本發(fā)明涉及列車折返自動化控制，具體涉及一種基于虛擬聯掛列車編組的折返控制系統(tǒng)。

背景技術：

1、在鐵路運輸中，列車折返是常見的操作，尤其是在終點站或者沒有繼續(xù)前行的情況下，列車需要返回起始點，隨著智能調度和大數據技術的發(fā)展，現代鐵路系統(tǒng)已經越來越依賴于自動化調度管理，通過整合各類智能化設備和系統(tǒng)，可實現全程自動化控制，減少人為干預，提高調度的靈活性和精確性。

2、如中國專利公開號：cn114074696a的虛擬編組多車的折返控制方法及控制系統(tǒng)，減少了地面控制中心發(fā)送折返控制信息的頻率，利用相鄰兩列車之間的車車通信傳輸折返控制信息，有效地節(jié)省了每輛列車單獨與地面控制中心傳輸折返控制信息所需的傳輸時間。

3、現有技術中，利用車車通信相鄰兩列車傳輸折返控制信息，有效地節(jié)省了每輛列車單獨與地面控制中心傳輸折返控制信息所需的傳輸時間，但是由于多車協(xié)同折返需實時處理路徑分配、速度同步、資源沖突等多種情況，在高峰時段或突發(fā)故障時，系統(tǒng)響應速度慢，易導致運營中斷，因此，如何采用分布式路徑規(guī)劃算法，每列車根據局部信息自主調整運行策略，減少集中式調度的壓力，并在數字孿生系統(tǒng)中模擬多車協(xié)同折返場景，驗證路徑分配、速度同步的邏輯合理性，優(yōu)化控制算法，是我們要解決的問題，為此，現提出一種基于虛擬聯掛列車編組的折返控制系統(tǒng)。

技術實現思路

1、本發(fā)明目的在于提供一種基于虛擬聯掛列車編組的折返控制系統(tǒng)，以解決上述背景技術中提出的問題。

2、為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：

3、一種基于虛擬聯掛列車編組的折返控制系統(tǒng)，包括折返控制中心，所述折返控制中心通信連接有如下模塊，其中：

4、折返控制中心，作為系統(tǒng)頂層控制單元，負責全局狀態(tài)監(jiān)控、資源分配策略下發(fā)及異常情況干預，接收各模塊的實時數據，通過可視化界面展示列車運行態(tài)勢；

5、局部信息感知模塊，用于通過車載多源傳感器和車車通信技術，獲取列車周邊的環(huán)境感知信息，減少對全局信息的依賴，提升系統(tǒng)在復雜環(huán)境下的適應性；

6、分布式路徑規(guī)劃模塊，用于根據每列車的環(huán)境感知信息計算最優(yōu)路徑，并協(xié)調各列車的路徑規(guī)劃；

7、數字孿生模擬模塊，用于構建虛擬列車模型和運營場景庫，模擬多車協(xié)同折返過程，驗證路徑分配和速度同步邏輯的合理性；

8、速度同步控制模塊，用于根據列車的局部信息和模擬結果，并監(jiān)測各列車的速度和加速度數據，自主調整列車的速度，使其與其他列車保持協(xié)調，以實現速度同步。

9、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述局部信息感知模塊具體包括：

10、在列車上部署車載多源傳感器，包括雷達、激光雷達、攝像頭、速度傳感器、加速度傳感器等，各車載多源傳感器按照預設的采樣頻率實時采集列車周邊環(huán)境信息，同時，通過車車通信技術，接收相鄰列車發(fā)送的運行狀態(tài)信息；

11、對車載多源傳感器采集的傳感器數據和車車通信數據進行預處理，包括數據清洗、噪聲過濾和格式統(tǒng)一，消除錯誤數據和冗余信息，確保數據的準確性和一致性，并采用多源信息融合算法對經過預處理的傳感器數據和車車通信數據進行融合，形成完整的環(huán)境感知信息，進而將融合后的數據整合為統(tǒng)一的數據包，將數據包通過列車通信網絡傳輸至折返控制中心的數據庫中進行存儲。

12、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述分布式路徑規(guī)劃模塊包括局部路徑規(guī)劃單元和路徑協(xié)調單元；

13、其中，所述局部路徑規(guī)劃單元，用于根據每列車的環(huán)境感知信息自主計算出最優(yōu)的折返路徑；

14、所述路徑協(xié)調單元，用于在多列車協(xié)同折返時，協(xié)調各列車的路徑規(guī)劃，避免路徑沖突，確保列車之間的安全距離。

15、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述局部路徑規(guī)劃單元具體包括：

16、從局部信息感知模塊獲取列車周邊的環(huán)境感知信息，包括列車周邊環(huán)境信息和相鄰列車發(fā)送的運行狀態(tài)信息，并根據列車的當前位置、目標位置以及折返任務要求，設定路徑規(guī)劃的目標為最短行駛時間，確定路徑規(guī)劃的約束條件，包括避免碰撞和沖突、遵守軌道限制和考慮相鄰列車的動態(tài)，進而根據列車周邊的環(huán)境感知信息構建列車周邊環(huán)境動態(tài)模型，包括軌道拓撲結構、障礙物位置、信號燈狀態(tài)和相鄰列車的位置及運動趨勢；

17、選擇dijkstra算法作為路徑規(guī)劃算法，將軌道網絡建模為圖結構，節(jié)點代表關鍵位置，邊代表軌道段，權重為列車通過該段軌道的時間，并根據列車的動力學特性和環(huán)境約束設置算法參數，其中，列車的動力學特性為最大加速度、最大減速度和轉彎半徑限制，環(huán)境約束為信號燈限制和障礙物避讓；

18、將列車周邊環(huán)境動態(tài)模型和列車當前位置、目標折返點位置輸入dijkstra算法，根據軌道拓撲結構和環(huán)境約束計算出多條可行的折返路徑；

19、計算每條折返路徑的總行駛時間，進而根據行駛時間和安全性計算折返路徑綜合評分，選擇折返路徑綜合評分最高的路徑作為最優(yōu)折返路徑。

20、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述折返路徑綜合評分的計算過程為：

21、對于每條候選路徑，根據軌道段長度和列車速度限制，計算列車通過該路徑的總行駛時間，并找出所有路徑中的最小行駛時間和平均行駛時間，計算列車在該路徑上的平均速度，同時獲取列車在該路徑上的最大允許速度；

22、計算最小行駛時間和總行駛時間的比值，得到最小行駛時間比值函數，并計算平均行駛時間與總行駛時間的比值，加1求對數函數，得到平均行駛時間比值函數，再計算平均速度與最大允許速度的比值，乘以速度利用調節(jié)系數，得到速度比值函數，進而將最小行駛時間比值函數與平均行駛時間比值函數相乘，加上速度比值函數，得到行駛時間評分；

23、對于每條候選路徑，分析其與障礙物的相對位置和距離變化情況，確定與障礙物的最小安全距離和平均安全距離，并根據信號燈位置與狀態(tài)，評估列車在該候選路徑上是否滿足信號燈要求，計算滿足信號燈要求的程度，確定信號燈要求的最大滿足度，進而結合相鄰列車的運行狀態(tài)信息，計算與相鄰列車的最小安全距離和平均安全距離；

24、計算最小安全距離和平均安全距離的比值，得到最小安全距離比值函數，并計算平均安全距離與最小安全距離的比值，加1求對數函數，得到平均安全距離比值函數，再計算滿足信號燈要求的程度與信號燈要求的最大滿足度的比值，乘以滿足度調節(jié)系數，得到滿足度比值函數，同時計算最小安全距離和平均安全距離的比值，乘以距離調節(jié)系數，得到距離比值函數，進而將最小安全距離比值函數與平均安全距離比值函數相乘，加上滿足度比值函數和距離比值函數，得到安全性評分；

25、根據局部路徑規(guī)劃需求，分別確定行駛時間評分與安全性評分，計算行駛時間評分與安全性評分的加權和，得到折返路徑綜合評分。

26、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述路徑協(xié)調單元具體包括：

27、收集各列車的折返路徑規(guī)劃信息，包括每列車的當前位置、目標位置、當前速度、計劃路徑和預計行駛時間，并通過車車通信技術，實時獲取相鄰列車的折返路徑規(guī)劃信息，基于收集到的信息，對所有列車的折返路徑進行分析，檢測是否存在折返路徑沖突，進而記錄所檢測到的沖突信息，包括沖突列車的編號、沖突時間、沖突地點以及沖突類型等；

28、根據列車的緊急程度和任務優(yōu)先級因素，為各列車分配優(yōu)先級，制定沖突解決策略，并根據優(yōu)先級和沖突類型，選擇相應的協(xié)調方案；

29、根據協(xié)調方案，對各列車的折返路徑進行調整，更新折返路徑規(guī)劃信息，確保調整后的折返路徑避開沖突點，滿足運行安全和效率要求，進而將調整后的折返路徑信息反饋給各列車的局部路徑規(guī)劃單元，通過車車通信技術，將調整后的路徑信息同步給相鄰列車，確保協(xié)同運行，并在折返路徑調整后，持續(xù)監(jiān)控列車運行狀態(tài)，根據實時信息進一步動態(tài)調整折返路徑。

30、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述數字孿生模擬模塊包括虛擬列車建模單元和協(xié)同折返模擬單元；

31、其中，所述虛擬列車建模單元，用于構建包括軌道、信號系統(tǒng)、列車和控制中心在內的虛擬聯掛列車模型，實時映射物理列車的運行狀態(tài)；

32、所述協(xié)同折返模擬單元，用于結合預設的運營場景庫和虛擬列車模型，模擬多車協(xié)同折返場景，驗證路徑分配和速度同步的邏輯合理性，通過協(xié)同折返模擬，能夠在虛擬環(huán)境中驗證協(xié)同折返過程的合理性，提前發(fā)現并解決潛在問題。

33、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述虛擬列車建模單元具體包括：

34、采集軌道的實際幾何數據，包括幾何形狀、長度、坡度和彎道半徑的物理參數，獲取軌道的拓撲結構，包括道岔、交叉點和車站位置，并采集信號燈的位置、類型和顯示狀態(tài)的信息，獲取信號系統(tǒng)的控制邏輯和運行規(guī)則，進而采集列車的物理參數，獲取列車的動力學特性同步采集折返控制中心的調度計劃、運行圖和應急處理方案信息，將采集到的各類信息進行數字化轉換，形成標準化的數據格式；

35、根據采集到的軌道信息，構建虛擬軌道模型，包括軌道的幾何形狀、拓撲結構等，根據信號系統(tǒng)信息，構建虛擬信號系統(tǒng)模型，包括信號燈的位置、類型、顯示狀態(tài)等，根據列車信息，構建虛擬列車模型，包括列車的物理參數、動力學特性等，并根據折返控制中心的信息，構建虛擬控制中心模型，包括調度計劃、運行圖等，進而將軌道、信號系統(tǒng)、列車和折返控制中心的虛擬模型進行集成，形成完整的虛擬聯掛列車模型；

36、通過傳感器和通信技術，實時獲取物理列車的運行狀態(tài)信息，將實時獲取的物理列車狀態(tài)信息映射到虛擬聯掛列車模型中，更新虛擬聯掛列車模型的運行狀態(tài)，并根據實時的運行狀態(tài)信息，動態(tài)更新虛擬聯掛列車模型的運行狀態(tài)，確保虛擬聯掛列車模型與物理系統(tǒng)始終保持一致，當檢測到系統(tǒng)中的異常情況（故障、突發(fā)狀況）時，更新虛擬聯掛列車模型，并觸發(fā)相應的預警機制。

37、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述協(xié)同折返模擬單元具體包括：

38、預先收集不同運營條件下的多車協(xié)同折返需求，包括高峰時段、平峰時段和特殊天氣運營條件，據此預設運營場景庫，根據實際需求，從預設的運營場景庫中選擇符合當前模擬需求的運營場景，同時，加載構建好的虛擬聯掛列車模型，包含軌道、信號系統(tǒng)、列車及控制中心等詳細信息，對加載的運營場景和虛擬聯掛列車模型進行初始化設置，包括設定模擬的起始時間、各列車的初始位置和狀態(tài)，確保模擬環(huán)境符合預設要求；

39、完成運營場景與虛擬聯掛列車模型的加載準備后，啟動協(xié)同折返模擬，依據預設的路徑分配和速度同步邏輯，模擬多列車在虛擬環(huán)境中的協(xié)同折返過程，在模擬過程中，遵循信號系統(tǒng)的控制規(guī)則和列車的動力學特性，實時記錄各列車的運行軌跡、速度變化和位置信息的關鍵數據，通過數據監(jiān)測和分析，確保列車之間的運行相互協(xié)調，避免出現碰撞、路徑沖突等問題，保障模擬過程順利進行；

40、模擬結束后，對協(xié)同折返過程中記錄的數據進行分析，針對路徑分配和速度同步的邏輯合理性進行驗證，檢查列車是否按照預定路徑行駛、速度是否達到同步要求、是否滿足安全距離的關鍵指標，若存在邏輯不合理之處，如存在路徑沖突風險、速度不同步導致運行效率低下等問題，記錄問題出現的場景、時間和相關列車信息，進行調整和優(yōu)化，重新進行模擬驗證，直至路徑分配和速度同步的邏輯完全合理，確保在虛擬環(huán)境中提前發(fā)現并解決潛在問題，提高多車協(xié)同折返的安全性和效率。

41、本發(fā)明技術方案的進一步改進在于：所述速度同步控制模塊具體包括：

42、持續(xù)對每列車的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，實時獲取列車的速度和加速度數據，同時，通過列車與系統(tǒng)間的通信接口，采集列車的局部信息，并從數字孿生模擬模塊獲取模擬數據，包含列車在理想運行狀態(tài)下的速度以及安全距離的關鍵參數，將監(jiān)測到的列車實時運行數據與模擬單元提供的模擬結果進行整合，構建全面的列車運行狀態(tài)信息庫；

43、基于整合后的列車運行狀態(tài)信息，對各列車的實際速度與模擬結果中的理想速度進行對比，計算出每列車與理想速度之間的差異，結合列車的動力學特性，制定針對性的速度調整方案；

44、根據制定好的速度調整方案，通過通信系統(tǒng)向相關列車發(fā)送速度調整指令，在指令執(zhí)行過程中，持續(xù)監(jiān)測列車對調整指令的響應情況，實時收集列車速度和加速度的反饋數據，將反饋數據與預期的調整效果進行對比分析，若發(fā)現列車未按照預期進行速度調整，或者調整后仍存在速度差異，修正速度調整指令，并根據反饋信息，優(yōu)化速度調整策略。

45、由于采用了上述技術方案，本發(fā)明相對現有技術來說，取得的技術進步是：

46、1、本發(fā)明提供一種基于虛擬聯掛列車編組的折返控制系統(tǒng)，通過分布式路徑規(guī)劃模塊，使每列車能根據局部信息自主計算出最優(yōu)折返路徑，相較于傳統(tǒng)集中式調度，列車能夠快速響應路徑變化，顯著提高了系統(tǒng)響應速度，特別是在高峰時段或突發(fā)故障情況下，能夠及時調整列車運行策略，避免運營中斷，確保鐵路運輸的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

47、2、本發(fā)明提供一種基于虛擬聯掛列車編組的折返控制系統(tǒng)，利用分布式路徑規(guī)劃模塊中的路徑協(xié)調單元，在多列車協(xié)同折返時，能夠協(xié)調各列車的路徑規(guī)劃，避免路徑沖突，確保列車之間的安全距離，通過路徑協(xié)調，系統(tǒng)能夠更合理地分配軌道資源，提高整體運行效率，此外，數字孿生模擬模塊在虛擬環(huán)境中驗證路徑分配和速度同步的邏輯合理性，提前發(fā)現并解決潛在問題，確保列車在折返過程中的高效、穩(wěn)定運行。