下公式：

d(vi,vi-1)＝d0+l+sci(vi)-sui-1(vi-1)(1)

上述公式(1)中，d0为在紧前列车紧急制动的情形下，控制列车采取常用制动，二者停车后控制列车车头与紧前列车车尾之间所保留的安全间距。所述安全间距d0受司机作出制动反应时间、信号在列车设备中处理和传输延时以及控制列车速度的影响，具体地，安全间距d0＝(制动反应时间+信号处理与传输延时)×控制列车速度×安全系数，其中所述安全系数为1-2之间。

本发明实施例的基于虚拟耦合的多列车系统在运行过程中，基于控制列车和紧前列车之间的距离关系和速度关系，分为不同的运行状态，通过对列车的速度进行加速或减速等控制手段，使得列车在不同的运行状态中进行转换，最终达到控制列车和紧前列车速度一致、距离稳定的平衡运行状态。如下表示出了9种运行状态。

如上表所示，基于控制列车(列车i)和紧前列车(列车i-1)之间的实际间距与理想间距d(vi,vi-1)的关系、速度关系，将列车的运行状态设置为9种类型。在实际运行过程中，可以通过对控制列车的速度进行控制，例如通过加速度实现速度的加速或减速，使得控制列车从一个运行状态进入到另一个运行状态，本领域技术人员应该熟知，加速时加速度为正数，而在减速时减速度为负数。其中，在运行状态5中，控制列车和紧前列车之间的距离为理想间距d(vi,vi-1)、二者运行速度也相同，也就是二者进入了一个稳定的运行状态。若列车群内所有的列车(领航列车除外)都处在稳定运行的状态5附近，则整个列车群可实现高效安全运行。

在列车的运行过程中，由于一些客观原因，需要对速度和列车间距进行调整，进而使得控制列车在上述运行状态中转换，实现稳态运行状态与不稳定运行状态之间的变化。如图2示出了控制列车在不同运行状态之间转换的流程示意图。

如图2所示，在运行状态6中，列车i(控制列车)和列车i-1(紧前列车)之间的间距为理想间距d(vi,vi-1)，而此时列车i的速度vi小于列车i-1的速度vi-1，这种速度关系使得前后两车的距离关系由xi＝xi-1-d(vi,vi-1)变为xi<xi-1-d(vi,vi-1)。此时，列车i进入运行状态3，在运行状态3中，列车i加速，加速到vi＝vi-1后，进入到运行状态2。在运行状态2中，列车i继续加速，进入到运行状态1。在运行状态1中，vi>vi-1，此时列车i进入减速，最终使得xi＝xi-1-d(vi,vi-1)、vi＝vi-1，进入到稳定运行状态5。此时前后两列车保持了理想间距d(vi,vi-1)、二者速度一致，即两车处于稳定的高效安全运行状态。

如图2所示，在运行状态4中，列车i(控制列车)和列车i-1(紧前列车)之间的安全间距为理想间距d(vi,vi-1)，而此时列车i的速度vi大于列车i-1的速度vi-1，这种速度关系使得两车的距离关系由xi＝xi-1-d(vi,vi-1)变为xi>xi-1-d(vi,vi-1)。此时，列车i进入运行状态7，在运行状态7中，列车i减速，减速到vi＝vi-1后，列车进入运行状态8。在运行状态8中，列车i继续减速，进入到运行状态9。在运行状态9中，vi<vi-1，此时列车i进入加速，最终使得xi＝xi-1-d(vi,vi-1)、vi＝vi-1，进入到稳定运行状态5。此时前后列车保持了理想间距d(vi,vi-1)、两车的相对速度一致，即两车处于稳定的高效安全运行状态。

稳定运行状态下，前后两车相对速度一致并保持一定的理想间距，例如列车处于停止运行状态，或者高速稳定运行状态。

但是，由于某些客观原因，例如列车发车、到站停车或者线路限速等客观原因，处于稳定运行状态的列车需要打破上述稳定运行状态。因此，列车i(控制列车)将会从稳定运行状态进入其他的不稳定运行状态。示例性地，列车i处于稳定运行状态5时，前方列车将要到站，此时列车i-1进行减速，其速度vi-1降低，这导致列车i速度vi大于紧前列车速度vi-1，此时列车i进入从运行状态5进入到运行状态4，并进一步地进入到运行状态7；列车出站时，列车i-1速度vi-1提高，导致列车i速度vi小于列车i-1速度vi-1，此时，列车从运行状态5进入运行状态6，并进一步地进入运行状态3。示例性地，在列车高速运行时，轨道线路状况良好，列车i可以提高速度，此时列车从运行状态5进入运行状态3；如果线路状况差，需要列车i降速通过，此时列车从运行状态5进入运行状态7。

列车i进入上述运行状态3或运行状态7后，如上表和图2所示，可以继续通过加减速的控制方式进行运行状态的改变并达到稳定运行状态。

上述所列9种运行状态中，可以通过合理施加在控制列车上的控制力(引动力、制动力和阻力等的合力)，使其进行加速或减速，使得控制列车在不同的运行状态之间进行转换，最终都转换到稳定运行状态5，即列车群内的所有列车在高速运行时各列车之间保证合适的安全间距且以相同的速度高速追踪运行，或者列车群内的所有列车停止。

为了判断列车所述的各种运行状态，以进行协同控制，进而实现列车的安全运行，在列车的运行过程中，紧前列车可以实时将其位置信息、速度信息、加速度信息等信息发送给控制列车。可选地，控制列车也可以通过检测装置主动实时检测紧前列车的位置、速度、加速度等信息，或通过列控系统获取紧前列车的位置、速度、加速度等信息。

列车在处于一种运行状态后，列车i可以通过一定的加速度实现速度的加减速的控制方式来实现不同运行状态之间的转换。在加减速时，基于控制列车与紧前列车之间的冗余距离δxi和相对速度动态调整自身的加速度ai。

本发明实施例中，通过以下公式计算前控制列车的加速度差值δai：

其中：

i＝2,3,…,n；

max()表示取两者或多者之间的最大值；

(i>1，控制列车)为列车i相对于列车i-1的速度，

δxi(i>1，控制列车)为列车i与列车i-1之后d(vi,vi-1)位置的距离差，是列车i与列车i-1之间允许的冗余距离，其中，δxi＝xi-(xi-1-d(vi,vi-1))；列车在运行过程中保持理想间距d(vi,vi-1)，但是在实际中，可以有偏离理想间距d(vi,vi-1)的冗余距离δxi，换言之，δxi为列车i位置与列车i-1之后d(vi,vi-1)位置的距离；如图3示出了控制列车和紧前列车距离大于理想间距d(vi,vi-1)的示意图，即此时的冗余距离为负数，从图中可以看出前后列车的实际距离(xi-1-xi)为d(vi,vi-1)-δxi；

xi为列车i车头的位置、vi为列车i的速度、ai(i>0，非领航者)为列车i的控制加速度、(i>0，非领航者)为列车i-1的实际加速度；

aacc_max为列车的最大驱动加速度，本领域技术人员应该熟知，驱动时驱动加速度为正数；

abreak_c为列车的常用制动加速度，本领域技术人员应该熟知，制动时制动加速度为负数；

xm为列车控制力达到最大时的距离偏差，取值为90m-120m之间。

而对于列车中的领航列车，其车头位置、车辆速度、车辆实际加速度分别为x1、v1、

本发明实施例中，对于多列车的协同控制，考虑紧前列车的当前车头位置、速度、加速度等信息，以使得控制列车高效安全追随紧前列车运行。

通过上述公式(2)获得控制列车之间的加速度差后，列车i根据列车i-1的加速度，对列车i的加速度进行调整，进而改变列车的运行状态，列车i的控制加速度如式(3)所示。通过本发明实施例的加减速调整，采用虚拟耦合的多列车实现了协同控制，在列车运行稳定性、舒适性和安全性方面得到了极大地提高。

与上述方法对应地，本发明实施例还提供了一种采用虚拟耦合的多列车协同控制系统。如图4所述，控制中心通过列车通信单元实现与各个列车的数据传输，各个列车之间可以通过所述列车通信单元实现数据传输。所述协同控制系统包括信息获取单元、加速度计算单元、速度调整单元，其中，信息采集单元，用于获取紧前列车的加速度、紧前列车与控制列车的速度差值、紧前列车与控制列车之间的冗余距离；加速度计算单元，用于根据所述紧前列车的加速度、所述紧前列车与控制列车的速度差值、所述紧前列车与控制列车的冗余距离，确定所述控制列车的控制加速度；速度调整单元，用于根据确定的所述控制列车的控制加速度对所述控制列车的速度进行调整。所述协同控制系统还包括通信单元，所述通信单元，用于实现列车之间、列车与控制中心之间的数据传输。

本发明实施例中，以后车作为控制列车追随前车为例进行示例性说明，但是并不限于后车追随紧前列车的方式。相反，前车作为控制列车来随后车运行状态进行调整同样适用于本发明。

本发明实施例对于同一线路上运行方向相同且相邻的多列车作为一个整体统一组织，列车不再是独立的个体而是建立内部关联关系，打破了闭塞分区的概念，列车控制效率得到提高；通过前车加速度参数、前后车速度差值参数、前后车冗余距离参数来确定后车的加速度，使得虚拟耦合的列车控制更加安全可靠，多列车中两个相邻列车间追踪间距进一步缩小；列车之间并不采用物理连接，其灵活性大大提升。

需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。前后两个步骤之间并不必然意味着一定是一种先后执行的顺序，只要能够解决本发明的技术问题即可，而且前后两个步骤之间并不必然意味着一定排除了发明中未列出的其他步骤。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本申请的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。同理，系统的各个单元之间并不必然意味是一种直接的电气连接，说明书表示的仅仅是逻辑关系。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。