王生彩(呼和浩特鐵路局集寧機務段呼和整備車間)

列車節(jié)能運行探討

王生彩
(呼和浩特鐵路局集寧機務段呼和整備車間)

摘要:能源是人類生存的關鍵，我國面臨著能源開發(fā)利用率低，人均能源擁有量較低的現(xiàn)狀。通過對列車節(jié)能操作的研究，使機車操縱得到優(yōu)化，減少列車運行能耗，對鐵路運輸可持續(xù)發(fā)展有著非常重要的意義。依次對能源問題、國內外列車節(jié)能操作優(yōu)化策略和模型算法研究現(xiàn)狀等進行了綜述，并在此基礎上，將運行條件對列車節(jié)能運行的影響進行了相關的定量分析。

關鍵詞:能源;列車節(jié)能;運行時間;運行模式

中圖分類號:U291

文獻標識碼:C

文章編號:1008－3383(2015)04－0188－02

1　引言

能源問題是事關人類生存的重大問題。我國人口眾多，能源資源相對缺乏，人均能源資源占有量不到世界平均水平的一半。鐵路運輸部門的能耗要占鐵路總能耗的絕大部分，而鐵路機車是鐵路運輸?shù)臓恳齽恿碓?，其消耗的能源占鐵路運輸能耗近70%，如表1所示。因此機車能耗大小不僅直接關系著鐵路運營成本，還體現(xiàn)了鐵路運輸組織的水平，降低牽引能耗對降低鐵路能耗具有舉足輕重的作用。

表1　我國鐵路運輸部門能耗情況變化

2　國內外研究現(xiàn)狀

根據(jù)列車屬性，列車運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行安全、平穩(wěn)、舒適、準時和停車精度，后者主要考慮列車運行安全、平穩(wěn)和節(jié)能運行。根據(jù)研究目標，該類研究主要包括平穩(wěn)操縱、定時操縱和節(jié)能操縱，由于機車牽引能耗的巨額經濟成本和氣體排放引起的污染問題，節(jié)能操縱問題是該領域的研究熱點。根據(jù)研究方法的不同，列車節(jié)能運行操縱優(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，并建立了求解列車節(jié)能操縱問題的機械能模型。

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

2．2列車節(jié)能操縱模型算法研究現(xiàn)狀

由于列車運行環(huán)境較為復雜、影響因素較多，因此列車節(jié)能操縱問題是一個非線性有約束的動態(tài)最優(yōu)化問題，各國的學者在這一領域的研究大抵可以分為三類:能耗模型結合啟發(fā)式算法尋優(yōu)、局部優(yōu)化仿真計算結合全局尋優(yōu)策略、列車運行仿真結合啟發(fā)式算法尋優(yōu)。

(1)能耗模型結合啟發(fā)式算法尋優(yōu)

該類型的研究是在定時條件下，假設機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行的操縱策略，建立了求解列車節(jié)能操縱問題的機械能模型。

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)局部優(yōu)化仿真計算與全局尋優(yōu)相結合

王自力通過分析列車運行過程中的能耗組成，引入了下坡道入口的兩個特征速度，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，建立了局部優(yōu)化仿真與全局尋優(yōu)策略相結合的計算模型，簡化了全局優(yōu)化計算，更好的滿足了優(yōu)化計算的時效性。

(3)列車運行仿真結合啟發(fā)式算法尋優(yōu)

毛保華與劉海東研究討論了定時條件下列車節(jié)能操縱優(yōu)化問題，提出了限速差分配富余運行時分的啟發(fā)式算法，開發(fā)了一套可用于不同運行條件下列車節(jié)能運行模擬軟件。

丁勇針對機車操縱的實際情況，研究了定時條件下列車節(jié)能優(yōu)化操縱問題，建立了基于目標速度的列車節(jié)能操縱優(yōu)化模型，并設計了啟發(fā)式算法。

3　運行條件對列車節(jié)能運行的影響

列車運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行線路的坡道、彎道等相關參數(shù)，以及列車運行距離和運行時間;列車影響條件包括列車質量和列車的牽引特性等。從列車節(jié)能操縱的角度分析，列車研究的重點在于同一種車型在同一條線路上的運行時的差異，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行時的差異主要是由列車運行時間和運行模式決定的。

3．1運行時間對列車節(jié)能運行的影響

在運行模式相同的條件下，列車的運行時間越長，則所需要消耗的能量值就越小，這是因為列車的平均速度為運行距離與運行時間的比值，對于同一條線路而言，運行時間越長平均速度越低，而平均速度越低列車克服基本阻力做功也就越小。

Benjamin通過實驗數(shù)據(jù)深入研究了運行時間與節(jié)能問題的關系，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長的線路時的耗油情況。由此可以看出，隨著運行時間的增加列車運行能耗呈下降趨勢，如圖1所示。文獻分別從理論計算、列車運行仿真等方面對此問題進行了研究，得出了相同的變化趨勢。

表2　不同運行時間下三種最優(yōu)操縱方式的比較

在實際列車運行過程中列車的運行時間不能無限制的增加，否則時間越長則能夠達到的最小能耗越低，討論最小能耗就失去了意義。因此需要討論在固定時間條件下列車節(jié)能操縱優(yōu)化問題，這時運行模式是列車節(jié)能運行的主要影響因素。

圖1　運行時間與能耗關系變化趨勢

3．2運行模式對列車節(jié)能運行的影響

列車的運行過程根據(jù)操縱工況的不同可以分為3種情形:牽引運行、惰行和制動運行。其中牽引運行包括起動、加速牽引和勻速牽引，能耗主要用于克服列車運行阻力和提高列車運行速度;制動運行，主要在列車運行途中調速和進站停車時使用，其中列車的動能轉化為熱能消耗掉;惰行時發(fā)動機空轉不產生牽引和制動力，只有機車本身的能量消耗。

機車在牽引列車運行時，用來克服列車基本運行阻力所做的功要占牽引功的75%左右;用來克服制動力做功大約占15%;由于存在上下坡道會抵消一部分坡道阻力做功、起動阻力所占的時間比較短、曲線附加阻力只存在曲線線路上，這三部分占10%左右。由上可知在運行過程中基本阻力和制動力做功占牽引功的絕大部分，而列車基本阻力和制動力均與操縱方式有關。

下面通過建立列車運行時能量轉換的關系式來對列車的運行能耗進行詳細分析。在給定的區(qū)段內，機車牽引列車所做的輪周功E采用以下公式表示

其中，Eb為機車本身的消耗，Ew為列車運行基本阻力做功，Ef為列車運行附加阻力做功，Ez為制動消耗的動能。

(1) Eb消耗的影響因素

機車本身的消耗，主要取決于機車的輪周功效率和各能量轉換環(huán)節(jié)的能量損失。當機車輸出功率為額定功率時，效率最高;當輸出功率較低時，效率就變得較低。機車各能量轉換環(huán)節(jié)的能量消耗，與運行方式無關，主要由機車本身的性能決定。

(2) Ew消耗的影響因素

列車運行基本阻力功可以表示為:

式中: a、b、c均為機車車輛有關的系數(shù)，M為列車質量，當列車編組確定時機車車輛運行基本阻力大小與運行速度成正相關。

(3) Ef消耗的影響因素

列車運行附加阻力功主要包括坡道阻力、曲線阻力和隧道阻力產生的能耗。在運行途中坡道附加阻力占主要部分，其計算公式為

是由列車質量M和線路區(qū)段始、終點的標高差△h確定的，與運行速度及操縱方法無關。當列車編組和運行區(qū)間確定時附加阻力做功是一個定值。

(4) Ez消耗的影響因素

列車在進行制動時造成了動能的損失，損失的能量計算公式為

當列車編組確定時，列車制動損失的動能大小取決于制動初速度和制動末速度。

綜上所述，在列車編組、線路條件和運行時分等確定的情況下，機車自身的消耗以及線路附加阻力與列車運行方式無關。因此，優(yōu)化機車操縱序列減少列車運行和制動能耗是節(jié)能降耗的關鍵。

4　結論

能耗是列車運行操縱的主要技術指標之一，降低行車能耗對促進鐵路運輸?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，全面分析了國內外節(jié)能操縱研究現(xiàn)狀，分析了運行條件對列車節(jié)能運行的影響，指出在列車編組、線路條件和運行時分等確定的情況下，機車自身的消耗以及線路附加阻力與列車運行方式無關。從而為優(yōu)化列車節(jié)能操縱序列，降低列車運行能耗提供了參考。

參考文獻:

［1］鐵道部統(tǒng)計中心．鐵路簡明統(tǒng)計資料［M］．中國鐵道出版社，2009．

［2］王自力．列車節(jié)能運行優(yōu)化操縱的研究［J］．西南交通大學報，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］．鐵道學報，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算研究［J］．鐵道學報，1998，20(5) 47－52．

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

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

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

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

作者簡介:王生彩(1988－)，男，甘肅榆中人，助理工程師。

收稿日期:2015－01－10