虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法、系统及电子设备

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布式协同追踪控制方法、系统及电子设备。

背景技术：

1、列车虚拟联挂(virtual coupling，vc)技术基于车车通信与主动控制，将多个不存在物理联挂关系的列车单元组成一辆虚拟编组列车，而相邻的列车单元之间保持非常小的追踪间距。这种虚拟联挂的方式，使得所有列车单元能够提供像物理联挂的列车一样的运输作业服务。基于这种灵活的编组方式，能够快速、动态地调整列车编组数量，从而实现线路运力与客流需要的实时灵活匹配。因此，vc技术受到了业界人士的广泛关注，是未来轨道交通的研究重点。

2、一列虚拟编组列车为了提供所期望的运输服务，要求其内部的所有列车单元以相同的速度保持期望的小间距追踪运行。常用的虚拟编组列车控制方法主要可分为集中式与分布式方法两类。集中式方法通过一台设备集中计算所有列车单元的控制命令，能够达到虚拟编组列车整体追踪效果最优，但在计算时该设备需要同时与所有列车单元进行信息交互。而常用的一种分布式方法是调整当前列车单元的控制命令(通常是加速度)从而使当前列车单元与其前车保持期望的间距同速运行，这种做法称为前后跟随控制方法。这种做法下，当前列车单元仅考虑最优化自己对于前车的追踪运行效果，而不考虑自己后方的跟随列车单元是否能够很好地响应自己的控制命令从而保持所期望的追踪运行效果。而除了需要与其前车保持小间距追踪运行之外，每个列车单元还受到与其前车状态相关的安全约束的限制。因此，虚拟编组内每个列车单元状态和控制命令都会沿着车队向后传播，从而影响虚拟编组列车整体的性能表现。所以，目前实现虚拟编组小间距追踪运行仍存在以下问题需要解决：

3、1)、虚拟编组列车整体追踪运行效果难以达到最优：由于虚拟编组列车作为一列车提供运输服务，因此对其整体的同步性能有着较高的要求。而前后跟随控制方法只能够按照虚拟编组内的列车排列顺序依次优化单个列车单元的追踪运行效果，而无法对虚拟编组列车整体的追踪运行效果进行优化，因此整体追踪运行效果难以达到最优；

4、2)、前车施加超出后车极限能力的控制命令导致触发安全约束：由于当前列车单元在计算控制命令时不考虑处于其后方的列车单元是否能够很好地对其进行响应，因此，若当前列车单元施加过大的制动率，会导致其后方的列车单元即使以其极限能力进行制动，也无法避免触发安全约束；

5、3)、若采用集中式控制算法，现有技术难以满足车载设备同时对所有列车单元进行信息交互的需求。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法、系统及电子设备。

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布式协同追踪控制方法，包括：

4、构建虚拟编组列车追踪运行全局最优控制问题；

5、基于所述虚拟编组列车追踪运行全局最优控制问题得到虚拟编组列车追踪运行本地最优控制子问题；

6、基于列车单元间的误差状态求解所述虚拟编组列车追踪运行本地最优控制子问题得到当前列车单元的最优控制命令序列以及与当前列车单元相邻的列车单元的最优控制命令序列；

7、基于当前列车单元的最优控制命令序列对当前列车单元本地存储的本地变量以及拉格朗日乘子进行更新，直至达到迭代终止条件时，将当前列车单元的最优控制命令序列中的第一个值输出为当前时刻当前列车单元的控制命令。

8、优选地，所述虚拟编组列车追踪运行全局最优控制问题为以虚拟编组内所有列车单元一段预测时域内的控制命令序列为决策变量，以最小化所有列车单元预测时域内误差状态序列的二次项以及控制命令序列的二次项的和为目标函数，以安全约束、列车动力学约束、输入饱和约束以及终端约束为限制条件的全局最优控制问题。

9、优选地，基于所述虚拟编组列车追踪运行全局最优控制问题得到虚拟编组列车追踪运行本地最优控制子问题，具体包括：

10、将所述虚拟编组列车追踪运行全局最优控制问题拆解为目标函数只包括一辆列车单元误差状态以及控制命令的本地最优控制子问题，并将得到的本地最优控制子问题作为虚拟编组列车追踪运行本地最优控制子问题。

11、优选地，使用序列二次规划方法基于列车单元间的误差状态求解所述虚拟编组列车追踪运行本地最优控制子问题得到当前列车单元的最优控制命令序列以及与当前列车单元相邻的列车单元的最优控制命令序列。

12、一种虚拟编组列车分布式协同追踪控制系统，应用于上述提供的虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法；每一列车单元均设置有虚拟编组列车分布式协同追踪控制系统；所述系统包括：

13、误差状态获取模块，用于在每个控制周期内获取当前列车单元的误差状态；

14、全局最优控制问题构建模块，用于构建虚拟编组列车追踪运行全局最优控制问题；

15、本地最优控制子问题构建模块，用于基于所述虚拟编组列车追踪运行全局最优控制问题得到虚拟编组列车追踪运行本地最优控制子问题；

16、二次规划问题求解模块，用于基于列车单元间的误差状态求解所述虚拟编组列车追踪运行本地最优控制子问题得到当前列车单元的最优控制命令序列以及与当前列车单元相邻的列车单元的最优控制命令序列；

17、本地变量更新模块，用于基于当前列车单元的最优控制命令序列对当前列车单元本地存储的本地变量以及拉格朗日乘子进行更新，直至达到迭代终止条件时，将当前列车单元的最优控制命令序列中的第一个值输出为当前时刻当前列车单元的控制命令；

18、信息交互处理模块，用于基于当前时刻当前列车单元的控制命令和与当前列车单元相邻的列车单元的的控制命令进行当前列车单元与外部系统以及其他列车单元的信息交互。

19、一种电子设备，包括：

20、存储器，用于存储计算机程序；

21、处理器，与所述存储器连接，用于调取并执行所述计算机程序，以实施上述提供的虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法。

22、优选地，所述存储器为计算机可读存储介质。

23、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：

24、本发明通过对全局最优控制问题进行求解，从而计算得到每辆列车单元的最优控制命令，能够最优化虚拟编组列车整体追踪运行效果的控制命令；并且，由于各列车单元在计算控制命令时彼此能够进行充分协作交互，因此，前车会适当地进行调整，从而避免后车出现无可行解的情况，有效避免任一列车单元触发安全约束；本发明采用分布式控制算法对虚拟编组列车内各列车单元进行控制，符合实际中各列车单元车载设备独立计算控制命令的架构；此外，各列车单元在计算自己的控制命令时只需要获取相邻列车单元的信息，相比于集中式控制算法更具有现实可行性，且极大地节省了通信资源。

技术特征：

1.一种虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法，其特征在于，所述虚拟编组列车追踪运行全局最优控制问题为以虚拟编组内所有列车单元一段预测时域内的控制命令序列为决策变量，以最小化所有列车单元预测时域内误差状态序列的二次项以及控制命令序列的二次项的和为目标函数，以安全约束、列车动力学约束、输入饱和约束以及终端约束为限制条件的全局最优控制问题。

3.根据权利要求1所述的虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法，其特征在于，基于所述虚拟编组列车追踪运行全局最优控制问题得到虚拟编组列车追踪运行本地最优控制子问题，具体包括：

4.根据权利要求1所述的虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法，其特征在于，使用序列二次规划方法基于列车单元间的误差状态求解所述虚拟编组列车追踪运行本地最优控制子问题得到当前列车单元的最优控制命令序列以及与当前列车单元相邻的列车单元的最优控制命令序列。

5.一种虚拟编组列车分布式协同追踪控制系统，其特征在于，应用于如权利要求1-4任意一项所述的虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法；每一列车单元均设置有虚拟编组列车分布式协同追踪控制系统；所述系统包括：

6.一种电子设备，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述存储器为计算机可读存储介质。

技术总结
本发明公开一种虚拟编组列车分布式协同追踪控制方法、系统及电子设备，涉及轨道交通信号控制技术领域。本发明通过对全局最优控制问题进行求解，得到每辆列车单元的最优控制命令，能够最优化虚拟编组列车整体追踪运行效果的控制命令。通过前车进行适当调整，能够避免后车出现无可行解的情况，有效避免任一列车单元触发安全约束；并且，本发明采用分布式控制算法对虚拟编组列车内各列车单元进行控制，符合实际中各列车单元车载设备独立计算控制命令的架构；此外，各列车单元在计算自己的控制命令时只需要获取相邻列车单元的信息，相比于集中式控制算法更具有现实可行性，且极大地节省了通信资源。

技术研发人员：唐涛,刘宏杰,宿帅,罗啸林
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16