列車(chē)節(jié)能運(yùn)行探討

王生彩(呼和浩特鐵路局集寧機(jī)務(wù)段呼和整備車(chē)間)

列車(chē)節(jié)能運(yùn)行探討

王生彩
(呼和浩特鐵路局集寧機(jī)務(wù)段呼和整備車(chē)間)

摘要:能源是人類(lèi)生存的關(guān)鍵，我國(guó)面臨著能源開(kāi)發(fā)利用率低，人均能源擁有量較低的現(xiàn)狀。通過(guò)對(duì)列車(chē)節(jié)能操作的研究，使機(jī)車(chē)操縱得到優(yōu)化，減少列車(chē)運(yùn)行能耗，對(duì)鐵路運(yùn)輸可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的意義。依次對(duì)能源問(wèn)題、國(guó)內(nèi)外列車(chē)節(jié)能操作優(yōu)化策略和模型算法研究現(xiàn)狀等進(jìn)行了綜述，并在此基礎(chǔ)上，將運(yùn)行條件對(duì)列車(chē)節(jié)能運(yùn)行的影響進(jìn)行了相關(guān)的定量分析。

關(guān)鍵詞:能源;列車(chē)節(jié)能;運(yùn)行時(shí)間;運(yùn)行模式

中圖分類(lèi)號(hào):U291

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:C

文章編號(hào):1008－3383(2015)04－0188－02

1　引言

能源問(wèn)題是事關(guān)人類(lèi)生存的重大問(wèn)題。我國(guó)人口眾多，能源資源相對(duì)缺乏，人均能源資源占有量不到世界平均水平的一半。鐵路運(yùn)輸部門(mén)的能耗要占鐵路總能耗的絕大部分，而鐵路機(jī)車(chē)是鐵路運(yùn)輸?shù)臓恳齽?dòng)力來(lái)源，其消耗的能源占鐵路運(yùn)輸能耗近70%，如表1所示。因此機(jī)車(chē)能耗大小不僅直接關(guān)系著鐵路運(yùn)營(yíng)成本，還體現(xiàn)了鐵路運(yùn)輸組織的水平，降低牽引能耗對(duì)降低鐵路能耗具有舉足輕重的作用。

表1　我國(guó)鐵路運(yùn)輸部門(mén)能耗情況變化

2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)列車(chē)屬性，列車(chē)運(yùn)行與操縱的研究可分為旅客列車(chē)操縱優(yōu)化和貨物列車(chē)操縱優(yōu)化，前者主要考慮列車(chē)運(yùn)行安全、平穩(wěn)、舒適、準(zhǔn)時(shí)和停車(chē)精度，后者主要考慮列車(chē)運(yùn)行安全、平穩(wěn)和節(jié)能運(yùn)行。根據(jù)研究目標(biāo)，該類(lèi)研究主要包括平穩(wěn)操縱、定時(shí)操縱和節(jié)能操縱，由于機(jī)車(chē)牽引能耗的巨額經(jīng)濟(jì)成本和氣體排放引起的污染問(wèn)題，節(jié)能操縱問(wèn)題是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。根據(jù)研究方法的不同，列車(chē)節(jié)能運(yùn)行操縱優(yōu)化既有研究成果可以概述如下。

2．1列車(chē)節(jié)能操縱優(yōu)化策略研究現(xiàn)狀

1980年，Mllroy研究了列車(chē)在平道或坡度較小的坡道上運(yùn)行的操縱策略，提出了短途列車(chē)的最優(yōu)控制序列為最大加速、惰行以及最大制動(dòng)，并建立了求解列車(chē)節(jié)能操縱問(wèn)題的機(jī)械能模型。

王自力，金煒東教授等通過(guò)分析列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的能耗組成，提出了列車(chē)節(jié)能運(yùn)行的主要原則，即減少列車(chē)動(dòng)能的損失和減少列車(chē)運(yùn)行時(shí)的基本阻力功。

2．2列車(chē)節(jié)能操縱模型算法研究現(xiàn)狀

由于列車(chē)運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜、影響因素較多，因此列車(chē)節(jié)能操縱問(wèn)題是一個(gè)非線性有約束的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化問(wèn)題，各國(guó)的學(xué)者在這一領(lǐng)域的研究大抵可以分為三類(lèi):能耗模型結(jié)合啟發(fā)式算法尋優(yōu)、局部?jī)?yōu)化仿真計(jì)算結(jié)合全局尋優(yōu)策略、列車(chē)運(yùn)行仿真結(jié)合啟發(fā)式算法尋優(yōu)。

(1)能耗模型結(jié)合啟發(fā)式算法尋優(yōu)

該類(lèi)型的研究是在定時(shí)條件下，假設(shè)機(jī)車(chē)功率與單位能耗成正比，依次研究了在水平坡道、分段常數(shù)坡道、連續(xù)變化坡道及帶速度限制的分段常數(shù)坡道。

Milroy研究了列車(chē)在平道或坡度較小的坡道上運(yùn)行的操縱策略，建立了求解列車(chē)節(jié)能操縱問(wèn)題的機(jī)械能模型。

Howlett和Pudney將SCG研究所的成果匯總形成了專著《Energy—efficient Train Control》，在這本專著中，他們還分別討論了分段常數(shù)坡道，連續(xù)變化坡道以及限速條件下的列車(chē)節(jié)能操縱問(wèn)題。

(2)局部?jī)?yōu)化仿真計(jì)算與全局尋優(yōu)相結(jié)合

王自力通過(guò)分析列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的能耗組成，引入了下坡道入口的兩個(gè)特征速度，縮小了尋優(yōu)范圍。金煒東研究了列車(chē)在起伏坡道上節(jié)能操縱優(yōu)化問(wèn)題，建立了局部?jī)?yōu)化仿真與全局尋優(yōu)策略相結(jié)合的計(jì)算模型，簡(jiǎn)化了全局優(yōu)化計(jì)算，更好的滿足了優(yōu)化計(jì)算的時(shí)效性。

(3)列車(chē)運(yùn)行仿真結(jié)合啟發(fā)式算法尋優(yōu)

毛保華與劉海東研究討論了定時(shí)條件下列車(chē)節(jié)能操縱優(yōu)化問(wèn)題，提出了限速差分配富余運(yùn)行時(shí)分的啟發(fā)式算法，開(kāi)發(fā)了一套可用于不同運(yùn)行條件下列車(chē)節(jié)能運(yùn)行模擬軟件。

丁勇針對(duì)機(jī)車(chē)操縱的實(shí)際情況，研究了定時(shí)條件下列車(chē)節(jié)能優(yōu)化操縱問(wèn)題，建立了基于目標(biāo)速度的列車(chē)節(jié)能操縱優(yōu)化模型，并設(shè)計(jì)了啟發(fā)式算法。

3　運(yùn)行條件對(duì)列車(chē)節(jié)能運(yùn)行的影響

列車(chē)運(yùn)行過(guò)程影響因素較多，可以將其分為兩大類(lèi)，線路影響和列車(chē)影響。線路影響條件包括列車(chē)的運(yùn)行線路的坡道、彎道等相關(guān)參數(shù)，以及列車(chē)運(yùn)行距離和運(yùn)行時(shí)間;列車(chē)影響條件包括列車(chē)質(zhì)量和列車(chē)的牽引特性等。從列車(chē)節(jié)能操縱的角度分析，列車(chē)研究的重點(diǎn)在于同一種車(chē)型在同一條線路上的運(yùn)行時(shí)的差異，因此下面的討論都是基于同種車(chē)型和相同的線路條件下的。同一種車(chē)型在同一條線路上的運(yùn)行時(shí)的差異主要是由列車(chē)運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行模式?jīng)Q定的。

3．1運(yùn)行時(shí)間對(duì)列車(chē)節(jié)能運(yùn)行的影響

在運(yùn)行模式相同的條件下，列車(chē)的運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，則所需要消耗的能量值就越小，這是因?yàn)榱熊?chē)的平均速度為運(yùn)行距離與運(yùn)行時(shí)間的比值，對(duì)于同一條線路而言，運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)平均速度越低，而平均速度越低列車(chē)克服基本阻力做功也就越小。

Benjamin通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深入研究了運(yùn)行時(shí)間與節(jié)能問(wèn)題的關(guān)系，如表2所示，采用同一貨物列車(chē)以三種操縱方式走完同一段100 km長(zhǎng)的線路時(shí)的耗油情況。由此可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加列車(chē)運(yùn)行能耗呈下降趨勢(shì)，如圖1所示。文獻(xiàn)分別從理論計(jì)算、列車(chē)運(yùn)行仿真等方面對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了研究，得出了相同的變化趨勢(shì)。

表2　不同運(yùn)行時(shí)間下三種最優(yōu)操縱方式的比較

在實(shí)際列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中列車(chē)的運(yùn)行時(shí)間不能無(wú)限制的增加，否則時(shí)間越長(zhǎng)則能夠達(dá)到的最小能耗越低，討論最小能耗就失去了意義。因此需要討論在固定時(shí)間條件下列車(chē)節(jié)能操縱優(yōu)化問(wèn)題，這時(shí)運(yùn)行模式是列車(chē)節(jié)能運(yùn)行的主要影響因素。

圖1　運(yùn)行時(shí)間與能耗關(guān)系變化趨勢(shì)

3．2運(yùn)行模式對(duì)列車(chē)節(jié)能運(yùn)行的影響

列車(chē)的運(yùn)行過(guò)程根據(jù)操縱工況的不同可以分為3種情形:牽引運(yùn)行、惰行和制動(dòng)運(yùn)行。其中牽引運(yùn)行包括起動(dòng)、加速牽引和勻速牽引，能耗主要用于克服列車(chē)運(yùn)行阻力和提高列車(chē)運(yùn)行速度;制動(dòng)運(yùn)行，主要在列車(chē)運(yùn)行途中調(diào)速和進(jìn)站停車(chē)時(shí)使用，其中列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉;惰行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)空轉(zhuǎn)不產(chǎn)生牽引和制動(dòng)力，只有機(jī)車(chē)本身的能量消耗。

機(jī)車(chē)在牽引列車(chē)運(yùn)行時(shí)，用來(lái)克服列車(chē)基本運(yùn)行阻力所做的功要占牽引功的75%左右;用來(lái)克服制動(dòng)力做功大約占15%;由于存在上下坡道會(huì)抵消一部分坡道阻力做功、起動(dòng)阻力所占的時(shí)間比較短、曲線附加阻力只存在曲線線路上，這三部分占10%左右。由上可知在運(yùn)行過(guò)程中基本阻力和制動(dòng)力做功占牽引功的絕大部分，而列車(chē)基本阻力和制動(dòng)力均與操縱方式有關(guān)。

下面通過(guò)建立列車(chē)運(yùn)行時(shí)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系式來(lái)對(duì)列車(chē)的運(yùn)行能耗進(jìn)行詳細(xì)分析。在給定的區(qū)段內(nèi)，機(jī)車(chē)牽引列車(chē)所做的輪周功E采用以下公式表示

其中，Eb為機(jī)車(chē)本身的消耗，Ew為列車(chē)運(yùn)行基本阻力做功，Ef為列車(chē)運(yùn)行附加阻力做功，Ez為制動(dòng)消耗的動(dòng)能。

(1) Eb消耗的影響因素

機(jī)車(chē)本身的消耗，主要取決于機(jī)車(chē)的輪周功效率和各能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量損失。當(dāng)機(jī)車(chē)輸出功率為額定功率時(shí)，效率最高;當(dāng)輸出功率較低時(shí)，效率就變得較低。機(jī)車(chē)各能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量消耗，與運(yùn)行方式無(wú)關(guān)，主要由機(jī)車(chē)本身的性能決定。

(2) Ew消耗的影響因素

列車(chē)運(yùn)行基本阻力功可以表示為:

式中: a、b、c均為機(jī)車(chē)車(chē)輛有關(guān)的系數(shù)，M為列車(chē)質(zhì)量，當(dāng)列車(chē)編組確定時(shí)機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行基本阻力大小與運(yùn)行速度成正相關(guān)。

(3) Ef消耗的影響因素

列車(chē)運(yùn)行附加阻力功主要包括坡道阻力、曲線阻力和隧道阻力產(chǎn)生的能耗。在運(yùn)行途中坡道附加阻力占主要部分，其計(jì)算公式為

是由列車(chē)質(zhì)量M和線路區(qū)段始、終點(diǎn)的標(biāo)高差△h確定的，與運(yùn)行速度及操縱方法無(wú)關(guān)。當(dāng)列車(chē)編組和運(yùn)行區(qū)間確定時(shí)附加阻力做功是一個(gè)定值。

(4) Ez消耗的影響因素

列車(chē)在進(jìn)行制動(dòng)時(shí)造成了動(dòng)能的損失，損失的能量計(jì)算公式為

當(dāng)列車(chē)編組確定時(shí)，列車(chē)制動(dòng)損失的動(dòng)能大小取決于制動(dòng)初速度和制動(dòng)末速度。

綜上所述，在列車(chē)編組、線路條件和運(yùn)行時(shí)分等確定的情況下，機(jī)車(chē)自身的消耗以及線路附加阻力與列車(chē)運(yùn)行方式無(wú)關(guān)。因此，優(yōu)化機(jī)車(chē)操縱序列減少列車(chē)運(yùn)行和制動(dòng)能耗是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

4　結(jié)論

能耗是列車(chē)運(yùn)行操縱的主要技術(shù)指標(biāo)之一，降低行車(chē)能耗對(duì)促進(jìn)鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展有重要意義。本文闡述了貨物列車(chē)節(jié)能操縱優(yōu)化的研究背景，全面分析了國(guó)內(nèi)外節(jié)能操縱研究現(xiàn)狀，分析了運(yùn)行條件對(duì)列車(chē)節(jié)能運(yùn)行的影響，指出在列車(chē)編組、線路條件和運(yùn)行時(shí)分等確定的情況下，機(jī)車(chē)自身的消耗以及線路附加阻力與列車(chē)運(yùn)行方式無(wú)關(guān)。從而為優(yōu)化列車(chē)節(jié)能操縱序列，降低列車(chē)運(yùn)行能耗提供了參考。

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作者簡(jiǎn)介:王生彩(1988－)，男，甘肅榆中人，助理工程師。

收稿日期:2015－01－10