CN106126870B - 一种列车牵引系统的节能边界评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轨道交通节能技术领域，尤其涉及一种列车牵引系统的节能边界评估方法，包括以下步骤：S1，根据列车牵引系统的参数推算出列车牵引特性曲线；S2，根据列车牵引特性曲线确定不同工况下列车的能耗，建立列车牵引系统能耗特征模型以及列车运行时间特征模型；S3，根据列车实际运行线路参数构建列车运行场景库；S4，以列车牵引系统能耗和运行时间为核心优化目标进行优化计算，得出节能边界。建立列车的牵引系统方案与其节能能力的对应关系使牵引系统的设计能够得到有效的反馈，有效提升了高速列车牵引系统节能优化的深度。

Description

一种列车牵引系统的节能边界评估方法
技术领域
本发明涉及轨道交通节能技术领域，尤其涉及一种列车牵引系统的节能边界评估方法。
背景技术
列车牵引控制是高速列车运行控制的重要方面，牵引控制的效率、能耗、可靠性等综合性能将对动车组所具备的运营效能具有直接作用，是实现高速列车以及高速铁路系统运输能力的重要条件。常规的列车牵引计算主要从列车动力学模型出发，分析高速动车组的运行过程以及运行工况的序列优化方案。而随着我国轨道交通作为一种重要绿色出行工具的快速发展，与之相关的多项自主化技术的突破与应用，未来在实际环境运营中所附带的环境效应逐步成为关注的重点问题。如何有效降低高速动车组的牵引能耗，使有限的能源消耗发挥更多的运输效力及价值，是提升高速铁路服务能力及节能水平的关键因素。
目前，在城市轨道交通领域，关于列车运行的节能优化问题已形成了许多相关的方法、技术成果，而针对高速动车组的牵引系统而言，由于现行的驾驶控制方式尚未真正引入完全自动化方式，列车运行能耗水平的降低主要体现在列车运行计划及时刻表的编制方面。随着高速列车牵引控制技术发展需求的不断演进，在运行计划层面的静态节能无法单一满足未来的发展需要，如何进一步实现“主动式”的节能优化设计，从列车牵引系统本身的设计方案层面即引入节能优化思想，是从顶层实现节能减排目标的重要途径。为此，针对确定的牵引系统设计参数、方案进行其节能边界的评估，能够从能耗优化角度为高速动车组的设计及运用部门提供有效的参考和建议，从而为高速动车组的技术发展和水平提升带来切实的效益，而当前关于此方面工作尚有待开展。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何建立列车的牵引系统方案与其节能能力的对应关系的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种列车牵引系统的节能边界评估方法，包括以下步骤：
S1，根据列车牵引系统的参数推算出列车牵引特性曲线；
S2，根据列车牵引特性曲线确定不同工况下列车的能耗，建立列车牵引系统能耗特征模型以及列车运行时间特征模型；
S3，根据列车实际运行线路参数构建列车运行场景库；
S4，以列车牵引系统能耗和运行时间为核心优化目标进行优化计算，得出节能边界。
根据本发明，其中步骤S2包括：
S21，以Δs为步长，采用数值计算的方法计算列车运行过程中的能耗值，每个运行区间牵引、巡航、惰行、制动四种工况下能耗按如下方式计算：
式中，ε1为牵引工况下的能耗；ε2为巡航工况下的能耗；ε3为惰行工况下的能耗；ε4为制动工况下的能耗；
整个区间内列车运行的总能耗为：
S22，以Δs为步长，采用数值计算的方法计算列车运行过程中的能耗值，每个运行区间牵引、巡航、惰行、制动四种工况下时间按如下方式计算：
式中，τ1为牵引工况下的运行时间；τ2为巡航工况下的运行时间；τ3为惰行工况下的运行时间；τ4为制动工况下的运行时间；
整个区间内的列车运行总时间为：
根据本发明，还包括步骤S23，根据实际限速条件以及区间计划时间约束确定优化目标函数：
根据本发明，所述步骤S4中采用Pareto最优解分布的方法求得节能边界。
根据本发明，所述步骤S4包括根据工况组合方式，对不同工况对应的子区间的速度向量进行初始化，采用差分进化算法对整个过程进行多目标优化。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明实施例提供的列车牵引系统的节能边界评估方法通过评估特定牵引系统方案的节能边界，使牵引系统的设计能够得到有效的反馈，有效提升了高速列车牵引系统节能优化的深度，与常规的列车节能优化仅从确定的牵引系统方案实施应用的结果进行分析不同，本发明所提供的节能设计直接深入到了牵引系统设计的最前端，在最初的设计过程可体现并响应节能这一优化目标的意义。并且该评估方法以节能为核心目标，同时兼顾了高速列车的舒适度、准点率等其他指标，在节能效益基础上将优化效益拓展到了旅客服务、人性化设计以及运输效率优化的层次，使其优化的范围更为广阔，能够为节能本身提供更多的附加效益。本发明对于不同的轨道交通模式具有一定的适用性，除高速动车组之外，还能够用于普速机车、地铁车辆、城际铁路列车、有轨电车等多种牵引系统及其运用过程，为轨道交通系统的优化和完善提供合理思路。该评估方法能够为高速列车的设计、运用、维护管理等多个相关过程提供评价依据及建议，能够通过合理的反馈指导牵引系统能耗优化能力的提升，进而为高速铁路更加高效、便捷并绿色地提供运输服务带来直接辅助，发挥高速铁路的骨干作用和先进效益。
附图说明
图1是本发明实施例提供的列车牵引系统的节能边界评估方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的列车牵引特性曲线；
图3是本发明实施例提供的列车区间运行能耗-时间分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的列车牵引系统的节能边界评估方法，包括以下步骤：
S1，根据列车牵引系统的参数推算出列车牵引特性曲线；
S2，根据列车牵引特性曲线确定不同工况下列车的能耗，建立列车牵引系统能耗特征模型以及列车运行时间特征模型；
S3，根据列车实际运行线路参数构建列车运行场景库；
S4，以列车牵引系统能耗和运行时间为核心优化目标进行优化计算，得出节能边界。
本发明实施例提供的列车牵引系统的节能边界评估方法通过评估特定牵引系统方案的节能边界，使牵引系统的设计能够得到有效的反馈，有效提升了高速列车牵引系统节能优化的深度，与常规的列车节能优化仅从确定的牵引系统方案实施应用的结果进行分析不同，本发明所提供的节能设计直接深入到了牵引系统设计的最前端，在最初的设计过程可体现并响应节能这一优化目标的意义。并且该评估方法以节能为核心目标，同时兼顾了高速列车的舒适度、准点率等其他指标，在节能效益基础上将优化效益拓展到了旅客服务、人性化设计以及运输效率优化的层次，使其优化的范围更为广阔，能够为节能本身提供更多的附加效益。本发明对于不同的轨道交通模式具有一定的适用性，除高速动车组之外，还能够用于普速机车、地铁车辆、城际铁路列车、有轨电车等多种牵引系统及其运用过程，为轨道交通系统的优化和完善提供合理思路。该评估方法能够为高速列车的设计、运用、维护管理等多个相关过程提供评价依据及建议，能够通过合理的反馈指导牵引系统能耗优化能力的提升，进而为高速铁路更加高效、便捷并绿色地提供运输服务带来直接辅助，发挥高速铁路的骨干作用和先进效益。
具体地，本实施例中步骤S1中的列车参数设置如下表所示：
根据上表中的列车参数推算列车的性能指标。
(1)列车总的牵引功率为：
Pm＝375kW×8×7×0.975＝20475kW，其中0.975为根据经验值设定的系数。
(2)列车最大牵引力为：
Fm＝9.28kN×8×7＝519.68kN
(3)速度为350km/h时的剩余加速度为：
(4)平直轨道平衡速度：
根据平衡方程求解：v＝389km/h
根据在该组参数下计算所得的性能指标判断改组参数是否符合设计要求。在性能指标满足设计要求的前提下推算牵引特性曲线：
设定设置恒力区最大速度：50km/h；设置恒功区最小速度：167km/h，得到确定的牵引特性曲线，如图2所示。
进一步，本实施中其中步骤S2包括：
S21，以Δs为步长，采用数值计算的方法计算列车运行过程中的能耗值，每个运行区间牵引、巡航、惰行、制动四种工况下能耗按如下方式计算：
式中，ε1为牵引工况下的能耗；ε2为巡航工况下的能耗；ε3为惰行工况下的能耗；ε4为制动工况下的能耗；
整个区间内列车运行的总能耗为：
S22，以Δs为步长，采用数值计算的方法计算列车运行过程中的能耗值，每个运行区间牵引、巡航、惰行、制动四种工况下时间按如下方式计算：
式中，τ1为牵引工况下的运行时间；τ2为巡航工况下的能耗运行时间；τ3为惰行工况下的能耗运行时间；τ4为制动工况下的能耗运行时间；
整个区间内的列车运行总时间为：
本实施例中还包括步骤S23，根据实际限速条件以及区间计划时间约束确定优化目标函数：
进一步地，本实施例中步骤S3中以长度为80km的区间作为评估计算的目标线路。
进一步地，本实施中步骤S4中采用Pareto最优解(帕累托效率，Paretoefficiency)分布的方法求得节能边界。具体地，本实施例中步骤S4包括根据工况组合方式，对不同工况对应的子区间的速度向量进行初始化，采用差分进化算法对整个过程进行多目标优化。步骤S4优化得到的Pareto最优解的分布情况如图3所示，即在特定线路下当前的列车参数和牵引系统方案可以按照优化控制策略可以达到的节能边界。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种列车牵引系统的节能边界评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据列车牵引系统的参数推算出列车牵引特性曲线；
S2，根据列车牵引特性曲线确定不同工况下列车的能耗，建立列车牵引系统能耗特征模型以及列车运行时间特征模型；
S3，根据列车实际运行线路参数构建列车运行场景库；
S4，以列车牵引系统能耗和运行时间为核心优化目标进行优化计算，得出节能边界；
其中步骤S2包括：
S21，以Δs为步长，采用数值计算的方法计算列车运行过程中的能耗值，每个运行区间牵引、巡航、惰行、制动四种工况下能耗按如下方式计算：
式中，ε1为牵引工况下的能耗；ε2为巡航工况下的能耗；ε3为惰行工况下的能耗；ε4为制动工况下的能耗；
整个区间内列车运行的总能耗为：
S22，以Δs为步长，采用数值计算的方法计算列车运行过程中的能耗值，每个运行区间牵引、巡航、惰行、制动四种工况下时间按如下方式计算：
式中，τ1为牵引工况下的运行时间；τ2为巡航工况下的运行时间；τ3为惰行工况下的运行时间；τ4为制动工况下的运行时间；
整个区间内的列车运行总时间为：
2.根据权利要求1所述的列车牵引系统的节能边界评估方法，其特征在于：还包括步骤S23，根据实际限速条件以及区间计划时间约束确定优化目标函数：
3.根据权利要求2所述的列车牵引系统的节能边界评估方法，其特征在于：步骤S4中采用Pareto最优解分布的方法求得节能边界。
4.根据权利要求3所述的列车牵引系统的节能边界评估方法，其特征在于：步骤S4包括根据工况组合方式，对不同工况对应的子区间的速度向量进行初始化，采用差分进化算法对整个过程进行多目标优化。
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