本發明涉及城市軌道交通列車控制領域。更具體地，涉及一種基于模型預測控制的列車編隊分布式協同控制方法。
背景技術：
1、近年來，城市軌道交通系統面對日益嚴重的客流分布不均衡現象，現有線路的通行能力已經達到極限，對通過增加局部區域的列車密度來轉運大規模的客流造成了限制。為實現客流和車流的動態匹配，列車編隊技術應運而生。該技術能夠進一步縮短列車運行間隔，對既有列車運行控制方法提出了新的挑戰。
2、列車編隊的運行階段可分為，例如動態建編、速度趨同運行、動態解編等，各階段列車編隊運行的控制目標、約束條件均有所不同。其中速度趨同運行階段的控制目標是使得編隊列車精確跟蹤期望的巡航速度。當前針對列車編隊的研究尚未有定論，對列車編隊協同控制方法的研究仍少有涉及。因此如何實現列車編隊速度趨同階段的分布式協同控制，已成為當前需要解決的問題。
3、列車編隊運行方向的第一列列車為領導者或領導列車，編隊內其余列車為跟隨列車。列車編隊中，編隊內領導列車跟蹤ato曲線行車；跟隨列車在車車通信系統的作用下，與相鄰列車建立通信鏈路，實時獲取前車發送的速度位置等狀態信息，各跟隨列車將領導列車視為領導者，以領導列車所跟蹤的ato曲線作為參考軌跡，根據數據庫中存儲的線路信息，以及本車狀態信息進行計算，控制各列車跟蹤參考軌跡，并控制相鄰列車之間的追蹤距離，達到以下編隊整體控制目標：編隊內各列車運行過程中無碰撞，最終達到整個編隊以相同的速度共同運行的狀態。編隊內各列車具有更高的自主性，能夠實現分布式控
4、城市軌道交通列車運行過程存在多種約束條件，而列車編隊的控制目標明確，研究通常使用模型預測控制(model?predictive?control,mpc)這種控制架構對城市軌道交通列車編隊進行控制。在列車編隊的模型預測控制問題中，編隊內各列車盡管在各自的動力學上是解耦的，但在每個采樣時刻待求解的有限時間約束優化問題中，由于間距約束等因素的存在，相鄰列車在代價函數和約束中存在不可分離的耦合關系。為處理耦合代價及耦合物理約束，現有研究通常假設編隊內各列車按順序更新自身狀態。而由于實際中計算資源及通信資源的有限性，為減少計算時間，采用同步策略能夠實現列車編隊控制的實時性要求。
技術實現思路
1、本發明的目的在于提供一種基于模型預測控制的列車編隊分布式協同控制方法，以解決現有技術存在的問題中的至少一個。
2、為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：
3、本發明第一方面提供一種基于模型預測控制的列車編隊分布式協同控制方法，包括：
4、s1、獲取列車追蹤速度運行曲線、列車限速信息和列車運行阻力系數，建立列車編隊模型；
5、s2、根據預設的模型預測控制算法在設定的預測控制時域內，根據列車編隊模型、控制目標和約束條件，以列車編隊內各列車的位置及運行速度的狀態變量，以列車編隊內各列車的控制力的控制變量，分別生成列車編隊內領導列車和跟隨列車的優化控制問題；
6、s3、基于同步理論，求解各列車的優化控制問題，得出編隊內每個列車的控制力，并將所述控制力輸入列車運行控制系統，以實現列車編隊內各列車的分布式控制。
7、可選地，所述列車編隊模型為
8、
9、其中，xi(t)為列車編隊內的第i輛列車在采樣時刻t的位置；vi(t)為列車編隊內的第i輛列車在采樣時刻t的速度；為xi(t)的導數；為vi(t)的導數；ui(t)為列車編隊內的第i輛列車在采樣時刻t所受牽引力與所受附加阻力的差值或列車編隊內的第i輛列車在采樣時刻t所受制動力與所受附加阻力的差值；mi為列車編隊內的第i輛列車的質量；ci0為列車編隊內的第i輛列車的摩擦阻力，ci1為列車編隊內的第i輛列車的阻力系數，ci2為列車編隊內的第i輛列車的氣動阻力系數；di(ω)為列車編隊內的第i輛列車在運行過程中所受到的單位未知擾動，t為采樣時刻。
10、可選地，所述模型預測控制算法采用城市軌道交通列車編隊的離散動力學模型，
11、所述模型預測控制算法為
12、
13、其中，為vk|t的導數；(·k|t)為在采樣時刻t預測時間點k的狀態，xk|t為在采樣時刻t預測列車在時間點k的位置，vk|t為在采樣時刻t預測列車在時間點k的速度；xk+1|t為根據在采樣時刻t預測時間點k的狀態變量動態更新所得到的列車在時間點k+1的位置；vk+1|t為根據在采樣時刻t預測時間點k的狀態變量動態更新所得到的列車在時間點k+1的速度；δt為采樣周期。
14、可選地，所述領導列車的約束條件包括領導列車的控制力約束、領導列車的速度限制約束及領導列車的終端速度約束；
15、所述領導列車的控制力約束為
16、-mabr≤uk|t≤madr
17、其中，uk|t為在采樣時刻t預測領導列車在時間點k的控制力；mabr為領導列車的最大制動力；madr為領導列車的最大牽引動力；
18、所述領導列車的速度限制約束為
19、0≤vk|t≤vlim(xk|t)
20、其中，vk|t為在采樣時刻t預測領導列車在時間點k的速度，vlim為列車編隊的領導列車運行過程中受到的線路允許速度限制，且運行前已知；vlim(xk|t)為在采樣時刻t預測領導列車在時間點k所在位置的限制速度；
21、所述領導列車的終端速度約束為
22、
23、其中，np為預測時域；為在采樣時刻t領導列車在預測時域終點的速度；為領導列車在預測時域終點時所在位置的限制速度。
24、可選地，所述跟隨列車的約束條件包括跟隨列車的控制力約束、跟隨列車的速度限制約束、跟隨列車的間距安全約束、跟隨列車的兼容性約束和跟隨列車的終端約束；
25、所述跟隨列車的控制力約束為
26、-miai,b≤ui,k|t≤miai,d
27、其中，ui,k|t為在采樣時刻t預測跟隨列車i在時間點k的控制力；miai,b為跟隨列車的最大制動力；miai,d為跟隨列車的最大牽引動力；
28、所述跟隨列車的速度限制約束為
29、0≤vi,k|t≤vlim(xi,k|t)
30、其中，vi,k|t為在采樣時刻t所預測跟隨列車i在時間點k的速度；vlim(xi,k|t)為在采樣時刻t所預測跟隨列車i在時間點k所在位置的限制速度；
31、所述跟隨列車的間距安全約束為
32、di-1,i,k|t≥dmin
33、其中，dmin為相鄰跟隨列車之間的最小安全間距；di-1,i＝xi-1-xi-li-1為跟隨列車i與跟隨列車i-1的間距；li-1為跟隨列車i-1的長度；
34、所述跟隨列車的兼容性約束為
35、
36、其中，x＝[x?v]t為列車的狀態向量，xi,k|t為在采樣時刻t時預測跟隨列車i在時間點k時的狀態向量；表示兼容性約束的偏差上界，即列車編隊內各列車實際狀態與假設預測狀態之間的偏差界限；
37、所述跟隨列車的終端約束為
38、
39、其中，為包含相鄰列車間距在內的擴展狀態向量，x表示位置，v表示速度，d表示距離；xf為終端約束集；為在采樣時刻t時預測得到的跟隨列車i在時域終點t+np時的擴展狀態向量。
40、可選地，所述終端約束集xf包括
41、
42、
43、其中，aemax為緊急制動加速度；asmin為最小制動加速度；γi為控制誤差項的約束；為在采樣時刻t預測跟隨列車i在時域終點t+np的速度；si為跟隨列車i與距離有關的約束集；ti為跟隨列車i與時間有關的約束集；為在采樣時刻t預測跟隨列車i與跟隨列車i-1在時域終點的間距；為跟隨列車i在采樣時刻t所預測在時域終點跟隨列車所在位置的限制速度。
44、可選地，所述領導列車控制目標為
45、所述領導列車控制目標為
46、
47、其中，q為模型預測控制中的第一加權矩陣，r為模型預測控制中的第二加權矩陣；vr,k為領導列車在時間點k的速度；第一項表示在采樣時刻t預測領導列車在時間點k的預測速度與領導列車在時間點k的速度的誤差；第二項表示領導列車的控制力；
48、所述跟隨列車控制目標為
49、
50、其中，ddes表示編隊內相鄰列車的期望間距；為終端代價；||·||p表示加權范數；第一項表示跟隨列車i與前行列車i-1間速度的偏差量，第二項表示跟隨列車i的控制力；第三項為在跟隨列車i的代價函數添加的間距保持項；
51、第四項表示終端代價。可選地，
52、領導列車的優化控制模型為
53、
54、xt|t＝xt
55、vt|t＝vt
56、-mabr≤uk|t≤madr
57、0≤vk|t≤vlim(xk|t)
58、
59、所述跟隨列車的優化控制模型為
60、
61、vi,t|t＝vi,t
62、xi,t|t＝xi,t
63、0≤vi,k|t≤vlim(xi,k|t)
64、-miai,b≤ui,k|t≤miai,d
65、di-1,i,k|t＞＝dmin
66、
67、可選地，所述s3進一步包括
68、s31、在采樣時刻t，測量列車i的狀態xi,t；
69、s32、根據所述列車i的狀態xi,t，計算列車i的假設控制輸入、假設狀態序列假設軌跡、兼容性約束的偏差上界列車i假設軌跡與鄰居列車假設軌跡間的最大誤差和列車i假設軌跡與鄰居列車假設軌跡間的最小誤差；
70、s33、求解列車編隊內各列車的優化控制模型，得到第一控制輸入序列將第一控制輸入序列的第一個元素施加到列車運行控制系統中，等到下一采樣時刻t+1，更新列車運行控制系統狀態，重復步驟s31-s33直至控制過程結束。
71、可選地，所述計算假設控制輸入的公式為
72、
73、其中，為在采樣時刻t假設在時間點k列車i的假設控制輸入，κi,k|t為終端輔助控制器，預測時域范圍為[t,t+np]，為在預測時域范圍[t,t+np]內列車i的假設控制輸入序列，為在預測時域范圍[t,t+np]內列車i的第一控制輸入序列，[]t表示矩陣轉置；
74、所述假設軌跡
75、
76、所述列車i假設軌跡與鄰居列車假設軌跡間的最大誤差和最小誤差為
77、
78、其中，和ei,t分別為在時間間隔[t,t+np]中列車i的假設軌跡與其鄰居列車假設軌跡間的最大誤差和最小誤差；j為鄰居列車，且為與列車i對應的鄰居列車j的集合；
79、所述兼容性約束的偏差上界的取值范圍的公式為
80、
81、其中，np為預測時域；ε∈(0,np]為控制采樣周期；μi∈(0,1)；aij表示列車狀態變量的耦合關系；和ej,t分別為鄰居列車j在時間間隔[t,t+np]中與列車i假設軌跡的最大誤差和最小誤差。
82、本發明的有益效果如下：
83、本發明能夠針對實際中有限的計算及通信資源，對列車編隊實際運行中的約束關系引入的耦合，運用同步理論，對實際運行中存在各種約束導致的耦合關系的計算進行解耦，減少實際中計算資源及通信資源的使用，并減少計算時間，從而簡化了控制量的計算過程。本發明能夠提高列車運行效率，實現列車編隊在速度趨同階段的安全、高效運行。