[發明專利]一種基于預測控制的高速列車節能運行曲線在線計算方法

有效

• 申請號: 202011032137.7
• 申請日: 2020-09-27
• 公開（公告）號: CN112249099B
• 公開（公告）日: 2021-07-02
• 發明（設計）人: 李樹凱;仲維鋒;陳澤彬;楊立興;高自友
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: B61L27/00
• 分類號: B61L27/00
• 代理公司: 北京衛平智業專利代理事務所(普通合伙) 11392
• 代理人: 張新利;謝建玲

本發明涉及一種基于預測控制的高速列車節能運行曲線在線計算方法，包括S1：將線路坡度，速度限制，列車參數和列車參考速度曲線作為列車控制系統輸入；S2：在每個采樣控制周期，監測并得到列車運行的實時速度和位移信息；S3：根據列車的實時速度和位移信息，設計預測控制方法，在線計算列車的運行曲線，實現列車節能運行。本發明以節能為目標，根據預測控制方法進行建模。在每個控制步驟，最優控制問題轉化為多階段最優控制問題，然后通過偽譜法高效求解。通過在每個步驟中反復解決預測時域內的列車最優控制問題，在線獲取列車整個行程的節能列車速度曲線。本發明具有計算效率高和魯棒性好等優點，可實現對高速列車運行速度曲線的實時計算。

技術領域

本發明涉及軌道交通運行控制領域。更具體地，涉及一種以節能為目標的基于預測控制的高速列車節能運行曲線在線計算的方法。

背景技術

近些年來，隨著高速鐵路的快速發展，許多高速鐵路系統都以高度自動化的方式運行，列車自動控制(ATC)系統在高速鐵路的安全和節能運營中發揮著重要作用。組成ATC的關鍵子系統之一是列車自動運行(ATO)系統，該系統主要功能是實現列車的自動駕駛，提高列車的運行效率，節省列車的運行能耗。對于ATO系統來說，最重要的就是能夠有效準確地跟蹤列車的最佳運行速度曲線，因此，作為ATO系統的參考信號，確定列車的最佳運行速度曲線無疑在列車自動運行過程中起著至關重要的作用。

目前，大多數研究將列車速度曲線生成問題表述為最優控制問題。從最優控制的角度來看，有三種基本的數值方法可以解決列車的最優控制問題：動態規劃，間接方法和直接方法。動態規劃通過以遞歸方式將其分解為更簡單的子問題，從而簡化了復雜的問題。當動態規劃應用于具有連續狀態空間的離散系統時，通常需要通過離散化來近似。這種離散容易導致“維數詛咒”，這意味著計算成本相對于狀態空間維數呈指數增長，隨著維數的增大，傳統的動態規劃容易出現維數克死的現象。在間接方法中，一般使用變異演算來獲得最優性的一階必要條件。這些必要條件導致了哈密頓邊值問題。由于最優控制問題的強烈的非線性和不穩定性，通常很難解決邊值問題。與間接方法不同，所謂的直接方法通過將控制和/或狀態變量(如列車牽引力、制動力，速度和位置等)的數值離散化，將原始的最優列車控制問題轉換為約束數學規劃問題來進行求解。近年來，一類特殊的直接方法——偽譜法，在數值最優控制領域中日益突出。從上世紀90年代開始，偽譜方法被用于解決最優控制問題，例如軌道轉移，月球導航，磁控制。近年來，由于大規模計算的快速發展，偽譜法的應用范圍已經逐漸擴大。然而，偽譜法在列車運行曲線計算方面應用較少。因此，本發明采用偽譜法來解決列車運行曲線計算問題。與此同時，目前大多數研究僅限于根據固定的運行參數(例如固定的列車阻力系數和靜態線速度限制)對列車的參考速度曲線進行離線計算。在實際中，列車的阻力系數并不清楚，其中一些甚至隨惡劣的天氣條件而變化。此外，不確定的操作干擾以及臨時速度限制(TSR)可能會導致意外的延誤。因此，在上述情況下，如果ATO僅嘗試遵循離線確定的參考速度曲線，則難以確保列車的行駛性能。

發明內容

為了解決現有技術中存在的問題，本發明提出了一種基于預測控制的高速列車節能運行曲線在線計算方法，在考慮列車阻力模型不確定性和運行干擾的情況下實施列車節能運行策略，對實現高速鐵路列車的節能運行和自動駕駛具有較好的參考意義和實用價值。本發明的技術方案如下：

一種基于預測控制的高速列車節能運行曲線在線計算方法，包括如下步驟：

S1：將線路坡度，速度限制，列車參數和列車參考速度曲線作為列車控制系統輸入；

S2：在每個采樣控制周期，監測并得到列車運行的實時速度和位移信息；

S3：根據列車的實時速度和位移信息，設計預測控制方法，在線計算列車的運行曲線，實現列車節能運行。

步驟S3具體包括以下步驟：

S31：將兩個站點之間的軌道離散化為N個子區間，然后進一步離散為Q個小區間。