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(jī)車操縱得到優(yōu)化，減少列車運(yùn)行能耗，對鐵路運(yùn)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(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)行時間;運(yùn)行模式

中圖分類號:U291

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:C

文章編號: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(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)臓恳齽恿碓?，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)營成本，還體現(xiàn)了鐵路運(yùn)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(yùn)輸部門能耗情況變化

2　國內(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。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，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，即減少列車動能的損失和減少列車運(yùn)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(yùn)行環(huán)境較為復(fù)雜、影響因素較多，因此列車節(jié)能操縱問題是一個非線性有約束的動態(tài)最優(yōu)化問題，各國的學(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)、局部優(yōu)化仿真計算結(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)局部優(yōu)化仿真計算與全局尋優(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(jié)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(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。

丁勇針對機(jī)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(biāo)速度的列車節(jié)能操縱優(yōu)化模型，并設(shè)計了啟發(fā)式算法。

3　運(yùn)行條件對列車節(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，列車研究的重點在于同一種車型在同一條線路上的運(yùn)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(yùn)行時的差異主要是由列車運(yùn)行時間和運(yùn)行模式?jīng)Q定的。

3．1運(yùn)行時間對列車節(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(yùn)行距離與運(yùn)行時間的比值，對于同一條線路而言，運(yùn)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(yùn)行時間與節(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長的線路時的耗油情況。由此可以看出，隨著運(yùn)行時間的增加列車運(yùn)行能耗呈下降趨勢，如圖1所示。文獻(xiàn)分別從理論計算、列車運(yùn)行仿真等方面對此問題進(jìn)行了研究，得出了相同的變化趨勢。

表2　不同運(yùn)行時間下三種最優(yōu)操縱方式的比較

在實際列車運(yùn)行過程中列車的運(yùn)行時間不能無限制的增加，否則時間越長則能夠達(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間條件下列車節(jié)能操縱優(yōu)化問題，這時運(yùn)行模式是列車節(jié)能運(yùn)行的主要影響因素。

圖1　運(yùn)行時間與能耗關(guān)系變化趨勢

3．2運(yùn)行模式對列車節(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、惰行和制動運(yùn)行。其中牽引運(yùn)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(yùn)行阻力和提高列車運(yùn)行速度;制動運(yùn)行，主要在列車運(yùn)行途中調(diào)速和進(jìn)站停車時使用，其中列車的動能轉(zhuǎn)化為熱能消耗掉;惰行時發(fā)動機(jī)空轉(zhuǎn)不產(chǎn)生牽引和制動力，只有機(jī)車本身的能量消耗。

機(jī)車在牽引列車運(yùn)行時，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(yùn)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(guān)。

下面通過建立列車運(yùn)行時能量轉(zhuǎn)換的關(guān)系式來對列車的運(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為制動消耗的動能。

(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，效率最高;當(dāng)輸出功率較低時，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，其計算公式為

是由列車質(zhì)量M和線路區(qū)段始、終點的標(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)間確定時附加阻力做功是一個定值。

(4) Ez消耗的影響因素

列車在進(jìn)行制動時造成了動能的損失，損失的能量計算公式為

當(dāng)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(yùn)行時分等確定的情況下，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，全面分析了國內(nèi)外節(jié)能操縱研究現(xiàn)狀，分析了運(yùn)行條件對列車節(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。

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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