何鵬飛

（中鐵二院西安勘察設計研究院有限責任公司，西安 710054）

鐵路運輸屬于能源占用型和資源消耗型行業(yè)，其能源消耗涉及諸多因素，作為鐵路運營工作的一項重要經濟指標。在鐵路運輸能耗中，機車牽引能耗占到鐵路能耗的60%～70%[1]，它不僅影響到運營成本的高低，還反映了鐵路運輸組織工作的水平。在一定的牽引機車、車輛線路等硬件環(huán)境下、列車編組計劃等運營管理狀況下，改進機車的操縱方法以實現(xiàn)列車的節(jié)能運行，是一條經濟有效且直接可行的節(jié)能途徑[2]。通過研究列車節(jié)能操縱優(yōu)化的相關問題，提出切實可行的列車節(jié)能操縱方法，制定合理的列車運行圖，給出適當?shù)膮^(qū)間運行時間對鐵路運輸?shù)目沙掷m(xù)發(fā)展具有重要意義[3]。

同時，可以通過對節(jié)能運行操縱的改進和使用，通過計算機硬件和軟件支持，為開發(fā)出列車運行自動駕駛系統(tǒng)，實現(xiàn)列車運行的智能化管理和運行提供理論和技術支持。

1 研究思路

本文研究的主要思想是通過采用由節(jié)時模式向節(jié)能模式轉化的方法，尋找保證列車節(jié)能運行的最優(yōu)行車策略。節(jié)時模式就是在保證列車行車安全、操縱合理的情況下，依據(jù)不同的線路斷面情況以及斷面限速，給出對應的操縱方式，使得列車速度盡量提高，以相對較高的速度完成區(qū)間行車，從而使得整個行車區(qū)間時間最短，由此得出的整個區(qū)間的行車操縱稱之為節(jié)時模式。

節(jié)能模式是由節(jié)時模式轉化而來，為了實現(xiàn)能耗最小化，將行車區(qū)間給定的區(qū)間運行時間作為限制條件，在節(jié)時模式行車的基礎上，不斷地采用合理的優(yōu)化策略，通過增加區(qū)間運行時間來降低行車能耗，直到整個區(qū)間運行時間達到給定的時間，本文在總結以前各位學者提出的優(yōu)化方法的基礎上，提出了3種優(yōu)化策略——牽引優(yōu)化、惰行優(yōu)化和停車優(yōu)化，而且在優(yōu)化過程中以能耗降低率作為策略選擇的標準，使得優(yōu)化過程更加合理。其中，對于坡道的劃分，本文并沒有采用以往簡單的將坡道劃分為上坡道、下坡道和平道，而是劃分為增速坡道和非增速坡道兩種[4]：

增速坡道：列車在此坡道上，采用惰行操縱工況，列車速度會增加，增速坡道為具有較大的坡度的下坡道。

非增速坡道：列車在此坡道上，如果采用惰行操縱行車，列車速度將會減小或者保持勻速運行，這種情況會出現(xiàn)在坡度較小的下坡道、平道和上坡道上。

優(yōu)化變坡點是為了找出合理的優(yōu)化位置，本文定義當行車斷面由非增速坡道轉入增速坡道的變坡點稱之為優(yōu)化變坡點，3種優(yōu)化策略如下：

1.1 牽引優(yōu)化

牽引優(yōu)化是與充分利用下坡道的勢能來提高列車速度的節(jié)能原則相對應的。主要的思想是從優(yōu)化變坡點開始，向前尋找出變坡點前列車采用全牽引操縱的終止點，然后從全牽引終止點開始，再向前將一定操縱步長的全牽引操縱轉為局部牽引，保證列車自此點開始保持勻速到達變坡點。這樣列車經過變坡點進入下坡道的速度會有所降低，便于充分利用下坡道的勢能。同時這也降低了這些步長內的機車牽引力，列車能耗也將隨之降低。

1.2 惰行優(yōu)化

惰行優(yōu)化策略也是與充分利用下坡道的勢能來提高列車速度的原則相對應的，該策略是從優(yōu)化變坡點開始向前尋找變坡點前列車勻速牽引的終止點，然后由此開始向前將一定操縱步長內的勻速牽引操縱方式轉為惰行。這樣會使得列車在進入下坡道的速度進一步減小，從而更加充分的通過利用下坡道的勢能來提高列車速度。同時因為取消了一定操縱步長內的牽引過程，列車能耗自然也隨之降低。但這個過程必須保證列車在經過變坡點的速度要大于0，以保證列車能夠順利通過變坡點。

1.3 停車優(yōu)化

停車優(yōu)化是按照列車制動前增加惰行的原則，在列車經過進站道岔之前，進一步增加惰行操縱，使得列車在經過進站道岔時的速度進一步減小。這樣做會同時導致列車在進站到停車之間運行時的惰行距離也隨著增加，而從采取制動到停車的距離進一步減小。

圖1給出了節(jié)能實現(xiàn)的優(yōu)化策略選擇邏輯框圖，其中框圖中參數(shù)的實際意義如下：

Tn——列車實際行車總時間，s；

T——區(qū)間規(guī)定運行時間，s；

lv1,lv2,lv3——牽引、惰行、停車優(yōu)化策略對應的能耗降低率，kJ/s；

n——當前優(yōu)化變坡點系數(shù)。

N——總的優(yōu)化變坡點數(shù)。

圖1 尋優(yōu)策略選擇邏輯框圖

2 實例驗證

為了對由節(jié)時模式向節(jié)能模式轉化的優(yōu)化操縱尋優(yōu)方法進行驗證，作者以Visual C++ 為平臺。開發(fā)出了能夠實現(xiàn)列車行車仿真優(yōu)化操縱仿真軟件。下面首先以大準線清水河——王桂窯段上行進行行車仿真，仿真之前應當輸入整個區(qū)段的行車斷面參數(shù)和列車編組信息，這些數(shù)據(jù)既可以在軟件運行前在數(shù)據(jù)庫中進行更新，也可以通過軟件給出的數(shù)據(jù)交換對話框進行數(shù)據(jù)輸入。

此處列車編組采用1臺SS4機車牽引60輛C80，載重6 000 t作為列車編組；列車運行區(qū)間用時設置為18 min，進站道岔距停車點距離按照車站實際參數(shù)取1 200 m。

行車仿真結束后可以查看仿真結果，結果包含了列車編組主要信息，還有列車在兩種模式下的耗時和能耗，同時給出了兩種模式下的列車運行速度—距離曲線圖，可以清楚地對操縱結果進行對比。優(yōu)化操作結果如圖2所示。

圖2 優(yōu)化操縱行車結果圖

從圖2的結果圖可以看出：通過采用優(yōu)化操縱，行車過程隨著區(qū)間運行時間增大，行車曲線趨于緩和，同時列車能耗得到明顯降低。而且通過圖2中的結果表明，對整個行車仿真過程的操縱工況變化觀察可以發(fā)現(xiàn)，在整個行車過程中，最初的5 300 m多的距離采用牽引操縱, 列車速度達到57.75 km/h，其中，3 100 m～5 035 m為局部牽引，其余斷面均采用全牽引。列車在后面的行車過程中，都是依靠下坡道的勢能，采用惰行操縱行車完成余下的行車區(qū)間，直至進站后列車速度下降到只有28.62 km/h時才制動停車，這些都與下面的優(yōu)化行車原則相符合[5]：

（1）盡可能利用下坡道的勢能；

（2）減少列車不必要制動產生的動能損失 ；

（3）制動前增加惰行。

可見由節(jié)時模式向節(jié)能模式轉換的優(yōu)化操縱行車策略中，最終得到的節(jié)能操縱行車與節(jié)能操縱優(yōu)化行車原則是完全符合的。

在《大準線列車操縱示意圖》中給出的在此編組下清水河—王桂窯段的操縱指導為：列車起車滿負荷牽引運行，214 km處（大概為5 200 m），速度58 km/h,惰力運行，列車進站減壓停車。與上面的節(jié)能仿真結果的操縱十分接近，這就說明了該方法的正確性。

同時，為了考察驗證此方法內部算法的計算效率，在配置為處理器AMD athlon 64×2 Dual Core Processor 5000+,硬盤320 G，顯卡為NVDIA GeForce 8500 GT的電腦上對此區(qū)段進行多次仿真，獲得整個區(qū)間的平尋優(yōu)均耗時只有1 min21 s。而目前采用的操縱尋優(yōu)軟件，一個區(qū)段的尋優(yōu)過程一般需要花費1 h～2 h，可以看出本算法尋優(yōu)速度很高。

同時為了驗證在其它行車區(qū)段，行車區(qū)間存在限速變化時，該軟件是否仍然可以使用，在此選取大準線北黃土溝—丹洲營下行區(qū)段作為實驗對象，其中加入了低速限速，中間一些區(qū)段的限速為60 km/h,列車編組采用了1臺SS4機車牽引128輛C80，此時車輛為空車，載重3 046 t，根據(jù)線路實際數(shù)據(jù)，進站道岔距停車點的距離為1 000 m，區(qū)間運行時間設置為17 min，由此得出的仿真行車結果如圖3所示[6]：

圖3 存在限速變化優(yōu)化操縱行車結果圖

依據(jù)上面的實例仿真可以看出，雖然整個區(qū)間的行車限速是不一致的，整個行車過程無論是節(jié)時模式還是節(jié)能模式列車運行速度始終保持在區(qū)間線速以下，很好的保證了列車的行車安全，同時在限速變化時，行車曲線過渡平緩合理，從而可以說明該軟件是適用于任何線路條件的，對行車結果進行對比，節(jié)能模式與節(jié)時模式相比，能耗降低明顯，在原來基礎上減小了29.85%。

3 結術語

本文在結合以往對列車運行優(yōu)化操縱研究的基礎上，提出新的方法來考慮優(yōu)化行車由節(jié)時模式向節(jié)能模式轉化的行車方法。本文作者以Visual C++ 6.0為平臺，基于MFC開發(fā)出了能夠實現(xiàn)列車行車仿真優(yōu)化操縱仿真軟件，實現(xiàn)了節(jié)時模式和節(jié)能模式兩種不同的行車策略下的行車仿真，通過以大準線清水河—王桂窯上行、北黃土溝——丹洲營下行區(qū)段的行車參數(shù)進行實例仿真，驗證了作者提出的由節(jié)時模式向節(jié)能模式轉化的行車操縱尋優(yōu)方法是正確可行的。

[1]王 峰.列車節(jié)能運行分析與優(yōu)化研究[D].北京：北京交通大學碩士學位論文，2004.

[2]張 燕，王柄達.定時條件下列車節(jié)能操縱研究綜述[J].交通運輸工程與信息學報，2011，9（1）.

[3]林 芝,季 令, 施其洲.交通運輸業(yè)能源短缺問題及應對措施[J].鐵道運輸與經濟，2006，（5）.

[4]尹仁發(fā).列車牽引運行仿真系統(tǒng)設計與開發(fā)[D].成都：西南交通大學碩士學位論文，2007.

[5]王自力.列車節(jié)能運行優(yōu)化操縱的研究[D]. 西南交通大學學報，1994，29 （3）：275- 280.

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