本發(fā)明涉及軌道交通，尤其涉及一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前我國軌道交通行業(yè)普遍采用基于車地通信的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)，其特征是基于車地大容量通信的方式，依靠地面的控制中心給車載設(shè)備發(fā)送移動(dòng)授權(quán)來保障線路上的列車安全高效的運(yùn)行。在地面中心的列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，列車需要獲得地面控制中心的移動(dòng)授權(quán)，才能繼續(xù)向前運(yùn)行。一旦列車無法獲得授權(quán)，或者獲得授權(quán)的時(shí)效性不足，就會(huì)引起緊急制動(dòng)。為此，維護(hù)列車獲得穩(wěn)定、持續(xù)的通信資源，對于保障行車安全和提高運(yùn)行效率非常重要。

2、高速鐵路的ctcs-3級列車控制系統(tǒng)通過gsm-r技術(shù)實(shí)現(xiàn)地面與列車之間的連續(xù)、雙向安全信息傳輸。gsm-r(global?system?for?mobile?communications-railway)是一種專為鐵路通信設(shè)計(jì)的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)，確保在列車高速行駛時(shí)實(shí)現(xiàn)高可靠性和安全性的通信。通信小區(qū)沿鐵路線性分布，形成了一個(gè)穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)能在列車通過不同小區(qū)時(shí)提供無縫的通信覆蓋。每個(gè)小區(qū)都配備了基站以支持列車實(shí)時(shí)的位置信息更新、控制信號的傳輸以及與列車控制中心的指令交換。越區(qū)切換過程是指當(dāng)通信基站的通信指標(biāo)不能滿足列車的通信需求，達(dá)到觸發(fā)切換的條件時(shí)，用戶會(huì)斷開與源基站的連接，與目標(biāo)基站建立新的連接實(shí)現(xiàn)切換。主要目的是通過信道切換來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)裝備的通信不中斷，保障列車安全運(yùn)行。通常情況下，觸發(fā)越區(qū)切換的原因主要有：移動(dòng)裝備與基站之間的距離較遠(yuǎn)、通信質(zhì)量不佳、分區(qū)內(nèi)負(fù)載不均衡。

3、但是，當(dāng)列車高速行駛時(shí)，越區(qū)切換過程中的通信中斷或超時(shí)問題會(huì)對列車安全運(yùn)行產(chǎn)生一定程度的影響；例如，越區(qū)切換過程中的通信中斷或超時(shí)問題會(huì)導(dǎo)致未能及時(shí)切換列車控制系統(tǒng)等級，或者未能及時(shí)更新位置信息等。此類問題，主要是由于列車在越區(qū)切換時(shí)電臺(tái)小區(qū)重選及位置更新異常引起的，在高速鐵路實(shí)際運(yùn)營過程中發(fā)生較多。目前沒有準(zhǔn)確的定位手段，即使在后續(xù)的運(yùn)行中ctcs-3級車地通信都正常，這類故障依然被認(rèn)定為電臺(tái)故障。

4、產(chǎn)生以上問題的根本原因是中心化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身不適合實(shí)施大量的車地大容量通信，遇到網(wǎng)絡(luò)延遲問題導(dǎo)致了系統(tǒng)性能下降。現(xiàn)有的解決方法主要為優(yōu)化車載電臺(tái)和通信網(wǎng)絡(luò)，無法完全解決此類問題。改善列控系統(tǒng)由于越區(qū)切換影響行車運(yùn)行的問題，除了提高通信系統(tǒng)的可靠性，還可以從信號系統(tǒng)宏觀整體的角度，平衡列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，優(yōu)化資源分配和調(diào)度，設(shè)計(jì)容錯(cuò)和恢復(fù)策略，減少對車地通信的過度依賴。但是，目前還沒有較為有效的方案。

5、有鑒于此，特提出本發(fā)明。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，支持線路上的列車在運(yùn)行環(huán)境中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分區(qū)分組、自適應(yīng)資源分配、多級協(xié)同機(jī)制和自主運(yùn)行控制，保障虛擬重聯(lián)列車自主運(yùn)行的安全、高效。

2、本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

3、一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，包括：

4、基于局部去中心化的理念，利用列車和地面中心構(gòu)建列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)，列車和地面中心作為列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，稱為列車節(jié)點(diǎn)與地面控制節(jié)點(diǎn)，列車節(jié)點(diǎn)與地面控制節(jié)點(diǎn)之間的通信連接，以及列車之間的通信連接均作為列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)中的連邊；

5、結(jié)合不同節(jié)點(diǎn)之間的通信連接情況、不同節(jié)點(diǎn)是否同屬一個(gè)社區(qū)、以及列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的總通信連接數(shù)量計(jì)算列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的模塊度，并作為整體質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，指導(dǎo)列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)決策，并且每一社區(qū)中的列車節(jié)點(diǎn)形成若干虛擬編組的列車編隊(duì)，完成運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)分組；

6、所述列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)完成分區(qū)分組后，對于各社區(qū)中的對稱性結(jié)構(gòu)，基于群論進(jìn)行對稱性優(yōu)化調(diào)度；其中，所述對稱性結(jié)構(gòu)是指社區(qū)中的列車節(jié)點(diǎn)在列車運(yùn)行模式上表現(xiàn)出對稱性特征。

7、由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，基于局部去中心化的結(jié)構(gòu)，在保持列車運(yùn)行控制系統(tǒng)集中控制的原則下實(shí)施局部優(yōu)化，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分區(qū)分組，避免了大范圍的車地大容量的數(shù)據(jù)交互，減少了列車越區(qū)切換場景；以列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的模塊度，并作為整體質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，指導(dǎo)列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)決策，支持在列車運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)時(shí)的環(huán)境變化、任務(wù)需求以及系統(tǒng)狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整列車的分區(qū)和分組方式，以適應(yīng)復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境中，能夠更好的應(yīng)對突發(fā)狀況，優(yōu)化整體效率；并且，動(dòng)態(tài)分區(qū)分組的決策方案，還幫助線路上的移動(dòng)裝備自適應(yīng)調(diào)整分區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載平衡；此外引入群論中的對稱性原理，在列車調(diào)度中識別并利用系統(tǒng)內(nèi)的對稱結(jié)構(gòu)，從而簡化和加速優(yōu)化計(jì)算。

技術(shù)特征：

1.一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，所述結(jié)合不同節(jié)點(diǎn)之間的通信連接情況、不同節(jié)點(diǎn)是否同屬一個(gè)社區(qū)、以及列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的總通信連接數(shù)量計(jì)算列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的模塊度包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，在列車運(yùn)行過程中，將各列車節(jié)點(diǎn)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)塊，并將數(shù)據(jù)塊組織起來形成一個(gè)數(shù)據(jù)塊序列；對數(shù)據(jù)塊序列進(jìn)行默克爾樹構(gòu)建，得到一個(gè)根節(jié)點(diǎn)的哈希值；每當(dāng)接收到列車節(jié)點(diǎn)的列車運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，通過比對根節(jié)點(diǎn)的哈希值來驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否被篡改或損壞。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，將整個(gè)列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)以默克爾樹結(jié)構(gòu)的框架進(jìn)行社區(qū)的劃分，樹狀結(jié)構(gòu)的葉子是各個(gè)地面控制節(jié)點(diǎn)，樹的內(nèi)部連接對應(yīng)于地面控制節(jié)點(diǎn)之間的通信連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，將默克爾樹結(jié)構(gòu)的鄰接矩陣儲(chǔ)存為整數(shù)數(shù)組，并在合并相應(yīng)的社區(qū)時(shí)重復(fù)合并成對的行和列，將列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的模塊度q的計(jì)算方式轉(zhuǎn)化為矩陣形式，表示為：

6.根據(jù)權(quán)利要求1～7任一項(xiàng)所述的一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，所述對于各社區(qū)中的對稱性結(jié)構(gòu)，基于群論進(jìn)行對稱性優(yōu)化調(diào)度包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，所述對所述最優(yōu)解進(jìn)行對稱性操作獲得另一個(gè)列車運(yùn)行模式的最優(yōu)解表示為：

9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，還包括：將列車運(yùn)行模式的集合為p，通過群g對集合p的作用，劃分為不同的等價(jià)類，表示為：p/g＝{orbg(p)∣p∈p}；其中，p/g表示通過群g對集合p進(jìn)行劃分后的結(jié)果，p為集合p中的單個(gè)列車運(yùn)行模式，orbg(p)為列車運(yùn)行模式p能夠到達(dá)的所有位置，orbg(p)＝{g·p∣g∈g}，g是群g中的一個(gè)元素，表示一種操作或變換；

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，其特征在于，還包括：引入列車運(yùn)行控制系統(tǒng)多級協(xié)調(diào)機(jī)制，在列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)中，各層級的控制系統(tǒng)各自獨(dú)立作出決策，并通過協(xié)同機(jī)制保持一致性，實(shí)現(xiàn)局部自治和全局協(xié)調(diào)；其中，不同層級的列控系統(tǒng)中所涉及的地面設(shè)備作為地面控制節(jié)點(diǎn)，所涉及的列車上的車載自主控制設(shè)備作為列車節(jié)點(diǎn)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種局部去中心化群組列車虛擬重聯(lián)的動(dòng)態(tài)分區(qū)分組方法，基于局部去中心化的結(jié)構(gòu)，在保持列車運(yùn)行控制系統(tǒng)集中控制的原則下實(shí)施局部優(yōu)化，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分區(qū)分組，避免了大范圍的車地大容量的數(shù)據(jù)交互，減少了列車越區(qū)切換場景；以列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的模塊度，并作為整體質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)，指導(dǎo)列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)的分區(qū)決策，支持在列車運(yùn)行過程中，根據(jù)實(shí)時(shí)的環(huán)境變化、任務(wù)需求以及系統(tǒng)狀態(tài)，自動(dòng)調(diào)整列車的分區(qū)和分組方式，并且，動(dòng)態(tài)分區(qū)分組的決策方案，還幫助線路上的移動(dòng)裝備自適應(yīng)調(diào)整分區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行控制網(wǎng)絡(luò)整體負(fù)載平衡；此外引入群論中的對稱性原理，在列車調(diào)度中識別并利用系統(tǒng)內(nèi)的對稱結(jié)構(gòu)，從而簡化和加速優(yōu)化計(jì)算。

技術(shù)研發(fā)人員：黃蘇蘇,李剛,張淼,藺偉,李克,鄭澤熙,劉皓瑋
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9