技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種地鐵交通流優(yōu)化控制方法，尤其涉及一種基于魯棒策略的雙層地鐵交通流優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)：

隨著我國大中城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，城市交通系統(tǒng)面臨著越來越大的壓力，大力發(fā)展軌道交通系統(tǒng)成為解決城市交通擁塞的重要手段。國家“十一五”規(guī)劃綱要指出，有條件的大城市和城市群地區(qū)要把軌道交通作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。我國正經(jīng)歷一個(gè)前所未有的軌道交通發(fā)展高峰期，一些城市已由線的建設(shè)轉(zhuǎn)向了網(wǎng)的建設(shè)，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)已逐步形成。在軌道交通網(wǎng)絡(luò)和列車流密集的復(fù)雜區(qū)域，仍然采用列車運(yùn)行計(jì)劃結(jié)合基于主觀經(jīng)驗(yàn)的列車間隔調(diào)配方式逐漸顯示出其落后性，具體表現(xiàn)在：(1)列車運(yùn)行計(jì)劃時(shí)刻表的制定并未考慮到各種隨機(jī)因素的影響，容易造成交通流戰(zhàn)術(shù)管理擁擠，降低交通系統(tǒng)運(yùn)行的安全性；(2)列車調(diào)度工作側(cè)重于保持單個(gè)列車間的安全間隔，尚未上升到對列車流進(jìn)行戰(zhàn)略管理的宏觀層面；(3)列車調(diào)配過程多依賴于一線調(diào)度人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，調(diào)配時(shí)機(jī)的選擇隨意性較大，缺乏科學(xué)理論支撐；(4)調(diào)度人員所運(yùn)用的調(diào)配手段較少考慮到外界干擾因素的影響，列車調(diào)配方案的魯棒性和可用性較差。

已有文獻(xiàn)資料的討論對象多針對長途鐵路運(yùn)輸，而針對大流量、高密度和小間隔運(yùn)行條件下的城市地鐵交通系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)控方案尚缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。復(fù)雜路網(wǎng)運(yùn)行條件下的列車協(xié)調(diào)控制方案在戰(zhàn)略層面上需要對區(qū)域內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)上單列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行推算和優(yōu)化，并對由多個(gè)列車構(gòu)成的交通流實(shí)施協(xié)同規(guī)劃；在預(yù)戰(zhàn)術(shù)層面上通過有效的監(jiān)控機(jī)制調(diào)整交通網(wǎng)絡(luò)上部分區(qū)域的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)來解決擁塞問題，并保證該區(qū)域中所有列車的運(yùn)行效率；在戰(zhàn)術(shù)層面上則根據(jù)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)來調(diào)整相關(guān)列車的運(yùn)行狀態(tài)，獲取單列車軌跡優(yōu)化方案，將列車的間隔管理從固定的人工方式轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]列車性能、調(diào)度規(guī)則和外界環(huán)境等因素在內(nèi)的可變的“微觀-宏觀-中觀-微觀”間隔控制方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種魯棒性和可用性較好的地鐵交通流控制方法，該方法可增強(qiáng)調(diào)配方案制定的學(xué)科性且可有效防止地鐵列車運(yùn)行沖突。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種地鐵交通流控制方法，包括如下步驟：

步驟A、根據(jù)各個(gè)列車的計(jì)劃運(yùn)行參數(shù)，生成軌道交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

步驟B、基于步驟A所構(gòu)建的軌道交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，分析列車流的可控性和敏感性二類特性；

步驟C、根據(jù)各個(gè)列車的計(jì)劃運(yùn)行參數(shù)，在構(gòu)建列車動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)列車運(yùn)行沖突耦合點(diǎn)建立列車運(yùn)行沖突預(yù)調(diào)配模型，生成多列車無沖突運(yùn)行軌跡；

步驟D、在每一采樣時(shí)刻t，基于列車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和歷史位置觀測序列，對列車未來某時(shí)刻的行進(jìn)位置進(jìn)行預(yù)測；其具體過程如下：

步驟D1、列車軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理，以列車在起始站的?？课恢脼樽鴺?biāo)原點(diǎn)，在每一采樣時(shí)刻，依據(jù)所獲取的列車原始離散二維位置序列x＝[x₁,x₂,…,x_n]和y＝[y₁,y₂,…,y_n]，采用一階差分方法對其進(jìn)行處理獲取新的列車離散位置序列△x＝[△x₁,△x₂,…,△x_n-1]和△y＝[△y₁,△y₂,…,△y_n-1],其中△x_i＝x_i+1-x_i,△y_i＝y(tǒng)_i+1-y_i(i＝1,2,…,n-1)；

步驟D2、對列車軌跡數(shù)據(jù)聚類，對處理后新的列車離散二維位置序列△x和△y，通過設(shè)定聚類個(gè)數(shù)M'，采用K-means聚類算法分別對其進(jìn)行聚類；

步驟D3、對聚類后的列車軌跡數(shù)據(jù)利用隱馬爾科夫模型進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練，通過將處理后的列車運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)△x和△y視為隱馬爾科夫過程的顯觀測值，通過設(shè)定隱狀態(tài)數(shù)目N'和參數(shù)更新時(shí)段τ'，依據(jù)最近的T'個(gè)位置觀測值并采用B-W算法滾動(dòng)獲取最新隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'；具體來講：由于所獲得的列車軌跡序列數(shù)據(jù)長度是動(dòng)態(tài)變化的，為了實(shí)時(shí)跟蹤列車軌跡的狀態(tài)變化，有必要在初始軌跡隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'＝(π,A,B)的基礎(chǔ)上對其重新調(diào)整，以便更精確地推測列車在未來某時(shí)刻的位置；每隔時(shí)段τ'，依據(jù)最新獲得的T'個(gè)觀測值(o₁,o₂,…,o_T')對軌跡隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'＝(π,A,B)進(jìn)行重新估計(jì)；

步驟D4、依據(jù)隱馬爾科夫模型參數(shù)，采用Viterbi算法獲取當(dāng)前時(shí)刻觀測值所對應(yīng)的隱狀態(tài)q；

步驟D5、每隔時(shí)段根據(jù)最新獲得的隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'＝(π,A,B)和最近H個(gè)歷史觀測值(o₁,o₂,…,o_H)，基于列車當(dāng)前時(shí)刻的隱狀態(tài)q，在時(shí)刻t，通過設(shè)定預(yù)測時(shí)域h'，獲取未來時(shí)段列車的位置預(yù)測值O；

步驟E、建立從列車的連續(xù)動(dòng)態(tài)到離散沖突邏輯的觀測器，將地鐵交通系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)態(tài)映射為離散觀測值表達(dá)的沖突狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)有可能違反交通管制規(guī)則時(shí)，對地鐵交通混雜系統(tǒng)的混雜動(dòng)態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控，為控制中心提供及時(shí)的告警信息；

步驟F、當(dāng)告警信息出現(xiàn)時(shí)，在滿足列車物理性能、區(qū)域容流約束和軌道交通調(diào)度規(guī)則的前提下，通過設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)，采用自適應(yīng)控制理論方法對列車運(yùn)行軌跡進(jìn)行魯棒雙層規(guī)劃，并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各列車，各列車接收并執(zhí)行列車避撞指令直至各列車均到達(dá)其解脫終點(diǎn)。

進(jìn)一步的，步驟A的具體過程如下：

步驟A1、從地鐵交通控制中心的數(shù)據(jù)庫提取各個(gè)列車運(yùn)行過程中所?？康恼军c(diǎn)信息；

步驟A2、按照正反兩個(gè)運(yùn)行方向?qū)Ω鱾€(gè)列車所?？康恼军c(diǎn)信息進(jìn)行分類，并將同一運(yùn)行方向上的相同站點(diǎn)進(jìn)行合并；

步驟A3、根據(jù)站點(diǎn)合并結(jié)果，按照站點(diǎn)的空間布局形式用直線連接前后多個(gè)站點(diǎn)。

進(jìn)一步的，步驟B的具體過程如下：

步驟Bl、構(gòu)建單一子段上的交通流控制模型；其具體過程如下：

步驟Bl.1、引入狀態(tài)變量Ψ、輸入變量u和輸出變量Ω，其中Ψ表示站點(diǎn)間相連路段上某時(shí)刻存在的列車數(shù)量，它包括單路段和多路段兩種類型，u表示軌道交通調(diào)度員針對某路段所實(shí)施的調(diào)度措施，如調(diào)整列車速度或更改列車的在站時(shí)間等，Ω表示某時(shí)段路段上離開的列車數(shù)量；

步驟B1.2、通過將時(shí)間離散化，建立形如Ψ(t+△t)＝A₁Ψ(t)+B₁u(t)和Ω(t)＝C₁Ψ(t)+D₁u(t)的單一子段上的離散時(shí)間交通流控制模型,其中△t表示采樣間隔，Ψ(t)表示t時(shí)刻的狀態(tài)向量，A₁、B₁、C₁和D₁分別表示t時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、輸入矩陣、輸出測量矩陣和直接傳輸矩陣；

步驟B2、構(gòu)建多子段上的交通流控制模型；其具體過程如下：

步驟B2.1、根據(jù)線路空間布局形式和列車流量歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲取交叉線路各子段上的流量比例參數(shù)β；

步驟B2.2、根據(jù)流量比例參數(shù)和單一子段上的離散時(shí)間交通流控制模型，構(gòu)建形如Ψ(t+△t)＝A₁Ψ(t)+B₁u(t)和Ω(t)＝C₁Ψ(t)+D₁u(t)的多子段上的離散時(shí)間交通流控制模型；

步驟B3、根據(jù)控制模型的可控系數(shù)矩陣[B₁,A₁B₁,…,A₁^n-1B₁]的秩與數(shù)值n的關(guān)系，定性分析其可控性，根據(jù)控制模型的敏感系數(shù)矩陣[C₁(zI-A₁)^-1B₁+D₁]，定量分析其輸入輸出敏感性，其中n表示狀態(tài)向量的維數(shù)，I表示單位矩陣，z表示對原始離散時(shí)間交通流控制模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換的基本因子。

進(jìn)一步的，步驟C的具體過程如下：

步驟C1、列車狀態(tài)轉(zhuǎn)移建模，列車沿軌道交通路網(wǎng)運(yùn)行的過程表現(xiàn)為在站點(diǎn)間的動(dòng)態(tài)切換過程，根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃中的站點(diǎn)設(shè)置，建立單個(gè)列車在不同站點(diǎn)間切換轉(zhuǎn)移的Petri網(wǎng)模型：E＝(g,G,Pre,Post,m)為列車路段轉(zhuǎn)移模型，其中g(shù)表示站點(diǎn)間各子路段，G表示列車運(yùn)行速度狀態(tài)參數(shù)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，Pre和Post分別表示各子路段和站點(diǎn)間的前后向連接關(guān)系，表示列車所處的運(yùn)行路段，其中m表示模型標(biāo)識，Z⁺表示正整數(shù)集合；

步驟C2、列車全運(yùn)行剖面混雜系統(tǒng)建模，將列車在站點(diǎn)間的運(yùn)行視為連續(xù)過程，從列車的受力情形出發(fā)，依據(jù)能量模型推導(dǎo)列車在不同運(yùn)行階段的動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)合外界干擾因素，建立關(guān)于列車在某一運(yùn)行階段速度v_G的映射函數(shù)v_G＝λ(T₁,T₂,H,R,α)，其中T₁、T₂、H、R和α分別表示列車牽引力、列車制動(dòng)力、列車阻力、列車重力和列車狀態(tài)隨機(jī)波動(dòng)參數(shù)；

步驟C3、采用混雜仿真的方式推測求解列車軌跡，通過將時(shí)間細(xì)分，利用狀態(tài)連續(xù)變化的特性遞推求解任意時(shí)刻列車在某一運(yùn)行階段距初始?？课恢命c(diǎn)的距離，其中J₀為初始時(shí)刻列車距初始?？课恢命c(diǎn)的航程，△τ為時(shí)間窗的數(shù)值，J(τ)為τ時(shí)刻列車距初始?？课恢命c(diǎn)的路程，由此可以推測得到單列車軌跡；

步驟C4、列車在站時(shí)間概率分布函數(shù)建模，針對特定運(yùn)行線路，通過調(diào)取列車在各車站的停站時(shí)間數(shù)據(jù)，獲取不同線路不同站點(diǎn)條件下列車的停站時(shí)間概率分布；

步驟C5、多列車耦合的無沖突魯棒軌跡調(diào)配，根據(jù)各列車預(yù)達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)間，通過時(shí)段劃分，在每一采樣時(shí)刻t，在融入隨機(jī)因子的前提下，按照調(diào)度規(guī)則對沖突點(diǎn)附近不滿足安全間隔要求的列車軌跡實(shí)施魯棒二次規(guī)劃。

進(jìn)一步的，步驟D中，聚類個(gè)數(shù)M'的值為4，隱狀態(tài)數(shù)目N'的值為3，參數(shù)更新時(shí)段τ'為30秒，T'為10，為30秒，H為10，預(yù)測時(shí)域h'為300秒。

進(jìn)一步的，步驟E的具體實(shí)施過程如下：

步驟E1、構(gòu)造基于管制規(guī)則的沖突超曲面函數(shù)集：建立超曲面函數(shù)集用以反映系統(tǒng)的沖突狀況，其中，沖突超曲面中與單一列車相關(guān)的連續(xù)函數(shù)h_I為第I型超曲面，與兩列車相關(guān)的連續(xù)函數(shù)h_II為第II型超曲面；

步驟E2、建立由列車連續(xù)狀態(tài)至離散沖突狀態(tài)的觀測器，構(gòu)建列車在交通路網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足的安全規(guī)則集d_ij(t)≥d_min，其中d_ij(t)表示列車i和列車j在t時(shí)刻的實(shí)際間隔，d_min表示列車間的最小安全間隔；

步驟E3、基于人-機(jī)系統(tǒng)理論和復(fù)雜系統(tǒng)遞階控制原理，根據(jù)列車運(yùn)行模式，構(gòu)建人在環(huán)路的列車實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)制，保證系統(tǒng)的運(yùn)行處于安全可達(dá)集內(nèi)，設(shè)計(jì)從沖突到?jīng)_突解脫手段的離散監(jiān)控器，當(dāng)觀測器的離散觀測向量表明安全規(guī)則集會(huì)被違反時(shí)，立刻發(fā)出相應(yīng)的告警信息。

進(jìn)一步的，步驟F的具體過程如下：

步驟F1、基于步驟B和步驟E的分析結(jié)果，確定具體所采取的交通流調(diào)控措施，包括調(diào)整列車的運(yùn)行速度和/或調(diào)整列車在站時(shí)間兩類措施，以及采用以上調(diào)控措施的具體地點(diǎn)和時(shí)機(jī)；

步驟F2、設(shè)定列車避撞規(guī)劃的終止參考點(diǎn)位置P、避撞策略控制時(shí)域Θ、軌跡預(yù)測時(shí)域Υ；

步驟F3、運(yùn)行沖突解脫過程建模，將軌道交通網(wǎng)絡(luò)上列車間的運(yùn)行沖突解脫視為基于宏觀和微觀層面的內(nèi)外雙重規(guī)劃問題，其中表示外層規(guī)劃模型，即軌道交通路網(wǎng)上列車流流量-密度配置問題，表示內(nèi)層規(guī)劃模型，即軌道交通路段上單列車的狀態(tài)調(diào)整問題；F、x₁和u₁分別是外層規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)向量和決策向量，G(x₁,u₁)≤0是外層規(guī)劃的約束條件，f、x₂和u₂分別是內(nèi)層規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)向量和決策向量，g(x₂,u₂)≤0是內(nèi)層規(guī)劃的約束條件，將宏觀層面的外層規(guī)劃結(jié)果作為微觀層面內(nèi)層規(guī)劃的參考輸入；

步驟F4、運(yùn)行沖突解脫變量約束建模，構(gòu)建包含可調(diào)列車數(shù)量a、列車速度ω和列車在站時(shí)間γ等變量在內(nèi)的宏觀和微觀約束條件：其中t時(shí)刻需實(shí)施沖突解脫的路段k的變量約束可描述為：a_k(t)≤a_M、ω_k(t)≤ω_M、γ_k(t)≤γ_M，a_M、ω_M、γ_M分別為最大可調(diào)列車數(shù)量、最大列車運(yùn)行速度和最長列車在站時(shí)間，此類解脫變量會(huì)受到交通流分布狀態(tài)、列車物理性能和安全間隔等方面的約束；

步驟F5、多目標(biāo)魯棒最優(yōu)路網(wǎng)流量配置方案求解：基于合作式避撞軌跡規(guī)劃思想，針對不同的性能指標(biāo)，通過選擇不同的沖突解脫目標(biāo)函數(shù)，在交通流運(yùn)行宏觀層面求解基于歐拉網(wǎng)絡(luò)模型的多目標(biāo)交通流最佳流量配置方案且各控制路段在滾動(dòng)規(guī)劃間隔內(nèi)僅實(shí)施其第一個(gè)優(yōu)化控制策略；

步驟F6、多目標(biāo)魯棒最優(yōu)路段列車運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整：依據(jù)各路段或區(qū)域流量配置結(jié)果，基于列車運(yùn)行混雜演化模型和拉格朗日規(guī)劃模型獲取最優(yōu)的單列車控制量，生成最優(yōu)的單列車運(yùn)行軌跡且各調(diào)控列車在滾動(dòng)規(guī)劃間隔內(nèi)僅實(shí)施其第一個(gè)優(yōu)化控制策略；

步驟F7、各列車接收并執(zhí)行列車避撞指令；

步驟F8、在下一采樣時(shí)刻，重復(fù)步驟F5至F7直至各列車均到達(dá)其解脫終點(diǎn)。

進(jìn)一步的，步驟F2中，終止參考點(diǎn)位置P為列車的下一個(gè)停站站點(diǎn)，參數(shù)Θ的值為300秒，Υ的值為300秒。

進(jìn)一步的，步驟F5的具體過程如下：令

其中表示t時(shí)刻列車i當(dāng)前所在位置和下一站點(diǎn)間的距離的平方，P_i(t)＝(x_it,y_it)表示t時(shí)刻列車i的二維坐標(biāo)值，表示列車i下一?？空军c(diǎn)的二維坐標(biāo)值，那么t時(shí)刻列車i的優(yōu)先級指數(shù)可設(shè)定為：

其中n_t表示t時(shí)刻路段上存在沖突的列車數(shù)目，由優(yōu)先級指數(shù)的含義可知，列車距離下一站點(diǎn)越近，其優(yōu)先級越高；

設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)

其中i∈I(t)表示列車代碼且I(t)＝{1,2,…,n_t}，P_i(t+s△t)表示列車在時(shí)刻(t+s△t)的位置向量，Π表示控制時(shí)段，即從當(dāng)前時(shí)刻起未來軌跡規(guī)劃的時(shí)間長度，u_i表示待優(yōu)化的列車i的最優(yōu)控制序列，Q_it為正定對角矩陣，其對角元素為列車i在t時(shí)刻的優(yōu)先級指數(shù)λ_it，并且

本發(fā)明具有積極的效果：(1)本發(fā)明的地鐵交通流控制方法在滿足軌道交通管制安全間隔的前提下，以列車的實(shí)時(shí)位置信息為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘手段動(dòng)態(tài)推測列車軌跡；依據(jù)軌道交通管制規(guī)則，對可能出現(xiàn)的沖突實(shí)施告警，依據(jù)列車性能數(shù)據(jù)和相關(guān)約束條件給各個(gè)列車規(guī)劃沖突解脫軌跡；在對列車運(yùn)行時(shí)刻表進(jìn)行配置時(shí)，考慮了影響列車的各類隨機(jī)因子的概率分布和列車運(yùn)行時(shí)刻表的魯棒性，增強(qiáng)配置結(jié)果的可用性。

(2)本發(fā)明基于軌道交通網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可控性和敏感性分析結(jié)果，可為地鐵交通流調(diào)配時(shí)間、調(diào)配地點(diǎn)和調(diào)配手段的選擇提供科學(xué)依據(jù)，避免調(diào)控方案選取的隨意性。

(3)本發(fā)明基于所構(gòu)建的“人在環(huán)路”的場面監(jiān)控機(jī)制，可以對列車內(nèi)部連續(xù)變量和外部離散事件的頻繁交互及時(shí)做出有效反應(yīng)，克服常規(guī)開環(huán)離線監(jiān)控方案的缺點(diǎn)。

(4)本發(fā)明的列車流的雙層規(guī)劃方案不僅能夠降低優(yōu)化控制問題的求解維數(shù)，還能夠增強(qiáng)調(diào)控方案的實(shí)用性，克服已有文獻(xiàn)中的模型和算法只關(guān)注列車在車站的到發(fā)時(shí)間，而缺乏對列車在具體線路區(qū)間上運(yùn)行時(shí)的控制與預(yù)測的缺陷。

(5)本發(fā)明基于所構(gòu)建的列車運(yùn)行軌跡滾動(dòng)預(yù)測方案，可以及時(shí)融入列車實(shí)時(shí)運(yùn)行中的各類干擾因素，提高列車軌跡預(yù)測的準(zhǔn)確性，克服常規(guī)離線預(yù)測方案精確度不高的缺點(diǎn)。

附圖說明

圖1為列車流運(yùn)行特性分析圖；

圖2為無沖突3D魯棒軌跡推測圖；

圖3為列車運(yùn)行狀態(tài)混雜監(jiān)控圖；

圖4為列車運(yùn)行沖突最優(yōu)解脫圖；

圖5為交通流雙層配置方案的示意圖。

具體實(shí)施方式

(實(shí)施例1)

一種地鐵交通流優(yōu)化控制系統(tǒng)，包括線路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、車載終端模塊、控制終端模塊以及軌跡監(jiān)視模塊，軌跡監(jiān)視模塊收集列車的狀態(tài)信息并提供給控制終端模塊。

所述控制終端模塊包括以下子模塊：

列車運(yùn)行前無沖突軌跡生成模塊：根據(jù)列車計(jì)劃運(yùn)行時(shí)刻表，首先建立列車動(dòng)力學(xué)模型，然后依據(jù)列車運(yùn)行沖突耦合點(diǎn)建立列車運(yùn)行沖突預(yù)調(diào)配模型，最后生成無沖突列車運(yùn)行軌跡。

列車運(yùn)行中短期軌跡生成模塊：依據(jù)軌跡監(jiān)視模塊提供的列車實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，利用數(shù)據(jù)挖掘模型，推測未來時(shí)段內(nèi)列車的運(yùn)行軌跡。

列車運(yùn)行態(tài)勢監(jiān)控模塊：在每一采樣時(shí)刻t，基于列車的軌跡推測結(jié)果，當(dāng)列車間有可能出現(xiàn)違反安全規(guī)則的狀況時(shí),對其動(dòng)態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控并為控制終端提供告警信息。

列車避撞軌跡優(yōu)化模塊：當(dāng)列車運(yùn)行態(tài)勢監(jiān)控模塊發(fā)出告警信息時(shí)，在滿足列車物理性能、區(qū)域容流約束和軌道交通調(diào)度規(guī)則的前提下，通過設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)，采用自適應(yīng)控制理論方法由控制終端模塊對列車運(yùn)行軌跡進(jìn)行魯棒雙層規(guī)劃，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將規(guī)劃結(jié)果傳輸給車載終端模塊執(zhí)行。列車避撞軌跡優(yōu)化模塊包含內(nèi)層規(guī)劃和外層規(guī)劃兩類規(guī)劃過程。

應(yīng)用上述地鐵交通流優(yōu)化控制系統(tǒng)的地鐵交通流控制方法，包括以下步驟：

步驟A、根據(jù)各個(gè)列車的計(jì)劃運(yùn)行參數(shù)，生成軌道交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；其具體過程如下：

步驟A1、從地鐵交通控制中心的數(shù)據(jù)庫提取各個(gè)列車運(yùn)行過程中所?？康恼军c(diǎn)信息；

步驟A2、按照正反兩個(gè)運(yùn)行方向?qū)Ω鱾€(gè)列車所?？康恼军c(diǎn)信息進(jìn)行分類，并將同一運(yùn)行方向上的相同站點(diǎn)進(jìn)行合并；

步驟A3、根據(jù)站點(diǎn)合并結(jié)果，按照站點(diǎn)的空間布局形式用直線連接前后多個(gè)站點(diǎn)。

步驟B、基于步驟A所構(gòu)建的軌道交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，分析列車流的可控性和敏感性二類特性；其具體過程如下：

步驟Bl、見圖1，構(gòu)建單一子段上的交通流控制模型；其具體過程如下：

步驟Bl.1、引入狀態(tài)變量Ψ、輸入變量u和輸出變量Ω，其中Ψ表示站點(diǎn)間相連路段上某時(shí)刻存在的列車數(shù)量，它包括單路段和多路段兩種類型，u表示軌道交通調(diào)度員針對某路段所實(shí)施的調(diào)度措施，如調(diào)整列車速度或更改列車的在站時(shí)間等，Ω表示某時(shí)段路段上離開的列車數(shù)量；

步驟B1.2、通過將時(shí)間離散化，建立形如Ψ(t+△t)＝A₁Ψ(t)+B₁u(t)和Ω(t)＝C₁Ψ(t)+D₁u(t)的單一子段上的離散時(shí)間交通流控制模型,其中△t表示采樣間隔，Ψ(t)表示t時(shí)刻的狀態(tài)向量，A₁、B₁、C₁和D₁分別表示t時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、輸入矩陣、輸出測量矩陣和直接傳輸矩陣；

步驟B2、構(gòu)建多子段上的交通流控制模型；其具體過程如下：

步驟B2.1、根據(jù)線路空間布局形式和列車流量歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲取交叉線路各子段上的流量比例參數(shù)β；

步驟B2.2、根據(jù)流量比例參數(shù)和單一子段上的離散時(shí)間交通流控制模型，構(gòu)建形如Ψ(t+△t)＝A₁Ψ(t)+B₁u(t)和Ω(t)＝C₁Ψ(t)+D₁u(t)的多子段上的離散時(shí)間交通流控制模型；

步驟B3、根據(jù)控制模型的可控系數(shù)矩陣[B₁,A₁B₁,…,A₁^n-1B₁]的秩與數(shù)值n的關(guān)系，定性分析其可控性，根據(jù)控制模型的敏感系數(shù)矩陣[C₁(zI-A₁)^-1B₁+D₁]，定量分析其輸入輸出敏感性，其中n表示狀態(tài)向量的維數(shù)，I表示單位矩陣，z表示對原始離散時(shí)間交通流控制模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換的基本因子；

步驟C、見圖2，根據(jù)各個(gè)列車的計(jì)劃運(yùn)行參數(shù)，在構(gòu)建列車動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)列車運(yùn)行沖突耦合點(diǎn)建立列車運(yùn)行沖突預(yù)調(diào)配模型，生成多列車無沖突運(yùn)行軌跡；其具體過程如下：

步驟C1、列車狀態(tài)轉(zhuǎn)移建模，列車沿軌道交通路網(wǎng)運(yùn)行的過程表現(xiàn)為在站點(diǎn)間的動(dòng)態(tài)切換過程，根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃中的站點(diǎn)設(shè)置，建立單個(gè)列車在不同站點(diǎn)間切換轉(zhuǎn)移的Petri網(wǎng)模型：E＝(g,G,Pre,Post,m)為列車路段轉(zhuǎn)移模型，其中g(shù)表示站點(diǎn)間各子路段，G表示列車運(yùn)行速度狀態(tài)參數(shù)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，Pre和Post分別表示各子路段和站點(diǎn)間的前后向連接關(guān)系，表示列車所處的運(yùn)行路段，其中m表示模型標(biāo)識，Z⁺表示正整數(shù)集合；

步驟C2、列車全運(yùn)行剖面混雜系統(tǒng)建模，將列車在站點(diǎn)間的運(yùn)行視為連續(xù)過程，從列車的受力情形出發(fā)，依據(jù)能量模型推導(dǎo)列車在不同運(yùn)行階段的動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)合外界干擾因素，建立關(guān)于列車在某一運(yùn)行階段速度v_G的映射函數(shù)v_G＝λ(T₁,T₂,H,R,α)，其中T₁、T₂、H、R和α分別表示列車牽引力、列車制動(dòng)力、列車阻力、列車重力和列車狀態(tài)隨機(jī)波動(dòng)參數(shù)；

步驟C3、采用混雜仿真的方式推測求解列車軌跡，通過將時(shí)間細(xì)分，利用狀態(tài)連續(xù)變化的特性遞推求解任意時(shí)刻列車在某一運(yùn)行階段距初始?？课恢命c(diǎn)的距離，其中J₀為初始時(shí)刻列車距初始?？课恢命c(diǎn)的航程，△τ為時(shí)間窗的數(shù)值，J(τ)為τ時(shí)刻列車距初始停靠位置點(diǎn)的路程，由此可以推測得到單列車軌跡；

步驟C4、列車在站時(shí)間概率分布函數(shù)建模，針對特定運(yùn)行線路，通過調(diào)取列車在各車站的停站時(shí)間數(shù)據(jù)，獲取不同線路不同站點(diǎn)條件下列車的停站時(shí)間概率分布；

步驟C5、多列車耦合的無沖突魯棒軌跡調(diào)配，根據(jù)各列車預(yù)達(dá)沖突點(diǎn)的時(shí)間，通過時(shí)段劃分，在每一采樣時(shí)刻t，在融入隨機(jī)因子的前提下，按照調(diào)度規(guī)則對沖突點(diǎn)附近不滿足安全間隔要求的列車軌跡實(shí)施魯棒二次規(guī)劃。

步驟D、在每一采樣時(shí)刻t，基于列車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和歷史位置觀測序列，對列車未來某時(shí)刻的行進(jìn)位置進(jìn)行預(yù)測；其具體過程如下：

步驟D1、列車軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理，以列車在起始站的?？课恢脼樽鴺?biāo)原點(diǎn)，在每一采樣時(shí)刻，依據(jù)所獲取的列車原始離散二維位置序列x＝[x₁,x₂,…,x_n]和y＝[y₁,y₂,…,y_n]，采用一階差分方法對其進(jìn)行處理獲取新的列車離散位置序列△x＝[△x₁,△x₂,…,△x_n-1]和△y＝[△y₁,△y₂,…,△y_n-1],其中△x_i＝x_i+1-x_i,△y_i＝y(tǒng)_i+1-y_i(i＝1,2,…,n-1)；

步驟D2、對列車軌跡數(shù)據(jù)聚類，對處理后新的列車離散二維位置序列△x和△y，通過設(shè)定聚類個(gè)數(shù)M'，采用K-means聚類算法分別對其進(jìn)行聚類；

步驟D3、對聚類后的列車軌跡數(shù)據(jù)利用隱馬爾科夫模型進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練，通過將處理后的列車運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)△x和△y視為隱馬爾科夫過程的顯觀測值，通過設(shè)定隱狀態(tài)數(shù)目N'和參數(shù)更新時(shí)段τ'，依據(jù)最近的T'個(gè)位置觀測值并采用B-W算法滾動(dòng)獲取最新隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'；具體來講：由于所獲得的列車軌跡序列數(shù)據(jù)長度是動(dòng)態(tài)變化的，為了實(shí)時(shí)跟蹤列車軌跡的狀態(tài)變化，有必要在初始軌跡隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'＝(π,A,B)的基礎(chǔ)上對其重新調(diào)整，以便更精確地推測列車在未來某時(shí)刻的位置；每隔時(shí)段τ'，依據(jù)最新獲得的T'個(gè)觀測值(o₁,o₂,…,o_T')對軌跡隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'＝(π,A,B)進(jìn)行重新估計(jì)；

步驟D4、依據(jù)隱馬爾科夫模型參數(shù)，采用Viterbi算法獲取當(dāng)前時(shí)刻觀測值所對應(yīng)的隱狀態(tài)q；

步驟D5、每隔時(shí)段根據(jù)最新獲得的隱馬爾科夫模型參數(shù)λ'＝(π,A,B)和最近H個(gè)歷史觀測值(o₁,o₂,…,o_H)，基于列車當(dāng)前時(shí)刻的隱狀態(tài)q，在時(shí)刻t，通過設(shè)定預(yù)測時(shí)域h'，獲取未來時(shí)段列車的位置預(yù)測值O；

上述聚類個(gè)數(shù)M'的值為4，隱狀態(tài)數(shù)目N'的值為3，參數(shù)更新時(shí)段τ'為30秒，T'為10，為30秒，H為10，預(yù)測時(shí)域h'為300秒。

步驟E、見圖3，建立從列車的連續(xù)動(dòng)態(tài)到離散沖突邏輯的觀測器，將地鐵交通系統(tǒng)的連續(xù)動(dòng)態(tài)映射為離散觀測值表達(dá)的沖突狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)有可能違反交通管制規(guī)則時(shí)，對地鐵交通混雜系統(tǒng)的混雜動(dòng)態(tài)行為實(shí)施監(jiān)控，為控制中心提供及時(shí)的告警信息；

所述步驟E的具體實(shí)施過程如下：

步驟E1、構(gòu)造基于管制規(guī)則的沖突超曲面函數(shù)集：建立超曲面函數(shù)集用以反映系統(tǒng)的沖突狀況，其中，沖突超曲面中與單一列車相關(guān)的連續(xù)函數(shù)h_I為第I型超曲面，與兩列車相關(guān)的連續(xù)函數(shù)h_II為第II型超曲面；

步驟E2、建立由列車連續(xù)狀態(tài)至離散沖突狀態(tài)的觀測器，構(gòu)建列車在交通路網(wǎng)內(nèi)運(yùn)行時(shí)需滿足的安全規(guī)則集d_ij(t)≥d_min，其中d_ij(t)表示列車i和列車j在t時(shí)刻的實(shí)際間隔，d_min表示列車間的最小安全間隔；

步驟E3、基于人-機(jī)系統(tǒng)理論和復(fù)雜系統(tǒng)遞階控制原理，根據(jù)列車運(yùn)行模式，構(gòu)建人在環(huán)路的列車實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)制，保證系統(tǒng)的運(yùn)行處于安全可達(dá)集內(nèi)，設(shè)計(jì)從沖突到?jīng)_突解脫手段的離散監(jiān)控器，當(dāng)觀測器的離散觀測向量表明安全規(guī)則集會(huì)被違反時(shí)，立刻發(fā)出相應(yīng)的告警信息。

步驟F、見圖4，當(dāng)告警信息出現(xiàn)時(shí)，在滿足列車物理性能、區(qū)域容流約束和軌道交通調(diào)度規(guī)則的前提下，通過設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)，采用自適應(yīng)控制理論方法對列車運(yùn)行軌跡進(jìn)行魯棒雙層規(guī)劃，并將規(guī)劃結(jié)果傳輸給各列車，各列車接收并執(zhí)行列車避撞指令直至各列車均到達(dá)其解脫終點(diǎn)；其具體過程如下：

步驟F1、基于步驟B3和步驟E3的分析結(jié)果，確定具體所采取的交通流調(diào)控措施，包括調(diào)整列車的運(yùn)行速度和/或調(diào)整列車在站時(shí)間兩類措施，以及采用以上調(diào)控措施的具體地點(diǎn)和時(shí)機(jī)；

步驟F2、設(shè)定列車避撞規(guī)劃的終止參考點(diǎn)位置P、避撞策略控制時(shí)域Θ、軌跡預(yù)測時(shí)域Υ；

終止參考點(diǎn)位置P為列車的下一個(gè)停站站點(diǎn)，參數(shù)Θ的值為300秒，Υ的值為300秒；

步驟F3、運(yùn)行沖突解脫過程建模，將軌道交通網(wǎng)絡(luò)上列車間的運(yùn)行沖突解脫視為基于宏觀和微觀層面的內(nèi)外雙重規(guī)劃問題，見圖5，其中表示外層規(guī)劃模型，即軌道交通路網(wǎng)上列車流流量-密度配置問題，表示內(nèi)層規(guī)劃模型，即軌道交通路段上單列車的狀態(tài)調(diào)整問題；F、x₁和u₁分別是外層規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)向量和決策向量，G(x₁,u₁)≤0是外層規(guī)劃的約束條件，f、x₂和u₂分別是內(nèi)層規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)向量和決策向量，g(x₂,u₂)≤0是內(nèi)層規(guī)劃的約束條件，將宏觀層面的外層規(guī)劃結(jié)果作為微觀層面內(nèi)層規(guī)劃的參考輸入；

步驟F4、運(yùn)行沖突解脫變量約束建模，構(gòu)建包含可調(diào)列車數(shù)量a、列車速度ω和列車在站時(shí)間γ等變量在內(nèi)的宏觀和微觀約束條件：其中t時(shí)刻需實(shí)施沖突解脫的路段k的變量約束可描述為：a_k(t)≤a_M、ω_k(t)≤ω_M、γ_k(t)≤γ_M，a_M、ω_M、γ_M分別為最大可調(diào)列車數(shù)量、最大列車運(yùn)行速度和最長列車在站時(shí)間，此類解脫變量會(huì)受到交通流分布狀態(tài)、列車物理性能和安全間隔等方面的約束；

步驟F5、多目標(biāo)魯棒最優(yōu)路網(wǎng)流量配置方案求解：基于合作式避撞軌跡規(guī)劃思想，針對不同的性能指標(biāo)，通過選擇不同的沖突解脫目標(biāo)函數(shù)，在交通流運(yùn)行宏觀層面求解基于歐拉網(wǎng)絡(luò)模型的多目標(biāo)交通流最佳流量配置方案且各控制路段在滾動(dòng)規(guī)劃間隔內(nèi)僅實(shí)施其第一個(gè)優(yōu)化控制策略；其具體過程如下：令

其中表示t時(shí)刻列車i當(dāng)前所在位置和下一站點(diǎn)間的距離的平方，P_i(t)＝(x_it,y_it)表示t時(shí)刻列車i的二維坐標(biāo)值，表示列車i下一?？空军c(diǎn)的二維坐標(biāo)值，那那么t時(shí)刻列車i的優(yōu)先級指數(shù)可設(shè)定為：

其中n_t表示t時(shí)刻路段上存在沖突的列車數(shù)目，由優(yōu)先級指數(shù)的含義可知，列車距離下一站點(diǎn)越近，其優(yōu)先級越高；

設(shè)定優(yōu)化指標(biāo)

其中i∈I(t)表示列車代碼且I(t)＝{1,2,…,n_t}，P_i(t+s△t)表示列車在時(shí)刻(t+s△t)的位置向量，Π表示控制時(shí)段，即從當(dāng)前時(shí)刻起未來軌跡規(guī)劃的時(shí)間長度，u_i表示待優(yōu)化的列車i的最優(yōu)控制序列，Q_it為正定對角矩陣，其對角元素為列車i在t時(shí)刻的優(yōu)先級指數(shù)λ_it，并且

步驟F6、多目標(biāo)魯棒最優(yōu)路段列車運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整：依據(jù)各路段或區(qū)域流量配置結(jié)果，基于列車運(yùn)行混雜演化模型和拉格朗日規(guī)劃模型獲取最優(yōu)的單列車控制量，生成最優(yōu)的單列車運(yùn)行軌跡且各調(diào)控列車在滾動(dòng)規(guī)劃間隔內(nèi)僅實(shí)施其第一個(gè)優(yōu)化控制策略；

步驟F7、各列車接收并執(zhí)行列車避撞指令；

步驟F8、在下一采樣時(shí)刻，重復(fù)步驟F5至F7直至各列車均到達(dá)其解脫終點(diǎn)。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。而這些屬于本發(fā)明的精神所引伸出的顯而易見的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。