專利名稱：列車工況轉換控制方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及列車控制技術領域，特別涉及一種列車工況轉換控制方法及系統。
背景技術：
城市軌道交通列車在線路上運行時有三種基本工況牽引工況、惰行工況和制動 工況，列車在運行中通過這三種工況的相互配合轉換來完成列車的啟動、加速、減速和制動 等過程。在列車安全運行的前提下，如何在列車運行過程中選擇適當的時機轉換上述三種 工況，從而最大限度的節約列車的能耗支出，提高旅客乘坐舒適度，保證列車整點運行，是 世界各國的鐵路運輸部門都關注的問題。對于基于通信的列車自動控制(Communication Based TrainControl System, CBTC)，目前大多數情況下由司機對列車運行進行控制，司機根據目標速度、 最大限速、當前行駛速度并結合司機的駕駛經驗來轉換列車運行工況，人為對列車工 況轉換進行控制。而工況轉換自動控制主要是采用基于比例積分微分(Proportion IntegrationDifferentiation, PID)控制的列車自動駕駛設備(Automatic Train0peration,AT0)對列車工況轉換進行控制，由ATO設備實現列車的自動控制。PID控 制器是一種線性調節器，將設定值與輸出值的偏差按比例、積分和微分進行控制。這種控制 方法要事先設定速度_距離曲線，按照事先安排好的行車曲線進行速度控制。采用PID控 制列車速度時，PID控制器通過設定值與輸出值的差值確定當前列車運行應該采用的工況， 從而控制列車工況轉換。現有工況轉換技術中，人為控制由于司機經驗的差異或者主觀原因難免出現差 錯；自動控制方案中，列車運行控制模型是一個非常復雜的多變量、非線性動力學模型，很 難用精確的數學模型來表示，這就給PID控制器的設計帶來了很多的問題；而且列車工況 轉換控制有著很多年人工控制的經驗，利用PID控制器對列車工況轉換控制不能利用人類 已經總結出的優秀的駕駛經驗。從這兩個方面來看，目前列車工況轉換控制方法中存在以 下幾方面的不足(1)、人為工況轉換控制完全基于司機的駕駛水平、駕駛習慣及駕駛經驗，不同司 機駕駛工況轉換點不同，主觀性太強，難免出現人為差錯；(2)、控制列車工況轉換的PID控制模型很難準確的建立，而且PID控制速度時的 加速減速轉換次數過多，即工況轉換頻繁，不利于列車平穩運行，能耗過大；(3)、自動工況轉換完全依賴基于速度的PID算法，無法加入已經成熟、優秀的列 車司機駕駛經驗，乘坐的舒適性、列車運行能耗等問題無法進行很好的控制。

發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是如何精確控制列車工況進行轉換，降低列車能耗，并 保證行車安全和乘車的舒適性。
(二)技術方案為此，本發明提供了一種列車工況轉換控制方法，包括步驟11、獲取列車當前受到的合力F，當前運行速度和目標速度的速度差e作為輸 入變量；步驟12、將所述輸入變量進行模糊化處理；步驟13、根據制定的模糊規則，對所述模糊化處理的結果進行模糊推理，得到輸出
變量U;步驟14、對所述輸出變量U進行去模糊化處理，根據所述去模糊化處理的結果控 制列車工況的轉換。所述合力F包括列車當前的牽引力、當前的制動力、當前的基本阻力和附加阻力 的和。所述步驟12具體包括根據選擇的三角形隸屬函數，將所述輸入變量模糊化處理。所述模糊規則具體包括列車速度小于最高限速，且列車穩定運行，且列車在規定運營時分運行，且所述合 力的瞬時變化率的范圍為0. 48 0. 69m/s3，且列車在兩站之間的運行中，工況的轉換次數 小于2。所述保證列車穩定運行具體包括當速度差e經模糊化之后的狀態在{負大，負 中，正中，正大}中時，調整列車行駛速度消除速度差e，當速度差e經模糊化之后的狀態在 {負小，零，正小}中時，選擇控制量要防止超調。所述合力F，速度差e，輸出變量U都用{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大} 七種狀態來描述，其中{負大，負中}為牽引工況，{負小，零，正小}為惰性工況，{正中，正 大}為制動工況。本發明還提供了一種列車工況轉換控制系統，包括模糊化模塊，與列車超速防護模塊以及列車自動駕駛模塊相連接，用于從所述列 車超速防護模塊和列車自動駕駛模塊中獲取當前運行速度和目標速度的速度差e，以及基 于當前運行速度對列車做受力分析得到列車所受的合力F，將所述合力F和速度差e作為輸 入變量，對所述輸入變量進行模糊化處理并輸出；模糊規則制定模塊，用于制定模糊規則并存儲；模糊推理模塊，與所述模糊化模塊和模糊規則制定模塊相連接，用于根據所述模 糊規則，對所述模糊化模塊輸出的變量進行模糊推理得到輸出變量U并發送；去模糊化模塊，與所述模糊推理模塊相連接，用于將所述輸出變量U進行去模糊 化處理，并將處理結果發送；所述列車自動駕駛模塊，與所述去模糊化模塊、模糊化模塊以及列車超速防護模 塊相連接，用于計算列車當前目標速度并根據所述處理結果控制列車進行工況的轉換；所述列車超速防護模塊，與所述模糊化模塊相連接，用于獲得列車的當前運行速度。(三)有益效果上述技術方案具有如下有益效果通過采用模糊控制的方法，不需要建立精確模型，就能夠結合已有的專家經驗對列車的運行進行精確控制，且本發明對列車工況轉換的 控制避免了工況的頻繁轉換，保證了乘坐的舒適性和安全性，降低了能耗。


圖1是本發明列車工況轉換控制方法實施例一流程圖；圖2是本發明列車工況轉換控制方法實施例二流程圖；圖3為本發明列車工況轉換控制方法中的三角形隸屬函數示意圖；圖4是本發明列車工況轉換控制系統實施例結構示意圖。其中，1 模糊化模塊；2 模糊規則制定模塊；3 模糊推理模塊；4 去模糊化模塊； 5 列車超速防護模塊；6 列車自動駕駛模塊。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。如圖1所示，為本發明列車工況轉換控制方法實施例一流程圖，本實施例包括以 下步驟步驟11、獲取列車當前受到的合力F，當前運行速度和目標速度的速度差e作為輸 入變量；步驟12、將步驟11中的輸入變量進行模糊化處理；步驟13、根據制定的模糊規則，對模糊化處理的結果進行模糊推理，得到輸出變量 U；步驟14、對輸出變量U進行去模糊化處理，根據去模糊化處理的結果控制列車工 況的轉換。如圖2所示，為本發明列車工況轉換控制方法實施例二流程圖；本實施例包括以 下步驟步驟21 獲取輸入變量F和e 獲取列車當前的牽引力、制動力、基本阻力和附加阻力并求和得到合力F ；獲取列 車當前運行速度ν和目標速度ντ并求差得到速度差e ；將合力F和速度差e作為輸入變量；具體地，根據列車牽引計算規程實時對列車做受力分析，根據列車的牽引特性曲 線得到列車當前速度下的牽引力，根據列車的制動特性曲線得到列車當前速度下的制動 力，利用經驗公式或者對當前列車做系統辨識得到列車在當前速度下的基本阻力，同時結 合當前線路因素得到列車附加阻力；對上述所有力求合力，得到合力F ；通過列車超速防護(Automatic Train Protection, ATP)模塊可以采集到列車當 前運行速度V，通過ATO可以獲取計算的列車目標速度ντ，計算兩個速度的差e = ντ-ν,以 合力F和e作為列車工況轉換控制系統的輸入變量；步驟22 選擇隸屬函數，將輸入變量F和e模糊化選擇三角形函數作為模糊控制的隸屬函數，其解析表達式如下
f(x,a,b,c)= <
0
χ-a b-a c-x
x<a a<x<b
b<x<c
c-b
0 x>cv.為了達到理想的控制效果，模糊控制系統的輸入，即模糊化控制模塊的輸入變量 包括當前工況中列車所受的合力F、目標速度和當前速度的差值e，而要在模糊控制中使用 這些變量，則需要用模糊化模塊對其進行模糊化；模糊控制系統的控制規則表現為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出 變量狀態的一些詞匯的集合稱為這些變量的詞集。本實施例用{負大，負中，負小，零，正 小，正中，正大}七種狀態作為描述輸入F，e以及輸出變量U的狀態的詞集。選擇較多的詞 匯描述輸入、輸出變量，可以更方便的制定控制規則，但相應的控制規則變的復雜；選擇詞 匯過少，使得描述變量變得粗糙，導致控制器的性能變壞；因此一般選擇六、七個變量。描述 輸入、輸出變量的詞匯都具有模糊特性，可用模糊集合來表示。因此，模糊概念的確定問題 就直接轉化為求取模糊集合隸屬函數的問題。選擇合適的隸屬函數是輸入變量模糊化的核心。盡管隸屬函數是人為主觀定義的 函數，但其必須符合客觀實際，具有一定的客觀性、科學性、穩定性和可信度。因此，無論選 擇什么樣的隸屬函數，都應反映出模糊集的漸變性、穩定性和連續性，隸屬函數必須是連續 的、對稱的。常用的隸屬函數有三角形、梯形、鐘形、高斯形和Sigmoid形。其中三角形隸屬 函數足夠滿足模糊控制的需求，并且有著使用簡單、易于分析和修改的特點。因此，本實施 例選擇三角形隸屬函數，根據三角形隸屬函數對輸入參數F和e進行模糊化處理，將模糊化 處理的結果輸出。步驟23 制定并存儲模糊規則模糊控制規則基于專家經驗和控制規律，而這些經驗和規律是人們通過學習、試 驗以及長期經驗累積而逐漸形成的，是一些技術知識的集合。利用模糊集合理論和語言變 量的概念，可以把利用語言歸納的手動控制策略上升為數值運算，于是可以采用計算機完 成這個任務以代替人的手動控制，實現模糊自動控制。用語言歸納手動控制策略的過程，實際上就是建立模糊控制器的控制規則的過 程，手動控制策略一般可以用條件語句加以描述，如“如果A且B，則C”等。本實施例制定的模糊規則包括以下內容(1)列車速度小于最高限速；模糊規則的制定首先考慮安全性，即列車速度絕對不能超過最高限速；(2)保證列車的穩定運行；當列車目標速度和當前運行速度的誤差e大和較大時，選擇控制量以盡快消除誤 差為主，而當誤差較小時，選擇控制量要防止超調，以系統的穩定性為主要出發點；一般情況下，經模糊化處理后，若e的狀態為{負大，正大}中的任一種，則認為e 大，若e的狀態為{負中，正中}中的任一種，則認為e較大，若e的狀態為{負小，正小，零}中的任一種，則認為e較小。本實施例中速度差e的取值范圍的界定是通過隸屬函數的計算 得到的，根據三角形隸屬函數參數的取值不同，所形成的三角形隸屬函數的形狀也不相同， 對速度差e范圍的界定也不同；如圖3所示，為本發明列車工況轉換控制方法中的三角形隸 屬函數示意圖，其中，縱坐標表示列車工況當前所處的狀態在當前模糊集中的取值，橫坐標 代表輸入量的具體數值。(3)保證列車在規定運營時分運行；列車運行速度應當跟隨目標速度，即列車能在規定運營時分運行，保證運營效 率；理想狀態下，列車運行速度應當等于目標速度，但這種狀況不容易精確達到，因此 只要列車運行速度與目標速度的差值經模糊化之后，在{負大，負中，負小，零，正小，正中， 正大}七種狀態范圍內，能保證運營效率即可；(4)列車所受合力的瞬時變化率盡量小；考慮列車運行的舒適性，即列車所受合力的瞬時變化率盡量小；作為系統的輸入合力F，可以通過進一步計算的到合力F的瞬時變化率。這個指標 來自于城市軌道交通中的參數“沖擊率”，它的大小主要影響旅客乘坐列車的舒適性，因此 要求列車正常情況加減速時避免造成大的沖動。有關資料顯示，90% -95%的乘客能容許 的限度為坐姿下列車的加速度為1. Om/s2、列車的加速度變化率為0. 69m/s3 ；站立時列車 的加速度為0. 78m/s2，列車的加速度變化率為0. 48m/s3 ；合力的瞬時變化率不是控制的輸 入，只是制定模糊規則的一個條件。如果按照當前制定的模糊規則得到的合力瞬時變化率 過大，則要對規則進行相應修改，比如合力的瞬時變化率的取值范圍可以為0. 48 0. 69m/
3
S O(5)考慮列車運行的能耗，即列車工況變化的頻率盡可能小。具體地，列車在兩站臺之間運行時在惰行工況和牽引工況之間的轉換次數不能大 于2次；根據上述原則，本發明制定出了模糊控制規則如表1所示
權利要求
一種列車工況轉換控制方法，其特征在于，包括步驟11、獲取列車當前受到的合力F，當前運行速度和目標速度的速度差e作為輸入變量；步驟12、將所述輸入變量進行模糊化處理；步驟13、根據制定的模糊規則，對所述模糊化處理的結果進行模糊推理，得到輸出變量U；步驟14、對所述輸出變量U進行去模糊化處理，根據所述去模糊化處理的結果控制列車工況的轉換。
2.如權利要求1所述的列車工況轉換控制方法，其特征在于，所述合力F包括列車當 前的牽引力、當前的制動力、當前的基本阻力和附加阻力之和。
3.如權利要求1所述的列車工況轉換控制方法，其特征在于，所述步驟12具體包括 根據選擇的三角形隸屬函數，將所述輸入變量模糊化處理。
4.如權利要求3所述的列車工況轉換控制方法，其特征在于，所述模糊規則具體包括 列車速度小于最高限速，且列車穩定運行，且列車在規定運營時分運行，且所述合力的瞬時 變化率的范圍為0. 48 0. 69m/s3，且列車在兩站之間的運行中，工況的轉換次數小于2。
5.如權利要求4所述的列車工況轉換控制方法，其特征在于，所述保證列車穩定運行 具體包括當速度差e經模糊化之后的狀態在{負大，負中，正中，正大}中時，調整列車行 駛速度消除速度差e，當速度差e經模糊化之后的狀態在{負小，零，正小}中時，選擇控制 量要防止超調。
6.如權利要求1所述的列車工況轉換控制方法，其特征在于，所述合力F，速度差e，輸 出變量U都用{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}七種狀態來描述，其中{負大，負 中}為牽引工況，{負小，零，正小}為惰性工況，{正中，正大}為制動工況。
7.—種列車工況轉換控制系統，其特征在于，包括模糊化模塊，與列車超速防護模塊以及列車自動駕駛模塊相連接，用于從所述列車超 速防護模塊和列車自動駕駛模塊中獲取當前運行速度和目標速度的速度差e，以及基于當 前運行速度對列車做受力分析得到列車所受的合力F，將所述合力F和速度差e作為輸入變 量，對所述輸入變量進行模糊化處理并輸出；模糊規則制定模塊，用于制定模糊規則并存儲；模糊推理模塊，與所述模糊化模塊和模糊規則制定模塊相連接，用于根據所述模糊規 則，對所述模糊化模塊輸出的變量進行模糊推理得到輸出變量U并發送；去模糊化模塊，與所述模糊推理模塊相連接，用于將所述輸出變量U進行去模糊化處 理，并將處理結果發送；所述列車自動駕駛模塊，與所述去模糊化模塊、模糊化模塊以及列車超速防護模塊相 連接，用于計算列車當前目標速度并根據所述處理結果控制列車進行工況的轉換；所述列車超速防護模塊，與所述模糊化模塊相連接，用于獲得列車的當前運行速度。
全文摘要
本發明公開了一種列車工況轉換控制方法及系統，該方法包括步驟獲取列車當前受到的合力F，當前運行速度和目標速度的速度差e作為輸入變量；將所述輸入變量進行模糊化處理；根據制定的模糊規則，對所述模糊化處理的結果進行模糊推理，得到輸出變量U；對所述輸出變量U進行去模糊化處理，根據所述去模糊化處理的結果控制列車工況的轉換。本發明不需要建立精確模型，就能夠結合已有的專家經驗對列車的運行進行精確控制，且本發明對列車工況轉換的控制避免了工況的頻繁轉換，保證了乘坐的舒適性和安全性，降低了能耗。
文檔編號B61L27/00GK101941450SQ20101026428
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月26日 優先權日2010年8月26日
發明者唐濤, 寧濱, 張路, 王海峰, 邊遠, 郜春海 申請人:北京交通大學