一种虚拟编组列车分层协同控制系统及方法

本发明涉及轨道交通信号控制，特别是涉及一种虚拟编组列车分层协同控制系统及方法。

背景技术：

1、随着经济发展和城市化建设不断加快，城市交通拥堵问题愈发严重。同时，由于城市面积的扩大，中心城区与市郊区域的交通连接问题越来越严重。作为缓解交通压力、满足城市居民出行需求的重要手段，城市轨道交通(以下简称“城轨”)建设在近年来取得了显著成效。城市轨道交通网络化规模的快速发展、客流时空分布不均衡且无规律动态变化特征日益突出，也对车辆及线路资源的进一步优化利用以及运力与运量匹配程度提出了更高要求。

2、针对以上需求，列车虚拟编组(virtual coupling，vc)技术是一种受到广泛认可的解决方案。虚拟编组技术能够极大地缩短不存在物理连挂关系的列车单元的运行间距，使得其能够像物理连挂的列车一样提供运输作业服务。虚拟编组技术能够实现车辆配置和编组方式的在线、动态、灵活调整，从而可提高车辆和线路资源的有效利用率，既可满足客流高峰时的大运力需求，又可在平低峰时降低车辆空驶率。因此，通过研发虚拟编组技术，安全、高效的控制列车单元按计划执行在线动态编解、并以虚拟编组的方式保持小间隔平稳运行和同步操控，可在不降低服务质量的前提下降低列车运行能耗、节约运输成本，对城市轨道交通的绿色可持续发展具有重要意义。

3、目前，针对虚拟编组列车的运行控制系统与方法没有切实考虑虚拟编组列车运行的整体性和同步性，仅仅是按照在更小的安全防护间距下多车追踪运行的思想进行的，领航列车按照自身计划独立运行，跟随列车根据更小的安全防护间距追踪领航列车运行。并且该运行控制系统架构没有对虚拟编组列车的同步运行进行着重考虑，列车单元仍然采用了原有单车独自规划并控制的系统架构，因此从系统层面上不可避免地导致虚拟编组列车不同步运行。总之，现有的运行控制系统与方法没有体现出“虚拟编组列车是一个整体，所有列车单元需要协同一致运行来共同完成运营目标”的思想，并且这种运行控制系统与方法存在以下问题：

4、1.跟随列车纯追踪领航列车会导致自身运行效率较低、运行指标难以达成。由于现有的跟随列车大多采用简化的追踪间距(例如固定间距、固定时距等)方式来追踪领航列车，因此无法做到在安全允许的条件下以最小间距追踪，导致了虚拟编组列车追踪效率降低。

5、2.跟随列车根据领航列车实时状态进行追踪，对于两车之间的通信传输要求极高；同时由于虚拟编组列车采用更加精细化复杂化的安全间距计算方法，对于列车单元实时计算的性能要求也较高，容易因为各种随机环境干扰导致追踪运行出现偏差，甚至发生危险。

6、3.虚拟编组列车单元之间的站台停车时间差较大。领航列车完全按照自身计划独立运行，未考虑虚拟编组列车运行的整体性和同步性(例如在轨道线路限速由低变高变化时，领航列车出清低限速区段后会直接加速，而跟随列车仍处于低速区段从而会导致两车间距增大，两车运行方式不协调也导致站台停车时的时间差较大)。

7、虚拟编组技术并不只是简单地突破了列车之间的绝对制动距离使得列车可以追踪的更近，而是在更近追踪距离的基础上使多个列车单元形成一个统一的虚拟列车整体，而这种新型虚拟编组列车在运行时本质上被视为是一辆车，虚拟编组列车单元之间是相互协同配合的关系，而不是简单的跟随车追逐领头车的关系。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种虚拟编组列车分层协同控制系统及方法，考虑虚拟编组列车整体同步运行的目标，对所有列车单元的控制行为进行统一规划管理，极大地提高虚拟编组列车的追踪效率。

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层协同控制系统，其特征在于，包括：信息交互模块、电子地图处理模块、推荐驾驶曲线规划模块和多个实时追踪控制模块；

4、一个虚拟编组列车单元对应一个实时追踪控制模块；

5、信息交互模块与电子地图处理模块连接；所述信息交互模块用于从列车自动运行监控系统获取列车运行计划信息，并将列车运行计划信息输出至电子地图处理模块；

6、电子地图处理模块分别与推荐驾驶曲线规划模块和多个实时追踪控制模块连接；所述电子地图处理模块用于储存轨道线路信息，并根据列车运行计划信息查询列车运行全程的轨道线路信息，形成虚拟编组列车的轨道线路运行数据，同时输出至推荐驾驶曲线规划模块和多个实时追踪控制模块；

7、推荐驾驶曲线规划模块与多个实时追踪控制模块连接；所述推荐驾驶曲线规划模块用于根据虚拟编组列车的轨道线路运行数据，将虚拟编组列车视作一个整体，协同规划虚拟编组列车中所有列车单元的推荐驾驶曲线，并将推荐驾驶曲线发送给每个列车单元的实时追踪控制模块；

8、所述实时追踪控制模块用于基于虚拟编组列车的轨道线路运行数据，控制列车单元按照各自的推荐驾驶曲线运行，实现虚拟编组列车同步运行的预期目标。

9、可选地，所述列车运行计划信息包括：列车运行目的地、期望运行时间和区段临时限速；

10、所述轨道线路信息包括：轨道线路逻辑区段号、停车点、道岔、应答器、坡度和轨道静态限速。

11、一种虚拟编组列车分层协同控制方法，包括：

12、建立虚拟编组列车站间协同运行优化数学模型；

13、根据列车站间运行计划信息，确定虚拟编组列车站间的轨道线路运行数据；

14、基于虚拟编组列车站间的轨道线路运行数据，求解所述虚拟编组列车站间协同运行优化数学模型，获得虚拟编组列车中每个列车单元站间的推荐驾驶曲线；

15、根据每个列车单元的实时状态和每个列车单元的前后列车单元的实时状态，基于虚拟编组列车站间的轨道线路运行数据，实时跟踪各自列车单元站间的推荐驾驶曲线，最终实现虚拟编组列车同步运行的预期目标。

16、可选地，所述虚拟编组列车站间协同运行优化数学模型为

17、

18、s.t.vi(k)≤vebi(si(k))

19、umin≤ui(k)≤umax

20、jmin≤ui(k+1)-ui(k)≤jmax

21、d(k)≤s1(k)-l-s2(k)

22、vi(k)≤v

23、i＝1,2

24、k＝1,2,…,n-1,n

25、其中，q1,q2,q3,q4分别为精准停车、准点运行、同步发车和同步停车指标的优化权重系数，和为领航列车和跟随列车的规划仿真停车点位，和为领航列车和跟随列车的实际目标停车点位，和为领航列车和跟随列车的规划仿真停车时刻，和为领航列车和跟随列车的初始发车时刻，tg为站间规定运行时间；表示规划仿真的区间运行时间；i＝1,2分别为领航列车和跟随列车；n代表虚拟编组列车站间总运行时刻；ui(k)、ui(k+1)表示列车单元在k时刻、k+1时刻控制加速度；ui表示列车单元在站间运行时每一时刻的控制加速度集合；s1(k)和s2(k)分别表示领航列车和跟随列车的在k时刻的车头位置；vi(k)表示列车单元在k时刻的速度；umin和umax表示列车单元控制加速度极限值；jmin和jmax表示列车单元冲击率的极限值；d(k)表示列车最小追踪间距；l为列车单元长度；v表示轨道线路限速，vebi(si(k))表示k时刻的紧急制动干预速度。

26、可选地，根据列车站间运行计划信息，确定虚拟编组列车站间的轨道线路运行数据，具体包括：

27、获取轨道线路的电子地图信息；所述电子地图信息包括划分轨道线路得到的多个逻辑区段，以及每个逻辑区段的轨道线路数据；所述轨道线路数据包括限速起点、限速终点、坡度起点、坡度终点、曲线半径起点和曲线半径终点；

28、从所述电子地图信息中查找运行计划站间包含的所有逻辑区段，以及每个逻辑区段的轨道线路数据，作为虚拟编组列车站间的轨道线路运行数据。

29、可选地，基于虚拟编组列车站间的轨道线路运行数据，求解所述虚拟编组列车站间协同运行优化数学模型，获得虚拟编组列车中每个列车单元站间的推荐驾驶曲线，具体包括：

30、基于虚拟编组列车站间的轨道线路运行数据，采用序列二次规划法、积极集法、启发式算法或强化学习算法求解所述虚拟编组列车站间协同运行优化数学模型，获得虚拟编组列车运行计划站间全程的控制加速度序列；

31、根据所述控制加速度序列，利用列车动力学方程获得列车单元运行计划站间全程的位置、速度和加速度，从而确定虚拟编组列车中每个列车单元站间的推荐驾驶曲线；所述列车动力学方程为：

32、ai(k+1)＝ui(k)+gi(si(k),vi(k))；

33、vi(k+1)＝vi(k)+τai(k)；

34、

35、其中，ai(k)、ai(k+1)分别表示k时刻、k+1时刻的合加速度，vi(k)、vi(k+1)分别表示k时刻、k+1时刻的速度，si(k)、si(k+1)分别表示k时刻、k+1时刻的位置，τ表示时间计算步长，gi(si(k),vi(k))表示运行阻力与列车单元当前位置和速度相关函数。

36、可选地，根据每个列车单元的实时状态和每个列车单元的前后列车单元的实时状态，基于虚拟编组列车站间的轨道线路运行数据，实时跟踪各自列车单元站间的推荐驾驶曲线，具体包括：

37、基于虚拟编组列车站间的轨道线路运行数据，采用全时空安全防护方法确定列车单元任一时刻的紧急制动干预速度；

38、根据每个列车单元的实时状态和每个列车单元的前后列车单元的实时状态，利用前馈pid控制算法实时跟踪各自列车单元站间的推荐驾驶曲线，并控制列车单元实时跟踪的速度小于等于紧急制动干预速度。

39、可选地，所述前馈pid控制算法的计算公式为：

40、

41、式中，为实际运行kn时刻的控制加速度指令，kp、ki、kd分别为比例、积分、微分环节参数，e(kn)为实际列车速度v(kn)与推荐驾驶曲线速度vr(kn)的差值，e(kn)＝v(kn)-vr(kn)；∫e(kn)为实际列车位置s(kn)与推荐驾驶曲线位置sr(kn)的差值，∫e(kn)＝s(kn)-sr(kn)；为实际列车加速度a(kn)与推荐驾驶曲线加速度ar(kn)的差值，uadj为间距调整部分的控制指令调整值。

42、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：

43、本发明公开一种虚拟编组列车分层协同控制系统及方法，电子地图处理模块根据列车运行计划信息查询列车运行全程的轨道线路信息，形成虚拟编组列车的轨道线路运行数据，推荐驾驶曲线规划模块根据虚拟编组列车的轨道线路运行数据，将虚拟编组列车视作一个整体，协同规划虚拟编组列车中所有列车单元的推荐驾驶曲线，实时追踪控制模块基于虚拟编组列车的轨道线路运行数据，控制列车单元按照各自的推荐驾驶曲线运行，实现虚拟编组列车同步运行的预期目标。本发明考虑虚拟编组列车整体同步运行的目标，对所有列车单元的控制行为进行统一规划管理，极大地提高了虚拟编组列车的追踪效率。