一種地鐵交通流優(yōu)化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 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)】
[0002] 隨著我國大中城市規(guī)模的日益擴大，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)和列車流密集的復雜區(qū)域，仍然采用列車運行計劃結(jié)合基于主觀經(jīng)驗 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)列車運行計劃時刻表的制定 并未考慮到各種隨機因素的影響，容易造成交通流戰(zhàn)術(shù)管理擁擠，降低交通系統(tǒng)運行的安 全性；（2)列車調(diào)度工作側(cè)重于保持單個列車間的安全間隔，尚未上升到對列車流進行戰(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，調(diào)配時機的選 擇隨意性較大，缺乏科學理論支撐；(4)調(diào)度人員所運用的調(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。
[0003] 已有文獻資料的討論對象多針對長途鐵路運輸，而針對大流量、高密度和小間隔 運行條件下的城市地鐵交通系統(tǒng)的科學調(diào)控方案尚缺乏系統(tǒng)設(shè)計。復雜路網(wǎng)運行條件下的 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)上單列車的運行狀態(tài)進行推算和 優(yōu)化，并對由多個列車構(gòu)成的交通流實施協(xié)同規(guī)劃；在預戰(zhàn)術(shù)層面上通過有效的監(jiān)控機制 調(diào)整交通網(wǎng)絡(luò)上部分區(qū)域的關(guān)鍵運行參數(shù)來解決擁塞問題，并保證該區(qū)域中所有列車的運 行效率；在戰(zhàn)術(shù)層面上則根據(jù)關(guān)鍵運行參數(shù)來調(diào)整相關(guān)列車的運行狀態(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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 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優(yōu)化控 制方法，該方法可增強調(diào)配方案制定的學科性且可有效防止地鐵列車運行沖突。
[0005] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種地鐵交通流優(yōu)化控制方法，包括如下步 驟：
[0006] 步驟A、根據(jù)各個列車的計劃運行參數(shù)，生成軌道交通網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)圖；
[0007] 步驟B、基于步驟A所構(gòu)建的軌道交通網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)圖，分析列車流的可控性和 敏感性二類特性；
[0008] 步驟C、根據(jù)各個列車的計劃運行參數(shù)，在構(gòu)建列車動力學模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)列 車運行沖突耦合點建立列車運行沖突預調(diào)配模型，生成多列車無沖突運行軌跡；
[0009] 步驟D、在每一采樣時刻t，基于列車當前的運行狀態(tài)和歷史位置觀測序列，對列 車未來某時刻的行進位置進行預測；其具體過程如下：
[0010] 步驟D1、列車軌跡數(shù)據(jù)預處理，以列車在起始站的?？课恢脼樽鴺嗽c，在每一采 樣時刻，依據(jù)所獲取的列車原始離散二維位置序列X = [XpXy...，χη]和y = [yi，y；!，...， yj，采用一階差分方法對其進行處理獲取新的列車離散位置序列Ax= [ΔΧι，δΧ2, ...， Δχη J 和 Ay = [Ay1, Ay2，· · ·，Ayn J，其中 Axi= xi+1-Xi，Ayi= y i+1-yi(i = 1，2，· · ·， n-1)；
[0011] 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Δ x和Δ y， 通過設(shè)定聚類個數(shù)M'，采用K-means聚類算法分別對其進行聚類；
[0012] 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行參數(shù)訓練，通過將處 理后的列車運行軌跡數(shù)據(jù)A x和Ay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)更新時段τ'，依據(jù)最近的T'個位置觀測值并采用B-W算法滾動獲取最新隱 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)長度是動態(tài)變化的，為 了實時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，Α， Β)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刻的位置；每隔時段τ '， 依據(jù)最新獲得的Τ'個觀測值（〇1，〇2，...，〇Τ,)對軌跡隱馬爾科夫模型參數(shù)λ' = (π，Α， Β)進行重新估計；
[0013] 步驟D4、依據(jù)隱馬爾科夫模型參數(shù)，采用Viterbi算法獲取當前時刻觀測值所對 應(yīng)的隱狀態(tài)q ;
[0014] 步驟D5、每隔時段免，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個歷史觀測值（〇1，〇2,. . .，〇H)，基于列車當前時刻的隱狀態(tài)q，在時刻t，通過設(shè)定預測 時域h'，獲取未來時段列車的位置預測值0;
[0015] 步驟E、建立從列車的連續(xù)動態(tài)到離散沖突邏輯的觀測器，將地鐵交通系統(tǒng)的連續(xù) 動態(tài)映射為離散觀測值表達的沖突狀態(tài)；當系統(tǒng)有可能違反交通管制規(guī)則時，對地鐵交通 混雜系統(tǒng)的混雜動態(tài)行為實施監(jiān)控，為控制中心提供及時的告警信息；
[0016] 步驟F、當告警信息出現(xiàn)時，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)化指標函數(shù)，采用自適應(yīng)控制理論方法對列車運行軌跡進行魯 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 到達其解脫終點。
[0017] 進一步的，步驟A的具體過程如下：
[0018] 步驟AU從地鐵交通控制中心的數(shù)據(jù)庫提取各個列車運行過程中所?？康恼军c信 息；
[0019] 步驟A2、按照正反兩個運行方向?qū)Ω鱾€列車所?？康恼军c信息進行分類，并將同 一運行方向上的相同站點進行合并；
[0020] 步驟A3、根據(jù)站點合并結(jié)果，按照站點的空間布局形式用直線連接前后多個站點。
[0021] 進一步的，步驟B的具體過程如下：
[0022] 步驟B1、構(gòu)建單一子段上的交通流控制模型；其具體過程如下：
[0023] 步驟BI. 1、引入狀態(tài)變量Ψ、輸入變量u和輸出變量Ω，其中Ψ表示站點間相連 路段上某時刻存在的列車數(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 對某路段所實施的調(diào)度措施，如調(diào)整列車速度或更改列車的在站時間等，Ω表示某時段路 段上離開的列車數(shù)量；
[0024] 步驟BL 2、通過將時間離散化，建立形如Ψ (t+Δ t) = A1W (t)+BlU(t)和Ω (t)= C1WaHD1Ua)的單一子段上的離散時間交通流控制模型，其中At表示采樣間隔，ψα) 表不t時刻的狀態(tài)向量，CdP D汾別表不t時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、輸入矩陣、輸出測 量矩陣和直接傳輸矩陣；
[0025] 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：
[0026] 步驟B2. 1、根據(jù)線路空間布局形式和列車流量歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，獲取交叉線路各子 段上的流量比例參數(shù)β ;
[0027] 步驟Β2. 2、根據(jù)流量比例參數(shù)和單一子段上的離散時間交通流控制模型，構(gòu)建形 如ψα+At) =A1WaHB1Ua)和ω a) =C1WaHD1Ua)的多子段上的離散時間交通流 控制模型；
[0028] 步驟B3、根據(jù)控制模型的可控系數(shù)矩陣[B1, A1B1, ...，V 1B1]的秩與數(shù)值η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[C 1 (Zl-A1) %+Dj，定量分析其輸入 輸出敏感性，其中η表示狀態(tài)向量的維數(shù)，I表示單位矩陣，z表示對原始離散時間交通流控 制模型進行轉(zhuǎn)換的基本因子。
[0029] 進一步的，步驟C的具體過程如下：
[0030] 步驟CU列車狀態(tài)轉(zhuǎn)移建模，列車沿軌道交通路網(wǎng)運行的過程表現(xiàn)為在站點間的 動態(tài)切換過程，根據(jù)列車運行計劃中的站點設(shè)置，建立單個列車在不同站點間切換轉(zhuǎn)移的 Petri網(wǎng)模型：E = (g，G，Pre，P〇st，m)為列車路段轉(zhuǎn)移模型，其中g(shù)表示站點間各子路段， G表示列車運行速度狀態(tài)參數(shù)的轉(zhuǎn)換點，Pre和Post分別表示各子路段和站點間的前后向 連接關(guān)系，》: g M Z+表示列車所處的運行路段，其中m表示模型標識，Z+表示正整數(shù)集合； [0031 ] 步驟C2、列車全