专利名称：利用智能混杂模型描述高速列车群运行过程的方法
技术领域：
本发明属于高速列车行车调度控制技术领域，尤其涉及一种利用智能混杂模型描 述高速列车群运行过程的方法。
背景技术：
随着高速铁路的投入使用，对高速列车群的运行过程的描述越来越受到重视。描 述高速列车群运行的过程对提高列车群的技术速度、旅行速度、直达速度、行车安全、以及 列车运行过程控制有较大的实际意义。列车群的运行过程能够根据铁路的通过能力、车站 的接发车能力，最大限度的发挥列车的实际运行速度，尽可能的保证列车群根据列车运行 图既定的出发和到达时间运行，以保证列车的正点率。相反，列车群运行过程得不到有效的 描述和控制，就很难保证高速列车群按照既定运行图运行，最终的后果就是不能有效发挥 列车调度的实际功能和作用，也将影响到列车运行的安全问题。随着轨道交通的快速发展，列车的安全运行问题就越发显得突出重要，要实现在 安全的前提下高速地行车就要对列车群的运行过程进行研究，于是如何实现对列车群运行 过程进行描述就成为首先要解决的重要问题。以往在对交通系统进行研究时都是从单个理 论建模出发，然而用单个理论模型对交通系统进行建模时或多或少的都会有不足之处。例 如，CA对交通系统做出了较大的简化，实现简单，仿真系统效率高。但是它的齐性、同质性 等特点，不能满足交通系统各组成元素多样化、个体差异性、演变不规则性、个体行为不完 全确定等特性。
发明内容
为解决单个理论建模过程中的一些不足，本发明提供一种利用智能混杂模型描 述高速列车群运行过程的方法。应用分层递阶和复杂系统的理论思想，利用元胞自动机 (CA-CellularAutomata)W^zfeilfM (CGP-ConstrainedGenerating Procedure) 相结合的方法建立了面向高速列车运行过程智能混杂系统模型，同时把此模型分三个层次 分别进行描述和说明。本发明的技术方案是，把模型分为三层静态层、动态层、协调层。静态层用混杂元胞自动机建模理论构建模型，主要包括高速列车群运行系统中的 非移动部分，即车站和线路，本发明将线路等分成η个元胞，车站根据自身股道数的不同， 分别占用不同的元胞数，车站与线路在实现上采用叠加方法。动态层主要是列车，本发明对列车实行CGP建模，在形象化的元胞空间上与线路 元胞形成映射关系。协调层也采用CGP建模的方法，主要实现对整个路网的运输组织调整。根据上述 模型，建立了移动闭塞下列车运行过程仿真模型。在此模型中，主要分三个模块数据支持 模块、过程控制模块、过程结果显示模块，根据列车最小间隔距离和车站附近列车速度更新 规则进行列车速度的更新。
数据支持模块，主要提供车站数据、线路数据、列车数据、外界环境数据，这些数据 支持列车群真实反映运行的情况。过程控制模块，包括列车运行控制子模块和事件控制子模块，起到控制列车群安 全运行，在遇到突发事件时能做好紧急处理工作。过程结果显示模块，提供结果的可视化显示和人机控制界面。
所述方法包括下列步骤步骤1 对车站和线路、列车、以及车站、线路、列车三者之间的关系层次化，其中 车站、线路为静态层，列车为动态层，三者之间的关系为协调层；步骤2 利用混杂元胞自动机建模理论对静态层(车站和线路)建模，利用元胞 (车站、线路)更新规则进行更新；步骤3 利用有约束的生产过程对动态层(列车)进行建模，列车之间的连接通过 安全间隔距离、安全间隔时间联系，列车实时接受线路、车站、协调层传来的消息判断自己 的下步工作；步骤4 利用有约束的生产过程对协调层(车站、线路、列车之间的联系)进行建 模，它对侦测到的信息处理后再将可以识别的信息传送给控制模块，通过相应的规则将外 界可以接受的控制命令传送出去；步骤5 利用基于CA和CGP相结合的高速列车群运行进行仿真；本发明为调整列车群运行、保证列车群旅行速度以及保证列车群运行安全提供了 一套可靠的依据；同时也为编制高效的铁路运行图，保证铁路列车安全、准时、高效运行提 供了依据。
下面结合附图对本发明作详细说明图1为高速列车群运行过程智能混杂系统建模结构图；图2为元胞更新规则示意图；图3为动态层内部结构图；图4为协调层结构图；图5为基于智能混杂系统模型的高速列车群运行过程仿真结构图；图6a为线路元胞示意图；图6b车站元胞示意图；图6c叠加后的元胞示意图。
具体实施例方式图1是高速列车群运行过程智能混杂系统模型结构图。图1中，模型结构图共有 三层，从下到上依次是静态层、动态层、协调层。其中，静态层主要包括高速列车群运行系统中的非移动部分，即车站和线路，本发 明避免了以往CA轨道交通模型对元胞单一划分而忽略交通领域实体类型多样性的缺点， 根据不用的轨道交通实体车站、线路，将元胞空间分为两层。如图6所示，将线路等分成η 个元胞，车站根据自身股道数的不同，分别占用不同的元胞数，车站与线路在实现上采用叠加方法，不同层的元胞空间相叠加，构成一个系统的元胞空间。使用元胞自动机理论的更新 规则，元胞邻域为前后两个元胞，如图2所示，元胞按照列车的运行方向进行更新，黑色表 示当前被占用，空白表示当前空闲。设前方元胞的状态为X。、当前元胞状态为《、后方元 胞状态为尤，更新规则为K 二,其中，&表示第i+i个元胞在时刻t的状
态，《表示第i个元胞在时刻t的状态，表示第i-l个元胞在时刻t的状态。动态层主要是列车，动态层采用CGP模型，机构数根据列车的数目而定，比如系 统或区间内有n列车，则机构就有n个。列车的属性包括①速度V，表示列车在铁路线上行驶的当前速度；②最大限速 v_，表示列车在行驶过程中所允许的最大速度；③坐标S，表示列车在线路上的位置；④加 速度a，此处设列车的加减速相同；⑥编号，列车的标识；⑦等级，列车在行驶中的优先级； ⑧列车运行方向，表示列车的上下行。列车的状态，主要为当前位置、当前速度和运行方向。列车的状态转换可以由函数 Q = f (v，S，a, t，R)给出，Q表示列车的状态，它由列车的属性v、a、S、R和系统演化的时间 t决定。整个动态层的状态由各个列车(机构)的状态综合表现。其中v、S、a之间通过数学关系建立联系。列车运行距离的计算公式
2 (1)
将
代入上式得
列车运行时间、距离和速度的关系 列车在启动或者制动时每个时间间隔内位置速度计算公式
其中v = v0+a A t(5)列车(机构)之间的连接方式列车之间通过安全间隔距离、安全间隔时间建立联 系，所以当前列车只和前行列车有连接，当前列车与前行列车之间的间隔小于安全间隔，则 列车减速行驶直到在安全间隔之外，当大于安全间隔时则勻速或加速行驶。动态层内部结构图3所示，列车通过实时接受线路、车站、协调层传来的消息，根 据判断机制，判断自己下一步的动作。当前方列车在安全间隔之外且当前速度没有达到最 大限速，则列车启动加减速控制器，实现列车加速运行，并把当前列车信息传给线路、车站、 协调层；当前方列车在安全间隔之外且当前速度达到最大限速，则列车勻速行驶；当前方 为车站且有空闲的股道，则减速驶进车站；当列车在车站作业完成且前方列车在安全间隔之外，则列车启动，加速驶离车站；当遇到紧急情况，发送消息给协调层，根据协调层返回信 息执行下一步动作。协调层同样是采用CGP模型，此层主要是起运输组织的作用，协调控制整个路网 中列车的安全、有序运行，以及处理一些紧急的事件比如列车故障、出现自然灾害、上级临 时命令等，这时就要把信息传递给协调层，由协调层来处理、协调列车群的安全运行。协调层中的机构为事件处理模块、事件侦测模块和控制模块三类，事件处理模块 的属性主要为处理规则和人；事件侦测模块的属性主要为侦测类型、存储器和语法；控制 模块的属性主要为命令语义。事件处理模块的状态为正在用的规则，事件侦测模块的状态为事件语义；控制模 块的状态为命令语义。各个机构的状态根据侦测到的事件不断地更新，利用新来的信息更 新旧的信息。机构之间通过事件流程相互联系着。协调层内部联系及其与外界的联系如图 4所示。协调层对侦测到外界环境输入进来的消息通过事件处理模块，然后再传给控制模 块能识别的信息，控制模块接受到信息后通过相应的控制规则后形成外界能识别的控制命 令传送出去。整个协调层在列车群的安全运行过程中起到关键性的作用。图5是基于CA与CGP相结合的高速列车群运行过程仿真模型图。图5中，主要 分三个模块数据支持模块，主要提供车站数据、线路数据、列车数据、外界环境数据，这些 数据支持列车群真实反映运行的情况；列车控制模块，包括列车运行控制子模块和事件控 制子模块，起到控制列车群安全运行，在遇到突发事件时能做好紧急处理工作；结果显示模 块，提供仿真结果的可视化显示和人机控制界面。在数据支持模块中，主要包括车站型数据、列车型数据、线路型数据、环境数据。 此模块主要是为了保证列车群的正常运行和紧急情况下事件的处理在数据上的支持，起到 对数据的高效利用。在列车控制模块中，其控制规则如下在移动闭塞系统下列车群的运行控制要求比较高，列车必须时刻跟踪自己和前后 行列车的速度，及其他外界环境的变化因素。1.列车最小间隔距离在轨道交通中，列车在线路上高速度、高密度地运行，前行列车和后续列车必须保 持一定的距离间隔以保证列车安全，并确保后续列车正常运行不受前行列车的影响，不产 生非正常的制动和减速。这个距离间隔必须大于或等于最小瞬间距离，相继列车间的最小 瞬间距离为
(6)这里V_,n表示第n列车的最大限行速度，bn表示第n列车的减速度。SMn是安全 防护距离(Safety Margin)，可以写为
x是后续列车的反应时间。2.速度更新规则当第n列车不在车站，且前方为第n+1列车时，列车速度更新规则为 vn = vn-antelsevn = vnend if这里
是第n列车和其前方第n+1列车之间的间距，其中xn+1和xn分别 是第n+1列车和第n列车的位置。dmin,n是第n列车与前方第n+1列车之间应保持的最小瞬 间距离。根据上文式(6)得到+ ，其中SMn是第n列车与第n+1列车 之间的安全防护距离，v_,n表示第n列车的最大安全速度，an表示第n列车的加速度。在移动闭塞系统中，车站是一个特殊的区间，是线路通过能力的瓶颈，需要特别的 处理和分析。在模拟过程中，如果第n列车前方就是车站，且车站股道全部被其它列车占 据，则第n列车停止时必须与车站至少保持最小瞬间距离，相当于跟随静止的前行列车的 情形；如果前方车站有空闲股道空闲，那么第n列车就直接减速进入车站。当第n列车在 车站停留的时间大于或等于运行计划中设定的停站时分时，如果前方的第n+1列车在安全 防护段之外，则该车由静止启动离开车站；否则继续停留在车站(此时，第n列车在车站停 留的时间大于计划中设定的停站时分，产生站内发车延误)。设dst是第n列车与车站间的 距离(dst = Lst-xn,Lst是车站的位置)，则由运动学公式可计算出列车减速进站的速度应为
这里取整是因为列车CGP映射到元胞空间只能是整数。下面是车站附近列车速度的更新规则1)当车站有空闲的股道时，可以接车if dst > xsd&vn < vfflax,nvn = vn+antelse if dst < xsd | vn > vmax,n thenvn = vn-antelsevn = vnend if这里xsd是第n列车减速进站的距离，xsd = v2n/(2an)。2)当车站没有空闲股道，不能接车if dst > Xsd&vn < vfflax,n thenvn = vn+antelseif dst < Xsd|vn > vmax,n thenvn = vn-antelsevn = vnend if这里dst < Xsd是必须保证列车在安全保护段之前停车，Xsd = xsd+SMn, SMn是安全 防护距离，可以写为
，t是后续列车的反应时间。当第n列车停留在车站时，时间累加器tst。p不断地计时，如果tst。p的值大于运行计划中设定的停站时分Ts时，且其前方的第n+1列车在安全防护段之外，则第n列车由静 止开始启动加速离开车站。车站里面的列车速度控制规则为 这里tst。D是第n列车在车站的停留时间，dn = xn+1-xn是前后两列车之间的距离。
权利要求
一种利用智能混杂模型描述高速列车群运行过程的方法，其特征在于，包括以下步骤步骤1对车站和线路、列车、以及车站、线路、列车三者之间的关系层次化，其中车站、线路为静态层，列车为动态层，三者之间的关系为协调层；步骤2利用混杂元胞自动机建模理论对所述静态层建模，利用元胞更新规则进行更新；步骤3利用有约束的生产过程对所述动态层建模，列车之间的连接通过安全间隔距离、安全间隔时间联系，列车实时接受线路、车站、协调层传来的消息判断自己的下步工作；步骤4利用有约束的生产过程对协调层建模，所述协调层对侦测到的信息处理形成控制模块可识别的信息后再传送给控制模块，所述控制模块通过相应的规则将外界可接受的控制命令传送出去；步骤5结合混杂元胞自动机和有约束的生产过程对高速列车群运行进行仿真。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中利用混杂元胞自动机建模理论 对静态层建模，将线路等分成若干个元胞，车站根据自身股道数的不同，分别占用不同的元 胞数，车站与线路在实现上采用叠加方法。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述动态层主要是列车，利用有约束的生产 过程建模，在形象化的元胞空间上与线路元胞形成映射关系。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中对列车运行进行的仿真主要分 三个模块数据支持模块、列车控制模块、结果显示模块，根据列车最小间隔距离和车站附 近列车速度更新规则进行列车速度的更新。
全文摘要
本发明公开了一种利用智能混杂模型描述高速列车群运行过程的方法。该方法把模型分为静态层、动态层、协调层三层。静态层主要包括车站和线路；动态层主要是列车；协调层主要实现对整个路网的运输组织调整。根据上述模型，建立移动闭塞下列车运行过程仿真模型。本发明为调整列车群运行、保证列车群旅行速度以及保证列车群运行安全提供了一套可靠的依据；同时也为编制高效的铁路运行图，保证铁路列车安全、准时、高效运行提供了依据。
文档编号G06F19/00GK101859347SQ20101019160
公开日2010年10月13日 申请日期2010年5月26日 优先权日2010年5月26日
发明者孙彩虹, 孟学雷, 徐杰, 王莉, 秦勇, 胡风山, 谢正媛, 贾利民, 陈彩霞 申请人:北京交通大学