考虑城市轨道交通通行限制的列车运行速度自动控制方法_姚慧欣.pdf

收稿日期:2022-04-20基金项目:成都交通高级技工学校课程建设研究类重点项目以岗位需求为导向的城市轨道交通行车组织课程教学实践研究作者简介:姚慧欣(1991-),女,江西上饶人,硕士,工程师,主要研究方向为交通运输。考虑城市轨道交通通行限制的列车运行速度自动控制方法姚慧欣1,2(1.成都轨道交通集团有限公司,成都 610041;2.成都交通高级技工学校,成都 610057)摘 要:由于轨道列车限制运行速度过程中,控制量与自动量存在反馈误差,导致相同时间点下的控制量与实际控制出现误差,造成列车整体车速控制精度降低。为了解决控制量与自动量之间的误差问题,通过对城市轨道交通通行列车车速控制相关因素的分析发现,影响列车控制的效果的诸多因素中,客流量及其对应时间关系是影响控制量与实际控制量之间误差值大小的重要因素。因此,提出方法中首先确定轨道交通限制时段的客流条件,其次建立轨道交通限制控制模型,然后引入基于模糊控制的自动控制算法,最后完成自动控制约束输出。通过与 PID 控制方法的仿真实验证明,提出的控制方法在控制精度上具有显著提升,且方法应用过程稳定,控制效果满足实际应用要求,能够有效解决现有控制方法存在的控制误差过大问题。关键词:轨道交通;列车运行;速度;自动控制 中图分类号:TP273;U121 文献标识码:A DOI 编码:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.106Automatic control method of train operation speed,considering the traffic restrictions of urban rail transitYAO Huixin1,2(1.Chengdu Rail Transit Group Co.Ltd,Chengdu 610041,China;2.Chengdu transportation senior technical school,Chengdu 610057,China)Abstract:In the process of limiting the track train running speed,there is a feedback error between the control quantity and the automatic quantity,resulting in the error between the control amount and the actual control at the same time point,which reduces the overall speed control accuracy of the train.In order to solve the error problem between the control quantity and the automatic quantity,the analysis of the factors related to the speed control of the urban rail transit trains shows that a-mong the many factors affecting the effect of the train control,the passenger flow and its corresponding time relationship are the important factors affecting the error value between the control amount and the actual control amount.Therefore,the pro-posed method first determines the passenger flow conditions of the rail transit restriction period,then establishes the rail transit restriction control model,then introduces the automatic control algorithm based on fuzzy control,and finally completes the au-tomatic control constraint output.Through simulation experiments with PID control method,the proposed control method sig-nificantly improves the control accuracy,and the method application process is stable,the control effect meets the actual ap-plication requirements,and can effectively solve the problem of excessive control error of the existing control methods.Key words:rail transit;train operation;speed;automatic control0 引言2000 年以来我国城市建设进程迅猛,一、二线大中城市交通建设快速推进,交通方式由公路交通建设扩展到轨道交通建设,丰富了城市交通网络结构的同时,交通压力随之增长迅速。近十年来,据不完全统计我国近半数大型城市均在轨道交通建设与管理方面,投入了大量人力与物力资源。随着轨道交通建设的完善与多年的应用实践,当下如何对城市轨道交通通行列车的速度进行精准控制,成为城市轨道交通管理研究的重要研究项目。由于城市交通结构的不同,不同地域位置的客流量有所不同,对列车速度的限制管理方法有所不同。现有控制方法能够解决轨道列车速度的区间控制,无法实现列车速度的高响应精准控制1-2。究其原因在于控制量与实际自动量反馈信号之间受到客流量时间间隔变量的影响3-4,控制输出量误差偏大。因此,有必要提出一种新的控制方法解决此类问题。601考虑城市轨道交通通行限制的列车运行速度自动控制方法 姚慧欣1城市轨道列车速度自动控制方法的实现1.1 轨道交通限制时段的客流条件由于城市轨道交通受到客流量直接影响,因此,在对城市轨道交通通行限制控制过程中,需要对其区域客流量变化时段进行对应条件的分析,获取精准客流量时段数据。根据客流量的时间发展特征,利用 Fisher 最优分割法5-6对分析区域的有轨交通客流量进行时段统计划分,并对其进行时段归一整理7-8,得到可控制的客流时段数据。具体操作步骤如下:Step 1 根据区域轨道交通客流量时间分布特点,建立客流量的时间分布矩阵。将矩阵中的历史时间对应客流量的统计时间间隔设定为 t,以此获得该时间段内的统计次数为 q 轨道交通客流时间序列。令 Hr代表第 r 次统计对应时间段的客流矩阵,则该时间段内的客流量对应的时间序列可以表达为:H=H1,H2,Hr,Hq(1)Hr对应系数量,可以通过下列计算公式计算获得:Hr=pr1pr2pri()T(2)式中:pri代表位于第 r 次统计时间段内轨道交通限制区域 i 的客流量系数。Step 2 计算客流量流动直径令客流量规模 G 包含的人群类别为Hu,Hu+1,Hv9,其中,u,v 均代表目标时间段内的统计序号,vu,则其对应时间下客流量所包含人群类别的均值向量可以表达为:HG=1v-u+1vr=uHr(3)进一步计算,可以得到客流量规模 G 所对应人群流动的直径为:D u,v()=vr=uHr-HG()Hr-HG()T(4)计算解得 D u,v()对应的统计系数表。Step 3 客流量类别差异补偿函数计算考虑到客流量规模大小具有不确定性与动态性10,因此,在统计过程中,需要对类别差异系数进行补偿计算,消除类别差异产生的误差。补偿采用类别差异补偿函数11-12进行计算,计算公式为:L b q,2()=min2jnD 1,v-1()+D v,q()L b q,c()=minkjnL P v-1,c-1()+D v,q()(5)式中:b q,c()代表将 q 次统计时间段对应客流系数按照c 时间段对应客流类别进行统计划分;L b q,c()代表在 b q,c()统计划分过程中产生的类别差异误差值;Pq,c()代表能够满足 L b q,c()对应系数值最小的统计划分方法。根据式(5)中第 1 次、第 2 次公式可以分别计算得到求最优二分割13与最优 c 分割,进而获得 Lb q,c()对应的统计系数表。Step 4 确定最佳限制客流时间段 c根据 L b q,c()与 c 之间的趋势变化关联性14,可以确定限制客流时间段 c 所对应的系数值为关联变化的拐点。当存在多个拐点时,将其变化曲线最大值作为确定值的约束,以此获得唯一时间段系数值,即最佳限制客流时间段。1.2 建立轨道交通限制控制模型完成上述条件计算后,结合城市轨道交通的结构与其运输的复杂性,对其进行数学模型建立,通过模型建立,获得限制参量的传递特征。具体计算过程如下:令轨道交通限制控制模型的传递函数为 G s(),其计算公式可以表达为:G s()=0.060 17s+0.084 3()s+0.23()(6)根据传递函数的变换特征,对其进行整理变换得到公式(7):G s()=501s+0.23 17 475 s+708.0=Gns()G0s()(7)其中:Gns()与 G0s()分别代表静态客流时间段对应的控制变量与动态客流时间段对应控制变量。静态客流时间段对应控制变量主要由控制系数量与承载客流人数决定,动态客流时间段对应控制变量主要由外部限制条件决定。静态客流时间段对应控制变量输入值为 10 个控制级位,其对应的承载客流人数加权值为输出控制量;动态客流时间段对应控制变量的输入与输出分别对应静态客流时间段对应控制变量的输出与控制系数的差值速度。对公式(7)进行离散变换计算,可得到其控制量输出的差分方程为:y k+1()=0.686y k()+0.882y k-1()-0.703y k-2()+0.007 2u k()+0.014u k-1()+0.003 3u k-2()(8)在此基础上引入外部扰动因素的影响,经过整理计算,得到轨道交通限制控制模型输出函数为:y k+1()=0.686y k()+0.882y k-1()-0.703y k-2()+0.007 2u k()+0.014u k-1()+0.006 6u k-2()+k-1()+k-2()(9)其中,k-1()与 k-2()均代表外部扰动因素函数量。1.3 基于模糊控制的自动控制算法完成列车速度限制量控制的一系列计算后,对其控制量的自动化反馈进行计算。考虑到控制量对应限制速度状态的不同,其控制反馈的自动化参量有所不同,因此在自动控制计算方面,采用模糊控制算法,对控制目标值与反馈目标值进行误差定义,将其记作 e;则对应自动化模糊变量为 ec,e 与 ec 同时完成多轮模糊处理,可得到控制输入量的自动模糊集 E 与 EC,U 代表模糊自动输出量的模糊子集。根据尺度变换对模糊控制量的自动化处理规则15,可将输出计算过程分为以下四个步骤:(1)通过对载入控制量的系数分析,计算得到匹配控制系数的自动变量;701自动化与仪器仪表2023 年第 1 期(总第 279 期)(2)将计算所得自动变量转换为模糊参量;(3)由模糊变量的控制规则,计算获得关于限制速度递减的控制函数量(模糊量);(4)有上述计算所得模糊量可得到经过不断传递整理后的精准自动控制系数。令自动控制量的输出需要满足两个控制传递规则,的规则函数可表达为:(1)规则 1 导入函数:IF x1=A11andx2=A1