一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法

技术领域

本发明涉及多列车协同运行优化控制领域，特别涉及一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法。

背景技术

高速列车以其高速度、低污染、大载客量和良好的经济效益等特性，近年来得到了广泛的重视和蓬勃的发展，已成为我国绿色交通发展的优先方向，是体现我国工业化发展水平的卓越代表之一。随着列车运行速度的不断提升、列车发车密度的不断增大，以节能、准时、减少乘客等待时间、降低牵引供电网峰值和优化目标自动调整运行图为目标的多列车协同运行控制及其相关技术已成为该领域的研究重点。列车状态估计是多列车协同运行控制的关键一环，准确的获取列车行驶状态对于加强冲突管理、提高安全保障至关重要。但由于高速列车运行过程受到车辆特性、线路特性、天气状况、载客量等因素影响，运行环境存在强非线性和强干扰性，仅依靠单一传感器量测技术得到列车行驶状态的估计值这一方法存在可靠性低、估计准确性差等问题，已远远不能满足多列车协同运行优化控制的需求。目前，在列车行驶状态估计领域，国内外学者已关注到基于多传感器数据融合的列车行驶状态估计技术。但是，大多数现有基于多传感器融合的估计方法都属于集中式估计算法，即由一个中心收集到所有列车车载传感器的量测信息后利用集中式估计器进行统一计算得到协同运行的所有列车的行驶状态估计值。这种设计缺乏鲁棒性，一旦运行集中式估计方法的中心发生故障，将会导致整个列车监测系统瘫痪。并且，由于所有列车传感器量测信息的收集和处理任务都由中心完成，这对中心的数据存储能力、计算能力、通信能力提出了很高的要求，不利于算法在实际场景中的应用。因此，亟需研究能够保证在强非线性和强干扰性的高速列车运行环境下对协同运行的高速列车行驶状态进行实时有效监测的且易被实际应用的多列车协同运行行驶状态估计方法。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明的目的是提出一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，能够保证每趟列车在强非线性和强干扰性的运行环境中得到对协同运行的所有列车行驶状态的有效估计。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1：考虑高速列车车载传感器感知量测情况，结合图论知识建立多列车协同运行车间输出耦合关系图，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型；

步骤2：对多列车协同运行连续时间状态空间模型进行可观性分析；

步骤3：结合车间通信网络拓扑关系，将多列车协同运行车间输出耦合关系图进行有向无环化处理，得到有向无环多列车协同运行车间输出耦合关系图；

步骤4：结合可观性分析结果，每趟列车根据有向无环多列车协同运行车间输出耦合关系图中指定的局部量测信息，构建类隆伯格观测器，得到对本趟列车的行驶状态估计值；

步骤5：结合可观性分析结果，根据车间通信网络拓扑关系，每趟列车利用与通信网络中邻居列车的局部通信信息，构建基于领导-跟随一致性协调方法的一致性观测器，得到对其他协同运行列车的行驶状态估计值；类隆伯格观测器和一致性观测器共同构成了多列车协同运行行驶状态分布式观测器。

进一步地，所述步骤1中，高速列车车载传感器感知量测情况指的是协同运行的每趟列车都可以获得与其他协同运行列车间的相对量测信息包括相对位置和相对速度，并且，部分列车可以获得本趟列车的绝对量测信息包括绝对位置和绝对速度。

进一步地，所述步骤1中，列车i的实际运行动力学模型如下：

其中，

其中，

进一步地，所述步骤1中，列车i的车载传感器感知量测信息表示如下：

其中，

进一步地，所述步骤1中，结合高速列车车载传感器感知量测情况，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型，形式如下：

y＝Cs

其中，

进一步地，所述步骤2中，对多列车协同运行连续时间状态空间模型进行可观性分析，结果如下：(A,C)对应的多列车协同运行系统是可观的，当且仅当多列车协同运行系统中的每趟列车至少能获得一个量测信息并且至少有一趟列车拥有绝对量测信息；该可观性分析结果利用图论知识进行等价描述，即(A,C)对应的多列车协同运行系统是可观的，当且仅当图

进一步地，所述步骤3中，用强连通有向图

1)每趟列车在正整数集合中任选一个正整数作为自己的ID；

2)每趟列车根据分层机制确定自己所在层级，分层原则是能够获得绝对量测信息的列车自动划分为0层，为最低层级，能获得与处于0层列车间相对量测信息的列车自动划分为1层，能获得与处于1层列车间相对量测信息的列车自动划分为2层，以此类推；

3)规定两个处于不同层级的列车间的相对量测信息只能由处于高层级的列车使用，两个处于相同层级的列车间的相对量测信息只能由ID大的列车使用；

4)过程3)中涉及到的相对量测信息的传递由车间通信网络

根据上述有向无环化处理，多列车协同运行车间输出耦合关系图

进一步地，所述步骤4中，在满足(A,C)对应的多列车协同运行系统可观以及多列车协同运行车间输出耦合关系被转化为有向无环图

其中，

进一步地，所述步骤5中，在满足(A,C)对应的多列车协同运行系统可观的情况下，每趟列车通过构建基于领导-跟随一致性协调方法的一致性观测器得到对协同运行的所有列车的行驶状态的估计；列车i的一致性观测器由两部分组成，具体形式如下：

其中，

进一步地，类隆伯格观测器和基于领导-跟随一致性协调方法的一致性观测器共同构成了多列车协同运行行驶状态分布式观测器；在实际运行过程中，步骤4和步骤5同步执行，共同得到每趟列车对协同运行的所有列车的行驶状态的估计。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，考虑协同运行的高速列车间存在通信的情况，结合高速列车车载传感器实际配置情况，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型，并对其进行可观性分析，结合隆伯格估计方法和领导-跟随一致性协调方法，利用每趟列车本地传感器量测信息以及通过车间通信网络与邻居列车交互的信息，保证每趟列车能够对协同运行的所有列车的行驶状态进行实时有效估计。本发明实现了基于局部量测和局部通信对协同运行列车行驶状态的全局估计，鲁棒性强，通信成本和计算成本低，为处于复杂快速多变、信息交互、实时强扰动环境下的多列车协同安全运行提供保障。

附图说明

图1为本发明提供的多列车协同运行行驶状态估计方法实施流程图；

图2为本发明一示例性实施例示出的多列车协同运行行驶状态估计误差图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本发明实施例提供的多列车协同运行行驶状态估计方法实施流程图。如图1所示，该分布式估计方法从多列车协同运行连续时间状态空间模型出发，对该模型进行可观性分析，并对模型中包含的车间输出耦合关系图进行有向无环化处理，在此基础上，构建多列车协同运行行驶状态分布式观测器，该观测器由类隆伯格观测器和基于领导-跟随一致性协调方法的一致性观测器两部分组成，该观测器利用包括每趟列车车载传感器量测信息和车间通信网络交互的信息在内的局部信息得到对多列车协同运行系统全局状态的估计。

本发明实施例提供的用于多列车协同运行行驶状态分布式估计方法，具体包括如下步骤：

步骤1：考虑高速列车车载传感器感知量测情况，结合图论知识建立多列车协同运行车间输出耦合关系图，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型；

1)高速列车车载传感器感知量测情况指的是协同运行的每趟列车都可以获得与其他协同运行列车间的相对量测信息包括相对位置和相对速度，并且，部分列车可以获得本趟列车的绝对量测信息包括绝对位置和绝对速度。

2)考虑一个由m趟相同列车组成的多列车协同运行系统，将系统中的每趟列车进行编号，编号为i的列车简称列车i，i＝1,…,m。列车i的实际运行动力学模型如下：

其中，

其中，

3)结合1)中高速列车车载传感器感知量测情况，列车i的车载传感器感知量测信息表示如下：

其中，

4)结合高速列车车载传感器感知量测情况，以列车实际运行动力学模型为基础，构建多列车协同运行连续时间状态空间模型，形式如下：

y＝Cs

其中，

步骤2：对多列车协同运行连续时间状态空间模型进行可观性分析，具体地，分析结果如下：

(A,C)对应的系统(即多列车协同运行系统)是可观的，当且仅当多列车协同运行系统中的每趟列车至少能获得一个量测信息(相对量测和绝对量测均可)并且至少有一趟列车拥有绝对量测信息。该可观性分析结果可以利用图论知识进行等价描述，即(A,C)对应的多列车协同运行系统是可观的当且仅当图

步骤3：结合车间通信网络拓扑关系，将多列车协同运行车间输出耦合关系图进行有向无环化处理，得到有向无环多列车协同运行车间输出耦合关系图，具体地：

用强连通有向图

1)每趟列车在正整数集合中任选一个正整数作为自己的ID；

2)每趟列车根据分层机制确定自己所在层级，分层原则是能够获得绝对量测信息的列车自动划分为0层，为最低层级，能获得与处于0层列车间相对量测信息的列车自动划分为1层，能获得与处于1层列车间相对量测信息的列车自动划分为2层，以此类推；

3)规定两个处于不同层级的列车间的相对量测信息只能由处于高层级的列车使用，两个处于相同层级的列车间的相对量测信息只能由ID大的列车使用；

4)过程3)中涉及到的相对量测信息的传递由车间通信网络

根据上述有向无环化处理，多列车协同运行车间输出耦合关系图

步骤4：结合可观性分析结果，每趟列车根据有向无环多列车协同运行车间输出耦合关系图

在满足(A,C)对应的多列车协同运行系统可观以及多列车协同运行车间输出耦合关系被转化为有向无环图

其中，

步骤5：结合可观性分析结果，根据车间通信网络拓扑关系，每趟列车利用与通信网络中邻居列车的局部通信信息，构建基于领导-跟随一致性协调方法的一致性观测器，得到对其他协同运行列车的行驶状态估计值；类隆伯格观测器和一致性观测器共同构成了多列车协同运行行驶状态分布式观测器，具体地：

在满足(A,C)对应的多列车协同运行系统可观的情况下，每趟列车可以通过构建基于领导-跟随一致性协调方法的一致性观测器得到对协同运行的所有列车的行驶状态的估计。列车i的一致性观测器由两部分组成，具体形式如下：

其中，

类隆伯格观测器和基于领导-跟随一致性协调方法的一致性观测器共同构成了多列车协同运行行驶状态分布式观测器；在实际运行过程中，步骤4和步骤5同步执行，共同得到每趟列车对协同运行的所有列车的行驶状态的估计

如图2所示，是本发明多列车协同运行行驶状态估计误差图，其中，多列车协同运行系统由3趟列车组成，图中(a)、(b)、(c)分别是3趟列车对列车1、2、3的实时绝对位置信息的估计误差图，用

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。