基于线性二次调节器（LQR）的列车协同控制研究

doi:10.3969/j.issn.1673-4440.2024.12.001

铁路通信信号工程技术 ›› 2024, Vol. 21 ›› Issue (12): 1-8.DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2024.12.001

• • 下一篇

基于线性二次调节器（LQR）的列车协同控制研究

葛鹭明^1，2

1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；
2．列车自主运行智能控制铁路行业工程研究中心, 北京 100070

收稿日期:2024-06-28 修回日期:2024-12-05 出版日期:2024-12-25 发布日期:2024-12-25
作者简介:葛鹭明（1992—），男，工程师，硕士，主要研究方向：列车自动驾驶控制研究，邮箱：geluming@crscd.com.cn
基金资助:
国家重点研发计划资助项目（2022YFB4300500）

Research on Cooperative Train Control Based on Linear Quadratic Regulator

Ge Luming^{1, 2}

1. CRSC Research & Design Institute Group Co., Ltd., Beijing 100070, China；
2. Engineering Research Center of Railway Industry of Intelligent and Autonomous Train Control, Beijing 100070, China

Received:2024-06-28 Revised:2024-12-05 Online:2024-12-25 Published:2024-12-25

摘要/Abstract

摘要： 铁路运输的不断发展，提高列车运行效率，成为铁路交通系统优化的关键目标。提出一种基于线性二次调节器（LQR）的列车协同控制方法,探究该方法在控制输入时滞的条件下实现列车协同运行的效果以提高列车运行效率，并通过仿真研究系统性评估其在列车协同控制中的应用效果。首先，通过建立多列车运行过程中追踪动力学数学模型，设计前后车误差模型作为协同控制的约束，其次，通过设计LQR控制器实现列车协同控制，最后，设计后车跟踪前车的仿真实验。结果表明，基于LQR控制的列车协同控制方法能够显著提高多列车协同运行效率。

关键词: cooperative train control, tracking model, Linear Quadratic Regulator (LQR)

Abstract: With the continuous development of railway transport, improving the train operation efficiency has become a key goal of railway transport system optimization. This study is intended to propose a cooperative train control method based on Linear Quadratic Regulator (LQR), explore the effects of this method on cooperative train operation under the condition of control input delay, so as to improve the train operation efficiency, and conduct systematic assessment about the application effects of this method on cooperative train control through simulation study. Firstly, a mathematical model of tracking dynamics is established for the process of multi-train running, and an error model of the preceding and following trains is designed as the constraint of cooperative control. Secondly, an LQR controller is designed for cooperative train control. Finally, simulation tests are designed for the following train tracking the preceding train. The results show that the cooperative train control method based on LQR control can significantly improve the efficiency of multi-train cooperative operation.

Key words: 列车协同控制, 追踪模型, 线性二次调节器（LQR）

中图分类号:

U284.48

葛鹭明. 基于线性二次调节器（LQR）的列车协同控制研究[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(12): 1-8.

Ge Luming. Research on Cooperative Train Control Based on Linear Quadratic Regulator[J]. Railway Signalling & Communication Engineering, 2024, 21(12): 1-8.

图/表 8

参考文献

[1]朱爱红，田晓晴，何明明.列车大小交路通信协同运行自适应控制方法[J].铁道科学与工程学报，2024，21（3）：969-979.
Zhu Aihong, Tian Xiaoqing, He Mingming. Adaptive Control Method for Communication Coordinated Operation of Full-length and Short-turn Routing[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2024, 21(3): 969-979.
[2]孙孟毅，万孟飞.基于列车满载率控制的地铁线网大客流车站协同控制研究[J].工程建设与设计，2023（2）：71-73.
Sun Mengyi, Wan Mengfei. Research on Station Collaborative Control of Metro Network Large Passenger Flow Based on Train Load Factor[J]. Construction & Design for Engineering, 2023(2): 71-73.
[3]张海，倪少权，陈韬，等.轨道交通列车追踪运行模型及追踪间隔研究[J].计算机仿真，2022，39（9）：172-176，402.
Zhang Hai, Ni Shaoquan, Chen Tao, et al. Study on Tracking Operation Model and Tracking Interval of Rail Transit Trains[J]. Computer Simulation, 2022, 39(9): 172-176, 402.
[4]罗啸林，唐涛，林炳跃，等.一种缩短虚拟编组列车追踪间距的鲁棒模型预测控制方法[J].铁道学报，2023，45（8）：68-76.
Luo Xiaolin, Tang Tao, Lin Bingyue, et al. A Robust Model Predictive Control Approach for Reducing Following Distance Between Virtually Coupled Unit Trains[J]. Journal of the China Railway Society, 2023, 45(8): 68-76.
[5]柏赟，袁博，李佳杰，等.基于滚动优化的地铁列车节能运行协同控制方法[J].中国铁道科学，2020，41（3）：163-170.
Bai Yun, Yuan Bo, Li Jiajie, et al. Cooperative Control Strategy for Energy Saving Operation of Metro Train Based on Rolling Optimization[J]. China Railway Science, 2020, 41(3): 163-170.
[6]赵凯辉，邱鹏旗，张昌凡，等.高速列车分布式速度协同跟踪控制方法研究[J].电子测量与仪器学报，2022，36（9）：12-20.
Zhao Kaihui, Qiu Pengqi, Zhang Changfan, et al. Research on Distributed Speed Coordinated Tracking Control for High-speed Train[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2022, 36(9): 12-20.
[7]何晖，代萌，陶维杰，等.基于多智能体的重载列车虚拟编组协同巡航控制[J].中国铁道科学，2023，44（6）：196-205.
He Hui, Dai Meng, Tao Weijie, et al. Cooperative Cruise Control of Heavy-haul Train under VCTF Based on Multi-Agent[J]. China Railway Science, 2023, 44(6): 196-205.
[8]邱泽宇，邓志翔，刘新平.时速600 km高速磁浮列车运行控制系统协同控制方案[J].铁路计算机应用，2022，31（1）：75-80.
Qiu Zeyu, Deng Zhixiang, Liu Xinping. Cooperative Control Scheme for Operation Control System of 600 km/h High Speed Maglev Train[J].Railway Computer Application, 2022, 31(1): 75-80.
[9]张英贵，赵明慧，张云丽.面向虚拟连挂的城轨列车群组追踪运行仿真研究[J].交通运输系统工程与信息，2024，24（1）：199-209.
Zhang Yinggui, Zhao Minghui, Zhang Yunli. Simulation Research on Train Group Tracking Operation with Virtual Coupling for Urban Mass Rail Transit[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2024, 24(1): 199-209.
[10]周峰，陶克武，杨迎泽，等.面向乘客舒适性的多列车协同巡航控制[J].电子测量与仪器学报，2023，37（2）：151-159.
Zhou Feng, Tao Kewu, Yang Yingze, et al. Cooperative Cruise Control for Multiple Trains with Ride Comfort[J].Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2023, 37(2): 151-159.
[11]贾祝蓉.智能车队的路径跟踪与纵向跟随控制[D].太原:山西大学，2011.
[12] 王玉冰.基于采样反馈的多列车自适应协同控制算法研究[D].北京:北京交通大学，2018.
[13] Guo Xianggui, Wang Jianliang, Liao Fang, et al. Distributed Adaptive Sliding Mode Control Strategy for Vehicle-Following Systems with Nonlinear Acceleration Uncertainties[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(2): 981-991.
[14] Li Shukai, Yang Lixing, Gao Ziyou. Coordinated Cruise Control for High-speed Train Movements Based on a Multi-Agent Model[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2015, 56(7): 281-292.
[15] Zhao Yan, Wang Tianzhi, Karimi H R. Distributed Cruise Control of High-speed Trains[J]. Journal of the Franklin Institute, 2017, 354(14): 6044-6061.
[16] Li Shukai, Yang Lixing, Gao Ziyou. Distributed Optimal Control for Multiple High-Speed Train Movement: an Alternating Direction Method of Multipliers[J]. Automatica, 2020, 112: 108646.
[17]孙福昌，邵金菊，单少飞，等.适应道路曲率多变的前馈-预测LQR横向控制[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2024，38（3）：45-54.
Sun Fuchang, Shao Jinju, Shan Shaofei, et al. Feed-forward predictive LQR Lateral Control Adapted To Variable Road Curvature[J]. Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science), 2024, 38(2): 45-54.
[18]江松，武露云，付信凯，等.基于前馈补偿LQR与PID的矿井无轨胶轮车横纵向控制研究[J].金属矿山，2024，53（01）：139-148.
Jiang Song, Wu Luyun，Fu Xinkai，et al. Research on Lateral and Longitudinal Control of Mine Trackless Rubber-tyred Vehicle Based on Feedforward Compensation LQR and PID[J]. Metal Mine, 2024, 53(1): 139-148.
[19]余米森，钱玉宝，黄华宝，等.连续工况下基于PID+LQR算法的自动驾驶车辆横纵向耦合控制[J].科学技术与工程，22（30）：13490-13496.
Yu Misen, Qian Yubao, Huang Huabao, et al. Lateral and Longitudinal Coupling Control of Autonomous Vehicle based on PID + LQR Algorithm under Continuous Conditions[J]. Science Technology and Engineering, 2022, 22(30): 13490-13496.
[20] Duan Peihu, He Lidong, Duan Zhisheng, et al. Distributed Cooperative LQR Design for Multi-Input Linear Systems[J]. IEEE Transactions on Control of Network Systems, 2023, 10(2): 680-692.
[21]王鹏，吴培栋，陈志强.一种普速铁路ATO线路数据处理方法[J].铁路通信信号工程技术，2024，21（7）：7-12.
Wang Peng, Wu Peidong, Chen Zhiqiang. Method of ATO Line Data Processing for Conventional-speed Railway[J]. Railway Signalling & Communication Engineering, 2024, 21(7): 7-12.
[22]韩兴邦.基于北斗的重载铁路列控系统仿真测试系统研究[J].铁路通信信号工程技术，2024，21（2）：60-66.
Han Xingbang. Research on Simulation Testing System for Heavy Haul Railway Train Control System Based on Beidou[J]. Railway Signalling & Communication Engineering, 2024, 21(2): 60-66.
[23]曹晓宇.车载ATO系统记录板数据解析工具设计[J].铁路通信信号工程技术，2024，21（1）：62-68.
Cao Xiaoyu. Design of Data Parsing Tool for Record Board of Onboard ATO System[J]. Railway Signalling & Communication Engineering, 2024, 21(1): 62-68.

基于线性二次调节器（LQR）的列车协同控制研究

Research on Cooperative Train Control Based on Linear Quadratic Regulator

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 8

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	谢生智. 基于北斗的重载铁路列控系统临时限速系统方案安全性分析[J]. 铁路通信信号工程技术, 2025, 22(1): 44-50,140.
[2]	张友兵, 陈志强, 王硕, 张家兴, 田换换, 黄睿. 支持四网融合的市域铁路列控系统关键问题研究[J]. 铁路通信信号工程技术, 2025, 22(1): 105-113.
[3]	彭湃, 赵振杰, 李凯, 庞潇潇. 基于主动感知的列车自主运行系统控制方案研究[J]. 铁路通信信号工程技术, 2025, 22(1): 114-121.
[4]	郑伟, 张余豪, 李金峰. 城市轨道交通信号系统与间隙探测系统接口分析[J]. 铁路通信信号工程技术, 2025, 22(1): 122-128.
[5]	程宇佳, 冯凯. 新型列控系统中心设备维护终端显示方案探讨[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(12): 15-22.
[6]	严之伟. 张吉怀铁路接入怀化南枢纽优化设计方案的探讨[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(12): 36-42,80.
[7]	曹晓宇, 胡小生, 高杰. 基于区域无线通信的线路数据传输研究[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(12): 48-56.
[8]	袁海丽, 杨韬. RBC对ETCS-2级列车同股道接车重联防护方案研究[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(11): 1-8.
[9]	蒋耘玮, 艾强娃, 吴培栋. 车载ATP通用自动测试平台的研究与实现[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(11): 9-16.
[10]	李文涛, 颉康, 康辉. 列控联锁一体化系统试验应用研究[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(10): 1-6.
[11]	曲以胜. 基于新型列控系统的区间车次号跟踪技术探讨[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(10): 12-15,48.
[12]	徐昱, 刘长波. 列控系统铁路运营里程断链设置差异影响分析[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(10): 16-21,93.
[13]	张友兵, 朱志承, 何凤香, 黄睿. 兼容CTCS和CBTC的车载人机接口技术研究[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(10): 73-79.
[14]	晋云功. FAO信号系统对位隔离功能仿真测试研究[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(10): 101-107.
[15]	李湘宜. 基于列车类型自动切换闭塞制式的方案[J]. 铁路通信信号工程技术, 2024, 21(9): 11-15.