CN101941453B - 列车自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种列车自动控制方法，包括：记录出现的通信中断时间，根据设定的通信周期将通信中断时间换算成连续丢包个数；计算不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间，根据设定的通信周期将最大允许通信中断时间换算成最大允许连续丢包个数；当连续丢包个数在最大允许连续丢包个数中所占的比重达到设定的阈值时，调整列车的工况。本发明能够在通信中断的情况下对后车进行及时预警控制，为后车提供更充裕的追踪时间来等待通信恢复，使得“紧急情况”减少，避免了“急刹车”等操作；且由于通信中断后采用分级控制，停车前有缓冲过程，既利于平稳运行，又增加了乘坐的舒适性，降低了列车的能耗，提高了行车效率。
Description
技术领域
本发明涉及列车控制领域，特别涉及一种列车自动控制方法。
背景技术
在列车运行过程中，车地之间传输数据的无线通信常会因为信道的衰落，列车的高速运行，或者设备的故障而中断，给安全行车带来隐患。为了保证行车安全和效率，列车需要定时获取前方障碍物信息，以保证在障碍物前减速或停车，地面控制中心也需要定时获取列车的位置信息，以便将前方障碍物信息及时提供给列车。
当列车传给地面的位置信息延迟过大时，地面报告的位置信息会有较大误差：如图1所示，为现有技术中前车和后车采用移动闭塞技术追踪行车的示意图；接着如图2所示，为现有技术中某一周期车地通信中断对列车运行影响的示意图；在某一个通信周期，前车没有将自己的位置成功报告给后车，则后车的制动曲线无法随着前车的移动而更新。进一步如图3所示，为现有技术中前车和后车连续周期未更新数据引发的制动的示意图：后车从时刻t开始连续n个通信周期没有收到前车的状态信息，这段时间内，前车已经行走了很远，而后车还以为前车位于n个通信周期之前的位置，因而后车会运行到根据前车在n个通信周期前的位置制定的制动点实施紧急制动，影响了行车的效率。
在列车自动控制算法方面，现有的算法主要有经典控制论算法和智能算法。现有技术中大部分列车自动控制***使用的控制算法是自适应比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)控制或改进的PID控制，在国际上，仅有日本采用过预测型模糊控制算法进行列车控制，其他智能控制算法与集成型智能控制算法还并未有投入使用的报导。下面对这两种控制方法进行简要分析。
(1)PID算法
PID控制采用比例、微分、积分控制，属于经典控制算法，如图5所示，为现有技术中的PID控制方法原理图：PID是一种线性调节器，其中比例环节是按比例反映***的偏差；积分环节使***消除稳定误差；微分环节则反映***偏差信号的变化率。具体到列车运行控制领域，它基于列车制动模型理论，根据限速、阻力、列车质量等诸多因素确定经验公式，并以经验公式为基础实现列车的运行控制和速度调整。
该方法可事先设定出列车运行的距离-速度曲线，控制简单、易于实现。但是该方法也存在一定的缺陷：由于是按照事先安排好的行车曲线进行速度控制，并加装固定不变的惰行、牵引、制动控车模式来控制列车运行。这就没办法考虑***所处无线环境对列车运行的影响，造成了速度控制太过死板，突然加减速次数过多，这既不利于平稳运行，又破坏了乘坐的舒适性，同时也增加了能耗和降低了停车精度。
(2)控制算法
复杂的列车自动控制***凭单一控制模式难以解决。在研究如何改进PID控制的同时，人们将熟练的操作工、技术人员或专家的经验知识和控制理论结合，把它作为控制理论解决复杂控制过程的一个补充手段。智能控制***包括模糊控制、专家***和神经网络控制等等，如图6所示，为现有技术中的模糊控制方法原理图：模糊控制算法就是运用模糊数学的基本理论和方法，把规则的条件、操作用模糊集来表示，并把这些模糊控制规则及有关信息作为知识存入相应知识库中，获得对应的满意度函数，然后根据***的实际响应情况，运用模糊评价及模糊推理，实现对受控对象的最佳调整。
智能控制方法能够有效地获提供借取、传递、处理、再生和利用一些已有的经验信息，为传统控制算法鉴及参考，在一些特定的环境下能成功达到预定的控制效果。但该方法也存在一些缺陷：①经验知识的获取主要依靠人工移植，有时人们对控制过程的认识比较肤浅，难以总结出完整的经验，这样得到的控制规则和经验知识就很粗糙，很不完善；②智能控制属于预测控制，带有一定的滞后性，对于延时大的***，控制算法有一定的缺陷。
可以看出，现有技术中的列车自动控制***的控制算法，都是以经典的经验性列车牵引制动特性公式为基础，在此基础上加入经验司机的常识性知识，用来描述一些不确定性因素，将经验知识和控制理论结合，进一步优化控制曲线。
轨道交通复杂的线路环境及列车的高速移动，常会使得车地之间的无线信道因衰落、多径等因素的存在，出现不可预知的深衰及连续丢包，进而影响行车的安全与效率。目前这些算法没有考虑通信对列车控制的影响，而都是在通信中断达到不能忍受的门限时才采取相应的制动控制，这一点也可以通过算法的控制规则看出。如控制规则中有这样的描述：“如果触发了紧急制动触发线......”，这显然是触发紧急制动触发线后才进行的亡羊补牢。这种控制显示出的滞后性，既不利于列车平稳运行，突然的制动也破坏了乘坐的舒适性，同时增加了能耗和降低了停车精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何在车地之间出现通信中断时，对列车进行有效控制，避免不必要的紧急操作的出现，提高行车效率，降低列车能耗。
(二)技术方案
为此，本发明提供了一种列车自动控制方法，包括以下步骤：
记录出现的通信中断时间；
计算不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间；
当所述通信中断时间在最大允许通信中断时间中所占的比重达到设定的阈值时，调整列车的工况。
所述方法具体包括：
记录出现的通信中断时间，根据设定的通信周期将所述通信中断时间换算成连续丢包个数；
计算不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间，根据设定的通信周期将所述最大允许通信中断时间换算成最大允许连续丢包个数；
当所述连续丢包个数在最大允许连续丢包个数中所占的比重达到设定的阈值时，调整列车的工况。
其中，所述工况包括牵引态、惰行态和制动态，其中牵引态包括一级牵引态、二级牵引态和三级牵引态三个级别，且所述三级牵引态的牵引力最大；所述制动态包括一级制动态、二级制动态和三级制动态三个级别，且所述三级制动态的制动力最大。
所述调整列车的工况主要包括：
当列车当前工况为牵引态时，判断是否为最低一级牵引态，是则将列车的工况调整为惰行态，否则将列车的牵引级别进行降一级处理。
所述调整列车的工况还包括：
当列车的工况为惰行态时，将列车的工况调整为一级制动态。
所述调整列车的工况还包括：
当列车的工况为制动态时，判断列车以当前速度行驶能否安全停车，是则继续行驶；否则判断是否为最高级制动态，是则紧急停车，否则将列车的制动级别进行升一级处理。
所述记录出现的通信中断时间之前还包括：
车地双方设定通信周期。
所述记录出现的通信中断时间之前还包括：设置阈值，所述阈值为连续丢包个数与最大允许丢包个数的比值。
其中，列车根据最近周期收到的前方目标距离信息，结合自身当前行驶速度、牵引加速度及线路数据信息，计算得出当前不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间。
所述调整列车的工况之后还包括：判断工况调整后的列车是否满足安全停车要求，若不满足则根据列车调整工况后的速度、牵引加速度重新计算不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间。
(三)有益效果
本发明提供的技术方案具有如下有益效果：本发明通过计算当前出现的通信中断时间，和不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间，并将其分别转换为连续丢包个数和最大允许丢包个数，然后计算连续丢包个数和最大允许丢包个数的比值是否达到设定的阈值，来对列车的运行状态进行控制，能够在通信中断的情况下对后车进行及时的预警控制，为后车提供更充裕的追踪时间来等待通信恢复，避免了不必要的“紧急操作”；另一方面由于通信中断后采用分级控制，停车前有缓冲过程，既利于平稳运行，又增加了乘坐的舒适性，降低了列车的能耗，提高了行车效率。
附图说明
图1是现有技术中前车和后车采用移动闭塞技术追踪行车的示意图；
图2是现有技术中某一周期车地通信中断对列车运行影响的示意图；
图3是现有技术中前车和后车连续周期未更新数据引发的制动的示意图；
图4是图3所示情况中后车在通信中断达到一定条件时进行工况状态转换的示意图；
图5是现有技术中的PID控制方法原理图；
图6是现有技术中的模糊控制方法原理图；
图7是本发明实施例的列车自动控制方法流程图；
图8是本发明实施例的列车运行工况示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明针对列车在运行中出现的通信中断造成的连续数据丢包，提出一种基于通信的列车自动控制方法。列车在区间追踪行驶，车-地双方通信设备按设定数据包大小、通信周期进行通信，车载通信设备记录当前出现的通信中断时间，并结合通信周期将其转换为出现的连续丢包个数；列车以前方参考点为依据，实时计算不触发紧急制动触发线所允许的最大通信中断时间，并结合数据包通信周期，将其换算为***的最大允许连续丢包数；将出现的连续丢包数与之前***最大允许连续丢包数进行比对，判断其是否达到设定的门限，以此调整列车的控制级位或进行工况转换；同时，在完成状态调整后，计算当前状态能否满足列车安全停车要求；如若不能则重新计算新状态下未触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间；当连续丢包个数再次达到阈值门限要求，则重新执行上述的控制流程。
如图7所示，为本发明实施例的列车自动控制方法流程图，包括以下步骤：
步骤10、车地双方按照设定的通信周期进行通信；
在列车运行之前，车地通信双方协商决定通信周期。通信周期的设定要考虑到数据包的传输时延及车地双方的处理时间，保证列车与地面控制设备在每一个通信周期都能实时进行数据的更新；数据包大小的设定要能够满足行车业务的要求；
步骤20、记录当前出现的通信中断时间，根据通信周期将该通信中断时间转换为连续丢包个数；
若当前通信周期没收到数据包，则开始计时，根据每个通信周期应该接收一个数据包，没有收到数据包的时间即通信中断时间；
步骤30、计算不触发紧急制动触发线允许的最大通信中断时间，根据通信周期将该最大通信中断时间换算成最大允许连续丢包个数；
具体地，本发明实施例的前车和后车采用移动闭塞技术追踪行车，后车以前车的车尾为参考点，加上安全余量计算出在确保不追尾的情况下，行车时后车需要遵循的速度-距离曲线，在此基础上，后车结合自身当前速度、当前工况下的列车加速度及线路条件，可计算不触发紧急制动触发线所允许的通信中断时间；
步骤40、计算当前的通信中断时间在最大允许通信中断时间中的比值；
此处，也可以计算当前出现的连续丢包个数在***最大允许连续丢包个数中所占的比重；
记录当前出现的连续丢包个数，并计算其在最大允许连续丢包个数中的比重，看是否达到设定的阈值限度，阈值的大小需车地双方事先协商约定，如可设定阈值为1/2，即允许连续丢包个数最大到最大允许连续丢包个数的1/2；
步骤50、如通信中断时间达到阈值门限，或连续丢包个数达到设定阈值门限，则结合当前列车运行状态，调整列车的控制级位或进行工况转换；
如图8所示，为本发明实施例的列车运行工况示意图；其中，列车运行工况主要包括牵引、制动和惰行3种。本实施例中牵引和制动都假设有3个级别，级别越高，相应的牵引力或制动力就越大。具体地，判断列车工况，当列车工况为牵引态，则执行步骤60，当列车工况为惰行态，则执行步骤70，当列车工况为制动态，则执行步骤80；
步骤60、判断列车当前的牵引态是否为最低级牵引态，是则执行步骤61，否则执行步骤61’；
步骤61、将列车的牵引态调整为惰行态；
步骤61’、将列车的牵引态进行降一级处理；执行步骤90；
列车当前由于受到牵引作用，速度不断增加，此时连续丢包个数达到阈值，为避免列车继续加速行驶触发限速，应进行降级处理，减小牵引作用；如列车此时已处于最小一级牵引，则将列车工况调整为惰行；
步骤70、将列车的惰行态调整为一级制动态；执行步骤90；
列车在区间惰行，此时连续丢包达到阀值限度，应进行工况转换，列车工况转为制动；
步骤80、判断列车能否安全停车，是则执行步骤81；否则执行步骤82；
具体地，列车计算以当前工况当前速度行驶，能否在前方障碍物之前停车，是则能安全停车；
步骤81、按照当前速度行驶直至停车；
步骤82、判断列车当前的制动态是否为最高级别的制动态，是则执行步骤83，否则执行步骤84；
步骤83、紧急停车；
步骤84、将列车的制动态进行升一级处理；执行步骤90；
列车当前受到制动作用，但此时的制动级别不足以满足列车的安全运行，即停车前不触发紧急制动触发线，且当前制动级别仍有上调空间，则在连续丢包个数达到设定阈值门限时，对制动级别进行升级处理，增加制动作用；
步骤90、完成状态调整后，计算当前运行状态能否满足列车安全停车要求；是则以当前工况行驶直至停车；否则重新结合当前列车运行状态、线路数据及新状态下列车运行加速度，计算当前状态下不触发紧急制动触发线允许的最大通信中断时间，并结合通信周期将其换算为新状态下允许的最大连续丢包个数；
步骤100、新状态下不触发紧急制动触发线允许的最大丢包个数已根据新状态下列车的速度重新计算，此时需重新统计状态转换时刻起出现的连续丢包个数，随后执行步骤40；
本步骤中需要重新判断新状态下统计的连续丢包是否再次达到设定阈值门限，作为下一次调整的依据；如连续丢包达到阈值条件，结合当前列车运行状态，对列车再次进行级数调整或工况转换，处理策略如前所述。
实施例1
车地双方设定通信周期为200ms，连续丢包可占最大允许连续丢包的阈值门限设定为1/2，假设此时列车正在二级牵引力作用下加速行驶；则使用本发明的列车自动控制方法对列车进行控制，包括以下步骤：
步骤11、列车根据最近周期收到的前方目标距离信息，结合自身当前行驶速度、牵引加速度及线路数据信息，计算得出当前不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间为t1；
该线路数据信息包括路况信息，比如行驶道路为平路还是上坡下坡；
步骤12、根据通信周期200ms，将t1换算成当前的最大允许连续丢包个数为t1/0.2＝5t1个；
步骤13、此时出现通信中断，车载通信设备记录出现的通信中断时间，并根据通信周期将该通信中断时间换算为当前的连续丢包个数；
假设由于无线通信链路状况恶化或通信设备故障等原因，车地通信出现中断；
步骤14、当连续丢包个数达到设定阈值门限1/2，即2.5t1个时，对列车牵引进行降一级处理，列车由二级牵引态调整为一级牵引态；
步骤15、列车调整为一级牵引态后，根据之前存储的前方目标距离信息，当前一级牵引态下列车行驶速度及加速度，重新计算得出新的状态下不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间为t2；
步骤16、根据通信周期200ms，将t2换算成此时一级牵引态下允许的最大连续丢包个数为t2/0.2＝5t2个；
步骤17、从当前通信周期开始，重新记录连续丢包个数，当其达到阈值门限1/2，即2.5t2个时，进行工况转换，列车由一级牵引态调整为惰行态；
步骤18、列车转为惰行态后，由于存在运行阻力，列车变为减速行驶，根据之前存储的前方目标距离信息，当前惰行态下列车行驶速度及减速度，判断当前状态能否满足列车安全停车要求；若能满足则继续以当前速度行驶直至停车；
步骤19、当经判断不能满足列车安全停车要求时，结合当前惰行态下列车行驶速度、减速度及前方目标距离信息，重新计算不触发紧急制动触发线允许的最大通信中断时间为t3，即此时允许的最大连续丢包个数为5t3个；
步骤21、列车此时在惰行态运行，当继续丢包不足2.5t3个时，车地之间恢复了正常通信，则后行列车重新收到前方目标的距离信息，并以此重新计算列车追踪运行的速度-距离曲线，列车转入通信恢复后的正常运行。
实施例2
车地双方事先设定通信周期为200ms，连续丢包可占最大允许连续丢包的阈值门限设定为1/2，假设此时列车正在区间惰行；
步骤31、列车根据最近周期收到的前方目标距离信息，结合此时行驶速度、运行减速度及线路数据信息，计算得出当前不触发紧急制动触发线允许的最大通信中断时间为t1；
步骤32、对应通信周期200ms，将t1换算成当前允许的最大连续丢包个数为t1/0.2＝5t1个；
步骤33、此时出现通信中断，车载通信设备记录出现的通信中断时间，并根据通信周期将该通信中断时间换算为此时的连续丢包个数；
假设此时，由于无线通信链路状况恶化或通信设备故障等原因，车地通信出现中断；
步骤34、当连续丢包个数达到设定阈值限度1/2，即2.5t1个时，对列车进行工况转换，列车由惰行态调整为一级制动态；
步骤35、列车调整为一级制动态后，根据之前存储的前方目标距离信息，结合当前一级制动态下列车行驶速度及减速度，判断得知当前状态不能满足列车安全停车要求；
步骤36、重新计算得出新的状态下不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间为t2；
步骤37、对应通信周期200ms，换算成此时一级牵引态下***的最大允许连续丢包个数为t2/0.2＝5t2个；
步骤38、从当前通信周期开始，重新记录连续丢包个数，当其达到阈值门限1/2，即2.5t2个时，进行工况转换，列车由一级牵引态转为二级牵引态；
步骤39、工况转换后，列车的制动力增加，行驶减速度也随之增大，根据之前存储的前方目标距离信息，结合当前二级制动态下列车行驶速度及减速度，判断得知当前状态仍不能满足列车安全停车要求；
步骤41、重新计算此前状态不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间为t3，即此时的最大允许连续丢包个数为5t3个；
步骤42、从当前通信周期开始，重新记录连续丢包数，当其达到阈值门限1/2，即2.5t3个时，进行工况转换，列车由二级制动态转为三级制动态；
步骤43、列车此时在三级制动态下行驶，经计算得知在当前状态下，列车可以在前方目标点前安全停车，控制列车在当前工况下停车。
由以上实施例可以看出，本发明实施例通过计算当前出现的通信中断时间，和不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间，并将其分别转换为连续丢包个数和最大允许丢包个数，然后计算连续丢包个数和最大允许丢包个数的比值是否达到设定的阈值，来对列车的运行状态进行控制，能够在通信中断的情况下对后车进行及时的预警控制，为后车提供更充裕的追踪时间来等待通信恢复，避免了不必要的“紧急操作”；另一方面由于通信中断后采用分级控制，停车前有缓冲过程，既利于平稳运行，又增加了乘坐的舒适性，降低了列车的能耗，提高了行车效率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.列车自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
记录出现的通信中断时间；
计算不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间；
当所述通信中断时间在最大允许通信中断时间中所占的比重达到设定的阈值时，调整列车的工况。
2.如权利要求1所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述方法具体包括：
记录出现的通信中断时间，根据设定的通信周期将所述通信中断时间换算成连续丢包个数；
计算不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间，根据设定的通信周期将所述最大允许通信中断时间换算成最大允许连续丢包个数；
当所述连续丢包个数在最大允许连续丢包个数中所占的比重达到设定的阈值时，调整列车的工况。
3.如权利要求1所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述工况包括牵引态、惰行态和制动态，其中牵引态包括一级牵引态、二级牵引态和三级牵引态三个级别，且所述三级牵引态的牵引力最大；所述制动态包括一级制动态、二级制动态和三级制动态三个级别，且所述三级制动态的制动力最大。
4.如权利要求3所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述调整列车的工况具体包括：
当列车当前工况为牵引态时，判断是否为最低一级牵引态，是则将列车的工况调整为惰行态，否则将列车的牵引级别进行降一级处理。
5.如权利要求3所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述调整列车的工况具体包括：
当列车的工况为惰行态时，将列车的工况调整为一级制动态。
6.如权利要求3所述的列车自动驾驶控制方法，其特征在于，所述调整列车的工况还具体包括：
当列车的工况为制动态时，判断列车以当前速度行驶能否安全停车，是则继续行驶；否则判断是否为最高级制动态，是则紧急停车，否则将列车的制动级别进行升一级处理。
7.如权利要求1所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述记录出现的通信中断时间之前还包括：
车地双方设定通信周期。
8.如权利要求1所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述记录出现的通信中断时间之前还包括：设置阈值，所述阈值为连续丢包个数与最大允许丢包个数的比值。
9.如权利要求1所述的列车自动控制方法，其特征在于，列车根据最近周期收到的前方目标距离信息，结合自身当前行驶速度、牵引加速度及线路数据信息，计算得出当前不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间。
10.如权利要求1所述的列车自动控制方法，其特征在于，所述调整列车的工况之后还包括：判断工况调整后的列车是否满足安全停车要求，若不满足则根据列车调整工况后的速度、牵引加速度重新计算不触发紧急制动触发线的最大允许通信中断时间。
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| CN201003997Y (zh) * | 2006-10-31 | 2008-01-09 | 北京高铁三瑞电子技术有限公司 | 列车车辆制动试验监测装置 |
| CN101774389A (zh) * | 2009-12-31 | 2010-07-14 | 华南理工大学 | 一种列车连续限速信息嵌套处理方法 |
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2010
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| DK16079A (da) * | 1978-01-16 | 1979-07-17 | Siemens Ag | Linietogpaavirkningsndretning |
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