專利名稱：列車工況轉(zhuǎn)換控制方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及列車控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種列車工況轉(zhuǎn)換控制方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
城市軌道交通列車在線路上運行時有三種基本工況牽引工況、惰行工況和制動 工況，列車在運行中通過這三種工況的相互配合轉(zhuǎn)換來完成列車的啟動、加速、減速和制動 等過程。在列車安全運行的前提下，如何在列車運行過程中選擇適當(dāng)?shù)臅r機轉(zhuǎn)換上述三種 工況，從而最大限度的節(jié)約列車的能耗支出，提高旅客乘坐舒適度，保證列車整點運行，是 世界各國的鐵路運輸部門都關(guān)注的問題。對于基于通信的列車自動控制(Communication Based TrainControl System, CBTC)，目前大多數(shù)情況下由司機對列車運行進行控制，司機根據(jù)目標(biāo)速度、 最大限速、當(dāng)前行駛速度并結(jié)合司機的駕駛經(jīng)驗來轉(zhuǎn)換列車運行工況，人為對列車工 況轉(zhuǎn)換進行控制。而工況轉(zhuǎn)換自動控制主要是采用基于比例積分微分(Proportion IntegrationDifferentiation, PID)控制的列車自動駕駛設(shè)備(Automatic Train0peration,AT0)對列車工況轉(zhuǎn)換進行控制，由ATO設(shè)備實現(xiàn)列車的自動控制。PID控 制器是一種線性調(diào)節(jié)器，將設(shè)定值與輸出值的偏差按比例、積分和微分進行控制。這種控制 方法要事先設(shè)定速度_距離曲線，按照事先安排好的行車曲線進行速度控制。采用PID控 制列車速度時，PID控制器通過設(shè)定值與輸出值的差值確定當(dāng)前列車運行應(yīng)該采用的工況， 從而控制列車工況轉(zhuǎn)換。現(xiàn)有工況轉(zhuǎn)換技術(shù)中，人為控制由于司機經(jīng)驗的差異或者主觀原因難免出現(xiàn)差 錯；自動控制方案中，列車運行控制模型是一個非常復(fù)雜的多變量、非線性動力學(xué)模型，很 難用精確的數(shù)學(xué)模型來表示，這就給PID控制器的設(shè)計帶來了很多的問題；而且列車工況 轉(zhuǎn)換控制有著很多年人工控制的經(jīng)驗，利用PID控制器對列車工況轉(zhuǎn)換控制不能利用人類 已經(jīng)總結(jié)出的優(yōu)秀的駕駛經(jīng)驗。從這兩個方面來看，目前列車工況轉(zhuǎn)換控制方法中存在以 下幾方面的不足(1)、人為工況轉(zhuǎn)換控制完全基于司機的駕駛水平、駕駛習(xí)慣及駕駛經(jīng)驗，不同司 機駕駛工況轉(zhuǎn)換點不同，主觀性太強，難免出現(xiàn)人為差錯；(2)、控制列車工況轉(zhuǎn)換的PID控制模型很難準(zhǔn)確的建立，而且PID控制速度時的 加速減速轉(zhuǎn)換次數(shù)過多，即工況轉(zhuǎn)換頻繁，不利于列車平穩(wěn)運行，能耗過大；(3)、自動工況轉(zhuǎn)換完全依賴基于速度的PID算法，無法加入已經(jīng)成熟、優(yōu)秀的列 車司機駕駛經(jīng)驗，乘坐的舒適性、列車運行能耗等問題無法進行很好的控制。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何精確控制列車工況進行轉(zhuǎn)換，降低列車能耗，并 保證行車安全和乘車的舒適性。
(二)技術(shù)方案為此，本發(fā)明提供了一種列車工況轉(zhuǎn)換控制方法，包括步驟11、獲取列車當(dāng)前受到的合力F，當(dāng)前運行速度和目標(biāo)速度的速度差e作為輸 入變量；步驟12、將所述輸入變量進行模糊化處理；步驟13、根據(jù)制定的模糊規(guī)則，對所述模糊化處理的結(jié)果進行模糊推理，得到輸出
變量U;步驟14、對所述輸出變量U進行去模糊化處理，根據(jù)所述去模糊化處理的結(jié)果控 制列車工況的轉(zhuǎn)換。所述合力F包括列車當(dāng)前的牽引力、當(dāng)前的制動力、當(dāng)前的基本阻力和附加阻力 的和。所述步驟12具體包括根據(jù)選擇的三角形隸屬函數(shù)，將所述輸入變量模糊化處理。所述模糊規(guī)則具體包括列車速度小于最高限速，且列車穩(wěn)定運行，且列車在規(guī)定運營時分運行，且所述合 力的瞬時變化率的范圍為0. 48 0. 69m/s3，且列車在兩站之間的運行中，工況的轉(zhuǎn)換次數(shù) 小于2。所述保證列車穩(wěn)定運行具體包括當(dāng)速度差e經(jīng)模糊化之后的狀態(tài)在{負大，負 中，正中，正大}中時，調(diào)整列車行駛速度消除速度差e，當(dāng)速度差e經(jīng)模糊化之后的狀態(tài)在 {負小，零，正小}中時，選擇控制量要防止超調(diào)。所述合力F，速度差e，輸出變量U都用{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大} 七種狀態(tài)來描述，其中{負大，負中}為牽引工況，{負小，零，正小}為惰性工況，{正中，正 大}為制動工況。本發(fā)明還提供了一種列車工況轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)，包括模糊化模塊，與列車超速防護模塊以及列車自動駕駛模塊相連接，用于從所述列 車超速防護模塊和列車自動駕駛模塊中獲取當(dāng)前運行速度和目標(biāo)速度的速度差e，以及基 于當(dāng)前運行速度對列車做受力分析得到列車所受的合力F，將所述合力F和速度差e作為輸 入變量，對所述輸入變量進行模糊化處理并輸出；模糊規(guī)則制定模塊，用于制定模糊規(guī)則并存儲；模糊推理模塊，與所述模糊化模塊和模糊規(guī)則制定模塊相連接，用于根據(jù)所述模 糊規(guī)則，對所述模糊化模塊輸出的變量進行模糊推理得到輸出變量U并發(fā)送；去模糊化模塊，與所述模糊推理模塊相連接，用于將所述輸出變量U進行去模糊 化處理，并將處理結(jié)果發(fā)送；所述列車自動駕駛模塊，與所述去模糊化模塊、模糊化模塊以及列車超速防護模 塊相連接，用于計算列車當(dāng)前目標(biāo)速度并根據(jù)所述處理結(jié)果控制列車進行工況的轉(zhuǎn)換；所述列車超速防護模塊，與所述模糊化模塊相連接，用于獲得列車的當(dāng)前運行速度。(三)有益效果上述技術(shù)方案具有如下有益效果通過采用模糊控制的方法，不需要建立精確模型，就能夠結(jié)合已有的專家經(jīng)驗對列車的運行進行精確控制，且本發(fā)明對列車工況轉(zhuǎn)換的 控制避免了工況的頻繁轉(zhuǎn)換，保證了乘坐的舒適性和安全性，降低了能耗。


圖1是本發(fā)明列車工況轉(zhuǎn)換控制方法實施例一流程圖；圖2是本發(fā)明列車工況轉(zhuǎn)換控制方法實施例二流程圖；圖3為本發(fā)明列車工況轉(zhuǎn)換控制方法中的三角形隸屬函數(shù)示意圖；圖4是本發(fā)明列車工況轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)實施例結(jié)構(gòu)示意圖。其中，1 模糊化模塊；2 模糊規(guī)則制定模塊；3 模糊推理模塊；4 去模糊化模塊； 5 列車超速防護模塊；6 列車自動駕駛模塊。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，為本發(fā)明列車工況轉(zhuǎn)換控制方法實施例一流程圖，本實施例包括以 下步驟步驟11、獲取列車當(dāng)前受到的合力F，當(dāng)前運行速度和目標(biāo)速度的速度差e作為輸 入變量；步驟12、將步驟11中的輸入變量進行模糊化處理；步驟13、根據(jù)制定的模糊規(guī)則，對模糊化處理的結(jié)果進行模糊推理，得到輸出變量 U；步驟14、對輸出變量U進行去模糊化處理，根據(jù)去模糊化處理的結(jié)果控制列車工 況的轉(zhuǎn)換。如圖2所示，為本發(fā)明列車工況轉(zhuǎn)換控制方法實施例二流程圖；本實施例包括以 下步驟步驟21 獲取輸入變量F和e 獲取列車當(dāng)前的牽引力、制動力、基本阻力和附加阻力并求和得到合力F ；獲取列 車當(dāng)前運行速度ν和目標(biāo)速度ντ并求差得到速度差e ；將合力F和速度差e作為輸入變量；具體地，根據(jù)列車牽引計算規(guī)程實時對列車做受力分析，根據(jù)列車的牽引特性曲 線得到列車當(dāng)前速度下的牽引力，根據(jù)列車的制動特性曲線得到列車當(dāng)前速度下的制動 力，利用經(jīng)驗公式或者對當(dāng)前列車做系統(tǒng)辨識得到列車在當(dāng)前速度下的基本阻力，同時結(jié) 合當(dāng)前線路因素得到列車附加阻力；對上述所有力求合力，得到合力F ；通過列車超速防護(Automatic Train Protection, ATP)模塊可以采集到列車當(dāng) 前運行速度V，通過ATO可以獲取計算的列車目標(biāo)速度ντ，計算兩個速度的差e = ντ-ν,以 合力F和e作為列車工況轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)的輸入變量；步驟22 選擇隸屬函數(shù)，將輸入變量F和e模糊化選擇三角形函數(shù)作為模糊控制的隸屬函數(shù)，其解析表達式如下
f(x,a,b,c)= <
0
χ-a b-a c-x
x<a a<x<b
b<x<c
c-b
0 x>cv.為了達到理想的控制效果，模糊控制系統(tǒng)的輸入，即模糊化控制模塊的輸入變量 包括當(dāng)前工況中列車所受的合力F、目標(biāo)速度和當(dāng)前速度的差值e，而要在模糊控制中使用 這些變量，則需要用模糊化模塊對其進行模糊化；模糊控制系統(tǒng)的控制規(guī)則表現(xiàn)為一組模糊條件語句，在條件語句中描述輸入輸出 變量狀態(tài)的一些詞匯的集合稱為這些變量的詞集。本實施例用{負大，負中，負小，零，正 小，正中，正大}七種狀態(tài)作為描述輸入F，e以及輸出變量U的狀態(tài)的詞集。選擇較多的詞 匯描述輸入、輸出變量，可以更方便的制定控制規(guī)則，但相應(yīng)的控制規(guī)則變的復(fù)雜；選擇詞 匯過少，使得描述變量變得粗糙，導(dǎo)致控制器的性能變壞；因此一般選擇六、七個變量。描述 輸入、輸出變量的詞匯都具有模糊特性，可用模糊集合來表示。因此，模糊概念的確定問題 就直接轉(zhuǎn)化為求取模糊集合隸屬函數(shù)的問題。選擇合適的隸屬函數(shù)是輸入變量模糊化的核心。盡管隸屬函數(shù)是人為主觀定義的 函數(shù)，但其必須符合客觀實際，具有一定的客觀性、科學(xué)性、穩(wěn)定性和可信度。因此，無論選 擇什么樣的隸屬函數(shù)，都應(yīng)反映出模糊集的漸變性、穩(wěn)定性和連續(xù)性，隸屬函數(shù)必須是連續(xù) 的、對稱的。常用的隸屬函數(shù)有三角形、梯形、鐘形、高斯形和Sigmoid形。其中三角形隸屬 函數(shù)足夠滿足模糊控制的需求，并且有著使用簡單、易于分析和修改的特點。因此，本實施 例選擇三角形隸屬函數(shù)，根據(jù)三角形隸屬函數(shù)對輸入?yún)?shù)F和e進行模糊化處理，將模糊化 處理的結(jié)果輸出。步驟23 制定并存儲模糊規(guī)則模糊控制規(guī)則基于專家經(jīng)驗和控制規(guī)律，而這些經(jīng)驗和規(guī)律是人們通過學(xué)習(xí)、試 驗以及長期經(jīng)驗累積而逐漸形成的，是一些技術(shù)知識的集合。利用模糊集合理論和語言變 量的概念，可以把利用語言歸納的手動控制策略上升為數(shù)值運算，于是可以采用計算機完 成這個任務(wù)以代替人的手動控制，實現(xiàn)模糊自動控制。用語言歸納手動控制策略的過程，實際上就是建立模糊控制器的控制規(guī)則的過 程，手動控制策略一般可以用條件語句加以描述，如“如果A且B，則C”等。本實施例制定的模糊規(guī)則包括以下內(nèi)容(1)列車速度小于最高限速；模糊規(guī)則的制定首先考慮安全性，即列車速度絕對不能超過最高限速；(2)保證列車的穩(wěn)定運行；當(dāng)列車目標(biāo)速度和當(dāng)前運行速度的誤差e大和較大時，選擇控制量以盡快消除誤 差為主，而當(dāng)誤差較小時，選擇控制量要防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點；一般情況下，經(jīng)模糊化處理后，若e的狀態(tài)為{負大，正大}中的任一種，則認為e 大，若e的狀態(tài)為{負中，正中}中的任一種，則認為e較大，若e的狀態(tài)為{負小，正小，零}中的任一種，則認為e較小。本實施例中速度差e的取值范圍的界定是通過隸屬函數(shù)的計算 得到的，根據(jù)三角形隸屬函數(shù)參數(shù)的取值不同，所形成的三角形隸屬函數(shù)的形狀也不相同， 對速度差e范圍的界定也不同；如圖3所示，為本發(fā)明列車工況轉(zhuǎn)換控制方法中的三角形隸 屬函數(shù)示意圖，其中，縱坐標(biāo)表示列車工況當(dāng)前所處的狀態(tài)在當(dāng)前模糊集中的取值，橫坐標(biāo) 代表輸入量的具體數(shù)值。(3)保證列車在規(guī)定運營時分運行；列車運行速度應(yīng)當(dāng)跟隨目標(biāo)速度，即列車能在規(guī)定運營時分運行，保證運營效 率；理想狀態(tài)下，列車運行速度應(yīng)當(dāng)?shù)扔谀繕?biāo)速度，但這種狀況不容易精確達到，因此 只要列車運行速度與目標(biāo)速度的差值經(jīng)模糊化之后，在{負大，負中，負小，零，正小，正中， 正大}七種狀態(tài)范圍內(nèi)，能保證運營效率即可；(4)列車所受合力的瞬時變化率盡量小；考慮列車運行的舒適性，即列車所受合力的瞬時變化率盡量?。蛔鳛橄到y(tǒng)的輸入合力F，可以通過進一步計算的到合力F的瞬時變化率。這個指標(biāo) 來自于城市軌道交通中的參數(shù)“沖擊率”，它的大小主要影響旅客乘坐列車的舒適性，因此 要求列車正常情況加減速時避免造成大的沖動。有關(guān)資料顯示，90% -95%的乘客能容許 的限度為坐姿下列車的加速度為1. Om/s2、列車的加速度變化率為0. 69m/s3 ；站立時列車 的加速度為0. 78m/s2，列車的加速度變化率為0. 48m/s3 ；合力的瞬時變化率不是控制的輸 入，只是制定模糊規(guī)則的一個條件。如果按照當(dāng)前制定的模糊規(guī)則得到的合力瞬時變化率 過大，則要對規(guī)則進行相應(yīng)修改，比如合力的瞬時變化率的取值范圍可以為0. 48 0. 69m/
3
S O(5)考慮列車運行的能耗，即列車工況變化的頻率盡可能小。具體地，列車在兩站臺之間運行時在惰行工況和牽引工況之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)不能大 于2次；根據(jù)上述原則，本發(fā)明制定出了模糊控制規(guī)則如表1所示
權(quán)利要求
一種列車工況轉(zhuǎn)換控制方法，其特征在于，包括步驟11、獲取列車當(dāng)前受到的合力F，當(dāng)前運行速度和目標(biāo)速度的速度差e作為輸入變量；步驟12、將所述輸入變量進行模糊化處理；步驟13、根據(jù)制定的模糊規(guī)則，對所述模糊化處理的結(jié)果進行模糊推理，得到輸出變量U；步驟14、對所述輸出變量U進行去模糊化處理，根據(jù)所述去模糊化處理的結(jié)果控制列車工況的轉(zhuǎn)換。
2.如權(quán)利要求1所述的列車工況轉(zhuǎn)換控制方法，其特征在于，所述合力F包括列車當(dāng) 前的牽引力、當(dāng)前的制動力、當(dāng)前的基本阻力和附加阻力之和。
3.如權(quán)利要求1所述的列車工況轉(zhuǎn)換控制方法，其特征在于，所述步驟12具體包括 根據(jù)選擇的三角形隸屬函數(shù)，將所述輸入變量模糊化處理。
4.如權(quán)利要求3所述的列車工況轉(zhuǎn)換控制方法，其特征在于，所述模糊規(guī)則具體包括 列車速度小于最高限速，且列車穩(wěn)定運行，且列車在規(guī)定運營時分運行，且所述合力的瞬時 變化率的范圍為0. 48 0. 69m/s3，且列車在兩站之間的運行中，工況的轉(zhuǎn)換次數(shù)小于2。
5.如權(quán)利要求4所述的列車工況轉(zhuǎn)換控制方法，其特征在于，所述保證列車穩(wěn)定運行 具體包括當(dāng)速度差e經(jīng)模糊化之后的狀態(tài)在{負大，負中，正中，正大}中時，調(diào)整列車行 駛速度消除速度差e，當(dāng)速度差e經(jīng)模糊化之后的狀態(tài)在{負小，零，正小}中時，選擇控制 量要防止超調(diào)。
6.如權(quán)利要求1所述的列車工況轉(zhuǎn)換控制方法，其特征在于，所述合力F，速度差e，輸 出變量U都用{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}七種狀態(tài)來描述，其中{負大，負 中}為牽引工況，{負小，零，正小}為惰性工況，{正中，正大}為制動工況。
7.—種列車工況轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)，其特征在于，包括模糊化模塊，與列車超速防護模塊以及列車自動駕駛模塊相連接，用于從所述列車超 速防護模塊和列車自動駕駛模塊中獲取當(dāng)前運行速度和目標(biāo)速度的速度差e，以及基于當(dāng) 前運行速度對列車做受力分析得到列車所受的合力F，將所述合力F和速度差e作為輸入變 量，對所述輸入變量進行模糊化處理并輸出；模糊規(guī)則制定模塊，用于制定模糊規(guī)則并存儲；模糊推理模塊，與所述模糊化模塊和模糊規(guī)則制定模塊相連接，用于根據(jù)所述模糊規(guī) 則，對所述模糊化模塊輸出的變量進行模糊推理得到輸出變量U并發(fā)送；去模糊化模塊，與所述模糊推理模塊相連接，用于將所述輸出變量U進行去模糊化處 理，并將處理結(jié)果發(fā)送；所述列車自動駕駛模塊，與所述去模糊化模塊、模糊化模塊以及列車超速防護模塊相 連接，用于計算列車當(dāng)前目標(biāo)速度并根據(jù)所述處理結(jié)果控制列車進行工況的轉(zhuǎn)換；所述列車超速防護模塊，與所述模糊化模塊相連接，用于獲得列車的當(dāng)前運行速度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種列車工況轉(zhuǎn)換控制方法及系統(tǒng)，該方法包括步驟獲取列車當(dāng)前受到的合力F，當(dāng)前運行速度和目標(biāo)速度的速度差e作為輸入變量；將所述輸入變量進行模糊化處理；根據(jù)制定的模糊規(guī)則，對所述模糊化處理的結(jié)果進行模糊推理，得到輸出變量U；對所述輸出變量U進行去模糊化處理，根據(jù)所述去模糊化處理的結(jié)果控制列車工況的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明不需要建立精確模型，就能夠結(jié)合已有的專家經(jīng)驗對列車的運行進行精確控制，且本發(fā)明對列車工況轉(zhuǎn)換的控制避免了工況的頻繁轉(zhuǎn)換，保證了乘坐的舒適性和安全性，降低了能耗。
文檔編號B61L27/00GK101941450SQ20101026428
公開日2011年1月12日 申請日期2010年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者唐濤, 寧濱, 張路, 王海峰, 邊遠, 郜春海 申請人:北京交通大學(xué)