一种重载列车的协同巡航控制方法技术

本申请提供了一种重载列车的协同巡航控制方法，该方法以重载列车为研究对象，针对轴重、编组长度以及我国重载铁路复杂的运行条件等等因素制约重载列车编组进一步发展的问题，利用虚拟编组替代物理连挂方法建立重载列车虚拟编组，基于多智能体的列车运行仿真模型，通过研究重载铁路线上列车运行的动态特征以及非线性特性，根据影响列车运行的因素和多智能体协同控制算法，从而构建一个基于车间距势能最优化的重载列车多车协同控制算法，经仿真验证，该算法实现了列车运行速度和车间距稳定，较目前单车运行控制方法更能提高运输效率，降低运营成本，对提升重载线路运输能力有一定的意义。一定的意义。一定的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种重载列车的协同巡航控制方法


[0001]本专利技术涉及列车虚拟编组领域，尤其涉及一种重载列车的协同巡航控制方法。

技术介绍

[0002]对于长大重载列车，现在主要采用同步操控的方式，同步操控当然也会受到客观条件的限制。为了克服同步操控的限制，同时提高线路运输能力，需要探索新的增加线路列车行车密度的方法，故本专利技术参阅大量文献，尝试采用虚拟编组的方式替代现在的列车物理编组的方式，克服现在长大重载组合列车所带来的列车操控困难，推进列车控制系统的发展。
[0003]虚拟编组就是使用现代电子设备和数据传输使多个具有自主运行单元成编队运行，避免纷繁复杂的传统物理连挂方式，通过多列列车之间的协同控制，减小多列列车运行间距，提高线路运输能力，完全属于新的列车运行模式。
[0004]因此，结合虚拟编组的概念，本专利技术以重载列车为研究对象，提出针对重载货运列车“Virtually Coupled Train Formation(VCTF)”这个创新概念。虚拟编组系统根据列车交互及自身的动态信息，在相应的控制算法，遵循列车信号系统防护作用下作为一个整体在轨道线路上运行。在已有的虚拟编组或者编队控制中很少涉及列车之间的安全防护以及虚拟编组控制策略，需要研究符合轨道交通特征的多列列车协同控制。因此，本专利技术借助智能体系统方法，通过构建适合列车安全防护的势能函数确保列车安全间距控制，在此基础上构建一个基于车间距势能优化的重载列车多车协同控制。

技术实现思路

[0005]为了能够解决上述
技术介绍
中涉及到的技术问题，本专利技术提供一种重载列车的协同巡航控制方法，包括：
[0006]重载列车虚拟编组系统模型的构建
[0007]其中，列车以虚拟编组形式在线上运行时，设u
i
(t)、v
i
(t)、x
i
(t)分别为i列列车在运行时刻t受到的控制作用力、速度以及位移；将虚拟编组内的每列列车按单质点处理，并将运行阻力简化为空气阻力和滚动机械阻力；根据戴维方程，阻力为：F
R
＝c0+c1v+c2v2；
[0008]其中，F
R
为列车编组运行所受阻力；v为编组列车运行速度；c0,c1,c2分别为基本系数，通过风洞试验测得；根据多智能体系统原理，重载列车虚拟编组系统模型为:
[0009][0010]其中，m
i
为第i列列车的质量；u
i
(t)为第i列列车受到的控制作用力；c
i0
，c
i1
和c
i2
分别为第i列列车所受阻力的基本系数，t为时间；其中每列编组列车的速度v
i
(t)为有限值；
[0011]动态误差模型的构建
[0012]其中，设平衡态具有理想的跟踪速度v1＝v2＝
…
＝v
n
＝v
r
，v
r
为目标速度，则在平衡状态下每列列车受到的作用力为：
[0013]获取与速度误差对应的误差位移再据此分别定义第i列列车的动态位移误差动态速度误差和动态作用力误差为：
[0014][0015][0016][0017]得到重载列车在平衡状态附近运动的误差动力学方程为：
[0018][0019]利用泰勒展开，线性化后得误差动态模型为：
[0020][0021]其中，在误差动态模型中，第i列列车的初始位置为x
i
(t0)，初始速度为v
i
(t0)，其取值为符合列车运行规律的任意初始值；
[0022]列车虚拟编组运动控制
[0023]利用构建的多智能体群聚控制模型对列车进行物理建模；利用列车间距构建势能函数，根据势能函数的负梯度进行列车间距控制，进而对列车虚拟编组运动控制。
[0024]优选地，多智能体系统中智能体的拓扑结构由代数图论分析，其中加权图由节点集合v＝{1,2,...,n}，边集合ε∈v
×
v，以及具有非负元素的加权邻接矩阵A＝[a
ij
]n
×
n
构成的符号ζ＝(v,ε,A)来描述；元素i的关联元素为N
i
＝{j∈v:a
ij
≠0}＝{j∈v:a
ij
∈ε}；重载列车虚拟编组系统的运动被确认为是由n个智能体组成的多智能体系统，其中每个列车被作为一智能体。
[0025]优选地，其中势能函数被确认为是智能体之间的作用函数；结合多智能体系统中的作用函数，保证车间相互作用范围在(0，r)，列车间的最大距离不超过r；当车间距离趋近0的时候，排斥力增加，当车间距离趋近r的时候，吸引力增加；
[0026]对多智能体系统构建相应的邻接矩阵，矩阵元素只包含0和正数；邻接矩阵A的元素a
ij
由当(i,j)∈ε，a
ij
为正数，否则a
ij
＝0来确定；
[0027]凸函数ρ
h
(x
ij
)是一个在0到1之间平稳变化的标量函数；使用凸函数来构造具有有限截断的平滑势函数和平滑邻接矩阵。
[0028]优选地，凸函数ρ
h
(x
ij
)表示为：
[0029][0030]其中，x
ij
为列车i和j之间的车间距离，且x
ij
＝x
j
‑
x
i
；r为列车i和j之间的最大作用车间距离，即列车之间的作用范围，列车i的邻接集合列车的分布范围以列车i为中心，r为半径的领域；ρ
h
(x
ij
)为列车i和j之间的作用系数函数；c
i0
，c
i1
，c
i2
为列车i所受到的阻力系数。
[0031]优选地，根据凸函数ρ
h
(x
ij
)定义一个邻接矩阵，具体元素为：
[0032][0033]根据式a
ii
(x
ii
)＝0，再者，当h＝1时候，在[0,1)区间，ρ
h
(x
ij
)＝1，其它情况为ρ
h
(x
ij
)＝0；
[0034]根据车辆的位移所得车间距为x
ij
，构建势能函数U
ij
(x
ij
)，具体表达式为：
[0035][0036][0037][0038]φ
d
(x
ij
)＝a
ij
φ(x
ij
‑
d)；
[0039][0040]优选地，通过考虑相邻列车的信息，将控制律设计为：
[0041][0042]其中，为基于车间距离梯度量；
[0043]为沿车本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.重载列车的协同巡航控制方法，其特征在于，包括：重载列车虚拟编组系统模型的构建利用构建的多智能体群聚控制模型对以虚拟编组形式在线路上运行的重载列车虚拟编组进行物理建模，其中所述重载列车虚拟编组系统模型为:其中，x
i
(t)为第i列列车的位移，v
i
(t)为第i列列车的速度，m
i
为第i列列车的质量；u
i
(t)为第i列列车受到的控制作用力；c
i0
，c
i1
和c
i2
分别为第i列列车所受阻力的基本系数，t为时间；其中每列编组列车的速度v
i
(t)为有限值；动态误差模型的构建误差动态模型为：其中，在误差动态模型中，第i列列车的初始位置为x
i
(t0)，初始速度为v
i
(t0)，其取值为符合列车运行规律的任意初始值；列车虚拟编组运动控制利用编组中列车速度和间距、以及目标速度和列车之间的目标间距的偏差设计控制策略对列车虚拟编组运动控制，其中利用列车间距构建势能函数，根据构建的势能函数的负梯度对所述重载列车虚拟编组系统模型对应的列车虚拟编组进行列车间距控制，同时利用虚拟编组实际运行状态与目标运行状态/平衡状态的动态误差验证虚拟编组系统能否稳定运行；其中所述动态误差模型作为动态误差验证的依据。2.根据权利要求1所述的重载列车的协同巡航控制方法，其特征在于，所述重载列车虚拟编组系统模型的构建过程包括：其中，列车以虚拟编组形式在线路上运行时，设u
i
(t)、v
i
(t)、x
i
(t)分别为i列列车在运行时刻t受到的控制作用力、速度以及位移；将虚拟编组内的每列列车按单质点处理，并将运行阻力简化为空气阻力和滚动机械阻力；根据戴维方程，阻力为：F
R
＝c0+c1v+c2v2；其中，F
R
为列车编组运行所受阻力；v为编组列车运行速度；c0、c1、c2分别为列车的基本系数，通过风洞试验测得；据多智能体系统原理，得到所述重载列车虚拟编组系统模型。3.根据权利要求2所述的重载列车的协同巡航控制方法，其特征在于，所述误差动态模型的构建过程包括：其中，设平衡态具有理想的跟踪速度v1＝v2＝
…
＝v
n
＝v
r
，v
r
为目标速度，则在平衡状态下每列列车受到的作用力为：
获取与速度误差对应的误差位移再据此分别定义第i列列车的动态位移误差动态速度误差和动态作用力误差为：为：为：得到重载列车在平衡状态附近运动的误差动力学方程为：利用泰勒展开，线性化后得到所述误差动态模型。4.根据权利要求3所述的重载列车虚拟编组协同巡航控制方法，其特征在于，多智能体系统中智能体的拓扑结构由代数图论分析，其中加权图由节点集合v＝{1,2,...,n}，边集合ε∈v
×
v，以及具有非负元素的加权邻接矩阵A＝[a
ij
]
n
×
n
构成的符号ζ＝(v,ε,A)来描述；元素i的关联元素为N
i
＝{j∈v:a
ij
≠0}＝{j∈v:a
ij
∈ε}；重载列车虚拟编组系统的运动被确认为是由n个智能体组成的多智能体系统，其中每个列车被作为一智能体。5.根据权利要求4所述的重载列车的协同巡航控制方法，其特征在于，其中势能函数被确认为是智能体之间的作用函数；结合多智能体系统中的作用函数，保证车间相互作用范围在(0，r)，列车间的最大距离不超过r；当车间距离趋近0的时候，排斥力增加，当车间距离趋近r的时候，吸引力增加；对多智能体系统构建相应的邻接矩阵，矩阵元素只包含0和正数；邻接矩阵A的元素a
ij
由当(i,j)∈ε，a
ij
为正数，否则a
ij
＝0来确定；凸函数ρ
h
(x
ij
)是一个在0到1之间平稳变化的标量函数；使用凸函数来构造具有有限截断的平滑势函数和平滑邻接矩阵。6.根据权利要求5所述的重载列车的协同巡航控制方法，其特征在于，凸函数ρ
h
(x
ij
)表示为：其中，x
ij
为列车i和j之间的车间距离，且x
ij
＝x
j
‑
x
i
；r为列车i和j...

【专利技术属性】
技术研发人员：何晖，陶维杰，
申请(专利权)人：湖南华慧特自动化科技有限公司，
类型：发明
国别省市：