一种公交与列车协同运行方法及系统

本发明涉及公共交通接驳协同，尤其涉及一种公交与列车协同运行方法及系统。

背景技术：

1、轨道交通与地面公交共同承担城市公共交通网络中的干线运输和接驳运输任务。对于以轨道车站为换乘节点的出行链，列车实际到站时刻、换乘步行时间与公交发车时刻的配合，直接影响乘客能否有效接驳及换乘等待时间。现有列车速度曲线优化通常以准点、节能、舒适和停车精度为目标，根据线路限速、坡度、牵引制动特性和图定运行时间生成离线速度曲线后由ato（automatic train operation，列车自动运行系统）执行，但其计算主要基于名义列车参数和线路模型。

2、在实际运行过程中，基本运行阻力参数、线路坡度描述、轮轨黏着条件、牵引制动力传递效率、传感测量及局部未建模外力均可能偏离离线规划假设。这类偏差幅值虽小，但具有持续性和空间非均匀性，会在站间运行中逐渐累积为速度、位置和时刻偏差，并在接近目标车站的制动阶段放大到达时刻与换乘可实现性之间的耦合。

3、如果将某一公交发车时刻简单换算为新的列车终端到达时刻，再按原准点优化方法求解，本质上只是改变目标时间参数，并未回答列车在当前实际状态、牵引制动能力和安全边界下是否仍具备实现该接驳目标的能力。原先可赶上的班次可能在后续控制周期变得不可实现，继续维持原目标可能造成不必要的高牵引、运行图偏移或终端制动压力。

4、另一方面，公交客流、道路拥堵和站点上下客时间属于运营侧信息，并不直接作用于列车纵向动力学，若将其等效为列车物理扰动，会混淆运营目标与物理不确定性的作用边界。现有抗扰控制若只在控制输出端补偿扰动，预测模型仍未修正；若只调整参考速度，预测趋势与局部目标不一致；若每周期重规划整条曲线，又增加计算负担并削弱离线轨迹的全局意义。此外，线路限速和atp（automatic train protection，列车自动防护系统）防护速度不能单独说明终端制动可达性，仅提高终端罚函数权重也难以代替制动可达的物理约束。

5、因此，需要一种既不把公交运营信息错误等效为列车物理扰动、又能在控制周期内动态判断接驳目标是否仍可实现的协同方法。该方法应保留在线再优化能力，当原班次仍可协调时保持、不可协调时切换、无可行公交时退回原运行图，并始终受线路安全和终端停车条件约束。

技术实现思路

1、针对固定公交接驳到达时间窗不能反映列车实时可实现性、仅依据瞬时时刻偏差难以判断后续到达能力、公交目标直接替换原列车计划容易造成运行目标突变，以及列车多源微扰动会进一步改变到站能力和局部控制效果的问题，本发明提供一种公交与列车协同运行方法，包括以下步骤：

2、s1、获取列车侧信息和公交侧信息；

3、s2、依据公交侧信息换算出各公交班次的接驳到达时间窗；

4、s3、获取列车当前的实际状态，根据前一控制时刻实际状态及已执行纵向控制力进行名义一步预测，根据实测速度与名义预测速度的偏差构造一步残差加速度；

5、s4、对最近多个控制周期的一步残差加速度进行有限记忆加权、趋势修正及物理可行集合投影，得到当前残差等效扰动估计；

6、s5、依据当前列车的实际状态及残差等效扰动估计，进行确定性前向状态推进，得到当前最早到达估计，结合协同调整上界构造实时到达候选域；

7、s6、将实时到达候选域与各接驳到达时间窗进行匹配，将原列车计划到达时刻投影至非空交集并选取接驳班次及协同目标到达时刻；无交集时取原列车计划到达时刻；

8、s7、将残差等效扰动估计加入滚动预测加速度，形成预测模型补偿通道；将协同目标到达时刻平滑映射为在线协同时刻基准，并基于在线协同时刻基准、离线引导速度及同一残差等效扰动估计构造局部参考速度，形成局部参考速度补偿通道；

9、s8、依据补偿后的预测加速度及局部参考速度，在安全约束下联合优化纵向控制力序列与参考速度偏移序列，构造候选决策向量集合并进行安全可行性检查；

10、s9、选取合格候选并执行其首个控制量，无合格候选时执行安全后备控制量；未满足目标车站位置和速度停车条件时，下一控制时刻返回s3。

11、具体地，步骤s1中，所述列车侧信息包括轨道列车技术参数、线路参数、实时运行状态、列车运行图以及预先生成的离线引导轨迹；所述公交侧信息包括发车时刻、换乘步行时间、最小换乘裕量和最大允许候车时间；步骤s2中，所述接驳到达时间窗的下界由计划发车时刻依次减去换乘步行时间和最大允许候车时间得到，上界由计划发车时刻依次减去换乘步行时间和最小换乘裕量得到。

12、具体地，步骤s3中，根据前一控制时刻实测状态及已执行纵向控制力，利用列车名义纵向动力学模型计算名义一步预测速度，将当前实测速度减去该预测速度所得的偏差除以控制采样周期，得到一步残差加速度。

13、具体地，步骤s4中，所述有限记忆加权包括：设有限记忆窗口长度为，最近个已完成采样时段的残差样本索引构成集合，对窗口内残差进行加权平滑，公式如下：

14、；

15、式中，表示有限记忆窗口内的加权平滑扰动值，表示有限记忆窗口内的残差样本索引；表示控制时刻分配给历史残差的非负归一化权重；

16、所述趋势修正包括：在平滑扰动值基础上引入由近期残差差分构造的趋势量和趋势修正系数，得到趋势修正值；

17、根据车辆参数变化范围、线路测量误差范围和执行能力偏差范围，可以预先构造各类扰动在加速度层面的有界集合，并形成总等效扰动的物理可行集合；将平滑扰动值和趋势修正值之和投影至物理可行集合，得到残差等效扰动估计。

18、具体地，步骤s5中，从列车当前实际状态出发，依据牵引制动边界、阻力模型、坡度模型及残差等效扰动估计进行确定性前向状态推进，得到当前最早到达估计；以当前最早到达估计为下界，以原列车计划到达时刻与最大协同偏移量之和为协同调整上界，构造实时到达候选域；下界超过上界时，该候选域为空。

19、具体地，步骤s6中，将原列车计划到达时刻投影至实时到达候选域与各接驳到达时间窗的非空交集，得到候选协同到达时刻；根据列车计划偏移、预计公交候车时间及班次切换代价评价各候选，在上一接驳班次仍可协调时优先保持，在其失去交集或新候选改善超过预设切换阈值时切换至其他可协调班次。

20、具体地，步骤s7中，利用随位置由零平滑增加至一的协调激活系数，将协同目标到达时刻与原列车计划到达时刻的差值渐进叠加至原离线计划时刻，得到在线协同时刻基准；将名义纵向加速度与残差等效扰动估计叠加，得到补偿后的预测加速度；将同一残差等效扰动估计转换为扰动策略补偿项，根据预测时刻减去在线协同时刻基准的差值构造时刻进度补偿项，并与离线引导速度及参考速度偏移共同构成局部参考速度。

21、具体地，步骤s8中，所述安全约束包括补偿后的状态递推约束、线路安全速度约束、纵向控制力约束、加速度约束、冲击率约束、参考速度偏移约束和终端制动可达约束。

22、具体地，步骤s9中，在通过安全可行性检查的可行候选集合内，按滚动优化目标选取一个候选，执行其纵向控制力序列中的首个控制量；无合格候选时，在当前可用纵向控制力区间内结合下一状态安全速度及后续制动延续条件生成安全后备控制量；以实际位置和速度同时满足目标车站的终端位置判定容差和终端速度判定容差作为停车条件；所述滚动优化目标包括速度偏差、协同时刻一致性、牵引能耗、控制量、控制量变化、参考速度偏移及终端一致性；所述候选决策向量集合包括求解器候选、移位暖启动候选及启发式候选，每个候选均包含纵向控制力序列和参考速度偏移序列。

23、本发明提供了一种公交与列车协同运行系统，被配置为执行上述方法的步骤，包括：

24、数据获取模块，用于获取列车侧信息和公交侧信息；

25、公交接驳到达时间窗生成模块，用于依据公交侧信息换算出各公交班次的接驳到达时间窗；

26、一步残差加速度构造模块，用于获取列车当前的实际状态，根据前一控制时刻实际状态及已执行纵向控制力进行名义一步预测，根据实测速度与名义预测速度的偏差构造一步残差加速度；

27、列车残差等效扰动估计模块，用于对最近多个控制周期的一步残差加速度进行有限记忆加权、趋势修正及物理可行集合投影，得到当前残差等效扰动估计；

28、列车实时到达候选域估计模块，用于依据当前列车的实际状态及残差等效扰动估计，进行确定性前向状态推进，得到当前最早到达估计，结合协同调整上界构造实时到达候选域；

29、公交接驳到达时间窗匹配模块，用于将实时到达候选域与各接驳到达时间窗进行匹配，将原列车计划到达时刻投影至非空交集并选取接驳班次及协同目标到达时刻；无交集时取原列车计划到达时刻；

30、在线协同时刻基准生成及双通道补偿模块，用于将残差等效扰动估计加入滚动预测加速度，形成预测模型补偿通道；将协同目标到达时刻平滑映射为在线协同时刻基准，并基于在线协同时刻基准、离线引导速度及同一残差等效扰动估计构造局部参考速度，形成局部参考速度补偿通道；

31、在线优化模块，用于依据补偿后的预测加速度及局部参考速度，在安全约束下联合优化纵向控制力序列与参考速度偏移序列，构造候选决策向量集合并进行安全可行性检查；

32、安全可执行筛选模块，用于选取合格候选并执行其首个控制量，无合格候选时执行安全后备控制量；未满足目标车站位置和速度停车条件时，下一控制时刻返回一步残差加速度构造模块。

33、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

34、1、将公交发车计划转换为面向轨道列车的接驳到达时间窗，并与列车实时到达候选域动态匹配，使公交接驳目标由公交运营要求和列车当前实际运行能力共同决定，而不是仅更换一个固定终端到达时刻；

35、2、将列车多源微扰动统一压缩为纵向加速度层面的残差等效扰动，不要求在线分别辨识阻力参数偏差、坡度偏差、轮轨黏着变化和执行偏差的具体物理参数；所述残差等效扰动估计还能进入最早到达能力评估，使公交接驳选择能够感知列车当前动力学偏差；

36、3、同一残差等效扰动估计同时用于滚动预测加速度和局部参考速度，形成预测模型补偿与参考目标补偿相协调的双通道关系；从而使“列车未来会如何运动”和“当前局部应该达到什么目标”针对同一实际运行偏差同步调整；

37、4、候选协同到达时刻采用原列车计划在可行交集上的投影，当原运行图时刻本身已经能够满足公交接驳要求时不作非必要调整；并通过上一接驳班次保持优先和切换阈值机制抑制频繁目标跳变；

38、5、通过位置相关的平滑协调激活系数将终端公交目标渐进映射到在线协同时刻基准，避免将新的接驳目标整体平移到全线路离线时刻轨迹，在保留原运行图全局节奏的同时允许靠近目标换乘站时进行有限在线修正；

39、6、将线路全程安全速度上界与终端制动可达速度包络分别处理，并按照预测后的下一状态位置执行安全检查；在线求解候选还需经过统一可行性筛选，在常规候选不可用时启用安全后备控制，从而降低求解器未正式收敛或控制后处理导致不安全候选被直接执行的风险；

40、7、公交运营信息与列车物理扰动处理相互分离。公交班次、换乘步行时间和候车裕量仅用于运营目标生成，列车物理模型仍由牵引制动、阻力和坡度等确定，有利于保持轨道侧控制模型的物理解释性和工程可追溯性；

41、8、整个方法不要求在每一控制周期重新生成完整全程速度曲线，而是在既有离线引导轨迹附近对有限预测时域内的纵向控制和局部参考目标进行再优化，兼顾全局运行图一致性、局部扰动适应性和公交接驳协同性。