【ZiDongHua 之“方案應(yīng)用場(chǎng)”收錄關(guān)鍵詞：鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)   CRSCD  江西理工大學(xué)   高速磁浮   磁浮軌道交通】

基于運(yùn)行曲線區(qū)間優(yōu)化的磁浮列車分層協(xié)同控制方法

磁浮軌道交通具有安全、低碳、靜音、舒適等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)城市軌道交通的有益補(bǔ)充。磁浮軌道交通在國(guó)內(nèi)具有廣闊的應(yīng)用前景，已開通長(zhǎng)沙磁浮快線、北京磁浮S1線、鳳凰磁浮旅游快線，近期在建設(shè)清遠(yuǎn)磁浮、長(zhǎng)瀏磁浮等多條磁浮軌道交通線路。列車虛擬編組的概念最早由歐洲學(xué)者提出，多列車之間通過(guò)車-車通信取代傳統(tǒng)的物理連接，實(shí)現(xiàn)多列車以相同速度、小間距追蹤運(yùn)行，以有效提升軌道交通運(yùn)輸能力?；谔摂M編組的磁浮列車群組協(xié)同優(yōu)化控制是當(dāng)前軌道交通優(yōu)化控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

磁浮列車緊密追蹤運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)滿足安全、準(zhǔn)點(diǎn)、節(jié)能等多目標(biāo)運(yùn)行要求，早期的研究中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多以列車運(yùn)行能耗為優(yōu)化目標(biāo)。文獻(xiàn)[3-6]針對(duì)列車追蹤過(guò)程中的能耗問題采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃、遺傳算法等求解最優(yōu)列車節(jié)能曲線。隨著理論研究的深入和乘客對(duì)于乘坐體驗(yàn)要求的不斷提升，單一目標(biāo)優(yōu)化難以滿足列車的實(shí)際運(yùn)行場(chǎng)景。此外，許多學(xué)者提出了粒子群算法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)，在滿足列車安全、準(zhǔn)時(shí)到站的條件下實(shí)現(xiàn)列車節(jié)能優(yōu)化以及提升線路空間利用率。上述研究在列車追蹤運(yùn)行曲線優(yōu)化方面取得了許多重要成果，主要關(guān)注離線或在線設(shè)定一條列車最優(yōu)運(yùn)行速度曲線的方法研究。

磁浮列車緊密追蹤條件下，各列車單元運(yùn)行狀態(tài)之間強(qiáng)耦合，復(fù)雜非線性擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)列車需要頻繁調(diào)整速度，導(dǎo)致設(shè)定的一條最優(yōu)目標(biāo)速度曲線面臨失效風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，磁浮列車制動(dòng)特性易受外部環(huán)境影響，頻繁調(diào)整列車速度可能導(dǎo)致虛擬編組的磁浮列車無(wú)法保證隊(duì)列穩(wěn)定運(yùn)行。既有的優(yōu)化單一速度曲線的方法無(wú)法適應(yīng)緊密追蹤條件下編組列車的控制需求。所以，有必要開展列車參考速度區(qū)間優(yōu)化的研究。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于相對(duì)操作的列車分離模型，預(yù)測(cè)前一列車的運(yùn)行曲線邊界，減小了列車安全距離。但并未考慮復(fù)雜線路條件，模型可能無(wú)法適應(yīng)。文獻(xiàn)[12]考慮了高速列車牽引制動(dòng)特性以及線路條件，使用雙速度曲線優(yōu)化方法設(shè)定列車參考速度曲線，以降低能耗。該方法需要進(jìn)行兩次優(yōu)化，計(jì)算量大，實(shí)時(shí)性差，無(wú)法適應(yīng)列車緊密追蹤實(shí)時(shí)控制的需求。

磁浮列車群組緊密追蹤運(yùn)行過(guò)程中，僅考慮單列車的運(yùn)行曲線優(yōu)化很可能會(huì)犧牲編隊(duì)整體質(zhì)量，可見多列車緊密追蹤運(yùn)行過(guò)程需要同時(shí)考慮編組車隊(duì)整體和單列車的優(yōu)化目標(biāo)。文獻(xiàn)[13]針對(duì)虛擬編組列車在雙線交匯區(qū)段上面臨的沖突與通過(guò)效率問題，提出了上層優(yōu)化通過(guò)效率，下層提高編隊(duì)質(zhì)量的雙層優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[14]考慮智能聯(lián)網(wǎng)車隊(duì)動(dòng)態(tài)耦合特性和通信延時(shí)，提出一種基于觀測(cè)器的分布式車輛隊(duì)列縱向控制器。文獻(xiàn)[15]提出了集成軌跡規(guī)劃層和跟蹤控制層的雙層控制方法，實(shí)現(xiàn)了編組列車在80?km/h下的緊追蹤控制。文獻(xiàn)[16]在此分層協(xié)同控制框架的基礎(chǔ)上，提出了一種無(wú)偏移模型預(yù)測(cè)控制方法，優(yōu)化編組列車到達(dá)同步性。上述學(xué)者的研究充分驗(yàn)證了分層協(xié)同控制方法在協(xié)調(diào)目標(biāo)沖突、優(yōu)化編隊(duì)質(zhì)量方面的有效性。

磁浮列車采用電磁感應(yīng)非接觸測(cè)速模式、電制動(dòng)與液壓制動(dòng)混合制動(dòng)方式，在復(fù)雜電磁環(huán)境干擾和環(huán)境因素影響下，測(cè)速定位精度易受影響、制動(dòng)特性非線性強(qiáng)，對(duì)磁浮列車精準(zhǔn)高效地協(xié)同控制帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。本文針對(duì)磁浮列車緊密追蹤下的協(xié)同優(yōu)化控制問題，提出一種基于運(yùn)行曲線區(qū)間優(yōu)化的磁浮列車分層協(xié)同控制方法，本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)為：提出磁浮列車參考速度區(qū)間優(yōu)化方法獲取列車最優(yōu)速度區(qū)間；提出一種磁浮列車分層協(xié)同控制方法，上層處理約束規(guī)劃列車參考速度曲線、下層設(shè)計(jì)了模型預(yù)測(cè)控制器來(lái)跟蹤上層參考軌跡；基于磁浮列車現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)集開展仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本文所提優(yōu)化和控制方法的有效性。

本文內(nèi)容安排為：第2節(jié)建立了磁浮列車單質(zhì)點(diǎn)模型和追蹤特征模型，有效描述磁浮列車緊密追蹤下的多車運(yùn)行狀態(tài)耦合關(guān)系；第3節(jié)基于第2節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)特征，提出磁浮列車運(yùn)行曲線區(qū)間優(yōu)化方法，為多車協(xié)同提供持續(xù)有限的最優(yōu)速度參考區(qū)間；第3節(jié)采用設(shè)定的最優(yōu)速度區(qū)間，提出分層協(xié)同控制策略，以實(shí)現(xiàn)磁浮列車多車高效、節(jié)能、舒適地協(xié)同追蹤運(yùn)行。第4節(jié)基于磁浮列車現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)開展仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)試驗(yàn)證上述方法的有效性。

2 磁浮列車緊密追蹤運(yùn)行特征建模

本文的研究對(duì)象為虛擬編組的磁浮群組列車，編組列車隊(duì)列由i（i≥2）列車組成，編組列車協(xié)同控制框架如圖1所示。假設(shè)列車內(nèi)部相互作用力可以忽略不計(jì)，在此建立列車單質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)特征模型如公式（1）所示。