地鐵列車沖突解脫的規劃方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種地鐵列車沖突解脫的規劃方法，尤其涉及一種基于魯棒策略的雙 層地鐵列車沖突解脫的規劃方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國大中城市規模的日益擴大，城市交通系統面臨著越來越大的壓力，大力 發展軌道交通系統成為解決城市交通擁塞的重要手段。國家"十一五"規劃綱要指出，有條 件的大城市和城市群地區要把軌道交通作為優先發展領域。我國正經歷一個前所未有的軌 道交通發展高峰期，一些城市已由線的建設轉向了網的建設，城市軌道交通網絡已逐步形 成。在軌道交通網絡和列車流密集的復雜區域，仍然采用列車運行計劃結合基于主觀經驗 的列車間隔調配方式逐漸顯示出其落后性，具體表現在：（1)列車運行計劃時刻表的制定 并未考慮到各種隨機因素的影響，容易造成交通流戰術管理擁擠，降低交通系統運行的安 全性；（2)列車調度工作側重于保持單個列車間的安全間隔，尚未上升到對列車流進行戰 略管理的宏觀層面；（3)列車調配過程多依賴于一線調度人員的主觀經驗，調配時機的選 擇隨意性較大，缺乏科學理論支撐；(4)調度人員所運用的調配手段較少考慮到外界干擾 因素的影響，列車調配方案的魯棒性和可用性較差。
[0003] 已有文獻資料的討論對象多針對長途鐵路運輸，而針對大流量、高密度和小間隔 運行條件下的城市地鐵交通系統的科學調控方案尚缺乏系統設計。復雜路網運行條件下的 列車協調控制方案在戰略層面上需要對區域內交通網絡上單列車的運行狀態進行推算和 優化，并對由多個列車構成的交通流實施協同規劃；在預戰術層面上通過有效的監控機制 調整交通網絡上部分區域的關鍵運行參數來解決擁塞問題，并保證該區域中所有列車的運 行效率；在戰術層面上則根據關鍵運行參數來調整相關列車的運行狀態，獲取單列車軌跡 優化方案，將列車的間隔管理從固定的人工方式轉變為考慮列車性能、調度規則和外界環 境等因素在內的可變的"微觀-宏觀-中觀-微觀"間隔控制方式。

【發明內容】

[0004] 本發明要解決的技術問題是提供一種魯棒性和可用性較好的地鐵列車沖突解脫 的規劃方法，該方法可增強調配方案制定的學科性且可有效防止地鐵列車運行沖突。
[0005] 實現本發明目的的技術方案是提供一種地鐵列車沖突解脫的規劃方法，包括如下 步驟：
[0006] 步驟A、通過地鐵交通控制中心獲得其在每一采樣時刻t推測的各地鐵列車在未 來時段內的列車軌跡；
[0007] 步驟B、基于步驟A得到的在每一采樣時刻t推測到的各地鐵列車在未來時段內的 列車軌跡，建立從列車的連續動態到離散沖突邏輯的觀測器，將地鐵交通系統的連續動態 映射為離散觀測值表達的沖突狀態；當系統有可能違反交通管制規則時，對地鐵交通混雜 系統的混雜動態行為實施監控，為地鐵交通控制中心提供及時的告警信息；
[0008] 步驟C、當告警信息出現時，在滿足列車物理性能、區域容流約束和軌道交通調度 規則的前提下，通過設定優化指標函數，采用自適應控制理論方法對列車運行軌跡進行魯 棒雙層規劃，并將規劃結果傳輸給各列車，各列車接收并執行列車避撞指令直至各列車均 到達其解脫終點；其具體過程如下：
[0009] 步驟CU基于步驟B的分析結果，確定具體所采取的交通流調控措施，包括調整列 車的運行速度和/或調整列車在站時間兩類措施，以及采用以上調控措施的具體地點和時 機；
[0010] 步驟C2、設定列車避撞規劃的終止參考點位置P、避撞策略控制時域Θ、軌跡預測 時域Y;
[0011] 步驟C3、運行沖突解脫過程建模，將軌道交通網絡上列車間的運行沖突解脫視為 基于宏觀和微觀層面的內外雙重規劃問題，其中（zOnIfx 表示外層規劃模型，即軌 道交通路網上列車流流量-密度配置問題，（〇nlax/(AV? 2.)表示內層規劃模型，即軌道交 通路段上單列車的狀態調整問題；F、^和u i分別是外層規劃問題的目標函數、狀態向量和 決策向量，GU1, U1)彡0是外層規劃的約束條件，f、xjP u 2分別是內層規劃問題的目標函 數、狀態向量和決策向量，g(x2, u2) < 0是內層規劃的約束條件，將宏觀層面的外層規劃結 果作為微觀層面內層規劃的參考輸入；
[0012] 步驟C4、運行沖突解脫變量約束建模，構建包含可調列車數量a、列車速度ω和列 車在站時間γ等變量在內的宏觀和微觀約束條件：其中t時刻需實施沖突解脫的路段k的 變量約束可描述為：a k(t)彡aM、c〇k(t)彡c〇k、yk(t)彡y M，aM、ωΜ、γΜ分別為最大可調列 車數量、最大列車運行速度和最長列車在站時間，此類解脫變量會受到交通流分布狀態、列 車物理性能和安全間隔等方面的約束；
[0013] 步驟C5、多目標魯棒最優路網流量配置方案求解：基于合作式避撞軌跡規劃思 想，針對不同的性能指標，通過選擇不同的沖突解脫目標函數，在交通流運行宏觀層面求解 基于歐拉網絡模型的多目標交通流最佳流量配置方案且各控制路段在滾動規劃間隔內僅 實施其第一個優化控制策略；
[0014] 步驟C6、多目標魯棒最優路段列車運行狀態調整：依據各路段或區域流量配置結 果，基于列車運行混雜演化模型和拉格朗日規劃模型獲取最優的單列車控制量，生成最優 的單列車運行軌跡且各調控列車在滾動規劃間隔內僅實施其第一個優化控制策略；
[0015] 步驟C7、各列車接收并執行列車避撞指令；
[0016] 步驟C8、在下一采樣時刻，重復步驟C5至C7直至各列車均到達其解脫終點。
[0017] 進一步的，步驟B的具體實施過程如下：
[0018] 步驟Β1、構造基于管制規則的沖突超曲面函數集：建立超曲面函數集用以反映系 統的沖突狀況，其中，沖突超曲面中與單一列車相關的連續函數4為第I型超曲面，與兩列 車相關的連續函數h"為第II型超曲面；
[0019] 步驟B2、建立由列車連續狀態至離散沖突狀態的觀測器，構建列車在交通路網內 運行時需滿足的安全規則集Cl lj (t)彡d_，其中Cllj (t)表示列車i和列車j在t時刻的實 際間隔，d_表示列車間的最小安全間隔；
[0020] 步驟B3、基于人-機系統理論和復雜系統遞階控制原理，根據列車運行模式，構建 人在環路的列車實時監控機制，保證系統的運行處于安全可達集內，設計從沖突到沖突解 脫手段的離散監控器，當觀測器的離散觀測向量表明安全規則集會被違反時，立刻發出相 應的告警信息。
[0021] 進一步的，步驟C2中，終止參考點位置P為列車的下一個停站站點。
[0022] 更進一步的，步驟C2中，參數Θ的值為300秒。
[0023] 更更進一步的，步驟C2中，Y的值為300秒。
[0024] 進一步的，步驟C5的具體過程如下：令
[0025]
[0026] 其中 < 表示t時刻列車i當前所在位置和下一站點間的距離的平方，P1U)= (xlt，ylt)表示t時刻列車i的二維坐標值，if )表示列車i下一停靠站點的二維 坐標值，那么t時刻列車i的優先級指數可設定為：
[0027]
[0028] 其中nt表示t時刻路段上存在沖突的列車數目，由優先級指數的含義可知，列車 距離下一站點越近，其優先級越高；
[0029] 設定優化指標
[0030]