CN109118052B - 节能评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及公共交通领域，具体是对轨道交通列车的节能评价方法，依次包括以下操作步骤：1)确定轨道交通列车能耗环节构成和根据能耗指标因子建立能耗环节和综合节能评价指标体系；2)对所述的能耗指标因子定权；3)根据能耗指标因子进行基于端点混合三角白化权函数的灰色聚类评价和评估。通过建立相关的节能评价指标体系，经过牵引运行计算确定指标因子权重，运用基于端点混合三角白化权函数的灰色聚类评价和评估方法，给出同类型轨道交通列车综合节能评分等级和轨道交通列车综合节能的薄弱环节，为轨道交通列车的节能设计和发展提供参考。
Description
技术领域
本发明涉及公共交通领域，具体是对轨道交通列车的节能评价方法。
背景技术
随着我国轨道交通取得较大发展，大量的地铁车辆、城际动车组、高速列车等轨道车辆投入轨道交通系统，同时由于轨道交通线路增多，车辆数量增多，部分线路发车频率增加，高速列车运行速度不断提高等的原因，使得轨道交通列车运行能耗问题突出，轨道交通列车运行节能问题备受关注，其中对轨道交通列车系统构成及综合节能性能的研究也成为了主要研究点。列车在设计初期，如何对比分析同类型列车系统构成方面的优缺点，找到列车节能的薄弱环节，优化列车系统构成，以期提升轨道交通列车各能耗环节及综合节能性能，也成为了轨道交通列车节能研究的重点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种节能评价方法，以期望找到列车综合节能的薄弱环节，优化列车系统构成，以期提升轨道交通列车的综合节能性能。
为了实现上述目的，提供了一种节能评价方法，依次包括以下操作步骤：
1)确定轨道交通列车能耗构成和根据能耗指标因子建立节能评价指标体系；
2)对所述的能耗指标因子定权；
3)根据能耗指标因子进行基于端点混合三角白化权函数的灰色聚类评价和评估。通过建立节能评价指标体系，经过牵引运行计算、敏感性分析和相对重要性的标度，确定指标因子权重，运用基于端点混合三角白化权函数的灰色聚类评价和评估方法，给出同类型轨道交通列车综合节能评分等级和轨道交通列车综合节能的薄弱环节，为轨道交通列车的节能设计和发展提供参考。
进一步的是，建立节能评价指标体系包括以下步骤：
1)分析轨道交通列车能量传递对应数据；
2)根据轨道交通列车能耗建立能耗数学模型，分析对应数据，筛选和确定能耗指标因子，根据所述能耗指标因子建立指标因子数学模型；
3)根据对应的能耗描述数学模型、指标因子数学模型，建立节能评价指标体系。
由于轨道交通列车能耗特点和系统构成的特殊性，其部分环节节能评价体系为单层次或序列型多层次指标评价体系，综合节能评价体系为非序列型递阶层次指标评价体系，构建轨道用列车综合节能非序列型递阶层次指标评价体系，即包括基于轨道交通列车能量传递过程及能耗组成和数学模型进行能耗指标分类及能耗指标因子量化，指标因子与能耗指标相关映射规则梳理，构建综合节能非序列型递阶层次指标评价体系。
进一步的是，根据轨道交通列车能耗建立能耗数学模型，分析对应数据时，对运行阻力能耗进行分析，所述运行阻力能耗包括机械阻力能耗、气动阻力能耗和附加阻力能耗。
进一步的是，对所述的能耗指标因子定权包括以下步骤：
1)对所述能耗指标因子进行敏感性分析并输出列车工况数据；
2)根据所述列车工况数据和能耗数学模型进行牵引运行计算，确定敏感度系数；
3)根据所述敏感度系数，建立能耗指标因子判断矩阵；
4)进行能耗指标因子权重计算及综合权重合成。
进一步的是，进行因素敏感性分析包括以下步骤：
1)根据所述节能指标评价体系选取变化因子；
2)设定变化因子的变化百分率；
3)选择需考察的能耗目标和分析指标。
在设定变化因子的变化百分率时，可以根据需要调节。
进一步的是，所述需考察的能耗目标为列车的运行阻力能耗、牵引传动效率损耗和摩擦制动能耗。
进一步的是，进行能耗指标因子判断矩阵构建时，通过敏感度系数的大小确定相对重要性标度。
进一步的是，所述运行阻力能耗、牵引传动效率损耗和摩擦制动能耗均为一级能耗指标；根据能耗指标因子进行基于端点混合三角白化权函数的灰色聚类评价和评估包括以下步骤：
1)建立灰色聚类白化权函数评分体系；
2)确定能耗指标因子变化范围以及指标值，并且对能耗指标因子进行评分；
3)对轨道交通列车进行综合节能评分及一级能耗指标评分，所述一级能耗指标包括运行阻力能耗、牵引传动效率损耗和摩擦制动能耗；
4)进行灰色聚类及综合评价。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显。或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的节能评价方法流程示意图；
图2为高速列车能量传递及能耗组成示意图；
图3为高速列车运行阻力及其能耗影响因子体系示意图；
图4为高速列车综合节能评价递阶层次结构模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，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，都应当属于本发明保护的范围。
关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”以及它的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
如图1，本实施方式提供了一种节能评价方法，依次包括以下操作步骤：
1)确定轨道交通列车能耗构成和根据能耗指标因子建立节能评价指标体系；
具体包括以下步骤：
a、分析轨道交通列车能量传递对应数据；
b、根据轨道交通列车能耗描述数学模型，分析对应数据，筛选和确定指标因子数学模型；
c、根据对应的能耗描述数学模型、指标因子数学模型和指标评价体系构建原则，建立轨道交通列车部分环节以及综合节能层次指标评价体系。
2)对所述的能耗指标因子定权；
具体包括以下步骤：
d、对指标因子进行敏感性分析并输出列车工况数据；
敏感性分析具体包括以下步骤：进行变化因子选取；设定变化因子的变化百分率；选择需考察的能耗目标和分析指标；在设定变化因子的变化百分率时，可以选择±5％或±10％或±15％或±20％等。
e、根据列车工况数据和能耗数学模型进行牵引运行计算，确定敏感度系数；
f、根据敏感度系数，建立能耗指标因子判断矩阵；
g、进行能耗指标因子权重计算及综合权重合成。
3)根据能耗指标因子进行基于端点混合三角白化权函数的灰色聚类评价和评估。
具体包括以下步骤：
h、建立灰色聚类白化权函数评分体系；
i、对指标因子变化范围进行统计和计算并且对指标因子进行评分；
指标因子变化范围统计和计算并且对指标因子进行评分包括以下步骤：同等速度等级、技术条件动力和编组要求下，确定轨道交通车辆质量、阻力系数、效率相关指标范围和指标值；根据指标能耗变化趋势、指标范围和指标值，进行指标因子评分值计算。
j、对轨道交通列车进行综合节能评分及一级能耗指标评分；
k、进行灰色聚类及综合评价。
通过建立综合节能评价指标体系，经过牵引运行计算确定指标因子权重，运用基于端点混合三角白化权函数的灰色聚类评价和评估方法，给出同类型轨道交通列车综合节能评分等级和轨道交通列车综合节能的薄弱环节，为轨道交通列车的节能设计和发展提供参考。
灰色聚类及综合评价指一类评价，通过计算各个指标的灰色聚类函数值，综合求解各指标关于不同灰类的灰色聚类系数，通过对比分析灰类函数值和聚类系数的大小，确定各个指标在综合评价中的水平，从而为改进或者提高产品性能提供建议。
下面以某型号高速列车为例说明本实施方式：
一、通过文献和实地调研，确定轨道交通列车能量传递过程及能耗组成，如图2为高速列车能量传递过程及能耗组成。
从能量的传递路径出发，电能首先从受电弓1引入高速列车牵引变压器2，变压后经过列车的牵引变流器单元3，输出给列车牵引电机4和辅助变流系统5，再经齿轮传动系统6到轮对7，驱动列车前进。其中变压器和变流器环节存在能量损失，主要涉及变压变流效率问题，最终损耗以热能形式散失到周围环境中。经过牵引电机和齿轮变速箱的能耗，主要为克服电机内部电损和机械传动系统的摩擦阻力，最终也以热能形式散失到周围环境。剩余部分能量主要输出为列车的动力，由列车的动能和克服列车的运行阻力能耗两部分构成。最终列车的动能转换为列车制动能耗、运行阻力能耗和再生能量。可见高速列车能耗可以分为牵引传动效率损耗、运行阻力能耗、列车辅助能耗和摩擦制动能耗这四部分，这四个部分即为指标因子，即能耗指标因子(这四个部分可以记作一级指标，下面阐述中一级指标(一级能耗指标)又可以分出多个二级指标(二级能耗指标)；考察时，可只对牵引传动效率损耗、运行阻力能耗和摩擦制动能耗进行考察。
二、建立能耗相关模型
能耗相关模型包括运行机械能模型、牵引传动效率损耗模型、运行阻力模型等，下面以高速列车阻力模型为例说明。
运行阻力：
高速列车阻力可分为基本阻力和附加阻力，其中基本阻力是运行列车在任何情况下都存在的阻力，附加阻力是列车运行时受到的由线路条件引起的额外阻力，如坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力。
(1)基本阻力
引起基本阻力的因素很多，其中最主要的是动车、拖车各零部件之间，动车、拖车表面与空气之间，以及车轮与钢轨之间的摩擦和冲击。
通常情况下，高速列车其基本阻力模型为见式1。
W0＝AMg+Bv+Cv2 (1)
式中：W0—列车运行总阻力(kg)；
v—运行速度，(m/s)；
A、B、C—常数，由试验或数值模拟确定。
(2)附加阻力
列车在特定条件下(通过坡道、曲线、隧道)运行时遇到的阻力称为附加阻力。
①坡道附加阻力
列车在坡道上运行时，其重力产生垂直于轨道与平行于轨道的两个分力。垂直于轨道的分力被轨道的反作用力平衡，平行于轨道的分力即列车坡道附加阻力。即列车上坡时，坡道附加阻力与列车运行方向相反，阻碍列车运行，列车下坡时，坡道附加阻力与列车运行方向相同，有助于列车的加速。坡道单位附加阻力可用式2来计算。
Wi＝i (2)
式中：wi—列车运行单位坡道阻力(N/kN)；
i—坡道千分数，上坡为正，下坡为负。
②曲线附加阻力
因列车在曲线上运行时，车轮与钢轨产生额外的摩擦、轮轨间的横向和纵向移动、转向架构件间的摩擦加剧等原因，使列车在曲线上比在直线上运行时得的阻力大，增大的部分就称为曲线附加阻力。其与曲线半径、列车的运行速度、曲线外轨超高、轨距加宽量、动车和拖车的轴距等因素相关，通常采用经验公式来计算曲线附加阻力，见式3。
式中：wr—单位曲线附加阻力(N/kN)；
R—曲线半径。
③隧道附加阻力
列车进入隧道时，对隧道内的空气产生冲击作用，使列车头部受到突然增大的正面压力。进入隧道后，列车驱使空气移动，使列车头部的正压与尾部负压的压力差，产生阻碍列车运动的阻力。同时，由于车辆外形结构的原因，隧道内的空气产生紊流，导致空气与列车表面、与隧道表面的摩擦，也产生阻碍列车运动的阻力。以上两部分阻力之和称为隧道附加空气阻力。影响隧道空气阻力的主要因素有行车速度、列车长度、列车的迎风面积、隧道长度、隧道净空高度、列车及隧道表面粗糙程度等。通常采用经验公式4和5计算隧道附加阻力。
隧道内有限制坡道时：
式中：ws—单位隧道附加阻力(N/kN)；
Ls—隧道长度(m)；
vs—列车在隧道内的运行速度(km/h)。
隧道内无限制坡道时：
ws＝0.00013Ls (5)
阻力因子构成体系，如图3：
通过以上分析，从列车角度，建立列车运行阻力及其能耗因子体系，见图3。A,B,C的值由具体车型通过实验给出。
综合节能非序列型递阶层次指标评价体系：
通过分析轨道交通车辆运行能量流程及能耗构成、相关的能耗模型及其影响因子，构建综合节能非序列型递阶层次指标评价体系。某型号高速列车综合节能评价指标体系见表1和图4。
表1高速列车综合节能系统评价指标体系
三、综合节能非序列型递阶层次指标评价体系权重计算
综合节能非序列型递阶层次指标评价体系权重计算，其中包括构建能耗指标因子敏感性分析表及牵引运行计算，构建能耗指标因子判断矩阵，能耗指标因子权重计算，综合能耗指标因子权重合成。以某型号高速列车参数为例进行分析。
能耗指标因子敏感度系数计算：
1)指标因子敏感性分析工况表：
敏感性分析就是所研究项目的评价结果对影响项目的各种因素变动敏感性的一种分析方法。例如，高速列车质量、气动阻力、逆变器效率发生变化时，高速列车的运行能耗将发生不同程度的变化。
因素敏感性分析的步骤：
①选取变化因子，对于本研究项目，选取动车质量、气动阻力系数C等作为影响高速列车能耗的变化因子；
②设定变化因子的变化百分率，可以选择±5％，±10％，±15％，±20％等。
③选取分析指标，即确定要考察的能耗目标，选择运行阻力能耗、牵引传动效率损耗、摩擦制动能耗和辅助能耗；
④计算敏感度系数，敏感度系数是反映项目分析指标对因素敏感程度的指标。敏感度系数越高，敏感程度越高。
计算公式为：
式中，E为分析指标A对因素F的敏感度系数；ΔF为变化因子F的变化率(％)；ΔA为变化因子F变化ΔF时，分析指标A的变化率(％)。
以高速列车综合节能评价递阶层次结构模型为例建立高速列车能耗指标因子敏感性分析计算表，表2为标准工况参数表，标准参数取自某型号高速列车参数，表3为根据基本工况构建的因子变化率参数表，表4为指标因子敏感性分析工况表。
表2基本工况参数表
表3因子变化率参数表
表4指标因子敏感性分析工况表
2)能耗指标敏感系数：
在牵引运行计算软件中输入表4中的工况参数，对每一个工况都基于某高速列车线路进行表5中一级指标能耗的牵引运行计算。
经计算，运行阻力能耗、牵引传动效率损耗、摩擦制动能耗和辅助能耗在41种工况下的平均占比结果见表5。
表5能耗占比结果
根据能耗计算结果进行因子敏感性计算，得出各因子变化率下牵引传动效率损耗的敏感系数均值，见表6。
表6敏感系数均值
3)能耗指标因子判断矩阵：
依据表6得出的敏感性结果进行判断矩阵的构建。其根据就是若A因子变化量对能耗变化影响大，B因子变化量对能耗变化影响小，A因子比B因子在相关列车节能指标方面更重要。以牵引传动效率损耗指标为例构建因子判断矩阵。判断矩阵见表7。
表7牵引传动效率损耗判断矩阵
4)能耗指标因子权重计算：
按照求矩阵最大秩的方法，计算表7所示的判断矩阵权重，权重计算结果见表8。
表8牵引传动效率损耗二级指标权重
计算判断矩阵的最大特征根为λmax＝10，矩阵阶数为m＝10阶，查表得RI＝1.49，计算CI和CR。
可见CR＜0.1，判断矩阵满足一致性标准，权重向量计算结果有效。
通过同样的方法可以计算运行阻力能耗和摩擦制动能耗的二级指标权重。分别对一级指标和二级指标对顶层高速列车综合节能指标进行合成，求解各二级指标的综合权重，见表9。
表9二级指标综合权重
四、基于端点混合三角白化权函数的灰色聚类评价和评估
1)构建灰色聚类白化权函数评分体系
综合节能指标的评价共分为八个等级，见表10。
表10评分等级定义和分数表
将各指标评价分值统一转化为百分制，分为“非常卓越”、“卓越”、“优秀”、“良好”、“一般”、“合格”、“差”、“较差”八个灰类。在区间[40，100]中，依次确定“非常卓越”的灰类转折点λ8＝95“卓越”灰类的转折点λ7＝90，“优秀”灰类的转折点λ6＝85，“良好”灰类的转折点为λ5＝80，“一般”灰类的转折点为λ4＝75，“合格”灰类的转折点为λ3＝70，“差”灰类的转折点为λ2＝65，“较差”灰类的转折点为λ1＝60。
因为各指标评价分值均已转化为百分制，故各指标关于“非常卓越”“卓越”、“优秀”、“良好”、“一般”、“合格”、“差”、“较差”八个灰类的白化权函数相同，分别如下表11所示。
其中，各灰类指标关于“较差”灰类的白化权函数为下限测度白化权函数，关于“非常卓越”灰类的白化权函数为上限测度白化权函数，其他灰类的白化权函数均为适中测度三角白化权函数。
表11指标评分值灰色聚类白化权函数表
2)能耗指标范围统计及指标评分
通过查阅文献和轨道交通车辆相关资料，统计和计算一定速度类型的轨道交通车辆二级指标变化范围，被评价车型相关特性值作为指标值。根据指标变化范围和前期调研指标因子对能耗的变化趋势，确定相关指标评分值。
某型号高速列车的二级指标变化范围和特性值统计见表12。
表12某型号高速列车指标变化范围及评分
3)能耗指标及轨道交通列车综合节能评分
统计权重计算结果和指标因子评分结果，见表13所示。
表13综合评分表
对某型号高速列车在某线路牵引运行计算后的综合评分为：
S＝RWT＝(60.00,60.00,60.00,60.00,76.83,80,95.12,89.50,95.03,100,100)(0.066，0.041,0.012,0.050,0.188,0.428,0.027,0.027,0.027,0.011,0.123)T＝79.77
由表10可知，列车综合节能评价处于一般和良好之间，即为D-E等级。
4)灰色聚类及综合节能评价
根据表13指标评分值和权重数据，结合表11中构建的各灰类白化权函数，可计算出各指标关于不同灰类的白化权函数值和灰色聚类系数，如表14所示。对表14中的结果进行分析，由
可知，总体上看该型号高速列车节能综合评价处于“良好”灰类，说明该型号高速列车综合节能性良好；从聚类系数计算结果来看，该型号高速列车综合节能指标性能分布较为极端，“较差”灰类的聚类系数
动车/拖车质量、列车运行机械阻力、空气动量阻力制约高速列车综合节能性能的提高，说明动车/拖车质量、空气动量阻力对高速列车综合节能的支撑作用还需进一步发挥，需在该型号高速列车轻量化、降低列车机械阻力、降低空气动量阻力方面采取一定的措施；其次“一般”灰类的聚类系数
说明列车运行的气动阻力处于一般水平，应在列车头型优化、列车流线型等方面展开工作，以降低列车运行气动阻力。对于“良好”灰类下的运行目标速度，当线路运行时间及运行条件满足要求时，应尽量降低列车的运行目标速度，以提高列车综合节能性能；由于牵引变流器、牵引电机、齿轮传动系统效率在运行过程中均较高，对应的聚类系数计算结果处于“优秀”“卓越”“非常卓越”灰类，该部分指标特性对提高该型号高速列车综合节能性能起了主要支撑作用。
表14各指标关于不同灰类的灰色聚类系数
以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，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，都应当属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.节能评价方法，其特征在于，依次包括以下操作步骤：
1)确定轨道交通列车能耗构成和根据能耗指标因子建立节能评价指标体系；
2)对所述的能耗指标因子定权；
3)根据能耗指标因子进行基于端点混合三角白化权函数的灰色聚类评价和评估。；
其中，建立节能评价指标体系包括以下步骤：
S11.分析轨道交通列车能量传递对应数据；
S12.根据轨道交通列车能耗建立能耗数学模型，分析对应数据，筛选和确定能耗指标因子，根据所述能耗指标因子建立指标因子数学模型；
S13.根据对应的能耗描述数学模型、指标因子数学模型，建立节能评价指标体系；
步骤2)具体包括以下步骤：
S21.对所述能耗指标因子进行敏感性分析并输出列车工况数据；
S22.根据所述列车工况数据和能耗数学模型进行牵引运行计算，确定敏感度系数；
S23.根据所述敏感度系数，建立能耗指标因子判断矩阵；
S24.进行能耗指标因子权重计算及综合权重合成；
步骤S21具体包括以下步骤：
S211.根据所述节能指标评价体系选取变化因子；
S212.设定变化因子的变化百分率；
S213.选择需考察的能耗目标和分析指标；
步骤3)具体包括以下步骤：
S31.建立灰色聚类白化权函数评分体系；
S32.确定能耗指标因子变化范围以及指标值计算，并且对能耗指标因子进行评分；
S33.对轨道交通列车进行综合节能评分及一级指标评分；
S34.进行灰色聚类及综合评价；
能耗指标因子包括一级指标和二级指标；
一级指标包括列车的运行阻力能耗、牵引传动效率损耗、摩擦制动能耗和列车辅助能耗；
运行阻力能耗的二级指标包括动车质量、拖车质量、机械阻力系数、空气动量阻力系数、气动阻力系数和运行目标速度；
牵引传动效率损耗的二级指标包括动车质量、拖车质量、机械阻力系数、空气动量阻力系数、气动阻力系数、运行目标速度、变流器效率、电机效率、齿轮传动效率和回转质量系数；
摩擦制动能耗的二级指标包括动车质量、拖车质量、运行目标速度和回转质量系数。
2.如权利要求1所述的节能评价方法，其特征在于，根据轨道交通列车能耗建立能耗数学模型，分析对应数据时，对运行阻力及其能耗进行分析，所述运行阻力能耗包括机械阻力能耗、气动阻力能耗和附加阻力能耗。
3.如权利要求1所述的节能评价方法，其特征在于，进行能耗指标因子判断矩阵构建时，通过敏感度系数的大小确定相对重要性标度。
4.如权利要求1所述的节能评价方法，其特征在于，确定能耗指标因子变化范围以及指标值计算，并且对能耗指标因子进行评分，包括以下步骤：
1)确定能耗指标因子变化范围；
2)根据测试输出牵引变流器、牵引电机、齿轮传动系统牵引力-速度-效率测试结果，线性插值计算具体线路运行时牵引变流器、牵引电机、齿轮传动系统效率指标值；
3)根据指标变化范围和指标值，进行能耗指标因子评分值的计算。
5.如权利要求4所述的节能评价方法，其特征在于，线性插值计算具体线路运行时牵引变流器、牵引电机、齿轮传动系统效率指标值，包括以下步骤：
1)处理牵引变流器、牵引电机、齿轮传动系统牵引力-速度-效率测试结果；
2)求解离散时间段内牵引变流器、牵引电机、齿轮传动系统效率；
3)求解线路里程内牵引变流器、牵引电机、齿轮传动系统平均效率，所述平均效率即指标值。
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