一種地鐵列車軌跡的實(shí)時(shí)預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種地鐵列車軌跡的實(shí)時(shí)預(yù)測方法，尤其涉及一種基于魯棒策略的地 鐵列車軌跡的實(shí)時(shí)預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國大中城市規(guī)模的日益擴(kuò)大，城市交通系統(tǒng)面臨著越來越大的壓力，大力 發(fā)展軌道交通系統(tǒng)成為解決城市交通擁塞的重要手段。國家"十一五"規(guī)劃綱要指出，有條 件的大城市和城市群地區(qū)要把軌道交通作為優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域。我國正經(jīng)歷一個(gè)前所未有的軌 道交通發(fā)展高峰期，一些城市已由線的建設(shè)轉(zhuǎn)向了網(wǎng)的建設(shè)，城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)已逐步形 成。在軌道交通網(wǎng)絡(luò)和列車流密集的復(fù)雜區(qū)域，仍然采用列車運(yùn)行計(jì)劃結(jié)合基于主觀經(jīng)驗(yàn) 的列車間隔調(diào)配方式逐漸顯示出其落后性，具體表現(xiàn)在：（1)列車運(yùn)行計(jì)劃時(shí)刻表的制定 并未考慮到各種隨機(jī)因素的影響，容易造成交通流戰(zhàn)術(shù)管理擁擠，降低交通系統(tǒng)運(yùn)行的安 全性；（2)列車調(diào)度工作側(cè)重于保持單個(gè)列車間的安全間隔，尚未上升到對列車流進(jìn)行戰(zhàn) 略管理的宏觀層面；（3)列車調(diào)配過程多依賴于一線調(diào)度人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，調(diào)配時(shí)機(jī)的選 擇隨意性較大，缺乏科學(xué)理論支撐；(4)調(diào)度人員所運(yùn)用的調(diào)配手段較少考慮到外界干擾 因素的影響，列車調(diào)配方案的魯棒性和可用性較差。
[0003] 已有文獻(xiàn)資料的討論對象多針對長途鐵路運(yùn)輸，而針對大流量、高密度和小間隔 運(yùn)行條件下的城市地鐵交通系統(tǒng)的科學(xué)調(diào)控方案尚缺乏系統(tǒng)設(shè)計(jì)。復(fù)雜路網(wǎng)運(yùn)行條件下的 列車協(xié)調(diào)控制方案在戰(zhàn)略層面上需要對區(qū)域內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)上單列車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行推算和 優(yōu)化，并對由多個(gè)列車構(gòu)成的交通流實(shí)施協(xié)同規(guī)劃；而多列車的運(yùn)行沖突解脫是基于對地 鐵列車軌跡的預(yù)測的基礎(chǔ)上，列車的運(yùn)行狀態(tài)往往不完全屬于某一特定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，目前 尚無有效的地鐵列車軌跡的實(shí)時(shí)預(yù)測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種魯棒性和可用性較好的地鐵列車軌跡的實(shí) 時(shí)預(yù)測方法，該方法對地鐵列車的軌跡預(yù)測精度較高。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是提供一種地鐵列車軌跡的實(shí)時(shí)預(yù)測方法，包括如下 步驟：
[0006] 步驟A、根據(jù)各個(gè)列車的計(jì)劃運(yùn)行參數(shù)，生成軌道交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0007] 步驟B、基于步驟A所構(gòu)建的軌道交通網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，分析列車流的可控性和 敏感性二類特性；
[0008] 步驟C、根據(jù)各個(gè)列車的計(jì)劃運(yùn)行參數(shù)，在構(gòu)建列車動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)列 車運(yùn)行沖突耦合點(diǎn)建立列車運(yùn)行沖突預(yù)調(diào)配模型，生成多列車無沖突運(yùn)行軌跡；
[0009] 步驟D、在每一采樣時(shí)刻t，基于列車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和歷史位置觀測序列，對列 車未來某時(shí)刻的行進(jìn)位置進(jìn)行預(yù)測；其具體過程如下：
[0010] 步驟D1、列車軌跡數(shù)據(jù)預(yù)處理，以列車在起始站的?？课恢脼樽鴺?biāo)原點(diǎn)，在每一采 樣時(shí)刻，依據(jù)所獲取的列車原始離散二維位置序列X = [XpXy...，χη]和y = [yi，y；!，...， yj，采用一階差分方法對其進(jìn)行處理獲取新的列車離散位置序列Ax= [ΔΧι，δΧ2, ...， Δ χη J 和 Δ y = [ Δ yi，Δ y2, · · ·，Δ yn J，其中 Δ Xi= χ ; +「Xi，Δ yi= y i+「yi (i = 1， 2, ... -I)；
[0011] 步驟D2、對列車軌跡數(shù)據(jù)聚類，對處理后新的列車離散二維位置序列Δ X和Δ y， 通過設(shè)定聚類個(gè)數(shù)M'，采用K-means聚類算法分別對其進(jìn)行聚類；
[0012] 步驟D3、對聚類后的列車軌跡數(shù)據(jù)利用隱馬爾科夫模型進(jìn)行參數(shù)訓(xùn)練，通過將處 理后的列車運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)A x和Ay視為隱馬爾科夫過程的顯觀測值，通過設(shè)定隱狀態(tài)數(shù) 目N'和參數(shù)更新時(shí)段τ'，依據(jù)最近的T'個(gè)位置觀測值并采用B-W算法滾動(dòng)獲取最新隱 馬爾科夫模型參數(shù)λ';具體來講：由于所獲得的列車軌跡序列數(shù)據(jù)長度是動(dòng)態(tài)變化的，為 了實(shí)時(shí)跟蹤列車軌跡的狀態(tài)變化，有必要在初始軌跡隱馬爾科夫模型參數(shù)λ' = (π，Α， Β)的基礎(chǔ)上對其重新調(diào)整，以便更精確地推測列車在未來某時(shí)刻的位置；每隔時(shí)段τ '， 依據(jù)最新獲得的Τ'個(gè)觀測值（〇1，〇2，...，〇Τ,)對軌跡隱馬爾科夫模型參數(shù)λ' = (π，Α， Β)進(jìn)行重新估計(jì)；
[0013] 步驟D4、依據(jù)隱馬爾科夫模型參數(shù)，采用Viterbi算法獲取當(dāng)前時(shí)刻觀測值所對 應(yīng)的隱狀態(tài)q ;
[0014] 步驟D5、每隔時(shí)段切，根據(jù)最新獲得的隱馬爾科夫模型參數(shù)λ '= (π，A，B)和最 近H個(gè)歷史觀測值（〇1，〇2,. . .，〇H)，基于列車當(dāng)前時(shí)刻的隱狀態(tài)q，在時(shí)刻t，通過設(shè)定預(yù)測 時(shí)域h'，獲取未來時(shí)段列車的位置預(yù)測值0,從而在每一采樣時(shí)刻滾動(dòng)推測到未來時(shí)段內(nèi) 地鐵列車的軌跡。
[0015] 進(jìn)一步的，步驟A的具體過程如下：
[0016] 步驟AU從地鐵交通控制中心的數(shù)據(jù)庫提取各個(gè)列車運(yùn)行過程中所停靠的站點(diǎn)信 息；
[0017] 步驟A2、按照正反兩個(gè)運(yùn)行方向?qū)Ω鱾€(gè)列車所?？康恼军c(diǎn)信息進(jìn)行分類，并將同 一運(yùn)行方向上的相同站點(diǎn)進(jìn)行合并；
[0018] 步驟A3、根據(jù)站點(diǎn)合并結(jié)果，按照站點(diǎn)的空間布局形式用直線連接前后多個(gè)站點(diǎn)。
[0019] 進(jìn)一步的，步驟B的具體過程如下：
[0020] 步驟B1、構(gòu)建單一子段上的交通流控制模型；其具體過程如下：
[0021] 步驟BI. 1、引入狀態(tài)變量Ψ、輸入變量U和輸出變量Ω，其中Ψ表示站點(diǎn)間相連 路段上某時(shí)刻存在的列車數(shù)量，它包括單路段和多路段兩種類型，u表示軌道交通調(diào)度員針 對某路段所實(shí)施的調(diào)度措施，如調(diào)整列車速度或更改列車的在站時(shí)間等，Ω表示某時(shí)段路 段上離開的列車數(shù)量；
[0022] 步驟BL 2、通過將時(shí)間離散化，建立形如Ψ (t+Δ t) = A1W (t)+BlU(t)和Ω (t)= C1WaHD1Ua)的單一子段上的離散時(shí)間交通流控制模型，其中At表示采樣間隔，ψα) 表不t時(shí)刻的狀態(tài)向量，Β。CdP D汾別表不t時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、輸入矩陣、輸出測 量矩陣和直接傳輸矩陣；
[0023] 步驟B2、構(gòu)建多子段上的交通流控制模型；其具體過程如下：
[0024] 步驟B2. 1、根據(jù)線路空間布局形式和列車流量歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲取交叉線路各子 段上的流量比例參數(shù)β ;
[0025] 步驟B2. 2、根據(jù)流量比例參數(shù)和單一子段上的離散時(shí)間交通流控制模型，構(gòu)建形 如ψα+At) =A1WaHB1Ua)和ω (t) =C1WaHD1Ua)的多子段上的離散時(shí)間交通流 控制模型；
[0026] 步驟B3、根據(jù)控制模型的可控系數(shù)矩陣[B1, A1B1, ...，V 1B1]的秩與數(shù)值η的關(guān) 系，定性分析其可控性，根據(jù)控制模型的敏感系數(shù)矩陣[C 1 (Zl-A1) %+Dj，定量分析其輸入 輸出敏感性，其中η表示狀態(tài)向量的維數(shù)，I表示單位矩陣，z表示對原始離散時(shí)間交通流控 制模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換的基本因子。
[0027] 進(jìn)一步的，步驟C的具體過程如下：
[0028] 步驟CU列車狀態(tài)轉(zhuǎn)移建模，列車沿軌道交通路網(wǎng)運(yùn)行的過程表現(xiàn)為在站點(diǎn)間的 動(dòng)態(tài)切換過程，根據(jù)列車運(yùn)行計(jì)劃中的站點(diǎn)設(shè)置，建立單個(gè)列車在不同站點(diǎn)間切換轉(zhuǎn)移的 Petri網(wǎng)模型：E = (g，G，Pre，P〇st，m)為列車路段轉(zhuǎn)移模型，其中g(shù)表示站點(diǎn)間各子路段， G表示列車運(yùn)行速度狀態(tài)參數(shù)的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，Pre和Post分別表示各子路段和站點(diǎn)間的前后向 連接關(guān)系，B Z1表示列車所處的運(yùn)行路段，其中m表示模型標(biāo)識，Z+表示正整數(shù)集合；
[0029] 步驟C2、列車全運(yùn)行剖面混雜系統(tǒng)建模，將列車在站點(diǎn)間的運(yùn)行視為連續(xù)過程，從 列車的受力情形出發(fā)，依據(jù)能量模型推導(dǎo)列車在不同運(yùn)行階段的動(dòng)力學(xué)方程，結(jié)合外界干 擾因素，建立關(guān)于列車在某一運(yùn)行階段速度化的映射函數(shù) V(；= λ (T1, T2，H，R，a)，其中1\、 T2、H、R和a分別表示列車牽引力、列車制動(dòng)力、列車阻力、列車重力和列車狀態(tài)隨機(jī)波動(dòng) 參數(shù)；
[0030] 步驟C3、采用混雜仿真的方式推測求解列車軌跡，通過將時(shí)間細(xì)分，利用狀 態(tài)連續(xù)變化的特性遞推求解任意時(shí)刻列車在某一運(yùn)行階段距初始?？课恢命c(diǎn)的距離， = J1 +Ji Tl Λ，其中J。為初始時(shí)刻列車距初始?？课恢命c(diǎn)的航程，Δ τ為時(shí)間窗 的數(shù)值，J(T)為τ時(shí)刻列車距初始?？课恢命c(diǎn)的路程，由此可以推測得到單列車軌跡；
[0031] 步驟C4、列車在站時(shí)間概率分布函數(shù)建模，針對特定運(yùn)行線路，通過調(diào)取列車在各 車站的停站時(shí)間數(shù)據(jù)，獲取不同線路不同站點(diǎn)條件下列車的停站時(shí)間概率