一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法技术

本发明专利技术公开了一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法。本发明专利技术方法考虑协同运行的高速列车存在车间通信的情况，根据高速列车车载传感器实际配置情况，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型并进行可观性分析，结合隆伯格估计方法和领导

【技术实现步骤摘要】
一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法


[0001]本专利技术涉及多列车协同运行优化控制领域，特别涉及一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法。

技术介绍

[0002]高速列车以其高速度、低污染、大载客量和良好的经济效益等特性，近年来得到了广泛的重视和蓬勃的发展，已成为我国绿色交通发展的优先方向，是体现我国工业化发展水平的卓越代表之一。随着列车运行速度的不断提升、列车发车密度的不断增大，以节能、准时、减少乘客等待时间、降低牵引供电网峰值和优化目标自动调整运行图为目标的多列车协同运行控制及其相关技术已成为该领域的研究重点。列车状态估计是多列车协同运行控制的关键一环，准确的获取列车行驶状态对于加强冲突管理、提高安全保障至关重要。但由于高速列车运行过程受到车辆特性、线路特性、天气状况、载客量等因素影响，运行环境存在强非线性和强干扰性，仅依靠单一传感器量测技术得到列车行驶状态的估计值这一方法存在可靠性低、估计准确性差等问题，已远远不能满足多列车协同运行优化控制的需求。目前，在列车行驶状态估计领域，国内外学者已关注到基于多传感器数据融合的列车行驶状态估计技术。但是，大多数现有基于多传感器融合的估计方法都属于集中式估计算法，即由一个中心收集到所有列车车载传感器的量测信息后利用集中式估计器进行统一计算得到协同运行的所有列车的行驶状态估计值。这种设计缺乏鲁棒性，一旦运行集中式估计方法的中心发生故障，将会导致整个列车监测系统瘫痪。并且，由于所有列车传感器量测信息的收集和处理任务都由中心完成，这对中心的数据存储能力、计算能力、通信能力提出了很高的要求，不利于算法在实际场景中的应用。因此，亟需研究能够保证在强非线性和强干扰性的高速列车运行环境下对协同运行的高速列车行驶状态进行实时有效监测的且易被实际应用的多列车协同运行行驶状态估计方法。

技术实现思路

[0003]针对上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的是提出一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，能够保证每趟列车在强非线性和强干扰性的运行环境中得到对协同运行的所有列车行驶状态的有效估计。
[0004]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，该方法具体包括如下步骤：
[0005]步骤1：考虑高速列车车载传感器感知量测情况，结合图论知识建立多列车协同运行车间输出耦合关系图，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型；
[0006]步骤2：对多列车协同运行连续时间状态空间模型进行可观性分析；
[0007]步骤3：结合车间通信网络拓扑关系，将多列车协同运行车间输出耦合关系图进行有向无环化处理，得到有向无环多列车协同运行车间输出耦合关系图；
[0008]步骤4：结合可观性分析结果，每趟列车根据有向无环多列车协同运行车间输出耦合关系图中指定的局部量测信息，构建类隆伯格观测器，得到对本趟列车的行驶状态估计值；
[0009]步骤5：结合可观性分析结果，根据车间通信网络拓扑关系，每趟列车利用与通信网络中邻居列车的局部通信信息，构建基于领导
‑
跟随一致性协调方法的一致性观测器，得到对其他协同运行列车的行驶状态估计值；类隆伯格观测器和一致性观测器共同构成了多列车协同运行行驶状态分布式观测器。
[0010]进一步地，所述步骤1中，高速列车车载传感器感知量测情况指的是协同运行的每趟列车都可以获得与其他协同运行列车间的相对量测信息包括相对位置和相对速度，并且，部分列车可以获得本趟列车的绝对量测信息包括绝对位置和绝对速度。
[0011]进一步地，所述步骤1中，列车i的实际运行动力学模型如下：
[0012][0013]其中，和分别表示列车i的位置、速度和控制输入；对应的列车i的状态空间模型表示如下：
[0014][0015]其中，表示列车i的状态，
[0016]进一步地，所述步骤1中，列车i的车载传感器感知量测信息表示如下：
[0017][0018]其中，和分别表示列车i的车载传感器量测信息、量测矩阵和与列车j之间的输出耦合矩阵，q
i
为列车i能够观测到的量测信息维度；图表示由m趟列车组成的多列车协同运行系统的车间输出耦合关系图，表示列车i在车间输出耦合关系图中的邻居列车的集合，点集中的每个点代表每趟列车，边集中的每条边代表不同列车间存在的输出耦合关系，具体地，(i,j)∈ε
o
当且仅当C
ij
≠0。
[0019]进一步地，所述步骤1中，结合高速列车车载传感器感知量测情况，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型，形式如下：
[0020][0021]y＝Cs
[0022]其中，m为协同运行的列车总数，行的列车总数，为单位矩阵，为克罗内克积；y
i
为列车i的车载传感器量测信息，为列车i的车载传感器量测信息，
[0023]进一步地，所述步骤2中，对多列车协同运行连续时间状态空间模型进行可观性分析，结果如下：(A,C)对应的多列车协同运行系统是可观的，当且仅当多列车协同运行系统中的每趟列车至少能获得一个量测信息并且至少有一趟列车拥有绝对量测信息；该可观性分析结果利用图论知识进行等价描述，即(A,C)对应的多列车协同运行系统是可观的，当且仅当图是无向连通图，其中，是有向图去掉方向后的无向图，是基于多列车协同运行车间输出耦合关系图定义的一张新图，具体地，O表示坐标原点，边集ε
a
中的每条边表示拥有绝对量测信息的列车与原点O间的输出耦合关系，(O,i)∈ε
a
表示列车i拥有绝对量测信息；(A,C)对应的多列车协同运行系统是可观的，说明多列车协同运行情况下利用协同运行的所有列车的传感器量测信息能够估计出协同运行的所有列车的行驶状态。
[0024]进一步地，所述步骤3中，用强连通有向图来描述m趟列车组成的多列车协同运行系统的车间通信网络，其中，边集点对(i,j)∈ε
c
表示列车i能够向列车j传递信息；结合车间通信网络拓扑关系，将多列车协同运行车间输出耦合关系图进行有向无环化处理的具体过程如下：
[0025]1)每趟列车在正整数集合中任选一个正整数作为自己的ID；
[0026]2)每趟列车根据分层机制确定自己所在层级，分层原则是能够获得绝对量测信息的列车自动划分为0层，为最低层级，能获得与处于0层列车间相对量测信息的列车自动划分为1层，能获得与处于1层列车间相对量测信息的列车自动划分为2层，以此类推；
[0027]3)规定两个处于不同层级的列车间的相对量测信息只能由处于高层级的列车使用，两个处于相同层级的列车间的相对量测信息只能由ID大的列车使用；
[0028]4)过程3)中涉及到的相对量测信息的传递由车间通信网络来保证；
[0029]根据上述有向无环化处理，多列车协同运行车间输出耦合关系图被转化为有向无环图
[0030]进一步地，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：考虑高速列车车载传感器感知量测情况，结合图论知识建立多列车协同运行车间输出耦合关系图，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型；步骤2：对多列车协同运行连续时间状态空间模型进行可观性分析；步骤3：结合车间通信网络拓扑关系，将多列车协同运行车间输出耦合关系图进行有向无环化处理，得到有向无环多列车协同运行车间输出耦合关系图；步骤4：结合可观性分析结果，每趟列车根据有向无环多列车协同运行车间输出耦合关系图中指定的局部量测信息，构建类隆伯格观测器，得到对本趟列车的行驶状态估计值；步骤5：结合可观性分析结果，根据车间通信网络拓扑关系，每趟列车利用与通信网络中邻居列车的局部通信信息，构建基于领导
‑
跟随一致性协调方法的一致性观测器，得到对其他协同运行列车的行驶状态估计值；类隆伯格观测器和一致性观测器共同构成了多列车协同运行行驶状态分布式观测器。2.如权利要求1所述的一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，其特征在于，所述步骤1中，高速列车车载传感器感知量测情况指的是协同运行的每趟列车都可以获得与其他协同运行列车间的相对量测信息包括相对位置和相对速度，并且，部分列车可以获得本趟列车的绝对量测信息包括绝对位置和绝对速度。3.如权利要求1所述的一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，其特征在于，所述步骤1中，列车i的实际运行动力学模型如下：其中，和分别表示列车i的位置、速度和控制输入；对应的列车i的状态空间模型表示如下：其中，表示列车i的状态，4.如权利要求3所述的一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，其特征在于，所述步骤1中，列车i的车载传感器感知量测信息表示如下：其中，和分别表示列车i的车载传感器量测信息、量测矩阵和与列车j之间的输出耦合矩阵，q
i
为列车i能够观测到的量测信息维度；图表示由m趟列车组成的多列车协同运行系统的车间输出耦合关系图，表示列车i在车间输出耦合关系图中的邻居列车的集合，点集v＝{1,
…
,m}中的每个点代表每趟列车，边集中的每条边代表不同列车间存在的输出耦合关系。5.如权利要求4所述的一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，其特征在于，所
述步骤1中，结合高速列车车载传感器感知量测情况，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型，形式如下：y＝Cs其中，m为协同运行的列车总数，为单位矩阵，为克罗内克积；y
i
为列车i的车载传感器量测信息，为列车i的车载传感器量测信息，6.如权利要求5所述的一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，其特征在于，所述步骤2中，对多列车协同运行连续时间状态空间模型进行可观性分析，结果如下：(A,C)对应的多列车协同运行系统是可观的，当且仅当多列车协同运行系统中的每趟列车至少能获得一个量测信息并且至少有一趟列车拥有绝对量测信息；该可观性分析结果利用图论知识进行等价描述，即(A,C)对应的多列车协同运行系统是可观的，当且仅当图是无向连通图，其中，是有向图去掉方向后的无向图，是基于多列车协同运行车间输出耦合关系图定义的一张新图，具体地，O表示坐标原点，边集ε
a
中的每条边表示拥有绝对量测信息的列车与原点O间的输出耦合关系，(O,i)∈ε
...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄帅婷，董海荣，陈积明，贺诗波，吴均峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：