基于列车间直接通信的列车编队追踪间隔控制策略研究

陈启香

（宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡　721000）

基于列车间直接通信的列车编队追踪间隔控制策略研究

陈启香

（宝鸡文理学院 电子电气工程学院，陕西 宝鸡721000）

为实现近来提出的列车编队运行方式，本文将现有列控系统结构进行调整，并对编队内部两列车追踪间隔控制策略进行研究。基于列控系统的基本结构，通过对其系统结构的改进，得出列车间直接通信与现有间接通信之间的冗余规则。同时针对编队内部列车间追踪间隔的控制，本文采用模糊控制方法，通过在车载计算机添加模糊控制模块，并在已设计好的模块中加入一个扰动进行仿真实验，得出自动调整策略能使列车在编队方式下高效运行，达到追踪运行稳态。

列车运行控制系统；列车追踪间隔；运行调整；模糊控制

为增大铁路列车运行密度，缩小列车最小追踪间隔，提高铁路运输效率，文献［1］提出将编队技术引入列车运行控制中，提出列车编队运行方式。列车编队运行方式需要对列控系统做相应的改进，论文在前期工作基础上针对列控系统结构进行调整。

文献［2］提出了不基于地面设备的列车间直接通信系统，文献［3］利用组合定位系统提高列车的定位精度和可靠性，文献［4-5］提出了基于前行列车速度的列车追踪运行控制策略，文献［6］针对列车多目标优化进行了基于智能控制算法的列车自动驾驶研究。论文借鉴既有研究成果，改进列控系统结构，并提出基于模糊控制方法的列车追踪间隔调整策略。

1　列车编队运行方式简介

将某些列车组织起来编成队列，通过调度指挥，利用列车间直接通信或间接通信保持相互联系，共同完成一定运输任务，将这种行车组织方式称之为列车编队运行方式［1］。本论文将列车独立完成任务的方式称为列车独立运行方式。图1为两种方式的对比示意图，从图中可以看出编队内部的追踪间隔得到缩小，编队与编队之间仍然采用独立运行方式下的追踪间隔。

图1　两种运行方式示意图

目前列车编成队列运行还存在以下问题：

1）列车追踪间隔调整仍然停留在粗略的调控层面上，一般都是由列车司机保证运行间隔不小于最小追踪间隔，重点保证列车到达车站的准点，造成实际运行间隔还存在很大的冗余量。

2）列车编队运行后，列车需要实时与前后行车间传输速度、位置等信息，以保证列车运行安全。因此需依靠列车间直接通信保持前后行列车的有效通信，要求列车间隔不能超出一定的通信范围。鉴于以上两点，列车编队技术必须有相应的列车追踪间隔调控策略。

2　系统结构

图2为带有GSM-R列控系统结构及接口［7］示意图，图3中点划线的部分为在现有设备上改动或新增部分。主要包括3个部分：

1）车载设备要在现有设备基础上添加列车间直接通信模块；

2）为保持编队内部列车间追踪间隔，在安全计算机中设计模糊控制模块；

3）对现有列车定位技术进行升级以满足高定位精度的要求。

图2　现有系统结构

图3　改动后系统结构

3　列车间直接通信与现有间接通信的冗余规则

列车间直接通信是现有通信系统的后备系统，除了保障列车间可靠地通信外，还可提高铁路运输效率，列车间直接通信与现有通信系统之间的冗余关系如下：

1）列车间间接和直接通信都能正常工作。由于列车间直接通信受通信距离及其设备本身制约，在两通信都正常情况下，列车通过列车间直接通信接收到前行列车发送的信息，此信息与列车间接通信（GSM-R）得到的信息进行比较，进而监督列车接收信息的准确性。

2）列车间直接通信工作正常，现有间接通信设备失效。列车间直接通信可给司机提供信息参考，可将该模式限制速度调高。列车编队运行只能依靠列车间直接通信来保障。

3）列车间直接通信故障，间接通信工作正常。由应答器、轨道电路和GSM-R通信设备提供的信息保障行车安全。编队解编，列车以独立运行方式运行。

4）列车间直接通信和间接通信都不能正常工作，编队解编。列车只有满足特定条件才可以低速运行；否则，停车等待。

4　列车间追踪间隔的保持

列车在区间中运行，要与前后行列车都保持一定的间距，当这个间距过大或过小时通过调整列车的速度，使它们恢复到合理范围内。如果该间距过小，会导致列车进站时站外等待或停车；如果间隔过大，会使线路不能得到充分利用，这些都会影响铁路运输效率。由于列车间直接通信系统对通信距离有要求，将两列车之间的间距保持在一定范围内，才能进行可靠信息传输。

4.1列车间隔调整原则

追踪间隔的调整要注意以下原则：

原则一：列车速度调节是在列车自动防护曲线的监督下进行，不能超越限制速度；

原则二：当两列车距离过大，后行列车以最大允许速度运行，直到与前行列车间隔合理，再根据前行列车运行情况追踪；

原则三：当两列车距离过小，采用最大常用制动，如果距离过小没有得到缓解，采用紧急制动；

原则四：当编队内部的两列车交换位置或编队解编时，后行列车的期望追踪间隔值会从编队的期望追踪间隔值向独立的期望追踪间隔值转变；

原则五：编队内部运行间隔由后行列车的模糊控制模块控制。而前行列车运行前方没有追踪列车的情况下，根据列车运行目标（准点性、节能性、舒适性等）生成的追踪运行曲线跟踪行驶［8］。

4.2列车间隔调整流程

列车间隔调整流程如图4所示，后行列车获得其前行列车的位置、速度等信息，对列车运行状态进行分析：首先列车是否处于编队状态，若是则为状态1，后行列车以编队内部的追踪间隔来调控；否则为状态2，列车结束模糊控制工作。当实际的列车间追踪间隔过大，超出了智能控制模块的调控范围，根据4.1节的原则二进行调控；同理，当实际的列车间追踪间隔过小，运用原则三。

4.3模糊控制模块设计及仿真验证

在文献［9-11］的基础上，本文设计的模糊控制模块如图5所示。将列车运行的实际速度与期望速度（前行列车通过相同坐标点的速度）之间的差值作为输入x，两列车实际时间间隔与期望时间间隔的差值作为输入y，由它们两共同决定列车处于什么牵引制动级别u。因此，采用双输入单输出模糊控制模块就可以完成任务。输入参数初始论域的选取规则：

1）目前规定列控系统的测速测距误差不大于2%［13］。列车运行速度在200 km/h时，速度误差小于4 km/h，即使是300 km/h的运行，速度误差小于6 km/h；

2）当列车运行速度超过ATP曲线5 km/h，使用最大常用制动减速［13］；

3）考虑列车本身存在时间同步误差；

4）论域范围取的越小，控制精度越高。

图4　列车运行调整过程

图5　两输入一输出模糊控制器模型

为了确保一定的控制精度，又避免模糊规则条数过多，覆盖模糊论域的模糊子集数目以3～10个为宜［14-16］。覆盖变量x的模糊子集数目为7个，后车距前车的间隔分别为很近（NB），近（NM），近点（NS），正好（O），远点（PS），远（PM），很远（PB）。覆盖变量y的模糊子集数目为7个，分别为前车比后车的车速很慢（NB），慢（NM），慢点（NS），同速（O），快点（PS），快（PM），很快（PB）。输出的模糊子集为制动等级（B1，B3，B5，B7），巡航（X），牵引等级（P1，P3，P5，P7）。

在模糊控制模块中，取模糊量ET的论域范围为［-10，10］，EV的论域范围为［-40，40］，U的论域范围为［-1，1］。量化因子为ket=0.4，kev=0.05，比例因子ku=0.9。同时本设计采用三角函数描述模糊概念能够满足控制要求。

使用Mtalab语句If（ET is…）and（EV is…）then（U is…），（如果两车间隔是…，并且后车比前车的速度是…，则输出的控制量为…），如模糊控制表1所示，总共可以组合成49条控制规则，这是模糊控制模块的核心。

表1　模糊控制规则表

4.4仿真验证

本文截取列车编队在区间运行的某种情况作为对象，通过假设参数，使用MATLAB仿真软件来验证列车编队中的后行列车能否保持与前行列车间隔在合理的范围内。

假设前行列车以160 km/h匀速运行，期望值为180 s，两车间的实际时间间隔比期望值多了10 s，对其进行仿真结果如图6所示。

图6　追踪间隔时间ET的调整曲线

图6中的曲线为两列车实际追踪间隔与期望追踪间隔差值ET的变化情况，在列车运行4 km后，实际追踪间隔与期望追踪间隔调整变得平缓。最终，静态误差稳定在-0.1 s左右，该误差在允许误差范围内。因此本文设计的模糊控制模块能够满足要求，控制效果良好。

5　结　论

本文提出的列车编队运行方式是将现有列控系统改进实现，论文主要讨论了列车间直接通信与现有间接通信间的冗余关系，并根据编队运行方式对追踪间隔的更严格的要求，提出了基于时间的追踪间隔自动调整策略，采用模糊控制方法设计了追踪间隔自动调整控制模块，并通过仿真验证了该模块能够较好的保持列车间的追踪间隔，能够使列车在安全的前提下提高运行效率，达到追踪运行稳态［17］。

［1］韩兰奎.列车编队运行方式控制研究［D］.兰州：兰州交通大学，2015.

［2］李茂青，林俊亭.基于超短波的列车间直接通信技术研究［J］.计算机工程，2013，39（12）：5-10.

［3］刘江，蔡伯根，唐涛，等.低成本列车组合定位系统容错算法设计［J］.铁道学报，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］侯涛，罗志刚.列车安全距离优化算法安全性与追踪运行调整策略研究［J］.铁道学报，2014，36（9）：44-51.

［6］潘登，郑应平.高速列车追踪运行的控制机理研究［J］.铁道学报，2013，35（3）：53-61.

［7］宁滨，等.高速列车运行控制系统［M］.北京：科学出版社，2012.

［8］唐海川，朱金陵，王青元，等.一种可在线调整的列车正点运行节能操纵控制算法［J］.中国铁道科学，2013，34（4）：89-94.

［9］孙中央.列车牵引计算实用教程［M］.北京：中国铁道出版社，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］唐涛，黄良骥.列车自动驾驶控制算法综述［J］.铁道学报，2003，25（2）：98-102.

［12］王正林，刘明.精通MATLAB7［M］.北京：电子工业出版社，2007.

［13］铁运函［2006］426号.时速200km/h和300km/h动车组主要技术条件［R］.北京：铁道部办公厅，2006.

［14］石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真［M］.北京：清华大学出版社，2008.

［15］高冰.基于模糊PID软切换的列车自动驾驶系统控制算法及仿真研究［D］.北京：北京交通大学，2009.

［16］吕红丽.Mamdani模糊控制系统结构分析理论研究及其在暖通空调中的应用［D］.济南：山东大学，2007.

［17］李华琪，江新标，陈立新，等.HP-STMCs空间堆热管运行参数计算［J］.现代应用物理，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稿件编号：201512224

国家自然科学基金地区项目（61164010）；宝鸡文理学院校级重点资助项目（ZK15087）

陈启香（1988—），女，甘肃白银人，硕士研究生，助教。研究方向：列车运行控制，铁路通信与信号技术。