[發明專利]一種基于分布式的地鐵列車虛擬編隊運行控制方法

在審

• 申請號: 202110775046.0
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113552801A
• 公開（公告）日: 2021-10-26
• 發明（設計）人: 李樹凱;楊立興;張熠雯;高自友;王艷輝
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04;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: 閆萍

1.一種基于分布式的地鐵列車虛擬編隊運行控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：將地鐵列車追蹤速度運行曲線，列車限速信息，列車摩擦阻力系數作為控制系統輸入；

S2：在每個采樣控制周期，監測并得到各列車的實時速度和位置信息；

S3：根據各列車實時速度和位置信息，設計基于分布式的地鐵列車虛擬編隊運行控制方法，基于序列二次規劃算法計算各列車的控制輸出，并對列車進行控制，地鐵列車虛擬編隊運行控制方法步驟包括：

S31：建立地鐵列車動態運行模型；

S32：設計預測控制算法，設定預測控制時域，在設定預測控制時域內，根據地鐵列車動態運行模型、控制系統約束和控制目標，以各地鐵列車的位置及運行速度為狀態變量，以各編隊列車的控制力為控制變量，分別對編隊內領導列車和跟隨列車形成優化控制問題，實現編隊內列車的分布式控制；

S33：基于序列二次規劃算法，求解各列車優化控制問題，得出編隊內每個列車控制力，并將其作用于列車運行控制系統；

S4：重復步驟S2-S3，直到控制過程結束。

2.根據權利要求1所述的一種基于分布式的地鐵列車虛擬編隊運行控制方法，其特征在于，步驟S31包括如下步驟：

S311：考慮虛擬編隊由n輛地鐵列車組成；設定M_i為地鐵列車i的質量，s_i為地鐵列車i的位置，v_i為地鐵列車i的速度；地鐵列車運行控制模型建立如下：

其中,i＝1時，表示領導列車；i＝2,3,...n時，表示跟隨列車；uⁱ為地鐵列車i的控制力，αⁱ、βⁱ、γⁱ為地鐵列車i的運行基本阻力系數；Fⁱ為地鐵列車i的附加阻力，附加阻力的計算公式如下：

其中，fr為坡度阻力，fc為彎道阻力，ft為隧道空氣阻力，κ為軌道坡度的千分數，τ為彎道曲率半徑，L_s為隧道長度；κ和r的值取決于列車運行的線路條件；

S312：對于地鐵列車運行控制系統，列車控制是在采樣周期內進行反饋信息采樣，并進行控制；采樣周期△t選取0.1秒；采用地鐵列車運動控制的離散動態模型進行控制設計；在時間點k，地鐵列車運行控制模型的離散動態形式建立如下：

其中，sⁱ(k)、vⁱ(k)、uⁱ(k)分別為地鐵列車i在時間點k的位置、速度及控制力；sⁱ(k+1)和vⁱ(k+1)表示一時間點k時的變量值動態更新得到的列車i在時間點k+1的位置及速度；

令xⁱ(k)＝(sⁱ(k)vⁱ(k))^T為狀態變量，上標T表示矩陣轉置，uⁱ(k)為控制變量，得到式(4)所示的動態方程：

xⁱ(k+1)＝xⁱ(k)+△tf'(xⁱ(k),uⁱ(k))i＝1,2,...,n (4)

其中，

表示地鐵列車i在時間點k的狀態變量xⁱ(k)對時間t的導數。

3.根據權利要求1所述的一種基于分布式的地鐵列車虛擬編隊運行控制方法，其特征在于，步驟S32包括如下步驟：

S321：控制系統約束；

由于領導列車和跟隨列車優化控制需達到的目標不相同，分別考慮領導列車和跟隨列車的限制約束；

S322：控制目標函數；

S323：優化控制模型；

基于模型預測控制算法框架，在當前采樣點t，給定預測控制時域T_p，對預測時域內各時間點k進行控制力的優化控制；且當前采樣點t的初始狀態變量輸入值為：

其中，為當前采樣點t監測得到的地鐵列車i的實際狀態；

通過考慮上述控制目標函數(15)(16)、動態方程(4)、領導列車的控制系統約束(5)-(8)、跟隨列車的控制系統約束(9)-(14)以及初始狀態變量輸入值(17)，將地鐵列車運行控制問題轉換為最優控制問題。