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      列車節(jié)能運(yùn)行探討

      2016-01-28 07:42:24王生彩呼和浩特鐵路局集寧機(jī)務(wù)段呼和整備車間
      黑龍江交通科技 2015年4期
      關(guān)鍵詞:運(yùn)行模式能源

      王生彩(呼和浩特鐵路局集寧機(jī)務(wù)段呼和整備車間)

      列車節(jié)能運(yùn)行探討

      王生彩
      (呼和浩特鐵路局集寧機(jī)務(wù)段呼和整備車間)

      摘要:能源是人類生存的關(guān)鍵,我國(guó)面臨著能源開發(fā)利用率低,人均能源擁有量較低的現(xiàn)狀。通過對(duì)列車節(jié)能操作的研究,使機(jī)車操縱得到優(yōu)化,減少列車運(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)能源問題、國(guó)內(nèi)外列車節(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;列車節(jié)能;運(yùn)行時(shí)間;運(yùn)行模式

      中圖分類號(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

      能源問題是事關(guān)人類生存的重大問題。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)輸部門的能耗要占鐵路總能耗的絕大部分,而鐵路機(jī)車是鐵路運(yùn)輸?shù)臓恳齽?dòng)力來源,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)輸部門能耗情況變化

      2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

      根據(jù)列車屬性,列車運(yùn)行與操縱的研究可分為旅客列車操縱優(yōu)化和貨物列車操縱優(yōu)化,前者主要考慮列車運(yùn)行安全、平穩(wěn)、舒適、準(zhǔn)時(shí)和停車精度,后者主要考慮列車運(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)車牽引能耗的巨額經(jīng)濟(jì)成本和氣體排放引起的污染問題,節(jié)能操縱問題是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。根據(jù)研究方法的不同,列車節(jié)能運(yùn)行操縱優(yōu)化既有研究成果可以概述如下。

      2.1列車節(jié)能操縱優(yōu)化策略研究現(xiàn)狀

      1980年,Mllroy研究了列車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),并建立了求解列車節(jié)能操縱問題的機(jī)械能模型。

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

      2.2列車節(jié)能操縱模型算法研究現(xiàn)狀

      由于列車運(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜、影響因素較多,因此列車節(jié)能操縱問題是一個(gè)非線性有約束的動(dòng)態(tài)最優(yōu)化問題,各國(guó)的學(xué)者在這一領(lǐng)域的研究大抵可以分為三類: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)

      該類型的研究是在定時(shí)條件下,假設(shè)機(jī)車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,建立了求解列車節(jié)能操縱問題的機(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節(jié)能操縱問題。

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

      王自力通過分析列車運(yùn)行過程中的能耗組成,引入了下坡道入口的兩個(gè)特征速度,縮小了尋優(yōu)范圍。金煒東研究了列車在起伏坡道上節(jié)能操縱優(yōu)化問題,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)條件下列車節(jié)能操縱優(yōu)化問題,提出了限速差分配富余運(yùn)行時(shí)分的啟發(fā)式算法,開發(fā)了一套可用于不同運(yùn)行條件下列車節(jié)能運(yùn)行模擬軟件。

      丁勇針對(duì)機(jī)車操縱的實(shí)際情況,研究了定時(shí)條件下列車節(jié)能優(yōu)化操縱問題,建立了基于目標(biāo)速度的列車節(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)列車節(jié)能運(yùn)行的影響

      列車運(yùn)行過程影響因素較多,可以將其分為兩大類,線路影響和列車影響。線路影響條件包括列車的運(yùn)行線路的坡道、彎道等相關(guān)參數(shù),以及列車運(yùn)行距離和運(yùn)行時(shí)間;列車影響條件包括列車質(zhì)量和列車的牽引特性等。從列車節(jié)能操縱的角度分析,列車研究的重點(diǎn)在于同一種車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型和相同的線路條件下的。同一種車型在同一條線路上的運(yùn)行時(shí)的差異主要是由列車運(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)列車節(jié)能運(yùn)行的影響

      在運(yùn)行模式相同的條件下,列車的運(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)榱熊嚨钠骄俣葹檫\(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克服基本阻力做功也就越小。

      Benjamin通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)深入研究了運(yùn)行時(shí)間與節(jié)能問題的關(guān)系,如表2所示,采用同一貨物列車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、列車運(yùn)行仿真等方面對(duì)此問題進(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)際列車運(yùn)行過程中列車的運(yùn)行時(shí)間不能無限制的增加,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)間條件下列車節(jié)能操縱優(yōu)化問題,這時(shí)運(yùn)行模式是列車節(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)列車節(jié)能運(yùn)行的影響

      列車的運(yùn)行過程根據(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運(yùn)行阻力和提高列車運(yùn)行速度;制動(dòng)運(yùn)行,主要在列車運(yùn)行途中調(diào)速和進(jìn)站停車時(shí)使用,其中列車的動(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)車本身的能量消耗。

      機(jī)車在牽引列車運(yùn)行時(shí),用來克服列車基本運(yùn)行阻力所做的功要占牽引功的75%左右;用來克服制動(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,而列車基本阻力和制動(dòng)力均與操縱方式有關(guān)。

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

      其中,Eb為機(jī)車本身的消耗,Ew為列車運(yùn)行基本阻力做功,Ef為列車運(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)車本身的消耗,主要取決于機(jī)車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)車各能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的能量消耗,與運(yùn)行方式無關(guān),主要由機(jī)車本身的性能決定。

      (2) Ew消耗的影響因素

      列車運(yùn)行基本阻力功可以表示為:

      式中: a、b、c均為機(jī)車車輛有關(guān)的系數(shù),M為列車質(zhì)量,當(dāng)列車編組確定時(shí)機(jī)車車輛運(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關(guān)。當(dāng)列車編組和運(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)列車編組確定時(shí),列車制動(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,在列車編組、線路條件和運(yùn)行時(shí)分等確定的情況下,機(jī)車自身的消耗以及線路附加阻力與列車運(yùn)行方式無關(guān)。因此,優(yōu)化機(jī)車操縱序列減少列車運(yùn)行和制動(dòng)能耗是節(jié)能降耗的關(guān)鍵。

      4 結(jié)論

      能耗是列車運(yùn)行操縱的主要技術(shù)指標(biāo)之一,降低行車能耗對(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)列車節(jié)能運(yùn)行的影響,指出在列車編組、線路條件和運(yùn)行時(shí)分等確定的情況下,機(jī)車自身的消耗以及線路附加阻力與列車運(yùn)行方式無關(guān)。從而為優(yōu)化列車節(jié)能操縱序列,降低列車運(yùn)行能耗提供了參考。

      參考文獻(xiàn):

      [1]鐵道部統(tǒng)計(jì)中心.鐵路簡(jiǎn)明統(tǒng)計(jì)資料[M].中國(guó)鐵道出版社,2009.

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

      [3]金煒東,王自力,李崇維,等.列車節(jié)能操縱優(yōu)化方法研究[J].鐵道學(xué)報(bào),1997.19(6) : 58-62.

      [4]金煒東,靳藩,李崇維,等.列車優(yōu)化操縱速度模式曲線生成的智能計(jì)算研究[J].鐵道學(xué)報(bào),1998,20(5) 47-52.

      [5]張燕.列車節(jié)能操縱優(yōu)化問題的研究[D].西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2010.

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

      [7]丁勇.列車運(yùn)行計(jì)算與操縱優(yōu)化模擬系統(tǒng)的研究[D].北京交通大學(xué)博士學(xué)位論文,2004.

      [8]丁勇,毛保華,劉海東.定時(shí)約束條件下列車節(jié)能操縱的仿真算法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2004,16(10) : 241-244.

      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

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