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基于控制障碍函数的虚拟编组重载列车运行控制

Operation control of virtual coupling heavy-haul trains based on control barrier function
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摘要 重载列车在复杂轨道条件下的运行控制问题日益受到关注,尤其是在高效、安全、稳定运行需求不断提升的背景下,传统的列车控制方法难以满足愈发严苛的运行要求。为了解决这一问题,提出一种基于控制障碍函数的虚拟编组重载列车运行控制策略,旨在提高列车运行效率、确保运行安全并提升调度灵活性。该方法通过构建虚拟编组模型,并结合控制障碍函数理论,优化了列车间距控制策略,有效克服了传统控制方法在系统稳定性与列车间距一致性方面的不足。为体现该方法的适用性,从理论建模与数值仿真2个层面对其进行研究。特别是在控制策略设计与验证过程中,重点分析其在列车运行安全性与稳定性方面的性能表现。在方法设计上,首先构建了虚拟编组模型,利用控制障碍函数将非线性列车安全间距约束转化为等价的不等式条件,并在控制策略设计中施加该约束,以确保安全集的前向不变性,从而避免列车运行过程中过度接近,保障列车运行的安全与稳定;其次,通过数值仿真方法对该控制策略进行了验证,模拟了在不同运行场景下的列车调度与控制表现。仿真结果显示,基于控制障碍函数的虚拟编组方法能够有效降低列车之间的间距波动,避免了传统控制方法中的冲突与过度调整,显著提升了列车运行的平稳性和调度效率。通过对比分析,验证了该方法在重载列车的复杂运行环境中的有效性。尤其是在高密度运输和动态环境下,所提方法能够显著提升列车的运行稳定性与安全性,同时有效减少了因列车间距不合理而导致的能耗和调度效率损失。与现有控制策略相比,该方法能够在确保运行安全的同时,实现更加高效的列车调度与资源利用。综合来看,基于控制障碍函数的虚拟编组重载列车控制方法具有很强的实际应用潜力,尤其适用于需要高精度调度和高动态响应能力的重载运输系统。 With the increasing demand for operational efficiency,safety,and stability,the operation control of heavy-haul trains under complex track conditions has attracted great attention,while traditional train control methods are insufficient to meet the requirements.To address this issue,this paper proposed a virtual coupling control method for heavy-haul trains based oncontrol barrier functions(CBFs),which aimed to improve the operational efficiency and safety.By constructing a virtual coupling model and employing CBFs,the proposed method mitigated the limitations of traditional approaches with respect to system stability and train spacing consistency.The applicability of the proposed method was examined by means of both theoretical modeling and numerical simulations.First,a virtual coupling model was developed,and the nonlinear safety train spacing constraint between trains was reformulated into the equivalent inequality condition using CBFs.This condition was incorporated into the control strategy to guarantee forward invariance of the safe set,thereby ensuring the safety and stability of train movements.Furthermore,numerical simulations demonstrate the effectiveness of the proposed control strategy under different operating scenarios.In summary,the proposed method exhibits considerable potential for practical application in future heavy-haul transportation systems,where high levels of operational safety and dynamic response are required.
作者 马骏峰 宋宗莹 谢晓天 王兴中 马山 王文斌 MA Junfeng;SONG Zongying;XIE Xiaotian;WANG Xingzhong;MA Shan;WANG Wenbin(School of Automation,Central South University,Changsha 410083,China;School of Artificial Intelligence,Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114,China;China Shenhua Energy Co.,Ltd.,Beijing 100011,China)
出处 《铁道科学与工程学报》 北大核心 2025年第10期4388-4397,共10页 Journal of Railway Science and Engineering
基金 国家能源集团重大科技项目(GJNY-22-7) 中南大学轨道交通节能控制与安全监测湖南省重点实验室资助项目(2017TP1002)。
关键词 控制障碍函数 虚拟编组 重载列车 运行控制 列车间距 control barrier function virtual grouping heavy-haul trains operation control train spacing
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参考文献11

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