一种列车自动驾驶协同控制方法、系统和计算机存储介质与流程

1.本发明涉及列车控制技术领域，特别涉及一种列车自动驾驶协同控制方法、系统和计算机存储介质。


背景技术：

2.机车自动驾驶协同控制是一种自适应的跟随控制，通过采集本车信息、前车信息，以距离偏差和速度偏差等条件作为输入，通过车辆协同跟随方法决策出本车的理想加速度，使本车实际加速度跟随预期加速度值实时改变，保证前后两车协同驾驶过程中维持合理车间距，最终达到提高行车安全性的目的。在进行机车协同控制时，机车间要保持稳定运行，即机车之间的间隔始终要稳定在某一个范围内，但是由于机车外界运行条件的不稳定因素较多（如坡道、限速、空气制动力限制条件等），机车的稳定性会不断发生变化，机车之间间距过大或间距过小均会影响机车控制效果，间隔过大会影响机车的完整性，间隔过小则会引起机车碰撞等安全问题。采用对列车加长、加重等方式虽可以大幅提高运量，提升效率，但乘务人员对列车的操作难度加大，对乘务人员的压力凸显，列车过长还导致中间站无法停靠、司机操纵困难等问题。采用无线同步操纵或司机手动同步操纵虽可缓解部分问题，但挤钩掉道现象仍时有发生，困扰着现场实际运用。
3.由于机车沿坡道方向重力较大，机车运行过程中需要通过电牵引、电制动及空气制动共同调节，根据机车实际操控经验，在长大下坡等线路条件下，电制动无法有效控制机车速度，因此需要通过空气制动及电制动配合调节机车速度，当电制动能够满足机车制动要求时，优先通过电制动对主车速度进行调节，当机车需要制动力较大时，通过电制动空气制动同时对主车速度进行调节。在机车在空气制动缓解后，需要进行充风来满足机车再次施加空气制动条件，因此自动驾驶系统需提前判断所需施加空气制动大小，空气制动过大会导致主车放风延时增加，空气制动过小会导致前后车距离过近，机车减压量需在保证主车在放风及充风过程中不停车的前提下，与前车保持安全距离，因此后车选取合适的空气制动大小至关重要。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，发明人做出本发明，通过具体实施方式，提供一种列车自动驾驶协同控制方法、系统和计算机存储介质。
5.第一方面，本发明实施例提供一种列车自动驾驶协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：根据前后车的安全距离，设置后车空气制动施加和撤销条件；根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型；根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值；确定使所述差值趋于0时的后车所需加速度；使用命令加速度对后车所需加速度进行限制；
确定前车加速且后车减速时，能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，记为第一加速度；确定不撞车条件下对应的最小空气制动对应的后车所需加速度，记为第二加速度；在第一加速度和第二加速度中取小，记为空气制动力约束下的后车加速度；当后车所需加速度小于空气制动力约束下的后车加速度时，将空气制动力约束下的后车加速度作为后车所需加速度；根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位。
6.具体的，所述后车空气制动施加条件，包括：后车空气制动施加时间与上一次空气制动施加时间间隔大于空气制动所需充风时间，后车速度大于不可缓解速度，且满足条件1、2和3中任一条件时，后车即开始施加空气制动；条件1：前车后车均在减速状态下，前车以当前减速度停车，后车以最大电制动力停车，且后车停车时位置超过前车；条件2：前车处于加速状态下，后车处于减速状态下，前车减速度按最小电制动计算，前后车均以当前减速度停车，且后车停车时位置超过前车；条件3：后车速度与配置速度之和大于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度，且最大电制动无法抵消坡度及阻力多带来的减速度或调整速度与充风速度增加值。
7.具体的，所述后车空气制动撤销条件，包括：后车速度与配置速度之和小于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度；并且，后车充风过程预估走行距离、后车放风至停车预估走行距离、跟随车当前位置的和，小于前车所在位置与前车至停车整体预估走行距离的和时，后车撤销空气制动。
8.具体的，所述列车自动驾驶协同控制方法，还包括以下步骤：当前后车为高速动车组，后车延时过程所走位移、后车再次施加最大电气制动所走位移、后车当前位置的和，小于前车所在位置与前车施加最小电制动至停车所走位移的和时，可提高后车加速度。
9.具体的，根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型，包括以下步骤：根据空气制动施加撤销条件，对车间时距进行分段限制，设计前后车基本车间时距为t1；当前车后车均在减速状态下，且后车处于空气制动撤销状态，满足：且t
fb
不超过t1时：前车后车车间时距为：，其中，t
fb
为前后车车间时距，l
trainlen
为前车车长，sf为前车当前位置，sb为前车当前位置，fr_pos_a、be_pos_a分别为前车后车均在减速条件下前、后车至停车走行距离，v
behind
为后车当前速度；
当后车处于空气制动撤销状态，且前车处于加速状态，满足：且t
fb
不超过t1时：前车后车车间时距为：；其中，t
fb
为前后车车间时距，l
trainlen
为前车车长，sf为前车当前位置，sb为前车当前位置，fr_pos_b、be_pos_b分别为前车后车均在减速条件下前、后车至停车走行距离，v
behind
为后车当前速度；当后车处于空气制动施加状态，满足：且t
fb
不超过t1时：前车后车车间时距为：；其中，t
fb
为前后车车间时距，l
trainlen
为前车车长，sf为前车当前位置，sb为前车当前位置，be_pos_c为后车充放风过程整体预估走行距离，fr_pos_c为前车至停车整体预估走行距离，v
behind
为后车当前速度；当以上条件均不满足，需减小车间时距，即统一设置车间时距为t2；当前后车为高速动车组，设计前后车基本车间时距为t3，满足：且t
fb
不超过t3时：前车后车车间时距为：，否则，需减小车间时距，即统一设置车间时距为t4。
10.具体的，根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值，包括以下步骤：基于前车行驶数据，后车行驶数据和可变时距模型，建立车辆协同跟随模型，前后车实际车间距与理想车间距的差值为：
11.其中，s
real
为前后车实际距离，d
safe
为前后车安全距离，为在t时前车当前位置，为在t时后车当前位置，t
fb
为前后车车间时距，为后车当前速度，d是两车静止后的距离，一般取为450m。
12.具体的，确定使所述差值趋于0时的后车所需加速度，包括以下步骤：选取滑模切换函数：
13.其中，是t时前后车实际车间距与理想车间距的差值，为t时前后车的相对速度，为后车与前车的实际距离，t
fb
为前后车车间时距，为后车当前速度，d是两车静止后的距离；通过等速趋近率建立滑模控制方程：
14.当滑模切换函数y趋于0，满足滑模控制方程为0，
15.表示y的导数，代表趋近速度，若过小，表示速度趋近缓慢，若过大，表示趋近速度较快，本算法中取0.2；将滑模切换函数带入滑模控制方程中，得到后车的所需加速度为：
16.式中，为根据车辆协同控制算法计算得到的后车加速度，为前后车车间时距，代表滑模切换函数y趋于0的趋近速度，为t时前后车的相对速度，为t时后车与前车的实际距离，为后车与前车的安全距离，为t时前车加速度。
17.具体的，使用命令加速度对后车所需加速度进行限制，包括以下步骤：通过命令加速度对后车所需加速度进行限制,当后车延时后速度超过命令速度时,以作为后车所需加速度，
18.其中,为后车命令速度,为前车速度,为后车延时，为防止后车加速度计算过大或过小,增加限制条件为:为防止前车起车加速过慢,后车起不了车情况,当后车当前速度v
behind
《10时，以前车加速度作为后车所需加速度，同时后车加速度受命令速度约束减速度，当时，以作为后车所需加速度。
19.具体的，确定前车加速且后车减速时，能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，包括以下步骤：当且时：
20.其他情况下：
21.其中，为前车加速度，com_acc(i)为使后车减速条件下最小空气制动力大小对应的减速度，ele_max_acc为后车最大电制动对应减速度，resis为基本阻力对应的减速度，ramp为当前坡度对应的减速度，tv为目标速度，v
behind
为后车当前速度，tpos为目标位置，ref_acc为能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，sb为后车当前位置。
22.具体的，根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位，包括以下步骤：当判断后车需要加速时，控制输出为后车所需加速度对应的牵引级位；当判断后车车需要减速，且列车动力制动满足调速要求时，控制输出为不超过后车所需加速度的制动级位。
23.第二方面，本发明实施例提供一种列车自动驾驶协同控制系统，包括：空气制动施加撤销模块，用于根据前后车的安全距离，设置后车空气制动施加或
撤销；可变时距确定模块，用于根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型；后车所需加速度确定模块，用于根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值；确定使所述差值趋于0时的后车所需加速度；使用命令加速度对后车所需加速度进行限制；确定前车加速且后车减速时，能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，记为第一加速度；确定不撞车条件下对应的最小空气制动对应的后车所需加速度，记为第二加速度；在第一加速度和第二加速度中取小，记为空气制动力约束下的后车加速度；当后车所需加速度小于空气制动力约束下的后车加速度时，将空气制动力约束下的后车加速度作为后车所需加速度；后车牵引制动模块，用于根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位。
24.具体的，空气制动施加撤销模块，具体用于：后车空气制动施加时间与上一次空气制动施加时间间隔大于空气制动所需充风时间，后车速度大于不可缓解速度，且满足条件1、2和3中任一条件时，后车即开始施加空气制动；条件1：前车后车均在减速状态下，前车以当前减速度停车，后车以最大电制动力停车，且后车停车时位置超过前车；条件2：前车处于加速状态下，后车处于减速状态下，前车减速度按最小电制动计算，前后车均以当前减速度停车，且后车停车时位置超过前车；条件3：后车速度与配置速度之和大于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度，且最大电制动无法抵消坡度及阻力多带来的减速度或调整速度与充风速度增加值；后车速度与配置速度之和小于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度；并且，后车充风过程预估走行距离、后车放风至停车预估走行距离、跟随车当前位置的和，小于前车所在位置与前车至停车整体预估走行距离的和时，后车撤销空气制动。
25.基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令执行时实现前述的列车自动驾驶协同控制方法。
26.本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：通过自动化的协同控制，实现了适用于跟随车空气制动的施加撤销，同时对后车空气制动进行分析计算，根据空气制动施加撤销条件，对前后车车间时距进行限制，确定了一种适用于机车自组网车车跟随的控制方法，同时提出了适用于高速动车组的车车跟随控制方法，适用于装有ato设备的机车、高速动车组，能够保证后车与前车保持一定安全距离，平稳跟随前车，能够实现后车选取合适的空气制动大小，能够实现后车行驶方案的灵活配置，提高运输效率，提高了列车的自动驾驶能力，使机车自动驾驶更加安全。
27.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
28.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
29.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1为本发明实施例中列车自动驾驶协同控制整体设计框图；图2为本发明实施例中列车自动驾驶协同控制流程图；图3为本发明实施例中前后车行驶示意图；图4为本发明实施例中空气制动施加撤销示意图。
具体实施方式
30.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
31.为了解决现有技术中存在的问题，本发明实施例提供一种列车自动驾驶协同控制方法、系统和计算机存储介质。
32.实施例一本发明实施例一提供一种列车自动驾驶协同控制方法，适用于装有ato（automatic train operation，列车自动驾驶）设备的机车、高速动车组，包括如下步骤：步骤s1：根据前后车的安全距离，设置后车空气制动施加和撤销条件。
33.在一些具体的实施例中，所述后车空气制动施加条件，包括：后车空气制动施加时间与上一次空气制动施加时间间隔大于空气制动所需充风时间，后车速度大于不可缓解速度，且满足条件1、2和3中任一条件时，后车即开始施加空气制动；条件1：前车后车均在减速状态下，前车以当前减速度停车，后车以最大电制动力停车，且后车停车时位置超过前车；条件2：前车处于加速状态下，后车处于减速状态下，前车减速度按最小电制动计算，前后车均以当前减速度停车，且后车停车时位置超过前车；条件3：后车速度与配置速度之和大于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度，且最大电制动无法抵消坡度及阻力多带来的减速度或调整速度与充风速度增加值。
34.在一些具体的实施例中，所述后车空气制动撤销条件，包括：后车速度与配置速度之和小于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度；并且，后车充风过程预估走行距离、后车放风至停车预估走行距离、跟随车当前位置的和，小于前车所在位置与前车至停车整体预估走行距离的和时，后车撤销空气制动。
35.在一些具体的实施例中，所述列车自动驾驶协同控制方法，还包括以下步骤：当前后车为高速动车组，后车延时过程所走位移、后车再次施加最大电气制动所
走位移、后车当前位置的和，小于前车所在位置与前车施加最小电制动至停车所走位移的和时，可提高后车加速度。
36.上述后车空气制动施加撤销条件也可以根据机车性能进行适当修改和限制。
37.步骤s2：根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型。
38.在一些具体的实施例中，根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型，包括以下步骤：根据空气制动施加撤销条件，对车间时距进行分段限制，设计前后车基本车间时距为t1(可配置)；当前车后车均在减速状态下，且后车处于空气制动撤销状态，满足：且t
fb
不超过t1时：前车后车车间时距为：
39.其中，为前后车车间时距，l
trainlen
为前车车长，sf为前车当前位置，sb为前车当前位置，fr_pos_a、be_pos_a分别为前车后车均在减速条件下前、后车至停车走行距离，v
behind
为后车当前速度；当后车处于空气制动撤销状态，且前车处于加速状态，满足：且t
fb
不超过t1时：前车后车车间时距为：；其中，t
fb
为前后车车间时距，l
trainlen
为前车车长，sf为前车当前位置，sb为前车当前位置，fr_pos_b、be_pos_b分别为前车后车均在减速条件下前、后车至停车走行距离，v
behind
为后车当前速度；当后车处于空气制动施加状态，满足：且t
fb
不超过t1时：前车后车车间时距为：；其中，t
fb
为前后车车间时距，l
trainlen
为前车车长，sf为前车当前位置，sb为前车当前位置，be_pos_c为后车充放风过程整体预估走行距离，fr_pos_c为前车至停车整体预估走行距离，v
behind
为后车当前速度；当以上条件均不满足，需减小车间时距，即统一设置车间时距为t2；当前后车为高速动车组，设计前后车基本车间时距为t3，满足：且t
fb
不超过t3时：前车后车车间时距为：，否则，需减小车间时距，即统一设置车间时距为t4。
40.步骤s3：根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值；确定使所述差值趋于0时的后车所需加速度；使用命令加速度对后车所需加速度进行限制；确定前车加速且后车减速时，能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，记为第一加速度；确定不撞车条件下对应的最小空气制动对应的后车所需加速度，记为第二
加速度；在第一加速度和第二加速度中取小，记为空气制动力约束下的后车加速度；当后车所需加速度小于空气制动力约束下的后车加速度时，将空气制动力约束下的后车加速度作为后车所需加速度；在一些具体的实施例中，根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值，包括以下步骤：基于前车行驶数据，后车行驶数据和可变时距模型，建立车辆协同跟随模型，前后车实际车间距与理想车间距的差值为：
41.其中，s
real
为前后车实际距离，d
safe
为前后车安全距离，为在t时前车当前位置，为在t时后车当前位置，t
fb
为前后车车间时距，为后车当前速度，d是两车静止后的距离。
42.在一些具体的实施例中，确定使所述差值趋于0时的后车所需加速度，包括以下步骤：选取滑模切换函数：
43.其中，是t时前后车实际车间距与理想车间距的差值，为t时前后车的相对速度，为后车与前车的实际距离，t
fb
为前后车车间时距，为后车当前速度，d是两车静止后的距离；通过等速趋近率建立滑模控制方程：
44.当滑模切换函数y趋于0，能够满足滑模控制方程为0，即，表示y的导数，代表趋近速度，若过小，表示速度趋近缓慢，若过大，表示趋近速度较快，本算法中取0.2；将滑模切换函数带入滑模控制方程中，得到后车的所需加速度为：式中，为根据车辆协同控制算法计算得到的后车加速度，t
fb
为前后车车间时距，代表滑模切换函数y趋于0的趋近速度，为t时前后车的相对速度，为t时后车与前车的实际距离，为后车与前车的安全距离，为t时前车加速度。
45.在一些具体的实施例中，使用命令加速度对后车所需加速度进行限制，包括以下步骤：通过命令加速度对后车所需加速度进行限制,当后车延时后速度超过命令速度时,以作为后车所需加速度，
46.其中,为后车命令速度,为前车速度,为后车延时，为防止后车加速度计算过大或过小,增加限制条件为:为防止前车起车加速过慢,后车起不了车情况,当后车当前速度v
behind
《10时，以前车加速度作为后车所需加速度，同时后车加速度受命令速度约束减速度，当时，以作为后车所需加速度。
47.在一些具体的实施例中，确定前车加速且后车减速时，能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，包括以下步骤：当且时：
48.其他情况下：
49.其中，为前车加速度，com_acc(i)为使后车减速条件下最小空气制动力大小对应的减速度，ele_max_acc为后车最大电制动对应减速度，resis为基本阻力对应的减速度，ramp为当前坡度对应的减速度，tv为目标速度，v
behind
为后车当前速度，tpos为目标位置，ref_acc为能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，sb为后车当前位置。
50.上述ato后车加速度设计，也可以通过其他算法进行设计。
51.步骤s4：根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位。
52.在一些具体的实施例中，根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位，包括以下步骤：当判断后车需要加速时，控制输出为后车所需加速度对应的牵引级位；当判断后车车需要减速，且列车动力制动满足调速要求时，控制输出为不超过后车所需加速度的制动级位。
53.例如，在一些具体的实施例中，针对机车一般通过加长、加重等方式提高运量，提升效率，但容易导致列车出现断钩、无法停靠站等安全问题，为了进一步提高机车运输效率则必须通过提高机车控制水平、同时减少列车间追踪距离，采用基于设计了一种机车自动驾驶协同控制，为了跟随车能够始终与前车保持安全距离，需要结合当前线路坡度及前车位置对主车施加合理的空气制动力，根据安全距离模型进行协同控制，此方法可以提高机车之间安全距离的灵活度。如图1所示，首先根据前后车的相关信息，主要包括前后车的位置、速度、加速度等，在合适的位置下施加空气制动保证机车按理想减速度运行，并基于空气制动约束得到可变时距模型，最终通过协同控制算法计算跟随车期望减速度，基于期望减速度对机车牵引制动量进行控制，最终保证跟随车平稳运行。
54.控制流程如图2所示，在得到前后车位置、速度及加速度信息后，将充风时间（机车在空气制动力撤销后，需要满足一定的充风时间补充气体，充风完成后，才能进行下一次放风）、放风延时（机车仅在车头施加空气制动力，需经过一段时间后才能使整车均达到理想制动状态）、运行阻力及速度位置等相关信息作为输入，通过安全距离及延时约束模型y(t)以及空气制动施加撤销状态d(t)，根据所获取的后车电空转换状态，通过空气制动限制约束模型得到所需施加空气制动范围air(t)(针对高速动车组不需要此约束)，结合当前前后
车速度位置及加速度信息，得到后车安全距离模型s(t)，最终通过协同控制模型对后车理想加速度进行计算，得到后车实际需要施加的加速度信息a(t)，进而得到电制动及电牵引级位输出，最终通过速度传感器对下一周期加速度、速度等状态进行闭环控制，具体包括以下内容：1、基于安全距离及延时约束下的可变时距模型(1)可变时距基本模型表示方法时距变化模型主要包括固定时距模型和可变时距模型。固定时距模型由于灵活度较差，无法根据机车实际运行状态实时改变，可变时距模型相对灵活，主要根据前后车速度位置及加速度变化来改变前后车距离，由于前车不受本车控制，且空气制动施加撤销会快速改变机车速度，因此需充分考虑空气制动对前后车车间时距的影响，首先对可变时距基本模型进行建立，如图3所示，其中基本机车时距目前设定为t1（可配置），当两车停车后距离较近，拉大车间时距，当两车停车后距离较远，减小车间时距，车间时距基本公式设定如下：
55.其中，l
trainlen
为前车车长，sf为前车当前位置，sb为后车当前位置，fr_pos为前车至停车所走位移，be_pos为后车至停车所走位移，v
behind
为后车当前速度。
56.(2)跟随车多约束条件下的可变时距模型1)跟随车与前车安全距离约束表示空气制动施加或撤销如图4所示，包括施加和撤销两种条件。由于在机车运行过程中，需电制动空气制动共同作用，在空气制动撤销后，需要一定的充风时间对机车进行充风，才能够保证机车再次稳定施加空气制动。因此在控制算法的设计中需充分考虑空气制动施加条件。后车空气制动主要包括以下5个条件，其中条件1和条件2为施加空气制动必须满足条件，条件3、条件4、条件5满足其一即开始施加空气制动。
57.条件1：后车空气制动施加时间与上一次空气制动施加时间间隔大于空气制动所需充风时间。
58.条件2：后车速度大于不可缓解速度。
59.条件3：前车后车均在减速状态下，若前车以当前减速度停车，后车以最大电制动力停车，且后车停车时位置超过前车，则施加空气制动，其中前后车至停车距离计算方法如下：
[0060][0061]
其中fr_pos_a，be_pos_a分别为前车后车均在减速条件下前、后车至停车走行距离，v
front
、v
behind
分别为前后车速度，a
front
为当前周期前后车加速度，ele_max_acc为最大电制动对应减速度，resis为基本阻力对应的减速度，ramp为当前坡度对应的减速度。
[0062]
条件4：前车处于加速状态下，后车处于减速状态下，前车减速度按最小电制动计算，若前后车均以当前减速度停车，且后车停车时位置超过前车，施加空气制动，其中前后车至停车距离计算方法如下：
[0063][0064]
其中fr_pos_b，be_pos_b分别为前车后车均在减速条件下前、后车至停车走行距离，b
min
_acc为前车施加最小电制动对应减速度，v
front
、v
behind
分别为前后车速度。
[0065]
条件5：后车速度v
behind
与配置速度v1之和大于或等于第一参考速度temp_v1（第一参考速度temp_v1为后车充风后位置对应的命令速度），且最大电制动无法抵消坡度及阻力多带来的减速度或调整速度与充风速度增加值，即同时满足以下两个条件：
[0066][0067]
其中temp_v1为后车充风后位置对应的命令速度，v1为放风延时期间中预估机车速度增加值，ele_max_acc为最大电制动对应减速度，v
behind
为后车当前速度。
[0068]
2)跟随车牵引制动延时约束表示空气制动撤销条件1：后车速度v
behind
与配置速度v2之和小于或等于第二参考速度temp_v2（第二参考速度temp_v2为预估机车放风后再次充风结束得到的命令速度）。
[0069][0070]
v2为空气制动根据充风及放风延时期间预估机车速度增加值。
[0071]
空气制动撤销条件2：跟随车空气制动撤销，满足（后车充风过程预估走行距离+后车放风至停车预估走行距离+跟随车当前位置《前车所在位置+前车至停车整体预估走行距离（若此时前车减速度小于最小空气制动对应减速度，前车位移以当前减速度计算，当前车处于加速状态下，前车减速度最小电制动计算）时，撤销空气制动。
[0072][0073][0074][0075][0076][0077]
其中：ele_max_acc为最大电制动对应减速度，be_pos_up为后车充风过程预估走行距离，be_pos_down为后车放风至停车预估走行距离，v
behind2
为后车充风后达到的速度，v
behind
为后车当前速度，be_acc为后车施加当前电制动对应减速度，be_fill_time为充风时间，air_exau_time为后车放风延时，fr_acc为前车预估减速度(根据前车加速减速情况估计)，be_pos_c为后车充放风过程整体预估走行距离，fr_pos_c为前车至停车整体预估走行距离。
[0078]
针对高速动车组电牵引制动约束条件：由于高速动车组时速较高，需考虑电牵引制动延时对前后车距离影响，与空气制动撤销条件2类似，需满足（跟随车延时过程所走位移+跟随车再次施加最大电气制动所走位移+跟随车当前位置《前车所在位置+前车施加最小电制动至停车所走位移（若此时前车电制动当前减速度小于最小电制动对应减速度，前车位移以当前减速度计算，当前车处于加速状态下，前车减速度最小电制动计算），可提高后车加速度。
[0079]
[0080][0081][0082][0083][0084]
其中：ele_max_acc为最大电制动对应减速度，be_pos_up为后车延时过程预估走行距离，be_pos_down为后车至停车预估走行距离，v
behind
为后车当前速度，v
behind2
为后车延时后达到的速度，be_acc为后车施加最大电制动对应减速度，time_delay为电牵引制动延时，fr_acc为前车预估减速度(根据前车加速减速情况估计)，be_pos_d为后车充放风过程整体预估走行距离，fr_pos_d为前车至停车整体预估走行距离。
[0085]
3)跟随车多约束条件下的可变时距模型针对机车自动驾驶协同控制，由于前后车车间时距需依据空气制动施加及撤销条件变化，根据空气制动施加撤销条件，对车间时距进行分段限制，设计前后车基本车间时距为t1(可配置)，当前车后车均在减速状态下，且后车处于空气制动撤销状态，满足：时：前车后车车间时距为：
[0086]
当后车处于空气制动撤销状态，且前车处于加速状态，满足：时：前车后车车间时距为：
[0087]
当后车处于空气制动施加状态，满足：时：前车后车车间时距为：
[0088]
当以上条件均不满足，说明前后车距离较远，需减小车间时距，即统一设置车间时距为t2(可配置)。
[0089]
针对高速动车组自动驾驶协同控制，设计前后车基本车间时距为t3(可配置)，满足：时：前车后车车间时距为：
[0090]
否则，说明前后车距离较远，需减小车间时距，即统一设置车间时距为t4(可配置)。
[0091]
2、列车协同控制模型基于前车行驶数据，本车行驶数据和可变时距安全距离模型，建立车辆协同跟随模型实际车间距与理想车间距的差值为：
[0092]
其中，s
real
为前后车实际距离，d
safe
为前后车安全距离，为在t时前车当前位置，为在t时后车当前位置，t
fb
为前后车车间时距，为后车当前速度，d是两车静止后的距离，一般取为450m（可配置），为了让本车始终能够与前车存在理想的位置偏差，因此算法设计在尽量使车辆速度不发生大幅度转变的前提下，将车间距偏差以及前后车的相对速度之和逼近于0。最终选取滑模切换函数：
[0093]
通过等速趋近率建立滑模控制方程：
[0094]
当滑模切换函数y-》0，能够满足滑模控制方程为0，即，代表趋近速度。若过小，表示速度趋近缓慢，若过大，表示趋近速度较快，本算法中取0.2。
[0095]
将切换函数带入滑模控制方程中，最终得到后车的预期加速度为：
[0096]
式中，为根据车辆协同控制算法计算得到的后车加速度，为前后车的相对速度，为后车与前车的实际距离；为后车与前车的安全距离。
[0097]
为防止后车速度超过命令速度,通过命令速度对后车加速度进行限制,当后车延时后速度超过命令速度时,后车加速度为:
[0098]
其中,为后车命令速度,为前车速度,为后车延时，为防止后车加速度计算过大或过小,增加限制条件为:为防止前车起车加速过慢,后车起不了车情况,当v
behind
《10时，其中v
behind
为后车速度:
[0099]
同时后车加速度受命令速度约束减速度，当：时：
[0100]
3、空气制动力范围限制约束在判断后车能够施加空气制动前提下，后车在施加空气制动阶段大小为以下几种条件得到的减速度取小：（条件1：根据后车目标点及前后车减速度配置后车减速度）当前车处于加速状态，
后车处于减速状态，后车减速度使用能够保证后车减速条件下最小空气制动能够减速度（此条件设置原因为防止后车空气制动力过大,导致充风时间过长,后车停车），当前车处于减速状态，判断后车当前位置至最目标点减速度，使用配置减速度，相关公式如下：当：且时：
[0101]
其他情况下：
[0102]
其中：com_acc(i)为使后车减速条件下最小空气制动力大小，ele_max_acc为后车最大电制动对应减速度，tv为目标速度，tpos为目标位置，ref_acc为后车最终施加减速度大小。sb为后车当前位置。
[0103]
（条件2：不撞车条件下对应的最小空气制动对应减速度）根据前后车位置及前后车减速度，确保后车在充风过程中始终与前车保持安全距离所得到减速度，即前车停车位置》后车二次充放风后停车位置，即需满足：
[0104]
其中若前车减速度小于最小空气制动对应减速度，计算前车以当前减速度至停车所走位移，若前车处于减速状态但减速度大于最小空气制动对应减速度，计算前车以最小空气制动对应减速度至停车所走位移。当前车处于加速状态，后车处于减速状态，前车减速度按最小电制动计算。
[0105]
根据以上条件计算得到后车减速度，计算此减速度抛去最大电制动、坡度及阻力后所需减速度大小，同时计算能够满足此条件最小空气制动力，作为后车在当前周期下所需施加的空气制动力大小。
[0106]
即需满足：条件其中com_acc(i)为满足条件下施加空气制动力所对应的减速度，在空气制动施加期间，后车加速度受空气制动限制，即：当：时：
[0107]
根据所得加减速度，后车（跟随车）转换为牵引制动输出计算如下：(1)若判断后车需要加速控制输出为期望加速度（考虑线路坡度）对应的牵引级位；(2)若判断从车需要减速：若列车动力制动满足调速要求，控制输出为接近且小于等于期望减速度（考虑线路坡度）的制动级位。
[0108]
本实施例的上述方法中，通过协同控制，实现了适用于跟随车空气制动的施加撤销，同时对后车空气制动进行分析计算，根据空气制动施加撤销条件，对前后车车间时距进行限制，确定了一种适用于机车自组网车车跟随的控制方法，同时提出了适用于高速动车组的车车跟随控制方法，适用于装有ato设备的机车、高速动车组，能够保证后车与前车保持一定安全距离，平稳跟随前车，能够实现后车选取合适的空气制动大小，能够实现后车行驶方案的灵活配置，提高运输效率，提高了列车自动驾驶能力，使机车自动驾驶更加安全。
[0109]
本领域技术人员能够对上述顺序进行变换而并不离开本公开的保护范围。
[0110]
实施例二本发明实施例二提供一种列车自动驾驶协同控制系统，包括：空气制动施加撤销模块，用于根据前后车的安全距离，设置后车空气制动施加或撤销；可变时距确定模块，用于根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型；后车所需加速度确定模块，用于根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值；确定使所述差值趋于0时的后车所需加速度；使用命令加速度对后车所需加速度进行限制；确定前车加速且后车减速时，能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，记为第一加速度；确定不撞车条件下对应的最小空气制动对应的后车所需加速度，记为第二加速度；在第一加速度和第二加速度中取小，记为空气制动力约束下的后车加速度；当后车所需加速度小于空气制动力约束下的后车加速度时，将空气制动力约束下的后车加速度作为后车所需加速度；后车牵引制动模块，用于根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位。
[0111]
在一些实施例中，空气制动施加撤销模块，具体用于：后车空气制动施加时间与上一次空气制动施加时间间隔大于空气制动所需充风时间，后车速度大于不可缓解速度，且满足条件1、2和3中任一条件时，后车即开始施加空气制动；条件1：前车后车均在减速状态下，前车以当前减速度停车，后车以最大电制动力停车，且后车停车时位置超过前车；条件2：前车处于加速状态下，后车处于减速状态下，前车减速度按最小电制动计算，前后车均以当前减速度停车，且后车停车时位置超过前车；条件3：后车速度与配置速度之和大于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度，且最大电制动无法抵消坡度及阻力多带来的减速度或调整速度与充风速度增加值；后车速度与配置速度之和小于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度；并且，后车充风过程预估走行距离、后车放风至停车预估走行距离、跟随车当前位置的和，小于前车所在位置与前车至停车整体预估走行距离的和时，后车撤销空气制动。
[0112]
关于上述实施例中的系统，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
[0113]
本实施例中，通过协同控制，实现了适用于跟随车空气制动的施加撤销，同时对后车空气制动进行分析计算，根据空气制动施加撤销条件，对前后车车间时距进行限制，确定了一种适用于机车自组网车车跟随的控制系统，同时提出了适用于高速动车组的车车跟随控制方案，适用于装有ato设备的机车、高速动车组，能够保证后车与前车保持一定安全距离，平稳跟随前车，能够实现后车选取合适的空气制动大小，能够实现后车行驶方案的灵活配置，提高运输效率，提高了列车自动驾驶能力，使机车自动驾驶更加安全。
[0114]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令执行时实现前述的列车自动驾驶
协同控制方法。
[0115]
凡在本发明的原则范围内做的任何修改、补充和等同替换等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围内。

技术特征：
1.一种列车自动驾驶协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：根据前后车的安全距离，设置后车空气制动施加和撤销条件；根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型；根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值；确定使所述差值趋于0时的后车所需加速度；使用命令加速度对后车所需加速度进行限制；确定前车加速且后车减速时，能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，记为第一加速度；确定不撞车条件下对应的最小空气制动对应的后车所需加速度，记为第二加速度；在第一加速度和第二加速度中取小，记为空气制动力约束下的后车加速度；当后车所需加速度小于空气制动力约束下的后车加速度时，将空气制动力约束下的后车加速度作为后车所需加速度；根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述后车空气制动施加条件，包括：后车空气制动施加时间与上一次空气制动施加时间间隔大于空气制动所需充风时间，后车速度大于不可缓解速度，且满足条件1、2和3中任一条件时，后车开始施加空气制动；条件1：前车后车均在减速状态下，前车以当前减速度停车，后车以最大电制动力停车，且后车停车时位置超过前车；条件2：前车处于加速状态下，后车处于减速状态下，前车减速度按最小电制动计算，前后车均以当前减速度停车，且后车停车时位置超过前车；条件3：后车速度与配置速度之和大于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度，且最大电制动无法抵消坡度及阻力多带来的减速度或调整速度与充风速度增加值。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述后车空气制动撤销条件，包括：后车速度与配置速度之和小于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度；并且，后车充风过程预估走行距离、后车放风至停车预估走行距离、跟随车当前位置的和，小于前车所在位置与前车至停车整体预估走行距离的和时，后车撤销空气制动。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述列车自动驾驶协同控制方法，还包括以下步骤：当前后车为高速动车组，后车延时过程所走位移、后车再次施加最大电气制动所走位移、后车当前位置的和，小于前车所在位置与前车施加最小电制动至停车所走位移的和时，可提高后车加速度。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型，包括以下步骤：根据空气制动施加撤销条件，对车间时距进行分段限制，设计前后车基本车间时距为t1；当前车后车均在减速状态下，且后车处于空气制动撤销状态，满足：
且t
fb
不超过t1时：前车后车车间时距为：其中，t
fb
为前后车车间时距，l
trainlen
为前车车长，s
f
为前车当前位置，s
b
为前车当前位置，fr_pos_a、be_pos_a分别为前车后车均在减速条件下前、后车至停车走行距离，v
behind
为后车当前速度；当后车处于空气制动撤销状态，且前车处于加速状态，满足：且t
fb
不超过t1时：前车后车车间时距为：；其中，t
fb
为前后车车间时距，l
trainlen
为前车车长，s
f
为前车当前位置，s
b
为前车当前位置，fr_pos_b、be_pos_b分别为前车后车均在减速条件下前、后车至停车走行距离，v
behind
为后车当前速度；当后车处于空气制动施加状态，满足：且t
fb
不超过t1时：前车后车车间时距为：；其中，t
fb
为前后车车间时距，l
trainlen
为前车车长，s
f
为前车当前位置，s
b
为前车当前位置，be_pos_c为后车充放风过程整体预估走行距离，fr_pos_c为前车至停车整体预估走行距离，v
behind
为后车当前速度；当以上条件均不满足，需减小车间时距，统一设置车间时距为t2；当前后车为高速动车组，设计前后车基本车间时距为t3，满足：且t
fb
不超过t3时：前车后车车间时距为：，否则，需减小车间时距，统一设置车间时距为t4，其中，be_pos_d为后车充放风过程整体预估走行距离，fr_pos_d为前车至停车整体预估走行距离。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值，包括以下步骤：基于前车行驶数据，后车行驶数据和可变时距模型，建立车辆协同跟随模型，前后车实际车间距与理想车间距的差值为：；其中， s
real
为前后车实际距离，d
safe
为前后车安全距离，为在t时前车当前位置，为在t时后车当前位置，t
fb
为前后车车间时距，为后车当前速度，d是两车静止后的距离。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定使所述差值趋于0时的后车所需加速度，包括以下步骤：选取滑模切换函数：；其中，是t时前后车实际车
间距与理想车间距的差值，为t时前后车的相对速度，为后车与前车的实际距离，t
fb
为前后车车间时距，为后车当前速度，d是两车静止后的距离；通过等速趋近率建立滑模控制方程：；当滑模切换函数y趋于0，满足滑模控制方程为0，,表示y的导数，代表趋近速度；将滑模切换函数带入滑模控制方程中，得到后车的所需加速度为：；式中，为根据车辆协同控制算法计算得到的后车加速度，t
fb
为前后车车间时距，代表滑模切换函数y趋于0的趋近速度，为t时前后车的相对速度，为t时后车与前车的实际距离，为后车与前车的安全距离，为t时前车加速度。8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使用命令加速度对后车所需加速度进行限制，包括以下步骤：通过命令加速度对后车所需加速度进行限制,当后车延时后速度超过命令速度时,以作为后车所需加速度，；其中,为后车命令速度, 为前车速度,为后车延时，为防止后车加速度计算过大或过小,增加限制条件为:为防止前车起车加速过慢,后车起不了车情况,当后车当前速度v
behind
<10时，以前车加速度作为后车所需加速度，同时后车加速度受命令速度约束减速度，当时，以作为后车所需加速度。9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定前车加速且后车减速时，能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，包括以下步骤：当且时：；其他情况下：；其中，为前车加速度，com_acc(i)为使后车减速条件下最小空气制动力大小对应的减速度，ele_max_acc为后车最大电制动对应减速度，resis为基本阻力对应的减速度，ramp为当前坡度对应的减速度，tv为目标速度，v
behind
为后车当前速度，tpos为目标位置，ref_acc为能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，s
b
为后车当前位置。10.如权利要求1至9任一所述的方法，其特征在于，根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位，包括以下步骤：当判断后车需要加速时，控制输出为后车所需加速度对应的牵引级位；当判断后车车需要减速，且列车动力制动满足调速要求时，控制输出为不超过后车所需加速度的制动级位。
11.一种列车自动驾驶协同控制系统，其特征在于，包括：空气制动施加撤销模块，用于根据前后车的安全距离，设置后车空气制动施加或撤销；可变时距确定模块，用于根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型；后车所需加速度确定模块，用于根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值；确定使所述差值趋于0时的后车所需加速度；使用命令加速度对后车所需加速度进行限制；确定前车加速且后车减速时，能保证后车减速的最小空气制动力下的后车所需加速度，记为第一加速度；确定不撞车条件下对应的最小空气制动对应的后车所需加速度，记为第二加速度；在第一加速度和第二加速度中取小，记为空气制动力约束下的后车加速度；当后车所需加速度小于空气制动力约束下的后车加速度时，将空气制动力约束下的后车加速度作为后车所需加速度；后车牵引制动模块，用于根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位。12.如权利要求11所述的列车自动驾驶协同控制系统，其特征在于，空气制动施加撤销模块，具体用于：后车空气制动施加时间与上一次空气制动施加时间间隔大于空气制动所需充风时间，后车速度大于不可缓解速度，且满足条件1、2和3中任一条件时，后车开始施加空气制动；条件1：前车后车均在减速状态下，前车以当前减速度停车，后车以最大电制动力停车，且后车停车时位置超过前车；条件2：前车处于加速状态下，后车处于减速状态下，前车减速度按最小电制动计算，前后车均以当前减速度停车，且后车停车时位置超过前车；条件3：后车速度与配置速度之和大于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度，且最大电制动无法抵消坡度及阻力多带来的减速度或调整速度与充风速度增加值；后车速度与配置速度之和小于参考速度，所述参考速度为预估后车放风后再次充风结束得到的命令速度；并且，后车充风过程预估走行距离、后车放风至停车预估走行距离、跟随车当前位置的和，小于前车所在位置与前车至停车整体预估走行距离的和时，后车撤销空气制动。13.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令执行时实现权利要求1-10任一所述的列车自动驾驶协同控制方法。

技术总结
本发明公开了一种列车自动驾驶协同控制方法、系统和计算机存储介质。包括：根据前后车的安全距离，设置后车空气制动施加和撤销条件；根据前后车速度状态和空气制动状态，设置对应的可变时距模型；根据前后车行驶数据和可变时距模型，确定实际车距和理想车距的差值；确定使差值趋于0时的后车所需加速度；使用命令加速度对后车所需加速度进行限制；确定空气制动力约束下的后车加速度；当后车所需加速度小于空气制动力约束下的后车加速度时，将空气制动力约束下的后车加速度作为后车所需加速度；根据后车所需加速度，确定对应的牵引或制动级位。能够实现后车选取合适的空气制动大小，提高运输效率，提高列车自动驾驶能力，提高自动驾驶的安全性。自动驾驶的安全性。自动驾驶的安全性。


技术研发人员：王佳 汪知宇 葛鹭明 陈志强 王祺 赵中甲 王鹏
受保护的技术使用者：北京全路通信信号研究设计院集团有限公司
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/5/10