本發明涉及列車運行控制技術領域，尤其涉及一種列車運行的目標速度曲線優化方法。

背景技術：

地鐵列車ATO(Automatic Train Operation，列車自動運行)系統基于目標速度曲線進行列車速度控制，ATO系統將采用多種控制算法調控列車速度，使其盡可能與目標速度曲線中的目標速度一致，因此ATO系統的目標速度曲線將直接影響列車的運動特性。

目前典型的目標速度曲線如圖1及圖2所示。圖1中的典型的ATO運行過程可以被劃分成牽引段、巡航段和制動段3部分。更為復雜的目標速度曲線如圖2所示，ATO運行過程可以被等效成多個牽引段、巡航段、制動段的組合。

而現有ATO目標速度曲線是直接基于列車的牽引特性、巡航特性和制動特性生成各階段的目標曲線，然后直接首尾相連，在階段轉換處形成曲線拐點。事實上，由于實際列車的運動特性不可能發生突變(如牽引力矩不可能突變)，所以在實際運用中，列車的實際速度將在目標速度曲線的拐點處發生偏離，系統控制精度下降，此時ATO控制算法將產生較大的控制輸出進行修正，此時乘客會感受到明顯的加速度沖擊，乘坐舒適度降低。

技術實現要素：

針對現有技術的缺陷，本發明提供了一種列車運行的目標速度曲線優化方法，能夠解決現有技術中基于現有目標速度曲線運行時列車的實際速度將在目標速度曲線的拐點處發生偏離正的問題。

第一方面，本發明提供了一種列車運行的目標速度曲線優化方法，所述方法包括：

將待優化的目標速度曲線劃分為列車運動特性對應的多個模態；

對任意兩個相鄰模態之間的切換點進行優化，使得基于所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時列車的加速度變化率恒定，以得到優化后的目標速度曲線。

可選地，所述列車運動特性對應的多個模態包括：牽引特性對應的加速模態、巡航特性對應的勻速模態、制動特性對應的減速模態。

可選地，所述對任意兩個相鄰模態之間的切換點進行優化，使得基于所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時列車的加速度變化率恒定，包括：

采用預設的二次曲線與任意兩個相鄰模態對應的曲線相切，將所述待優化的目標速度曲線在兩個相切點之間的曲線替換為所述預設的二次曲線在所述兩個相切點之間的曲線，以得到優化后的目標速度曲線；

其中，所述預設的二次曲線的公式為：

y＝k₁x²+k₂x+k₃；

其中，所述k₁為預設的第一系數，k₂為第二系數，k₃為第三系數，且k₂、k₃通過曲線擬合算法唯一確定；

相應地，所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時的加速度變化率為2k₁。

可選地，所述待優化的目標速度曲線包括：加速模態、勻速模態及減速模態；

相應地，所述對任意兩個相鄰模態之間的切換點進行優化，使得基于所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時列車的加速度變化率恒定，包括：

采用預設的第一二次曲線與相鄰的加速模態及勻速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述加速模態切換至所述勻速模態時列車的加速度變化率為第一預設變化率；

采用預設的第二二次曲線與相鄰的勻速模態及減速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述勻速模態切換至所述減速模態時列車的加速度變化率為第二預設變化率；

其中，所述第一預設變化率為所述第一二次曲線的二次項系數的2倍；所述第二預設變化率為所述第二二次曲線的二次項系數的2倍。

可選地，所述待優化的目標速度曲線包括：第一加速模態、第一勻速模態、第一減速模態、第二勻速模態、第二加速模態、第三勻速模態及第二減速模態；

相應地，所述對任意兩個相鄰模態之間的切換點進行優化，使得基于所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時列車的加速度變化率恒定，包括：

采用預設的第三二次曲線與相鄰的第一加速模態及第一勻速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第一加速模態切換至所述第一勻速模態時列車的加速度變化率為第三預設變化率；

采用預設的第四二次曲線與相鄰的第一勻速模態及第一減速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第一勻速模態切換至所述第一減速模態時列車的加速度變化率為第四預設變化率；

采用預設的第五二次曲線與相鄰的第一減速模態及第二勻速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第一減速模態切換至所述第二勻速模態時列車的加速度變化率為第五預設變化率；

采用預設的第六二次曲線與相鄰的第二勻速模態及第二加速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第二勻速模態切換至所述第二減速模態時列車的加速度變化率為第六預設變化率；

采用預設的第七二次曲線與相鄰的第二加速模態及第三勻速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第二加速模態切換至所述第三勻速模態時列車的加速度變化率為第七預設變化率；

采用預設的第八二次曲線與相鄰的第三勻速模態及第二減速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第三勻速模態切換至所述第二減速模態時列車的加速度變化率為第八預設變化率；

其中，所述第三預設變化率為所述第三二次曲線的二次項系數的2倍；所述第四預設變化率為所述第四二次曲線的二次項系數的2倍；所述第五預設變化率為所述第五二次曲線的二次項系數的2倍；所述第六預設變化率為所述第六二次曲線的二次項系數的2倍；所述第七預設變化率為所述第七二次曲線的二次項系數的2倍；所述第八預設變化率為所述第八二次曲線的二次項系數的2倍。

可選地，所述方法還包括：

根據所述優化后的目標速度曲線，對所述列車的速度進行控制。

由上述技術方案可知，本發明提供一種列車運行的目標速度曲線優化方法，通過將待優化的目標速度曲線劃分為列車運動特性對應的多個模態，并對任意兩個相鄰模態之間的切換點進行優化，使得基于所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時列車的加速度變化率恒定，以得到優化后的目標速度曲線。如此，使得優化后的目標速度曲線對應的列車加速度不會發生突變，從而避免列車實際速度偏離目標速度曲線，改善了系統的控制特性，從而乘客也不會感受到加速度沖擊，有效改善了列車乘坐舒適度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖獲得其他的附圖。

圖1是現有的目標速度曲線的示意圖；

圖2是現有的目標速度曲線的示意圖

圖3是本發明一實施例提供的一種列車運行的目標速度曲線優化方法的流程示意圖；

圖4是本發明另一實施例提供的對目標速度曲線中加速模態與勻速模態的切換點進行優化的示意圖；

圖5是本發明另一實施例提供的對目標速度曲線中勻速模態與減速模態的切換點進行優化的示意圖；

圖6是本發明另一實施例提供的對目標速度曲線中減速模態與勻速模態的切換點進行優化的示意圖；

圖7是本發明另一實施例提供的對目標速度曲線中勻速模態與加速模態的切換點進行優化的示意圖；

圖8是本發明另一實施例提供的一種列車運行的目標速度曲線優化方法的流程示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

圖3是本發明一實施例中的一種列車運行的目標速度曲線優化方法的流程示意圖，如圖3所示，所述方法包括如下步驟：

S1：將待優化的目標速度曲線劃分為列車運動特性對應的多個模態。

具體地，列車運行具體包括三個階段：牽引階段、巡航階段(惰行)及制動階段。相應地，待優化的目標速度曲線中列車運動特性對應的多個模態包括：牽引特性對應的加速模態、巡航特性對應的勻速模態、制動特性對應的減速模態。

S2：對任意兩個相鄰模態之間的切換點進行優化，使得基于所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時列車的加速度變化率恒定，以得到優化后的目標速度曲線。

具體來說，不同模態對應不同的加速度，如加速模態對應的第一加速度，勻速模態對應的加速度為0，減速模態對應第二加速度。而現有的目標速度曲線中，如圖1及圖2所示，加速模態切換到勻速模態時加速度突然由第一加速度變為0，勻速模態切換到減速模態時加速度由0直接轉變為第二加速度，然而實際列車的運動特性不可能發生突變，導致列車的實際速度將在目標速度曲線的拐點處發生偏離。

因此，對任意兩個相鄰模態之間的切換點進行優化，使得基于所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時列車的加速度變化率恒定，如對加速模態切換至勻速模態的切換點進行優化，使得加速模態切換到勻速模態時加速度由第一加速度連續變化至0，即加速度變化率恒定；對勻速模態切換至減速模態的切換點進行優化，使得勻速模態切換到減速模態時加速度由0連續變化至第二加速度，即加速度變化率恒定。如此，得到優化后的目標速度曲線。

本實施例中，通過將待優化的目標速度曲線劃分為列車運動特性對應的多個模態，并對任意兩個相鄰模態之間的切換點進行優化，使得基于所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時列車的加速度變化率恒定，以得到優化后的目標速度曲線。如此，使得優化后的目標速度曲線對應的列車加速度不會發生突變，從而避免列車實際速度偏離目標速度曲線，改善了系統的控制特性，從而乘客也不會感受到加速度沖擊，有效改善了列車乘坐舒適度。

具體地，上述步驟S2，具體包括：

采用預設的二次曲線與任意兩個相鄰模態對應的曲線相切，將所述待優化的目標速度曲線在兩個相切點之間的曲線替換為所述預設的二次曲線在所述兩個相切點之間的曲線，以得到優化后的目標速度曲線；

其中，所述預設的二次曲線如公式(1)所示：

y＝k₁x²+k₂x+k₃ (1)

其中，所述k₁為預設的第一系數，k₂為第二系數，k₃為第三系數，且k₂、k₃通過曲線擬合算法唯一確定；

相應地，所述目標速度曲線由一個模態切換至另一個模態時的加速度變化率為2k₁。

具體來說，本實施例通過在目標速度曲線拐點處加入一條二次曲線，使目標速度曲線對應的加速度不會發生突變，從而避免列車實際速度偏離目標速度曲線，乘客也不會感受到加速度沖擊。

對于確定的牽引特性(加速模態)和巡航特性(勻速模態)曲線，其加速度是連續的，也就是v-t平面上的牽引特性曲線和巡航特性曲線是處處可導的，所以可以做二次曲線y＝k₁x²+k₂x+k₃分別與牽引特性曲線和巡航特性曲線相切，且在二次項系數k₁確定時，該曲線是唯一的，如圖4所示(其中虛線為相鄰模態的切換點優化前對應的曲線)：

其中x軸是時間t，y軸是目標速度v。k₁是一個預先確定的固定值，在已知k₁、牽引特性曲線(由配置參數確定)、巡航特性曲線(由配置參數和EBI確定)時，可以通過曲線擬合算法唯一確定k₂和k₃的值，也就是k₂和k₃可計算得到。

特別地，該二次曲線的二階導數為常數

而y就是目標速度，于是有：

所以在該二次曲線上，目標加速度的變化率是恒定的。

又由于二次曲線分別于牽引特性曲線和巡航特性曲線相切，所以整個目標速度曲線上的加速度是沒有突變的，列車運動特性將從牽引特性以勻加速率(加速度的改變速度)轉換到巡航特性，且加速率為2k₁。

所以通過限制2k₁的值，就可以限制目標速度曲線的加速率，也就是限制乘客所能感受到的加速度沖擊。因此對于k₁，實際反映了目標速度的加速率，它是一個舒適度相關的配置項，可以根據乘客的舒適度需求而預先設定k₁。

在本發明的一個可選實施例中，如圖1所示，所述待優化的目標速度曲線包括：加速模態、勻速模態及減速模態。

相應地，上述步驟S2，具體包括如下步驟：

S21：采用預設的第一二次曲線與相鄰的加速模態及勻速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述加速模態切換至所述勻速模態時列車的加速度變化率為第一預設變化率；

如圖4所示，采用第一二次曲線與相鄰的加速模態(牽引曲線)及勻速模態(巡航曲線)對應的曲線相切，將所述待優化的目標速度曲線在兩個相切點之間的曲線替換為所述第一二次曲線在所述兩個相切點之間的曲線，以得到優化后的目標速度曲線，使得基于該優化后的目標速度曲線由所述加速模態切換至所述勻速模態時列車的加速度變化率為第一預設變化率，即加速度變化率恒定。其中，所述第一預設變化率為所述第一二次曲線的二次項系數的2倍。

S22：采用預設的第二二次曲線與相鄰的勻速模態及減速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述勻速模態切換至所述減速模態時列車的加速度變化率為第二預設變化率。

如圖5所示，采用第二二次曲線與相鄰的勻速模態(巡航曲線)及減速模態(制動曲線)對應的曲線相切，將所述待優化的目標速度曲線在兩個相切點之間的曲線替換為所述第二二次曲線在所述兩個相切點之間的曲線，以得到優化后的目標速度曲線，使得基于該目標速度曲線由所述勻速模態切換至所述減速模態時列車的加速度變化率為第二預設變化率，即加速度變化率恒定。其中，所述第二預設變化率為所述第二二次曲線的二次項系數的2倍。

在本發明的一個可選實施例中，如圖2所示，所述待優化的目標速度曲線包括：第一加速模態(牽引段)、第一勻速模態(巡航段)、第一減速模態(制動段)、第二勻速模態(巡航段)、第二加速模態(牽引段)、第三勻速模態(巡航段)及第二減速模態(制動段)。

相應地，上述步驟S2，具體包括如下步驟：

S21’：采用預設的第三二次曲線與相鄰的第一加速模態及第一勻速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第一加速模態切換至所述第一勻速模態時列車的加速度變化率為第三預設變化率；

如圖4所示，具體如上述步驟S21所述，在此不再贅述。其中，所述第三預設變化率為所述第三二次曲線的二次項系數的2倍。

S22’：采用預設的第四二次曲線與相鄰的第一勻速模態及第一減速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第一勻速模態切換至所述第一減速模態時列車的加速度變化率為第四預設變化率；

如圖5所示，具體如上述步驟S22所述，在此不再贅述。其中，所述第四預設變化率為所述第四二次曲線的二次項系數的2倍。

S23’：采用預設的第五二次曲線與相鄰的第一減速模態及第二勻速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第一減速模態切換至所述第二勻速模態時列車的加速度變化率為第五預設變化率；

如圖6所示，采用第五二次曲線與相鄰的第一減速模態(制動曲線)及第二勻速模態(巡航曲線)對應的曲線相切，將所述待優化的目標速度曲線在兩個相切點之間的曲線替換為所述第五二次曲線在所述兩個相切點之間的曲線，以得到優化后的目標速度曲線，使得基于該優化后的目標速度曲線由所述第一減速模態切換至第二勻速模態時列車的加速度變化率為第五預設變化率，即加速度變化率恒定。其中，所述第五預設變化率為所述第五二次曲線的二次項系數的2倍。

S24’：采用預設的第六二次曲線與相鄰的第二勻速模態及第二加速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第二勻速模態切換至所述第二減速模態時列車的加速度變化率為第六預設變化率；

如圖7所示，采用第六二次曲線與相鄰的第二勻速模態(巡航曲線)及第二加速模態(加速曲線)對應的曲線相切，將所述待優化的目標速度曲線在兩個相切點之間的曲線替換為所述第六二次曲線在所述兩個相切點之間的曲線，以得到優化后的目標速度曲線，使得基于該優化后的目標速度曲線由所述第二勻速模態切換至第二加速模態時列車的加速度變化率為第六預設變化率，即加速度變化率恒定。其中，所述第六預設變化率為所述第六二次曲線的二次項系數的2倍。

S25’：采用預設的第七二次曲線與相鄰的第二加速模態及第三勻速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第二加速模態切換至所述第三勻速模態時列車的加速度變化率為第七預設變化率；

如圖4所示，具體如上述步驟S21所述，在此不再贅述。其中，所述第七預設變化率為所述第七二次曲線的二次項系數的2倍。

S26’：采用預設的第八二次曲線與相鄰的第三勻速模態及第二減速模態對應的曲線相切，使得基于所述目標速度曲線由所述第三勻速模態切換至所述第二減速模態時列車的加速度變化率為第八預設變化率；

如圖5所示，具體如上述步驟S22所述，在此不再贅述。其中，所述第八預設變化率為所述第八二次曲線的二次項系數的2倍。

進一步地，在本發明的一個可選實施例中，如圖8所示，所述方法還包括如下步驟：

S3：根據所述優化后的目標速度曲線，對所述列車的速度進行控制。

本實施例中，采用本方法對ATO目標速度曲線進行優化后，目標加速度將連續變化，列車實際速度不會顯著偏離目標速度曲線，改善系統的控制特性。從而，本實施例可以限制列車運動過程中的加速率，從而使乘客不會感受到過大的加速度沖擊，改善列車的乘坐舒適度。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“上”、“下”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關系術語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關系或者順序。而且，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設備中還存在另外的相同要素。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。