摘要：机车牵引能耗是铁路节能的重点，与其他节能方式相比，在保证安全、准点等约束条件下优化机车操纵是降低机车牵引能耗经济有效的方法。在借鉴已有研究成果的基础上，通过对电力货运机车运行特点和过程进行分析，利用极大值原理求解不同运行阶段的最优节能模式，对不同运行阶段的转换点进行计算，结合优秀司机乘务员的操纵经验，将司机操纵经验纳入节能算法，并进行定量描述，最后对算法进行仿真验证。仿真结果表明，算法能够在复杂线路条件下实现节能目标。
关键词：铁路；电力机车；节能
铁路运输部门是国民经济中耗能最大的单位之一，其节能研究有重要意义。随着我国铁路改革的不断深化，铁路部门作为一个运输服务提供商，同其他市场运营主体一样，具有不断降低成本、争取获得最大经济利润的使命和责任。与此同时，铁路运输量的逐年增长以及我国铁路的大面积提速，列车牵引重量、行驶速度、运营密度也在不断提高中，铁路运输正逐渐成为当今社会市场运作的主体，具有不可替代的作用。铁路运输的能源消耗涉及诸多因素。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可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。而电力机车节能为优化操纵研究课题的重要组成部分。
1 当前存在的问题
目前已经在优化操纵方面有了一些成果，但车型仅局限于内燃机车。国内外基于机车节能操纵的研究大部分也停留在内燃，甚至蒸汽机车的时代，车型较陈旧，对于电力机车运量逐渐加大的今天，已经不适用了。因此，还需要对电力机车的相关车型进行研究。目前铁路上主要的电力机车车型包括韶山系列，和谐电系列等，可以从中选出一种车型进行分析，对于优化操纵节能第一论断与第二论断已经有了初步的分析，能够定性的给出能耗与速度值、波动幅度的关系，但没有实验的支撑，单纯的分析说服力较小。由于没有组织相关实验，对于这两个论断没有做进一步的扩展，即量化的分析能耗与速度和波动复制的关系。由于该学科已经进行过很长时间的研究，理论成果很多，所以已经把操作相关知识编写成教材的形式进行培训，这是各路局进行培训的普遍方法。但该方法理论性太强，容易给驾驶员形成单调的印象，且机车驾驶是一门实践性很强的学科，需要用肢体来记忆驾驶方法，因此，单纯的教材是无法很好的应用于实际操作的，一个能够模拟列车优化驾驶的平台是必要的。针对以上问题，本文将立足于当下，对HXD3型电力机车进行优化操纵方法的分析，以实验的形式，量化的分析能耗与速度值、波动幅度的关系，并且形成系统的培训方法。
2 HXD3型电力机车能耗模型建立
在能耗计算中，所使用的公式均参考自《列车牵引计算规程》（以下简称《牵规》）。本文的主要研究对象是和谐电3型，而现行的《牵规》最新版是1999年版，没有该型号机车的相关计算公式。经过铁路局同意，决定使用韶山型电力机车的部分能耗计算公式对型电力机车进行能耗分析与模型建立。能耗首先包括坡道阻力做功，曲线阻力做功，基本阻力做功，制动力做功。此外，在列车停站、临时停车、这样短暂停留的情况下，列车并没有切断电源，而是持续供电，以便于快速的开车走行。
坡道的划分：根据线路坡道特点，将坡道划分为平直区段、缓坡区段和陡下坡区段，不同的区段电力机车合力表现不同。（1）平直区段。平直区段是指坡道为0的路段，电力机车使用牵引工况使电力机车保持匀速运行的区段，满足uff（v）－r（v）=0。（2）缓坡区段。缓坡区段是指电力机车使用惰行工况使电力机车能保持目标速度运行的区段，满足g（x）－r（v）=0。（3）陡下坡区段。陡下坡区段是指电力机车使用惰行工况不能使电力机车保持目标速度运行的区段，甚至会超过区段限速，满足g（x）－r（v）＞0。
陡下坡区段处理和优秀司机经验借鉴：在平直区段和缓坡区段，对于驱动系统效率稳定的电力机车，其不同工况之间的转换完全相同，但对于陡坡区段，即使电力机车采用惰行模式，仍然会超出目标速度，甚至会超出线路限速，影响电力机车运行安全。而电力机车司机大部分都是固定交路，在实际驾驶中积累了大量成熟经验，在某些惰行路段部分优秀司机能够弥补算法的不足，定性描述如下。①起车稳：在电力机车开始运行时，以较低的速度起步，当各个车辆之间的车钩完全被拉开，再进行加速运行。②加速快：在电力机车完全启动后，进行最大牵引力进行加速，使电力机车在较短的时间内达到目标速度。③制动快：在电力机车安全范围内，使用最大制动力进行减速，使电力机车在较短的时间内停车。④操纵平稳：在电力机车运行过程中，避免多次加减速，通过对路况的判断，提前进行加减速。
对于陡坡的处理，优秀司机往往提前进行减速惰行，以减少电力机车制动次数。为了对此进行定量化描述，借鉴对于陡上坡采取的平均速度等效法的思路，对陡下坡采取提前惰行的方式处理，陡下坡的处理如图1所示。
图1 陡下坡的处理
3 数据源的选用及配置
数据最早是在列车运行结束后，用数据线将数据导入到地面存储设备中，然后采用铁科院机车车辆研究所的牵引电算软件转换为格式文件。从机车上直接取出的数据格式并不是通用格式，采用常规方法无法打开，而且其内部的数据存储格式是不公开的。机车车辆研究所的软件，可以将这种格式的文件导入，然后进行各种操作，功能仅局限于其软件所提供的功能。如果要对文件内的数据进行处理实现特定的功能，唯一可用的资源就是经过其转换过的文件。这也是本文中软件选用其作为数据源之一的原因。
査询分析系统，用于将列车运行的数据重新进行査询绘制，可以实现在地面对已完成的运行数据进行重绘，和对不同司机的操纵方法进行评价。其功能主要包括数据导入、线路与运行信息的绘制、基于坐标的运行信息查询、专家评判模块、能耗计算与图像操作几部分。
数据导入包括运行数据、坡道数据、曲线数据、优化数据，excel与数据库都是四个表。由于运行数据表比较复杂，因此对其进行重点介绍。坡道与曲线、优化数据内容比较单一，不存在一表多格式的问题，而且存取方法与运行数据表相同，因此不再赘述。
4 结论
以电力机车节能为目标，通过利用极大值原理分析电力机车不同运行阶段的节能模式，再编制算法对不同运行阶段的转换点进行了求解，并结合实际添乘中的经验，利用理论方法对司机经验进行定量化的描述，最后利用HXD3电力机车进行了仿真验证。
（1）分析电力机车最优节能操纵。在分析电力机车受力和运行阶段基础上，构建使电力机车能耗最小的数学模型，得到电力机车各个运行阶段能耗最小的模式，并编制相关算法对不同阶段的转换点进行求解。（2）利用实际线路对节能算法进行仿真。利用matlab软件在实际线路上进行仿真研究，从仿真结果来看，节能效果显著，对电力机车的辅助驾驶模式提供参考。
参考文献：
[1] 林轩.货运电力机车节能优化操纵策略研究[D].西南交通大学，2018.
[2] 李晏良，邵琳，何财松.高速铁路列车运行辐射噪声与运行速度关键系数研究[J].铁道运输与经济，2018，40（04）：90-94.
[3] 高志远.铁路电力机车节能优化操纵研究[J].铁道运输与经济，2018，40（04）：95-99+106.
[4] 杨天宇.列车运行优化仿真系统研究[D].长安大学，2017.
[5] 庄会华.基于预测控制理论的机车节能运行控制系统的研究[D].西南交通大学，2009.
论文作者:董海
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/29
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