列车节能优化操纵方法分析

侯 赞

（兖州煤业铁路运输处，山东 邹城 273500）

列车节能优化操纵方法分析

侯 赞

（兖州煤业铁路运输处，山东 邹城 273500）

由于铁路运输能耗的巨额经济成本以及环境保护的要求，列车节能运行操纵方法的研究变得日益重要。本文对列车运行的工况转换进行了分析，通过对节能控制要素的分析，制定了节能运行策略，对列车的实际运行提供了指导意见。

铁路运输；工况转换；操纵方法；节能

1 引言

铁路运行过程中的能耗在铁路运输成本中占有的比例很大，严重影响了运输部门经济效益的提高，这给企业带来了很大的压力。每年运输能源的高能耗带来的支出严重影响了企业的可持续发展，也给国家能源储备带来了一定影响，研究车辆的能量消耗情况，分析列车的节能途径是一项迫在眉睫的工作。

铁路运输的能耗涉及很多因素，包括列车的牵引制动性能、列车及负荷的质量，线路条件及列车的操纵方式等。在既定的线路条件、列车运营规划下，同一列车运行相同的一段线路也存在很多种操纵方法，每种方法对应的运行时间、能耗不尽相同，如何在规定的运营时间内找出一种能耗最小的操纵方式成为了一条经济可行的途径。为此国内外学者对此进行了广泛和深入的研究。P.How lett教授利用经典最优理论的方法，通过控制列车手柄位的方法优化了操纵模型［1]。Chang，C.S教授分析了惰行点的选择对能量消耗的影响，通过遗传算法求解了最优惰行点，设计了列车节能运行方案［2]。毛保华等基于对运行阻力功和制动动能损失的考虑，从列车速度的均衡性及列车不必要制动导致的能量损失两个方面进行了研究，并进行了仿真计算［3]。王奇钟等从列车运行中各种机械功的组成及转化规律人手，根据列车运行需要及操纵经验，对节能列车操纵的思路及方法进行了分析论述［4]。以上研究为我处列车节能运行提供了参考。

2 列车运行过程中的工况转换分析

列车运行模式包括牵引、惰行和制动三种［5]。牵引运行包括起动、加速、维持一定速度运行，机车传动装置输出的有效机械功，用于克服列车运行阻力和提高或保持一定的列车动能；制动运行，包括为使列车在各种限制速度内运行而进行的制动调速和停车制动，列车的动能转化为热能或电能；惰行时机车不产生牵引力，也无制动能耗，机车的能耗为其本身的消耗。从工况转换的角度来看，将牵引、惰行、制动三种工况的转换列在表1中［6]。

表1 列车工况转换表

表1表明，在列车运行过程中，牵引工况和制动工况之间不能直接转换，而惰行工况可以和牵引、制动工况相互转换。因此牵引和制动工况之间必须加入惰行工况，这是根据列车的实际驾驶经验长期试验总结的。尤其是对于采用再生制动的机车，电机从正转消耗能量直接转变到反转产生能量是不可行的，这也是《机车操纵规程》规定的。

3 节能控制因素分析

列车的牵引力主要用来克服列车运行过程中的阻力和线路附加阻力，并使列车获得足够的剩余加速度。列车运行基本阻力的计算公式为：w=a+bv+cv2

a，b，c为与机车车辆有关的参数，v为列车的速度。

列车运行过程中的能耗主要有两方面，一方面用于克服牵引过程中的阻力做功，一方面是制动过程中动能转化为其他能量而散失。由列车运行基本阻力公式可知，列车运行过程中的阻力和速度有直接关系。

列车制动根据作用可分为调速制动和停站制动，调速制动一般在行驶过程中下一限速区间限速降低需要降低当前速度时采取的，属于不必要的制动，一般情况下可以通过提前观察前方线路情况和合理选择惰行转换点避免。停站制动是指根据列车运行图规定的或调度员根据实际情况安排的停车，如需要进站停车、调车作业或者单线会车，属于必要制动，一般情况下不可避免。有些单线半自动闭塞的列车会车时，通过前方预告信号机的显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动。

根据以上分析，列车运行速度和运行过程中的制动情况是影响列车能耗的主要因素，可以从这两大因素研究，通过合理优化列车运行速度和避免不必要的制动来节约能量。

4 节能运行策略分析

国内外学者的研究表明，在设计列车优化操纵策略时，可以遵循如下原则：

（1）加速过程按最大牵引力牵引；

（2）停车制动按最大制动力制动；

（3）除停车制动外，避免采用空气制动；

（4）在约束条件下协调采用均速及惰行方式。

根据以上原则，列车起步后在条件允许的情况下尽可能快的牵引到一定速度，区间运行时充分利用惰行方式，减少不必要的能量消耗。列车经过距离较长的下坡道时，充分利用自身的重力势能，提前采用惰行工况或适当降低牵引手柄位，同时控制列车的速度在限制速度以内，避免列车在下坡过程中速度过高而采取不必要的制动。此外，不同限速区间之间要合理确定牵引工况到惰行工况的转换点，在限速区间转换过程中避免不必要的制动，以节省能源。列车停车制动时采用较大的减速度制动并且尽量避免多次制动。

由于线路情况多种多样，列车运行过程中的工况转换策略是非常复杂的。在列车运行过程中，线路条件、运营时间、机车牵引及制动效的性能都对其有一定影响。根据工况转换原则及优化操纵策略，本文对列车优化操纵过程中工况转换分为以下几种典型的情况进行了讨论［7]。

图1 列车运行工况转换1

如图1所示，由于列车的牵引工况和制动工况不能直接转换，当列车在牵引时便碰到了制动曲线，需要转为惰行方式，直至下一限速区间。

注意到图1中，该限速区间路程较短，列车经过一次牵引工况后，V-S曲线便触碰到了制动曲线。如果该限速区间路程较长，列车需要进行多次的牵引和惰行方式后才触碰到制动曲线，按照图1所示的方法，牵引至限制速度后开始惰行，此时惰行的距离会很长，虽然节能效果明显，但是列车的运营时间也会大大加长，难以满足铁路运营规划的要求。所以上述方法也有一定的局限性。兼顾能耗和运行时间二者之间的平衡，本文设定，经过多次牵引--惰行之后，当牵引曲线触碰到制动曲线时，从上次惰行位置继续惰行，直至进入下一限速区间。

当列车牵引曲线和制动曲线的交点高于限制速度时，可以在中间加入惰行工况，即列车牵引到限制速度后采用惰行方式，当惰行曲线与制动曲线相交时再转变为制动工况，如图3所示。

5 实际应用

为了能够实现上述研究，国内外许多专家设计了一些可行的模型。例如一种Metrom iser的装置，该装置将列车运行时刻表、列车的运行距离及线路条件等预先存储在系统中，通过轨道电路接收到列车的行驶距离，速度等数据，根据这些数据，该装置可以计算出列车最优的行驶方案，并且通过显示器指导司机的操纵，还可以进行动态调整，极大的优化了列车的运行方式。

图2 列车运行工况转换2

图3 列车运行工况转换3

我矿区铁路上也可安装类似的节能设施，改善司机的驾驶策略。通过列车上安装的微型计算机，预先存储一些必要的参数，如：线路数据、列车运营规划等，预先计算出驾驶策略，用以指导司机的驾驶，将为企业的铁路运输节省巨大的能源。

［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]柏赘，毛保华，周方明，丁勇，董成兵.基于功耗分析的货物列车节能运行控制方法研究［J].交通运输系统工程与信息.2009，9（3）：43-50.

［4]王奇钟.节能列车操纵的思路及方法［J].铁道机车车辆.2008，28（4）：64-67.

［5]唐涛，黄良骥.列车自动驾驶系统控制算法综述［J].铁道学报，2003，25（2）：98-102.

［6]侯赞．ATO系统综合性能评价与列车多目标优化操纵方法研究［D]．北京：北京交通大学硕士学位论文，2012．

［7]廖涛．基于多目标优化的列车操纵方法研究［D]．北京：北京交通大学硕士学位论文，2011．