[發明專利]一種基于最優控制的高速列車緊急制動信號自動處理裝置

有效

• 申請號: 201310232242.9
• 申請日: 2013-06-08
• 公開（公告）號: CN103303298A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 劉興高;胡云卿;張海波;周赤平;孫優賢
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B60T17/18
• 分類號: B60T17/18
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

1.一種基于最優控制的高速列車緊急制動信號自動處理裝置，在列車前方出現緊急狀況時能夠計算出使列車耽誤時間最短的制動策略，并將其作為制動信號加以實施。其特征在于：由車速傳感器、險情距離/處理時間輸入單元、高速列車中控MCU、制動器單元、緊急制動報警及狀態顯示設備構成，各組成部分均由車內數據總線連接。所述裝置的運行過程包括：

步驟A1：開啟車速傳感器用于實時測量當前車速；

步驟A2：列車司機將險情距離以及險情處理時間輸入險情距離/處理時間輸入單元；

步驟A3：高速列車中控MCU執行內部的最優控制方法，計算出既能使列車安全通過險情發生地、同時又使列車耽誤的時間最短的制動策略；

步驟A4：高速列車中控MCU將計算獲得的制動策略轉換為制動指令，發給制動器單元，同時發出緊急制動報警信號。

所述的高速列車中控MCU，包括信息采集模塊、初始化模塊、常微分方程組（Ordinary?Differential?Equation，簡稱ODE）求解模塊、收斂性判斷模塊、動態參數更新模塊、非線性規劃問題（Non-linear?Programming，簡稱NLP）求解模塊、控制指令輸出模塊。其中信息采集模塊包括險情距離采集、險情處理時間采集、當前車速采集三個子模塊，NLP求解模塊包括尋優方向計算、尋優步長計算、NLP收斂性判斷三個子模塊。

所述的高速列車中控MCU自動產生制動信號的最優控制方法為控制變量參數化（Control?variable?parameterization，簡稱CVP）方法，運行步驟如下：

步驟B1：信息采集模塊（31）獲取從險情距離/處理時間輸入單元輸入到中控MCU的設定值，以及從車速傳感器輸入到中控MCU的當前車速值。執行從步驟B2開始的最優控制方法——CVP方法；

步驟B2：初始化模塊（32）開始運行，設置制動過程時間的分段數、制動策略的初始猜測值F^(k)(t)，設定計算精度tol，將迭代次數k置零；

步驟B3：通過ODE求解模塊（33）獲取本次迭代的目標函數值J[F^(k)(t)]和約束函數值。當k=0時跳過步驟B4直接執行步驟B5；

步驟B4：如果J[F^(k)(t)]與上一次迭代的目標函數值J[F^(k-1)(t)]的絕對值之差小于精度tol，則判斷收斂性滿足，并將本次迭代的制動策略作為指令輸出到制動器單元；如果收斂性不滿足，則繼續執行步驟B5；

步驟B5：更新相關動態參數：用F^(k)(t)的值覆蓋F^(k-1)(t)的值，并將迭代次數k增加1；

步驟B6：NLP求解模塊（36）利用在步驟B3中獲得的目標函數值和約束函數值，通過計算尋優方向和尋優步長，獲得比F^(k-1)(t)更優的新制動策略F^(k)(t)。該步驟執行完成后再次跳轉至步驟B3，直至收斂性判斷模塊（34）滿足為止。

所述的ODE求解模塊，采用的方法為四步Adams方法，計算公式為：

x1(ti+1)=x1(ti)+h24[55x2(ti)-59x2(ti-1)+37x2(ti-2)-9x2(ti-3)]]]>

x2(ti+1)=x2(ti)+h24[55F(ti)-59F(ti-1)+37F(ti-2)-9F(ti-3)]]]>

其中t表示時間，t_i表示Adams方法選擇的制動過程中某一時間點，t_i-1表示在Adams方法中選擇的t_i的前一時間點，t_i+1表示在Adams方法中選擇的t_i的后一時間點，以此類推。積分步長h為任意兩相鄰時間點之差。x₁(t_i)表示列車在t_i時刻的行駛距離，x₂(t_i)表示列車在t_i時刻的行駛速度，F(t_i)表示在t_i時刻的制動力。

所述的NLP求解模塊，采用如下步驟實現：

步驟C1：將制動策略F^(k-1)(t)作為向量空間中的某個點，記作P₁，P₁對應的目標函數值就是J[F^(k-1)(t)]；

步驟C2：從點P₁出發，根據選用的NLP算法構造向量空間中的一個尋優方向d^(k-1)和步長α^(k-1)

步驟C3:通過式F^(k)(t)=F^(k-1)(t)+α^(k-1)d^(k-1)構造向量空間中對應u^(k)的另外一個點P₂，使得P₂對應的目標函數值J[F^(k)(t)]比J[F^(k-1)(t)]更優。