基于列車間直接通信的列車編隊(duì)追蹤間隔控制策略研究

陳啟香

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞　721000）

基于列車間直接通信的列車編隊(duì)追蹤間隔控制策略研究

陳啟香

（寶雞文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，陜西 寶雞721000）

為實(shí)現(xiàn)近來提出的列車編隊(duì)運(yùn)行方式，本文將現(xiàn)有列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，并對編隊(duì)內(nèi)部兩列車追蹤間隔控制策略進(jìn)行研究?；诹锌叵到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，通過對其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，得出列車間直接通信與現(xiàn)有間接通信之間的冗余規(guī)則。同時針對編隊(duì)內(nèi)部列車間追蹤間隔的控制，本文采用模糊控制方法，通過在車載計(jì)算機(jī)添加模糊控制模塊，并在已設(shè)計(jì)好的模塊中加入一個擾動進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，得出自動調(diào)整策略能使列車在編隊(duì)方式下高效運(yùn)行，達(dá)到追蹤運(yùn)行穩(wěn)態(tài)。

列車運(yùn)行控制系統(tǒng)；列車追蹤間隔；運(yùn)行調(diào)整；模糊控制

為增大鐵路列車運(yùn)行密度，縮小列車最小追蹤間隔，提高鐵路運(yùn)輸效率，文獻(xiàn)［1］提出將編隊(duì)技術(shù)引入列車運(yùn)行控制中，提出列車編隊(duì)運(yùn)行方式。列車編隊(duì)運(yùn)行方式需要對列控系統(tǒng)做相應(yīng)的改進(jìn)，論文在前期工作基礎(chǔ)上針對列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

文獻(xiàn)［2］提出了不基于地面設(shè)備的列車間直接通信系統(tǒng)，文獻(xiàn)［3］利用組合定位系統(tǒng)提高列車的定位精度和可靠性，文獻(xiàn)［4-5］提出了基于前行列車速度的列車追蹤運(yùn)行控制策略，文獻(xiàn)［6］針對列車多目標(biāo)優(yōu)化進(jìn)行了基于智能控制算法的列車自動駕駛研究。論文借鑒既有研究成果，改進(jìn)列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并提出基于模糊控制方法的列車追蹤間隔調(diào)整策略。

1　列車編隊(duì)運(yùn)行方式簡介

將某些列車組織起來編成隊(duì)列，通過調(diào)度指揮，利用列車間直接通信或間接通信保持相互聯(lián)系，共同完成一定運(yùn)輸任務(wù)，將這種行車組織方式稱之為列車編隊(duì)運(yùn)行方式［1］。本論文將列車獨(dú)立完成任務(wù)的方式稱為列車獨(dú)立運(yùn)行方式。圖1為兩種方式的對比示意圖，從圖中可以看出編隊(duì)內(nèi)部的追蹤間隔得到縮小，編隊(duì)與編隊(duì)之間仍然采用獨(dú)立運(yùn)行方式下的追蹤間隔。

圖1　兩種運(yùn)行方式示意圖

目前列車編成隊(duì)列運(yùn)行還存在以下問題：

1）列車追蹤間隔調(diào)整仍然停留在粗略的調(diào)控層面上，一般都是由列車司機(jī)保證運(yùn)行間隔不小于最小追蹤間隔，重點(diǎn)保證列車到達(dá)車站的準(zhǔn)點(diǎn)，造成實(shí)際運(yùn)行間隔還存在很大的冗余量。

2）列車編隊(duì)運(yùn)行后，列車需要實(shí)時與前后行車間傳輸速度、位置等信息，以保證列車運(yùn)行安全。因此需依靠列車間直接通信保持前后行列車的有效通信，要求列車間隔不能超出一定的通信范圍。鑒于以上兩點(diǎn)，列車編隊(duì)技術(shù)必須有相應(yīng)的列車追蹤間隔調(diào)控策略。

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2為帶有GSM-R列控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及接口［7］示意圖，圖3中點(diǎn)劃線的部分為在現(xiàn)有設(shè)備上改動或新增部分。主要包括3個部分：

1）車載設(shè)備要在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上添加列車間直接通信模塊；

2）為保持編隊(duì)內(nèi)部列車間追蹤間隔，在安全計(jì)算機(jī)中設(shè)計(jì)模糊控制模塊；

3）對現(xiàn)有列車定位技術(shù)進(jìn)行升級以滿足高定位精度的要求。

圖2　現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3　改動后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3　列車間直接通信與現(xiàn)有間接通信的冗余規(guī)則

列車間直接通信是現(xiàn)有通信系統(tǒng)的后備系統(tǒng)，除了保障列車間可靠地通信外，還可提高鐵路運(yùn)輸效率，列車間直接通信與現(xiàn)有通信系統(tǒng)之間的冗余關(guān)系如下：

1）列車間間接和直接通信都能正常工作。由于列車間直接通信受通信距離及其設(shè)備本身制約，在兩通信都正常情況下，列車通過列車間直接通信接收到前行列車發(fā)送的信息，此信息與列車間接通信（GSM-R）得到的信息進(jìn)行比較，進(jìn)而監(jiān)督列車接收信息的準(zhǔn)確性。

2）列車間直接通信工作正常，現(xiàn)有間接通信設(shè)備失效。列車間直接通信可給司機(jī)提供信息參考，可將該模式限制速度調(diào)高。列車編隊(duì)運(yùn)行只能依靠列車間直接通信來保障。

3）列車間直接通信故障，間接通信工作正常。由應(yīng)答器、軌道電路和GSM-R通信設(shè)備提供的信息保障行車安全。編隊(duì)解編，列車以獨(dú)立運(yùn)行方式運(yùn)行。

4）列車間直接通信和間接通信都不能正常工作，編隊(duì)解編。列車只有滿足特定條件才可以低速運(yùn)行；否則，停車等待。

4　列車間追蹤間隔的保持

列車在區(qū)間中運(yùn)行，要與前后行列車都保持一定的間距，當(dāng)這個間距過大或過小時通過調(diào)整列車的速度，使它們恢復(fù)到合理范圍內(nèi)。如果該間距過小，會導(dǎo)致列車進(jìn)站時站外等待或停車；如果間隔過大，會使線路不能得到充分利用，這些都會影響鐵路運(yùn)輸效率。由于列車間直接通信系統(tǒng)對通信距離有要求，將兩列車之間的間距保持在一定范圍內(nèi)，才能進(jìn)行可靠信息傳輸。

4.1列車間隔調(diào)整原則

追蹤間隔的調(diào)整要注意以下原則：

原則一：列車速度調(diào)節(jié)是在列車自動防護(hù)曲線的監(jiān)督下進(jìn)行，不能超越限制速度；

原則二：當(dāng)兩列車距離過大，后行列車以最大允許速度運(yùn)行，直到與前行列車間隔合理，再根據(jù)前行列車運(yùn)行情況追蹤；

原則三：當(dāng)兩列車距離過小，采用最大常用制動，如果距離過小沒有得到緩解，采用緊急制動；

原則四：當(dāng)編隊(duì)內(nèi)部的兩列車交換位置或編隊(duì)解編時，后行列車的期望追蹤間隔值會從編隊(duì)的期望追蹤間隔值向獨(dú)立的期望追蹤間隔值轉(zhuǎn)變；

原則五：編隊(duì)內(nèi)部運(yùn)行間隔由后行列車的模糊控制模塊控制。而前行列車運(yùn)行前方?jīng)]有追蹤列車的情況下，根據(jù)列車運(yùn)行目標(biāo)（準(zhǔn)點(diǎn)性、節(jié)能性、舒適性等）生成的追蹤運(yùn)行曲線跟蹤行駛［8］。

4.2列車間隔調(diào)整流程

列車間隔調(diào)整流程如圖4所示，后行列車獲得其前行列車的位置、速度等信息，對列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析：首先列車是否處于編隊(duì)狀態(tài)，若是則為狀態(tài)1，后行列車以編隊(duì)內(nèi)部的追蹤間隔來調(diào)控；否則為狀態(tài)2，列車結(jié)束模糊控制工作。當(dāng)實(shí)際的列車間追蹤間隔過大，超出了智能控制模塊的調(diào)控范圍，根據(jù)4.1節(jié)的原則二進(jìn)行調(diào)控；同理，當(dāng)實(shí)際的列車間追蹤間隔過小，運(yùn)用原則三。

4.3模糊控制模塊設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

在文獻(xiàn)［9-11］的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)的模糊控制模塊如圖5所示。將列車運(yùn)行的實(shí)際速度與期望速度（前行列車通過相同坐標(biāo)點(diǎn)的速度）之間的差值作為輸入x，兩列車實(shí)際時間間隔與期望時間間隔的差值作為輸入y，由它們兩共同決定列車處于什么牽引制動級別u。因此，采用雙輸入單輸出模糊控制模塊就可以完成任務(wù)。輸入?yún)?shù)初始論域的選取規(guī)則：

1）目前規(guī)定列控系統(tǒng)的測速測距誤差不大于2%［13］。列車運(yùn)行速度在200 km/h時，速度誤差小于4 km/h，即使是300 km/h的運(yùn)行，速度誤差小于6 km/h；

2）當(dāng)列車運(yùn)行速度超過ATP曲線5 km/h，使用最大常用制動減速［13］；

3）考慮列車本身存在時間同步誤差；

4）論域范圍取的越小，控制精度越高。

圖4　列車運(yùn)行調(diào)整過程

圖5　兩輸入一輸出模糊控制器模型

為了確保一定的控制精度，又避免模糊規(guī)則條數(shù)過多，覆蓋模糊論域的模糊子集數(shù)目以3～10個為宜［14-16］。覆蓋變量x的模糊子集數(shù)目為7個，后車距前車的間隔分別為很近（NB），近（NM），近點(diǎn)（NS），正好（O），遠(yuǎn)點(diǎn)（PS），遠(yuǎn)（PM），很遠(yuǎn)（PB）。覆蓋變量y的模糊子集數(shù)目為7個，分別為前車比后車的車速很慢（NB），慢（NM），慢點(diǎn)（NS），同速（O），快點(diǎn)（PS），快（PM），很快（PB）。輸出的模糊子集為制動等級（B1，B3，B5，B7），巡航（X），牽引等級（P1，P3，P5，P7）。

在模糊控制模塊中，取模糊量ET的論域范圍為［-10，10］，EV的論域范圍為［-40，40］，U的論域范圍為［-1，1］。量化因子為ket=0.4，kev=0.05，比例因子ku=0.9。同時本設(shè)計(jì)采用三角函數(shù)描述模糊概念能夠滿足控制要求。

使用Mtalab語句If（ET is…）and（EV is…）then（U is…），（如果兩車間隔是…，并且后車比前車的速度是…，則輸出的控制量為…），如模糊控制表1所示，總共可以組合成49條控制規(guī)則，這是模糊控制模塊的核心。

表1　模糊控制規(guī)則表

4.4仿真驗(yàn)證

本文截取列車編隊(duì)在區(qū)間運(yùn)行的某種情況作為對象，通過假設(shè)參數(shù)，使用MATLAB仿真軟件來驗(yàn)證列車編隊(duì)中的后行列車能否保持與前行列車間隔在合理的范圍內(nèi)。

假設(shè)前行列車以160 km/h勻速運(yùn)行，期望值為180 s，兩車間的實(shí)際時間間隔比期望值多了10 s，對其進(jìn)行仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　追蹤間隔時間ET的調(diào)整曲線

圖6中的曲線為兩列車實(shí)際追蹤間隔與期望追蹤間隔差值ET的變化情況，在列車運(yùn)行4 km后，實(shí)際追蹤間隔與期望追蹤間隔調(diào)整變得平緩。最終，靜態(tài)誤差穩(wěn)定在-0.1 s左右，該誤差在允許誤差范圍內(nèi)。因此本文設(shè)計(jì)的模糊控制模塊能夠滿足要求，控制效果良好。

5　結(jié)　論

本文提出的列車編隊(duì)運(yùn)行方式是將現(xiàn)有列控系統(tǒng)改進(jìn)實(shí)現(xiàn)，論文主要討論了列車間直接通信與現(xiàn)有間接通信間的冗余關(guān)系，并根據(jù)編隊(duì)運(yùn)行方式對追蹤間隔的更嚴(yán)格的要求，提出了基于時間的追蹤間隔自動調(diào)整策略，采用模糊控制方法設(shè)計(jì)了追蹤間隔自動調(diào)整控制模塊，并通過仿真驗(yàn)證了該模塊能夠較好的保持列車間的追蹤間隔，能夠使列車在安全的前提下提高運(yùn)行效率，達(dá)到追蹤運(yùn)行穩(wěn)態(tài)［17］。

［1］韓蘭奎.列車編隊(duì)運(yùn)行方式控制研究［D］.蘭州：蘭州交通大學(xué)，2015.

［2］李茂青，林俊亭.基于超短波的列車間直接通信技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)工程，2013，39（12）：5-10.

［3］劉江，蔡伯根，唐濤，等.低成本列車組合定位系統(tǒng)容錯算法設(shè)計(jì)［J］.鐵道學(xué)報，2011，33（1）：39-46.

［4］Siahvashi A，Moaveni B.Automatic train control based on the multi-agent control of cooperative systems［J］.Mathe-matics and Computer Science，2010：247-257.

［5］侯濤，羅志剛.列車安全距離優(yōu)化算法安全性與追蹤運(yùn)行調(diào)整策略研究［J］.鐵道學(xué)報，2014，36（9）：44-51.

［6］潘登，鄭應(yīng)平.高速列車追蹤運(yùn)行的控制機(jī)理研究［J］.鐵道學(xué)報，2013，35（3）：53-61.

［7］寧濱，等.高速列車運(yùn)行控制系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2012.

［8］唐海川，朱金陵，王青元，等.一種可在線調(diào)整的列車正點(diǎn)運(yùn)行節(jié)能操縱控制算法［J］.中國鐵道科學(xué)，2013，34（4）：89-94.

［9］孫中央.列車牽引計(jì)算實(shí)用教程［M］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［10］Yangdong Y，Qing Z，Xu W.Analysis of fuzzy time interval in the hybrid petri net model of train op-eration system［A］. In：IEEE.Advanced Computer Theory and Engineering［C］// Chengdu：ICACTE，2010：644-648.

［11］唐濤，黃良驥.列車自動駕駛控制算法綜述［J］.鐵道學(xué)報，2003，25（2）：98-102.

［12］王正林，劉明.精通MATLAB7［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［13］鐵運(yùn)函［2006］426號.時速200km/h和300km/h動車組主要技術(shù)條件［R］.北京：鐵道部辦公廳，2006.

［14］石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［15］高冰.基于模糊PID軟切換的列車自動駕駛系統(tǒng)控制算法及仿真研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2009.

［16］呂紅麗.Mamdani模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析理論研究及其在暖通空調(diào)中的應(yīng)用［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.

［17］李華琪，江新標(biāo)，陳立新，等.HP-STMCs空間堆熱管運(yùn)行參數(shù)計(jì)算［J］.現(xiàn)代應(yīng)用物理，2014（2）：154-160.

Research on adjustment strategy of tracking interval of trains formation operation based on train-to-train communication

CHEN Qi-xiang
（Electronics and Electrical Engineering，Baoji Wenli University，Baoji 721000，China）

In order to achieve the recently proposed trains formation operation，This paper adjusts the existing structure of train operation control system，and researches on the automatic adjustment strategy for train tracking operation between two trains in the train formation.Taking general train operation control system as an example，this paper introduces the improved scheme about the system structure，and summarizes the redundant rule between the train-to-train direct communication and the existing communication.Fuzzy control is used to keep the tracking interval between two trains in the train formation，and also fuzzy control module is designed based on the on-board computer.It is added an artificial disturbance.The results show that the automatic adjustment strategy inside in the train formation can make the train operation efficiently and keep the train tracking in a steady state.

train operation control system；train tracking interval；adjustment strategy；fuzzy control

TN801

A

1674－6236（2016）09-0097-04

2015-12-22稿件編號：201512224

國家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目（61164010）；寶雞文理學(xué)院校級重點(diǎn)資助項(xiàng)目（ZK15087）

陳啟香（1988—），女，甘肅白銀人，碩士研究生，助教。研究方向：列車運(yùn)行控制，鐵路通信與信號技術(shù)。