基于人工智能的轨道小车智能控制与调度方法与流程

本技术涉及科普展厅的领域，尤其是涉及一种基于人工智能的轨道小车智能控制与调度方法。

背景技术：

1、在科普展厅、文旅展馆等多媒体互动场景中，轨道小车被广泛用于承载展品或引导参观者沿预设路线移动，配合展厅内的显示屏和语音设备向参观者传递信息。随着展厅规模的扩大和互动需求的提升，单车单线的展示模式已无法满足多位参观者同时体验的需求，多辆小车在同一轨道网络中并行运行成为常见的部署方式。

2、现有的展厅轨道小车系统多采用固定程序控制的调度方式，即在部署阶段为每辆小车预设固定的运行路线和时刻表，运行过程中各小车严格按照预设程序依次启停。这种固定调度方式在单车或少量车辆的简单轨道中能够满足基本的运行需求，但当轨道网络存在分岔、交叉或环形结构且多辆小车并行运行时，固定路线之间的冲突无法被实时感知和化解。由于固定程序不具备对轨道实时占用状态的感知能力，当某段轨道因前车减速或停靠而被临时占用时，后续小车仍按原定路线驶入，由此产生碰撞风险。运维人员不得不通过加大车辆间的发车间隔或限制同时运行的车辆数量来回避冲突，这直接降低了轨道网络的利用率和展厅的接待通量。

3、固定调度方式的另一个局限在于缺乏异常状态的自主识别和响应能力。当轨道上出现障碍物或某辆小车发生机械故障时，固定程序无法自主识别异常并采取停机或路线重分配措施，只能依赖现场人员手动干预，响应滞后且存在安全隐患。由于调度程序与异常监测之间缺乏数据联动，即使系统安装了传感器，传感器采集的数据也仅用于事后记录，未能在运行过程中实时反馈至调度决策环节。

4、上述调度能力的不足同时波及展厅的多媒体联动效果。在固定调度模式下，小车的运行状态信息无法实时传递至展厅的显示设备和语音设备，多媒体内容的播放只能按照固定时间表独立运行，无法根据小车的实际位置动态切换展示内容，导致参观者看到的多媒体内容与小车的实际运动轨迹脱节，互动体验生硬。

技术实现思路

1、为了能够基于轨道实时状态为多辆小车动态分配运行路线、自主规避碰撞、实时监测异常并联动展厅多媒体设备，本技术提供一种基于人工智能的轨道小车智能控制与调度方法。

2、第一方面，本技术提供的一种基于人工智能的轨道小车智能控制与调度方法，采用如下的技术方案：

3、一种基于人工智能的轨道小车智能控制与调度方法，包括以下步骤：

4、s1.采集轨道的占用状态数据和各小车的位置数据；

5、s2.对所述占用状态数据和所述位置数据进行降噪和校准，剔除无效数据，得到标准化轨道状态数据和标准化小车位置数据；

6、s3.根据预存的轨道布局数据、所述标准化轨道状态数据和所述标准化小车位置数据，为多辆小车动态分配运行路线并规避碰撞，生成调度信号；

7、s4.根据所述调度信号控制各小车的启停、速度和转向；

8、s5.实时监测各小车的运行状态和轨道状态，响应于检测到异常，输出预警信号并触发对应小车停机；

9、s6.根据各小车的运行状态同步驱动展厅多媒体设备进行联动展示。

10、通过采用上述技术方案，对轨道的占用状态数据和各小车的位置数据执行降噪、校准和无效数据剔除后，将标准化数据输入ai智能调度算法，使调度决策的输入源从原始传感器信号转变为经过质量控制的标准化数据。在此基础上，调度算法根据轨道布局数据为多辆小车动态分配运行路线并规避碰撞，生成的调度信号同时驱动小车控制和异常预警两个环节，异常预警的结果又反馈至小车控制层触发停机，形成从数据采集到调度决策到执行控制到异常响应的闭环。多媒体联动展示根据各小车的运行状态同步驱动，使展厅的视听内容与小车的物理运动之间建立实时数据通道，消除了固定时间表播放模式下多媒体内容与小车位置脱节的问题。

11、可选的，所述s3中，所述轨道布局数据中的每段轨道维护有空闲状态、预约状态和占用状态三种状态；

12、在为所述小车分配所述运行路线时，将所述运行路线所经过的各轨道段的状态由所述空闲状态切换为所述预约状态；

13、在所述小车进入对应轨道段时，将对应轨道段的状态由所述预约状态切换为所述占用状态；

14、在所述小车离开对应轨道段时，将对应轨道段的状态由所述占用状态切换为所述空闲状态；

15、处于所述预约状态的轨道段及对应的预约时间窗信息作为分配所述运行路线和规避碰撞的输入。

16、通过采用上述技术方案，将每段轨道的状态从空闲和占用两种扩展为空闲、预约和占用三种，在为小车分配运行路线时即将目标轨道段的状态切换为预约，使其他小车的路径规划能感知到即将被占用的轨道段。相比于仅依据当前时刻的占用快照进行路径规划，三态模型将轨道的时间维度占用信息前置到规划阶段，减少了因规划时空闲但执行时被占用而导致的路线冲突。预约时间窗信息同时作为路线分配和碰撞规避的输入，使代价计算和碰撞检测两个下游环节共享同一组预约信息，避免了两个环节各自独立维护占用状态而产生的数据不一致。

17、可选的，所述s3中，为所述轨道布局数据中的每段轨道计算通行代价值，所述通行代价值由轨道段长度因子、当前状态因子、历史拥堵因子和公平性补偿因子加权合成；

18、处于所述预约状态的轨道段的所述当前状态因子高于处于所述空闲状态的轨道段的所述当前状态因子且低于处于所述占用状态的轨道段的所述当前状态因子；

19、所述历史拥堵因子根据各轨道段的状态转换时间戳的统计分布确定；

20、为所述小车分配所述运行路线时，以各轨道段的所述通行代价值之和为目标函数。

21、可选的，所述s3中，对每辆小车根据所述小车的当前位置、速度、加速度及前方各轨道段的限速约束，计算所述小车到达前方各轨道段的最早到达时间和最晚到达时间，得到运动包络线；

22、将各小车的所述运动包络线映射至以轨道段编号为横轴、时间为纵轴的时空冲突图，所述时空冲突图以处于所述预约状态的轨道段及对应预约时间窗作为初始占用区域；

23、响应于两辆小车的所述运动包络线在所述时空冲突图上存在重叠区域，确定所述两辆小车之间存在碰撞风险。

24、通过采用上述技术方案，根据每辆小车的当前位置、速度、加速度和前方各轨道段的限速约束计算运动包络线，将碰撞检测从逐帧比较两车距离的点估计方式转变为基于时间区间的区域估计方式。运动包络线以最早到达时间和最晚到达时间界定每段轨道的占用时间区间，天然容纳了速度波动和加减速带来的位置不确定性，避免了点估计方式在速度变化时产生的漏检。将运动包络线映射至以轨道段编号为横轴、时间为纵轴的时空冲突图后，碰撞检测转化为二维区域的重叠判定，且预约状态的轨道段及预约时间窗作为初始占用区域预填充至冲突图中，使新车的包络线投影直接与预填充区域进行交集判定，无需逐车逐段比对。

25、可选的，所述s3中，将每辆小车的所述运行路线分割为锁定段和候选段，所述锁定段为所述小车当前位置前方的连续轨道段序列且在运行中不变更，所述候选段为所述锁定段之后的剩余路线段；

26、所述锁定段包含的轨道段数量根据所述小车的当前速度确定，当前速度越高则所述锁定段包含的轨道段数量越多；

27、响应于所述碰撞风险发生在所述候选段范围内，对所述候选段执行增量重规划，生成修正后的路径。

28、通过采用上述技术方案，将每辆小车的运行路线分割为锁定段和候选段，锁定段在运行中不变更，候选段允许根据碰撞检测结果执行增量重规划。锁定段的长度根据小车当前速度动态调整，速度越高则锁定段越长，保证了锁定段覆盖的距离不小于当前速度下的制动安全距离。这一分割使路径修正的作用域被限制在候选段范围内，锁定段内的小车运动轨迹不受重规划影响，避免了全路径重规划导致的在途小车运动轨迹频繁变化。碰撞风险发生在候选段范围内时仅对候选段执行增量重规划，修正的搜索空间从全路径缩小到候选段对应的轨道子图，降低了路径搜索的计算量。

29、可选的，响应于所述碰撞风险发生在两辆小车的所述锁定段范围内，对所述两辆小车分别计算让行代价，所述让行代价包括制动距离代价、路径延长代价和连锁波及代价；

30、所述连锁波及代价为让行后的新路径在所述时空冲突图上与其他小车产生的新增重叠数量；

31、选择所述让行代价最小的一方为让行方，所述让行方的所述锁定段缩短至所述让行方当前所在轨道段，原所述锁定段的剩余部分降级为所述候选段并触发所述增量重规划。

32、通过采用上述技术方案，当碰撞风险发生在两辆小车的锁定段范围内时，由于锁定段不可通过候选段重规划回避，启动协商式让行协议。让行代价由制动距离代价、路径延长代价和连锁波及代价三个分项加权合成，其中连锁波及代价将让行后的新路径在时空冲突图上与其他小车产生的新增重叠数量纳入评估，使让行决策不仅考虑冲突双方的直接代价，还考虑让行对第三方小车的连锁影响。选择让行代价最小的一方执行让行后，让行方的锁定段缩短至当前所在轨道段，原锁定段的剩余部分降级为候选段并触发增量重规划，使让行方在减速过程中即开始计算新路径，消除了让行后被动等待冲突段释放的空窗期。

33、可选的，在执行所述增量重规划或所述让行前，将修正后的路径投影至所述时空冲突图，检测与其他小车的新增重叠区域，新增重叠涉及的小车数量为波及范围值；

34、响应于所述波及范围值超过预设波及阈值，放弃对应的路径修正方案；

35、响应于所有候选路径修正方案的所述波及范围值均超过所述预设波及阈值，碰撞风险涉及的各小车均降低至预设安全速度并维持当前路径不变。

36、通过采用上述技术方案，在执行增量重规划或让行前，将修正后的路径投影至时空冲突图预检测与其他小车的新增重叠，以新增重叠涉及的小车数量作为波及范围值。当波及范围值超过预设波及阈值时放弃对应修正方案，避免了一次路径修正引发多辆小车连锁重规划的扩散效应。当所有候选修正方案的波及范围值均超过阈值时，碰撞风险涉及的各小车降低至预设安全速度并维持当前路径不变，选择不修改任何路径作为兜底策略。这一前馈式预评估将连锁冲突的检测从路径修正执行之后的事后补救前移至执行之前的事前预防，从根本上避免了后验迭代消解中反复修改、反复产生新冲突的振荡循环。

37、可选的，在为所述小车分配所述运行路线时，同时缓存所述通行代价值排名前预设数量的备选路径，构成所述小车的备选路径池；

38、执行所述增量重规划时，优先从所述备选路径池中检索与当前所述锁定段兼容的替代路径，兼容条件为所述替代路径的锁定段部分与当前所述锁定段一致；

39、所述备选路径池在所述小车每通过一个轨道段时执行增量更新，淘汰与更新后的所述锁定段不兼容的备选路径并补充新的备选路径。

40、通过采用上述技术方案，在为小车分配运行路线时同时缓存通行代价值排名前预设数量的备选路径，构成备选路径池。执行增量重规划时优先从备选路径池中检索与当前锁定段兼容的替代路径，命中后直接切换，将路径修正的响应时间从路径搜索级降低至查表级。备选路径池在小车每通过一个轨道段时执行增量更新，淘汰与更新后锁定段不兼容的备选路径并补充新的备选路径，使备选路径池始终与小车的当前位置和锁定段状态同步，避免了静态缓存中因轨道状态变化导致的备选路径失效。

41、可选的，所述s5中，根据运行密度参数动态调整预警阈值，所述运行密度参数为当前轨道上运行小车数量与轨道段总数的比值；

42、所述s1中，根据所述运行密度参数和各小车所处轨道区域类型联动调整采集频率，所述预警阈值的调整和所述采集频率的调整基于相同的所述运行密度参数执行。

43、通过采用上述技术方案，根据运行密度参数动态调整预警阈值和采集频率，运行密度参数为当前轨道上运行小车数量与轨道段总数的比值，预警阈值和采集频率基于相同的运行密度参数联动执行。当运行密度增大时，预警阈值收紧的同时采集频率同步提高，使预警判定所依赖的位置数据的时间分辨率与预警严格度相匹配；当运行密度减小时，预警阈值放宽的同时采集频率同步降低，减少低密度场景下的数据传输和预处理负载。这种联动机制避免了预警阈值与采集频率独立调整时可能出现的不匹配状态，例如在预警阈值收紧但采集频率仍处于低频的状态下，预警判定依赖粗糙的位置数据，容易产生误判。

44、可选的，所述s3中，在各小车出发前根据所述轨道布局数据和当前的占用状态数据预分配全局运行路线，在各小车运行过程中根据实时的标准化轨道状态数据和标准化小车位置数据对所述运行路线进行局部修正；预分配阶段生成的运行路线经校验后存储为安全路线；响应于调度响应时间超过预设超时阈值，切换至降级运行模式，各小车按安全路线低速单向运行，预警阈值收紧至最严格级别，多媒体联动展示切换为通用循环播放模式。

45、通过采用上述技术方案，在各小车出发前根据轨道布局数据和当前占用状态数据预分配全局运行路线，运行过程中根据实时标准化数据对运行路线进行局部修正，将调度计算分为离线预分配和在线修正两个阶段。预分配阶段生成的运行路线经校验后存储为安全路线，当调度响应时间超过预设超时阈值时系统切换至降级运行模式，各小车按安全路线低速单向运行。预分配路线复用为降级安全路线，无需维护一套独立的安全路线数据集，且降级路线基于最近一次轨道状态计算，与当前轨道布局保持同步。降级运行模式下预警阈值收紧至最严格级别，多媒体联动展示切换为通用循环播放模式，使系统在调度能力降级的同时仍维持基本的安全监测和展厅运营。

46、可选的，所述s6中，采用事件驱动同步机制：在所述轨道布局数据中预设多个触发点位置，响应于各小车到达触发点位置，生成位置事件，位置事件同时用于调度决策和多媒体联动展示内容的切换。

47、通过采用上述技术方案，多媒体联动展示采用事件驱动同步机制，在轨道布局数据中预设多个触发点位置，当各小车到达触发点位置时生成位置事件，位置事件同时用于调度决策和多媒体联动展示内容的切换。相比于以固定频率轮询小车位置并持续向多媒体设备推送同步指令的方式，事件驱动机制仅在小车到达预设触发点时产生通信，两个触发点之间的运行过程不产生同步通信开销，将多媒体联动的通信量从与轮询频率成正比降低为与触发点数量成正比。

48、可选的，所述s3中还包括：在非运行时段对累积的历史运行轨迹进行统计分析，识别占用频次和碰撞预警触发率较高的轨道段，将分析结果更新为所述通行代价值计算中的历史拥堵因子。

49、通过采用上述技术方案，在非运行时段对累积的历史运行轨迹进行统计分析，识别占用频次和碰撞预警触发率较高的轨道段，将分析结果更新为通行代价值计算中的历史拥堵因子。后续调度周期中路径规划的代价函数将自动绕开历史上碰撞预警集中的轨道段，使路径分配从仅依据当前时刻状态的反应式决策升级为结合历史统计的预测式决策。历史拥堵因子的更新在非运行时段离线执行，不占用运行时段的实时计算资源。

50、可选的，所述系统还包括观众交互终端，观众交互终端被配置成接收观众选择的展示主题，将展示主题对应的选择信号传入ai智能调度模块；ai智能调度模块根据选择信号调整各小车的运行路线和停靠展位顺序，多媒体联动模块同步切换对应展示主题的内容。

51、通过采用上述技术方案，系统包括观众交互终端，观众交互终端接收观众选择的展示主题后将选择信号传入ai智能调度模块，调度模块根据选择信号调整各小车的运行路线和停靠展位顺序，多媒体联动模块同步切换对应展示主题的内容。这一交互闭环将展厅的信息流从系统到观众的单向输出扩展为观众意图到调度决策到小车运动到多媒体内容的双向环路，使轨道小车的运行路线不再仅由系统预设，而是能够响应观众的实时选择进行动态调整。

52、可选的，各轨道段的所述最晚到达时间与所述最早到达时间的差值根据对应轨道段的限速约束逐段串联确定，差值随轨道段与各小车当前所在轨道段的段数差递增；

53、将所述时空冲突图的前瞻时间范围划分为近端窗口和远端窗口，近端窗口的长度等于所述锁定段对应的通行时间；

54、响应于所述重叠区域位于近端窗口内，对所述候选段执行所述增量重规划；响应于所述重叠区域位于远端窗口内，记录碰撞预警但不执行所述增量重规划。

55、通过采用上述技术方案，各轨道段的运动包络线宽度，即最晚到达时间与最早到达时间的差值，根据对应轨道段的限速约束逐段串联确定，差值随轨道段与小车当前所在轨道段的段数差递增。近端轨道段的包络线窄，数据新鲜且不确定性低，碰撞检测的精度高、误报率低；远端轨道段的包络线宽，容纳了速度波动和数据延迟的累积不确定性，保留了安全裕度。将时空冲突图的前瞻时间范围划分为近端窗口和远端窗口，近端窗口的长度等于锁定段对应的通行时间，使近端窗口的覆盖范围与锁定段严格对齐。近端窗口内检测到的重叠直接触发增量重规划，对应锁定段范围内的碰撞风险必须立即响应；远端窗口内检测到的重叠仅记录碰撞预警但不触发重规划，对应候选段范围内的碰撞风险留待小车前进至该段进入近端窗口后重新评估。这种对齐关系避免了对远端虚假重叠的过度响应，同时在近端保持了对真实碰撞风险的响应能力。

56、可选的，对位于所述近端窗口内的所述重叠区域计算重叠面积值，根据重叠面积值将所述碰撞风险分为三个等级：

57、响应于重叠面积值小于第一面积阈值，标记为微重叠，不执行响应；

58、响应于重叠面积值介于第一面积阈值和第二面积阈值之间，标记为中重叠，降低所述碰撞风险涉及的小车的速度以收窄对应的所述运动包络线，在下一检测周期重新计算收窄后的所述运动包络线的重叠面积值并更新等级；

59、响应于重叠面积值大于第二面积阈值，标记为强重叠，对所述候选段执行所述增量重规划。

60、通过采用上述技术方案，对位于近端窗口内的重叠区域计算重叠面积值并分为微重叠、中重叠和强重叠三个等级。微重叠不执行响应，过滤了包络线边缘因不确定性扩展产生的虚假碰撞报警。中重叠降低碰撞风险涉及的小车速度以收窄对应运动包络线，在下一检测周期重新计算收窄后包络线的重叠面积值并更新等级，形成减速、包络线收窄、重叠面积减小的反馈回路，使一部分中等风险碰撞通过速度微调自行化解而无需触发路径重规划。强重叠直接触发增量重规划，对应必须通过路径修正才能化解的碰撞风险。三级分级使碰撞响应的代价与碰撞风险的严重程度相匹配，避免了对所有重叠一律触发重规划带来的计算资源浪费。

61、可选的，在执行所述重叠区域的检测前，先在轨道段维度对各小车的所述运动包络线执行粗筛，识别存在两辆及以上小车的所述运动包络线共同经过的轨道段，仅对共同经过同一轨道段的小车对执行时间维度的重叠检测；

62、将存在共同经过的轨道段标记为热段，其余轨道段标记为冷段，热段在所述时空冲突图中的时间轴采用第一时间分辨率，冷段在所述时空冲突图中的时间轴采用第二时间分辨率，第一时间分辨率高于第二时间分辨率；

63、所述时空冲突图沿时间轴维护滚动窗口，每个调度周期对热段执行增量更新，冷段的增量更新频率低于热段的增量更新频率，每隔预设周期数对所述时空冲突图执行全量重建。

64、通过采用上述技术方案，在执行重叠区域的检测前先在轨道段维度对各小车的运动包络线执行粗筛，识别存在两辆及以上小车的运动包络线共同经过的轨道段，仅对共同经过同一轨道段的小车对执行时间维度的重叠检测。由于在典型展厅场景中大部分轨道段在同一时刻仅有单车的包络线经过，粗筛可过滤掉多数无冲突车对，将精检的计算量从与车辆配对数成正比降低为仅与存在共同段的车对数成正比。粗筛结果同时用于标记热段和冷段，热段在时空冲突图中的时间轴采用细粒度分辨率以捕获精细的时间维度重叠，冷段采用粗粒度分辨率以减少存储和计算开销。时空冲突图沿时间轴维护滚动窗口，每个调度周期对热段执行增量更新，冷段的增量更新频率低于热段，使增量更新的计算量集中在碰撞风险集中的轨道段。每隔预设周期数对时空冲突图执行全量重建以修正增量累积误差，使冲突图在长时间运行后仍与实际轨道状态保持一致。

65、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

66、1、通过对轨道占用状态数据和小车位置数据执行降噪、校准和无效数据剔除后输入ai调度算法，为多辆小车动态分配运行路线并规避碰撞，同时联动异常预警和多媒体展示，形成从数据采集到调度决策到执行控制到异常响应到多媒体联动的闭环，使多辆小车在复杂轨道网络中按实时状态动态调度运行，消除了固定程序控制下路线冲突无法实时感知和化解的问题。

67、2、通过将轨道段状态从空闲和占用两种扩展为空闲、预约和占用三种，在路线分配阶段即将目标轨道段标记为预约，并将预约时间窗信息同时作为通行代价计算和碰撞检测的输入，使路径规划能感知即将被占用的轨道段，减少了因规划时空闲但执行时被占用而导致的路线冲突。

68、3、通过根据小车的当前位置、速度、加速度和各轨道段限速约束计算运动包络线，并将运动包络线映射至以轨道段编号为横轴、时间为纵轴的时空冲突图执行二维重叠检测，将碰撞检测从逐帧点估计转变为容纳速度不确定性的时间区间估计，配合路径锁定段与候选段的分割、协商式让行协议以及冲突波及范围的前馈预评估，使路径修正在保持在途小车运动稳定性的同时避免了连锁重规划的扩散。