利用智能混雜模型描述高速列車群運行過程的方法
2024-02-21 06:17:15 1
專利名稱：利用智能混雜模型描述高速列車群運行過程的方法
技術領域：
本發明屬於高速列車行車調度控制技術領域，尤其涉及一種利用智能混雜模型描 述高速列車群運行過程的方法。
背景技術：
隨著高速鐵路的投入使用，對高速列車群的運行過程的描述越來越受到重視。描 述高速列車群運行的過程對提高列車群的技術速度、旅行速度、直達速度、行車安全、以及 列車運行過程控制有較大的實際意義。列車群的運行過程能夠根據鐵路的通過能力、車站 的接發車能力，最大限度的發揮列車的實際運行速度，儘可能的保證列車群根據列車運行 圖既定的出發和到達時間運行，以保證列車的正點率。相反，列車群運行過程得不到有效的 描述和控制，就很難保證高速列車群按照既定運行圖運行，最終的後果就是不能有效發揮 列車調度的實際功能和作用，也將影響到列車運行的安全問題。隨著軌道交通的快速發展，列車的安全運行問題就越發顯得突出重要，要實現在 安全的前提下高速地行車就要對列車群的運行過程進行研究，於是如何實現對列車群運行 過程進行描述就成為首先要解決的重要問題。以往在對交通系統進行研究時都是從單個理 論建模出發，然而用單個理論模型對交通系統進行建模時或多或少的都會有不足之處。例 如，CA對交通系統做出了較大的簡化，實現簡單，仿真系統效率高。但是它的齊性、同質性 等特點，不能滿足交通系統各組成元素多樣化、個體差異性、演變不規則性、個體行為不完 全確定等特性。
發明內容
為解決單個理論建模過程中的一些不足，本發明提供一種利用智能混雜模型描 述高速列車群運行過程的方法。應用分層遞階和複雜系統的理論思想，利用元胞自動機 (CA-CellularAutomata)W^zfeilfM (CGP-ConstrainedGenerating Procedure) 相結合的方法建立了面向高速列車運行過程智能混雜系統模型，同時把此模型分三個層次 分別進行描述和說明。本發明的技術方案是，把模型分為三層靜態層、動態層、協調層。靜態層用混雜元胞自動機建模理論構建模型，主要包括高速列車群運行系統中的 非移動部分，即車站和線路，本發明將線路等分成η個元胞，車站根據自身股道數的不同， 分別佔用不同的元胞數，車站與線路在實現上採用疊加方法。動態層主要是列車，本發明對列車實行CGP建模，在形象化的元胞空間上與線路 元胞形成映射關係。協調層也採用CGP建模的方法，主要實現對整個路網的運輸組織調整。根據上述 模型，建立了移動閉塞下列車運行過程仿真模型。在此模型中，主要分三個模塊數據支持 模塊、過程控制模塊、過程結果顯示模塊，根據列車最小間隔距離和車站附近列車速度更新 規則進行列車速度的更新。
數據支持模塊，主要提供車站數據、線路數據、列車數據、外界環境數據，這些數據 支持列車群真實反映運行的情況。過程控制模塊，包括列車運行控制子模塊和事件控制子模塊，起到控制列車群安 全運行，在遇到突發事件時能做好緊急處理工作。過程結果顯示模塊，提供結果的可視化顯示和人機控制界面。
所述方法包括下列步驟步驟1 對車站和線路、列車、以及車站、線路、列車三者之間的關係層次化，其中 車站、線路為靜態層，列車為動態層，三者之間的關係為協調層；步驟2 利用混雜元胞自動機建模理論對靜態層(車站和線路)建模，利用元胞 (車站、線路)更新規則進行更新；步驟3 利用有約束的生產過程對動態層(列車)進行建模，列車之間的連接通過 安全間隔距離、安全間隔時間聯繫，列車實時接受線路、車站、協調層傳來的消息判斷自己 的下步工作；步驟4 利用有約束的生產過程對協調層(車站、線路、列車之間的聯繫)進行建 模，它對偵測到的信息處理後再將可以識別的信息傳送給控制模塊，通過相應的規則將外 界可以接受的控制命令傳送出去；步驟5 利用基於CA和CGP相結合的高速列車群運行進行仿真；本發明為調整列車群運行、保證列車群旅行速度以及保證列車群運行安全提供了 一套可靠的依據；同時也為編制高效的鐵路運行圖，保證鐵路列車安全、準時、高效運行提 供了依據。
下面結合附圖對本發明作詳細說明圖1為高速列車群運行過程智能混雜系統建模結構圖；圖2為元胞更新規則示意圖；圖3為動態層內部結構圖；圖4為協調層結構圖；圖5為基於智能混雜系統模型的高速列車群運行過程仿真結構圖；圖6a為線路元胞示意圖；圖6b車站元胞示意圖；圖6c疊加後的元胞示意圖。
具體實施例方式圖1是高速列車群運行過程智能混雜系統模型結構圖。圖1中，模型結構圖共有 三層，從下到上依次是靜態層、動態層、協調層。其中，靜態層主要包括高速列車群運行系統中的非移動部分，即車站和線路，本發 明避免了以往CA軌道交通模型對元胞單一划分而忽略交通領域實體類型多樣性的缺點， 根據不用的軌道交通實體車站、線路，將元胞空間分為兩層。如圖6所示，將線路等分成η 個元胞，車站根據自身股道數的不同，分別佔用不同的元胞數，車站與線路在實現上採用疊加方法，不同層的元胞空間相疊加，構成一個系統的元胞空間。使用元胞自動機理論的更新 規則，元胞鄰域為前後兩個元胞，如圖2所示，元胞按照列車的運行方向進行更新，黑色表 示當前被佔用，空白表示當前空閒。設前方元胞的狀態為X。、當前元胞狀態為《、後方元 胞狀態為尤，更新規則為K 二,其中，&表示第i+i個元胞在時刻t的狀
態，《表示第i個元胞在時刻t的狀態，表示第i-l個元胞在時刻t的狀態。動態層主要是列車，動態層採用CGP模型，機構數根據列車的數目而定，比如系 統或區間內有n列車，則機構就有n個。列車的屬性包括①速度V，表示列車在鐵路線上行駛的當前速度；②最大限速 v_，表示列車在行駛過程中所允許的最大速度；③坐標S，表示列車在線路上的位置；④加 速度a，此處設列車的加減速相同；⑥編號，列車的標識；⑦等級，列車在行駛中的優先級； ⑧列車運行方向，表示列車的上下行。列車的狀態，主要為當前位置、當前速度和運行方向。列車的狀態轉換可以由函數 Q = f (v，S，a, t，R)給出，Q表示列車的狀態，它由列車的屬性v、a、S、R和系統演化的時間 t決定。整個動態層的狀態由各個列車(機構)的狀態綜合表現。其中v、S、a之間通過數學關係建立聯繫。列車運行距離的計算公式
2 (1)
將
代入上式得
列車運行時間、距離和速度的關係 列車在啟動或者制動時每個時間間隔內位置速度計算公式
其中v = v0+a A t(5)列車(機構)之間的連接方式列車之間通過安全間隔距離、安全間隔時間建立聯 系，所以當前列車只和前行列車有連接，當前列車與前行列車之間的間隔小於安全間隔，則 列車減速行駛直到在安全間隔之外，當大於安全間隔時則勻速或加速行駛。動態層內部結構圖3所示，列車通過實時接受線路、車站、協調層傳來的消息，根 據判斷機制，判斷自己下一步的動作。當前方列車在安全間隔之外且當前速度沒有達到最 大限速，則列車啟動加減速控制器，實現列車加速運行，並把當前列車信息傳給線路、車站、 協調層；當前方列車在安全間隔之外且當前速度達到最大限速，則列車勻速行駛；當前方 為車站且有空閒的股道，則減速駛進車站；當列車在車站作業完成且前方列車在安全間隔之外，則列車啟動，加速駛離車站；當遇到緊急情況，發送消息給協調層，根據協調層返回信 息執行下一步動作。協調層同樣是採用CGP模型，此層主要是起運輸組織的作用，協調控制整個路網 中列車的安全、有序運行，以及處理一些緊急的事件比如列車故障、出現自然災害、上級臨 時命令等，這時就要把信息傳遞給協調層，由協調層來處理、協調列車群的安全運行。協調層中的機構為事件處理模塊、事件偵測模塊和控制模塊三類，事件處理模塊 的屬性主要為處理規則和人；事件偵測模塊的屬性主要為偵測類型、存儲器和語法；控制 模塊的屬性主要為命令語義。事件處理模塊的狀態為正在用的規則，事件偵測模塊的狀態為事件語義；控制模 塊的狀態為命令語義。各個機構的狀態根據偵測到的事件不斷地更新，利用新來的信息更 新舊的信息。機構之間通過事件流程相互聯繫著。協調層內部聯繫及其與外界的聯繫如圖 4所示。協調層對偵測到外界環境輸入進來的消息通過事件處理模塊，然後再傳給控制模 塊能識別的信息，控制模塊接受到信息後通過相應的控制規則後形成外界能識別的控制命 令傳送出去。整個協調層在列車群的安全運行過程中起到關鍵性的作用。圖5是基於CA與CGP相結合的高速列車群運行過程仿真模型圖。圖5中，主要 分三個模塊數據支持模塊，主要提供車站數據、線路數據、列車數據、外界環境數據，這些 數據支持列車群真實反映運行的情況；列車控制模塊，包括列車運行控制子模塊和事件控 制子模塊，起到控制列車群安全運行，在遇到突發事件時能做好緊急處理工作；結果顯示模 塊，提供仿真結果的可視化顯示和人機控制界面。在數據支持模塊中，主要包括車站型數據、列車型數據、線路型數據、環境數據。 此模塊主要是為了保證列車群的正常運行和緊急情況下事件的處理在數據上的支持，起到 對數據的高效利用。在列車控制模塊中，其控制規則如下在移動閉塞系統下列車群的運行控制要求比較高，列車必須時刻跟蹤自己和前後 行列車的速度，及其他外界環境的變化因素。1.列車最小間隔距離在軌道交通中，列車在線路上高速度、高密度地運行，前行列車和後續列車必須保 持一定的距離間隔以保證列車安全，並確保後續列車正常運行不受前行列車的影響，不產 生非正常的制動和減速。這個距離間隔必須大於或等於最小瞬間距離，相繼列車間的最小 瞬間距離為
(6)這裡V_,n表示第n列車的最大限行速度，bn表示第n列車的減速度。SMn是安全 防護距離(Safety Margin)，可以寫為
x是後續列車的反應時間。2.速度更新規則當第n列車不在車站，且前方為第n+1列車時，列車速度更新規則為 vn = vn-antelsevn = vnend if這裡
是第n列車和其前方第n+1列車之間的間距，其中xn+1和xn分別 是第n+1列車和第n列車的位置。dmin,n是第n列車與前方第n+1列車之間應保持的最小瞬 間距離。根據上文式(6)得到+ ，其中SMn是第n列車與第n+1列車 之間的安全防護距離，v_,n表示第n列車的最大安全速度，an表示第n列車的加速度。在移動閉塞系統中，車站是一個特殊的區間，是線路通過能力的瓶頸，需要特別的 處理和分析。在模擬過程中，如果第n列車前方就是車站，且車站股道全部被其它列車佔 據，則第n列車停止時必須與車站至少保持最小瞬間距離，相當於跟隨靜止的前行列車的 情形；如果前方車站有空閒股道空閒，那麼第n列車就直接減速進入車站。當第n列車在 車站停留的時間大於或等於運行計劃中設定的停站時分時，如果前方的第n+1列車在安全 防護段之外，則該車由靜止啟動離開車站；否則繼續停留在車站(此時，第n列車在車站停 留的時間大於計劃中設定的停站時分，產生站內發車延誤)。設dst是第n列車與車站間的 距離(dst = Lst-xn,Lst是車站的位置)，則由運動學公式可計算出列車減速進站的速度應為
這裡取整是因為列車CGP映射到元胞空間只能是整數。下面是車站附近列車速度的更新規則1)當車站有空閒的股道時，可以接車if dst > xsd&vn < vfflax,nvn = vn+antelse if dst vmax,n thenvn = vn-antelsevn = vnend if這裡xsd是第n列車減速進站的距離，xsd = v2n/(2an)。2)當車站沒有空閒股道，不能接車if dst > Xsd&vn < vfflax,n thenvn = vn+antelseif dst vmax,n thenvn = vn-antelsevn = vnend if這裡dst < Xsd是必須保證列車在安全保護段之前停車，Xsd = xsd+SMn, SMn是安全 防護距離，可以寫為
，t是後續列車的反應時間。當第n列車停留在車站時，時間累加器tst。p不斷地計時，如果tst。p的值大於運行計劃中設定的停站時分Ts時，且其前方的第n+1列車在安全防護段之外，則第n列車由靜 止開始啟動加速離開車站。車站裡面的列車速度控制規則為 這裡tst。D是第n列車在車站的停留時間，dn = xn+1-xn是前後兩列車之間的距離。
權利要求
一種利用智能混雜模型描述高速列車群運行過程的方法，其特徵在於，包括以下步驟步驟1對車站和線路、列車、以及車站、線路、列車三者之間的關係層次化，其中車站、線路為靜態層，列車為動態層，三者之間的關係為協調層；步驟2利用混雜元胞自動機建模理論對所述靜態層建模，利用元胞更新規則進行更新；步驟3利用有約束的生產過程對所述動態層建模，列車之間的連接通過安全間隔距離、安全間隔時間聯繫，列車實時接受線路、車站、協調層傳來的消息判斷自己的下步工作；步驟4利用有約束的生產過程對協調層建模，所述協調層對偵測到的信息處理形成控制模塊可識別的信息後再傳送給控制模塊，所述控制模塊通過相應的規則將外界可接受的控制命令傳送出去；步驟5結合混雜元胞自動機和有約束的生產過程對高速列車群運行進行仿真。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟2中利用混雜元胞自動機建模理論 對靜態層建模，將線路等分成若干個元胞，車站根據自身股道數的不同，分別佔用不同的元 胞數，車站與線路在實現上採用疊加方法。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述動態層主要是列車，利用有約束的生產 過程建模，在形象化的元胞空間上與線路元胞形成映射關係。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟5中對列車運行進行的仿真主要分 三個模塊數據支持模塊、列車控制模塊、結果顯示模塊，根據列車最小間隔距離和車站附 近列車速度更新規則進行列車速度的更新。
全文摘要
本發明公開了一種利用智能混雜模型描述高速列車群運行過程的方法。該方法把模型分為靜態層、動態層、協調層三層。靜態層主要包括車站和線路；動態層主要是列車；協調層主要實現對整個路網的運輸組織調整。根據上述模型，建立移動閉塞下列車運行過程仿真模型。本發明為調整列車群運行、保證列車群旅行速度以及保證列車群運行安全提供了一套可靠的依據；同時也為編制高效的鐵路運行圖，保證鐵路列車安全、準時、高效運行提供了依據。
文檔編號G06F19/00GK101859347SQ20101019160
公開日2010年10月13日 申請日期2010年5月26日 優先權日2010年5月26日
發明者孫彩虹, 孟學雷, 徐傑, 王莉, 秦勇, 胡風山, 謝正媛, 賈利民, 陳彩霞 申請人:北京交通大學