《列车虚拟编队技术研究的国内外文献综述》7400字

列车虚拟编队技术研究的国内外文献综述1国外研究现状国外对于列车虚拟编队研究起始较早。传统的列车编队由于列车功能性能以及兼容性的问题，实现起来非常的困难与复杂，并且灵活性也很低。欧洲铁路目前正在将货物运输从铁路转到公路。以前的铁路客户为这一事实辩护，理由是灵活性差、运输时间长、运输准备时间长和铁路系统价格高。造成铁路这些劣势的一个主要原因在于轨道交通的技术背景。按照铁路交通管理和信号系统的传统，铁路采用闭塞系统运营。即使是现代的方法，例如“移动块”或“基于无线电的信令”也遵循这一原则。利用闭塞原理，提高线路通过能力的两种可能性是：第一，每次运行更多列车；第二，延长列车长度。列车的数量可以增加，直到列车之间的距离减少到绝对开断距离为止。为了建造更长的火车，装配它们需要更多的时间。此外，只有当大量货物必须从一个共同的出发点运送到共同的目的地时，长火车才有经济上的用处。因此，最好的解决办法是在长而无分支的铁路上设置长列车，并在列车到达路口时将其分成较小的部分。传统的列车编队在耦合处要求自动耦合器的类型，尺寸，位置，销和管道布局等必须在自动耦合器处机电兼容。其次，传统的列车编队还必须要求列车之间的通信技术以及通信协议必须相同，这也给传统的列车编队技术增加了一定的局限性。另外，还要求编组必须实现相同的功能。最后，它还要求这一切所实现的功能必须兼容。要怎么样才能实现这一系列的要求呢。此时就需要一种新的方法来克服实际编队机构缺乏灵活性和性能差的问题，于是就出现了虚拟编队技术，虚拟编队与移动闭塞技术相比，它是建立在相对制动距离（即当前列车减速到追踪列车速度所走过的距离）的原理上的，通过车与车之间的通信连接到前面的列车以实现同步减速，以保持两车之间的安全距离。在技术要求上，虚拟编队技术需要基于两个功能层。首先，一个可靠的无线通信系统是必不可少的，它可以实现指挥和监控来自驾驶室的所有虚拟编队组件。在此功能基础上，将实现一个允许不同列车相互理解的抽象层，此无线通信系统至少应支持SIL2功能。另外一个功能层是机械的物理连接将被安全机制所取代，以保证车队中各组之间的安全距离。那么，虚拟编队的关键技术支柱又是什么呢？首当其冲的便应该是可靠的无线通信系统。如果前面领导列车命令和监控后面的跟随列车，TCMS必须到达每辆列车。由于没有物理连接，解决方案需要部署无线列车主干网。因此深入了解用于车载通信的无线技术的最新技术，以及对信道特性的正确理解，对于提出适当的解决方案至关重要。然后将定义通信协议，包括安全和安保方面，以及开发硬件和软件组件，目前以在实验室和车辆测试中验证解决方案。其次是功能开放连接（FunctionalOpenCoupling）技术。功能开放连接的目标是使两个或两个以上由不同制造商提供的、具有不同列车功能或软件版本的部件连接成为可能。它将允许控制命令和监测整个虚拟编组车队，由不同制造商提供的不同列车。该技术支柱的核心活动是研究列车功能通信概念，该概念可分配给功能参考模(FRM)。在每个组中，该FRM应确保该功能与其他组的相同功能或与外部功能（例如基础设施或维护）的通信。功能开放连接的设计将提供，一是高可靠的动态行为；二是组的功能升序兼容性；三是需要提供与组功能的接口。最后，安全的防撞机制也是实现虚拟编队所不可或缺的。无论无线电链路的任何潜在损失或任何其他故障或事件，包括网络攻击，概念必须保持安全，与物理连接一样安全。在这方面，必须用安全（即SIL4功能）虚拟耦合连接器代替机械耦合连接器。最有可能的是，铁路防撞系统的技术解决方案将采用与道路交通汽车相同的方法，并将整合来自不同来源的信息，例如精确定位、列车与列车之间的通信或人工视觉。那么，虚拟编队需要实现哪些功能才算达成预期目标呢？在正常交通和运行时间动态管理车队的加入与分离；管理新的列车分离系统，克服砖墙概念的限制（即最小距离考虑绝对距离）通过更新的联锁系统管理列车车队和动态路线设置/释放；通过更新的监控系统完成交通管制，以便管理单个车队中多辆列车的动态列车编组和时刻表；通过更新的车载ATP/ATO系统，根据新的物理约束和场景，保证安全和自动驾驶。CarloDiMeo,MarcoDiVaio,FrancescoFlammini等人提供了在ERTM环境下引入和评估虚拟编组的技术提示；它扩展了车载系统的操作模式：“全监督+虚拟耦合”（FSVC）并介绍了模式的转换情形。另一方面，借鉴汽车领域的经验，对轨道车辆协同排班策略进行了数值分析，对其可行性和性能进行了初步评估[4]。以图论为背景，假设RBC作为虚拟领导者，列车作为跟随者，考虑了通信时延，目标是使得列车在位置上保持一定的间隔，速度、加速度保持一致，设计了分布式控制协议，采用Lyapunov-Krasovskii泛函，将其推广到存在多个时延的动态系统网络，分析证明了该控制策略的闭环指数稳定性[5]。通过概念证明和实例数值分析，说明了如何通过扩展ERTMS标准工作模式来实现铁路虚拟编组。在完全监控模式下，当运行条件允许虚拟编组时，RBC向列车发出作为虚拟领导者的连接命令。虚拟连接可实现极短的车头时距，从而提高轨道通行能力。本文的研究结果表明，从汽车领域借鉴的适当的数学模型和控制算法可以用来证明在参考连接情况下，甚至在紧急制动等降级情况下（如线路段停用）的协同控制策略的有效性。不管具体结果如何，提供的数值分析和仿真工具都允许工程师评估虚拟编组在不同场景和操作条件下的可行性和性能。尽管本文对铁路虚拟编组进行了初步分析，但连接列车车队的安全协调所带来的挑战为实际实施提供了几个未来方向。为此，需要进一步的研究工作来评估ERTMS操作场景中虚拟编组的影响。特别是，考虑到新的潜在危险，必须进一步调查与安全相关的影响。性能评估还必须扩展到评估常见交通场景（包括混合交通）中的容量增加。因此，我们计划研究考虑到拓扑变化、复杂机动的附加场景，以及解决快速可靠的列车对列车通信的解决方案。21世纪前后，欧洲的轨道交通学者们提出采用无线通信代替机械联挂技术的方法，用以实现不同型号和软件版本的列车编组。随着近年来机车车辆技术的不断发展，虚拟编组的实现已经从希望成为了一种可能。2015年5月，欧洲铁路行业协会(UNIFE)与西班牙（CAF）公司相互配合，并启动了Roll2Rail项目。该项目旨在“为欧洲更可持续、更智能、更舒适的铁路运输开发新的、可靠的机车车辆”[6]，它包含8个工作组，覆盖了机车车辆的各个领域，其中工作组2即是研究下一代列车通信系统，重点开发用于列车控制的无线通信技术[7]。EddieGoddard,FernandoMontes,PeterStanley从理论层次出发，对虚拟编组的三个要求进行了解释说明，即：（1）从技术上讲，它几乎可以肯定地发挥作用，但要使其在实践中发挥作用，将面临重大的操作挑战；（2）安全吗？这将取决于许多因素；不应该完全基于安全理由排除这种可能性，但安全论据将是困难的；（3）这个概念是否创造了有用的额外容量？寻找相关的技术和操作方法提高车站和交叉口的通行能力是决定是否创造有用的额外容量的关键[8]。EgidioQualietta,MengWang,RobM.P.Goverde等人提供一个更广泛的理解操作问题和虚拟耦合的容量性能，以及可能的收益超过实际的信号系统。为此，建立了多状态列车跟驰模型，该模型考虑了车辆非线性运动动力学、牵引单元的实际功率特性、交叉口处的安全约束以及轨道坡度和曲率引起的线路阻力，克服了现有跟车模型的局限性[9]。定义了不同的虚拟编组工作状态和转换，并对其进行了数学建模。同时，引入了虚拟车钩运行授权的概念，并给出了列车间V2V信息交换的一种创新形式。考虑到有相同或不同路线的停车和不停车列车服务，对英国西南干线的一部分进行了不同运行情景下的比较通行能力分析[3]。建立的列车跟随模型定义了虚拟编组信号下列车与另一列车连接/解编时需要经历的多种运行状态和相应的过渡阶段。在默认运行条件（状态1）下，假设列车在ETCS-3级移动闭塞下独立运行。在该运行状态下，EVC将始终计算和监控一个绝对制动距离（Abd），以允许列车在RBC报告的任何EoA处安全停车。EoA始终位于受监督位置SvL（即潜在危险点）的给定安全裕度（sm）。为了防止潜在的列车位置错误可能导致列车超过SvL并导致脱轨和/或列车碰撞，需要安全余量。因此，在计算我们模型中确定的任何虚拟耦合操作状态下的制动曲线时，将考虑该安全余量。当一列列车接近前方的列车时，检查两列列车实际联挂的条件。虚拟编组的第一个必要条件是，列车与前面的列车有共同的下一段线路。当列车与前方列车共享下一段线路时，将发生从“ETCS3级运行”到“编组”运行状态（状态2）的过渡。一旦后面的列车在预测的EoAVC下达到领导列车的速度，在给定公差范围内，则将其视为“编组运行”状态（状态3）。在编组运行中，EVC将监督列车跟随前方列车的当前速度和加速度，以便将它们与安全余量sm保持在一定的阈值内。当处于“耦合运行”状态时，有两种状态转换是可能的，即“无意解编”（状态4）或“有意解编”（状态5）[3]。任何时候，由于较高的运动阻力（例如，由于陡峭的上坡坡度φ）和/或牵引装置的功率限制，几乎耦合的列车无法保持前方列车的相同速度时，就会出现无意的解耦状态。在这种状态下，列车将以最大牵引功率行驶，以便赶上前面的列车。当牵引功率和运动阻力的动态条件允许列车再次与牵引列车编组时，将发生向“编组”状态的过渡。当两列（或两列以上）耦合列车接近分岔路口时，就会发生向“有意解耦”状态的过渡，在分岔路口，领导列车将切换到不同的路线。鉴于道岔可能没有足够的时间安全移动并锁定在两列列车之间，这种情况会导致安全关键问题，可能导致脱轨。在“有意解耦”状态下，后面的列车需要通过绝对制动距离（Abd）加上移动和锁定点在正确位置所需的道岔转换距离（Psd）的距离，与领先列车断开。之后，由于安全关键轨道条件适用，EVC将监督标准EoA。在列车有意与前方列车解编后，列车将继续在ETCS-3等级下运行，直到出现与另一列车编组的潜在条件[3]。本文详细介绍了虚拟编组概念的容量分析，该概念通过施加相对制动距离间隔而不是绝对制动距离间隔来升级移动闭塞列车运行。并且提出了一种新颖的列车跟随模型，该模型克服了目前道路交通文献中车辆跟驰模型的局限性，该模型考虑了非线性列车动力学和相关因素，如轨道坡度和曲率引起的运动阻力，以及牵引装置的功率限制和安全性交叉口处的约束。定义了不同的状态和相应的转换，并对其进行了数学建模，以描述在虚拟编组信号下运行的列车。引入了虚拟编组移动授权机构MA-VC的新概念，并对通过V2V通信层在列车之间交换的消息进行了创新性的形式化。随后，开发的列车跟随模型已应用于英国西南干线的部分路段，以模拟虚拟编组下的列车运行，目的是识别这一概念的容量性能和实际信号系统的潜在效益。模拟实验涉及不同的场景，考虑到不停车列车和停站列车具有相同或不同的路线。结果表明，与TPWS、ETCS-2级和ETCS-3级相比，虚拟编组显著减少了所有考虑场景下的列车间隔和时间间隔。然而，对于具有服务站和使用不同路线的列车的情况，发现了最大的容量效益，与TPWS、ETCS-2级和ETCS-3相比，虚拟编组可分别减少79%、77%和43%的最大行车间隔。这是一个非常有希望的结果，因为虚拟编组为实际操作中更常见的操作场景（即停火车具有不同路线的场景）提供了最佳的容量改进。未来的研究将致力于了解V2V通信延迟对安全性和容量的影响。将对列车跟随模型进行灵敏度分析，以确定如果列车被建模为具有长度的均匀条带，而不是传统假设的点质量，则输出如何变化。此外，还将进行虚拟编组的多准则分析，以评估对运输需求和铁路业务的潜在影响。RobertoNardone,AlbertoPetrillo,StefaniaSantini等人介绍了在标准ATC-ERTMS/ETCS环境下的虚拟编组，并且介绍了ERTMS/ETCS的概念和术语，通过扩展当前ERTMS(3级)标准，提出了FSVC工作模式以及与其他模式之间的转换的概念，使用时间PetriNets建模正常和降级运行模式下虚拟编组的性能和可靠性（即可执行性），最终目标是通过设计能够有效地处理列车之间以及与轨旁基础设施交换信息的控制算法/协议，实现列车的安全编队[10].提供一些初步的提示、模型和结果，并就所需的安全分析和未来的发展得出结论。JesusFelez等人提出了一种基于虚拟编组或列车车队概念的列车控制系统新方法。通过使用离散模型预测控制（MPC）框架对每列参加车队编组的列车进行控制。对前面的领导列车和后面的跟随列车的控制器都进行了设计，两个控制器都采用了最优控制公式，其设计依赖于有限时域最优控制问题的数值解。通过本文将所提出的方法与其他控制策略（例如移动闭塞）进行比较，仿真结果表明，与移动闭塞系统相比，该方案具有更好的性能和优越性。证明了虚拟编组概念在保证两列连续列车在任何时刻的安全间隔的同时，大大减少了列车之间的间隔和距离[11]。EgidioQuagliettaa,1,MengWanga,RobM.P.Goverdeb首次提供了一个支持虚拟编组概念下铁路行业投资决策的工具。此模型有助于更深入地理解容量增益和安全问题之间的权衡，以及与ETCS-3相关的虚拟编组的好处[12]。它的构成模块有：调度，调度单位负责计划列车运行，以便找到无死锁且符合客户需求的优化解决方案，从长期时间范围来看，该模型具有离散性。控制，控制模块也实现为一个离散模型，包含调度模块触发的操作场景。通信，通信模块实现了一个无线通信单元的模型，使列车之间、列车与轨道之间以及列车与运行中心之间能够进行信息交换。位置，位置模块用于半连续地确定列车位置。列车控制，列车控制（也是连续的）包含一个控制回路，用于生成包含发动机的运动学模型的标称值，以便列车显示所需的运动行为。距离控制，与使用传感器获取与前方物体距离信息的常用距离控制系统不同，列车模块之间的距离控制使用动态地图中的周围列车的实际位置知识，该地图以高频更新此外,不仅仅是单列组客车还不仅可以准确地被估计至前方两个目标之间的运行距离,而且还甚至能够通过无线网和电信直接数据传播至cvct内所有单列组客车的平均运行量和速度统计数据,使VCT的每个成员都能适应前方列车的速度。MarionBerbineau1,Jean-PierreGhys1,YannCocheril1,DivithaSeetharamdoo等人对“车间”通信进行了研究，提出了60ghz下虚拟编组应用的信道测量，分析了路径损耗和均方根时延扩展。简要地描述了包括不同设置和其他信道参数在内的四种专用场景下的信道发声器设计和信道测量活动。对喇叭天线在接收端扫掠得到的角功率分布结果表明，在同一位置的不同方位角下获得的接收信号电平（RSL）的差异可根据不同的场景在5db到12db之间变化[13]。2国内研究现状荀径,陈明亮,宁滨,唐涛,董海荣等人提出了一种基于虚拟重联的追踪模型(以下简称虚拟重联模型),在此基础上与移动闭塞、相对移动闭塞和车站追踪改进模型进行了对比,虚拟编队技术是一种基于编队的手段来自动控制列车在城市轨道上的跟踪和运行的技术,该列车跟踪系统利用汽车-机-人之间的通讯来自动协调各辆列车之间的运行过程,实现了列车"空间维度安全、时间维度更近"的运行,从而大大提高了城市轨道交通系统运营的效率和灵活性，改进（列车追踪间隔模型）的车站通过能力的大小.运用Matlab建立列车运行仿真系统,通过仿真研究4种不同追踪模式的列车延误传播情况,从而分析其整体的延误情况和系统对延误的吸收和恢复能力[1]。赵千千和王鸿伟提出了一种以人工势场为基础的多列车协同控制方案，该方法可缓解城市轨道交通面临的巨大压力。并将其付诸实际，成功的实现了多列车虚拟编组运行模式。我们就需要一步一步地设计满足势场函数控制的需求,以便于一种能够用来构建形成多列车运行系统的控制输入,让已经编组好的列车在一定时间内能够同时达到相同距离速度的收敛,最后我们以领导者的方向为研究突破口,分别对这两个算例进行了仿真和实验,最终证明了人工势场方法的合理和可行性和其有效性。在领导的控制方案带领下，列车足够可以有效地满足其正点要求。它可以使不平衡的交通流和客流密度进行相对应的匹配，以此来避免虚拟编组条件下运力过多的浪费[9]。我国近年来随着我国轨道交通建设事业的不断飞速发展,一跃而上地成为了目前世界上已经建成后的高速铁路、运行线总里程和基础建设设施规模最大的一个国家。我国为了对交通运输资源配置进行更好的分配，来提高全国交通运输效率。刘玲，王平等人在区间运行的VCT编队控制与多智能体系相结合，提出了一种多智能体系统协调控制方法，这种方法以虚拟编队为基础。实验表明基于mas的协调和控制模型既有利于保证了列车的运转安全,又有可能大大提高整个火车组群的运营管理效率。建立的协调控制模型，是以多智能体系统的实现车队的实时动态调整为基础的，以此来保证车队以一定的安全间隔距离和相同的速度运行[14]。程帅等人提出的"模拟优化"求解方法，结合了并改进了布谷鸟优化算法与动态搜索方法对列车节能运行决策问题进行求解[15]，并将其与其他同类算法进行比较分析，阐述了所提算法的优越性，改进的算法效率更高[15]。76-参考文献荀径,陈明亮,宁滨,唐涛,董海荣.虚拟重联条件下地铁列车追踪运行性能衡量.北京交通大学学报[J].2019.N.Furness,H.vanHouten,L.Arenas,andM.Bartholomeus,“ERTMSLevel3:Thegame-changer,”IRSENews,vol.232,Apr.2017.pp.2–9.EgidioQuagliettaa,1,MengWanga,RobM.P.Goverde.Amulti-statetrain-followingmodelfortheanalysisofVirtualCouplingrailwayoperations.DepartmentofTransportandPlanning,UniversityofTechnology[J].2019.1-5.FrancescoFlammini.StefanoMarrone.TowardsRailwayVirtualCoupling.Dept.ofComputerScienceandMediaTechnology[J].2018.CarloDiMeo,MarcoDiVaio,FrancescoFlammini,SeniorMember,IEEE,RobertoNardone,StefaniaSantini,Member,IEEE,andValeriaVittorini.ERTMS/ETCSVirtualCoupling:ProofofConceptandNumericalAnalysis.IEEETransactionsOnIntelligentTransportationSystems[J].2018.664-720.宋志丹,徐效宁,李辉,万宁.面向虚拟编组的列控技术研究.铁道标准设计[J].2019.N.Furness,H.vanHouten,L.Arenas,andM.Bartholomeus,“ERTMSLevel3:Thegame-changer,”IRSENews,vol.232,Apr.2017[J].pp.2–9.IRSEInternationalTechnicalCommittee,ERTMSLevel4,TrainConvoysorVirtualCoupling-Reportontopic39,IRSENews,Issue219,2016.ppt.1-3.ZhaoQianqian.WangHongwei.AMulti-trainCooperativeControlMethodofUrbanRailwayTransportationBasedonArtificialPotentialField[J].2019.FrancescoFlammini.StefanoMarrone.TowardsRailwayVirtualCoupling.Dept.ofComputerScienceandMediaTechnology[J].2018.EgidioQuagliettaa,1,MengWanga,RobM.P.Goverdeb.Atrain-followingmodelfortheanalysisofrailwaFrancescoFlammini.StefanoMarrone.TowardsRailwayVirtualCoupling.Dept.ofComputerScienceandMediaTechnology[D].2018.ytrafficoperationsunderVirtualCoupling.DepartmentofTransportandPlanning,UniversityofTechnologyP.O.Box1111,2222GADelft,TheNetherlands[J].2019.MarionBerbineau1,Jean-PierreGhys1,YannCocheril1,DivithaSeetharamdoo.PropagationMeasurementswithRegionalTrainat60GHzforVirtualCouplingApplication.EUCAP[J].2017.LingLiu.PingWang.BoZhang,andWeiWei.CoordinatedControlMethodofVirtuallyCoupledTrainFormationBasedonMultiAgentSystem.SpringerNatureSwitzerlandAG2019S.Nietal.(Eds.):VTCA2018,SIST129,2019.pp.225–233.程帅,李守义,明波,余蓉,司政.列车节能运行决策问题的模拟优化研究[J].计算机工程与应用,2017,53(12):214-221.汪祖柱,程家兴.求解组合优化问题的一种方法——分支定界法.安徽大学学报[J].2004.王正超.城轨列车运行曲线优化及滑模跟踪控制[D].2019.谢绒娜,欧海文,郑秀林.GF(2m)上安全椭圆曲线的快速构造.北京电子科技学院学报[J].2009.FrankeR,MeyerM.Analgorithmfortheoptimalcontrolofthedrivingoftrains[C].Proceedingsofthe39thIEEEConferenceonDecisionandControl,[J]Australia,2003,2123-2128.R,GolovitcherIM.Energy-efficientoperationofrailvehicles[J].TransportationResearchPartA:PolicyandPractice[J],2003,37(10):917-932.杨润栋,王祯,刘继功等.TB/T1407-1998.列车牵引计算规程[Z],中国,中华人民共和国铁道部1998,4-5.DominguezM,Fernandez-CardadorA,CucalaAetal.EnergySavingsinMetropolitanRailwaySubstationsThroughRegenerativeEnergyRecoveryandOptimalDesignofSpeedProfiles[J].IEEETransactionsonAutomationScienceandEngineering[J],2012,9(3):496-504.SchutterBD,Boom