專利名稱：一種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本 發(fā)明涉及鐵路運(yùn)輸列車運(yùn)行控制技術(shù)，尤其是涉及一種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
我國鐵路當(dāng)前最先進(jìn)的列車運(yùn)行控制技術(shù)(簡稱“列控技術(shù)”)以京滬高速鐵路的CTCS-3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)(簡稱“列控系統(tǒng)”)為代表，屬于“準(zhǔn)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)”范疇，根據(jù)我國鐵路列控技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，未來將進(jìn)一步過渡到采用“移動(dòng)閉塞技術(shù)”的CTCS-4級列控系統(tǒng)；然而，在“CTCS-3級列控系統(tǒng)”向“CTCS-4級列控系統(tǒng)”的過渡過程中，存在著許多關(guān)鍵性技術(shù)難題需要攻克；目前，在世界范圍內(nèi)還鮮有“鐵路移動(dòng)閉塞系統(tǒng)”的報(bào)道。移動(dòng)閉塞系統(tǒng)完全取消了傳統(tǒng)固定閉塞系統(tǒng)以軌道電路區(qū)段和地面信號(hào)機(jī)對列車進(jìn)行定位、導(dǎo)航的行車模式，代之以精確定位、導(dǎo)航技術(shù)；與固定閉塞系統(tǒng)相比；移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中列車間隔呈現(xiàn)出“移動(dòng)”和“長度變化”的特征，因?yàn)楦咚倭熊嚫Y運(yùn)行過程中，從安全角度考慮，列車間隔不能太小，從線路運(yùn)能的充分利用來講，列車間隔有不能太大；高速列車在跟馳運(yùn)行過程中，必須隨時(shí)根據(jù)自身的速度、應(yīng)與前車保持的安全車距，以及當(dāng)前與前車的實(shí)際車距等諸多因素，通過調(diào)整自身運(yùn)行狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)對列車間隔的控制，從而達(dá)到安全、高效跟馳運(yùn)行的目的。由于不同速度條件下高速列車的制動(dòng)距離不一樣，應(yīng)與前車保持的距離也有所不同，如何實(shí)時(shí)確定其安全跟馳車距，無疑是高速列車跟馳運(yùn)行過程中科學(xué)調(diào)整自身行為實(shí)現(xiàn)安全、高效跟馳運(yùn)行必須遵循的重要依據(jù)之一。對安全車距進(jìn)行標(biāo)定，必須遵循“安全第一的原則”，首先考慮列車全速域范圍內(nèi)的跟馳運(yùn)行安全問題；對安全車距進(jìn)行標(biāo)定，不能僅僅考慮安全，還應(yīng)在確保安全行車的前提下考慮線路運(yùn)行能的充分利用問題，即安全車距不宜過大；安全車距的標(biāo)定，應(yīng)以安全、高效行車為目標(biāo)，緊密結(jié)合列車性能、線路狀況、列車運(yùn)行狀態(tài)、列車運(yùn)行控制策略等諸多因素。安全車距的標(biāo)定，為高速列車安全、高效跟馳運(yùn)行提供了可以遵循的依據(jù)；但是，最后標(biāo)定的安全車距，僅為有限數(shù)據(jù)的集合。高速列車行為調(diào)整，由于自身慣性，其速度是連續(xù)變化，需要在列車運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化過程中解決全速域范圍內(nèi)安全車距的標(biāo)定問題。高速列車跟馳運(yùn)行過程中全速域安全車距動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)標(biāo)定技術(shù)，是移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中高速列車在不同速度條件下均能實(shí)現(xiàn)安全、高效和平穩(wěn)(舒適)運(yùn)行的關(guān)鍵與核心技術(shù)之一。移動(dòng)閉塞條件下高速列車在跟馳運(yùn)行過程中對自身行為的科學(xué)調(diào)整，必須建立在全速域動(dòng)態(tài)安全車距實(shí)時(shí)標(biāo)定的基礎(chǔ)之上。因此，如何在列車運(yùn)行過程中對安全車距進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)和合理標(biāo)定，將決定能否為高速列車自身行為調(diào)整提供優(yōu)化目標(biāo)與科學(xué)的依據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可以在保證高速列車跟馳運(yùn)行的安全性前提下有助于提高線路運(yùn)能利用程度的的全速域安全車距標(biāo)定方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法，包括以下步驟I)后車根據(jù)絕對安全車距關(guān)于車速的擬合函數(shù)計(jì)算絕對制動(dòng)模式下的絕對安全車距；2)若后車采取相對制動(dòng)模式，則根據(jù)前車的性能參數(shù)、當(dāng)前位置、運(yùn)行狀態(tài)和控制策略諸信息，對步驟I)中得到的安全車距進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，獲取當(dāng)前應(yīng)與前車保持的相對安全車距，然后執(zhí)行步驟3 ;若后車采取絕對制動(dòng)模式，則直接執(zhí)行步驟3)；3)后車根據(jù)跟馳運(yùn)行過程中采取的制動(dòng)模式，確定自身與前車應(yīng)保持的安全車距后，進(jìn)一步確定與其對應(yīng)的跟馳控制策略；··
4)后車根據(jù)跟馳該控制策略對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到所述的安全車距。列車的安全車距為d = d2+ Δ Ci-Ci1(I1為前車的制動(dòng)距離，d2為后車的制動(dòng)距離，d為前車與后車的安全車距，Ad為保證安全行車所必須的富裕間隔。所述的制動(dòng)模式包括絕對制動(dòng)模式和相對制動(dòng)模式,絕對制動(dòng)模式中前車的制動(dòng)距離Cl1 = 0，相對制動(dòng)模式中前車的制動(dòng)距離Cl1 Φ 0，若后車可獲取前車的性能參數(shù)、當(dāng)前位置、運(yùn)行狀態(tài)和控制策略諸信息，則采用相對制動(dòng)模式，該制動(dòng)模式下對應(yīng)的安全車距為相對安全車距，若后車只能獲取前車的當(dāng)前位置或自身為定點(diǎn)停車運(yùn)行狀態(tài)，則采用絕對制動(dòng)模式，該模式下對應(yīng)的安全車距為絕對安全車距。在絕對制動(dòng)模式下確定安全車距的具體過程包括以下步驟A)建立絕對安全車距的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合高速列車跟馳運(yùn)行的實(shí)際情況加以驗(yàn)證，在全速域范圍內(nèi)對不同車速條件下的絕對安全車距進(jìn)行標(biāo)定，建立絕對安全車距關(guān)于車速的擬合函數(shù)，同時(shí)后車在性能參數(shù)允許范圍內(nèi)建立高速列車的控制策略庫；B)后車根據(jù)絕對安全車距關(guān)于車速的擬合函數(shù)，計(jì)算當(dāng)前情況下后車與前車應(yīng)保持的安全車距；C)對在當(dāng)前情況下安全車距與實(shí)際車距進(jìn)行比較，確定安全性及高效性最好的控制策略。在相對制動(dòng)模式下確定安全車距的具體過程包括以下步驟；a)后車通過無線通信鏈路獲取前車的性能參數(shù)、當(dāng)前位置、運(yùn)行狀態(tài)以及將要采取的控制策略；b)后車接收到前車發(fā)送的信息后，基于當(dāng)前絕對安全車距(即d2+Ad)計(jì)算相對安全車距(即d = d2+ Λ Chd1，前車加速運(yùn)行情況下Cl1按其當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下的緊急制動(dòng)距離計(jì)算)，作為調(diào)整自身運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)之一；c)后車對當(dāng)前的相對安全車距與實(shí)際車距進(jìn)行比較，結(jié)合自身性能參數(shù)、當(dāng)前位置與運(yùn)行狀態(tài)確定當(dāng)前最佳控制策略。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以列車運(yùn)行狀態(tài)、列車實(shí)際間距等因素為約束條件，根據(jù)列車的不同制動(dòng)模式及前、后列車的信息交流狀況，在跟馳運(yùn)行過程中對(絕對或相對)安全車距進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)定，獲取當(dāng)前跟馳狀態(tài)下應(yīng)保持的最佳車距，并根據(jù)相應(yīng)的控制策略對列車的運(yùn)行進(jìn)行控制，以達(dá)到該安全車距，從而在保證高速列車跟馳運(yùn)行安全性的前提下進(jìn)一步提聞線路運(yùn)能的利用效率。


圖I為高速列車跟馳運(yùn)行安全車距計(jì)算的示意圖；圖2為高速列車減速運(yùn)行控制策略曲線圖，其中(a)為速度時(shí)間曲線圖，(b)為加速度時(shí)間曲線圖。圖3為安全車距關(guān)于后車車速的擬合曲線圖；圖4為絕對制動(dòng)模式下安全車距實(shí)時(shí)標(biāo)定的示意圖；圖5為相對制動(dòng)模式下安全車距實(shí)時(shí)標(biāo)定的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例一種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法，包括以下步驟第一步，確定不同制動(dòng)模式下計(jì)算安全車距的總體框架。安全車距的計(jì)算如圖I所示，設(shè)定前車為Trainl，后車為Train2，兩車保持一定間距并以速度Vtl勻速行駛，當(dāng)Trainl減速時(shí)，Train2必須采取因應(yīng)措施減速停車，設(shè)Trainl減速開始時(shí)刻為初始時(shí)刻，那么Cl1為Trainl運(yùn)行距離，d2為Train2運(yùn)行距離，d為兩車之間的間隔，Λ d為保證安全行車所必須的富裕間隔。因此，跟馳運(yùn)行速度Vtl條件下的車距應(yīng)為d = d2+ Δ (I-Cl1(I)絕對制動(dòng)模式中前車的制動(dòng)距離Cl1 = 0，稱為“撞硬墻方式”，相對制動(dòng)模式中前車的制動(dòng)距離Cl1 Φ 0，稱為“撞軟墻方式”。因此，相對安全車距可在當(dāng)前絕對安全車距的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮前車運(yùn)行狀態(tài)和欲采取的控制策略計(jì)算而得。然后，可以建立計(jì)算絕對安全車距的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型應(yīng)能夠準(zhǔn)確描述經(jīng)驗(yàn)司機(jī)駕車時(shí)列車減速運(yùn)行過程的行為細(xì)節(jié)，并反映人們對列車減速運(yùn)行過程的普遍期望；然后，結(jié)合高速鐵路運(yùn)輸實(shí)踐加以驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)對不同車速條件下的安全車距的靜態(tài)標(biāo)定。高速列車減速停車的數(shù)學(xué)模型如式(2)所示V = - (b+δ ) *tanh (k* (t_ τ ))-b+v。(2)式中，V(l、b、k、τ為大于0的常數(shù)，δ為大于O的微小增量常數(shù)，V為速度變量(停車時(shí)V = O), t為時(shí)間變量，tanhO)表示雙曲正切函數(shù)。對式⑵求導(dǎo)可得列車減速運(yùn)行過程中的加速度函數(shù)a = ^---k*(b^r§)*(\-tanh2(k *(t- τ}))
dt(3)由于tanh2 (k* (t_ τ )) ^ I，有max (| a |) = k* (b+ δ )(4)成立。顯然，當(dāng)t= τ時(shí)，加速度a的絕對值最大。只要max( I a|)選擇合理，就可以確保高速列車變速運(yùn)行的舒適性和平穩(wěn)性，使旅客感覺不到車體傳遞到人體的加速度，或使貨物免受損壞。當(dāng)k = ki>k2(O < Ii1 < k2)時(shí),可得相應(yīng)的v_t曲線和a_t曲線,見圖2所示(圖中虛線表示的曲線為k = Ic1時(shí)的曲線沿橫坐標(biāo)軸平移而得)。圖2(a)描述了不同k值條件下由初速Vtl+δ降至末速V(|-2b-δ勻速行駛的列車減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，其圖形為關(guān)于點(diǎn)(τ，v0-b)對稱的單調(diào)函數(shù)(τ = T1或1 = τ2)。當(dāng)t — - οο時(shí)，ν — ν(|+δ ,其加速度值趨于0;t — + 時(shí)，V — v0-2b- δ ,其加速度值趨于O ;整個(gè)變速運(yùn)行過程存在加速度極值點(diǎn)，見圖2(b)所示。由于列車減速運(yùn)行過程必須考慮工程化實(shí)現(xiàn)問題，為此在式(2)中引入了 δ參數(shù)。可以看出，當(dāng)S確定后，不同k值條件下列車減速運(yùn)行過程，即從初速Vtl至末速V(|-2b，所花費(fèi)的時(shí)間和運(yùn)行的距離存在著“差異”;k值的大小與曲線的陡峭程度存在密切相關(guān)性，k值不僅體現(xiàn)了列車運(yùn)行的效率和平穩(wěn)程度，而且反映了列車在自身減速能力約束下所采取的控制策略，能夠準(zhǔn)確描述經(jīng)驗(yàn)司機(jī)駕車行駛條件下列車減速運(yùn)行過程的行為細(xì)節(jié)，以及人們對列車減速運(yùn)行過程的普遍期望。一般情形下的安全車距計(jì)算的數(shù)學(xué)模型見式(5)所示。^ = I*v2*dt+6d- V1*dt(5)其中，V1、V2可由式(2)給出，T1J2分別為Trainl、Train2由其各自的初速度v1(l、V20和末速度O以及速度-時(shí)間函數(shù)VpV2計(jì)算而得,而且T2包括Train2對Trainl的行為變化做出反應(yīng)的滯后時(shí)間。建立計(jì)算絕對安全車距的數(shù)學(xué)模型，見式(6)所示。
權(quán)利要求
1.ー種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法，其特征在于，包括以下步驟 1)后車根據(jù)絕對安全車距關(guān)于車速的擬合函數(shù)計(jì)算絕對制動(dòng)模式下的絕對安全車距； 2)若后車采取相對制動(dòng)模式，則根據(jù)前車的性能參數(shù)、當(dāng)前位置、運(yùn)行狀態(tài)和控制策略，對步驟1)中得到的安全車距進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，獲取當(dāng)前應(yīng)與前車保持的相對安全車距，然后執(zhí)行步驟3 ;若后車采取絕對制動(dòng)模式，則直接執(zhí)行步驟3)； 3)后車根據(jù)跟馳運(yùn)行過程中采取的制動(dòng)模式，確定自身與前車應(yīng)保持的安全車距后，進(jìn)ー步確定與其對應(yīng)的跟馳控制策略； 4)后車根據(jù)該跟馳控制策略對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到所述的安全車距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ー種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法，其特征在于，列車的安全車距為d = d2+ Δ d-di も為前車的制動(dòng)距離，d2為后車的制動(dòng)距離，d為前車與后車的安全車距，Ad為保證安全行車所必須的富裕間隔。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ー種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法，其特征在于，所述的制動(dòng)模式包括絕對制動(dòng)模式和相對制動(dòng)模式，絕對制動(dòng)模式中前車的制動(dòng)距離di = 0,相對制動(dòng)模式中前車的制動(dòng)距離も 0,若后車可獲取前車的性能參數(shù)、當(dāng)前位置、運(yùn)行狀態(tài)和控制策略諸信息，則采用相對制動(dòng)模式，該制動(dòng)模式下對應(yīng)的安全車距為相對安全車距，若后車只能獲取前車的當(dāng)前位置或自身為定點(diǎn)停車運(yùn)行狀態(tài)，則采用絕對制動(dòng)模式，該模式下對應(yīng)的安全車距為絕對安全車距。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法，其特征在于，在絕對制動(dòng)模式下確定安全車距的具體過程包括以下步驟 A)建立絕對安全車距的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合高速列車跟馳運(yùn)行的實(shí)際情況加以驗(yàn)證，在全速域范圍內(nèi)對不同車速條件下的絕對安全車距進(jìn)行標(biāo)定，建立絕對安全車距關(guān)于車速的擬合函數(shù)，同時(shí)后車在性能參數(shù)允許范圍內(nèi)建立高速列車的控制策略庫； B)后車根據(jù)絕對安全車距關(guān)于車速的擬合函數(shù)，計(jì)算當(dāng)前情況下后車與前車應(yīng)保持的安全車距； C)對在當(dāng)前情況下安全車距與實(shí)際車距進(jìn)行比較，確定安全性及高效性最好的控制策略。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的ー種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法，其特征在于，在相對制動(dòng)模式下確定安全車距的具體過程包括以下步驟 a)后車通過無線通信鏈路獲取前車的性能參數(shù)、當(dāng)前位置、運(yùn)行狀態(tài)以及將要采取的控制策略； b)后車接收到前車發(fā)送的信息后，基于當(dāng)前絕對安全車距計(jì)算相對安全車距； c)后車對當(dāng)前的相對安全車距與實(shí)際車距進(jìn)行比較，結(jié)合自身性能參數(shù)、當(dāng)前位置與運(yùn)行狀態(tài)確定當(dāng)前最佳控制策略。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速列車跟馳運(yùn)行全速域安全車距標(biāo)定方法，包括以下步驟1)后車根據(jù)擬合函數(shù)計(jì)算絕對制動(dòng)模式下的絕對安全車距；2)后車根據(jù)制動(dòng)模式對安全車距進(jìn)行調(diào)整；3)后車根據(jù)跟馳運(yùn)行過程中采取的制動(dòng)模式，確定自身與前車應(yīng)保持的安全車距后，進(jìn)一步確定與其對應(yīng)的跟馳控制策略；4)后車根據(jù)該跟馳控制策略對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到所述的安全車距。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明以列車運(yùn)行狀態(tài)、列車實(shí)際間距等因素為約束條件，能夠獲取不同制動(dòng)模式下、全速域范圍內(nèi)的最佳安全車距，有助于高速列車在復(fù)雜運(yùn)輸環(huán)境中采取合理的跟馳控制策略，保證跟馳運(yùn)行的安全性和高效性。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102955884SQ20121048333
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月23日
發(fā)明者潘登, 夏易君 申請人:同濟(jì)大學(xué)