列车节能运行探讨

王生彩(呼和浩特铁路局集宁机务段呼和整备车间)

列车节能运行探讨

王生彩
(呼和浩特铁路局集宁机务段呼和整备车间)

摘要:能源是人类生存的关键，我国面临着能源开发利用率低，人均能源拥有量较低的现状。通过对列车节能操作的研究，使机车操纵得到优化，减少列车运行能耗，对铁路运输可持续发展有着非常重要的意义。依次对能源问题、国内外列车节能操作优化策略和模型算法研究现状等进行了综述，并在此基础上，将运行条件对列车节能运行的影响进行了相关的定量分析。

关键词:能源;列车节能;运行时间;运行模式

中图分类号:U291

文献标识码:C

文章编号:1008－3383(2015)04－0188－02

1　引言

能源问题是事关人类生存的重大问题。我国人口众多，能源资源相对缺乏，人均能源资源占有量不到世界平均水平的一半。铁路运输部门的能耗要占铁路总能耗的绝大部分，而铁路机车是铁路运输的牵引动力来源，其消耗的能源占铁路运输能耗近70%，如表1所示。因此机车能耗大小不仅直接关系着铁路运营成本，还体现了铁路运输组织的水平，降低牵引能耗对降低铁路能耗具有举足轻重的作用。

表1　我国铁路运输部门能耗情况变化

2　国内外研究现状

根据列车属性，列车运行与操纵的研究可分为旅客列车操纵优化和货物列车操纵优化，前者主要考虑列车运行安全、平稳、舒适、准时和停车精度，后者主要考虑列车运行安全、平稳和节能运行。根据研究目标，该类研究主要包括平稳操纵、定时操纵和节能操纵，由于机车牵引能耗的巨额经济成本和气体排放引起的污染问题，节能操纵问题是该领域的研究热点。根据研究方法的不同，列车节能运行操纵优化既有研究成果可以概述如下。

2．1列车节能操纵优化策略研究现状

1980年，Mllroy研究了列车在平道或坡度较小的坡道上运行的操纵策略，提出了短途列车的最优控制序列为最大加速、惰行以及最大制动，并建立了求解列车节能操纵问题的机械能模型。

王自力，金炜东教授等通过分析列车运行过程中的能耗组成，提出了列车节能运行的主要原则，即减少列车动能的损失和减少列车运行时的基本阻力功。

2．2列车节能操纵模型算法研究现状

由于列车运行环境较为复杂、影响因素较多，因此列车节能操纵问题是一个非线性有约束的动态最优化问题，各国的学者在这一领域的研究大抵可以分为三类:能耗模型结合启发式算法寻优、局部优化仿真计算结合全局寻优策略、列车运行仿真结合启发式算法寻优。

(1)能耗模型结合启发式算法寻优

该类型的研究是在定时条件下，假设机车功率与单位能耗成正比，依次研究了在水平坡道、分段常数坡道、连续变化坡道及带速度限制的分段常数坡道。

Milroy研究了列车在平道或坡度较小的坡道上运行的操纵策略，建立了求解列车节能操纵问题的机械能模型。

Howlett和Pudney将SCG研究所的成果汇总形成了专著《Energy—efficient Train Control》，在这本专著中，他们还分别讨论了分段常数坡道，连续变化坡道以及限速条件下的列车节能操纵问题。

(2)局部优化仿真计算与全局寻优相结合

王自力通过分析列车运行过程中的能耗组成，引入了下坡道入口的两个特征速度，缩小了寻优范围。金炜东研究了列车在起伏坡道上节能操纵优化问题，建立了局部优化仿真与全局寻优策略相结合的计算模型，简化了全局优化计算，更好的满足了优化计算的时效性。

(3)列车运行仿真结合启发式算法寻优

毛保华与刘海东研究讨论了定时条件下列车节能操纵优化问题，提出了限速差分配富余运行时分的启发式算法，开发了一套可用于不同运行条件下列车节能运行模拟软件。

丁勇针对机车操纵的实际情况，研究了定时条件下列车节能优化操纵问题，建立了基于目标速度的列车节能操纵优化模型，并设计了启发式算法。

3　运行条件对列车节能运行的影响

列车运行过程影响因素较多，可以将其分为两大类，线路影响和列车影响。线路影响条件包括列车的运行线路的坡道、弯道等相关参数，以及列车运行距离和运行时间;列车影响条件包括列车质量和列车的牵引特性等。从列车节能操纵的角度分析，列车研究的重点在于同一种车型在同一条线路上的运行时的差异，因此下面的讨论都是基于同种车型和相同的线路条件下的。同一种车型在同一条线路上的运行时的差异主要是由列车运行时间和运行模式决定的。

3．1运行时间对列车节能运行的影响

在运行模式相同的条件下，列车的运行时间越长，则所需要消耗的能量值就越小，这是因为列车的平均速度为运行距离与运行时间的比值，对于同一条线路而言，运行时间越长平均速度越低，而平均速度越低列车克服基本阻力做功也就越小。

Benjamin通过实验数据深入研究了运行时间与节能问题的关系，如表2所示，采用同一货物列车以三种操纵方式走完同一段100 km长的线路时的耗油情况。由此可以看出，随着运行时间的增加列车运行能耗呈下降趋势，如图1所示。文献分别从理论计算、列车运行仿真等方面对此问题进行了研究，得出了相同的变化趋势。

表2　不同运行时间下三种最优操纵方式的比较

在实际列车运行过程中列车的运行时间不能无限制的增加，否则时间越长则能够达到的最小能耗越低，讨论最小能耗就失去了意义。因此需要讨论在固定时间条件下列车节能操纵优化问题，这时运行模式是列车节能运行的主要影响因素。

图1　运行时间与能耗关系变化趋势

3．2运行模式对列车节能运行的影响

列车的运行过程根据操纵工况的不同可以分为3种情形:牵引运行、惰行和制动运行。其中牵引运行包括起动、加速牵引和匀速牵引，能耗主要用于克服列车运行阻力和提高列车运行速度;制动运行，主要在列车运行途中调速和进站停车时使用，其中列车的动能转化为热能消耗掉;惰行时发动机空转不产生牵引和制动力，只有机车本身的能量消耗。

机车在牵引列车运行时，用来克服列车基本运行阻力所做的功要占牵引功的75%左右;用来克服制动力做功大约占15%;由于存在上下坡道会抵消一部分坡道阻力做功、起动阻力所占的时间比较短、曲线附加阻力只存在曲线线路上，这三部分占10%左右。由上可知在运行过程中基本阻力和制动力做功占牵引功的绝大部分，而列车基本阻力和制动力均与操纵方式有关。

下面通过建立列车运行时能量转换的关系式来对列车的运行能耗进行详细分析。在给定的区段内，机车牵引列车所做的轮周功E采用以下公式表示

其中，Eb为机车本身的消耗，Ew为列车运行基本阻力做功，Ef为列车运行附加阻力做功，Ez为制动消耗的动能。

(1) Eb消耗的影响因素

机车本身的消耗，主要取决于机车的轮周功效率和各能量转换环节的能量损失。当机车输出功率为额定功率时，效率最高;当输出功率较低时，效率就变得较低。机车各能量转换环节的能量消耗，与运行方式无关，主要由机车本身的性能决定。

(2) Ew消耗的影响因素

列车运行基本阻力功可以表示为:

式中: a、b、c均为机车车辆有关的系数，M为列车质量，当列车编组确定时机车车辆运行基本阻力大小与运行速度成正相关。

(3) Ef消耗的影响因素

列车运行附加阻力功主要包括坡道阻力、曲线阻力和隧道阻力产生的能耗。在运行途中坡道附加阻力占主要部分，其计算公式为

是由列车质量M和线路区段始、终点的标高差△h确定的，与运行速度及操纵方法无关。当列车编组和运行区间确定时附加阻力做功是一个定值。

(4) Ez消耗的影响因素

列车在进行制动时造成了动能的损失，损失的能量计算公式为

当列车编组确定时，列车制动损失的动能大小取决于制动初速度和制动末速度。

综上所述，在列车编组、线路条件和运行时分等确定的情况下，机车自身的消耗以及线路附加阻力与列车运行方式无关。因此，优化机车操纵序列减少列车运行和制动能耗是节能降耗的关键。

4　结论

能耗是列车运行操纵的主要技术指标之一，降低行车能耗对促进铁路运输的发展有重要意义。本文阐述了货物列车节能操纵优化的研究背景，全面分析了国内外节能操纵研究现状，分析了运行条件对列车节能运行的影响，指出在列车编组、线路条件和运行时分等确定的情况下，机车自身的消耗以及线路附加阻力与列车运行方式无关。从而为优化列车节能操纵序列，降低列车运行能耗提供了参考。

参考文献:

［1］铁道部统计中心．铁路简明统计资料［M］．中国铁道出版社，2009．

［2］王自力．列车节能运行优化操纵的研究［J］．西南交通大学报，1994，29(3) : 275－280．

［3］金炜东，王自力，李崇维，等．列车节能操纵优化方法研究［J］．铁道学报，1997．19(6) : 58－62．

［4］金炜东，靳藩，李崇维，等．列车优化操纵速度模式曲线生成的智能计算研究［J］．铁道学报，1998，20(5) 47－52．

［5］张燕．列车节能操纵优化问题的研究［D］．西南交通大学硕士学位论文，2010．

［6］何鹏飞．列车行车优化操纵的研究［D］．西南交通大学硕士学位论文，2012．

［7］丁勇．列车运行计算与操纵优化模拟系统的研究［D］．北京交通大学博士学位论文，2004．

［8］丁勇，毛保华，刘海东．定时约束条件下列车节能操纵的仿真算法研究［J］．系统仿真学报．2004，16(10) : 241－244．

作者简介:王生彩(1988－)，男，甘肃榆中人，助理工程师。

收稿日期:2015－01－10