一种基于事件触发的多列车协同容错控制方法

技术领域

本发明涉及高速列车运行控制技术领域，尤其涉及一种基于事件触发的多列车协同容错控制方法。

背景技术

作为建设高质量综合立体交通网络的重要组成部分，高速铁路得到了迅速的发展。为了增强高速铁路系统对突发事件的反应速度、安全性并且提升运力，高速列车协同控制得到了很大的关注。与单列车控制相比，列车协同运行模式下相邻列车能够直接通信，实时获取邻车的位置、速度、加速度、控制策略等，根据线路条件通过估计邻车的运行状态，实现多列车协同控制策略的制定及对调度下达的命令快速执行。

然而，复杂的运行环境导致通信网络不可避免地存在通信时延，车与车之间难以实现实时、高频率的信息传输。因此，在多列车协同控制设计时需要考虑通信网络资源受限的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种基于事件触发的多列车协同容错控制方法，其解决了现有技术中存在着的控制方法通信成本较高，且引入了不连续信号，导致的系统闭环性能不稳定技术问题。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本申请实施例提供一种基于事件触发的多列车协同容错控制方法，该多列车协同容错控制方法包括：在考虑列车的执行器发生故障的情况下，基于每一辆列车的运行阻力，构建多列车运行动力学模型；其中，多列车运行动力学模型包括本列车的位置、本列车的速度和用于表示本列车的执行器发生故障时本列车的实际控制输入，并且实际控制输入是基于本列车对应的容错控制输入信号确定的；基于给定的协同目标位置曲线和本列车的位置，计算本列车的位置追踪误差，以及基于给定的协同目标速度曲线、本列车的虚拟控制信号和本列车的速度，计算本列车的速度追踪误差，以及对位置追踪误差进行非线性变换，得到位置预设性能控制信号，还对本列车的速度追踪误差进行非线性变换，得到速度预设性能控制信号；基于本列车的速度追踪误差和速度预设性能控制信号，分别设计本列车的故障率估计函数及补偿故障引起的扰动函数，以及基于位置追踪误差和位置预设性能控制信号，设计虚拟控制信号，以及还基于故障率估计函数、扰动函数、本列车的速度追踪误差、速度预设性能控制信号、另外一辆列车在事件触发时的速度追踪误差和另外一辆列车在事件触发时的速度预设性能控制信号，设计容错控制输入信号；基于速度追踪误差和速度预设性能控制信号，设计本列车的分布式事件触发条件，以及当满足本列车的分布式事件触发条件时，更新本列车的容错控制输入信号且同时向作为本列车的相邻车辆的下一辆列车发送本列车的速度追踪误差和本列车的速度预设性能控制信号。

在一个可能的实施例中，多列车协同容错控制方法还包括：当不满足本列车的分布式事件触发条件时，重新采集本列车的速度追踪误差和本列车的速度预设性能控制信号，直至满足分布式事件触发条件。

在一个可能的实施例中，多列车运行动力学模型的表达式为：

其中，i表示本列车的列车编号；x

在一个可能的实施例中，

其中，θ

在一个可能的实施例中，速度追踪误差是根据反步控制方法设计的，且该速度追踪误差的表达式为：

e

其中，e

在一个可能的实施例中，故障率估计函数的表达式为：

其中，

在一个可能的实施例中，扰动函数的表达式为：

其中，

在一个可能的实施例中，虚拟控制信号的表达式为：

α

其中，a

在一个可能的实施例中，容错控制输入信号的表达式为：

其中，u

在一个可能的实施例中，分布式事件触发条件为：

其中，k

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本申请实施例提供了一种基于事件触发的多列车协同容错控制方法，引入事件触发的机制，通过较少的信息传输次数低通信资源的消耗，且能达到与普遍应用的时间触发机制近似的控制性能，从而以有效地实现在列车执行器性能下降情况和通信资源受限情况下保证列车协同运行，在满足编队所需的控制性能的同时降低事件触发次数。

为使本申请实施例所要实现的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本申请实施例提供的一种基于事件触发的多列车协同容错控制方法的流程图；

图2示出了本申请实施例提供的一种基于事件触发的多列车协同容错控制方法的示意图；

图3示出了本申请实施例提供的参考目标速度曲线的示意图；

图4示出了本申请实施例提供的每辆列车的设计的控制输入的示意图；

图5示出了本申请实施例提供的多列车的位置追踪误差的示意图；

图6示出了本申请实施例提供的多列车的速度追踪误差的示意图；

图7A示出了本申请实施例提供的一列车的故障程度估计示意图；

图7B示出了本申请实施例提供的另一列车的故障程度估计示意图；

图7C示出了本申请实施例提供的再一列车的故障程度估计示意图；

图7D示出了本申请实施例提供的又一列车的故障程度估计示意图；

图8示出了本申请实施例提供的事件触发次数的示意图。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

目前，现有的技术存在以下问题：现有的列车协同控制未考虑列车实际运行中的通信约束，需要邻车的实时状态数据进行协同控制策略的制定，该控制方法通信成本较高，且引入了不连续信号，导致系统闭环性能不稳定；

以及，列车运行环境存在着密度高、运营里程长、运行环境恶劣的特点，随着部件的老化或是牵引/制动电机性能下降等情况的出现，会导致高速列车运行性能下降，甚至可能造成安全事故。因此需要保证列车在执行器发生故障的条件下仍然达到理想性能。也就是说，高速列车的执行器发生性能下降会降低追踪性能，使列车无法高效完成调度任务，甚至造成整个系统不稳定。

基于此，本申请实施例提供了一种基于事件触发的多列车协同容错控制方法，引入事件触发的机制，通过较少的信息传输次数低通信资源的消耗，且能达到与普遍应用的时间触发机制近似的控制性能，从而以有效地实现在列车执行器性能下降情况和通信资源受限情况下保证列车协同运行，在满足编队所需的控制性能的同时降低事件触发次数。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

请参见图1，图1示出了本申请实施例提供的一种基于事件触发的多列车协同容错控制方法的流程图。如图1所示的多列车协同容错控制方法可由电子设备执行，并且电子设备的具体设备可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。具体地，该多列车协同容错控制方法包括：

步骤S110，在考虑列车的执行器发生故障的情况下，基于每一辆列车的运行阻力，构建多列车运行动力学模型。其中，多列车运行动力学模型包括本列车的位置、本列车的速度和用于表示本列车的执行器发生故障时本列车的实际控制输入，并且实际控制输入是基于本列车对应的容错控制输入信号确定的。

应理解，多列车运行动力学模型还可以称为单质点非线性动力学模型。

还应理解，多列车运行动力学模型的具体模型可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，在考虑到N辆列车在线路上运行的情况下，建立如下多列车运行动力学模型：

式中，i表示本列车的列车编号，且i为1至N中的任意一个正整数；t表示时间；x

以及，

式中，θ

以及，f

f

式中，c

步骤S120，基于给定的协同目标位置曲线和本列车的位置，计算本列车的位置追踪误差，以及基于给定的协同目标速度曲线、本列车的虚拟控制信号和本列车的速度，计算本列车的速度追踪误差，以及对位置追踪误差进行非线性变换，得到位置预设性能控制信号，还对本列车的速度追踪误差进行非线性变换，得到速度预设性能控制信号。

应理解，基于给定的协同目标位置曲线和本列车的位置，计算本列车的位置追踪误差的具体过程可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，该位置追踪误差的表达式如下：

e

式中，e

还应理解，基于给定的协同目标速度曲线、本列车的虚拟控制信号和本列车的速度，计算本列车的速度追踪误差的具体过程也可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，该速度追踪误差是根据反步控制方法设计的，且该速度追踪误差的表达式如下：

e

式中，e

还应理解，对位置追踪误差进行非线性变换，得到位置预设性能控制信号的具体过程也可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，为了使位置追踪误差被约束在预设范围内，可对位置追踪误差进行变换，得到归一化的位置误差信号s

其中，s

式中，w

以及，ρ

还应理解，对本列车的速度追踪误差进行非线性变换，得到速度预设性能控制信号的具体过程也可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，为了使速度追踪误差被约束在预设范围内，可对速度追踪误差进行变换，得到速度预设性能控制信号s

其中，s

式中，w

以及，ρ

步骤S130，基于本列车的速度追踪误差和速度预设性能控制信号，分别设计本列车的故障率估计函数及补偿故障引起的扰动函数，以及基于位置追踪误差和位置预设性能控制信号，设计虚拟控制信号，以及还基于故障率估计函数、扰动函数、本列车的速度追踪误差、速度预设性能控制信号、另外一辆列车在事件触发时的速度追踪误差和另外一辆列车在事件触发时的速度预设性能控制信号，设计容错控制输入信号。

应理解，故障率估计函数的具体函数可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，为了使列车在执行器发生故障导致性能下降时，仍能够保持预先设定的追踪性能，设计本列车(即第i辆列车)的故障率估计函数：

式中，

以及，q

其中，d

还应理解，扰动函数的具体函数可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，为了消除故障引起的扰动，用于对其进行估计的扰动函数的表达式如下：

式中，

还应理解，虚拟控制信号的具体形式也可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，虚拟控制信号的表达式如下：

α

式中，a

还应理解，容错控制输入信号的具体形式也可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，容错控制输入信号的表达式如下：

式中，u

以及，为了减少列车之间的信息传输次数，每辆列车向邻车传输的状态信息(即速度追踪误差e

步骤S140，基于速度追踪误差和速度预设性能控制信号，设计本列车的分布式事件触发条件，以及当满足本列车的分布式事件触发条件时，更新本列车的容错控制输入信号且同时向作为本列车的相邻车辆的下一辆列车发送本列车的速度追踪误差和本列车的速度预设性能控制信号。

应理解，分布式事件触发条件的具体形式可根据实际需求来进行设置，本申请实施例并不局限于此。

可选地，本列车的分布式事件触发条件的表达式如下：

其中，k

以及，步骤S130中的容错控制输入信号u

因此，借助于上述技术方案，本申请实施例实现了多列车在执行器故障下的安全运行，在保证多列车追踪性能的同时降低了列车之间的通信次数。

为了便于理解本申请实施例，下面通过具体的实施例来进行描述。

具体地，在仿真实验考虑4辆列车协同运行的情况下，参考目标速度曲线如图3所示，采样时间设置为0.01s；高速列车参数选取为：c

以及，图4表示了本申请实施例的每辆列车的控制输入；图5和图6可以看出多列车的位置和速度追踪误差在列车执行器发生故障情况下，仍能始终保持在设置的期望追踪性能内；从图7A至图7D可以看出每辆列车都能准确的故障程度估计；图8可以看出采用时间触发方式的触发次数为150000次，而每辆列车的触发次数降低了约97.5％的触发次数，因此本申请实施例能够有效降低列车之间的通信次数。

应理解，上述基于事件触发的多列车协同容错控制方法仅是示例性的，本领域技术人员根据上述的方法可以进行各种变形，该变形之后的方案也属于本申请的保护范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例，或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。

应当注意的是，位于部件之前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了的若干装置中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件来具体体现。词语第一、第二、第三等的使用，仅是为了表述方便，而不表示任何顺序。可将这些词语理解为部件名称的一部分。

此外，需要说明的是，在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述，是指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员在得知了基本创造性概念后，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，技术方案应该解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明技术方案及其等同技术的范围之内，则本发明也应该包含这些修改和变型在内。