CN109625027A - 一种列车群作业组织与运行控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种列车群作业组织与运行控制***，所述控制***由调度组织层和执行控制层组成，所述调度组织层与所述执行控制层实现数据连接，其中，所述调度组织层，用于确定列车群进站或出站时空路径的规划；所述执行控制层，用于基于所述调度组织层的调度命令，控制列车群的目标位置、目标速度和道岔的锁闭。本发明提出的列车群作业组织与运行控制***提高了进出站作业组织效率，能够控制车辆以较小的间隔时间开展进出站作业。

Description

一种列车群作业组织与运行控制***

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，具体涉及一种列车群作业组织与运行控制***。

背景技术

为了保证运输安全、提高运输效率，对车辆进出站进行调度和控制是研究的一项重要内容。目前，列车进出车站由中心统一调度指挥及控制是最为常见的解决方案。如图1所示，在这种架构下，通常分为3个层次，即中心调度层、车站控制层、车载控制层。在中心调度层中，设置有中心调度模块和与其连接的中心控制模块；在车站控制层中设有依次连接的车站调度模块、车站控制模块、地面基础设备，其中，车站调度模块和车站控制模块分别与中心调度模块和中心控制模块连接；在车载控制层中设有车载控制模块和与其连接的无线通信模块，其中无线通信模块与车站调度模块和车站控制模块连接。这种调度指挥的对象是将一整辆列车作为一个单独的个体，例如将整列列车作为一个个体，在调度指挥时其占用一个车次号、一条计划线。这种调度指挥虽然得到了广泛的应用，但是局限于单列列车。而且需以完整的进路来进行间隔控制，列车进出站追踪间隔过大。固定闭塞接发车能力通常为10分钟间隔，准移动闭塞为3分钟，移动闭塞为1.5分钟，现行技术难以进一步压缩间隔时间。并且目前列车调度及控制均由中心统一管理，***层次结构复杂，可靠性需进一步提高，中心设备一旦出现故障，影响范围较广。

随着列车信息技术的发展，目前研发出了一种采用虚拟耦合方式实现虚拟连接的列车，这种列车摒弃了采用车钩实现各列列车间物理连接的方式，取而代之的是前后列车车体之间没有物理连接。虚拟耦合是一种新的列车控制技术，指多辆轨道交通列车车体之间不依靠物理连接，而是通过无线通信方式，虚拟耦合在一起形成列车群，以相同的速度极小的间隔协同运行的形式。按照上述架构使用上述调度指挥方法虽然也可以适用于这种虚拟耦合方式的列车，但是不能够有效发挥虚拟耦合的优势。

轨道交通运输由于其媒介的特殊性，列车群在区段以队列形式呈线性运行。在车站，借助站台、道岔等设施，耦合列车群能够实现进站解耦和出站耦合作业。一般地，在区间列车通常以闭塞进行追踪控制，即用信号或者凭证，保证列车按照前行列车和追踪列车之间必须保持一定距离(空间间隔制)运行的技术方法。该方式下前控制列车按照闭塞分区进行追踪，其追踪间隔相对较大、受管控层级较多影响控制效率较低。一般地，列车进出车站主要依靠进路来进行防护。当列车出站占用咽喉道岔时，其他列车均需在站台等待前车进路出清；列车进站占用咽喉道岔时，其他列车则需在咽喉外方等待前车进路出清，这种控制方式严重影响列车进出站效率，若车站站场复杂，列车进出车站效率会进一步降低。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种高效的列车群运行控制***，提高了列车群的通过效率。为此，本发明提供了一种列车群作业组织与运行控制***。

一种列车群作业组织与运行控制***，所述控制***由调度组织层和执行控制层组成，所述调度组织层与所述执行控制层实现数据连接，其中，

所述调度组织层，用于确定列车群进站或出站时空路径的规划；

所述执行控制层，用于基于所述调度组织层的调度命令，控制列车群的目标位置、目标速度和道岔的锁闭。

进一步地，

所述调度组织层包括路径规划调度模块；所述执行控制层包括车载运行控制模块和道岔智能控制模块；

所述路径规划调度模块，用于制定列车群进站或出站的时空路径规划，形成调度指令；

所述车载运行控制模块，用于接收所述路径规划调度模块的调度指令，并基于所述时空路径规划确定列车群进出站过程中列车的目标位置和目标速度，对列车的运行进行控制，并发送锁闭请求；

所述道岔智能控制模块，用于接收所述车载运行控制模块的锁闭请求，实现对道岔的锁闭。

进一步地，所述路径规划调度模块包括参数确定单元、规划设定单元、调度单元，其中，

参数确定单元，用于确定以下参数中的一个或多个：进站或出站拓扑网络中的区段、各区段起点道岔处允许的行驶速度、列车在两个相邻区段起点道岔之间的最快行程时间、各区段进口道岔的转换时间、区段中连续锁闭或非连续锁闭列车之间所要求的列车运行间隔、列车长度；

规划设定单元，用于基于所述参数确定单元确定的所述参数规划列车群中每个列车进入进站或出站作业网中各个区段起始道岔的时间、每个列车的出站先后顺序；

调度单元，用于基于所述规划设定单元确定的结果，向列车发送调度指令。

进一步地，

所述路径规划调度模块还包括监控单元，

所述监控单元，用于监控列车和/或道岔状态。

进一步地，

车载运行控制模块，包括信息采集单元、加速度确定单元、道岔控制单元、距离判断单元、设定单元，其中，

信息采集单元，用于采集列车速度位置等运行状态信息；

加速度确定单元，用于确定列车在区间和/或车站运行过程中的加速度；

道岔控制单元，接收到进站或出站规划调度指令后，向列车路径上的道岔发送控制指令；

距离判断单元，判断列车群中列车距动态障碍点的距离，并将判断的距离结果发送给所述设定单元；

设定单元，基于所述距离判断单元判断的距离确定列车群中列车的目标位置和目标速度。

进一步地，

所述加速度确定单元，还用于根据紧前列车速度和距离信息来计算列车加速度，或根据目标位置和目标速度、以及当前速度与目标速度的差值、当前位置与目标位置的差值，确定列车群中列车的加速度。

进一步地，

所述道岔智能控制模块，包括道岔状态采集单元、道岔智能控制单元、道岔联锁防护单元，其中，

道岔状态采集单元，用于采集道岔状态；

道岔智能控制单元，用于接收道岔锁闭请求，控制道岔锁闭，并将道岔状态发送给车载运行控制模块。

进一步地，

所述道岔智能控制模块，还包括道岔联锁防护单元，

所述道岔联锁防护单元，用于保障道岔和列车联锁安全关系。

本发明提出的列车群控制***提高了进出站作业组织效率，能够控制车辆以较小的间隔时间开展进出站作业。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据现有技术的三层架构的列车作业组织及运行控制***的示意图；

图2示出了列车进出站时空规划模型求解的分枝定界法流程示意图；

图3示出了多智能体架构列车群进出站控制流程示意图；

图4示出了区间列车协同运行控制位置关系示意图；

图5示出了区间列车运行状态转换示意图；

图6示出了列车群作业组织及运行控制***架构示意图；

图7示出了路径规划调度模块构成示意图；

图8示出了车载运行控制模块构成示意图；

图9示出了道岔智能控制模块构成示意图；

图10示出了列车群进出站作业流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中可以通过作业组织和运行控制实现对列车群的进出站作业组织、进出站控制和区间协同运行控制。其中作业组织实现对列车群进站和列车群出站的路径进行时空规划，以在时间上规划列车进入各区段的时间、在空间上安排区段去满足列车群的作业要求，最终通过运行控制实现对列车群进出站过程中的运行控制。区间协同运行控制，通过根据相邻列车运行状态调整列车的加速度，从而调整速度，最终实现列车群协同运行。

本发明中可以通过作业组织实现对列车群的进出站作业优化，提高列车群进出站效率。其中作业组织实现对列车群进出站和列车群出站的路径进行时空规划，以在时间上规划列车进入各区段的时间、在空间上安排区段去满足列车群的作业要求，最终实现对列车群进出站过程中的高效组织。

进出站作业组织中，时空路径规划设备，例如进出站调度组织服务器(具体可以为“参数确定单元”)实时获取进出站拓扑网络中区段的数量、起点编号等数据、各区段起点道岔处允许的行驶速度、列车在两个相邻区段起点道岔之间的最快行程时间、各区段进口道岔的转换时间、列车长度等参数。根据获得的上述参数来确定列车群中每个列车所要进入的区段、进入该区段的时间以及整个列车群的作业顺序和作业完成时间。

本发明中，例如规划设定单元通过时空路径调度规划模型来确定优化目标，即在以列车群内首车开始进出站作业的时间为参考点的情况下，使得整个列车群完成进站作业的作业时间达到最短，确定列车进出站的时间和先后顺序等。对于进站作业组织的时空路径调度规划模型构建如下：

min Z＝Y (1)

其中，模型的相关输入参数及其含义如下：

N——计划进行进出站作业的列车群集合，N＝{1,2,…,n}；

Q——列车群进出站作业完成后，列车在列车群中位置编号集合，Q＝{1,2,…,n}；

H——进出站作业拓扑网络中区段的集合，H＝{1,2,…,h}；

n——计划进行进出站作业列车群中的列车数量，n∈N；

h——进出站作业拓扑网络中的区段数量。区段s的起点处为道岔后安全停车点，终点为下一个道岔后安全停车点，h∈H；

i、j——计划进行进出站作业列车群中的列车编号，i∈N，j∈N；

s、r——进出站作业拓扑网络中的区段起点编号，s∈H，r∈H；

q——列车群进站作业开始前，或出站作业完成后，列车在列车群中位置编号；此处约定，从列车运行方向上位置最靠前的列车开始，沿列车运行反方向编号，最靠前列车编号为1，次靠前列车编号为2，以此类推，最后一列车编号为n，q∈Q；

ω——前后列车之间运行时间间隔，单位s；

v_i,s——列车i运行至s起点道岔处的实际行驶速度，单位m/s；

T_s——任意列车从区段s起点道岔(后安全停车点)开始，运行至下一个区段r起点道岔(之后安全停车点)，所需要的最快行程时间，单位s；

π_s——区段进口道岔转换时间，单位s；

l_i——列车i长度，单位m；

η——车尾出清的安全放大系数(>0)；

o_i,s——区段s(起点)是否是列车i的出发区段，0-1型参数；

d_i,s——区段s(起点)是否是列车i的目标区段，0-1型参数；

λ_i——列车i由于空间位置差异，从其当前(决策时刻)位置运行到始发区段起始节点的时间，或由于作业需要，从当前时刻(决策时刻)至预计到达始发区段起始节点的时间；

——区段s是否属于列车i的路径，0-1型参数；

——在列车i的路径中，区段s后续是否为区段r(区段r后续是否为区段s)，0-1型参数，0表示否，1表示是；

——在列车i(列车j)的路径中，区段k后续是否为区段s，0-1型参数，0表示否，1表示是。

m——表示一个极大的正数，作为变量约束项，可取10⁶；

根据上述时空路径规划模型，确定每个列车要进入的区段和进入的时间。

上述模型中，式(1)表示进出站时空路径规划模型的目标为进出站作业时间最短；s.t.表示模型的约束条件，式(2)-式(8)为模型约束。

式(2)为前后列车运行时间间隔约束：对于任意区段，前车与后续列车进入该区段起始节点的时间间隔，不小于列车间的最小运行间隔；式(3)为前后列车进入区段的先后关系约束：列车群作业顺序与与具体区段处列车经过顺序之间的关系；式(4)为列车区段的运行时间约束：受道岔区段限速、列车加减速性能的限制，列车在区段的运行时间，不低于按照列车最大机械性能和最大区段限速运行时的最短运行时间；式(5)为列车群队形中各列车位置唯一约束：对于列车群中的各列车，其在作业队形中的位置唯一；(6)为列车群队形中各位置列车唯一约束：对于作业队形中的各个位置，也只能存在一列车；式(7)为列车群进出站作业完成时间约束：列车群进站作业完成时间，不早于各列车的进站作业完成时间；式(8)为每列车的出发时间约束：每列车在进入出发区段之前，需要经过一定的运行或准备时间才能进入其出发阶段。

上述列车进站作业过程时空路径调度规划模型中，模型经过运算所输出的决策变量及其含义如下：

t_i,s——以作业列车群头车开始作业的时间为0点，列车i车头进入进出站作业网络中的s区段起始节点的时间(单位s)。对任意列车i及任意区段s存在该变量；

——在列车出站作业场景中，该变量为决策变量，用于表示列车i在作业完成后，在列车群中的位置编号是否为q。0-1型参数，0表示否，1表示是。对任意列车i及位置编号k存在该变量。在列车进站作业场景中，该变量为输入参数，表示进站前列车i在列车群中的位置编号是否为q。

——列车j是否在列车i之前进入区段s的标记。取值为1表示列车j先于列车i进入区段s起始道岔，取值为0则表示列车j后于列车i进入区段s起始道岔。对任意列车j与任意列车i(i≠j)存在该变量。

Y——整个列车群进出站作业完成时间。

列车进出站作业过程时空路径调度规划模型根据预先给定的参数的各参数值，通过单纯形法进行计算求解，使得在满足约束式(2)-式(8)中约束条件的情况下，获得使得式(1)中优化目标成立的上述决策变量取值。

为求解上述虚拟耦合列车群进站与出站高效作业时空路径优化模型，本文利用分枝定界法，自动确定虚拟耦合列车群内各列车进入区间的时间t_i,s、列车作业顺序以及整个列车群的进出站作业完成时间Y，可用X表示决策变量所构成的向量。模型的智能求解算法如图2所示。

在分枝定界法中，首先输入基本参数取值(除决策变量以外的其他已知变量)，初始化列车群进站与出站高效作业时空路径优化模型中的目标函数值Z＝-m(m为一个极大正数，可取10⁶)，决策变量X＝X₀(X₀中各变量取值为0)(图2中步骤S1)。

然后，将模型中的整数型(含0-1型)决策变量放松整数约束，形成智能决策模型的松弛问题，放松约束的整数型变量称为松弛变量(图2中步骤S2)。以该松弛问题作为当前问题，利用传统的单纯形法求解当前问题最优解(图2中步骤S3)，获取当前最优解X^*(所有决策变量的当前取值集合)及相应的当前目标函数值Z^*(图2中步骤S4)，若当前最优解X^*中，所有松弛变量取值皆为整数，则开始定界过程：判断当前解对应目标函数值Z^*是否大于Z，如果大于则原始模型目标函数值Z＝Z^*、原始模型最优解X＝X*(图2中步骤Y1-Y2)，如果不大于则判断待处理问题集合是否为空；如果有松弛变量取值不为整数则开始分枝过程(图2中步骤N1-N2)：利用分支原理构建分支问题，将分支为题待处理分支问题集合，从待处理分支问题集合中拿出1个分支问题，继续利用单纯形法求解问题。

定界过程：在当前最优解中，若所有松弛变量皆为整数，对比当前目标函数值Z^*与智能决策模型的目标函数值Z之间的大小关系，若Z^*＞Z(图2中步骤Y1)，即智能决策模型的目标函数获得了优化，则将当前目标函数值和当前最优解作为智能决策模型的目标函数值和最优解(令Z＝Z^*，X＝X^*)(图2中步骤Y2)。

分枝过程：利用分枝原理构建分枝问题(图2中步骤N1)；在当前最优解中，若存在松弛变量为非整数，从取值为非整数的变量中选取某个取值为非整数的松弛变量x＝b(x取任意)，令[b]和[b]+1分别为最靠近b的左侧和右侧整数，在当前问题基础上，分别加入约束x≤[b]和x≥[b]+1，分别构建两个分枝问题图2中步骤N2)。

在定界过程完成后，判断待处理的分枝问题集合是否为空，若为空，则完成计算，输出智能决策模型的智能决策模型的目标函数值Z和最优解X(图2中步骤Y3)；否则，从待处理的分枝问题集合中选择一个分枝问题作为当前问题，重新利用单纯形法求解其最优解，重复上述判断和分枝或定界过程，直至待处理的分枝问题集合为空，输出求解结果(图2中步骤N3)。

在分枝完成后，将两个分枝问题加入待处理的分枝问题集合，从待处理的分枝问题集合中选择一个分枝问题，重新利用单纯形法求解其最优解，重复上述判断和分枝或定界过程，直至进入定界过程且待处理的分枝问题集合为空，输出求解结果。

为了实现对列车群协同运行控制，本发明还提供了一种列车群进出站作业控制方法和区间协同运行控制方法。

为实现对列车进出站控制，本发明提供了一种列车群进出站作业控制方法。基于此，本发明根据多智能体控制理论，设计列车群高效进出站作业控制方法。在列车群高效进出站作业控制方法中，将控制对象——列车，看作是具有运动属性的智能体。

本发明中列车进站和列车出站的作业控制方法相同，所以以“进出站”来表示列车进站和/或列车出站，而不仅仅表示列车进站和列车出站。

列车智能体在开始进出站作业之前，由调度设备(例如路径规划调度模块中的规划设定单元)，例如进出站调度组织服务器根据前文所述的列车群高效进出站作业组织方法，对每列车的时空规划路径进行决策规划，并将决策规划结果告知列车智能体。列车智能体根据接收到的决策规划接收，在运行过程中提前向道岔请求为本车锁闭，同时在运行过程中检测道岔状态，即检测道岔是否已成功完成锁闭。若列车离前方最近的未为本车成功锁闭的道岔或列车的距离在安全距离以上时，则列车控制的目标速度为当前区间长度除以当前区段的规划行程时间(由前文所述的列车群高效进出站作业组织方法计算得到，设列车i进入区段s的时间为t_i,s，进入后续区段r的时间为t_i,r，则列车i在区段s的规划行程时间为t_i,r-t_i,s)，否则，列车将前方道岔(之后安全停车点)位置作为运行控制的静态追踪点，或将前方列车车后追踪距离处作为动态追踪点，进行列车运行控制，以保障列车的安全运行，具体控制流程图3所示。如图3所示：

第一步：列车群内各列车Agent向进出站调度组织服务器发出列车进出站请求；

第二步：进出站调度组织服务器为列车群规划时空路径；

第三步：列车Agent按照时空路径规划向道岔发送道岔锁闭请求；

第四步：道岔对其锁闭状态进行监测；

第五步：列车Agent判断列车距动态障碍点是否小于安全距离，在是的情况下执行第六步；

第六步：判断列车路径上的障碍点是道岔还是列车，障碍点如果是列车，则将列车的目标位置限定在距最近列车(即作为障碍点的列车)尾部一定距离的追踪距离处(例如距最近列车尾部0.5-1.5倍车长的追踪距离处)，将列车的目标速度限定在与最近的列车(即作为障碍点的列车)速度相同；障碍点如果是道岔，即道岔未成功锁闭而成为障碍点，则将列车的目标位置限定在最近未锁闭道岔(即作为障碍点的道岔)的位置，将列车的目标速度限定为0；

第七步：更新列车Agent控制输入(例如，控制加速度)；

第八步：列车继续运行；

第九步：判断是否完成作业，如果完成则结束，如果没有完成则转到第二步。

在上述第五步中，如果列车距动态障碍点不小于安全距离，则将列车的目标位置限定在距离动态障碍点的安全距离处，将列车的目标速度设定为当前区段长度除以当前区段的规划行程时间(即列车的目标速度＝当前区段长度/当前区段的规划行程时间)，然后继续执行上述第八步。

本发明中，在列车运行过程中，为其设置动态目标位置和动态目标速度后，作为多智能体的控制目标，目标位置和目标速度随列车运行状态可以发生改变。由于列车运行前方存在未成功锁闭道岔和其他列车，因此可将列车运行前方最近的未成功锁闭道岔或其他列车看作列车运行的动态障碍点。当列车与前方动态障碍点的距离大于安全距离时，列车的动态目标位置为前方障碍点后安全距离处，动态目标速度为当前区间长度除以当前区段的规划行程时间；当列车与前方动态障碍点的距离小于安全距离时，若前方动态障碍点为道岔，则列车的动态目标位置为前方道岔(之后安全停车点)位置，动态目标速度为0，若前方动态障碍点为其他列车，则列车的动态目标位置为前方列车(即作为障碍点的列车)后追踪距离处，动态目标速度为前方列车(即作为障碍点的列车)速度。

本发明中，通过控制列车群中列车进出站的加速度(需要说明的是本发明中的加速度也包括减速度，即包括实现加速的加速度和实现减速的加速度)来实现对列车进出站目标速度的最终控制，加速度控制方式如下：

上述列车进出站运行多智能体控制方程中，各符号物理含义如下：

i——表示列车编号；

a_i——列车i的控制加速度，单位m/s²(米/秒²)；

max()——表示取两者或多者之间的最大值；

min()——表示取两者或多者之间的最小值；

x_i——列车i的实际位置，单位m(米)；

v_i——列车i的实际速度，单位m/s(米/秒)；

x_o,i——列车i的动态目标位置，单位m；

v_o,i——列车i的动态目标速度，单位m/s；

——列车控制位置偏差，列车i位置x_i与其动态目标位置x_o,i的差值，

——列车控制速度偏差，列车i运行速度v_i与其动态目标速度v_o,i的差值，

a_{acc_max}——列车的最大驱动加速度，单位m/s²；

a_{break_c}——列车的常用制动加速度，单位m/s²；

——列车控制力达到最大时的控制位置偏差。

在列车运行过程中，在不同的列车运行状态和环境下，根据上述多智能体控制模型计算列车的加速度，使列车不断更新自身的速度和位置，一方面保证列车群进出站作业过程中的运行安全性，另一方面也使列车群高效顺畅地完成进出站作业。

本发明还提供了一种列车群区间协同运行控制方法。在本发明实施例中，多列车之间不再采用车钩等设备实现物理连接，而是采用车车通信等无线通信方式使得多列车之间实现虚拟耦合。在虚拟耦合的***中，由于各列车之间没有采用车钩等设备实现物理连接，而是采用了无线连接方式，所以在列车的运行过程中，列车之间的距离或者相对位置会发生变化。如图4示例性地示出了虚拟耦合***的协同控制中多个列车之间的位置关系图。本发明针对虚拟耦合的多列车协同进行控制，根据多列车位置的前后关系，将连续的多列车看成虚拟耦合在一起的列车群；对列车群内某列车进行控制，可将该车视为控制列车，根据控制列车状态及其相邻列车的运行状态，确定所述控制列车的控制加速度，从而调整控制列车的速度。

如图4所示，多个列车包括列车1…列车i-1、列车i…列车N，其中列车1可以作为领航车。本发明实施例以多个列车中前后相邻的两个列车列车i和列车i-1为例进行示例性说明。

作为控制列车的列车i与作为与其相邻的紧前列车的列车i-1具有一定的距离。图中，x_i和x_i-1分别表示列车i和列车i-1车头所处的位置，v_i与v_i-1则分别表示列车i及其列车i-1当前的行驶速度；D(v_i,v_i-1)为列车i在行驶速度为v_i、列车i-1的行驶速度为v_i-1时，两车之间需要保持的理想间距，该理想间距受控制列车的速度影响。在列车的运行过程中，列车i和列车i-1之间距离D(v_i,v_i-1)是较为理想的距离，两车之间保持理想间距运行时，能够保证列车的高效运行且不会发生碰撞等安全问题。

其中，上述理想间距D(v_i,v_i-1)还与安全间距d₀、列车长度L、列车i的常用制动距离Sc_i(v_i)、列车i-1的紧急制动距离Su_i-1(v_i-1)有关。而列车i的常用制动距离Sc_i(v_i)取决于列车i的当前速度v_i，可通过查询实际列车参数获取；列车i-1的紧急制动距离Su_i-1(v_i-1)取决于列车i-1的当前速度v_i-1，可通过查询实际列车参数获取。

上述理想间距D(v_i,v_i-1)的具体如下公式：

D(v_i,v_i-1)＝d₀+L+Sc_i(v_i)-Su_i-1(v_i-1) (1)

上述公式(1)中，d₀为在紧前列车紧急制动的情形下，控制列车采取常用制动，二者停车后控制列车车头与紧前列车车尾之间所保留的安全间距。所述安全间距d₀受司机作出制动反应时间、信号在列车设备中处理和传输延时以及控制列车速度的影响，具体地，安全间距d₀＝(制动反应时间+信号处理与传输延时)×控制列车速度×安全系数，其中所述安全系数为1-2之间。

本发明实施例的基于虚拟耦合的多列车***在运行过程中，基于控制列车和紧前列车之间的距离关系和速度关系，分为不同的运行状态，通过对列车的速度进行加速或减速等控制手段，使得列车在不同的运行状态中进行转换，最终达到控制列车和紧前列车速度一致、距离稳定的平衡运行状态。如下表示出了9种运行状态。

如上表所示，基于控制列车(列车i)和紧前列车(列车i-1)之间的实际间距与理想间距D(v_i,v_i-1)的关系、速度关系，将列车的运行状态设置为9种类型。在实际运行过程中，可以通过对控制列车的速度进行控制，例如通过加速度实现速度的加速或减速，使得控制列车从一个运行状态进入到另一个运行状态，本领域技术人员应该熟知，加速时加速度为正数，而在减速时减速度为负数。其中，在运行状态5中，控制列车和紧前列车之间的距离为理想间距D(v_i,v_i-1)、二者运行速度也相同，也就是二者进入了一个稳定的运行状态。若列车群内所有的列车(领航列车除外)都处在稳定运行的状态5附近，则整个列车群可实现高效安全运行。

在列车的运行过程中，由于一些客观原因，需要对速度和列车间距进行调整，进而使得控制列车在上述运行状态中转换，实现稳态运行状态与不稳定运行状态之间的变化。如图5示出了控制列车在不同运行状态之间转换的流程示意图。

如图5所示，在运行状态6中，列车i(控制列车)和列车i-1(紧前列车)之间的间距为理想间距D(v_i,v_i-1)，而此时列车i的速度v_i小于列车i-1的速度v_i-1，这种速度关系使得前后两车的距离关系由x_i＝x_i-1-D(v_i,v_i-1)变为x_i<x_i-1-D(v_i,v_i-1)。此时，列车i进入运行状态3，在运行状态3中，列车i加速，加速到v_i＝v_i-1后，进入到运行状态2。在运行状态2中，列车i继续加速，进入到运行状态1。在运行状态1中，v_i＞v_i-1，此时列车i进入减速，最终使得x_i＝x_i-1-D(v_i,v_i-1)、v_i＝v_i-1，进入到稳定运行状态5。此时前后两列车保持了理想间距D(v_i,v_i-1)、二者速度一致，即两车处于稳定的高效安全运行状态。

如图5所示，在运行状态5中，列车i(控制列车)和列车i-1(紧前列车)之间的安全间距为理想间距D(v_i,v_i-1)，而此时列车i的速度v_i大于列车i-1的速度v_i-1，这种速度关系使得两车的距离关系由x_i＝x_i-1-D(v_i,v_i-1)变为x_i＞x_i-1-D(v_i,v_i-1)。此时，列车i进入运行状态7，在运行状态7中，列车i减速，减速到v_i＝v_i-1后，列车进入运行状态8。在运行状态8中，列车i继续减速，进入到运行状态9。在运行状态9中，v_i<v_i-1，此时列车i进入加速，最终使得x_i＝x_i-1-D(v_i,v_i-1)、v_i＝v_i-1，进入到稳定运行状态5。此时前后列车保持了理想间距D(v_i,v_i-1)、两车的相对速度一致，即两车处于稳定的高效安全运行状态。

稳定运行状态下，前后两车相对速度一致并保持一定的理想间距，例如列车处于停止运行状态，或者高速稳定运行状态。

但是，由于某些客观原因，例如列车发车、到站停车或者线路限速等客观原因，处于稳定运行状态的列车需要打破上述稳定运行状态。因此，列车i(控制列车)将会从稳定运行状态进入其他的不稳定运行状态。示例性地，列车i处于稳定运行状态5时，前方列车将要到站，此时列车i-1进行减速，其速度v_i-1降低，这导致列车i速度v_i大于紧前列车速度v_i-1，此时列车i进入从运行状态5进入到运行状态4，并进一步地进入到运行状态7；列车出站时，列车i-1速度v_i-1提高，导致列车i速度v_i小于列车i-1速度v_i-1，此时，列车从运行状态5进入运行状态6，并进一步地进入运行状态3。示例性地，在列车高速运行时，轨道线路状况良好，列车i可以提高速度，此时列车从运行状态5进入运行状态3；如果线路状况差，需要列车i降速通过，此时列车从运行状态5进入运行状态7。

列车i进入上述运行状态3或运行状态7后，如上表和图5所示，可以继续通过加减速的控制方式进行运行状态的改变并达到稳定运行状态。

上述所列9种运行状态中，可以通过合理施加在控制列车上的控制力(引动力、制动力和阻力等的合力)，使其进行加速或减速，使得控制列车在不同的运行状态之间进行转换，最终都转换到稳定运行状态5，即列车群内的所有列车在高速运行时各列车之间保证合适的安全间距且以相同的速度高速追踪运行，或者列车群内的所有列车停止。

为了判断列车所述的各种运行状态，以进行协同控制，进而实现列车的安全运行，在列车的运行过程中，紧前列车可以实时将其位置信息、速度信息、加速度信息等信息发送给控制列车。可选地，控制列车也可以通过检测装置主动实时检测紧前列车的位置、速度、加速度等信息，或通过列控***获取紧前列车的位置、速度、加速度等信息。

列车在处于一种运行状态后，列车i可以通过一定的加速度实现速度的加减速的控制方式来实现不同运行状态之间的转换。在加减速时，基于控制列车与紧前列车之间的冗余距离△x_i和相对速度动态调整自身的加速度a_i。

本发明实施例中，通过以下公式计算前控制列车的加速度差值△a_i：

其中：

i＝2,3,…,N；

max()表示取两者或多者之间的最大值；

(i＞1，控制列车)为列车i相对于列车i-1的速度，

△x_i(i＞1，控制列车)为列车i与列车i-1之后D(v_i,v_i-1)位置的距离差，是列车i与列车i-1之间允许的冗余距离，其中，△x_i＝x_i-(x_i-1-D(v_i,v_i-1))；列车在运行过程中保持理想间距D(v_i,v_i-1)，但是在实际中，可以有偏离理想间距D(v_i,v_i-1)的冗余距离△x_i，换言之，△x_i为列车i位置与列车i-1之后D(v_i,v_i-1)位置的距离；如图4示出了控制列车和紧前列车距离大于理想间距D(v_i,v_i-1)的示意图，即此时的冗余距离为负数，从图中可以看出前后列车的实际距离(x_i-1-x_i)为D(v_i,v_i-1)-△x_i；

x_i为列车i车头的位置、v_i为列车i的速度、a_i(i＞0，非领航者)为列车i的控制加速度、(i＞0，非领航者)为列车i-1的实际加速度；

a_{acc_max}为列车的最大驱动加速度，本领域技术人员应该熟知，驱动时驱动加速度为正数；

a_{break_c}为列车的常用制动加速度，本领域技术人员应该熟知，制动时制动加速度为负数；

x_m为列车控制力达到最大时的距离偏差，取值为90m-120m之间。

而对于列车中的领航列车，其车头位置、车辆速度、车辆实际加速度分别为x₁、v₁、

本发明实施例中，对于多列车的协同控制，考虑紧前列车的当前车头位置、速度、加速度等信息，以使得控制列车高效安全追随紧前列车运行。

通过上述公式(2)获得控制列车之间的加速度差后，列车i根据列车i-1的加速度，对列车i的加速度进行调整，进而改变列车的运行状态，列车i的控制加速度如式(3)所示。通过本发明实施例的加减速调整，采用虚拟耦合的多列车实现了协同控制，在列车运行稳定性、舒适性和安全性方面得到了极大地提高。

本发明实施例中，以后车作为控制列车追随前车为例进行示例性说明，但是并不限于后车追随紧前列车的方式。相反，前车作为控制列车来随后车运行状态进行调整同样适用于本发明。

本发明实施例对于同一线路上运行方向相同且相邻的多列车作为一个整体统一组织，列车不再是独立的个体而是建立内部关联关系，打破了闭塞分区的概念，列车控制效率得到提高；通过前车加速度参数、前后车速度差值参数、前后车冗余距离参数来确定后车的加速度，使得虚拟耦合的列车控制更加安全可靠，多列车中两个相邻列车间追踪间距进一步缩小；列车之间并不采用物理连接，其灵活性大大提升。

需要说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。前后两个步骤之间并不必然意味着一定是一种先后执行的顺序，只要能够解决本发明的技术问题即可，而且前后两个步骤之间并不必然意味着一定排除了发明中未列出的其他步骤。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本申请的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。同理，***的各个单元之间并不必然意味是一种直接的电气连接，说明书表示的仅仅是逻辑关系。

本发明还提供了一种列车群作业组织及运行控制***，如图6所示，本发明所提出的列车群作业组织及运行控制***架构由传统的三层架构简化为两层架构，该架构仅包含调度组织层和执行控制层。

调度组织层由路径规划调度模块组成，路径规划调度模块包括参数确定单元、规划设定单元、调度单元、监控单元和通信单元，如图7所示。路径规划调度模块主要负责为列车制定运行计划，计算列车群进出车站最优调度方案，及向列车发送调度命令，本发明中列车群进出站时空路径的规划、进出站的列车群控制均由该调度组织层的路径规划调度模块进行规划。其中，

参数确定单元，用于确定以下参数：出站拓扑网络中的区段、各区段起点道岔处允许的行驶速度、列车在两个相邻区段起点道岔之间的最快行程时间、各区段进口道岔的转换时间、区段中连续锁闭或非连续锁闭列车之间所要求的列车运行间隔、列车长度；

规划设定单元，用于基于所述参数确定单元确定的所述参数规划列车群中每个列车进入出站作业网中各个区段起始道岔的时间、每个列车的出站先后顺序；

调度单元，用于基于所述规划设定单元确定的结果(例如列车群中每个列车进入出站作业网中各个区段起始道岔的时间、每个列车的出站先后顺序等)，向列车发送调度指令；

监控单元，用于监控列车和道岔状态，例如监控列车的行驶速度、加速度、行驶区段、列车之间的间隔、运行线路等等、以及监控道岔的锁闭状态等等；

通信单元，用于路径规划调度模块同其他模块进行无线通信。

执行控制层由车载运行控制模块和道岔智能控制模块组成。车载运行控制模块，包括信息采集单元、加速度确定单元、道岔控制单元、距离判断单元、设定单元和无线通信单元，如图8所示。车载运行控制模块主要负责接受调度组织层这一上层的调度命令，并基于所述时空路径规划确定列车群进出站过程中列车的目标位置和目标速度对列车进行控制，向道岔发送锁闭请求，并为各自列车计算动态路权(即在列车运行时，以列车自身为起点，计算终点为到前方障碍点的范围)，保障列车行车安全，在区间通过根据相邻列车运行状态调整列车的加速度，从而调整速度，最终实现列车群协同运行。其中，

信息采集单元，用于采集列车速度位置等运行状态信息；

加速度确定单元，用于确定列车在区间和/或车站运行过程中的加速度。在列车位于区间时，根据紧前列车速度和距离信息来计算列车加速度；在列车位于车站时，根据目标位置和目标速度、以及当前速度与目标速度的差值、当前位置与目标位置的差值，确定列车群中列车的加速度；

道岔控制单元，接收到进站或出站规划调度指令后，向列车路径上的道岔发送控制指令；

距离判断单元，判断列车群中列车距动态障碍点的距离，并将判断的距离结果发送给所述设定单元；

设定单元，基于所述距离判断单元判断的距离确定列车群中列车的目标位置和目标速度；

无线通信单元，用于车载运行控制模块同其他模块进行通信。

道岔智能控制模块，包括道岔状态采集单元、道岔智能控制单元、道岔联锁防护单元和通信单元，如图9，主要根据列车请求完成锁闭道岔，并实现道岔联锁安全防护功能。其中：

道岔状态采集单元，用于道岔状态采集；

道岔智能控制单元，从道岔控制单元接收道岔锁闭请求，控制道岔锁闭，并将道岔状态发送给车载运行控制模块；

道岔联锁防护单元，用于保障道岔和列车联锁安全关系；

通信单元，用于道岔智能控制模块同其他模块进行通信。

本发明中，所有模块之间均能直接通信，车载运行控制模块通过网络(例如无线通信网络)接收路径规划调度模块发送的进站或出站的时空路径、进出站的控制规划等数据，根据接收的数据执行列车运行的控制。

在列车群进出站作业过程中，本发明所提出的列车群高效进出站作业组织及控制***，各组成模块按照预定分工各司其职，共同完成列车群进出站作业，如图10示出了进站作业基本流程和出站作业基本流程。

如图10所示，进站作业流程中，首先，列车群发出进出站作业请求，路径规划调度模块在接收到列车群进出站作业请求之后，通过上述前后列车之间运行间隔约束，在考虑不同列车时空路径之间存在一定安全余量的情况下，利用本发明所提出的列车群高效进出站作业组织方法，自动决策每列车的时空路径(途经道岔及时间)，以调度命令的形式发送回列车；然后，各列车根据调度命令，向途经道岔智能控制模块按作业时间顺序发送锁闭请求，各道岔智能控制模块依次按照锁闭响应请求，允许路径相同列车重复锁闭道岔，并将锁闭请求响应结果反馈至列车；最后，列车群内各列车依靠车载运行控制模块，利用本发明所提出的列车群高效进出站作业控制方法，控制自身运行速度及与前方动态障碍点间距，完成进站作业。

出站作业流程中，首先，分散停靠在各个站台的列车发送出站请求；路径规划调度模块为出站列车群决策作业顺序及规划时空路径(包括途径的道岔和时间)，将列车时空路径作为调度命令发送回列车的车载运行控制模块；各列车的车载运行控制模块根据接收的调度命令向途径道岔智能控制模块按作业时间顺序发送锁闭请求：车载运行控制模块遍历路径上所经过的所有道岔，依次发送道岔锁闭请求；各道岔接收所述道岔锁闭请求，允许路径相同列车重复锁闭道岔，并将锁闭请求响应结果反馈给列车的车载运行控制模块；最后，列车群内各列车依靠车载运行控制模块控制自身的运行速度和与前方动态障碍点的间距，最终完成出站作业。

本发明的进站作业流程和出站作业流程保证了整个进出站过程的作业效率和安全性。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种列车群作业组织与运行控制***，所述控制***由调度组织层和执行控制层组成，所述调度组织层与所述执行控制层实现数据连接，其中，

所述调度组织层，用于确定列车群进站或出站时空路径的规划；

所述执行控制层，用于基于所述调度组织层的调度命令，控制列车群的目标位置、目标速度和道岔的锁闭。

2.根据权利要求1所述的控制***，其中，

所述调度组织层包括路径规划调度模块；所述执行控制层包括车载运行控制模块和道岔智能控制模块；

所述路径规划调度模块，用于制定列车群进站或出站的时空路径规划，形成调度指令；

所述车载运行控制模块，用于接收所述路径规划调度模块的调度指令，并基于所述时空路径规划确定列车群进出站过程中列车的目标位置和目标速度，对列车的运行进行控制，并发送锁闭请求；

所述道岔智能控制模块，用于接收所述车载运行控制模块的锁闭请求，实现对道岔的锁闭。

3.根据权利要求2所述的控制***，其中，

所述路径规划调度模块包括参数确定单元、规划设定单元、调度单元，其中，

参数确定单元，用于确定以下参数中的一个或多个：进站或出站拓扑网络中的区段、各区段起点道岔处允许的行驶速度、列车在两个相邻区段起点道岔之间的最快行程时间、各区段进口道岔的转换时间、区段中连续锁闭或非连续锁闭列车之间所要求的列车运行间隔、列车长度；

规划设定单元，用于基于所述参数确定单元确定的所述参数规划列车群中每个列车进入进站或出站作业网中各个区段起始道岔的时间、每个列车的出站先后顺序；

调度单元，用于基于所述规划设定单元确定的结果，向列车发送调度指令。

4.根据权利要求3所述的控制***，其中，

所述路径规划调度模块还包括监控单元，

所述监控单元，用于监控列车和/或道岔状态。

5.根据权利要求2所述的控制***，其中，

车载运行控制模块，包括信息采集单元、加速度确定单元、道岔控制单元、距离判断单元、设定单元，其中，

信息采集单元，用于采集列车速度位置等运行状态信息；

加速度确定单元，用于确定列车在区间和/或车站运行过程中的加速度；

道岔控制单元，接收到进站或出站规划调度指令后，向列车路径上的道岔发送控制指令；

距离判断单元，判断列车群中列车距动态障碍点的距离，并将判断的距离结果发送给所述设定单元；

设定单元，基于所述距离判断单元判断的距离确定列车群中列车的目标位置和目标速度。

6.根据权利要求5所述的控制***，其中，

所述加速度确定单元，还用于根据紧前列车速度和距离信息来计算列车加速度，或根据目标位置和目标速度、以及当前速度与目标速度的差值、当前位置与目标位置的差值，确定列车群中列车的加速度。

7.根据权利要求2所述的控制***，其中，

所述道岔智能控制模块，包括道岔状态采集单元、道岔智能控制单元、道岔联锁防护单元，其中，

道岔状态采集单元，用于采集道岔状态；

道岔智能控制单元，用于接收道岔锁闭请求，控制道岔锁闭，并将道岔状态发送给车载运行控制模块。

8.根据权利要求7所述的控制***，其中，

所述道岔智能控制模块，还包括道岔联锁防护单元，

所述道岔联锁防护单元，用于保障道岔和列车联锁安全关系。