轨道交通虚拟编组列车动力学模型构建、应用方法及系统

本发明涉及轨道交通列车控制，特别是涉及一种轨道交通虚拟编组列车动力学模型构建、应用方法及系统。

背景技术：

1、作为现代社会不可缺少的交通方式，轨道交通具有运力大、速度快、安全可靠等优点。随着轨道交通建设速度的逐步加快，对于轨道交通运量的需求也在迅速提高，为满足这一需求，通常有两种解决方案：一种方案是根据需求建设新的铁路线，这种方法成本高昂，且灵活性差；另一种方案是通过缩小列车运行间隔提高线路利用率来满足运力需求，这也是近些年来轨道交通行业一直致力于的方向。

2、为了缩小列车运行间隔，许多方案被提出和使用，例如移动闭塞技术。现如今，移动闭塞技术已经应用于部分城市轨道交通系统。在移动闭塞系统中，每列列车都能在到达前一列车的最后已知位置之前制动和停车。但是，由于列车惯性大，制动距离长，相邻列车的运行安全间隔仍有进一步优化的空间。因此，虚拟编组技术作为一种更先进的列车控制方案被提出。虚拟编组类似于道路交通的模式，车辆与前车保持安全距离，后车对前车实时做出反应。如图2所示，由于这种方案将前车的制动距离考虑在内，因此，相邻列车间的运行间隔比移动闭塞方案下的运行间隔要小得多，并且列车调度更加灵活，资源利用率更高。虚拟编组使列车通过车车通信的方式保持相同的速度，而不需要依靠物理车钩。当多列列车进入干线后，通过车车通信，它们可以形成一个列车编队，每辆车都会紧跟在前一辆车的后面行驶。当列车到达车站时，它们自动离开编队。

3、如图3所示，精确的系统动力学模型在列车控制系统的设计和性能评估起着重要的作用。如果模型不准确，控制器可能无法按预期方式操作系统，导致性能下降。这可能表现为响应时间延迟、振荡、不稳定性或者无法达到所需的性能指标。由于编队中列车的间距较小，列车间气流等因素对空气阻力的影响较大，这导致传统的列车基本阻力模型难以准确描述列车受到的阻力大小。因此，建立考虑空气阻力变化的虚拟编组列车阻力模型对于实现虚拟编组列车控制系统的设计具有至关重要的作用。

4、现有虚拟编组列车控制器的设计和研究中所使用的列车动力学模型大都是基于牛顿运动学定律的列车控制模型，如下公式(1)所示。

5、      （1）。

6、式中，表示列车质量；、和分别表示列车的位置、速度和加速度；是传统的列车基本阻力模型（davis阻力模型），其中，，，均是davis阻力模型的参数并且通常与具体车型有关，表示列车阻力，表示在位置处由于坡度而产生的列车运行阻力。

7、传统的davis阻力模型是基于单车运行的场景而设计的，并未考虑多车编队时，车辆之间的相互作用。直接将其使用在虚拟编组列车控制器的设计上会造成控制参数难以选择和控制方案难以评估等问题。车辆编队运行时，列车间气流等因素对空气阻力的影响较大，这也是对列车动力学模型影响最大的一个因素，然而，目前在研究虚拟编组的列车控制问题时，所使用的列车阻力模型中仍未考虑由于空气阻力的变化带来的影响，这可能会导致控制器调试困难、控制模型难以评估、额外的成本等一系列问题。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种轨道交通虚拟编组列车动力学模型构建、应用方法及系统。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案。

3、一种轨道交通虚拟编组列车动力学模型构建方法，包括：获取编队中列车的运行数据；所述运行数据包括列车的位置、列车的速度、列车的加速度和列车的运行阻力。

4、基于所述运行数据构建初始虚拟编组列车基本阻力模型。

5、采用梯度下降法进行所述初始虚拟编组列车基本阻力模型的参数寻优操作，得到虚拟编组列车基本阻力模型。

6、采用平均绝对误差、均方根误差和平均绝对百分比误差评估所述虚拟编组列车基本阻力模型的性能，得到评估结果。

7、基于评估结果满足设定要求的虚拟编组列车基本阻力模型和阻力修正系数估算模型构建虚拟编组列车动力学模型。

8、可选地，采用梯度下降法进行所述初始虚拟编组列车基本阻力模型的参数寻优操作，得到虚拟编组列车基本阻力模型的过程中，采用的目标函数为：。

9、式中，表示第列列车第组样本数据的估计阻力，表示第列列车第组样本数据的列车阻力，表示样本数据的组数，表示编队中列车的数量，min表示取最小值。

10、可选地，所述平均绝对误差表示为：。

11、式中，表示第列列车的平均绝对误差，表示第列列车第组样本数据的估计阻力，表示第列列车第组样本数据的列车阻力，表示样本数据的组数。

12、可选地，所述均方根误差表示为：。

13、式中，表示第列列车的均方根误差，表示第列列车第组样本数据的估计阻力，表示第列列车第组样本数据的列车阻力，表示样本数据的组数。

14、可选地，平均绝对百分比误差表示为：。

15、式中，表示第列列车的平均绝对百分比误差，表示第列列车第组样本数据的估计阻力，表示第列列车第组样本数据的列车阻力，表示样本数据的组数。

16、可选地，虚拟编组列车动力学模型为：。

17、式中，表示列车的质量；表示第列列车的位置，表示第列列车的速度，表示第列列车的加速度，表示第列列车在速度时的列车阻力，表示第列列车在位置处由于坡度而产生的列车运行阻力，表示重力加速度，、和均是第列列车的davis参数，表示第列列车的阻力修正系数，、和均表示与第列列车相关的未知参数，表示编队中列车的数量。

18、一种轨道交通虚拟编组列车动力学模型构建系统，所述系统用于实施上述提供的轨道交通虚拟编组列车动力学模型构建方法；所述系统包括：运行数据获取模块、初始模型构建模块、模型参数寻优模块、模型性能评估模块和最终模型构建模块。

19、运行数据获取模块，用于获取编队中列车的运行数据；所述运行数据包括列车的位置、列车的速度、列车的加速度和列车的运行阻力。

20、初始模型构建模块，用于基于所述运行数据构建初始虚拟编组列车基本阻力模型。

21、模型参数寻优模块，用于采用梯度下降法进行所述初始虚拟编组列车基本阻力模型的参数寻优操作，得到虚拟编组列车基本阻力模型。

22、模型性能评估模块，用于采用平均绝对误差、均方根误差和平均绝对百分比误差评估所述虚拟编组列车基本阻力模型的性能，得到评估结果。

23、最终模型构建模块，用于基于评估结果满足设定要求的虚拟编组列车基本阻力模型和阻力修正系数估算模型构建虚拟编组列车动力学模型。

24、一种轨道交通虚拟编组列车动力学模型应用方法，所述应用方法采用虚拟编组列车动力学模型进行轨道交通虚拟编组列车控制；所述虚拟编组列车动力学模型采用上述提供的轨道交通虚拟编组列车动力学模型构建方法构建得到。

25、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：本发明利用列车运行过程中采集到的运行数据，在考虑了空气阻力系数的情况下进行虚拟编组列车动力学模型的构建。并且，在模型构建过程中，进行模型参数寻优以及模型性能的评估与验证，能够在列车间跟随距离较小时准确估算列车的动力学行为，以解决由于模型精度带来的控制器调试困难、控制模型难以评估、主要额外成本等问题。