專利名稱：基于安全車距實時標定的高速列車跟馳運行控制方法
技術領域：
本發明涉及鐵路運輸列車運行控制技術領域，尤其是涉及一種基于安全車距實時標定的高速列車跟馳運行控制方法。
背景技術：
目前，世界范圍內軌道交通領域的列車運行控制(以下簡稱“列控”)技術，從速度控制方式來看，主要有分級速度控制和目標距離速度控制兩種模式。分級速度控制模式，以一個閉塞分區為單位，根據列車運行的速度分級，對列車運行進行速度控制。該模式下列車追蹤間隔主要與閉塞分區的劃分、列車性能和速度有關，由于閉塞分區長度以列車性能與線路參數來確定的，只有閉塞分區空閑或列車出清該閉塞分區，才可能允許后續列車駛入，故線路運能的充分利用受到很大的限制。采用分級·速度控制模式的典型列控系統主要有法國U/T(UM71/TVM300，UM71/TVM430,)系統、日本ATC (AutomaticTrain System)系統等。目標距離速度控制模式，為連續式一次制動速度控制方式，即根據目標距離、目標速度及列車本身的性能、狀態確定列車制動曲線。連續式一次速度控制模式若以前方列車占用的閉塞分區人口為追蹤目標點，則為準移動閉塞；若以前方列車的尾部為追蹤目標點，則為移動閉塞。采用目標距離速度控制模式的典型列控系統主要有歐洲ETCS(EUr0peanTrain Control System)列控系統和德國LZB列控系統，以及我國的CTCS-2級(ChineseTrain Control System Level 2)和 CTCS-3 級列控系統等。由于跟馳運行過程中，后車追蹤運行的目標點會隨著前車的移動而移動，“基于目標距離速度控制模式的連續式一次制動曲線”也會隨著目標點的移動而向前推進，后車一般會按正常的速度行駛，間或根據線路狀況進行相應的行為調整，或者與前車的相對位置發生某種對安全行車不利的變化而觸發自身按“一次連續制動曲線”減速運行；只要前車恢復正常速度繼續向前行駛，待目標點前移至與后車合理的位置處，后車也將會逐漸恢復正常的跟馳運行狀態；若前車減速停車，后車也將按“一次連續制動曲線”減速運行直至停車。目標距離速度控制模式，相對于分級速度控制模式而言，在安全行車前提下對線路運能的利用有進一步的提高，在歐美、日本等先進國家，以及我國的軌道交通領域得到了非常廣泛的應用。但目前以前方列車的尾部為追蹤目標點的“移動閉塞”只在城市軌道交通中有運用，鐵路系統中尚無運用實例。我國CTCS-3級列控系統為準移動閉塞技術。城市軌道交通領域雖有移動閉塞技術的應用，但其列控技術還不能直接移植到鐵路領域，必須根據我國特有的國情、路情，研究鐵路移動閉塞條件下的高速列車全速域跟馳運行控制理論與技術，主要原因在于，與城市軌道交通系統相比，鐵路運輸系統具有自身的特點(I)我國幅員遼闊、地質地形復雜，鐵路運輸網絡縱橫交錯，拓撲結構極其復雜，不可能像城市軌道交通那樣，幾乎每條線路封閉運行；另一方面，資源豐富但分布不均，以及各地區經濟發展不平衡，造成追蹤運行的前后列車在牽引、制動性能與牽引重量往往也差別較大。(2)鐵路系統運輸組織遠較城市軌道交通系統復雜。解體、編組、越行、避讓或轉線運行等運輸作業，在鐵路領域司空見慣，追蹤不同的列車或被不同的列車追蹤，屬于高速列車運行過程中的常態。(3)城市軌道交通系統專事旅客運輸業務，列車采取分散動力牽 引方式；鐵路領域客、貨運輸兼重，除客運專線外，大部分線路仍然客、貨列車混跑，且集中動力牽引方式與分散動力牽引方式并存。(4)鐵路運輸不僅在列車牽引重量上遠超城市軌道交通,而且在運行速度上也遠大于后者。城市軌道交通系統中，列車運行速度一般在O 60km/h ;鐵路領域高速列車的時速可達350km,甚至更高。顯然，城市軌道交通系統的列車追蹤運行控制技術，不論是從速域考慮，還是從追蹤運行控制的復雜性來看，都不能簡單地移植到鐵路運輸中去。基于目標距離速度控制模式的連續式一次制動曲線，在鐵路領域與城市軌道交通系統均有廣泛的應用，包括為城市軌道交通“移動閉塞系統”所采用。“基于目標距離速度控制模式的一次連續制動曲線”的先進性毋庸置疑，但并不是完美無缺。不足之處在于(I)目標距離速度控制模式下的連續式一次制動曲線，秉承“安全第一”的原則，把“制動”放在列車運行控制的首要位置，但沒有兼顧應提高行車效率時的加速運行情況；(2)高速列車行為調整的智能主體地位沒有得到充分體現，這對于移動閉塞系統中列車跟馳運行控制是非常重要的一環。后車跟馳運行過程中受前車行為的制約，當自身運行狀態、自身與目標點的距離等因素觸發“一次連續制動曲線”發生作用時，后車將按“一次連續制動曲線”減速運行，如果后車減速運行過程中與目標點的距離不再呈現“擴大”的趨勢，后車應與前車保持同樣的速度勻速行駛，或者繼續減速運行直至停車。如果后車減速運行過程中與目標點的距離重新呈現出“擴大”的趨勢，僅靠“目標距離速度控制模式下的連續式一次制動曲線”，顯然難以實現后車運行狀態的科學調整以達到安全、高效跟馳運行的目的。

發明內容
本發明旨在克服上述現有技術存在的缺陷，為未來鐵路移動閉塞系統提供一種安全、高效的高速列車跟馳運行控制方法。本發明通過以下技術方案來實現一種基于安全車距實時標定的高速列車跟馳運行控制方法，該方法包括以下步驟I)后車根據自身運行狀態調整過程中的安全性、高效性和平穩性需求，計算自身當前速度下應與前車保持的絕對安全車距；2)根據采取的制動模式，判斷是否對絕對安全車距進行調整若為相對制動模式，則根據絕對安全車距計算當前的相對安全車距，再執行步驟3)，若為絕對制動模式，則直接執行步驟3)；3)將安全車距與實際車距進行比較，判斷是否為最佳跟馳狀態，若為是，則返回步驟I)，繼續循環執行；若為否，則執行步驟4)；
4)根據實際車距與安全車距選取最優的控制策略；5)按照最優的控制策略對列車進行控制，將實際車距調整至安全車距后，返回步驟I)，繼續循環執行。所述的安全車距為d = d2+ Δ (I-Cl1 (I)其中，Cl1為前車的制動距離，d2為后車的制動距離，d為前車與后車的安全車距，Δd為保證安全行車所必須的富裕間隔。所述的制動模式包括絕對制動模式和相對制動模式,絕對制動模式中前車的制動距離Cl1 = 0，所述的相對制動模式中前車的制動距離Cl1 Φ O。若后車可獲取前車的性能參數、當前位置、運行狀態和控制策略信息，則采用相對制動模式；若后車只能獲取前車當前位置或自身為定點停車運行狀態，則采用絕對制動模式。 絕對制動模式下的安全車距為絕對安全車距dAbs()lute，根據以下公式計算dAbsolute = d2+ Δ d相對制動模式下的安全車距為相對安全車距Clltelative，根據以下公式計算dEelative —步驟2)中高速列車采取相對制動模式時，在當前絕對安全車距的基礎上，根據前車的當前位置、運行狀態和控制策略信息，計算當前應與前車保持的相對安全車距。步驟4)中，首先根據實際車距與安全車距由控制策略庫中獲取多種控制策略，然后根據獲取的多種控制策略仿真計算列車動態行為，并進行安全性和高效性的評估，獲取安全性和高效性綜合最優的控制策略。與現有技術相比，本發明基于動態安全車距的實時標定技術，確定復雜運輸情況下高速列車安全、高效跟馳運行應遵循的車距標準以后，對跟馳運行過程中自身的行為質量做出評估，再根據評估結果確定行為調整的控制策略，并加以實施，能夠為復雜運輸環境中不同速度情況下高速列車的安全、高效跟馳運行奠定基礎。


圖I為高速列車跟馳運行的一般情形示意圖；圖2為跟馳穩態被打破后，后車的適應性行為調整過程示意圖；圖3為基于絕對制動模式的跟馳運行控制方法流程圖；圖4為基于相對制動模式的跟馳運行控制方法流程圖；圖5為動態安全車距實時標定及列車運行控制示意圖；圖6為高速列車跟馳運行控制系統框圖；圖7為仿真結果圖，其中(a)為前車和后車跟馳運行的V_t曲線，(b)為后車的控制律a2_t曲線，(C)為前車和后車的速度與當前位置的關聯曲線。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。實施例圖I描述了高速列車跟馳運行的一般情形，后車Train2跟隨前車Trainl向前跟馳運行過程中，二者的速度可能并不完全一致，需要在任何時刻確保后車Train2的跟馳行為是安全和高效的。因此可以通過一種基于安全車距實時標定的高速列車跟馳運行控制方法來實現后車安全、高效跟馳運行，該方法中列車的制動模式包括絕對制動模式和相對制動模式，絕對制動模式下的安全車距為絕對安全車距dAbs()lute，相對制動模式下的安全車距為相對安全車距Clltelative，具體包括以下步驟I)后車根據自身運行狀態調整過程中的安全性、高效性和平穩性需求，計算自身當前速度下應與前車保持的絕對安全車距dAbs()lute，其計算公式如下；dAbsolute = d2+ Δ d其中，d2為后車的制動距離，Λ d為保證安全行車所必須的富裕間隔。2)根據采取的制動模式，判斷是否對安全車距進行調整若為絕對制動模式，則
直接執行步驟3);若為相對制動模式，則后車在當前絕對安全車距的基礎上，根據前車當前位置、運行狀態和控制策略等信息，進一步計算當前相對安全車距Clltelative，再執行步驟3)。相對安全車距dKelative的計算公式如下dEelative — d^gQ^g-dj其中，Cl1可根據前車當前位置、運行狀態和控制策略等信息計算而得。3)將安全車距與實際車距進行比較，判斷是否為最佳跟馳狀態，若為是，則返回步驟I)，繼續循環執行；若為否，則執行步驟4)。前車Trainl、后車Train2保持勻速和固定車距安全、高效跟馳運行的狀態稱之為“穩態跟馳”或“最佳跟馳狀態”，否則稱之為“暫態跟馳”。圖2描述了失去穩態跟馳狀態情況下后車Train2的適應性行為調整過程。4)根據實際車距與安全車距選取最優的控制策略；5)按照最優的控制策略對列車進行控制，將實際車距調整至安全車距后，返回步驟I)，繼續循環執行。基于絕對制動模式和相對制動模式的跟馳運行控制算法分別如圖3和圖4所示。圖5描述了后車Train2跟隨前車Trainl運行過程中動態安全車距實時標定及列車行為調整的控制原理。其中&1、a2分別為前、后車的加速度；V1(I、V20分別為前、后車的初始速度；V1^V2分別為前、后車當前速度；S1(I、S2(I分別為前、后車變速運行前的初始位置；Si、S2分別為前、后車當前位置；s為前、后車之間的當前實際車距。后車Train2可以根據當前實際車距S和安全、高效跟馳運行應保持的安全車距d，對自身行為的安全性、高效性做出判斷，再結合前后兩車的當前運行速度，就可以進行控制律的動態計算。高速列車跟馳運行控制系統見圖6所示。高速列車能夠根據自身減速停車時采取的制動模式，實時確定跟馳運行過程中應與前車保持的最佳車距為何，并基于當前兩車的性能和運行狀態，經安全性、高效性綜合評估后，確定最佳的行為調整策略，最后實施控制策略。對本發明的控制方法進行仿真,假設前車Trainl和后車Train2以300km/h的速度和10965. 40m的車距勻速跟馳運行；前車Trainl首先加速運行，加速度為O. 2m/S2 ;至速度350km/h時，前車Trainl勻速運行60s ;然后，以加速度-O. 8m/s2減速運行至停車。圖7為后車Train2跟隨前車Trainl運行，以安全運行和線能充分利用為目的，針對前車Trainl行為變化作出相應的行為調整的仿真情況。其中，前車Trainl和后車Train2的行為描述見圖7(a)所示。圖7(b)為后車Train2控制策略計算情況，從圖7(c)還可以看出，后車Train2的行為調整能夠隨著跟馳速度的變化對 列車間隔進行合理的動態調整，實現了安全、高效運行。
權利要求
1.一種基于安全車距實時標定的高速列車跟馳運行控制方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)后車根據自身運行狀態調整過程中的安全性、高效性和平穩性需求，計算自身當前速度下應與前車保持的絕對安全車距； 2)根據采取的制動模式，判斷是否對絕對安全車距進行調整若為相對制動模式，則根據絕對安全車距計算當前的相對 安全車距，再執行步驟3)，若為絕對制動模式，則直接執行步驟3)； 3)將安全車距與實際車距進行比較，判斷是否為最佳跟馳狀態，若為是，則返回步驟1)，繼續循環執行；若為否，則執行步驟4)； 4)根據實際車距與安全車距選取最優的控制策略； 5)按照最優的控制策略對列車進行控制，將實際車距調整至安全車距后，返回步驟1)，繼續循環執行。
2.根據權利要求1所述的ー種基于安全車距實時標定的高速列車跟馳運行控制方法，其特征在于，所述的安全車距為d = d2+ Δ d-c^ (1) 其中，も為前車的制動距離，d2為后車的制動距離，d為前車與后車的安全車距，Ad為保證安全行車所必須的富裕間隔。
所述的制動模式包括絕對制動模式和相對制動模式，絕對制動模式中前車的制動距離di = 0,所述的相對制動模式中前車的制動距離も 0。若后車可獲取前車的性能參數、當前位置和運行狀態信息，則采用相對制動模式；若后車只能獲取前車當前位置或自身為定點停車運行狀態，則采用絕對制動模式。
3.根據權利要求2所述的ー種高速列車跟馳運行全速域安全車距標定方法，其特征在于，絕對制動模式下的安全車距為絕對安全車距dAbs()lute，根據以下公式計算 dAbsolute = d2+ Δ d 相對制動模式下的安全車距為相對安全車距dKelative，根據以下公式計算 ^Relative ^Absolute °
4.根據權利要求3所述的ー種高速列車跟馳運行全速域安全車距標定方法，其特征在于，步驟2)中高速列車采取相對制動模式時，在當前絕對安全車距的基礎上，根據前車的當前位置、運行狀態和控制策略信息，計算當前應與前車保持的的相對安全車距。
5.根據權利要求1所述的ー種高速列車跟馳運行全速域安全車距標定方法，其特征在于，步驟4)中，首先根據實際車距與安全車距由控制策略庫中獲取多種控制策略，然后根據獲取的多種控制策略仿真計算列車動態行為，并進行安全性和高效性的評估，獲取安全性和高效性綜合最優的控制策略。
全文摘要
本發明涉及一種基于安全車距實時標定的高速列車跟馳運行控制方法，包括以下步驟1)后車計算絕對安全車距；2)根據采取的制動模式調整安全車距；3)將安全車距與實際車距進行比較，判斷是否為最佳跟馳狀態，若為是，則返回步驟1)，繼續循環執行；若為否，則執行步驟4)；4)根據實際車距與安全車距選取最優的控制策略；5)按照最優的控制策略對列車進行控制，將實際車距調整至安全車距后，返回步驟1)，繼續循環執行。與現有技術相比，本發明能夠利用高速列車跟馳運行動態信息，在全速域范圍內對跟馳行為進行科學調整，通過列車間隔的動態控制，達到列車安全、高效跟馳運行的目的。
文檔編號B61L27/00GK102951189SQ201210483529
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月23日 優先權日2012年11月23日
發明者潘登, 夏易君 申請人:同濟大學