城市轨道交通系统中列车运行调整与驾驶控制一体化模型与算法研究

In this proposal, we propose models and algorithms for the integration of traffic regulation and train control to reduce train delays and energy consumption for urban rail transit systems. A microscopic module and a macroscopic module will be formulated for the infrastructure, e.g., track layout, stations and signaling, of urban rail transit systems. Based on the analysis of the relationship between the running time and the energy consumption, train speed profiles and control policies for the train operation levels will be optimized with the objectives of the integration of traffic regulation and train control. In addition, the applicable ranges and boundary conditions of these train operation levels will be determined. The train flow evolution under stochastic perturbations will be conducted for urban rail transit systems. A timetable deviation and conflict detection algorithm and a conflict resolution and traffic regulation algorithm will then be presented based on the prediction of train running times and dwell times. Moreover, a closed-loop optimization framework is built for the integration of traffic regulation and train control in urban rail transit systems. The consistency of the traffic regulation and the effect of the prediction length will be investigated. This study is significant for the research on traffic regulation and train control. In addition, it will provide important theoretical guidance and economical benefit to our urban rail transit systems.

为减少城市轨道交通系统中的列车晚点和能源消耗，本项目采用模型建立、机理分析和算法研究等方法开展城市轨道交通系统列车运行调整与驾驶控制一体化的基础研究工作。通过建立城市轨道交通线路与车站的宏观模型与微观模型，分析列车运行时间与能源消耗的相互关系，基于列车运行调整与驾驶控制一体化的评价指标，研究列车运行等级的运行速度曲线、跟踪策略及各等级的适用范围，开展城市轨道交通系统小扰动事件影响下的列车流演化机理研究，通过基于列车运行等级的运行时间与停站时间预测，提出运行图偏离与冲突检测的算法，并提出基于列车运行等级的列车冲突疏解与运行调整算法。在此基础上建立城市轨道交通系统列车运行调整与驾驶控制一体化的闭环优化框架，阐明列车运行调整措施的一致性及预测周期对运行调整的影响规律。本研究对丰富和深化列车运行调整与列车运行控制理论具有重要的学术意义，对我国城市轨道交通系统具有重要的指导意义和直接的社会效益。

本项目采用模型建立、机理分析和算法研究等方法开展城市轨道交通系统列车运行调整与驾驶控制一体化的基础研究工作。通过建立城市轨道交通线路与车站的宏观模型与微观模型，分析列车运行时间与能源消耗的相互关系，基于列车运行调整与驾驶控制一体化的评价指标，研究列车运行等级的运行速度曲线、跟踪策略及各等级的适用范围，开展城市轨道交通系统小扰动事件影响下的列车流演化机理研究，通过基于列车运行等级的运行时间与停站时间预测，提出运行图偏离与冲突检测的算法，并提出基于列车运行等级的列车冲突疏解与运行调整算法。在此基础上建立城市轨道交通系统列车运行调整与驾驶控制一体化的闭环优化框架。本项目开展的工作及取得的成果如下：⑴基于Brave仿真软件和离散事件理论建立了城市轨道交通线路（北京地铁7号线）与车站的宏观模型与微观模型。⑵采用最大值原理与PID控制策略相结合的方式生成速度曲线作为备选运行等级，并构建基于场景的混合整数线性模型，实现列车运行等级的鲁棒优化。⑶基于列车运行的实绩数据分析站间运行时分与站停时分的分布规律对列车到达延误与出发延误的影响，开展了基于Brave软件的小扰动条件下列车流演化机理研究。⑷基于7号线的ATO实际运行数据和夜间测试结果，采用最大值原理法优化列车运行曲线，进一步实现列车的节能、准点运行。⑸探讨了基于城市轨道交通列车运行等级的列车运行时间与停站时间预测算法，提出了基于时间锁闭图的运行图偏离与冲突检测的算法。⑹构建了城市轨道交通系统与普通铁路网络的列车运行调整与驾驶控制一体化模型，并采用混合整数线性规划、遗传算法、序列二次规划等算法来实现快速求解。