列車節能優化操縱方法分析

侯 贊

（兗州煤業鐵路運輸處，山東 鄒城 273500）

列車節能優化操縱方法分析

侯 贊

（兗州煤業鐵路運輸處，山東 鄒城 273500）

由于鐵路運輸能耗的巨額經濟成本以及環境保護的要求，列車節能運行操縱方法的研究變得日益重要。本文對列車運行的工況轉換進行了分析，通過對節能控制要素的分析，制定了節能運行策略，對列車的實際運行提供了指導意見。

鐵路運輸；工況轉換；操縱方法；節能

1 引言

鐵路運行過程中的能耗在鐵路運輸成本中占有的比例很大，嚴重影響了運輸部門經濟效益的提高，這給企業帶來了很大的壓力。每年運輸能源的高能耗帶來的支出嚴重影響了企業的可持續發展，也給國家能源儲備帶來了一定影響，研究車輛的能量消耗情況，分析列車的節能途徑是一項迫在眉睫的工作。

鐵路運輸的能耗涉及很多因素，包括列車的牽引制動性能、列車及負荷的質量，線路條件及列車的操縱方式等。在既定的線路條件、列車運營規劃下，同一列車運行相同的一段線路也存在很多種操縱方法，每種方法對應的運行時間、能耗不盡相同，如何在規定的運營時間內找出一種能耗最小的操縱方式成為了一條經濟可行的途徑。為此國內外學者對此進行了廣泛和深入的研究。P.How lett教授利用經典最優理論的方法，通過控制列車手柄位的方法優化了操縱模型［1]。Chang，C.S教授分析了惰行點的選擇對能量消耗的影響，通過遺傳算法求解了最優惰行點，設計了列車節能運行方案［2]。毛保華等基于對運行阻力功和制動動能損失的考慮，從列車速度的均衡性及列車不必要制動導致的能量損失兩個方面進行了研究，并進行了仿真計算［3]。王奇鐘等從列車運行中各種機械功的組成及轉化規律人手，根據列車運行需要及操縱經驗，對節能列車操縱的思路及方法進行了分析論述［4]。以上研究為我處列車節能運行提供了參考。

2 列車運行過程中的工況轉換分析

列車運行模式包括牽引、惰行和制動三種［5]。牽引運行包括起動、加速、維持一定速度運行，機車傳動裝置輸出的有效機械功，用于克服列車運行阻力和提高或保持一定的列車動能；制動運行，包括為使列車在各種限制速度內運行而進行的制動調速和停車制動，列車的動能轉化為熱能或電能；惰行時機車不產生牽引力，也無制動能耗，機車的能耗為其本身的消耗。從工況轉換的角度來看，將牽引、惰行、制動三種工況的轉換列在表1中［6]。

表1 列車工況轉換表

表1表明，在列車運行過程中，牽引工況和制動工況之間不能直接轉換，而惰行工況可以和牽引、制動工況相互轉換。因此牽引和制動工況之間必須加入惰行工況，這是根據列車的實際駕駛經驗長期試驗總結的。尤其是對于采用再生制動的機車，電機從正轉消耗能量直接轉變到反轉產生能量是不可行的，這也是《機車操縱規程》規定的。

3 節能控制因素分析

列車的牽引力主要用來克服列車運行過程中的阻力和線路附加阻力，并使列車獲得足夠的剩余加速度。列車運行基本阻力的計算公式為：w=a+bv+cv2

a，b，c為與機車車輛有關的參數，v為列車的速度。

列車運行過程中的能耗主要有兩方面，一方面用于克服牽引過程中的阻力做功，一方面是制動過程中動能轉化為其他能量而散失。由列車運行基本阻力公式可知，列車運行過程中的阻力和速度有直接關系。

列車制動根據作用可分為調速制動和停站制動，調速制動一般在行駛過程中下一限速區間限速降低需要降低當前速度時采取的，屬于不必要的制動，一般情況下可以通過提前觀察前方線路情況和合理選擇惰行轉換點避免。停站制動是指根據列車運行圖規定的或調度員根據實際情況安排的停車，如需要進站停車、調車作業或者單線會車，屬于必要制動，一般情況下不可避免。有些單線半自動閉塞的列車會車時，通過前方預告信號機的顯示提前采取惰行方式或者降低手柄位，可以避免不必要的制動。

根據以上分析，列車運行速度和運行過程中的制動情況是影響列車能耗的主要因素，可以從這兩大因素研究，通過合理優化列車運行速度和避免不必要的制動來節約能量。

4 節能運行策略分析

國內外學者的研究表明，在設計列車優化操縱策略時，可以遵循如下原則：

（1）加速過程按最大牽引力牽引；

（2）停車制動按最大制動力制動；

（3）除停車制動外，避免采用空氣制動；

（4）在約束條件下協調采用均速及惰行方式。

根據以上原則，列車起步后在條件允許的情況下盡可能快的牽引到一定速度，區間運行時充分利用惰行方式，減少不必要的能量消耗。列車經過距離較長的下坡道時，充分利用自身的重力勢能，提前采用惰行工況或適當降低牽引手柄位，同時控制列車的速度在限制速度以內，避免列車在下坡過程中速度過高而采取不必要的制動。此外，不同限速區間之間要合理確定牽引工況到惰行工況的轉換點，在限速區間轉換過程中避免不必要的制動，以節省能源。列車停車制動時采用較大的減速度制動并且盡量避免多次制動。

由于線路情況多種多樣，列車運行過程中的工況轉換策略是非常復雜的。在列車運行過程中，線路條件、運營時間、機車牽引及制動效的性能都對其有一定影響。根據工況轉換原則及優化操縱策略，本文對列車優化操縱過程中工況轉換分為以下幾種典型的情況進行了討論［7]。

圖1 列車運行工況轉換1

如圖1所示，由于列車的牽引工況和制動工況不能直接轉換，當列車在牽引時便碰到了制動曲線，需要轉為惰行方式，直至下一限速區間。

注意到圖1中，該限速區間路程較短，列車經過一次牽引工況后，V-S曲線便觸碰到了制動曲線。如果該限速區間路程較長，列車需要進行多次的牽引和惰行方式后才觸碰到制動曲線，按照圖1所示的方法，牽引至限制速度后開始惰行，此時惰行的距離會很長，雖然節能效果明顯，但是列車的運營時間也會大大加長，難以滿足鐵路運營規劃的要求。所以上述方法也有一定的局限性。兼顧能耗和運行時間二者之間的平衡，本文設定，經過多次牽引--惰行之后，當牽引曲線觸碰到制動曲線時，從上次惰行位置繼續惰行，直至進入下一限速區間。

當列車牽引曲線和制動曲線的交點高于限制速度時，可以在中間加入惰行工況，即列車牽引到限制速度后采用惰行方式，當惰行曲線與制動曲線相交時再轉變為制動工況，如圖3所示。

5 實際應用

為了能夠實現上述研究，國內外許多專家設計了一些可行的模型。例如一種Metrom iser的裝置，該裝置將列車運行時刻表、列車的運行距離及線路條件等預先存儲在系統中，通過軌道電路接收到列車的行駛距離，速度等數據，根據這些數據，該裝置可以計算出列車最優的行駛方案，并且通過顯示器指導司機的操縱，還可以進行動態調整，極大的優化了列車的運行方式。

圖2 列車運行工況轉換2

圖3 列車運行工況轉換3

我礦區鐵路上也可安裝類似的節能設施，改善司機的駕駛策略。通過列車上安裝的微型計算機，預先存儲一些必要的參數，如：線路數據、列車運營規劃等，預先計算出駕駛策略，用以指導司機的駕駛，將為企業的鐵路運輸節省巨大的能源。

［1］P Howlet t.Opt imal St rategies for the Cont rol of a Train［J].Automatic （S0005-1098），1996，32（4）：519-532.

［2］C.S.Chang，S.S.Sim.Optimising Train Movements through Coast Control Using Genetic Algorithms［J].IEE Proc.Elect ric Power Applications.1997，144（1）：1-9.

［3]柏贅，毛保華，周方明，丁勇，董成兵.基于功耗分析的貨物列車節能運行控制方法研究［J].交通運輸系統工程與信息.2009，9（3）：43-50.

［4]王奇鐘.節能列車操縱的思路及方法［J].鐵道機車車輛.2008，28（4）：64-67.

［5]唐濤，黃良驥.列車自動駕駛系統控制算法綜述［J].鐵道學報，2003，25（2）：98-102.

［6]侯贊．ATO系統綜合性能評價與列車多目標優化操縱方法研究［D]．北京：北京交通大學碩士學位論文，2012．

［7]廖濤．基于多目標優化的列車操縱方法研究［D]．北京：北京交通大學碩士學位論文，2011．