基于大數據分析的城市軌道列車運行速度自動化控制系統設計

徐振魯，劉 寵，岳 巍，辛澤鵬

（青島地鐵集團有限公司，青島 266000）

隨著城市化進程不斷加速，城市軌道交通已成為城市生活中不可或缺的公共交通方式[1-3]。列車運行速度自動化控制系統是實現列車高效、安全運行的關鍵因素之一。為了滿足列車運行的安全、高效需求，設計城市軌道列車運行速度自動化控制系統十分必要[4]。將大數據技術應用于城市軌道列車運行速度自動化控制系統中，通過對海量城市軌道列車運行數據的實時監測和分析，實現對列車運行狀態和運行環境的全面掌握，從而為列車的安全、高效、節能運行提供強有力的支持[5]。通過列車速度的自動化控制，實現對列車速度的高效調控，提高列車的運行效率和乘客的舒適度[6]，實現城市軌道交通的綠色出行和可持續發展。

眾多研究學者針對城市軌道列車速度控制進行研究。文獻[7]構建了XGboost 模型，實時檢測城市軌道列車運行速度，及時發現列車運行速度存在的異常，利用并行優化方法，防止過擬合情況，靈活性高，該方法存在無法捕捉線性關系以及擴展能力有限的缺陷；文獻[8]針對城市軌道交通列車構建了智能運維系統，所構建系統可以實時監控列車運行速度、預測并及時報告可能出現的故障，從而提前采取措施，避免故障發生或減少故障的影響范圍，但是該系統存在技術難度高、集成難度大以及數據安全風險高的缺陷，應用性較差。針對以上系統在城市軌道列車實際應用中存在的問題，設計基于大數據分析的城市軌道列車運行速度自動化控制系統，利用大數據分析技術，高效控制城市軌道列車運行速度，滿足城市軌道列車速度的自動化控制需求。

1 城市軌道列車運行速度自動化控制系統

1.1 基于云計算的列車運行速度自動化控制系統

城市軌道列車運行速度的自動化控制需要收集大量列車相關數據，包括列車位置、速度、行駛路線圖、交通狀況、時間表等信息。利用GPS 追蹤器和速度傳感器采集列車的位置、速度等信息。通過大數據分析技術從海量城市軌道列車運行速度相關數據中提取有用信息，為列車運行速度自動化控制提供數據基礎，系統的總體結構如圖1 所示。

圖1 列車運行速度自動化控制系統框架Fig.1 Frame of automatic train speed control system

城市軌道列車運行速度自動化控制系統采用分布式控制方式，為用戶提供三層控制服務。控制層主要包括物理控制、網絡控制以及智能控制三部分，利用云計算架構，針對系統設計的三層控制服務結構如圖2 所示。

圖2 三層控制結構圖Fig.2 Three-layer control structure diagram

1.2 大數據分析城市軌道列車運行數據聚類處理

選取K-means 聚類算法，對城市軌道列車運行相關數據聚類處理步驟如下：

（1）從系統運行的海量城市軌道列車運行樣本數據中，隨機抽取K 個數據點作為聚類中心[9-10]，抽取數據前需要對數據預處理。

（2）將系統采集的海量城市軌道列車運行數據配置至與該數據距離最近的類別中。聚類采用的距離計算公式為

式中：xi與yi為城市軌道列車運行的相關樣本；n 與d（x，y）分別為歐氏距離以及樣本維度。利用式（1）計算樣本之間的距離，依據最小距離原則劃分城市軌道列車運行數據。

（3）計算相同類別中聚類樣本均值，對比相同類別中，各樣本與類別中心的距離，重新劃分樣本點至與聚類中心點距離最小的類別中，更新聚類結果。

（4）設置聚類終止條件。重復以上運算，直至完成全部樣本點的聚類，輸出最佳的城市軌道列車運行數據聚類結果。

1.3 列車運行速度自動化控制優化模型

依據城市軌道列車運行數據聚類結果，構建列車運行速度自動化控制優化模型。城市軌道列車運行存在較高的復雜性，依據牛頓第二定律構建城市軌道列車運行時的運動模型，利用單質點表示運動模型為

式中：m 與a 分別為城市軌道列車的質量以及運行加速度；f（v，u）為城市軌道列車運行時受到的牽引力或制動力；v 與s 分別為列車運行速度以及列車線路位置；u 為城市軌道列車的操控工況；g（v）與w（v，s）分別為城市軌道列車運行時受到的基本阻力以及附加阻力。

城市軌道列車運行位置更新的表達式為

列車速度更新的表達式為

城市軌道列車運行速度自動化控制時，需要滿足能耗最低、停車位置精度最高以及停車時間精準的目標。列車站間運行時間的表達式為

列車的站間能耗計算公式為

式中：F 與H 分別為列車的牽引力以及能耗適應度值；δm與δB分別為電能轉化為機械能以及機械能轉化為電能的轉換因子；B 為列車制動力；T0為列車在2 個站點之間的實際運行時間。

列車的停車精度計算公式為

式中：∑Δs 為列車的實際運行距離；S 為2 個站點之間的實際長度。

城市軌道列車運行速度自動化控制的目標優化問題，即獲取工況轉換點xi，使列車運行的能耗最低、運行時間滿足停車要求，停車的位置精度最高。構建最終的列車運行速度自動化控制優化模型為

針對所構建的列車運行速度自動化控制優化模型，設置約束條件為

式中：v0與ve分別為城市軌道列車行駛初速度與末速度；vi與vlim分別為列車實際運行速度以及限速值；T0與Tz分別為列車計劃運行時間以及實際運行時間。

依據軌道列車運行數據聚類結果，識別列車運行狀態，計算列車運行的最佳速度曲線，確定在給定交通狀況和時間表下，列車應該以何種速度行駛，以最大化準時性或最小化能耗。結合大數據處理結果，利用灰色速度控制器動態調整列車牽引、制動等設備的控制策略，提高列車的運行效率與安全性。

1.4 基于灰色理論的列車運行速度控制器

利用灰色理論設計灰色速度控制器，進行列車運行速度的自動化控制，速度自動化控制器結構如圖3 所示。通過列車運行速度自動化控制優化模型，獲取列車運行速度目標值作為灰色速度控制器的輸入，利用灰色控制裝置調節城市軌道列車的執行機構，執行不同工況下的運行速度控制需求?；疑俣瓤刂破饕罁鞘熊壍懒熊嚨漠斍八俣戎怠⑦^去速度值以及未來速度值，執行牽引、制動和惰行等措施，獲取理想的速度控制結果。

圖3 灰色速度控制器結構圖Fig.3 Gray speed controller structure diagram

2 系統測試

采用Matlab 仿真軟件，構建城市軌道列車行駛的仿真測試場景。本系統顯示的城市軌道列車行駛地圖如圖4 所示。

圖4 城市軌道列車行駛場景仿真結果Fig.4 Simulation results of urban rail train running scene

圖4 中由站點A 至站點N 組成1 號線，共包含14 個車站。通過不同工況下的列車行駛測試，為后續速度自動化控制系統結果分析提供支撐。城市軌道列車在城際線路中行駛，車站內坡道通常為平坡，僅少量車站內道路為上坡或下坡。城市軌道列車行駛道路的路況如表1 所示。

表1 城市軌道列車行駛路況Tab.1 Traffic conditions of urban rail trains

設置列車在上坡、下坡以及平穩狀態下運行，使列車在行駛5 s 后，行駛速度由目標速度1 變換為目標速度2，測試本系統運行速度自動化控制的收斂性能。列車運行速度自動化控制的收斂性能結果如圖5 所示。通過圖5 的測試結果可以看出，采用本系統控制城市軌道列車速度時，列車速度快速提升至目標列車運行速度。本系統在列車運行5 s 后，接收到速度變化命令后，快速響應至目標速度2。圖5 驗證了本系統具有良好的收斂性能，響應速度極快，具有優越的控制性能。

圖5 自動化控制收斂性能響應曲線Fig.5 Response curve of automation control convergence performance

統計2022 年7 月16 日，城市軌道列車的過標停車結果如表2 所示。分析表2 測試結果，不同車次時采用本系統自動化控制列車運行速度，停車誤差均在10 cm 以內。本系統精準控制的列車運行速度，保證列車維持在較小的停車誤差內。

表2 車輛過標停車結果Tab.2 Results of vehicle parking after crossing the mark

城市軌道列車在惰行以及巡航工況下，列車運行速度的自動化控制優化結果如圖6 所示。綜合分析圖6 不同工況下的速度控制優化結果，列車的能耗均低于3000 kJ，停車時間誤差均低于10 s，停車距離誤差均低于15 cm。采用本系統自動化控制城市軌道列車速度，能耗、停車時間以及停車距離誤差各項指標均具有明顯的優勢，證明采用本系統獲取的城市軌道列車速度自動化控制結果，可以保證列車以最低能耗運行，在指定的停車位置精準停車，停車時間與設定的目標停車時間吻合。

圖6 不同工況下的速度控制優化結果Fig.6 Optimization results of speed control under different working conditions

將牽引工況、制動工況、惰行工況以及巡航工況4 種工況，分別用1、2、3、4 表示。統計城市軌道列車在6 次列車運行時，本系統通過列車速度自動化控制獲取的最優運行方案，統計結果如表3 所示。表3 實驗結果可以看出，本文系統可以依據列車運行的實際情況，調節運行速度，切換運行工況，確定最佳的列車運行方案。

表3 城市軌道列車最優運行方案Tab.3 Optimal operation scheme of urban rail train

依據表3 的列車運行方案，獲取列車運行時的速度-距離曲線，如圖7 所示。圖7 中的最優速度-距離曲線是不同列車運行次數時，采用本系統獲取的列車能耗最低、航行時間最精準以及停車精度最高，對應的列車速度自動化控制策略。本系統可以獲取列車行駛的最優方案，提升列車運行可靠性。

圖7 最優速度-距離曲線Fig.7 Optimal speed-distance curve

3 結語

城市軌道列車運行速度自動化控制系統的設計是復雜而重要的任務。引入大數據技術，實現更高效、安全的列車運行，提高城市軌道交通的運營效率和服務質量。通過實驗驗證，所設計系統在不同工況下均可以實現列車速度的自動化控制，獲取最佳的列車行駛方案。所獲取的列車速度自動化控制結果，能耗低、時間精準、停車精度高。