列車節(jié)能優(yōu)化操縱方法分析

侯 贊

（兗州煤業(yè)鐵路運(yùn)輸處，山東 鄒城 273500）

列車節(jié)能優(yōu)化操縱方法分析

侯 贊

（兗州煤業(yè)鐵路運(yùn)輸處，山東 鄒城 273500）

由于鐵路運(yùn)輸能耗的巨額經(jīng)濟(jì)成本以及環(huán)境保護(hù)的要求，列車節(jié)能運(yùn)行操縱方法的研究變得日益重要。本文對(duì)列車運(yùn)行的工況轉(zhuǎn)換進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)節(jié)能控制要素的分析，制定了節(jié)能運(yùn)行策略，對(duì)列車的實(shí)際運(yùn)行提供了指導(dǎo)意見(jiàn)。

鐵路運(yùn)輸；工況轉(zhuǎn)換；操縱方法；節(jié)能

1 引言

鐵路運(yùn)行過(guò)程中的能耗在鐵路運(yùn)輸成本中占有的比例很大，嚴(yán)重影響了運(yùn)輸部門經(jīng)濟(jì)效益的提高，這給企業(yè)帶來(lái)了很大的壓力。每年運(yùn)輸能源的高能耗帶來(lái)的支出嚴(yán)重影響了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，也給國(guó)家能源儲(chǔ)備帶來(lái)了一定影響，研究車輛的能量消耗情況，分析列車的節(jié)能途徑是一項(xiàng)迫在眉睫的工作。

鐵路運(yùn)輸?shù)哪芎纳婕昂芏嘁蛩?，包括列車的牽引制?dòng)性能、列車及負(fù)荷的質(zhì)量，線路條件及列車的操縱方式等。在既定的線路條件、列車運(yùn)營(yíng)規(guī)劃下，同一列車運(yùn)行相同的一段線路也存在很多種操縱方法，每種方法對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間、能耗不盡相同，如何在規(guī)定的運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)找出一種能耗最小的操縱方式成為了一條經(jīng)濟(jì)可行的途徑。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛和深入的研究。P.How lett教授利用經(jīng)典最優(yōu)理論的方法，通過(guò)控制列車手柄位的方法優(yōu)化了操縱模型［1]。Chang，C.S教授分析了惰行點(diǎn)的選擇對(duì)能量消耗的影響，通過(guò)遺傳算法求解了最優(yōu)惰行點(diǎn)，設(shè)計(jì)了列車節(jié)能運(yùn)行方案［2]。毛保華等基于對(duì)運(yùn)行阻力功和制動(dòng)動(dòng)能損失的考慮，從列車速度的均衡性及列車不必要制動(dòng)導(dǎo)致的能量損失兩個(gè)方面進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了仿真計(jì)算［3]。王奇鐘等從列車運(yùn)行中各種機(jī)械功的組成及轉(zhuǎn)化規(guī)律人手，根據(jù)列車運(yùn)行需要及操縱經(jīng)驗(yàn)，對(duì)節(jié)能列車操縱的思路及方法進(jìn)行了分析論述［4]。以上研究為我處列車節(jié)能運(yùn)行提供了參考。

2 列車運(yùn)行過(guò)程中的工況轉(zhuǎn)換分析

列車運(yùn)行模式包括牽引、惰行和制動(dòng)三種［5]。牽引運(yùn)行包括起動(dòng)、加速、維持一定速度運(yùn)行，機(jī)車傳動(dòng)裝置輸出的有效機(jī)械功，用于克服列車運(yùn)行阻力和提高或保持一定的列車動(dòng)能；制動(dòng)運(yùn)行，包括為使列車在各種限制速度內(nèi)運(yùn)行而進(jìn)行的制動(dòng)調(diào)速和停車制動(dòng)，列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能或電能；惰行時(shí)機(jī)車不產(chǎn)生牽引力，也無(wú)制動(dòng)能耗，機(jī)車的能耗為其本身的消耗。從工況轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看，將牽引、惰行、制動(dòng)三種工況的轉(zhuǎn)換列在表1中［6]。

表1 列車工況轉(zhuǎn)換表

表1表明，在列車運(yùn)行過(guò)程中，牽引工況和制動(dòng)工況之間不能直接轉(zhuǎn)換，而惰行工況可以和牽引、制動(dòng)工況相互轉(zhuǎn)換。因此牽引和制動(dòng)工況之間必須加入惰行工況，這是根據(jù)列車的實(shí)際駕駛經(jīng)驗(yàn)長(zhǎng)期試驗(yàn)總結(jié)的。尤其是對(duì)于采用再生制動(dòng)的機(jī)車，電機(jī)從正轉(zhuǎn)消耗能量直接轉(zhuǎn)變到反轉(zhuǎn)產(chǎn)生能量是不可行的，這也是《機(jī)車操縱規(guī)程》規(guī)定的。

3 節(jié)能控制因素分析

列車的牽引力主要用來(lái)克服列車運(yùn)行過(guò)程中的阻力和線路附加阻力，并使列車獲得足夠的剩余加速度。列車運(yùn)行基本阻力的計(jì)算公式為：w=a+bv+cv2

a，b，c為與機(jī)車車輛有關(guān)的參數(shù)，v為列車的速度。

列車運(yùn)行過(guò)程中的能耗主要有兩方面，一方面用于克服牽引過(guò)程中的阻力做功，一方面是制動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其他能量而散失。由列車運(yùn)行基本阻力公式可知，列車運(yùn)行過(guò)程中的阻力和速度有直接關(guān)系。

列車制動(dòng)根據(jù)作用可分為調(diào)速制動(dòng)和停站制動(dòng)，調(diào)速制動(dòng)一般在行駛過(guò)程中下一限速區(qū)間限速降低需要降低當(dāng)前速度時(shí)采取的，屬于不必要的制動(dòng)，一般情況下可以通過(guò)提前觀察前方線路情況和合理選擇惰行轉(zhuǎn)換點(diǎn)避免。停站制動(dòng)是指根據(jù)列車運(yùn)行圖規(guī)定的或調(diào)度員根據(jù)實(shí)際情況安排的停車，如需要進(jìn)站停車、調(diào)車作業(yè)或者單線會(huì)車，屬于必要制動(dòng)，一般情況下不可避免。有些單線半自動(dòng)閉塞的列車會(huì)車時(shí)，通過(guò)前方預(yù)告信號(hào)機(jī)的顯示提前采取惰行方式或者降低手柄位，可以避免不必要的制動(dòng)。

根據(jù)以上分析，列車運(yùn)行速度和運(yùn)行過(guò)程中的制動(dòng)情況是影響列車能耗的主要因素，可以從這兩大因素研究，通過(guò)合理優(yōu)化列車運(yùn)行速度和避免不必要的制動(dòng)來(lái)節(jié)約能量。

4 節(jié)能運(yùn)行策略分析

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究表明，在設(shè)計(jì)列車優(yōu)化操縱策略時(shí)，可以遵循如下原則：

（1）加速過(guò)程按最大牽引力牽引；

（2）停車制動(dòng)按最大制動(dòng)力制動(dòng)；

（3）除停車制動(dòng)外，避免采用空氣制動(dòng)；

（4）在約束條件下協(xié)調(diào)采用均速及惰行方式。

根據(jù)以上原則，列車起步后在條件允許的情況下盡可能快的牽引到一定速度，區(qū)間運(yùn)行時(shí)充分利用惰行方式，減少不必要的能量消耗。列車經(jīng)過(guò)距離較長(zhǎng)的下坡道時(shí)，充分利用自身的重力勢(shì)能，提前采用惰行工況或適當(dāng)降低牽引手柄位，同時(shí)控制列車的速度在限制速度以內(nèi)，避免列車在下坡過(guò)程中速度過(guò)高而采取不必要的制動(dòng)。此外，不同限速區(qū)間之間要合理確定牽引工況到惰行工況的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，在限速區(qū)間轉(zhuǎn)換過(guò)程中避免不必要的制動(dòng)，以節(jié)省能源。列車停車制動(dòng)時(shí)采用較大的減速度制動(dòng)并且盡量避免多次制動(dòng)。

由于線路情況多種多樣，列車運(yùn)行過(guò)程中的工況轉(zhuǎn)換策略是非常復(fù)雜的。在列車運(yùn)行過(guò)程中，線路條件、運(yùn)營(yíng)時(shí)間、機(jī)車牽引及制動(dòng)效的性能都對(duì)其有一定影響。根據(jù)工況轉(zhuǎn)換原則及優(yōu)化操縱策略，本文對(duì)列車優(yōu)化操縱過(guò)程中工況轉(zhuǎn)換分為以下幾種典型的情況進(jìn)行了討論［7]。

圖1 列車運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換1

如圖1所示，由于列車的牽引工況和制動(dòng)工況不能直接轉(zhuǎn)換，當(dāng)列車在牽引時(shí)便碰到了制動(dòng)曲線，需要轉(zhuǎn)為惰行方式，直至下一限速區(qū)間。

注意到圖1中，該限速區(qū)間路程較短，列車經(jīng)過(guò)一次牽引工況后，V-S曲線便觸碰到了制動(dòng)曲線。如果該限速區(qū)間路程較長(zhǎng)，列車需要進(jìn)行多次的牽引和惰行方式后才觸碰到制動(dòng)曲線，按照?qǐng)D1所示的方法，牽引至限制速度后開始惰行，此時(shí)惰行的距離會(huì)很長(zhǎng)，雖然節(jié)能效果明顯，但是列車的運(yùn)營(yíng)時(shí)間也會(huì)大大加長(zhǎng)，難以滿足鐵路運(yùn)營(yíng)規(guī)劃的要求。所以上述方法也有一定的局限性。兼顧能耗和運(yùn)行時(shí)間二者之間的平衡，本文設(shè)定，經(jīng)過(guò)多次牽引--惰行之后，當(dāng)牽引曲線觸碰到制動(dòng)曲線時(shí)，從上次惰行位置繼續(xù)惰行，直至進(jìn)入下一限速區(qū)間。

當(dāng)列車牽引曲線和制動(dòng)曲線的交點(diǎn)高于限制速度時(shí)，可以在中間加入惰行工況，即列車牽引到限制速度后采用惰行方式，當(dāng)惰行曲線與制動(dòng)曲線相交時(shí)再轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿?dòng)工況，如圖3所示。

5 實(shí)際應(yīng)用

為了能夠?qū)崿F(xiàn)上述研究，國(guó)內(nèi)外許多專家設(shè)計(jì)了一些可行的模型。例如一種Metrom iser的裝置，該裝置將列車運(yùn)行時(shí)刻表、列車的運(yùn)行距離及線路條件等預(yù)先存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，通過(guò)軌道電路接收到列車的行駛距離，速度等數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，該裝置可以計(jì)算出列車最優(yōu)的行駛方案，并且通過(guò)顯示器指導(dǎo)司機(jī)的操縱，還可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，極大的優(yōu)化了列車的運(yùn)行方式。

圖2 列車運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換2

圖3 列車運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換3

我礦區(qū)鐵路上也可安裝類似的節(jié)能設(shè)施，改善司機(jī)的駕駛策略。通過(guò)列車上安裝的微型計(jì)算機(jī)，預(yù)先存儲(chǔ)一些必要的參數(shù)，如：線路數(shù)據(jù)、列車運(yùn)營(yíng)規(guī)劃等，預(yù)先計(jì)算出駕駛策略，用以指導(dǎo)司機(jī)的駕駛，將為企業(yè)的鐵路運(yùn)輸節(jié)省巨大的能源。

［1］P Howlet t.Opt imal St rategies for the Cont rol of a Train［J].Automatic （S0005-1098），1996，32（4）：519-532.

［2］C.S.Chang，S.S.Sim.Optimising Train Movements through Coast Control Using Genetic Algorithms［J].IEE Proc.Elect ric Power Applications.1997，144（1）：1-9.

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［4]王奇鐘.節(jié)能列車操縱的思路及方法［J].鐵道機(jī)車車輛.2008，28（4）：64-67.

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［6]侯贊．ATO系統(tǒng)綜合性能評(píng)價(jià)與列車多目標(biāo)優(yōu)化操縱方法研究［D]．北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012．

［7]廖濤．基于多目標(biāo)優(yōu)化的列車操縱方法研究［D]．北京：北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011．