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优化化高速铁路列车的目标速度，实现牵引节能和提高交通效率
雪松峰
（北京交通大学交通运输学院北京市海淀区上原村3号 100044 ）
摘要：为了追求中国铁路客运服务的更高运营速度，高速运营对能耗和运输效率的影响尚未明确。本研究试图通过模拟方法分析中国某些高铁线路上目标速度范围内的每万公里高速铁路（HSR）列车的牵引能量成本和运输操作时间，考虑到停靠运输距离的影响，高铁列车的牵引特性以及铁路线路的梯度，曲率等，本研究已经推导出高速列车的停靠运输距离小于100的目标速度，从牵引节能和运输效率提高的角度来看，速度应低于190 km / h。 此外，研究结果还表明，与实际的高速铁路运营不同，如果铁路运输能力没有广泛使用，则应根据停靠站之间的运输距离动态调整目标速度。 根据列车的牵引特性和铁路线路的轨道几何形状，应进一步确定每个停靠运输距离小于100公里的准确目标速度。
关键词：高速铁路列车 目标速度 能源消耗
1.介绍
中国高速铁路（HSR）的发展近年来一直处于快车道上，它起始于中国铁路高速（CRH）电动复合机组（EMU）3型（CRH3）。自2008年8月起，在北京和天津之间提供最高时速350公里的客运服务（杨等人，2010）。截至2011年7月，在中国8000多公里的高铁线上，各种类型的CRH动车组运行时速超过200 km / h。 根据中华人民共和国铁道部的计划，到2015年，超过23,000公里的高铁线路将建成并投入使用。尽管对CRH电动车组的形状，结构，万向轴等进行了大量的研究（张等人，2006; 姚等人，2009; Huang等，2010; Sun等，2010）。CRH动车组的最高速度不断提高，加上中国高铁线路的高速建设，在2010年底，北京和上海之间新建的高铁线上，CRH动车组380A达到486公里/小时的最高时速。，高速列车服务的超常规进展和快速建设。高铁网络在中国的发展离不开铁路研究人员和工程师不可避免的问题。
当最高速度提高时，需要更高的牵引力（Hay，1982; 安德鲁斯，1986年; 马丁，1999年; 毛等人，2008年），这意味着不同的能源消耗模式（Kokotovic 和辛格，1972年; Uher等人，1984; Hoyt和Levary，1990; 刘和 Golovitcher，2003; Chandra和Aqarwal，2008年; 黄和钱， 2010）。然后有必要考虑高速列车的牵引能量成本如何在一定范围的目标速度下变化，同时考虑到停靠运输距离的影响，高铁列车的牵引特性和梯度曲线，曲线等线。 由于对短途旅行时间的需求，HSR系统迅速扩大其在中国及其他地区的市场（Adler等人， 2010; Hsu等人，2010），它正在与其他交通工具竞争长途通勤（Hatoko和Nakagawa，2007; 布兰科 等，2011）。 然而，投资成本回收和营销策略很难解决（亨舍尔，1997年; Cheng，2010; 周杰伦 等，2011）。 特别地，可以通过各种目标速度来实现节省时间（换句话说，提高运输效率），并且应当评估通过高速操作实现这种改进的成本。此外，当HSR列车的目标速度与节能和运输效率相结合时，设定其目标速度以改善它们对于服务质量和运营成本都是至关重要的。
许多以前的研究试图解释速度和牵引能量消耗之间的关系（例如，Chui等人， 1993; Lukaszewicz，2001年; Miller等人，2006; Bocharnikov等，2007; Lo#39;pez等人，2009）以及各种列车的运输效率（即运输效率）（例如，Wong等人，2002; Liu等人， 2007; Hsu等人，2010）。 然而，这些研究通常关注随着火车沿线停靠站数量的增加，总能源成本和列车总时间损失的变化。 他们无法针对不同的间歇运输距离下的列车目标速度，牵引设备特性和铁路线路的梯度，曲率等，提供能量和时间节约的量化评估。通过分析这些因素对每10,000乘客公里（p-km）的牵引能量成本（TEC）（即由于驾驶，滑行和制动所消耗的能量）和技术运行时间（TOT）（即行程时间，不包括车站停靠时间）这项工作提出从牵引节能和提高运输效率的角度出发，以量化的方式优化高铁列车的目标速度。 本研究基于HSR-Train-Type1从一个HSR线的Stop-A到Stop-B以及另一个HSR的Stop-C到Stop-D的HSR-Train-Type2模拟客运服务在中国线。
本文组织如下，仿真方法。先计算出高铁列车的TEC和TOT.k第2节。 此后，第3节和4 分别分析不同站点间不同目标速度的各种类型HSR列车的每10,000 p-km的TEC和10,000 p-km的TOT。 根据所取得的成果，引入每10,000平方公里的变动技术运营成本（TOC）的绩效评估为第5节。 最后，给出结论，并讨论未来的研究问题第6节。
2. 计算TEC和TOT的模拟方法
根据列车牵引计算方法介绍，在Andrews（1986）和Mao等人的着作中。（2008年），计算机辅助仿真方法如图1所示，在这项研究中应用来计算乘客的TEC和TOT高铁列车运输服务。火车全程从在连续的间隔中模拟一次到下一站。该计算间隔的长度等于1秒本研究的模拟工作。牵引力，速度和操作条件（即电动，滑行或制动）列车在一个计算区间内被认为是不变的。一个车站的列车以其全部牵引力启动朝向目标速度。首先实现目标通过列车从启动中持续加速的速度，火车开始滑行直到它的速度之间的差异目标速度达到预设值10.00km / h。在这项工作中，此后以其全力牵引力加速到目标速度交替。为了确保准确和安全，在火车到达时，列车开始决定是否需要刹车一个距离下一定距离的铁路站点停止。这是根据列车的速度（v1）和允许的速度（v2），这是根据确定列车的制动性能和运输距离，该计算时间间隔开始时的火车站点下一站。如果v1ž、v2，火车刹车以降低速度尽快到相对很小的价值，这是能够确保在下一站停靠的绝对安全;如果V1Oslash;、v2，火车沿岸。这样的决定是为每个人做出的后来的计算间隔，直到列车安全地准确停车，在下一个车站根据后面的列车v1，计算间隔和v2，这是基于的确定的，列车在每次计算开始时的位置，间隔和列车的制动性能。
图1.计算TEC和TOT的模拟方法
列车的牵引力采用一定的比例，即r％，其计算间隔内的全部牵引力首先确定，由这列火车的速度，如方程（1）：
其中fr是列车在第k个计算区间内利用其全部牵引功率的r％的牵引力，单位是N，Pr是列车利用其全牵引功率的r％的牵引力第k个计算区间，单位为W，vr为列车在第k个计算区间内利用其全牵引功率r％的速度，单位为m / s。
除了速度之外，列车的牵引力也受其运行状况的影响。 当列车滑行或制动时，其牵引力为0N。因此，在计算区间内利用其全牵引功率的r％的列车的牵引力通常可以由公式 （2）：
其中vTm值是列车的目标速度，单位是m / s，第k个计算区间中的速度上限，等于vTm值当轨道的轨道几何形状没有要求时行，单位是m / s，vPR，k-1 是列车利用pr％的速度日，在k-1计算区间内的全牵引功率，单位是m / s，CTm值是列车速度和目标速度之间允许的最大差值，单位是m / s，CUL是列车速度和速度上限之间允许的最大差值，等于C Tm值当铁路线的轨道几何形状没有要求时，单位是m / s。
正如方程式所阐明的那样，（2）和（3）中，列车在计算区间内的速度由列车的牵引力利用其全部牵引功率的一定比例决定，根据列车的目标速度，该计算区间中的铁路线的轨道几何形状，前一个计算区间中列车的速度，列车的质量和来自铁路线的阻力：
其中，fL为第k个计算区间内来自铁路线的阻力，单位为N，由式 （4）式中，M是列车的质量，单位是kg，Dt是计算间隔的等效长度，即本文中的1.00 s：
其中fB是第k个计算区间内来自铁路线的基本阻力，单位为N，由式 （5）中，fS为第k个计算区间内轨道线的梯度，曲率等特殊阻力，单位为N.在第k个计算区间内来自例如铁路线梯度的阻力可以用方程（6）：
其中a0，a1和a2是由列车的牵引特性确定的系数。 不同类型的火车有自己的一套这样的系数：
其中f梯度是第k个计算区间内由铁路线梯度引起的特殊阻力，单位为N，g为重力加速度，单位为N / kg，y为水平面与坡度之间的角度，单位是学位。
计算间隔的列车的TEC由公式计算（7），基于列车的能量成本曲线，该曲线呈现了具有不同牵引力，速度和运行条件的列车的能量成本强度的详细数值。各种类型的列车具有它们各自的能量成本曲线组，其揭示在相同牵引力，速度和运行条件下这些列车的不同能量成本强度。从列车启动到其他站的模拟工作的所有计算间隔的TEC被累加到这两个站之间的行程的TEC中。 两站之间的火车的TOT通过计算间隔的总和来计算：
TEC，ķ是第k个计算区间的列车的TEC，单位是k Wh和E，F，RķvRķoķ，ķ是列车的能源成本密度，利用其全部牵引力的r％作为f的牵引力[Rķ，速度v[Rķ和o的操作条件ķ，（即驾驶，滑行或制动）在第k个计算间隔中，单位是k Wh / s。
3. TEC单位运输
为了根据客运量的工作量来评估TEC，每1 000 p-km HSR列车的目标速度为v之间的TEC的停靠时间定义为Eq（8）：
其中，ev是每10000 p-km列车的TEC，从站i到站j的目标速度v，单位是kWh / 10,000 p-km，Ev是列车的TEC从站i到站j的目标速度v，单位是kWh，Pv是从站i到站j的目标速度v的列车乘客座位数，Rv是利用率列车的乘客座位与目标车站i到车站j的速度之比，以及Dv是列车以目标车站速度v到车站j到达车站j的运输距离，单位是10,000公里。
HSR-Train-Type1乘客座位数为600人，主要用于长途客运服务，其设计最高时速为350公里/小时。 不同的意图是为行驶较短距离的乘客提供交通服务，HSR-Train-Type2的设计顶速为250公里/小时，拥有622个乘客座位。从Stop-A到Stop-B以及从Stop-C到Stop-D的HSR线路的长度分别为970.08和170.53 km，由于数据支持不足而没有统计站内铁路线路的长度。 根据中华人民共和国铁道部发布的统计数字，从A站到B站，从C站到D站的高铁列车的乘客座位在2010年之后基本全部使用。在这项研究中充分利用乘客座位，计算每乘客10,000公里不同停靠站之间乘客运输TECs的变化从Stop-A到Stop-B的HSR-Train-Type1和从Stop-C到Stop-D的HSR-Train-Type2随着它们在不同站点之间的目标速度的增加而显示图 2和3，分别假设铁路线处于直线状态，在这两个区域中的任何一个区域都显示了TEC每10,000 km-km的变化。
它被发现在图2当从Stop-A到Stop-B的HSR-Train-Type1的目标速度从150 km提高到350 km / h时，每10,000 km-km的TECs从300 kWh / 10,000 p-km增加得更快到大约1100千瓦时/ 10,000平方千米。 此外，每10,000km-km的TEC间隔运输距离超过100 km的影响并不明显。相反，由于停靠站之间的运输完成的p-km严重减少，并且由于停靠站的持续加速导致的集约化能源消耗严重减少，因此每10,000平方公里的TEC显着增加，因为停靠间运输距离低于100公里训练从初始阶段开始实现目标速度。 通过提高目标速度，特别是超过180公里/小时，加速了这种增加。当HSR-Train-Type1以低于180 km / h的目标速度行驶时，每10,000 p-km额外使用大约100 kWh，而与10,000 p-公里为停止运输距离超过100公里。 但是，如果目标速度为300 km / h，则每10,000 p-km消耗超过200 kWh的额外方式用于停止间运输距离。如HSRTrain-Type1持续提高目标速度超过300 km / h，每10,000 km-km的TEC增加在短于50 km的中途停靠运输距离显然减慢并最终变得稳定，因为目标速度例如为340 km / h不能通过列车从车站启动到刹车开始的持续加速来保证准确和安全地停在下一个站点之间，在这两个站点之间的短途运输距离内。
图2. HSR-Train-Type1运输系统的TECs不受轨道线路轨道几何形状的影响
图3.不受轨道几何形状影响的HSR-Train-Type2运输系统的TECs
与HSR-Train-Type1运输服务每10,000平方公里运输服务的TEC差异不同，HSR-Train-Type2运输服务每10,000平方公里运输服务提供的TEC间差距Stop-C到Stop-D随着目标速度的提高几乎呈线性增长，如图所示图3。 当HSR-Train-Type2的目标速度从100提高到250 km / h时，每10,000 km-km的TECs增加的速度将从100 kWh / 10,000 p-km增加到约500 kWh / 10,000 p-km 。 如果HSR-Train-Type2的目标速度低于160 km / h，则停靠站之间的运输距离几乎不会对每10,000 km-km的TEC产生影响。 如果HSR-Train-Type2以160 km / h的速度运输目标速度的乘客，则每10,000 p-km的TEC将随着停站运输距离的减少而增加
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