（交通运输规划与管理专业论文）列车节能运行分析与优化研究.pdf

北京交通人学硕 卜 学位论文5 8 6 4 2 3 摘要 我国人口众多， 能源相对eff 乏， 能源的开发利用率低。 随着经济的发展， 铁路能源消耗日益增加，对环境的污染也不断加剧，这已成为当今国际社 会普遍关注的问题。铁路运输虽然具有能耗低的优点，但是消耗能源的总 量很大。而且能源利用效率与发达国家相比还有很大的差距。因此，我国 铁路节能潜力很大，任务也很艰巨 论文在北京交通大学交通运输系统模拟实验室多年来对 于 列车运行过 程计算领域科研工作的基础上，结合蚌埠分局管内实际运营线路的具体情 况，对该铁路区段采用的内燃机车的节能操纵进行了沫入细致的研究。论 文全面调研和分析了国内外节能研究的成果，针对铁路列车运行的实际情 况，研究了内燃机车的优化操纵方法。论文以铁路机车运行记录仪记录的 数据为背景，采用北京交通大学交通运输系统模拟实验室开发的 “ 列车节 能运行运行分析与优化系统” ， 对机车实际操纵方案与优化操纵方案经行了 对比分析，总结了内燃机车节能操纵的方法，并对定时约束下的节能算法 进行了校验与讨论。研究内容主要包括: 全面分析了国内外铁路列车运行节能理沦 研究与实践_ 作的进展， 分析了相关成果存在的问题; 根据列车运动的基本理沦分析了 列车运行过程涉及到的相关计算模 型，指出了列车能耗对铁路运营费支出的影响; 研究了列车运行的节能算法，及与节能相关且有重要实践意义的问 题; 以蚌埠分局的样木区间为例， 对节能算法及其效果进行了详细分析与 校验: 关键词:列车牵引计算: 列车操纵: 节能; 定时计iff机模拟 ? v 曳 作考、 扮抑两惫 扮介 一 交 公 布 北京交通人学硕十学位论文 ab s t r a c t o u r c o u n t r y h a s g r e a t p o p u l a t i o n a n d c o m p a r a t i v e ly i n s u f fi c ie n t e n e r g y s o u r c e s . t h e e f f i c i e n c y o f e x p l o i t i n g a n d u t i l iz i n g e n e r g y s o u r c e s i s l o w . wi t h t h e d e v e l o p m e n t o f e c o n o m y , t h e c o n s u m p t i o n o f e n e r g y s o u r c e s a n d e n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n b r o u g h t b y r a i l w a y a r e c o n t i n u o u s l y i n c r e a s i n g , w h i c h h a s b e e n r e c e i v e d in t e r n a t i o n a l c o m p r e h e n s i v e a t t e n t io n . a l t h o u g h t h e r a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n h a s l o w e r e n e r g y c o n s u m p t i o n r a t e , t h e t o t a l c o n s u m p t i o n o f e n e r g y s o u r c e s i s v e r y l a r g e . t h e e x p l o i t a t i o n e f f i c i e n c y o f e n e r g y s o u r c e s i n o u r c o u n t r y i s m u c h l o w e r t h a n t h a t in d e v e l o p e d c o u n t r i e s . t h e r e f o r e , o u r r a i l w a y h a s g r e a t p o t e n t i a l t o e c o n o m i z e o n e n e r g y s o u r c e s a n d t h i s t a s k i s a r d u o u s b a s e o n t h e ma n y y e a r s s i m u l a t i o n l a b o r a t o r y o f t r a f f i c p r a c t i c a l o p e r a t i n g e n v i r o r m n e t 一 r e s e a r c h o f t r a i n r u n n i n g c a l c u l a t i o n i n t h e a n d t r a n s p o rt a t i o n s y s t e m a n d a c c o r d i n g t o t h e i n t h e r a i l w a y s u b - b u r e a u o f b e n g b u , t h e p a p e r s a v ing t h e d e t a i t e d t y s t u d y o n t h e o e n e r g y . t h e p a p e r m a k e s t h e m a k e s p t i m i z a t i o n m e t h o d s o f t r a i n o p e r a t i o n f o r c o m p r e h e n s i v e i n v e s t i g a t i o n a b o u t t h e t r a i n o p e r a t i o n s i mu l a t i o n t r a ff i c a n d t h e t r a i n f o r s a v i n g e n e r g y i n c h i n a a n d a b r o a d . u s i n g t h e t r a i n m o v e m e n t s v s t e m f o r s a v i n g e n e r g y d e v e l o p e d b y t h e s i m u l a t i o n la b o r a t o r y o f t r a n s p o r ta t i o n s y s t e m o f b e ij i n g j i a o t o n g u n i v e r s it y r u n n i n g in f o r m a t i o n r e c o r d e r , th e p a p e r e x p l o r e s p r o b l e m o nt r a i n m o v e m e n t c a l c u l a t i o n f o r s a v i n g e n e r g y . t h e a n d t h e d a t a i n t h e s i mu l a t i o n ma i n c o n t e n t s c o n t e n t s i n t h i s t h e s i s a r e a s f o l l o ws : ( 1 ) t h e p a p e r c o m p r e h e n s i v e l y a n a ly s is t h e t h e o r y a n d p r a c t ic e o f t r a i n o p e r a t i o n f o r s a v i n g e n e r g y i n c h i n a a n d a b r o a d a n d p o i n t s o u t s o m e q u e s ti o n c o n s i s t i n t h e f r u i t a t p r e s e n t . ( 2 ) b a s e o n t h e b a s i c t h e o r y o f t h e t r a i n m o v e m e n t , th e p a p e r c o r r e l a t i v e c a lc u l a t i o n m o d e l s a n d a n l y s i s t h e i n fl u e n c e o f e n e n r g y t o t h e t r a n s p o r a t i o n c o s t d i s c u s s e s t h e c o n s u mp t i o n ( 3 ) t h e p a p e r d i s c u s s e s t h e o p t i m i z e d a l g o r it h m f o r l o c o m o t i v e u n d e r f i x e d r u n n i n g t i m e b e t w e e n g i v e n s t a t i o n s a n d i t s e l i c i t a t i o n . t o wo r k ( 4 ) t h e p a p e r g i v e s a c a s e a n a l y s i s o n t h e p r a c t i c a l o p e r a t i n g i n t h e r a i l w a y t r a i n o p e r a t i o n s u b - b u r e a u o f b e n g b u . a p r e l i m in a ry o n t h e c o n f i r m r o u t e c o n d i t i o n . t r a i n t r a c t i o n c a l c u l a t i o n ; t r a i n r e s u l t h a s b e e n e nv t r o r mne t a c h i e v e d o n ke y wo r d s f i x e d - t i me c o n t r o l e n e r g y s a v ing ; mo v e me n t :c o m p u t e r s i m u l a t i o n 北京交通人学硕 卜 学位论文 第一章引言 能源问题是事关人类生存的重大问题。 作为发展中国家， 我国的能源生 产主要以煤炭为主， 原煤产量占整个能源工业产量的6 8 %左右。自2 0 世纪 9 0年代中期以来，全国煤炭形式也发生了变化，由原来的能源生产略大于 消费的局面大于生产的局面。且消费数量增长迅速。在这种形式下研究 各行业的节能问题成为保证国民经济可持续发展的重要课题 铁路运输部门是国民经济中耗能最大的单位之 一关于铁路节能的研究 具有重要的现实意义。铁路运输的能源消耗涉及诸多因索。作为铁路运营 工作的一项重要经济指标，机车能耗是不仅影响运营成本的高低，还反映 了铁路运输组织工作的水平。从整个国家能源消耗来看也是值得注意的问 题。 研究铁路列车节能运行问题就是要在在一定的牵引机车、车辆、线路 等硬件环境下和既定的运行图、列车编组计划等运营管理状况下，改进机 车的操纵方法以实现列车的节能运行，是一条经济有效且直接可行的节能 途径。国内外对于列车运行节能有较多研究。然而，由寸列车运行环境的 复杂性， 节能的算法模型及其求解技术是一项十分困难的工作 2 0世 纪9 0 年代，澳大利亚开展的节能研究具有现实意义，并取得了较好效果。其采 用的辅助系统的计算结果表明较手工操纵节能 8 % 左右。我国对这方面的研 究尚处于理论阶段，已经有一些文献对此升展研究。目前，这方面的研究 还需要在借助于现代科技的基础上向实用化方面拓展。山于列车运行过程 涉及到许多因素，如何准确、快速地计算出列车在各种不同条件下的运行 效果并予以评价是列车节能运行计算的任务。 本文基于北京交通大学与上海铁路局蚌埠分局合作开展的科研课题“ 列 车节能运行运行分析与优化系统，。论文在北京交通大学交通运输系统模拟 实验室多年来对于列车运行过程计算领域科研工作的基础上，结合蚌埠分 局管内实际运营线路的具体情况，对该铁路区段采用的内燃机车的节能操 纵进行了深入细致的研究。 论文全面调研和分析了国内外节能研究的成果， 针对铁路列车运行的实际情况，研究了内燃机车的操纵优化方法。论文以 北京交通人学硕十学位论文 铁路机车运行记录仪记录的数据为背景，采用北京交通大学交通运输系统 模拟实验室开发的 “ 列车节能运行运行分析与优化系统” ，对机车实际操纵 方案与优化操纵方案经行了对比分析，总结丁内燃机车节能操纵的方法， 并对定时约束下的节能算法进行了校验与讨论。 北京交通人学硕士学位论文 第二章研究现状 2 . 1铁路运输的能耗情况 截止到2 0 0 1 年，全国铁路营业里程已 经超过7 万公里，其中国家铁路 5 9 0 7 9公里， 合资铁路6 1 6 2 公里， 地方铁路4 8 1 6公里。 在5 9 0 7 9 公里国家 铁路中，复线里程 2 2 6 4 0公里，占营业里程的 3 8 . 3 %.电气化线路 1 6 8 6 8 公里，占营业里程的2 9 . 6 %。内 燃牵引线路里程4 0 4 4 6公里，占营业里程 的6 8 .5 %。半自 动闭 塞线路4 1 3 3 6 .0 公里，自 动闭塞线路 1 8 8 4 4 .7 公里。电 气集中的车站达 5 2 8 8 个，占全部车站的9 1 .6 。我国铁路的营业里程虽然 有了较大的增加，复线、电气化线路以及自 动闭塞线路里程比重也有了较 大的提高，但无论是数量还是质量都还不能满足国民 经济与社会发展的需 要。 建国以来，我国铁路经历了以蒸汽牵引为主到以内燃、电力牵引为主 的巨大变化。1 9 8 0 年我国铁路机车拥有量 1 0 2 7 8 辆， 蒸汽机车7 8 0 1 辆，占 总数的7 5 .9 %;内燃机车2 1 9 0 辆，占总数的2 1 . 3 %;电力机车2 8 7 辆，占 总数的2 . 8 %. 2 0 0 1 年我国铁路机车拥有量1 5 7 5 6 辆，其中国家铁路1 4 9 9 5 辆、合资铁路4 5 3 辆、 地方铁路3 4 8 辆。在国家铁路的 机车中，蒸汽机车 3 8 1 辆，占总数的2 . 5 %;内燃机车1 0 5 9 8 辆，占总数的7 0 .9 %;电力机车 3 9 7 6 辆，占总数的2 6 .6 % 2 0 0 1 年国家铁路的机车完成机车总功率3 9 4 0 .7 万千瓦，其中:蒸汽机车完成7 2 .7 万千瓦，内燃机车完成 1 9 7 7 .9 万千瓦， 电力机车完成 1 8 9 0 . 1万千瓦。2 0 0 1年国家铁路的机车货运机车日车公里 9 9 .9万吨公里，其中:蒸汽机车4 0 .0 万吨公里，内 燃机车完成 1 0 0 .7 万吨 公里，电力机车完成 1 0 0 .7 万吨公 里。 2 0 0 1 年国家铁路的机车货运机车平 均牵引总重2 7 6 0吨，蒸汽机车平均牵引总重 1 7 7 5吨，内燃机车均牵引总 重2 6 6 8 吨，电力机车均牵引总重2 9 8 5 吨。随着科技的进步， 我国 铁路机 车单位能耗逐步下降。1 9 8 0年蒸气机车万吨公里耗煤 1 1 6 .5千克，内燃机 车万吨公里耗油3 9 .0 千克， 电力机车每万吨公里耗电1 4 2 .0 千瓦小时。 2 4 4 1 年蒸气机车万吨公里耗煤 1 9 5 . 5 千克，内 燃机车万吨公里耗油2 5 .7 千克， 北京交通大学硕士学位论文 电力机车每万吨公里耗电1 1 3 . 1 千瓦小时。1 9 8 0 年，蒸汽牵引工作量( 总重 吨公里) 占总牵引工作量的7 9 .9 ， 内燃、 电力牵引工作量只.七2 0 . 1 % . 2 0 0 1 年各种机车完成总重吨公里为2 7 8 2 8 . 9 亿吨公里， 其中: 蒸气机车完成占比 重0 .4 %、内燃机车完成占比重6 5 . 1 % .电力机车完成占比重 3 5 .2 。我国 铁路牵引动力结构的变化对提高运能、增加车速、节约能源和减少污染民 有重要的意义。 2 . 2国内外节能技术研究概况 8 0 年代以来，澳大利亚、德国、匈牙利、丹麦、英国、日本、前苏联、 美国等许多国家在列车节能操纵方面进行研究和试验，总结节能的列车操 纵方式 ，并应用微机技术研制开发列车优化操纵的微机指导系统、微机控 制系统、操纵模拟系统等。从各国报导的运用情况看 ，列车优化操纵的节 能效果一般为 5 %一1 5 %。有的还对列车优化操纵的节能规律进行了理论 研究。如南澳工学院的研究结果，对于平道或坡度变化很小的线路，理论 上证明了存在最优的操纵序列为 “ 最大加速、 匀速运行、 惰行、 最大制动” 。 我国铁路科技 工 作者根据我国铁路运营情况也开展 了列车操纵优化方法的 研究工作。北方交通大学采用离线优化计算和在线模糊控制相结合的方 法 ，研制了以单片机控制的车载优化操纵微机指导系统 ，并经过了装车 运行试验。西南交通大学结合 “ 八五”科研项目 研制的以微型机控制的司 机操纵指导系统 ， 采用了离线寻优建立优化操纵运行数据库再结合在线实 时调整的方法 ，该系统己在两台机车上 进行了运行试验。这些工作为研究 建立适应我国列车运行环境的优化操纵方式起到积极的探索和推动作用。 由运行图给定的列车运行时间总是大于最少运行时ifi j，因而存在着各 种操纵序列，相应的机车能耗也不相同。于是可在保证列车运行安全平稳 正点的前提下，寻求用能耗较少的操纵方式实现优化操纵。根据牵引计算 分析，可总结出有利于节能的列车运行工况。 在保证列车运行安全、准时的条件下，如何最大限度地节约列车的能 耗支出，减少成本消耗，是铁路运输运营部门最关心的问题。目前关于电 力机车运行节能问题，国内外都有一些研究， 但由于列车运行节能问题较 北京交通大学硕十学位论文 为复杂，目 前只能得到一些经验结论，主要是因为不能通过严谨的算法求 得最优解。 王自力总结了一些有利于节能的列车运行工况，即; 运行时间一定时，列车匀速牵引运行克服的基本阻力功最少; 列车以最大加速度加速可减少加速过程中的基本阻力功; 列车以最大制动能力制动有利于节能 列车制动前惰行以降低制动前的运行速度有利于减少列车动能的损 失; 下坡时尽可能利用列车的势能，尽量避免或减少下坡道调速制动。 金 炜 东 提出 : 对 于 在 起 伏 坡 道 上 的 列 车 运 行， 尽 可 能 利 用 列 车 势 能 和 尽量减少列车动能损失是节能操纵优化的重点。列车在下坡道运行时节能 的行车方法是，以低速进入下坡道，利用重力加速在坡底达到最高速度。 优化操纵是寻找向重力加速过渡的最低速度，使其节能效率较高。根据给 定的运行时间和坡道情况，尽量避免制动。 将列车运行区ib i 划分为 n个子 区间，一个典型的子区间是一个起伏坡道，包括若干上坡道，接着若干下 坡道，其间可夹有平道，至下坡道的出坡点为结束，根据节能原则，对一 个起伏型坡道， 可给出 优化的操纵序列为 牵引， 惰行 必要时动力制动， 必 要时空气制动、 缓解 ， 其中， “ 牵引” 包括 牵引 加 速、 匀速等工况， “ 惰 行” 包括非下坡道上的惰行 ( 减速 ) 和下坡道上惰行 ( 重力加速 ) 。根据牵 引计算规程进行仿真计算，并可对一个子区间内的坡道及弯道进行化简。 对于一个子区间，按照优化的操纵序列仿真寻优，确定牵引加速、匀速、 惰行、必要时制动等工况的运行距离等数值。 通过仿真计算分析，在其他 条件相同的情况下.对于在合理范围内给定的运行时ifa l t i ，优化操纵序列 下运行的列车在该子区间的耗能e i ， 随运行时间 t i 增加而减小。 于是， 列 车在整个运行区间上节能操纵的 优化问 题转化为为求各子区间的节能优化 问题。 济南西机务段的韩长虎从现场运营的角度提出了两种宏观经济操纵方 法的构思，并初步探讨了列车跟踪运行的合理操纵方法。 根据英国 g o o d m a n , l e c t u r e a 2 的 研究， 影响节能的主要因素有: 北京交通人学硕十学位论文 列车重量，当其他条件不变时，可以认为能耗与列车重量间存在线 j性关系，一般可用单位吨公里的能耗来描述; 图定速度，包括站间距、运行时分富裕系数、目 标速度等; 高峰负荷，由于不可能将起动加速度维持使列车运行到设计速度， 故供电系统与车载设备均有一个驱动限度，即电机电压达到线网电压且列 车维持起动加速度牵引力时; 惰行点及其控制策略，在站间运行时尽量采用惰行被认为是最有效 的节能措施，惰行的运用一般与运行时分大小有关。 澳大利亚专家和程家兴主要丛数学模型的角度分析列车节能运行，建 立了列车运行的机械能模型，连续型模型能耗模型等，并提出优化的操纵 策略有两种:其一是最大加速、 惰行、最大制动;其二是最大加速、巡航、 惰行、 最大制动。 根据澳大利亚1 8 1 的研究， 减少输入能耗的方法主要包括: 减少列车重量; 用足运行时分，即减少列车等待，尽量采用惰行操纵方式; 使用最大牵引力: 采用尽可能多的驱动轴来获得初始起动加速度; 在尽可能宽的速度范围内维持牵引力; 使用高的制动率等。 在国外，相对于大铁路， 地铁列车节能技术研究相对较多。1 9 9 7 年新 加坡学者开始 把遗传算法用于列车自 动驾驶仿真中根据各种情况，在出 发前便产生惰行的最合适点，以实现能耗最低。1 9 9 9年，新加坡学者又引 入d e ( d i g e r e n t i a le v o -1 u t io n ) 概 念， 并 用 它 调 整 模 糊隶 属函 数以 优 化列 车的 运行控制。 d e提供最优化目 标函数，易于使用且收敛快。韩国学者提出利 用并行遗传算法提高算法地收敛速度。还有些学者提出从节约列车运行能 耗的角度，利用二维控制模型，探讨如何设计线路的最佳纵断面。 可以看出，这些经验与中国的研究是一致的。由于列车重量并不是可 随意减少的，故节能操纵研究的重点主要在于探讨列车重量不变时的机车 牵引模式与操纵技巧问题。 北京交通大学硕十学位论文 2 . 3小结 国内外对于列车运行节能有较多研究。然而，由于列车运行环境的复 杂性，节能的算法模型及其求解技术是一项十分困难的工作，而且喊有着 严格的应用范围。澳大利亚学者提出的机械能模型具有物理含义清晰、满 足牛顿运动定律等优点，但是机械能模型不对具体列车的控制机制建模。 连续型模型是针对城市轨道交通中无级控制型列车所建立的，它的优化操 纵策略应该包括最大加速、巡航、惰行和最大制动模式，其他任何模式都 不可取。另外是否包括巡航模式应是有条件的。在实际应用中，城市轨道 交通的运行允许速度框限较为复杂，例如由于施工和维护等原因插入慢行 区段，为了缩短安全防护段而减小进站速度等，所以对上述模型还需作相 应调整，刁能达到最优目标。 对于列车在多坡段的运行，由于断面任意变化，因此难以给出较为优 化的模型。西南交大王自 力总结的节能原则，如果要在计算机上实现，还 需要作很多工作。以 往的研究中，多是从简单的坡道组合入手，分析列车 在单上坡、单下坡以 及由上坡、平坡、下坡组合时的运行处理方式。由于 列车实际运行的线路上，各种坡道呈无规律的组合，简单坡道组合的经验 很难在实际应用中。 国内外的铁路专家总结了很多列车节能控制原则，凡是这些定性的原 则如何定量描述并能够在列车实际操纵中灵活运用，还有待进一步研究。 在国外，地铁列车节能技术研究相对较多。国内的大铁路运行距离长， 牵引重量大，而且只有定时约束下的节能运行刁有真正的意义。根据目前 节能算法得出的优化操纵序列是列车运行工况的变化，这些成果更适合无 级操纵的列车节能运行。而国内的大铁路运行的主要是有级操纵的列车， 能够准确给出列车的 手柄位 ( 含柴油机转速，下同) 更具有实际意义。因 为列车手柄位在转换过程中需要考虑到列车手柄位的转换时间和持续时 间，如列车手柄位的转换时间为3 s ，列车手柄位从最高位降至惰行，需要 耗费 1分多钟的时间，所以针对国内大铁路有级操纵地优化操纵序列还需 要在列车工况变化地基础上，给出列车手柄位的变化序列。无论新加坡专 北京交通大学硕十学位论文 家采用的遗传算法，还是余炜东采用的 “ 局部优化、整体寻优” ，都是反复 迭代而得到优化解，这些节能算法普遍存在一个运算时间较长的问题，对 于运行区段较短、运行环境简单的地铁列车也许可以接受，但国阴大铁路 运行区段长、运行环境复杂，如果应用以t泊勺 节能算法，现行主流的的计 算机难以承受如此复杂的运算，运算过程中会出现信息组合爆炸的现象 所以，目前需要研究开发出一种适宜国内大铁路有级操纵机车的列车节能 运行的快速、精确的仿真算法。 北京交通大学硕十学位论文 第三章列车运动的基本理论 铁路列车的移动是在一个复杂多变的环境下，由多因素作用的结果。 这些环境与作用既有静态的，也有动态的。在环境因素中，主要包括下列 因素: ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 线路条件线路是列车运行的基础，它既涉及到坡道、曲线、桥 梁、隧道、道口等土木方面的问题，也有轨道电路、分相绝缘器 等电气方面的问题。 列车条件列车是系统研究的主要对象之一，但列车的内容本身 又是多变的因素之一。它涉及到机车类型( 影响到牵引及制动能 力) 、车辆类型及数量( 影响列车质量、长度及制动性能) 等。 信号条件当存在多列车时，信号影响着列车的运行，列车运行 特性又是确定信号机位置的重要方面。 计算原则列车运行有许多计算前提条件，如注重运输成本的经 济性节能操纵，注重效率的节时操纵，以及其它因素等。 3 . 1力学原理 列车运行过程中，受到众多力的作用，主要包括: ( 1 )线路阻力 包括坡道、曲 线等附加阻力; ( 2 )机车牵引动力或制动力; ( 3 )车辆重力; ( 4 )车钩作用力; ( 5 )列车基本阻力: ( 6 )其它横向 作用力。 在研究列车运行过程时，暂不考虑列车的横向作用力，而只研究列车 北京交通大学硕十学位论文 沿轨道前进方向的作用力。 3 . 2牵引力计算 列车牵引力提供列车前进的动力。机车借助于其动轮和钢轨间的相互 作用将牵引电机的扭矩转换为轮周牵引力即机车牵引力。 3 . 2 . 1 牵pi 力取值 机车牵引力的大小由牵引特性曲线决定，其取值与列车运行速度和操 纵手柄位有关。在等步长法中，列车在步长 末的速度与步长初并不相同， 从而，计算列车在某一步长内状态的变化，需要一些循环。 f c o 0 f ( n， v o) f c r = f ( ,v , , v i) 其中，v o 与玛分别为该步长内的初速与末速。当步长 较小时，可以用步长 初的速度所对应的牵弓 力作为步长内的牵引力。 牵引力的大小还要考虑粘着力的限制: 凡户 p o x晰 实际中，还可根据钢轨踏面撒沙情况进行修正: 凡; =9 1 xp2 x f l 2 其中，p ， 为踏面干湿粘着影响系数;p : 为机车撒沙粘着影响系数。 最终牵引力应为: f - jri 7 77 j 凡。 ， 凡，凡: ，凡刀 机车牵引力的计算是列车移动的主要关键，其取值需要尽量精确和符 合实际情况。一 面将具体探讨有关计算方法。 3 . 2 . 2牵引力计算 根据机车类型，牵引力的计算分有级与 无级两种情j l. o由于牵引特性 北京交通人学硕十学位论文 曲线是采用离散法输入，任意点上列车速度对应的取值需要进行计算，这 里采用抛物线三点插值法计算其具体值。 铁路机车一般采用有级牵引的模式。 有级牵引时，牵引力取值是依据不同手柄位下的牵引特性曲线。在具 体计算牵引力的过程中， 牵规上对于手柄位的描述也是不连续的， 这里 要先根据已有手柄位数据生成所有手柄位的牵引力数据。即对于中间手柄 位的计算需要采用线性插值法计算。其步骤如下: 首先，查出最接近待计算手柄位 k的两个手柄位，设较高者为 m，较 低者为n ，它们对应的与粘着牵引力交接处的速度为s ( m) , s ( n ) ，则该 手 柄位与粘着曲线的交点速度值为: s ( k , 0 ) = s ( n, 0 ) 十 s ( m,0 ) 一 s ( n, 0 ) m 一n k一n . 一 m 一n 其中， s ( k , 0 ) 为手柄位k 与粘着曲 线交点的 速度， s ( m, 0 ) 与s ( n , 。 ) 则分 别为手柄位m与n同粘着曲线交点处对应的速度。从而，s ( k ) 对应的牵引 力即为手柄位k 之牵引力之值。 其次，计算坐标原点、高手柄位与粘着曲线交点处对应的速度点上待 计算手柄位的速度与牵引力值，计算方法如下: f ( k , s ( m, 0 ) ) = f ( n , s ( m, 0 ) ) + f ( m,0 ) 一 f ( n , s ( m,0 ) ) 几 了一n k一n . 一 i v 4一n 第三，计算与较大手柄位起点牵引力对应的较少手柄位处的速度: s ( k ) = s ( n , f ( m, 0 ) ) + s ( m,0 ) 一 s ( n, f ( m, o ) ) m 一n k一n . 一 m 一n 最后，以 上述三点为基础可以 确定出 一条抛物线的轨迹: c u r v e ( p o i n t l s ( k , o ) , f ( k , s ( k , 0 ) ) j , p o i n t 2 s ( m , f ( m , s ( m ) ) ) , p o i n t 3 s ( m, 0 ) , s ( k ) j 北京交通人学硕于 一 学位论文 对于 该手柄位上大于s ( m, 0 ) 的其他任意速度条件 手 柄位k 上的牵引 力， 一般可以先查出前后最相近的两个手柄位m( 较大位) 与n ( 较少位) 的牵 引力f ( m) 与f ( n ) 有: f ( k ) = f ( n ) +f ( m) 一 f ( 们。 人 4一n k一n 五 9一n 从而可生成所有手柄位的曲线。 3 . 2 . 3列车阻力计算 列车阻力包括机车阻力与 车辆阻力，按来d , 可分为基本阻力与附加阻 力。在牵引计算中，阻力是以单位质量所遇到的阻力来计算的。不同类型 的机车车辆有不同的阻力模型，而附加阻力也与 线路条件有很大的关系。 3 . 2 . 3 . 1机车运行的单位基本阻力 不同 机车所受到的单位基本阻力 模型按照 牵规( 2 - 1 ) 一( 2 - 1 2 ) 给出。 3 . 2 . 3 . 2客车运行单位基本阻力 客车所遇到的单位阻力按照 牵规( 2 - 1 5 ) 一( 2 - 1 8 ) 给出。 12 . 3 . 3货车运行单位基本阻力 不同类型货车运行的单位基本阻力主要与轴承类型、 车辆状态( 重空车) 有关，其计算需要按 牵规给定的模型计算。 3 . 2 . 3 . 4机车车辆起动单位基本阻力 电力与内燃机车单位起动基本阻力按 5 n / k n计算，滚动轴承货车起动 基本阻力按3 5 n / k n计算、滑动轴承货车则按下式计算 n ,y - - 了 + 0 4 i , 当 上述计算值小于5 时， 按5 n / k n计算。 3 . 2 . 3 . 5机车车辆附加阻力 机车车辆附加阻力主要是由线路引起的，这些因素包括坡道、曲线、 隧道等。在牵引计算中，这些附加阻力是通过换算为一个等值的坡道当量 北京交通大学硕士学位论文 即 加算坡道ii 引起的单位阻力 v i 来刻画的。 即: i v , = m i + w r 十 ” ， 其中，* ， 为坡道单位阻力，、 ， 为曲线单位阻力，、 : 为隧道单位阻力。有: mi -1 w,二1 0 .5 竺或w _ = 6 0 0w = 二 曲 线 短 于 列 车 长 度 时 ) k i 其中，a 为曲 线偏角( 中 心角) ， 单位为度; 1 ， 为列车长度( 米) ; 1 , 为曲 线长度 单位为米，计算方法如下: lr = l , 一 粤 ( 1, ， 一 。 :， 1 ,_ ， 与ix - : 为 缓和曲 线长度; l , 为曲 线总长度。 一般地牵引计算中曲线长度是指圆曲线长度加两端各半个缓和曲线 长度。当用户输入该信息时，应予以考虑 由于采用等步长法，且不进行坡道化简，列车最终阻力的计算与过去 稍有不同。与列车坡道阻力的计算方法一样，列车在任意一个步长的附加 阻力的计算方法按质量带原理取值，即: 二 一 、 / ， 。尸 + g ) 、 冬 单位阻力则为: ?竺尹. w 艺 一一 w 上述阻力值在每个步长计算一次。 3 . 2 . 4列车制动力计算 列车制动力计算是列车调速的重要手段，尤其在速度限制、下坡道及 进站停车时。 北京交通大学硕士学位论文 在铁路模式下，列车制动过程的推算比较复杂 辆的类型来分别计算各项数掘。根据牵引计算规程 型为: 它需要按不同机车车 列车的单位制动力模 b = 1 0 0 0 只 o j 其中，9 ,. 为列车换算制动率 w 、 为换算摩擦系数: 石 0 二y k , + e k ( p + g ) g 其中 ，瓦为 机 车 上 每 块闸 瓦 的 压 力 ， k n , 斌为 车 辆 上 每 块闸 瓦 的 压 力 ， k n 。我国不同类型闸瓦的压力取值可参照新 牵规表 3根据列车管空气 压力来取值，它是以每辆车/ 机车为单位的。换算摩擦系数也要根据具体的 问瓦类型来计算，以中磷闸瓦为例，计算模型为: o , = 0 . 3 5 6+ 0 . 0 0 0 ( 1 1 0 一、 ，1 : 。 为 制 动时的初 速度， k n i ! h , 在列车运行过程中，当需要采用空气制动方式时，还必须考虑制动空 走时间;对于两次连续的空气制动，要判断其充风时间。当充风时间不够 时，列车不能实施空气制动。 在控制制动过程中，存在一个空走时间。制动空走时间既要针对旅客 列车、 货物列车分别计算， 还要考虑制动类型( 即紧急制动或常用制动) 。 其 具体值与当时所在加算坡道值、 速度有关， 还与列车长度及车辆类型( 决定 着列车管减压量) 有关。 计算制动空走时间的模型为: 北京交通大学硕十学位论文 3 . 5 一 0 . 0 8 i , ( 1 . 6 + 0 . 0 6 5 n ) ( 1 一 0 . 0 2 8 1 ) ( a . 1 + 0 . 0 0 2 r n ) ( 一 0 . 0 3 1 ) ( 3 . 6 + 0 . 0 0 1 肠r n ) ( 1 一 0 . 0 3 2 1 , ) 客李.，资 a m a乡 : 贷丰，op . no; 善 -李,涝 ) w 傲v j ; 货车，v/ w 簇o. 浏1、1 一 方 r 其中， / 为列车管减压量， n 为机车牵引 辆数， 11 为加算坡道。 由于采用等步长法，当坡道较短时，有时空走要跨越两个坡道此时 空走时间的计算比较复杂，其方法是;先按列车上一次制动缓解所在点计 算列车平均坡道，即: i, = f 1 0 0 0 ( h i,e a d - x r-rrd ),叼+ 喻+i 。 ，? + 场 、 ( 0+ to 7r + ta rr sr f o d ,e r ( .a ) 以此为基础，再计算列车从该点起所需的空走时间;接着，按该时间 间隔近似判断产生有效制动的开始时间。经测试，这样做所造成的误差相 对较少。 有效制动时间也与列车所在坡道值有关。即: _3 0 ( v ， 一 v , ) t = l _ 1 口 口 0 ,沪 * +0) +t 其中 ， 、 ， 与1 .2 分 别为 列 车 在 某 一 步 长内 首 末点 的 速 度。w ,r 为 列 车 运 行 单 位 基本阻力( n / k n ) : p m , + g w p十g 在计算制动距离时，列车在任意一个步长内的加算坡道均可参照上述 原理计算。得到每个步长末的速度，可作为下一步长计算的基础。这种对 速度的动态取值，可以 达到更好的计算精度。 3 . 2 ， 5列车运动方程 列车运动方程是列车运行轨迹计算的关键。本模拟器设计的调速方式 是有级调速， 适用于城市间铁路运输过程的模拟计算;我国生产的大功率 铁路机车大多是有级的。 北京交通人学硕十学位论文 在有级调速条件下，列车牵引力的确定要按照机车运行级位来进行 而运行轨迹与许多其他环境因素。由于列车的受力取决于列车的状态( 位置 及速度、 机车操纵状态) 及列车所处的环境条件( 线路状况、信号显示等) ， 列车运行计算过程既有静态的因素，又有动态的因素。例如，牵引力、制 动力乃至阻力的取值均与速度有关，以何点的速度为计算依据，决定了计 算精度。 有级调速时，列车重量较大，机车牵引力一般难以使列车达到线路限 速甚至信号限速。在这种情况下， 要充分考虑具体的线路状况及运行要求。 其计算过程较为繁复。 本模拟器采用等步长法，当步长较大时，步长初与步长末的速度差较 大，会导致较大的误差。为避免这种情祝出现所导致的可能误差本模拟 器对每一步长采用三循环计算法，如下图所示。 以步长初时列车状态1 1 取计算参 数。包括牵引力，阻力、制动力 第一次计算 计算步长 末列车状态 得到v 2 值 以1 , . = ( v 1 4 v ; 7 - 上_ _ _ _ _ _ _ _ 2 为基准取值 重新步民 末训算列车位置v 2 第 _ 次1 算 、 _ _ 以v = v 1 + v 2 ) 2 为依据取值第_次计算 图3 . 1等步民 巾的止循环计算法 三循环计算模型虽然计算速度稍慢，但它可以保证在任何步长条件下 均能满足较好的计算精度的要求幻 有级控制时由于要精确到操纵手柄位，这里有一个问题需要注意:即 歹 ) 车手柄位的提升速度问题。这是一个实际问题。在加速过程中，列车不 北京交通大学硕十学位论文 能迅速地将手柄位从低位大幅度地快速推至高位。本系统在这里设计了一 个手柄位提升的过渡时间，即提升过程中每一手柄位的滞留时间，该值可 由用户根据情况及偏好自 行设定。 当手柄位推至( 局部) 较高位时， 驾驶员实际上不能立即将手柄位再降下 来，否则将造成手柄位频繁调整，不符合实际操纵情况。若手柄位提升后 时间很短就迫于限速必须要降手柄位时，则说明原来提升手柄位时不能提 到那个级位水平。 本系统设定了 一个( 当次 ) 最高手柄位最少持续运行时间， 该值可由用户自 行设定，默认值则设定为3 分钟。 上述两个参数限制了手柄位频繁调整的可能性，从而使模拟计算过程 更接近列车运行的实际情况。 由于采用等步长法推进模拟时钟，为防止列车计算过程中不满足下一 限速而导致重算，本模拟器的正式开始模拟前要进行模拟过程的初始化工 作，从而提高计算过程的效率。 3 . 2 . 6能耗计算 能量消耗是列车运行计算的重要内容，它也是评价牵引方案的一个方 面。不同的牵引策略导致的能量消耗是不同的，虽然某一列车的能量消耗 可能差异不大，但对于众多列车长期运行来说，能量的节约是值得严重关 注的。 机车能耗的计算是与其牵引方式相关的，下面分别就不同类型的机车 来探讨能量消耗数量的计算模型。在本系统中，能耗的计算在模拟结束后 自 动完成。能量消耗也是运营费计算的基础。 3 . 2 . 6 . 1 电力牵引能耗计算 对电力机车来说， 能量消耗是以机车消耗的电流为基础的。 电力机车耗 电 量q 通常 按 牵引 运行 耗电 量q r ( 包 括自 用电 量) 和 惰行、 空 气 制动、 停 站时的自 用电 量q 。 两部分进行计算。 q = q y + q o 北京交通大学硕十学位论文 牵引运行耗电量 l - ly ( 1 , 、 ) + 了 。l , a t l 6 0 x 1 0 0 0 式中 叭 受电弓 处网 压， v : 1 , 平均 有功电 流， a ; 1 n 自 用 电 有 功电 流， a ; a t 相应的工况时间，m i n . 自用电量 u . 艺( a t o 1 n , ) 6 0 x 1 0 0 0 式中 1 .自 用电 有 功电 流， a a t o 相应的时间， m i n . 按新 牵规的规定，最高负荷 ( 最高手柄位)的平均有功电流取值 要打九折。 3 . 2 . 6 . 2 内 燃牵引能耗计算 内 燃机车能量消耗的计算是以 机车耗油量为基础计算的。 内燃机车燃油 消耗量通常按照牵引工况和非牵引工况非别进行计算，非牵引工况包括惰 行、主气制动、停站等柴油机空转的工况，以及电阻制动的工况。 : 二 月+ e+ e , - = 艺( 。 、 a / , ) + y(e o 4 a lo ) + y(e : (喜 ，!， ) + : (咨 ，(， ) 时( 其 中 : e ( l, ) 为 一 ， - 一、 . 2“ 、 z1 12 匀 速 牵 引 能 耗 ， e ( l ) 为 惰 行 能 耗 ， e ( l o ) 为 牵 引 能 耗 ) ， 隋 行 点 的 选 择 相 对 地较为简单， 大致如图1 ( a ) 所示， 即列车在限 速与计算速度之间震荡是较为 合 理 白勺 : 当 e (l,. ) e (告 ， ) 十