一种虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法、系统及设备

1.本发明涉及轨道交通信号控制技术领域，特别是涉及一种虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法、系统及设备。


背景技术：

2.作为缓解交通压力、满足城市居民出行需求的重要手段，城市轨道交通(以下简称“城轨”)建设在近年来取得了显著成效。目前，城市轨道交通网络化规模的快速发展、客流时空分布不均衡且无规律动态变化特征日益突出，也对车辆及线路资源的进一步优化利用以及运力与运量匹配程度提出了更高要求。
3.针对以上需求，列车虚拟编组(virtual coupling，vc)技术是一种受到广泛认可的解决方案。虚拟编组技术能够极大地缩短不存在物理连挂关系的列车单元的运行间距，使得其能够像物理连挂的列车一样提供运输作业服务。虚拟编组技术能够实现车辆配置和编组方式的在线、动态、灵活调整，从而可提高车辆和线路资源的有效利用率，既可满足客流高峰时的大运力需求，又可在平低峰时降低车辆空驶率。因此，通过研发虚拟编组技术，安全、高效的控制列车单元按计划执行在线动态编解、并以虚拟编组的方式保持小间隔平稳运行和同步操控，可在不降低服务质量的前提下降低列车运行能耗、节约运输成本，对城市轨道交通的绿色可持续发展具有重要意义。
4.现有的虚拟编组列车运行控制相关研究普遍关注列车单元间的实时追踪控制，而对于列车单元控制目标的研究(也即驾驶策略设计)较少，主流的城轨站间运行控制模式是领航列车按常规运营指标要求独立运行，跟随列车尽最大能力追赶前车，在安全间距约束的前提下尽可能地缩小两车间距。但是该模式下虚拟编组列车的运行效率和实际表现，例如：安全间距约束随速度增大而增大，强制两车在高速时拉开间距(目前通常要达到几十米)；地铁站台规定列车单元停车时必须保持较小间距(目前通常为几米)，这种情况下，领航列车仍按照地铁单车运行策略独立运行而不考虑跟随列车的追踪能力，将无法达到虚拟编组列车在站台同步停车的性能。现有的虚拟编组列车运行控制方案，具有以下问题：
5.(1)难以保证虚拟编组列车运行同步性：现有研究缺乏对于虚拟编组内领航列车驾驶策略的设计，领航列车仍采用与原有单车一致的驾驶策略，例如采用最速运行、节能运行方式等。因此，会出现当领航列车出清低限速区段开始加速时，跟随列车仍处于低限速区段，从而导致虚拟编组列车运行不同步。
6.(2)进出站过程效率低、容易出现紧急制动：由于列车单元间的追踪间距具有高速时大、低速时小的特点，因此相邻的列车单元在进、出站过程中需要缩小、增大彼此的间距。跟随列车在停车阶段直接根据目标停车位置进站停车，由于其受到前车状态的影响，非常容易出现超速紧急制动的情况。
7.(3)列车单元之间存在较大的停站时间差：按照现有的虚拟编组列车运行控制模式，从高速运行转为制动停车时由于安全间距约束两车保持较大间距，但站台要求小间距停车，因此制动起始时刻领航列车与停车点的距离远小于跟随列车与停车点的距离，而且
领航列车采用单车独立制动停车策略，跟随列车由于安全间距约束不得不降低自身速度，行驶通过更长的距离到达停车点，所以无法做到与前车同步停车，存在较大的停站时间差，极大的影响了地铁站台运营效率。


技术实现要素：

8.基于此，本发明实施例提供一种虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法、系统及设备，以解决现有虚拟编组列车运行控制架构下的运行不同步问题、改善进出站易触发紧急制动的状况，提升进出站效率、减小虚拟编组列车的停站时间差。
9.为实现上述目的，本发明实施例提供了如下方案：
10.一种虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，包括：
11.构建虚拟编组列车的动力学方程；所述虚拟编组列车，包括：多个列车单元；多个列车单元中，其中一个为领航列车，其余为跟随列车；
12.基于所述动力学方程构建第一优化函数、第二优化函数、第三优化函数和第四优化函数；
13.对所述第一优化函数、所述第二优化函数、所述第三优化函数和所述第四优化函数分别求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在各个运行阶段的控制输入量；所述运行阶段，包括：出站牵引阶段、站间巡航阶段、区间调速阶段和进站停车阶段；
14.根据所有运行阶段的控制输入量确定所述虚拟编组列车的推荐驾驶曲线；
15.其中，所述第一优化函数，包括：在出站牵引阶段，以领航列车在设定加速时间内达到顶棚速度且跟随列车与前车保持设定安全裕量的追踪间距为目标构建的第一目标函数；
16.所述第二优化函数，包括：在站间巡航阶段，以领航列车与跟随列车均维持在巡航速度为目标构建的第二目标函数；
17.所述第三优化函数，包括：在区间调速阶段，以领航列车以最大加速度或最大减速度进行调速且跟随列车在安全范围内的速度变化跟随领航列车为目标构建的第三目标函数；
18.所述第四优化函数，包括：在进站停车阶段，以虚拟编组列车内的所有列车单元在设定停车时间内在站台设定停车位置停下为目标构建的第四目标函数。
19.本发明还提供了一种虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统，包括：
20.动力学方程构建模块，用于构建虚拟编组列车的动力学方程；所述虚拟编组列车，包括：多个列车单元；多个列车单元中，其中一个为领航列车，其余为跟随列车；
21.优化函数构建模块，用于基于所述动力学方程构建第一优化函数、第二优化函数、第三优化函数和第四优化函数；
22.求解模块，用于对所述第一优化函数、所述第二优化函数、所述第三优化函数和所述第四优化函数分别求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在各个运行阶段的控制输入量；所述运行阶段，包括：出站牵引阶段、站间巡航阶段、区间调速阶段和进站停车阶段；
23.曲线生成模块，用于根据所有运行阶段的控制输入量确定所述虚拟编组列车的推荐驾驶曲线；
24.其中，所述第一优化函数，包括：在出站牵引阶段，以领航列车在设定加速时间内
达到顶棚速度且跟随列车与前车保持设定安全裕量的追踪间距为目标构建的第一目标函数；
25.所述第二优化函数，包括：在站间巡航阶段，以领航列车与跟随列车均维持在巡航速度为目标构建的第二目标函数；
26.所述第三优化函数，包括：在区间调速阶段，以领航列车以最大加速度或最大减速度进行调速且跟随列车在安全范围内的速度变化跟随领航列车为目标构建的第三目标函数；
27.所述第四优化函数，包括：在进站停车阶段，以虚拟编组列车内的所有列车单元在设定停车时间内在站台设定停车位置停下为目标构建的第四目标函数。
28.本发明还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法。
29.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
30.本发明实施例基于动力学方程根据不同的虚拟编组列车的运行阶段，结合城轨运营特征，构建出站牵引阶段对应的第一优化函数、站间巡航阶段对应的第二优化函数、区间调速阶段对应的第三优化函数和进站停车阶段对应的第四优化函数，通过对各个优化函数进行求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在各个运行阶段的控制输入量。本发明能实时地生成推荐驾驶曲线供领航列车和跟随列车追踪控制使用，解决了现有虚拟编组列车运行控制架构下的运行不同步问题；将虚拟编组列车的运行过程进行精细的分阶段构建相应的优化函数并求解，改善了进出站易触发紧急制动的状况，提升了进出站效率；进站停车阶段单独构建优化函数并求解，减小了虚拟编组列车的停站时间差。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
32.图1为本发明实施例提供的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法的流程图；
33.图2为本发明实施例提供的站间轨道线路限速示意图；
34.图3为本发明实施例提供的出站牵引阶段生成的曲线效果图；
35.图4为本发明实施例提供的站间巡航阶段生成的曲线效果图；
36.图5为本发明实施例提供的区间调速阶段生成的曲线效果图；
37.图6为本发明实施例提供的进站停车阶段生成的曲线效果图；
38.图7为本发明实施例提供的推荐驾驶曲线的速度-时间图；
39.图8为本发明实施例提供的推荐驾驶曲线的速度-位置图；
40.图9为本发明实施例提供的推荐驾驶曲线的间距-时间图；
41.图10为本发明实施例提供的推荐驾驶曲线的加速度-时间图；
42.图11为本发明实施例提供的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统的结构示意图；
43.图12为本发明实施例提供的基于虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统构成的整
体控制系统的结构图。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
45.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
46.实施例一
47.针对现有技术存在的问题，一种可行的解决思路是通过合理规划虚拟编组列车中各列车单元的推荐驾驶曲线，然后通过各列车单元追踪各自推荐驾驶曲线运行，从而实现虚拟编组列车整体上的运行目标。本实施例提供了一种能够简单快速的生成各列车单元的推荐驾驶曲线的方法。
48.本实施例的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法的主要构思如下：建立虚拟编组列车动力学方程；根据不同的虚拟编组列车站间运行阶段，结合城轨运营特征，设计最优控制问题的目标函数与约束条件；执行求解算法，求解最优控制问题。
49.参见图1，本实施例的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，具体包括：
50.步骤101：构建虚拟编组列车的动力学方程；所述虚拟编组列车，包括：多个列车单元；多个列车单元中，其中一个为领航列车，其余为跟随列车。
51.步骤102：基于所述动力学方程构建第一优化函数、第二优化函数、第三优化函数和第四优化函数。
52.其中，所述第一优化函数，包括：在出站牵引阶段，以领航列车在设定加速时间内达到顶棚速度且跟随列车与前车保持设定安全裕量的追踪间距为目标构建的第一目标函数。
53.所述第二优化函数，包括：在站间巡航阶段，以领航列车与跟随列车均维持在巡航速度为目标构建的第二目标函数。
54.所述第三优化函数，包括：在区间调速阶段，以领航列车以最大加速度或最大减速度进行调速且跟随列车在安全范围内的速度变化跟随领航列车为目标构建的第三目标函数。
55.所述第四优化函数，包括：在进站停车阶段，以虚拟编组列车内的所有列车单元在设定停车时间内在站台设定停车位置停下为目标构建的第四目标函数。
56.此外，所述第一优化函数、所述第二优化函数和所述第三优化函数，还均包括：第一约束条件；所述第一约束条件，包括：轨道线路限速、列车性能限制、舒适度限制以及相邻列车单元间的最小追踪间距限制。
57.所述所述第四优化函数，还包括：第一约束条件和第二约束条件；所述第二约束条件，包括：站间运行时分约束和列车目标停车位置约束。
58.步骤103：对所述第一优化函数、所述第二优化函数、所述第三优化函数和所述第四优化函数分别求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在各个运行阶段的控制输入量；
所述运行阶段，包括：出站牵引阶段、站间巡航阶段、区间调速阶段和进站停车阶段。
59.步骤104：根据所有运行阶段的控制输入量确定所述虚拟编组列车的推荐驾驶曲线。
60.在一个示例中，步骤101中构建虚拟编组列车的动力学方程的具体过程如下：
61.建立单个虚拟编组列车的动力学方程xi(k+1)＝fi(xi(k),ui(k))，其中，xi(k)＝[si(k),vi(k),ai(k)]
t
表示由n个列车单元组成的虚拟编组列车中的第i个列车单元在k时刻的状态，si(k),vi(k),ai(k)分别表示k时刻列车单元的位置、速度和加速度，ui(k)表示k时刻列车的控制输入，fi表示列车动力学函数，具有如下展开形式：
[0062][0063]
vi(k+1)＝vi(k)+τai(k)
[0064]ai
(k+1)＝ui(k)+gi(si(k),vi(k))；
[0065]
其中，τ表示时间计算步长，si(k+1),vi(k+1),ai(k+1)分别表示k+1时刻列车单元的位置、速度和加速度，gi表示列车运行过程中受到的外部作用力，具体可以表示为
[0066]gi
(si(k),vi(k))＝ei(vi(k))+ri(si(k))+pi(si(k))；
[0067]
其中，基本阻力ei(vi(k))＝c0+c1vi(k)+c2(vi(k))2，c0,c1,c2为戴维斯方程系数，弯道附加阻力cr0,cr1为阻力系数，r(si(k))为列车单元所处位置的曲线半径，坡道阻力pi(si(k))＝p(si(k))g，p(si(k))表示列车单元所处位置的坡度，g表示重力加速度。
[0068]
在一个示例中，主要对步骤102中各个优化函数和对应的约束条件进行介绍。
[0069]
考虑一个完整的虚拟编组站间运行过程，认为站台起点为位置零点，出发时刻为零时刻，区间运行时间为tf。区间运行过程由出站牵引、站间巡航、区间调速、进站制动四个运行阶段组合构成。针对每个阶段设计不同的运行目标。
[0070]
1)出站牵引阶段做如下设计：
[0071]
在该阶段，虚拟编组列车应该尽快达到顶棚速度，该顶棚速度与轨道限速相关。因此，领航列车应尽快加速达到顶棚速度，跟随列车应与前车保持尽可能小的、留有安全裕量的追踪间距。于是，该阶段的第一目标函数的表达式为：
[0072][0073]
其中，ta表示区间运行过程中分配给出站牵引阶段的最大列车运行时间，该时间可以由计算得到，为根据经验设置的加速度参数，v
max
表示由轨道限速决定的顶棚速度；k表示时刻；l表示列车单元车长，di(k)表示k时刻第i个列车单元的最小追踪间距，与前后车的位置、速度与加速度相关，可以写作di(k)＝d(s
i-1
(k),v
i-1
(k),a
i-1
(k).si(k),vi(k),ai(k))，考虑安全防护距离为hi(k)＝h(s
i-1
(k),v
i-1
(k),a
i-1
(k).si(k),vi(k),ai(k),...)，则需要满足di(k)＝hi(k)+δ(k)，其中δ(k)表示为列车运行控制误差提前留出的裕量。ui表示第i个列车单元的控制输入量；n表示虚拟编组列车中列车单元总数量；q1表示领航车加速到顶棚速度对应的权重系数；v1(k)表示领航列车k时刻的速度；qi表示跟随列
车与其前方列车保持间距的权重系数；s
i-1
(k)表示k时刻第i-1个列车单元的位置；si(k)表示k时刻第i个列车单元的位置。
[0074]
在该阶段，虚拟编组列车需要满足轨道线路限速、列车性能限制、舒适度限制以及相邻列车单元间的最小追踪间距等约束，即第一约束条件的表达式如下：
[0075]
vi(k)≤v
ebi
(si(k))
[0076]umin
≤ui(k)≤u
max
[0077]jmin
≤ui(k+1)-ui(k)≤j
max
[0078]di
(k)≤s
i-1
(k)-l-si(k)
[0079]
其中，v
ebi
(si(k))为轨道线路限速，u
min
和u
max
为列车单元所能提供的最小制动加速度和最大牵引加速度，j
min
和j
max
为列车单元的最大冲击率和最小冲击率，ui(k+1)表示k+1时刻第i个列车单元的控制输入量。
[0080]
2)站间巡航阶段做如下设计：
[0081]
在该阶段，虚拟编组列车应该维持巡航速度。其具体实现方式为领航列车与跟随列车都尽可能维持巡航速度。于是，该阶段的第二目标函数的表达式为：
[0082][0083]
其中，ta表示区间运行过程中分配给出站牵引阶段的最大列车单元的运行时间；tc表示区间运行过程中分配给站间巡航阶段的最大列车运行时间；；v
cruise
表示站间巡航阶段的设定巡航速度；vi(k)表示k时刻第i个列车单元的速度；ui表示第i个列车单元的控制输入量；ui(k)表示k时刻第i个列车单元的控制输入量；qv表示跟随列车与领航列车保持同速运行对应的权重系数；qu表示所有列车单元稳定巡航减少控制调整对应的权重系数，增加qu(ui(k))2的目的是避免加速度频繁变化；v1(k)表示领航列车k时刻的速度。在区间巡航阶段，虚拟编组列车同样需要满足轨道限速、列车性能限制、舒适度限制以及相邻列车单元间的最小追踪间距等约束，即第一约束条件，具体表达式在此不再赘述。
[0084]
3)区间调速阶段做如下设计：
[0085]
当区间存在轨道线路限速变化时，虚拟编组列车的顶棚速度将会发生改变，此时要求列车单元能够从当前稳定的巡航速度转变到另一个更高或更低的巡航速度。区间调速过程的运行目标应是尽可能快的完成巡航速度的转变，那么领航列车应该以最大加速度或减速度进行调速，跟随列车则在考虑安全的前提下同样尽可能的进行速度变化跟随。另外，在低限速跳变为高限速的情况下要考虑虚拟编组列车的运行整体性，领航列车在出清低限速区段后不能立刻加速，等待跟随列车也出清低限速区段后一同进行加速。因此，该阶段的第三目标函数的表达式为：
[0086][0087]
其中，t1表示区间调速阶段初始时刻，t2表示区间调速阶段终止时刻，t
2-t1表示区间运行过程中分配给出区间调速阶段的最大列车运行时间，该时间可以由计算得到，为根据经验设置的加速度参数，v
goal
表示区间调速
阶段结束时的目标顶棚速度，l表示列车单元车长，s
i-1
(k)表示k时刻第i-1个列车单元的位置，si(k)表示k时刻第i个列车单元的位置，di(k)表示列车最小追踪间距，与前后车的位置、速度与加速度相关，可以写作di(k)＝d(s
i-1
(k),v
i-1
(k),a
i-1
(k).si(k),vi(k),ai(k))，考虑安全防护距离hi(k)＝h(s
i-1
(k),v
i-1
(k),a
i-1
(k).si(k),vi(k),ai(k),...)，需要满足di(k)＝hi(k)+δ(k)，其中δ(k)表示为控制误差提前留出的裕量。
[0088]
该阶段与出站牵引阶段类似，虚拟编组列车同样需要满足轨道限速、列车性能限制、舒适度限制以及相邻列车单元间的最小追踪间距等约束，即第一约束条件，具体表达式在此不再赘述。
[0089]
4)进站停车阶段做如下设计：
[0090]
在该阶段，虚拟编组内的所有列车单元应该在规定的时间内，在站台停车位置准确、同步地停下。于是，该阶段的第四目标函数的表达式为：
[0091][0092]
其中，ti表示第i个列车单元在站台停下的时刻；t
i-1
表示第i-1个列车单元在站台停下的时刻。在该阶段，虚拟编组列车除了需要满足轨道限速、列车性能限制、舒适度限制以及相邻列车单元间的最小追踪间距等第一约束条件之外，还需要满足第二约束条件。第一约束条件的具体表达式在此不再赘述，第二约束条件中的站间运行时分约束的表达式为：第二约束条件中的列车目标停车位置约束为其中，tf为调度计划设置的站间运行时间，为列车单元i的站台停车位置。
[0093]
在一个示例中，步骤103的求解过程如下：
[0094]
(1)对虚拟编组列车的列车状态进行初始化，采用优化算法对第一优化函数进行求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在出站牵引阶段的控制输入量。
[0095]
(2)基于出站牵引阶段终止时刻的列车状态，采用优化算法对第二优化函数和第三优化函数进行多次迭代求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在站间巡航阶段的控制输入量以及虚拟编组列车内每个列车单元在区间调速阶段的控制输入量；其中，每调速一次进行一次迭代，直至速度保持不变。具体的：
[0096]
对于第t次迭代，以第t-1次迭代下的区间调速阶段的控制输入量作为第二优化函数的初始状态输入，采用优化算法对第二优化函数进行求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元第t次迭代下在站间巡航阶段的控制输入量；其中，第1次迭代时，以出站牵引阶段终止时刻的列车状态作为第二优化函数的初始状态输入。
[0097]
若第t次迭代需要进行调速，则以第t次迭代下站间巡航阶段终止时刻的列车状态作为第三优化函数的初始状态输入，采用优化算法对第三优化函数进行求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元第t次迭代下在区间调速阶段的控制输入量。
[0098]
若第t次迭代无需调速，则将虚拟编组列车内每个列车单元第t次迭代下在站间巡航阶段的控制输入量作为在站间巡航阶段的最终的控制输入量，将虚拟编组列车内每个列车单元第t-1次迭代下在区间调速阶段的控制输入量作为在区间调速阶段的最终的控制输
入量。
[0099]
(3)当速度不变时，以站间巡航阶段终止时刻的列车状态作为第四优化函数的初始状态输入，采用优化算法对第四优化函数进行求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在进站停车阶段的控制输入量。
[0100]
在实际应用中，上述步骤103和步骤104一个更为具体的实现过程如下：
[0101]
初始化si(0),vi(0),ai(0),k＝0。
[0102]
首先求解出站牵引阶段的推荐驾驶曲线优化问题。接着，以出站牵引阶段终止时刻的列车状态作为初始状态输入，求解站间巡航阶段的推荐驾驶曲线优化问题。如果区间存在限速变化需要进行调速，则将巡航阶段终止时刻状态输入到区间调速优化问题中进行求解，在调速完成后再将终止状态作为新巡航阶段的输入。最后，以站间巡航阶段终止时刻的列车状态作为初始状态输入，求解进站停车阶段的推荐驾驶曲线优化问题。在上述各阶段问题的求解过程中，可以利用序列二次规划、积极集法等算法对优化问题模型进行求解。
[0103]
在上述虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法的基础上，本发明设计了虚拟编组列车推荐驾驶曲线自动生成系统，该系统能够结合任意形式的安全防护距离计算模型和站间运行指标要求，在有限时间内自动生成推荐驾驶曲线。系统内部采用了一种提升虚拟编组列车区间推荐驾驶曲线求解速度的算法，以满足曲线生成的实时性要求。该算法通过对虚拟编组列车站间运行优化模型的数学特点进行分析，并结合每一阶段的目标运行效果，给出了符合地铁常规驾驶行为的各阶段近似最优解，据此能够快速计算得出虚拟编组列车推荐驾驶曲线。
[0104]
系统内部的具体曲线求解算法设计如下：
[0105]
1)针对出站牵引阶段，该阶段虚拟编组列车的运行目标为在约束限制下尽快地达到顶棚速度，因此该优化问题的一种近似最优解是领航列车以最速驾驶策略运行，而后车尽可能与前车保持最小追踪间距运行。根据以上策略，可以得出一种近似最优解为前后列车单元在各自约束下采取所能达到的最大牵引加速度ui(k)＝max(ui(k))，满足
[0106][0107]
2)针对站间巡航阶段，该阶段虚拟编组列车的运行目标为尽可能保持速度稳定，根据列车运行的受力特点分析可以得出想要保持列车运行速度不变，需要满足列车单元控制加速度与受到的阻力相等，因此该阶段领航列车的控制加速度近似最优解为u1(k)＝g1(s1(k),v1(k))，如果此时跟随列车未达到顶棚速度，则继续与领航列车保持最小追踪间距运行，满足vi(k)≤v
ebi
(si(k))；若跟随列车也已经达到顶棚速度则同样克服阻力输出控制加速度ui(k)＝gi(si(k),vi(k))。控制加速度同样需要满足车辆牵引制动特性约束和冲击率约束。
[0108]
3)针对区间调速阶段，该阶段虚拟编组列车的运行目标为尽快从一个巡航速度转变到另一个巡航速度，因此该阶段的近似最优解为领航列车在满足冲击率约束和牵引制动特性约束的前提下输出最大加速度或减速度，使得列车单元能够快速的进行速度调整，那么领航列车控制加速度为u1(k)＝max(u1(k))或u1(k)＝min(u1(k))，跟随列车保持与领航列车的最小追踪间距，控制加速度同样需要满足车辆牵引制动特性约束和冲击率约束。
[0109]
4)针对进站停车阶段，该阶段虚拟编组列车的运行目标为在保证运行时分和停车精度的同时尽可能的使两车同步停车。从缩小虚拟编组列车停站时间差的运行机理出发，停车阶段领航列车与跟随列车需要满足以下阶段运行策略：
[0110]
①
停车阶段一：领航列车以大制动减速增大与跟随列车的速度差距，使得跟随列车具备快速接近领航车的速度条件；跟随列车在不超过安全间距前提下尽可能接近领航列车。
[0111]
②
停车阶段二：在上述两车速度差建立的基础上，领航列车以小制动率减速，尽可能的维持速度差，使得跟随列车能够在该阶段快速缩小与领航列车的间距。
[0112]
③
停车阶段三：列车单元距离各自停车点均较近，领航列车和跟随列车同时以一次制动(恒定制动率)方式快速停车，完成虚拟编组列车站台停车。
[0113]
基于上述停车阶段运行策略，结合进站停车阶段优化问题的大量推荐驾驶曲线求解数据，借助于数据拟合和经验分析，领航列车进站停车阶段采用的近似最优解为其中为进入制动停车段时的初始速度，m1，m2为负常数值，从而使领航列车加速度随着自身速度减小逐渐减小，当v1(k)＝v
10
时m1+m2等于站间巡航段结尾时的加速度。跟随列车始终与领航列车保持不超过最小追踪间距。阶段全程控制加速度需要满足车辆牵引制动特性约束和冲击率约束。
[0114]
至此，虚拟编组列车站间运行所有阶段的近似最优解都已经获得，结合安全防护距离以及站间运行计划，即可在较短时间内(秒级，满足在列车停站过程中生成下一站间推荐驾驶曲线的要求)计算获得虚拟编组列车推荐驾驶曲线。
[0115]
下面结合虚拟编组列车具体站间运行场景，对上述实施例的方法进行进一步详细说明。
[0116]
以包含两个列车单元的虚拟编组列车为例，其他多列车单元场景可以类比得到。具体站间运行场景采用河北京车轨道交通车辆装备有限公司试车线一站台到二站台，具体数据如表1所示，站间轨道线路限速如图2所示。
[0117]
表1站间运行场景数据
[0118]
名称数值站间距离1063.85m领航列车发车位置257.30m跟随列车发车位置156.74m领航列车停车位置1321.15m跟随列车停车位置1220.59m列车单元长度94.64m发车间距/停车间距5.92m停车精度误差要求《30cm运行时间要求100
±
5s发车时间差容许上限2s停车时间差容许上限4s
[0119]
虚拟编组列车安全防护计算方法采用现有文献中的全时空安全防护方法即可，本
发明适用于各种安全防护计算方法，这里仅选取一种防护方法用作举例。
[0120]
将线路参数、安全防护距离以及运行指标要求作为虚拟编组列车推荐驾驶曲线自动生成系统的输入，系统即可按照本发明提出的虚拟编组列车区间推荐驾驶曲线生成方法实现曲线的实时自动化生成。针对具体场景的系统实现流程如下：
[0121]
(1)针对出站牵引阶段，领航列车启动按照车辆在超员载荷情况下能够输出的最大牵引加速度0.8m/s2快速启动加速，跟随列车考虑列车控制器控制误差与紧急制动干预曲线始终保持3km/h的余量，尽可能追赶前车。当领航列车速度达到顶棚速度后结束该阶段，并将虚拟编组列车结束状态输入到站间巡航阶段优化模块。全过程满足冲击率0.3m/s3的要求。该阶段生成曲线效果图如图3所示。
[0122]
(2)针对站间巡航阶段，领航列车保持速度恒定，根据线路坡度、曲线半径以及自身速度计算运行阻力，输出和阻力相等的控制加速度保证匀速运行。跟随列车此时没有达到顶棚速度因此继续在考虑控制误差的基础上与领航列车保持安全追踪间距。由于区间限速存在低限速到高限速的跳变，因此考虑虚拟编组列车车尾保持，当跟随列车出清低限速区段后该巡航阶段结束，将结束状态作为区间调速阶段的初始输入。全过程满足冲击率0.3m/s3的要求。该阶段生成曲线效果图如图4所示。
[0123]
(3)针对区间调速阶段，领航列车按照超员载荷所能提供的最大牵引加速度0.8m/s3加速运行，跟随车继续在考虑控制误差的前提下与领航列车保持安全追踪距离，当到达新的顶棚速度时再次转入站间巡航阶段优化过程。由高限速转变为低限速的推荐驾驶曲线可以类比获得。全过程满足冲击率0.3m/s3的要求。该阶段生成曲线效果图如图5所示。
[0124]
(4)针对进站停车阶段，根据发明内容中对减小停车时间差的分析和以往经验分析，领航列车的加速度变化规律采用跟随列车在考虑控制误差的前提下与前车保持安全追踪间距，当两列车单元接近停车点时转一次制动精准停车。全过程满足冲击率0.3m/s3的要求。该阶段生成曲线效果图如图6所示。
[0125]
至此虚拟编组列车站间推荐驾驶曲线生成结束，完整曲线效果如图7、图8、图9和图10所示，曲线指标参数如表2所示。曲线由系统自动输出到对应列车单元的自动驾驶系统供实际车辆追踪，从而实现虚拟编组列车站间同步运行、同步发车、同步进站停车的目标。
[0126]
表2推荐驾驶曲线性能参数
[0127]
性能指标数值发车时间差0s停车时间差1.2s运行时间97.8s列车单元最大间距64.94m领航列车停车误差0cm跟随列车停车误差0cm推荐驾驶曲线生成时间3.12s
[0128]
本发明为了解决虚拟编组列车站间运行不同步、存在停站时间差、进出站易触发紧急制动的问题设计了虚拟编组列车站间推荐驾驶曲线生成方法，使得列车单元通过追踪推荐驾驶曲线实现站间同步运行等指标要求。该方法的创新之处在于提出了通过协同规划
生成虚拟编组列车推荐驾驶曲线，将满足城轨列车运营要求作为目标，对所有列车单元(包括领航列车与跟随列车)的驾驶策略进行协同规划，从而得出虚拟编组列车推荐驾驶曲线，车载自动驾驶系统通过追踪推荐驾驶曲线实现站间协同运行的目标。该方法的优势在于能够结合任意形式的安全防护距离设计虚拟编组列车驾驶策略；能够结合不同的运营计划与要求，优化虚拟编组列车驾驶策略，提升虚拟编组列车区间运行同步性与进出站的要求；能够应对临时限速调整的突发情况，方法满足实时性要求。
[0129]
实施例二
[0130]
为了执行上述实施例一对应的方法，以实现相应的功能和技术效果，下面提供一种虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统。
[0131]
参见图11，所述系统，包括：
[0132]
动力学方程构建模块201，用于构建虚拟编组列车的动力学方程；所述虚拟编组列车，包括：多个列车单元；多个列车单元中，其中一个为领航列车，其余为跟随列车。
[0133]
优化函数构建模块202，用于基于所述动力学方程构建第一优化函数、第二优化函数、第三优化函数和第四优化函数。
[0134]
求解模块203，用于对所述第一优化函数、所述第二优化函数、所述第三优化函数和所述第四优化函数分别求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在各个运行阶段的控制输入量；所述运行阶段，包括：出站牵引阶段、站间巡航阶段、区间调速阶段和进站停车阶段。
[0135]
曲线生成模块204，用于根据所有运行阶段的控制输入量确定所述虚拟编组列车的推荐驾驶曲线。
[0136]
其中，所述第一优化函数，包括：在出站牵引阶段，以领航列车在设定加速时间内达到顶棚速度且跟随列车与前车保持设定安全裕量的追踪间距为目标构建的第一目标函数。
[0137]
所述第二优化函数，包括：在站间巡航阶段，以领航列车与跟随列车均维持在巡航速度为目标构建的第二目标函数。
[0138]
所述第三优化函数，包括：在区间调速阶段，以领航列车以最大加速度或最大减速度进行调速且跟随列车在安全范围内的速度变化跟随领航列车为目标构建的第三目标函数。
[0139]
所述第四优化函数，包括：在进站停车阶段，以虚拟编组列车内的所有列车单元在设定停车时间内在站台设定停车位置停下为目标构建的第四目标函数。
[0140]
在实际应用中，参见图12，本实施例的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统，分别与列车自动监督系统、轨旁资源管理系统和虚拟编组雷车实时控制系统连接，列车自动监督系统为虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统提供运行计划、指标要求等，轨旁资源管理系统为虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统提供电子地图、轨旁资源占用情况等，虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统向虚拟编组雷车实时控制系统提供推荐驾驶曲线追踪控制功能。此外，虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统的硬件基础为个人计算机pc、服务器、工控机或云端设备。
[0141]
对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例一公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0142]
本实施例基于实施例一的方法设计的虚拟编组列车站间推荐驾驶曲线自动生成系统，在不改变其他模块接口的前提下，能够根据线路数据和站间运行指标要求实时自动化的生成符合要求的虚拟编组列车推荐驾驶曲线，供领航列车和跟随列车追踪控制使用，满足工程实际应用需求。
[0143]
实施例三
[0144]
本实施例提供一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例一的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法。
[0145]
另外，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现实施例一的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法。
[0146]
上述所有实施例，具有如下优点：
[0147]
(1)解决了现有虚拟编组列车运行控制架构下的运行不同步问题。
[0148]
提出通过协同规划生成虚拟编组列车推荐驾驶曲线，各列车单元的自动驾驶系统通过追踪曲线实现同步运行的目标。
[0149]
(2)改善了进出站易触发紧急制动的状况，提升了进出站效率。将虚拟编组列车站间运行分阶段构建优化问题，通过对出站牵引阶段和制动停车阶段所有列车单元的运行进行精细化考虑保证了虚拟编组列车的安全同步运行。
[0150]
(3)减小了虚拟编组列车的停站时间差。通过分析缩小停车时间差的机理，设计了制动停车阶段领航列车和跟随列车各自的运行策略，在此基础上构建该阶段的优化问题并求解，获得虚拟编组列车同步停车优化的推荐驾驶曲线。
[0151]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0152]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，其特征在于，包括：构建虚拟编组列车的动力学方程；所述虚拟编组列车，包括：多个列车单元；多个列车单元中，其中一个为领航列车，其余为跟随列车；基于所述动力学方程构建第一优化函数、第二优化函数、第三优化函数和第四优化函数；对所述第一优化函数、所述第二优化函数、所述第三优化函数和所述第四优化函数分别求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在各个运行阶段的控制输入量；所述运行阶段，包括：出站牵引阶段、站间巡航阶段、区间调速阶段和进站停车阶段；根据所有运行阶段的控制输入量确定所述虚拟编组列车的推荐驾驶曲线；其中，所述第一优化函数，包括：在出站牵引阶段，以领航列车在设定加速时间内达到顶棚速度且跟随列车与前车保持设定安全裕量的追踪间距为目标构建的第一目标函数；所述第二优化函数，包括：在站间巡航阶段，以领航列车与跟随列车均维持在巡航速度为目标构建的第二目标函数；所述第三优化函数，包括：在区间调速阶段，以领航列车以最大加速度或最大减速度进行调速且跟随列车在安全范围内的速度变化跟随领航列车为目标构建的第三目标函数；所述第四优化函数，包括：在进站停车阶段，以虚拟编组列车内的所有列车单元在设定停车时间内在站台设定停车位置停下为目标构建的第四目标函数。2.根据权利要求1所述的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，其特征在于，对所述第一优化函数、所述第二优化函数、所述第三优化函数和所述第四优化函数分别求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在各个运行阶段的控制输入量，具体包括：对虚拟编组列车的列车状态进行初始化，采用优化算法对第一优化函数进行求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在出站牵引阶段的控制输入量；基于出站牵引阶段终止时刻的列车状态，采用优化算法对第二优化函数和第三优化函数进行多次迭代求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在站间巡航阶段的控制输入量以及虚拟编组列车内每个列车单元在区间调速阶段的控制输入量；其中，每调速一次进行一次迭代，直至速度保持不变；当速度不变时，以站间巡航阶段终止时刻的列车状态作为第四优化函数的初始状态输入，采用优化算法对第四优化函数进行求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在进站停车阶段的控制输入量。3.根据权利要求1所述的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，其特征在于，基于出站牵引阶段终止时刻的列车状态，采用优化算法对第二优化函数和第三优化函数进行多次迭代求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在站间巡航阶段的控制输入量以及虚拟编组列车内每个列车单元在区间调速阶段的控制输入量，具体包括：对于第t次迭代，以第t-1次迭代下的区间调速阶段的控制输入量作为第二优化函数的初始状态输入，采用优化算法对第二优化函数进行求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元第t次迭代下在站间巡航阶段的控制输入量；其中，第1次迭代时，以出站牵引阶段终止时刻的列车状态作为第二优化函数的初始状态输入；若第t次迭代需要进行调速，则以第t次迭代下站间巡航阶段终止时刻的列车状态作为第三优化函数的初始状态输入，采用优化算法对第三优化函数进行求解，得到虚拟编组列
车内每个列车单元第t次迭代下在区间调速阶段的控制输入量；若第t次迭代无需调速，则将虚拟编组列车内每个列车单元第t次迭代下在站间巡航阶段的控制输入量作为在站间巡航阶段的最终的控制输入量，将虚拟编组列车内每个列车单元第t-1次迭代下在区间调速阶段的控制输入量作为在区间调速阶段的最终的控制输入量。4.根据权利要求1所述的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，其特征在于，所述第一优化函数、所述第二优化函数和所述第三优化函数，还均包括：第一约束条件；所述第一约束条件，包括：轨道线路限速、列车性能限制、舒适度限制以及相邻列车单元间的最小追踪间距限制；所述所述第四优化函数，还包括：第一约束条件和第二约束条件；所述第二约束条件，包括：站间运行时分约束和列车目标停车位置约束。5.根据权利要求1所述的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，其特征在于，所述第一目标函数的表达式为：其中，t
a
表示区间运行过程中分配给出站牵引阶段的最大列车单元的运行时间；k表示时刻；v
max
表示由轨道限速决定的顶棚速度；l表示列车单元车长，d
i
(k)表示k时刻第i个列车单元的最小追踪间距；u
i
表示第i个列车单元的控制输入量；n表示虚拟编组列车中列车单元总数量；q1表示领航车加速到顶棚速度对应的权重系数；v1(k)表示领航列车k时刻的速度；q
i
表示跟随列车与其前方列车保持间距的权重系数；s
i-1
(k)表示k时刻第i-1个列车单元的位置；s
i
(k)表示k时刻第i个列车单元的位置。6.根据权利要求1所述的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，其特征在于，所述第二目标函数的表达式为：其中，t
a
表示区间运行过程中分配给出站牵引阶段的最大列车单元的运行时间；k表示时刻；t
c
表示区间运行过程中分配给站间巡航阶段的最大列车运行时间；n表示虚拟编组列车中列车单元总数量；v
cruise
表示站间巡航阶段的设定巡航速度；v
i
(k)表示k时刻第i个列车单元的速度；u
i
表示第i个列车单元的控制输入量；u
i
(k)表示k时刻第i个列车单元的控制输入量；q
v
表示跟随列车与领航列车保持同速运行对应的权重系数，q
u
表示所有列车单元稳定巡航减少控制调整对应的权重系数；v1(k)表示领航列车k时刻的速度。7.根据权利要求1所述的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，其特征在于，所述第三目标函数的表达式为：其中，t1表示区间调速阶段的初始时刻，t2表示区间调速阶段的终止时刻，t
2-t1表示区间运行过程中分配给出区间调速阶段的最大列车运行时间；k表示时刻；l表示列车单元车长，d
i
(k)表示k时刻第i个列车单元的最小追踪间距；u
i
表示第i个列车单元的控制输入量；n
表示虚拟编组列车中列车单元总数量；v
goal
表示区间调速阶段结束时的目标顶棚速度；q1表示领航车加速到顶棚速度对应的权重系数；v1(k)表示领航列车k时刻的速度；q
i
表示跟随列车与其前方列车保持间距的权重系数；s
i-1
(k)表示k时刻第i-1个列车单元的位置；s
i
(k)表示k时刻第i个列车单元的位置。8.根据权利要求1所述的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法，其特征在于，所述第四目标函数的表达式为：其中，u
i
表示第i个列车单元的控制输入量；n表示虚拟编组列车中列车单元总数量；t
i
表示第i个列车单元在站台停下的时刻；t
i-1
表示第i-1个列车单元在站台停下的时刻。9.一种虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成系统，其特征在于，包括：动力学方程构建模块，用于构建虚拟编组列车的动力学方程；所述虚拟编组列车，包括：多个列车单元；多个列车单元中，其中一个为领航列车，其余为跟随列车；优化函数构建模块，用于基于所述动力学方程构建第一优化函数、第二优化函数、第三优化函数和第四优化函数；求解模块，用于对所述第一优化函数、所述第二优化函数、所述第三优化函数和所述第四优化函数分别求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在各个运行阶段的控制输入量；所述运行阶段，包括：出站牵引阶段、站间巡航阶段、区间调速阶段和进站停车阶段；曲线生成模块，用于根据所有运行阶段的控制输入量确定所述虚拟编组列车的推荐驾驶曲线；其中，所述第一优化函数，包括：在出站牵引阶段，以领航列车在设定加速时间内达到顶棚速度且跟随列车与前车保持设定安全裕量的追踪间距为目标构建的第一目标函数；所述第二优化函数，包括：在站间巡航阶段，以领航列车与跟随列车均维持在巡航速度为目标构建的第二目标函数；所述第三优化函数，包括：在区间调速阶段，以领航列车以最大加速度或最大减速度进行调速且跟随列车在安全范围内的速度变化跟随领航列车为目标构建的第三目标函数；所述第四优化函数，包括：在进站停车阶段，以虚拟编组列车内的所有列车单元在设定停车时间内在站台设定停车位置停下为目标构建的第四目标函数。10.一种电子设备，其特征在于，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行权利要求1至8中任一项所述的虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法。

技术总结
本发明公开了一种虚拟编组列车推荐驾驶曲线生成方法、系统及设备，涉及轨道交通信号控制技术领域，所述方法，包括：构建虚拟编组列车的动力学方程；基于动力学方程根据不同的虚拟编组列车的运行阶段，结合城轨运营特征，构建出站牵引阶段、站间巡航阶段、区间调速阶段和进站停车阶段对应的第一优化函数、第二优化函数、第三优化函数和第四优化函数；对各个优化函数进行求解，得到虚拟编组列车内每个列车单元在各个运行阶段的控制输入量。本发明能解决现有虚拟编组列车运行控制架构下的运行不同步问题、改善进出站易触发紧急制动的状况，提升进出站效率、减小虚拟编组列车的停站时间差。差。差。


技术研发人员：刘宏杰 郎颖辉 罗啸林 唐涛 李开成 曹源 宿帅 柴铭
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/9/7