高速鐵路行車調(diào)度節(jié)能運(yùn)行圖編制方法研究

王 濤，陳 峰，張 琦

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081 ）

高速鐵路行車調(diào)度節(jié)能運(yùn)行圖編制方法研究

王 濤，陳 峰，張 琦

（中國鐵道科學(xué)研究院 通信信號研究所，北京 100081 ）

針對高速鐵路行車調(diào)度節(jié)能需求的現(xiàn)狀，以列車在區(qū)間運(yùn)行效率最高和總能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)，提出以區(qū)間運(yùn)行時(shí)間和停站時(shí)間為輸入變量，對能耗成本和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，建立節(jié)能運(yùn)行圖編制模型。通過仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明在列車運(yùn)行圖編制中，考慮適當(dāng)?shù)卦黾恿熊囘\(yùn)行時(shí)間和優(yōu)化停站方案時(shí)，可以節(jié)省很多列車運(yùn)行能耗。

高速鐵路；行車調(diào)度；節(jié)能；運(yùn)行圖編制

近年來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源短缺成為世界上各大經(jīng)濟(jì)體的日益突出的棘手問題，從石油價(jià)格不斷上漲可見一斑，一定程度上抑制了世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展趨勢[1]。高速鐵路運(yùn)輸效率高、準(zhǔn)時(shí)性好、舒適度高、受外界干擾小、安全可靠，因此與公路、航空等運(yùn)輸方式相比具有很強(qiáng)吸引力，對于緩解我國鐵路運(yùn)輸能力緊張、運(yùn)輸效率不高、服務(wù)水平較低的狀況具有重要意義[2～3]。高速鐵路成網(wǎng)運(yùn)營后必然會(huì)導(dǎo)致國家綜合交通體系中各交通方式客流分擔(dān)率、運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的顯著變化，對我國綜合交通運(yùn)輸體系產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[4]。截至2013年底，全路已經(jīng)形成了“四縱兩橫”的提速網(wǎng)絡(luò)，主要城市間旅客列車運(yùn)行速度得到提高，旅行時(shí)間大幅度壓縮，進(jìn)一步提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了運(yùn)輸成本[5]。

高速列車的運(yùn)行控制系統(tǒng)是確保列車運(yùn)行安全和提高列車運(yùn)行效率的核心子系統(tǒng)。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是指揮調(diào)度系統(tǒng)的大腦和中樞系統(tǒng)，是列車運(yùn)行安全的保障系統(tǒng)，也是對列車運(yùn)行能耗有重要影響的系統(tǒng)[6]。由于我國能源相對稀缺，節(jié)能減排日益受到重視，為降低高速鐵路發(fā)展進(jìn)程中出現(xiàn)的負(fù)面效應(yīng)。因此，采用有效的運(yùn)行圖編制方法以提高高速鐵路的節(jié)能效率，已經(jīng)成為高速鐵路節(jié)能的關(guān)鍵。

本文以高速鐵路為研究對象, 以列車在區(qū)間運(yùn)行效率最高和總能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)，考慮區(qū)間運(yùn)行時(shí)間和停站時(shí)間，對能耗成本和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，建立節(jié)能運(yùn)行圖編制模型，以深化高速鐵路行車調(diào)度的理論與方法研究。

1 模型約束

由于鐵路運(yùn)輸環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，對行車調(diào)度指揮中的運(yùn)行圖編制建模的主要因素是車站和線路[7～8]。本文所建模和仿真的路網(wǎng)示意圖如圖1所示：

圖1 路網(wǎng)示意圖

本文以上行方向?yàn)槔龑δＰ偷募s束條件進(jìn)行說明：

（1）區(qū)間列車運(yùn)行時(shí)間約束

列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分應(yīng)等于列車離開該區(qū)間的時(shí)間減去到達(dá)該區(qū)間的時(shí)間。

（2）車站作業(yè)時(shí)間約束

列車在車站的作業(yè)時(shí)間通常表示為列車在車站的停留時(shí)間。

（3）區(qū)間速度約束

為了保證列車在區(qū)間運(yùn)行的安全與旅客的舒適度，列車的運(yùn)行速度應(yīng)滿足以下條件：

（4）追蹤列車間隔時(shí)間約束

在自動(dòng)閉塞區(qū)段，凡一個(gè)站間區(qū)間內(nèi)同方向有兩列及以上列車，以閉塞分區(qū)間隔運(yùn)行，成為追蹤運(yùn)行，追蹤運(yùn)行列車之間的最小間隔時(shí)間成為追蹤列車間隔。

（5）車站間隔時(shí)間約束

自某方向列車到達(dá)車站時(shí)起，至由該站發(fā)出另一同方向列車時(shí)止的最小間隔時(shí)間。

2 節(jié)能運(yùn)行圖編制方法

考慮客運(yùn)列車優(yōu)化調(diào)度問題，分別從只考慮列車運(yùn)行時(shí)間、考慮列車運(yùn)行時(shí)間和停站方案2個(gè)方面建模，建模分別從列車能耗成本和列車運(yùn)行時(shí)間兩個(gè)目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化[9]，其中能耗成本用來表示列車運(yùn)營成本。

2.1 僅考慮列車運(yùn)行時(shí)間的節(jié)能運(yùn)行圖編制方法

2.1.1 列車能耗成本

因列車在線路上勻速運(yùn)行，由運(yùn)動(dòng)學(xué)原理牽引力等于阻力，所以列車能耗即為克服阻力做功。根據(jù)列車運(yùn)行阻力模型——戴維斯方程，列車阻力可以通過列車速度的二次函數(shù)來描述。

列車受到的單位阻力：

其中：α，β，γ是與車輛有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)， v是速度。

列車i的總能耗為：

其中：mi是列車的質(zhì)量；ri列車i每單位功率輸出的燃料消耗率；lq是區(qū)間q的長度。

整個(gè)路網(wǎng)上所有列車的能耗值為：

2.1.2 列車的運(yùn)行時(shí)間總和

定義每列列車的運(yùn)行時(shí)間為列車始末站的到發(fā)時(shí)間之差。即：列車的整個(gè)運(yùn)營時(shí)間為di,q–ai,q。從而，整個(gè)路網(wǎng)上的所有列車的運(yùn)行時(shí)間總和為：

2.2 考慮列車運(yùn)行時(shí)間和停站方案的節(jié)能運(yùn)行圖編制方法

在停站方案中，由于列車的停車、作業(yè)和啟動(dòng)過程需要消耗時(shí)間和能耗，主要對路網(wǎng)中的列車在進(jìn)行運(yùn)行圖編制過程中，需要考慮路網(wǎng)內(nèi)減少列車的停站次數(shù)，在減少運(yùn)行時(shí)間和列車能耗。

2.2.1 列車能耗成本

在僅考慮運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)上，由于每站的停車包括制動(dòng)、停車作業(yè)和啟動(dòng)3部分，考慮制動(dòng)能耗和啟動(dòng)能耗，引入停站方案，假設(shè)列車i在車站s的制動(dòng)能耗成本為ei制，啟動(dòng)能耗成本為ei啟，那么列車在i站需要的能耗成本為：ei制+ei啟，考慮到如果列車不停站，通過時(shí)也需要能耗成本，在此引入列車不停站通過系數(shù)λ，一般取值為0.5–1中的某個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，因此，列車在如果不停站能節(jié)省的能耗成本函數(shù)為：

因此，整個(gè)路網(wǎng)上所有列車的能耗值為：

2.2.2 列車的運(yùn)行時(shí)間總和

由于每站的停車多消耗的時(shí)間包括停車附加時(shí)間、作業(yè)時(shí)間和啟動(dòng)附加時(shí)間3部分，引入停站方案，假設(shè)列車i在車站s的停車附加時(shí)間為ti停，啟動(dòng)附加時(shí)間為ti啟，那么列車在i站需要的時(shí)間為：ti停+ti啟，而列車i在車站s的作業(yè)時(shí)間為考慮到如果列車不停站，通過時(shí)間也包含了在車站的運(yùn)行時(shí)間，在此引入列車不停站通過系數(shù)λ，一般取值為0.5～1中的某個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，因此，列車在如果不停站能節(jié)省的時(shí)間函數(shù)為：

因此，如果考慮列車停站方案的情況下的列車運(yùn)行時(shí)間總和為：

2.3 模型求解步驟

多目標(biāo)列車運(yùn)行圖節(jié)能調(diào)度優(yōu)化模型是一個(gè)多目標(biāo)混合整數(shù)規(guī)劃問題，在該問題中，各目標(biāo)函數(shù)在約束條件下很難同時(shí)達(dá)到各自的最優(yōu)解[10]。因此，通過對各目標(biāo)值的滿意程度來確定某些有效解為理想解。為此，提出的求解多目標(biāo)規(guī)劃的模糊算法有效地刻畫了多目標(biāo)規(guī)劃的滿意程度。

（1）求出各目標(biāo)在約束條件下的最大值和最小值為分量所構(gòu)成的向量；

（2）計(jì)算各個(gè)目標(biāo)值的隸屬度函數(shù)；

（3）利用最大最小算子法，把多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題。

通過以上算法，可以求出多目標(biāo)優(yōu)化問題的模糊最優(yōu)解。

3 實(shí)證分析

假設(shè)有4列列車分別從不同方向開出，其中上行列車用2，4表示，下行列車用1，3表示，列車分別經(jīng)過5站，4區(qū)間。線上列車可分為2種不同的等級，其中列車3，4為特快旅客列車，最高時(shí)速為160 km/h；列車1，2為動(dòng)車組，最高時(shí)速250 km/h。假設(shè)特快旅客列車的質(zhì)量與能耗因子比動(dòng)車組列車大。分別考慮調(diào)整列車運(yùn)行時(shí)間和停站方案，根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)，對多目標(biāo)列車節(jié)能運(yùn)行調(diào)度問題進(jìn)行模擬。

通過仿真驗(yàn)證，得到優(yōu)化前的列車運(yùn)行圖和優(yōu)化后的列車運(yùn)行圖，結(jié)果如圖2、3和4所示。

圖2 優(yōu)化前的原始列車運(yùn)行圖

圖3 僅考慮列車運(yùn)行時(shí)間的優(yōu)化列車運(yùn)行圖

從上面結(jié)果看出，列車在初始條件下，只考慮了時(shí)間目標(biāo)，從而各次列車均以最快速度運(yùn)行，如圖2所示。此時(shí)列車的運(yùn)行時(shí)間達(dá)到最小，而總能耗成本達(dá)到了最大。通過多目標(biāo)列車運(yùn)行圖節(jié)能調(diào)度優(yōu)化后，在考慮了總運(yùn)行時(shí)間最優(yōu)的同時(shí)，優(yōu)化列車能耗。如圖3中，能耗較多的動(dòng)車組列車1，2速度有所放緩，但總運(yùn)行時(shí)間只是略微地增加，而總能耗成本得到較大程度的減少，在如圖4中，在考慮列車運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)上改變了動(dòng)車組1，2的停站方案，僅在200 km站點(diǎn)停車，與僅考慮列車運(yùn)行時(shí)間相比，總運(yùn)行時(shí)間略微減少，而能耗也略有下降。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

圖4 考慮列車運(yùn)行時(shí)間和停站方案的優(yōu)化列車運(yùn)行圖

表1 初始運(yùn)行圖和優(yōu)化運(yùn)行圖數(shù)據(jù)比較

通過以上的計(jì)算驗(yàn)證，在目標(biāo)函數(shù)中僅考慮運(yùn)行時(shí)間的能耗成本，則列車運(yùn)行時(shí)間只增加了8.84%，而能耗成本能夠減少29.10%，可見，考慮列車運(yùn)行時(shí)間的方案在略微增加列車運(yùn)行時(shí)間的基礎(chǔ)上，減少了總的能耗成本；在采用多目標(biāo)列車運(yùn)行圖節(jié)能調(diào)度優(yōu)化時(shí)，考慮列車的運(yùn)行時(shí)間和停站方案的基礎(chǔ)上，列車運(yùn)行時(shí)間相比初始的運(yùn)行圖時(shí)間只增加了6.59%，能耗成本能夠減少32.55%，與僅考慮運(yùn)行時(shí)間比較，在同時(shí)考慮停站方案時(shí)，運(yùn)行時(shí)間減少了2.08%，能耗成本減少了4.77%，可以看出：列車在考慮運(yùn)行時(shí)間和停站方案時(shí)，減少了列車的運(yùn)行時(shí)間和總的能耗成本，節(jié)能運(yùn)行優(yōu)化效果更好。由此可見，通過節(jié)能運(yùn)行圖編制方法，不僅能夠得到很好的節(jié)能減排效果，又能降低列車的運(yùn)營成本。

4 結(jié)束語

本文以高速鐵路節(jié)能運(yùn)行為研究的出發(fā)點(diǎn)，以列車在區(qū)間運(yùn)行效率最高和總能耗最低為優(yōu)化目標(biāo)，目的是設(shè)計(jì)理論上可行、且在工程實(shí)際中可操作的高速鐵路列車節(jié)能運(yùn)行圖編制方法。因此，本文在對能耗成本和運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，從高速鐵路列車節(jié)能運(yùn)行圖編制的角度進(jìn)行建模和仿真。通過上面的分析在列車運(yùn)行圖編制中，考慮適當(dāng)?shù)卦黾恿熊囘\(yùn)行時(shí)間和優(yōu)化停站方案時(shí)，可以大大地減少能耗成本，列車節(jié)能運(yùn)行圖編制方法節(jié)能效果明顯。

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責(zé)任編輯 徐侃春

Method of energy-saving operation diagram compiling for train operation dispatch of high-speed railway

WANG Tao, CHEN Feng, ZHANG Qi
( Signal & Communication Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China )

According to the demand for energy saving of high-speed railway, it was aimed at the maximum operation eff i ciency and minimum energy consumption for the train running on section, put forward the method that the train running time on section and stopping time at station was as input variables, to optimize the energy consumption cost and running time, establish the model of energy-saving operation diagram compiling. Through simulation experiment, the results showed that during the train operation diagram compiling, if it was considered the increasing of train operation time and reduced the train stopping time at station, energy-saving was obvious in train operation.

high-speed railway; train operation dispatching; energy-saving; train operation diagram compiling

U284.59∶TP39

A

1005-8451（2014）12-0005-04

2014-06-11

中國鐵路總公司科技與研究開發(fā)計(jì)劃課題（2014X004-A）。

王 濤 ，副研究員；陳 峰，助理研究員。