一种列车编队跟踪控制方法及装置与流程

本发明涉及列车运行技术领域，尤其涉及一种列车编队跟踪控制方法及装置。

背景技术：

列车编队跟踪运行方式是指多个列车之间不依靠物理连接，而是通过无线通信实现多列车以相同的速度、极小的间隔协同运行的方式。列车编队跟踪运行控制方式旨在通过控制列车群中的每列车紧随其紧前列车运行的方式，实现列车编队的稳定协同运行，最终达到列车编队安全高效运行的目的。此外，通过编队跟踪运行控制，在列车机械性能和运行环境等允许的前提下，最终实现列车编队内任意两列车相对速度一致，相邻两列车间的距离为理想间距。两车相对速度一致时列车保持相对静止，在保障安全的同时可以一定程度缩小列车间距，且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。

现有的列车编队跟踪控制方式多采用多智能体一致性控制方式来控制编队中的后车运行，使后车尽可能与前车状态保持一致性。但是多智能体一致性的控制方式无法控制编队从非稳定到稳定的过渡时间，跟踪效率无法保证。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种列车编队跟踪控制方法及装置，以提高列车编队中的后车跟踪效率。

本发明实施例提供一种列车编队跟踪控制方法，包括：

获取列车编队中第一车辆与第二车辆之间的当前间距，其中所述第一车辆与所述第二车辆相邻且所述第一车辆位于所述第二车辆之后；

基于所述当前间距确定所述第一车辆的目标跟踪模式，其中所述目标跟踪模式为速度跟踪模式、间距跟踪模式或制动模式，所述速度跟踪模式为以所述第一车辆的最大安全速度为控制目标进行跟踪的模式，所述间距跟踪模式为以所述第一车辆与所述第二车辆之间的理想间距为控制目标进行跟踪的模式，所述制动模式为以所述第一车辆的最大制动率进行制动的模式；

第一车辆基于所述目标跟踪模式对所述第二车辆进行跟踪运行。

可选地，所述获取列车编队中第一车辆与第二车辆之间的当前间距，包括：

通过安装于所述第一车辆上的激光雷达传感器实时测量得到所述第一车辆和第二车辆之间的当前间距。

可选地，基于所述当前间距确定所述第一车辆的目标跟踪模式，包括：

当所述当前间距大于第一预设阈值时，确定所述第一车辆的目标跟踪模式为所述速度跟踪模式；

当所述当前间距大于第二预设阈值且小于所述第一预设阈值时，确定所述第一车辆的目标跟踪模式为所述间距跟踪模式；

当所述当前间距小于所述第二预设阈值时，确定所述第一车辆的目标跟踪模式为所述制动模式。

可选地，所述基于所述当前间距确定所述第一车辆的目标跟踪模式之前，还包括：

通过下述公式计算得到所述第一预设阈值：

d1＝τ×d0；

通过下述公式计算得到所述第二预设阈值：

d2＝dr+l+df；

其中，d1表示所述第一预设阈值，d2表示所述第二预设阈值，τ表示预设模式切换系数，d0表示所述理想间距，dr表示所述第一车辆在最不利情况下从触发紧急制动到列车停止所需的制动距离，df表示所述第二车辆在最有利的情况下从触发紧急制动到列车停止所需的制动距离，l表示所述第一车辆与所述第二车辆之间预留的安全余量。

可选地，所述第一车辆基于所述目标跟踪模式对所述第二车辆进行跟踪运行，包括：

基于所述目标跟踪模式确定所述第一车辆的期望加速度；

基于所述第一车辆所对应的预设列车牵引制动特性曲线，将所述期望加速度转化为所述第一车辆的牵引制动状态和牵引制动级位；

基于所述第一车辆的牵引制动状态和牵引制动级位，对所述第二车辆进行跟踪运行。

可选地，所述基于所述目标跟踪模式确定所述第一车辆的期望加速度，包括：

当所述目标跟踪模式为速度跟踪模式时，计算得到所述第一车辆的当前速度与目标速度之间的速度误差，并根据所述速度误差得到第一期望加速度；其中所述目标速度为所述第一车辆在所运行线路上的最大安全速度；

当所述目标跟踪模式为间距跟踪模式时，计算得到所述当前间距与目标间距之间的间距误差，并根据所述间距误差得到第二期望加速度；其中所述目标间距为所述第一车辆与所述第二车辆之间的理想间距；

当所述目标跟踪模式为制动模式时，将所述第一车辆的最大制动加速度确定为第三期望加速度；

其中，所述期望加速度为第一期望加速度、第二期望加速度或第三期望加速度。

可选地，所述计算得到所述第一车辆的当前速度与目标速度之间的速度误差，包括：通过所述第一车辆上所安装的速度传感器获取所述第一车辆的当前速度；计算所述目标速度与所述当前速度的差值，并将所述差值确定为所述速度误差。

本实施例还提供一种列车编队跟踪控制装置，该装置包括：

测量感知模块，用于通过激光雷达传感器获取列车编队中第一车辆与第二车辆之间的当前间距，其中所述第一车辆与所述第二车辆相邻且所述第一车辆位于所述第二车辆之后；

决策判断模块，用于基于所述当前间距确定所述第一车辆的目标跟踪模式，其中所述目标跟踪模式为速度跟踪模式、间距跟踪模式或制动模式，所述速度跟踪模式为通过速度跟踪控制器以所述第一车辆的最大安全速度为控制目标进行跟踪的模式，所述间距跟踪模式为通过间距跟踪控制器以所述第一车辆与所述第二车辆之间的理想间距为控制目标进行跟踪的模式，所述制动模式为通过制动器以所述第一车辆的最大制动率进行制动的模式；

下层控制器，用于基于所述目标跟踪模式对所述第二车辆进行跟踪运行。

本发明实施例提供的列车编队跟踪控制方法及装置，通过获取列车编队中第一车辆与第二车辆之间的当前间距，并基于当前间距确定第一车辆的目标跟踪模式，其中目标跟踪模式为速度跟踪模式、间距跟踪模式或制动模式，速度跟踪模式为以第一车辆的最大安全速度为控制目标进行跟踪的模式，间距跟踪模式为以第一车辆与所述第二车辆之间的理想间距为控制目标进行跟踪的模式，制动模式为以所述第一车辆的最大制动率进行制动的模式，最后基于目标跟踪模式对第二车辆进行跟踪运行，实现了在后车跟踪过程中对跟踪模式的选择，保证了编队后车既能够以较高的效率跟踪前车运行，又不与前车发生碰撞。

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为本发明实施例中列车编队跟踪控制方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例中判断第一车辆所进入的目标跟踪模式的判断示意图；

图3为本发明实施例中列车编队跟踪控制装置的模块框图。

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、完整地描述，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作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。

如图1所示，为本发明实施例中列车编队跟踪控制方法的步骤流程图，该方法包括如下步骤：

步骤101：获取列车编队中第一车辆与第二车辆之间的当前间距。

具体的，第一车辆和第二车辆为一列车编队中的任意两个相邻的车辆，即第一车辆与第二车辆相邻且第一车辆位于所述第二车辆之后。

在列车编队中进行车辆之间的跟踪控制时，第一车辆可以先获取列车编队中第一车辆与第二车辆之间的当前间距。

在此需要说明的是，在获取列车编队中第一车辆与第二车辆之间的当前间距时，可以通过安装于第一车辆上的激光雷达传感器实时测量得到第一车辆和第二车辆之间的当前间距。

步骤102：基于当前间距确定第一车辆的目标跟踪模式。

具体的，目标跟踪模式可以为速度跟踪模式、间距跟踪模式或制动模式。其中，速度跟踪模式为以第一车辆的最大安全速度为控制目标进行跟踪的模式，间距跟踪模式为以第一车辆与第二车辆之间的理想间距为控制目标进行跟踪的模式，制动模式为以第一车辆的最大制动率进行制动的模式。

具体的，理想间距为第一车辆和第二车辆之间的期望间距，可以根据实际需求进行限定，在此并不对该理想间距的具体数值进行限定。

即在速度跟踪模式中第一车辆能够以最大速度跟踪第二车辆运行，快速缩短与前车的距离，将两车间距缩短至合理范围；在间距跟踪模式中第一车辆以跟第二车辆保持固定的理想间距为目标，从而能够确保第一车辆在不会触发紧急制动模式的情况下间距调节至理想间距；在制动模式中第一车辆以最大制动率进行制动，从而避免了与作为前车的第二车辆相撞。

这样通过设置速度跟踪模式、间距跟踪模式和制动模式，且基于当前间距确定第一车辆的目标跟踪模式，使得在确保不与前车相撞的前提下，提高了第一车辆的跟踪效率，缩短了跟踪时间，进而使得列车编队中后撤能够以最短时间达到与前车保持理想间距运行的稳定状态。

步骤103：第一车辆基于目标跟踪模式对所述第二车辆进行跟踪运行。

在本步骤中，具体的，在确定第一车辆的目标跟踪模式之后，第一车辆直接基于目标跟踪模式对第二车辆进行跟踪运行，从而使得在确保不与前车相撞的前提下，提高了第一车辆的跟踪效率，缩短了跟踪时间，进而使得列车编队中后撤能够以最短时间达到与前车保持理想间距运行的稳定状态。

进一步地，在本实施例中，在基于当前间距确定第一车辆的目标跟踪模式时，可以当当前间距大于第一预设阈值时，确定第一车辆的目标跟踪模式为速度跟踪模式；当当前间距大于第二预设阈值且小于第一预设阈值时，确定第一车辆的目标跟踪模式为间距跟踪模式；当当前间距小于第二预设阈值时，确定第一车辆的目标跟踪模式为制动模式。

即在本实施例中，基于当前间距与第一预设阈值和第二预设阈值的比较结果来确定第一车辆的目标跟踪模式。首先判断当前间距是否大于第一预设阈值，若当前间距大于第一预设阈值则确定目标跟踪模式为速度跟踪模式，从而使得在第一车辆距离作为前车的第二车辆较远时能够以最大速度追踪前车运行，快速缩短与前车的距离；若当前间距不大于第一预设阈值则判断当前间距是否大于第二预设阈值，若当前间距大于第二预设阈值则确定目标跟踪模式为间距跟踪模式，从而使得能够在不会触发紧急制动模式的情况下，将两车之间的间距调节至理想间距；若当前间距不大于第二预设阈值则确定第一车辆的目标跟踪模式为制动模式，从而使得第一车辆以最大制动率制动，从而避免与前车相撞。这样，通过上述目标跟踪模式的确定实现了对列车编队从非稳定到稳定的过度时间段内的跟踪控制，提高了跟踪效率。

在此需要说明的是，第一预设阈值和第二预设阈值可以通过计算得到，即本实施例在基于当前间距确定第一车辆的目标跟踪模式之前，还可以对第一预设阈值和第二预设阈值进行计算，即：

通过下述公式计算得到所述第一预设阈值：

d1＝τ×d0；

通过下述公式计算得到所述第二预设阈值：

d2＝dr+l+df；

其中，d1表示第一预设阈值，d2表示第二预设阈值，τ表示预设模式切换系数，d0表示理想间距，dr表示第一车辆在最不利情况下从触发紧急制动到列车停止所需的制动距离，df表示第二车辆在最有利的情况下从触发紧急制动到列车停止所需的制动距离，l表示第一车辆与所述第二车辆之间预留的安全余量。

具体的，τ可以为1.2至2范围内进行合理取值，在此不对此进行具体限定。

此外，对于dr的计算，应该依据ieee1474.1标准里关于列车最不利情况下制动行为的描述，充分考虑各种延迟情况；而对于df的计算，则应该认为列车处于完全无延迟的理想状态，制动从触发到生效在瞬间完成。所以dr和df可基于第一车辆的绝对速度和第二车辆的绝对速度，通过下述公式计算得到：

t1＝tr_atp+tr_q；

t2＝tr_e+tr_z；

在上述公式中，tr_atp是第一车辆的atp设备反应时间；tr_q是第一车辆的牵引切除时间；tr_e是第一车辆紧急制动建立的额外时间；tr_z是第一车辆紧急制动建立时间；vr_ebi是第一车辆触发紧急制动时的速度；vf_r_ebi是第一车辆触发紧急制动时第二车辆的速度；ar_q是第一车辆的最大牵引加速度；ar_d是第一车辆的最大惰行加速度；ar_wbtake是第一车辆在最不利情况下的紧急制动减速度；af_bbrake是第二车辆在最有利情况下的紧急制动减速度。

这样，基于第一车辆与第二车辆之间的理想间距确定第一预设阈值，并基于第一车辆在最不利情况下从触发紧急制动到列车停止所需的制动距离、第二车辆在最有利的情况下从触发紧急制动到列车停止所需的制动距离和预留的安全余量确定第二预设阈值，使得第一预设阈值大于理想间距，从而使得在两车之间的当前间距大于第一预设阈值且以速度跟踪模式进行跟踪时，不用担心两车之间会撞车且能够提高跟踪效率；此外第二预设阈值与制动距离相关，从而使得在第一车辆在以间距跟踪模式进行跟踪时能够确保不会触发制动模式，从而避免了与前车相撞。

进一步地，在本实施例中，在基于目标跟踪模式对第二车辆进行跟踪运行时，可以基于目标跟踪模式确定第一车辆的期望加速度；然后基于第一车辆所对应的预设列车牵引制动特性曲线，将期望加速度转化为第一车辆的牵引制动状态和牵引制动级位；基于第一车辆的牵引制动状态和牵引制动级位，对第二车辆进行跟踪运行。

具体的，在基于目标跟踪模式确定第一车辆的期望加速度时，可以当目标跟踪模式为速度跟踪模式时，计算得到第一车辆的当前速度与目标速度之间的速度误差，并根据速度误差得到第一期望加速度；其中目标速度为第一车辆在所运行线路上的最大安全速度；当目标跟踪模式为间距跟踪模式时，计算得到当前间距与目标间距之间的间距误差，并根据间距误差得到第二期望加速度；其中目标间距为第一车辆与第二车辆之间的理想间距；当目标跟踪模式为制动模式时，将第一车辆的最大制动加速度确定为第三期望加速度；其中，期望加速度为第一期望加速度、第二期望加速度或第三期望加速度。

具体的，在计算得到第一车辆的当前速度与目标速度之间的速度误差时，可以通过第一车辆上所安装的速度传感器获取第一车辆的当前速度，然后计算目标速度与当前速度的差值，并将差值确定为速度误差。

通过速度传感器获取第一车辆的当前速度，保证了所获得的当前速度的准确性。

这样，本实施例在当目标跟踪模式为速度跟踪模式时，根据第一车辆的当前速度与目标速度之间的速度误差得到第一期望加速度，并将该第一期望加速度转化为第一车辆的牵引制动状态和牵引制动等级，并基于该第一车辆的牵引制动状态和牵引制动级位对第二车辆进行跟踪运行，保证了跟踪效率；当目标跟踪模式为间距跟踪模式时，根据当前间距与目标间距之间的间距误差得到第二期望加速度，并将该第二期望加速度转化为第一车辆的牵引制动状态和牵引制动等级，并基于该第一车辆的牵引制动状态和牵引制动级位对第二车辆进行跟踪运行；当目标跟踪模式为制动模式时，直接将第一车辆的最大制动加速度确定为第三期望加速度，并将该第三期望加速度转化为第一车辆的牵引制动状态和牵引制动等级，并基于该第一车辆的牵引制动状态和牵引制动级位对第二车辆进行跟踪运行，避免了两车相撞。

下面对本实施例的整体控制过程进行具体说明，该整体控制过程包括如下步骤：

步骤1，列车编队中，第一车辆通过激光雷达传感器和毫米波雷达传感器实时测量本车距离作为前车的第二车辆的当前间距，本车相对于前车的速度，且通过速度传感器实时测量本车的绝对速度。

步骤2，第一车辆通过测量感知模块根据本车的绝对速度和本车相对前车(即第二车辆)的速度计算得到前车的绝对速度，即前车的绝对速度等于第一车辆的绝对速度与第一车辆相对于前车的速度之间的和值。

步骤3，按照d1＝τ×d0计算第一预设阈值，其中τ表示预设模式切换系数，在1.2至2之间合理取值，d0表示第一车辆与第二车辆之间的理想间距；按照d2＝dr+l+df计算第二预设阈值，其中dr表示第一车辆在最不利情况下从触发紧急制动到列车停止所需的制动距离，df表示第二车辆在最有利的情况下从触发紧急制动到列车停止所需的制动距离，l表示第一车辆与第二车辆之间预留的安全余量。

步骤4，参见图2，利用测量得到的第一车辆与第二车辆之间的当前间距与第一预设阈值d1、第二预设阈值d2做判断，判断第一车辆应当进入的跟踪模式。

其中，先判断当前间距是否大于第一预设阈值d1，若当前间距大于第一预设阈值，则可以进入速度跟踪控制器，即进入速度跟踪模式，由速度跟踪控制器以线路的最大安全速度为控制目标，计算第一车辆的当前速度与目标速度的速度误差，并经过闭环误差控制器计算后，得到第一期望加速度；若当前间距不大于第一预设阈值，则判断当前间距是否大于第二预设阈值，若当前间距大于第二预设阈值，则进入距离跟踪控制器，即进入间距跟踪模式，由距离跟踪控制器以与前车保持理想间距为控制目标，计算当前间距与目标间距的间距误差，并经过闭环误差控制器计算后，得到第二期望加速度；若当前间距小于第二预设阈值，则进入制动模式，直接输出列车最大制动加速度作为第三期望加速度。

具体的，速度跟踪控制器的设计原则为：控制器形式包括但不限于pid控制器、滞环比较器或滑模控制器形式，且以最短时间达到稳定为设计原则，从而使得后车可以快速缩短与前车的距离，提高跟踪效率；此外，距离跟踪控制器的设计原则为：控制器形式包括但不限于pid控制器、滞环比较器或滑模控制器形式，且以无暂态超调量为设计原则，从而使后车在编队跟踪暂态调节过程中，与前车间距保持大于最小安全距离阈值，即第二预设阈值，不触发制动模式。

这样通过速度跟踪模式、间距跟踪模式和制动模式的多模式跟踪，使得当两车距离较远时，进入速度跟踪模式，可以快速缩短两车间距；当两车距离接近理想间距时，进入距离跟踪模式，在尽量不触发紧急制动的原则下，动态调整与前车的间距，最终使本车与前车保持理想间距运行；当两车间距小于作为最小安全距离阈值的第二预设阈值时，进入紧急制动模式，后车以最大制动率制动，从而避免与前车相撞。

步骤5，将得到的期望加速度输入给本车的下层控制器，下层控制器通过查列车牵引制动特性曲线，将期望加速度转化为列车的牵引制动状态和牵引制动级位，从而控制第一车辆完成编队跟踪运行。

至此，完成列车编队中相邻两车之间的跟踪控制，保证了列车编队后车即能够以较高的效率跟踪前车运行，又不与前车发生碰撞。

此外，如图3所示，为本发明实施例中列车编队跟踪控制装置的模块框图，该装置包括：

测量感知模块301，用于通过激光雷达传感器获取列车编队中第一车辆与第二车辆之间的当前间距，其中所述第一车辆与所述第二车辆相邻且所述第一车辆位于所述第二车辆之后；

决策判断模块302，用于基于所述当前间距确定所述第一车辆的目标跟踪模式，其中所述目标跟踪模式为速度跟踪模式、间距跟踪模式或制动模式，所述速度跟踪模式为通过速度跟踪控制器3021以所述第一车辆的最大安全速度为控制目标进行跟踪的模式，所述间距跟踪模式为以通过间距跟踪控制器3022所述第一车辆与所述第二车辆之间的理想间距为控制目标进行跟踪的模式，所述制动模式为以通过制动器3023所述第一车辆的最大制动率进行制动的模式；

下层控制器303，用于基于所述目标跟踪模式对所述第二车辆进行跟踪运行。

可选地，所述决策判断模块302具体用于，

当所述当前间距大于第一预设阈值时，确定所述第一车辆的目标跟踪模式为所述速度跟踪模式并启动速度跟踪控制器3021；

当所述当前间距大于第二预设阈值且小于所述第一预设阈值时，确定所述第一车辆的目标跟踪模式为所述间距跟踪模式并启动间距跟踪控制器3022；

当所述当前间距小于所述第二预设阈值时，确定所述第一车辆的目标跟踪模式为所述制动模式并启动制动器3023。

在此需要说明的是，该装置能够实现上述方法实施例所能实现的所有方法步骤，并能够达到相同的技术效果，在此不再进行赘述。

另外，本实施例还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的列车编队跟踪控制方法的步骤。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现所述的列车编队跟踪控制方法的步骤。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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。