基于模型预测控制的虚拟编组列车追踪控制系统与方法技术方案

本发明专利技术公开的基于模型预测控制的虚拟编组列车追踪控制系统与方法，涉及轨道交通信号控制领域。在该系统的同一列车单元中：信息处理模块、动力学方程构建模块、运行轨迹预测模块、追踪控制目标计算模块、最优问题构建模块和二次规划问题求解模块依次连接；信息处理模块与追踪控制目标计算模块连接；二次规划问题求解模块与运行轨迹预测模块连接；在相邻的两个列车单元中：后一列车单元的信息交互处理模块与前一列车单元中的运行轨迹预测模块连接。本发明专利技术采用预测轨迹，在追踪控制目标计算模块处理EBI速度带来的安全约束条件下，实现列车单元小间距追踪，避免了将EBI速度计算函数引入MPC中的约束最优控制问题中求解，节省大量计算资源。计算资源。计算资源。

【技术实现步骤摘要】
基于模型预测控制的虚拟编组列车追踪控制系统与方法


[0001]本专利技术涉及轨道交通信号控制
，特别是涉及一种基于模型预测控制的虚拟编组列车追踪控制系统与方法。

技术介绍

[0002]为解决城市轨道交通(以下简称“城轨”)客流时空分布不均衡的问题，列车虚拟编组(Virtual Coupling，VC)技术受到了业界的广泛关注。该技术基于车车通信与主动控制将多个不存在物理连挂关系的列车单元组成一辆虚拟编组列车，而相邻的列车单元之间保持非常小的追踪间距。这种虚拟编组的方式使得所有列车单元能够提供像物理连挂的列车一样的运输作业服务。基于这种灵活的编组方式，能够快速、动态地调整列车编组数量，从而实现线路运力与客流需要的实时灵活匹配。
[0003]实现虚拟编组运行的难点是如何在满足安全防护条件的前提下控制列车保持尽可能小的追踪间距。其中，安全防护条件通常会设置为一个紧急制动触发(Emergent Braking Intervention，EBI)速度，一旦列车超过EBI速度，便对车辆施加紧急制动直至停车以保障行车安全。而实际中，EBI速度通常与多个变量相关(例如，前后车的位置、速度、加速度等)，并且呈现出高次、非线性的特点。
[0004]现有虚拟编组列车的控制方法主要包括两类。一类是反馈控制方法，例如负反馈控制、滑模控制等。此类方法根据当前实际追踪间距与期望追踪间距的误差控制列车运行，由于缺乏对列车未来运行趋势的认识，控制效果通常有滞后性。另一类是最优控制方法，其中主要是模型预测控制方法。此类方法以未来一段时间内维持期望的追踪间距作为控制目标，建立一个最优控制问题并求解得出相应的控制命令。该方法能够对列车未来运行趋势进行预测，但由于求解最优控制问题需要一定的计算资源，因此通常对问题形式有一定要求，例如二次规划形式的最优控制问题能够快速地被求解。
[0005]因此，实现虚拟编组小间距追踪运行仍存在以下问题需要解决：
[0006]1)、难以维持较小的追踪间距：由于EBI速度计算非常复杂，无法通过解析函数的形式进行表示，相应地也就难以得出与EBI速度相适应的追踪间距的解析表达式；而若通过数值迭代计算的方式求解最优控制问题(由于引入了EBI速度因此是非二次规划形式)，查找与EBI速度相适应的追踪间距，需要耗费大量的计算资源，难以满足工程实时性的要求。因此，现有研究通常采用了简化后的追踪间距(例如，固定时距等形式)，不可避免地增大了追踪间距。
[0007]2)、容易出现后车超速触发紧急制动的问题：虚拟编组列车中的后车需要根据前车状态调整自身控制命令，从而使得相邻列车单元保持小间距追踪。但通常从列车控制命令输出到完全响应需要经过一到两秒的时间，若使用反馈控制方法控制虚拟编组列车，当后车发现前车进入制动状态之后再施加制动，会导致两车制动不同步，容易出现超速触发紧急制动的问题。

技术实现思路

[0008]为解决现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)的虚拟编组列车追踪控制系统与方法。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0010]一种基于模型预测控制的虚拟编组列车追踪控制系统，所述虚拟编组列车中的每一列车单元均包括：信息处理模块、动力学方程构建模块、运行轨迹预测模块、追踪控制目标计算模块、最优问题构建模块和二次规划问题求解模块；
[0011]在同一列车单元中：所述信息处理模块分别与所述动力学方程构建模块和所述追踪控制目标计算模块连接；所述动力学方程构建模块与所述运行轨迹预测模块连接；所述运行轨迹预测模块与所述追踪控制目标计算模块连接；所述追踪控制目标计算模块与所述最优问题构建模块连接；所述最优问题构建模块与所述二次规划问题求解模块连接；所述二次规划问题求解模块与所述运行轨迹预测模块连接；
[0012]在相邻的两个列车单元中：后一列车单元的信息交互处理模块与前一列车单元中的运行轨迹预测模块连接；
[0013]当前列车单元的所述信息处理模块用于获取控制目标；所述控制目标包括目标控制命令和运行轨迹；当所述当前列车单元为领航列车单元时，所述运行轨迹为目标运行曲线；当所述当前列车单元不是领航列车单元时，所述运行轨迹为前一列车单元中运行轨迹预测模块更新后的预测运行轨迹；
[0014]每一列车单元中的动力学方程构建模块均用于构建动力学方程；每一列车单元中的运行轨迹预测模块用于基于所述动力学方程生成预测运行轨迹；每一列车单元中的追踪控制目标计算模块用于基于控制目标、动力学方程和每一列车单元的实时状态构建最优控制问题；所述二次规划问题求解模块用于求解所述最优控制问题得到最优控制命令；所述运行轨迹预测模块用于基于所述最优控制命令更新预测运行轨迹，并用于基于更新后的所述预测运行轨迹确定每一列车单元的目标位置和速度序列；所述最优控制问题为一个具有二次规划形式的问题。
[0015]可选地，所述动力学方程为：
[0016]x
i，k+1
＝Ax
i，k
+Bu
i，k
+C；
[0017]式中，x
i，k
为第i个列车单元在k时刻的状态，u
i，k
为第i个列车单元在k时刻的控制命令，x
i，k+1
为第i个列车单元在k+1时刻的状态，A为第一矩阵，B为第二矩阵，C为第三矩阵，其中，其中，T为惯性环节系数，g
i
为外部附加力，τ为采样间隔时间。
[0018]可选地，所述预测运行轨迹为：
[0019][0020]式中，X
i，k
为第i个列车单元在k时刻的预测运行轨迹，U
i，k
为第i个列车单元在k时刻的预测控制命令序列，I为单位向量，和均为矩阵，
T为转置，N为预测时域长度。
[0021]可选地，所述运行轨迹预测模块基于更新后的所述预测运行轨迹确定每一列车单元的目标位置和速度序列，具体为：
[0022]所述运行轨迹预测模块定义相应的状态提取矩阵Z
s
与Z
v
，用以提取出预测序列中的目标位置与速度值；
[0023]其中，目标位置为：S
i，k
＝Z
s
X
i，k
；速度值为：V
i，k
＝Z
v
X
i，k
；
[0024]式中，S
i，k
为第i个列车单元在k时刻的目标位置，V
i，k
为第i个列车单元在k时刻的速度，状态提取矩阵Z
s
与X
v
为：
[0025][0026][0027]可选地，所述最优控制问题为
[0028]其中，
[0029]式中，(
·
)表示函数J
′
中与U
i，k
不相关的常数项，H表示本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的虚拟编组列车追踪控制系统，其特征在于，所述虚拟编组列车中的每一列车单元均包括：信息处理模块、动力学方程构建模块、运行轨迹预测模块、追踪控制目标计算模块、最优问题构建模块和二次规划问题求解模块；在同一列车单元中：所述信息处理模块分别与所述动力学方程构建模块和所述追踪控制目标计算模块连接；所述动力学方程构建模块与所述运行轨迹预测模块连接；所述运行轨迹预测模块与所述追踪控制目标计算模块连接；所述追踪控制目标计算模块与所述最优问题构建模块连接；所述最优问题构建模块与所述二次规划问题求解模块连接；所述二次规划问题求解模块与所述运行轨迹预测模块连接；在相邻的两个列车单元中：后一列车单元的信息交互处理模块与前一列车单元中的运行轨迹预测模块连接；当前列车单元的所述信息处理模块用于获取控制目标；所述控制目标包括目标控制命令和运行轨迹；当所述当前列车单元为领航列车单元时，所述运行轨迹为目标运行曲线；当所述当前列车单元不是领航列车单元时，所述运行轨迹为前一列车单元中运行轨迹预测模块更新后的预测运行轨迹；每一列车单元中的动力学方程构建模块均用于构建动力学方程；每一列车单元中的运行轨迹预测模块用于基于所述动力学方程生成预测运行轨迹；每一列车单元中的追踪控制目标计算模块用于基于控制目标、动力学方程和每一列车单元的实时状态构建最优控制问题；所述二次规划问题求解模块用于求解所述最优控制问题得到最优控制命令；所述运行轨迹预测模块用于基于所述最优控制命令更新预测运行轨迹，并用于基于更新后的所述预测运行轨迹确定每一列车单元的目标位置和速度序列；所述最优控制问题为一个具有二次规划形式的问题。2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的虚拟编组列车追踪控制系统，其特征在于，所述动力学方程为：x
i，k+1
＝Ax
i，k
+Bu
i，k
+C；式中，x
i，k
为第i个列车单元在k时刻的状态，u
i，k
为第i个列车单元在k时刻的控制命令，x
i，k+1
为第i个列车单元在k+1时刻的状态，A为第一矩阵，B为第二矩阵，C为第三矩阵，其中，为第i个列车单元在k+1时刻的状态，A为第一矩阵，B为第二矩阵，C为第三矩阵，其中，R为惯性环节系数，g
i
为外部附加力，τ为采样间隔时间。3.根据权利要求2所述的基于模型预测控制的虚拟编组列车追踪控制系统，其特征在于，所述预测运行轨迹为：式中，X
i，k
为第i个列车单元在k时刻的预测运行轨迹，U
i，k
为第i个列车单元在k时刻的预测控制命令序列，I为单位向量，和均为矩阵，
T为转置，N为预测时域长度。4.根据权利要求3所述的基于模型预测控制的虚拟编组列车追踪控制系统，其特征在于，所述运行轨迹预测模块基于更新后的所述预测运行轨迹确定每一列车单...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏杰，罗啸林，唐涛，孔德浩，肖骁，韩笑，张艳兵，宿帅，曹源，李开成，柴铭，吕继东，侯涛刚，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：