面向自动驾驶的高速列车动态间隔控制优化方法研究

As an important technical equipment to ensure the safety and efficient operation of train, automatic train operation （ATO）system is an important trend of future high-speed train control technology. Train operation optimization and interval control method is the key technology to realize automatic train operation for high-speed railway. Traditional automatic train operation oriented control algorithms usually took the train itself as the object, which treats the speed trajectory planning and tracking control process independently ignoring the complex characteristics of train power distribution. This project gives full consideration to the characteristics of train power distribution and the complex disturbance factors in the actual running environment. Taking the safety, energy-saving, punctuality and environment-friendly comfort as the optimization objects, we try to overcome the technical difficulties of automatic train operation oriented control problem by introducing the moving horizon optimization technology and complex group decision-making theory. We plan to propose the integrated train operation control method and collaborative optimal train group operation control approach. We attempt to build a semi-physical simulation system to simulate and validate the proposed model and methods. The results of this project will lay a good foundation for our country's automatic high-speed train operation method and provide important theoretical and technical support for integrated collaborative development in transportation of China in the background the “One Road, One Belt” strategy.

列车自动驾驶系统作为保障列车安全、高效运行的重要技术装备，是未来高速列车运行控制技术发展的重要方向。列车运行优化和间隔控制方法是实现高速列车自动驾驶的核心技术。传统的面向列车自动驾驶的控制优化算法大多以列车自身为研究对象，将运行速度轨迹规划与跟踪控制独立开来，忽略了列车本身动力分配的复杂特性。本课题充分考虑列车动力分配特性和实际运行环境中的复杂干扰因素影响，综合考虑安全、准点、节能及舒适环保等目标，结合滚动优化方法及复杂群决策等基础理论，重点突破面向自动驾驶的高速列车运行控制优化关键技术，提出可行的列车运行耦合一体化控制方法及列车群运行控制协同优化方法，构建高速列车群运行优化控制半实物仿真平台进行方法验证及性能测试。本项目成果将为我国高速列车自动驾驶控制方法形成自主创新奠定良好基础，同时在“一带一路”战略背景下为我国交通领域的协同发展提供重要理论和技术支撑。

随着铁路自动化程度的进一步提升，高速铁路自动驾驶系统作为保障列车安全、高效运行的重要技术装备，是智慧铁路建设的利器，是世界各国轨道交通发展的趋势。列车运行间隔控制与优化方法是实现高速列车自动驾驶的核心技术。在传统的面向列车自动驾驶的控制优化方法中，通常将列车运行速度轨迹规划与跟踪控制独立开来，并且大多以列车自身为研究对象，导致忽略了列车本身动力分配的复杂特性。本课题结合列车动力分配特性和实际运行环境中的复杂干扰因素影响，研究列车状态估计问题，降低列车运行速度、位置估计误差，优化传统列车运动状态感知方法，量测输出精度提高80%以上。以列车运行安全与准点为约束，综合考虑节能、舒适等优化目标，构建多目标高速列车群运行控制协同优化体系，提高了列车区间运行速度轨迹规划的灵活性，列车运行多目标优化进一步均衡；基于时空占用带模型与弹性调整策略，提出移动闭塞下列车安全间隔优化控制方法；结合滚动优化方法提出高速列车运行耦合一体化控制优化方法；结合多智能体群集编队思想，分析高速列车群协同决策与控制过程，提出基于群决策理论的高速列车群运行控制协同优化方法；对比列车实际运行数据，所研究的列车运行优化方式使单列车运行能耗降低6.07%，在保障安全的前提下，组织5列列车编队运行，减小列车运行间隔，经过仿真验证，列车运行效率提升189秒。构建高速列车群运行控制虚实交互仿真平台，优化仿真运行环境构建方法，整体图形渲染运算数据量降低约96%，有效提升系统计算效率与运行稳定性，开展高速列车典型运行场景仿真测试，对本课题提出方法的性能进行了有效验证。以上成果将对我国高速列车自动驾驶控制方法形成自主创新奠定良好基础，为高速铁路提升运行效率，降低运行能耗，助力实现“碳中和”目标，提供重要理论与技术支撑，并为高速铁路列车运行控制与优化方法的研究提供可靠的仿真测试环境，具有重要的理论意义和良好的应用前景。