列車行車優(yōu)化操縱的研究

何鵬飛

（中鐵二院西安勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，西安 710054）

鐵路運(yùn)輸屬于能源占用型和資源消耗型行業(yè)，其能源消耗涉及諸多因素，作為鐵路運(yùn)營(yíng)工作的一項(xiàng)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在鐵路運(yùn)輸能耗中，機(jī)車牽引能耗占到鐵路能耗的60%～70%[1]，它不僅影響到運(yùn)營(yíng)成本的高低，還反映了鐵路運(yùn)輸組織工作的水平。在一定的牽引機(jī)車、車輛線路等硬件環(huán)境下、列車編組計(jì)劃等運(yùn)營(yíng)管理狀況下，改進(jìn)機(jī)車的操縱方法以實(shí)現(xiàn)列車的節(jié)能運(yùn)行，是一條經(jīng)濟(jì)有效且直接可行的節(jié)能途徑[2]。通過(guò)研究列車節(jié)能操縱優(yōu)化的相關(guān)問(wèn)題，提出切實(shí)可行的列車節(jié)能操縱方法，制定合理的列車運(yùn)行圖，給出適當(dāng)?shù)膮^(qū)間運(yùn)行時(shí)間對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。

同時(shí)，可以通過(guò)對(duì)節(jié)能運(yùn)行操縱的改進(jìn)和使用，通過(guò)計(jì)算機(jī)硬件和軟件支持，為開(kāi)發(fā)出列車運(yùn)行自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行的智能化管理和運(yùn)行提供理論和技術(shù)支持。

1 研究思路

本文研究的主要思想是通過(guò)采用由節(jié)時(shí)模式向節(jié)能模式轉(zhuǎn)化的方法，尋找保證列車節(jié)能運(yùn)行的最優(yōu)行車策略。節(jié)時(shí)模式就是在保證列車行車安全、操縱合理的情況下，依據(jù)不同的線路斷面情況以及斷面限速，給出對(duì)應(yīng)的操縱方式，使得列車速度盡量提高，以相對(duì)較高的速度完成區(qū)間行車，從而使得整個(gè)行車區(qū)間時(shí)間最短，由此得出的整個(gè)區(qū)間的行車操縱稱之為節(jié)時(shí)模式。

節(jié)能模式是由節(jié)時(shí)模式轉(zhuǎn)化而來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)能耗最小化，將行車區(qū)間給定的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間作為限制條件，在節(jié)時(shí)模式行車的基礎(chǔ)上，不斷地采用合理的優(yōu)化策略，通過(guò)增加區(qū)間運(yùn)行時(shí)間來(lái)降低行車能耗，直到整個(gè)區(qū)間運(yùn)行時(shí)間達(dá)到給定的時(shí)間，本文在總結(jié)以前各位學(xué)者提出的優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上，提出了3種優(yōu)化策略——牽引優(yōu)化、惰行優(yōu)化和停車優(yōu)化，而且在優(yōu)化過(guò)程中以能耗降低率作為策略選擇的標(biāo)準(zhǔn)，使得優(yōu)化過(guò)程更加合理。其中，對(duì)于坡道的劃分，本文并沒(méi)有采用以往簡(jiǎn)單的將坡道劃分為上坡道、下坡道和平道，而是劃分為增速坡道和非增速坡道兩種[4]：

增速坡道：列車在此坡道上，采用惰行操縱工況，列車速度會(huì)增加，增速坡道為具有較大的坡度的下坡道。

非增速坡道：列車在此坡道上，如果采用惰行操縱行車，列車速度將會(huì)減小或者保持勻速運(yùn)行，這種情況會(huì)出現(xiàn)在坡度較小的下坡道、平道和上坡道上。

優(yōu)化變坡點(diǎn)是為了找出合理的優(yōu)化位置，本文定義當(dāng)行車斷面由非增速坡道轉(zhuǎn)入增速坡道的變坡點(diǎn)稱之為優(yōu)化變坡點(diǎn)，3種優(yōu)化策略如下：

1.1 牽引優(yōu)化

牽引優(yōu)化是與充分利用下坡道的勢(shì)能來(lái)提高列車速度的節(jié)能原則相對(duì)應(yīng)的。主要的思想是從優(yōu)化變坡點(diǎn)開(kāi)始，向前尋找出變坡點(diǎn)前列車采用全牽引操縱的終止點(diǎn)，然后從全牽引終止點(diǎn)開(kāi)始，再向前將一定操縱步長(zhǎng)的全牽引操縱轉(zhuǎn)為局部牽引，保證列車自此點(diǎn)開(kāi)始保持勻速到達(dá)變坡點(diǎn)。這樣列車經(jīng)過(guò)變坡點(diǎn)進(jìn)入下坡道的速度會(huì)有所降低，便于充分利用下坡道的勢(shì)能。同時(shí)這也降低了這些步長(zhǎng)內(nèi)的機(jī)車牽引力，列車能耗也將隨之降低。

1.2 惰行優(yōu)化

惰行優(yōu)化策略也是與充分利用下坡道的勢(shì)能來(lái)提高列車速度的原則相對(duì)應(yīng)的，該策略是從優(yōu)化變坡點(diǎn)開(kāi)始向前尋找變坡點(diǎn)前列車勻速牽引的終止點(diǎn)，然后由此開(kāi)始向前將一定操縱步長(zhǎng)內(nèi)的勻速牽引操縱方式轉(zhuǎn)為惰行。這樣會(huì)使得列車在進(jìn)入下坡道的速度進(jìn)一步減小，從而更加充分的通過(guò)利用下坡道的勢(shì)能來(lái)提高列車速度。同時(shí)因?yàn)槿∠艘欢ú倏v步長(zhǎng)內(nèi)的牽引過(guò)程，列車能耗自然也隨之降低。但這個(gè)過(guò)程必須保證列車在經(jīng)過(guò)變坡點(diǎn)的速度要大于0，以保證列車能夠順利通過(guò)變坡點(diǎn)。

1.3 停車優(yōu)化

停車優(yōu)化是按照列車制動(dòng)前增加惰行的原則，在列車經(jīng)過(guò)進(jìn)站道岔之前，進(jìn)一步增加惰行操縱，使得列車在經(jīng)過(guò)進(jìn)站道岔時(shí)的速度進(jìn)一步減小。這樣做會(huì)同時(shí)導(dǎo)致列車在進(jìn)站到停車之間運(yùn)行時(shí)的惰行距離也隨著增加，而從采取制動(dòng)到停車的距離進(jìn)一步減小。

圖1給出了節(jié)能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化策略選擇邏輯框圖，其中框圖中參數(shù)的實(shí)際意義如下：

Tn——列車實(shí)際行車總時(shí)間，s；

T——區(qū)間規(guī)定運(yùn)行時(shí)間，s；

lv1,lv2,lv3——牽引、惰行、停車優(yōu)化策略對(duì)應(yīng)的能耗降低率，kJ/s；

n——當(dāng)前優(yōu)化變坡點(diǎn)系數(shù)。

N——總的優(yōu)化變坡點(diǎn)數(shù)。

圖1 尋優(yōu)策略選擇邏輯框圖

2 實(shí)例驗(yàn)證

為了對(duì)由節(jié)時(shí)模式向節(jié)能模式轉(zhuǎn)化的優(yōu)化操縱尋優(yōu)方法進(jìn)行驗(yàn)證，作者以Visual C++ 為平臺(tái)。開(kāi)發(fā)出了能夠?qū)崿F(xiàn)列車行車仿真優(yōu)化操縱仿真軟件。下面首先以大準(zhǔn)線清水河——王桂窯段上行進(jìn)行行車仿真，仿真之前應(yīng)當(dāng)輸入整個(gè)區(qū)段的行車斷面參數(shù)和列車編組信息，這些數(shù)據(jù)既可以在軟件運(yùn)行前在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行更新，也可以通過(guò)軟件給出的數(shù)據(jù)交換對(duì)話框進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入。

此處列車編組采用1臺(tái)SS4機(jī)車牽引60輛C80，載重6 000 t作為列車編組；列車運(yùn)行區(qū)間用時(shí)設(shè)置為18 min，進(jìn)站道岔距停車點(diǎn)距離按照車站實(shí)際參數(shù)取1 200 m。

行車仿真結(jié)束后可以查看仿真結(jié)果，結(jié)果包含了列車編組主要信息，還有列車在兩種模式下的耗時(shí)和能耗，同時(shí)給出了兩種模式下的列車運(yùn)行速度—距離曲線圖，可以清楚地對(duì)操縱結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。優(yōu)化操作結(jié)果如圖2所示。

圖2 優(yōu)化操縱行車結(jié)果圖

從圖2的結(jié)果圖可以看出：通過(guò)采用優(yōu)化操縱，行車過(guò)程隨著區(qū)間運(yùn)行時(shí)間增大，行車曲線趨于緩和，同時(shí)列車能耗得到明顯降低。而且通過(guò)圖2中的結(jié)果表明，對(duì)整個(gè)行車仿真過(guò)程的操縱工況變化觀察可以發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)行車過(guò)程中，最初的5 300 m多的距離采用牽引操縱, 列車速度達(dá)到57.75 km/h，其中，3 100 m～5 035 m為局部牽引，其余斷面均采用全牽引。列車在后面的行車過(guò)程中，都是依靠下坡道的勢(shì)能，采用惰行操縱行車完成余下的行車區(qū)間，直至進(jìn)站后列車速度下降到只有28.62 km/h時(shí)才制動(dòng)停車，這些都與下面的優(yōu)化行車原則相符合[5]：

（1）盡可能利用下坡道的勢(shì)能；

（2）減少列車不必要制動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能損失 ；

（3）制動(dòng)前增加惰行。

可見(jiàn)由節(jié)時(shí)模式向節(jié)能模式轉(zhuǎn)換的優(yōu)化操縱行車策略中，最終得到的節(jié)能操縱行車與節(jié)能操縱優(yōu)化行車原則是完全符合的。

在《大準(zhǔn)線列車操縱示意圖》中給出的在此編組下清水河—王桂窯段的操縱指導(dǎo)為：列車起車滿負(fù)荷牽引運(yùn)行，214 km處（大概為5 200 m），速度58 km/h,惰力運(yùn)行，列車進(jìn)站減壓停車。與上面的節(jié)能仿真結(jié)果的操縱十分接近，這就說(shuō)明了該方法的正確性。

同時(shí)，為了考察驗(yàn)證此方法內(nèi)部算法的計(jì)算效率，在配置為處理器AMD athlon 64×2 Dual Core Processor 5000+,硬盤(pán)320 G，顯卡為NVDIA GeForce 8500 GT的電腦上對(duì)此區(qū)段進(jìn)行多次仿真，獲得整個(gè)區(qū)間的平尋優(yōu)均耗時(shí)只有1 min21 s。而目前采用的操縱尋優(yōu)軟件，一個(gè)區(qū)段的尋優(yōu)過(guò)程一般需要花費(fèi)1 h～2 h，可以看出本算法尋優(yōu)速度很高。

同時(shí)為了驗(yàn)證在其它行車區(qū)段，行車區(qū)間存在限速變化時(shí)，該軟件是否仍然可以使用，在此選取大準(zhǔn)線北黃土溝—丹洲營(yíng)下行區(qū)段作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，其中加入了低速限速，中間一些區(qū)段的限速為60 km/h,列車編組采用了1臺(tái)SS4機(jī)車牽引128輛C80，此時(shí)車輛為空車，載重3 046 t，根據(jù)線路實(shí)際數(shù)據(jù)，進(jìn)站道岔距停車點(diǎn)的距離為1 000 m，區(qū)間運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為17 min，由此得出的仿真行車結(jié)果如圖3所示[6]：

圖3 存在限速變化優(yōu)化操縱行車結(jié)果圖

依據(jù)上面的實(shí)例仿真可以看出，雖然整個(gè)區(qū)間的行車限速是不一致的，整個(gè)行車過(guò)程無(wú)論是節(jié)時(shí)模式還是節(jié)能模式列車運(yùn)行速度始終保持在區(qū)間線速以下，很好的保證了列車的行車安全，同時(shí)在限速變化時(shí)，行車曲線過(guò)渡平緩合理，從而可以說(shuō)明該軟件是適用于任何線路條件的，對(duì)行車結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，節(jié)能模式與節(jié)時(shí)模式相比，能耗降低明顯，在原來(lái)基礎(chǔ)上減小了29.85%。

3 結(jié)術(shù)語(yǔ)

本文在結(jié)合以往對(duì)列車運(yùn)行優(yōu)化操縱研究的基礎(chǔ)上，提出新的方法來(lái)考慮優(yōu)化行車由節(jié)時(shí)模式向節(jié)能模式轉(zhuǎn)化的行車方法。本文作者以Visual C++ 6.0為平臺(tái)，基于MFC開(kāi)發(fā)出了能夠?qū)崿F(xiàn)列車行車仿真優(yōu)化操縱仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了節(jié)時(shí)模式和節(jié)能模式兩種不同的行車策略下的行車仿真，通過(guò)以大準(zhǔn)線清水河—王桂窯上行、北黃土溝——丹洲營(yíng)下行區(qū)段的行車參數(shù)進(jìn)行實(shí)例仿真，驗(yàn)證了作者提出的由節(jié)時(shí)模式向節(jié)能模式轉(zhuǎn)化的行車操縱尋優(yōu)方法是正確可行的。

[1]王 峰.列車節(jié)能運(yùn)行分析與優(yōu)化研究[D].北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

[2]張 燕，王柄達(dá).定時(shí)條件下列車節(jié)能操縱研究綜述[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2011，9（1）.

[3]林 芝,季 令, 施其洲.交通運(yùn)輸業(yè)能源短缺問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施[J].鐵道運(yùn)輸與經(jīng)濟(jì)，2006，（5）.

[4]尹仁發(fā).列車牽引運(yùn)行仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.

[5]王自力.列車節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化操縱的研究[D]. 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，29 （3）：275- 280.

[6]何鵬飛.列車行車優(yōu)化操縱的研究[J].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.