[发明专利]基于伪谱法的城市轨道列车赶点运行优化操纵控制信号发生系统及方法

权利要求书

1.一种基于伪谱法的城市轨道列车赶点运行优化操纵控制信号发生系统，其特征在于：包括城市轨道列车动力学模型与性能参数设定模块、列车运行参数设定模块、列车运行模式选择模块、实时路况测量模块、实时速度测量模块、列车自动防护模块、列车自动驾驶系统ATO、列车自动监督模块和列车牵引制动模块；

所述城市轨道列车动力学模型与性能参数设定模块与列车自动驾驶系统ATO连接，用于设定城市轨道列车的初始参数；

所述列车运行参数设定模块、实时速度测量模块均与列车自动防护模块连接，用于输入城市轨道列车运行过程中的限制参数和获取实时的列车运行速度；

所述实时路况测量模块和实时速度测量模块均与列车自动驾驶系统ATO连接，用于接收实时路况和实时速度信息；

所述列车运行模式选择模块与列车自动监督模块连接，用于对城市轨道列车的不同运行模式进行选择；

所述列车自动防护模块和列车自动监督模块均与列车自动驾驶系统ATO连接，用于对列车运行过程的防护和监督；

所述列车自动驾驶系统ATO与列车牵引制动模块连接，所述列车自动驾驶系统ATO采用伪谱法得到城市轨道列车在不同站之间的速度运行策略，并根据获得的速度运行策略输出相应的控制参数给列车牵引制动模块；

所述列车自动驾驶系统ATO包括信息收集模块、初始化模块、伪谱法配点控制参数化模块、非线性规划问题求解模块和控制信号输出模块；

所述信息收集 模块用于采集城市轨道列车行驶过程中的线路情况、列车速度、列车自动监督模块与列车自动防护模块的信息，并将采集到的信息输入到初始化模块中；

所述初始化模块用于设置城市轨道列车不同运行模式下的高斯配点数G和牵引制动控制量的初始控制参数μ⁽⁰⁾(t)，并设定优化精度tol，将迭代次数D置零；

所述伪谱法配点控制参数化模块用于将城市轨道列车运行时间[t₀,t_f]转化为具有高斯分布的离散点列，对时间分段上对应的变量进行离散近似；

所述非线性规划问题求解模块用于通过计算得到满足收敛性要求的牵引制动控制量μ^(D)(t)并输出到控制信号输出模块；

所述控制信号输出模块将牵引制动控制量μ^(D)(t)传输到列车牵引制动模块；

所述伪谱法配点控制参数化模块的工作步骤如下：

步骤A1：引入新的时间变量τ进行时间尺度变换，将时间区间从[t₀,t_f]转化为[-1,1]，时间变换公式为

其中，t表示时间，t_f表示城市轨道列车的终端运行时刻，t₀表示城市轨道列车的初始运行时刻；

步骤A2：运用Legendre多项式的零点来得到[-1,1]区间的时间配点，其中，N次Legendre多项式的表达式为

P₀(z)＝1,P_-1(z)＝0

其中，P_n+1(z)表示N次Legendre多项式，P_n(z)表示N-1次Legendre多项式，P_n-1(z)表示N-2次Legendre多项式，P₀(z)表示-1次Legendre多项式，P_-1(z)表示-2次Legendre多项式，z表示多项式参数变量，α_n表示N-1次Legendre多项式P_n(z)的特征参数，β_n表示N-2次Legendre多项式P_n-1(z)的特征参数，n表示配点个数参数；N为时间段[-1,1]的离散时间子区间数；

步骤A3：设置参数α_n和β_n的取值，分别为α_n＝0，

步骤A4：运用高斯时间配点将时间区间划分为N段，其中，第D段子区间为[t_D-1,t_D],D＝0,…,N；t_D-1表示第D段子区间的初始时间点；t_D表示第D段子区间的终值时间点；

步骤A5：将状态变量在前N+1个LG节点上进行Lagrange插值近似，得到如下表达式：

步骤A6：将控制变量在区间(-1,1)中的LG配点上进行离散化，得到如下表达式：

其中，

步骤A7：把状态方程中的状态变量的导数进行离散化，把原问题转化为非线性规划问题；

所述非线性规划问题求解模块的计算具体步骤如下：

步骤B1：记点P₁为列车运行过程中的某个点，对应于列车牵引制动控制量μ^(D-1)(t)和目标函数值J^(D-1)；

步骤B2：选定非线性规划问题内点求解算法，从点P₁开始迭代计算，利用原对偶路径构建P₁点的预测寻优方向d^(D-1)和预测步长α^(D-1)；

步骤B3：记点P₂为列车当前运行过程中的某个点，由上一次迭代点P₁和公式μ^(D)(t)＝μ^(D-1)(t)+α^(D-1)d^(D-1)求解得到点P₂对应列车牵引制动控制量μ^(D)(t)和目标函数值J^(D)；

步骤B4：对μ^(D)(t)加入扰动量δ^(D)，计算得到扰动校正后寻优方向和校正步长利用公式得到校正后的点记为点P₃，令则点P₃对应的列车牵引制动控制量为μ^(D)(t)和目标函数值为

步骤B5：将当前点P₃得的目标函数值与上一次迭代点P₁的目标函数值J^(D-1)作差，若两点的目标函数值之差的绝对值小于精度tol，则满足收敛性，控制策略输出模块输出本次迭代控制策略μ^(D)(t)；若不满足收敛性，则继续迭代，将μ^(D)(t)设置为初始值，D增加1，执行步骤B2。

2.一种基于伪谱法的城市轨道列车赶点运行优化操纵控制信号发生方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：通过实时路况测量模块与实时速度测量模块得到实时线路状况与实时速度，并通过列车自动防护模块和列车自动监督模块得到防护与模式的信息参数，收集城市轨道列车运行的终端状态参数，将这些信息输入到初始化模块中；

S2：设置城市轨道列车运行过程时间的伪谱法配点数G和列车的牵引制动控制参数的初始控制参数μ⁽⁰⁾(t)，并设定优化精度tol，将迭代次数D置零；

S3：采用伪谱法配点控制参数化算法将列车运行时间[t₀,t_f]转化为具有高斯分布的离散点列后，对时间分段上对应的变量进行离散近似，把问题转化为非线性规划问题；

S4：通过非线性规划问题求解算法计算得到满足要求的列车牵引制动控制量μ^(D)(t)并输出到控制信号输出模块；

S5：将列车牵引制动控制量μ^(D)(t)通过控制信号输出模块传输到列车牵引制动模块中；

通过伪谱法配点控制参数化算法把问题转化为非线性规划问题，具体包括：

步骤C1：引入新的时间变量τ进行时间尺度变换，将时间区间从[t₀,t_f]转化为[-1,1]，时间变换公式为

其中，t表示时间，t_f表示城市轨道列车的终端运行时刻，t₀表示城市轨道列车的初始运行时刻；

步骤C2：运用Legendre多项式的零点来得到[-1,1]区间的时间配点，其中，N次Legendre多项式的表达式为

P₀(z)＝1,P_-1(z)＝0

其中，P_n+1(z)表示N次Legendre多项式，P_n(z)表示N-1次Legendre多项式，P_n-1(z)表示N-2次Legendre多项式，P₀(z)表示-1次Legendre多项式，P_-1(z)表示-2次Legendre多项式，z表示多项式参数变量，α_n表示N-1次Legendre多项式P_n(z)的特征参数，β_n表示N-2次Legendre多项式P_n-1(z)的特征参数，n表示配点个数参数；N为时间段[-1,1]的离散时间子区间数；

步骤C3：设置参数α_n和β_n的取值，分别为α_n＝0，

步骤C4：运用高斯时间配点将时间区间划分为N段，其中，第D段子区间为[t_D-1,t_D],D＝0,…,N；t_D-1表示第D段子区间的初始时间点；t_D表示第D段子区间的终值时间点；

步骤C5：将状态变量在前N+1个LG节点上进行Lagrange插值近似，得到如下表达式：

步骤C6：将控制变量在区间(-1,1)中的LG配点上进行离散化，得到如下表达式：

其中，

步骤C7：把状态方程中的状态变量的导数进行离散化，把原问题转化为非线性规划问题；

所述非线性规划问题求解算法的计算具体步骤如下：

步骤D1：记点P₁为列车运行过程中的某个点，对应于列车牵引制动控制量μ^(D-1)(t)和目标函数值J^(D-1)；

步骤D2：选定非线性规划问题内点求解算法，从点P₁开始迭代计算，利用原对偶路径构建P₁点的预测寻优方向d^(D-1)和预测步长α^(D-1)；

步骤D3：记点P₂为列车当前运行过程中的某个点，由上一次迭代点P₁和公式μ^(D)(t)＝μ^(D-1)(t)+α^(D-1)d^(D-1)求解得到点P₂对应列车牵引制动控制量μ^(D)(t)和目标函数值J^(D)；

步骤D4：对μ^(D)(t)加入扰动量δ^(D)，计算得到扰动校正后寻优方向和校正步长利用公式得到校正后的点记为点P₃，令则点P₃对应的列车牵引制动控制量为μ^(D)(t)和目标函数值为

步骤D5：将当前点P₃得的目标函数值与上一次迭代点P₁的目标函数值J^(D-1)作差，若两点的目标函数值之差的绝对值小于精度tol，则满足收敛性，控制策略输出模块输出本次迭代控制策略μ^(D)(t)；若不满足收敛性，则继续迭代，将μ^(D)(t)设置为初始值，D增加1，执行步骤D2。