Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ современного состояния теории и практики оптимизации режимов ведения грузовых поездов 11
1.1 Актуальность и перспективы решения задачи экономии энергетических ресурсов на основе оптимизации режимов ведения грузовых поездов 11
1.2 Анализ зарубежного опыта оптимизации режимов ведения грузовых поездов 19
1.3 Анализ существующих методов оптимизации режимов ведения грузовых поездов 22
1.4 Обоснование критерия и основных принципов оптимизации режимов ведения грузовых поездов 29
Глава 2 Принципы расчета эксплуатационных расходов по пробегу грузового поезда 38
2.1 Измерители системы единичных норм расходов как основа расчета суммарных эксплуатационных расходов по пробегу 38
2.2 Подготовка исходных данных для моделирования движения поезда 42
2.3 Определение значений измерителей методом моделирования на ЭВМ с использованием тяговых расчетов 47
Глава 3 Методика оптимизации режимов ведения грузовых поездов 59
3.1 Предлагаемые методы оптимизации режимов ведения грузового поезда 59
3.2 Модель управления движением поезда по перегону 64
Глава 4 Оценка влияния режимов ведения на суммарные эксплуатационные расходы по пробегу грузовых поездов 84
4.1 Определение зависимости эксплуатационных расходов по пробегу поезда от режимов движения на элементах профиля с постоянным неускоряющим уклоном 84
4.2 Оценка влияния режимов ведения грузовых поездов на суммарные эксплуатационные расходы по их пробегу на примере участков «Чита 1 - Могзон», «Могзон - Хилок» Забайкальской железной дороги 89
Глава 5 Методика определения оптимальных времен хода грузовых поездов по перегонам 108
5.1 Определение области исследования зависимости эксплуатационных расходов от времени хода грузовых поездов по перегонам 108
5.2 Определение аналитических зависимостей эксплуатационных расходов по пробегу от времени хода поездов по перегонам 116
5.3 Учет пропускной способности участка при определении оптимальных перегонных времен хода 123
Заключение 139
Библиографический список использованной литературы 145
Приложение а 153
Приложение б 171
Приложение в 183
- Анализ зарубежного опыта оптимизации режимов ведения грузовых поездов
- Обоснование критерия и основных принципов оптимизации режимов ведения грузовых поездов
- Подготовка исходных данных для моделирования движения поезда
- Оценка влияния режимов ведения грузовых поездов на суммарные эксплуатационные расходы по их пробегу на примере участков «Чита 1 - Могзон», «Могзон - Хилок» Забайкальской железной дороги
Анализ зарубежного опыта оптимизации режимов ведения грузовых поездов
Изучение опыта работы зарубежных железных дорог показывает, что на большинстве из них разработке и выполнению графика движения поездов уделяется значительное внимание [18, 34, 38, 39, 48, 65].
Польский исследователь X. Кур в 1997 г. разработал комплексную систему автоматизированного составления графика движения поездов на сети Польских железных дорог. В том числе была создана новая методика расчета времен хода поездов по перегонам. Модель предусматривала расчет как сокращенного, так и нормативного времени хода поездов по перегонам. Последнее представляет собой сумму сокращенного времени хода и величины технического резерва. Сокращенное время хода поездов по перегонам состоит из «жесткого» времени хода, которое зависит от тяговых характеристик локомотива, массы и длины состава, профиля пути и увеличения времени хода в связи с ограничением скорости движения в течение трех и более месяцев. В технический резерв включаются добавки к сокращенному времени хода поезда для ликвидации опозданий, возникающих из-за небольших технико-эксплуатационных сбоев [34].
Проблема энергосбережения остро стоит во всем мире. Издержки на топливо, электроэнергию, материалы в общих эксплуатационных расходах зарубежных железных дорог составляют от 45 % во Франции до 20,8 % в Италии [75]. Поэтому исследования, касающиеся этой сферы, имеют особую актуальность. Программы сокращения эксплуатационных расходов предусматривают внедрение ресурсосберегающих технологий, улучшения качественных показателей использования локомотивов и вагонов.
Интересные разработки в области экономии энергоресурсов выполнены на сети Акционерного общества железных дорог Германии (DB AG), где намечено к 2005 году снизить на 25 % удельное потребление энергии на тягу поездов [52, 75]. Основу программы экономии составляет комплекс взаимозависимых мероприятий: - требования к проектированию подвижного состава; - меры, принимаемые для увеличения степени загрузки подвижного состава; - кратковременно действующие меры по экономии электроэнергии, такие как использование на тяговом подвижном составе специальных ЭВМ для экономии электроэнергии, применение систем автоматического управления режимами тяги и торможения, внедрение систем с устройствами регулирования, зависящими от температуры наружного воздуха.
Для реализации последнего Институт железнодорожного подвижного состава при Ганноверском университете разработал систему ESF энергосберегающего ведения поездов серии ICE. Принцип энергосберегающего ведения поезда заключается в том, что при расчетах учитываются не только точные времена проследования участка, но и реальные эксплуатационные отклонения, и стремятся к тому, чтобы на отдельных перегонах поезд следовал с уменьшенной скоростью или на выбеге. С помощью программы рассчитывается несколько вариантов ведения поезда, выбирается наилучший по отношению экономии энергии на тягу поездов к увеличению времени хода. В состав ESF входят электронное расписание Ebula, прибор, который определяет положение поезда и непрерывно передает информацию о нем в бортовой компьютер. Оптимизация позволяет снизить потребление электроэнергии на 10 %. Применение перечисленных научных разработок требует больших капитальных вложений (бортовые компьютеры, системы слежения и передачи информации). Программное обеспечение, разработанное в Ганновере, ориентировано на использование немецкого подвижного состава и не может быть использовано в российских условиях.
Проблемой оптимального управления тяговыми средствами в 1988-1992 гг. занимались чешские ученые Л. Скива, Я. Яначек, П. Ценек. Ими было теоретически проработано и проверено на моделях несколько методов, используемых для энергетически оптимального управления движением поезда. Для проверки была разработана специальная цифровая модель. Она позволяет получить оптимальную кривую скорости движения поезда на заданном участке трассы, а в качестве исходных данных использует длины отдельных участков трассы, ее профиль и времена хода по участкам. Авторами установлено, что автоматическое управление по энергетически оптимальной кривой скорости дает экономию затрат электроэнергии до 7-Ю %. В работе указывается, что данные результаты могут использоваться для расчета оптимального графика. В частности рассматривается вопрос энергетически оптимального распределения времени хода. Оптимизация выполняется в пределах заданного графиком времени. Задача сводится к распределению времени хода на отдельных участках пути и отысканию оптимального режима движения на отдельном участке пути [66].
Обоснование критерия и основных принципов оптимизации режимов ведения грузовых поездов
При разработке систем, осуществляющих выбор энергетически эффективного управления, наиболее ответственным шагом является определение критерия выбора оптимального решения. Следует отметить, что до настоящего времени нет единого мнения по поводу критерия, определяющего оптимальность режимов ведения грузовых поездов. Выбор такого критерия различается в зависимости от конкретных частных целей, решаемых в ходе оптимизации и зачастую обусловлен субъективным отношением исследователя к важности тех или иных результатов, получаемых в процессе оптимизации. В то же время нельзя не отметить, что именно выбор критерия оптимизации является одним из главнейших факторов, от которых зависят разрабатываемые в ходе исследования рекомендации, а также практическая ценность получаемых результатов. Поэтому обоснование критерия оптимизации режимов ведения грузовых поездов является важным вопросом, который должен быть решен на начальном этапе исследований, наряду с определением цели диссертации и ее задач.
В наиболее распространенном на сети железных дорог России программном комплексе, разработанном во ВНИИЖТе, для определения оптимальности предлагаемой электронной режимной карты вычисляется отношение времени движения на выбеге к общему времени хода, которое рассматривается в качестве критерия оптимальности ведения поезда. Во многих методиках критерием оптимизации режимов ведения поезда является расход электроэнергии или топлива. Эти критерии являются, по существу, эксплуатационными критериями.
В 2000 г. кандидат технических наук Горбачев А. Н. в своей работе в качестве критерия оптимизации режимов ведения поезда предложил рассматривать сумму расхода электроэнергии и стоимости тормозных колодок [10]. Таким образом был осуществлен частичный переход от чисто эксплуатационных к смешанным, эксплуатационно-экономическим критериям.
Ученые Самарской Академии путей сообщения Климович А.В. и Окишев В.К. в 2003 г. предложили применить более общий критерий и выбор целесообразности определенного режима движения поезда осуществлять на основе оценки минимума суммарных расходов на электроэнергию, вагоно-часы, локомотиво- и бригадо-часы [25]. Так для оценки режимов ведения поездов был предложен критерий экономического характера. Это было важным принципиальным шагом в совершенствовании критериев оптимизации режимов ведения грузовых поездов и принципиальных подходов к решению этого класса задач, поскольку экономические критерии по своей специфике обеспечивают более высокий уровень обобщения производственных процессов и позволяют выполнять комплексную оценку влияния на рассматриваемый процесс факторов самой различной природы на основе их единообразного учета с использованием стоимостных показателей.
Однако и этот предложенный критерий по-прежнему не обеспечивал полного учета всех эксплуатационных расходов, связанных с передвижением поезда. Для устранения выявленных недостатков и обеспечения возможно более полного учета влияния всех факторов, определяющих величину расходов, связанных с передвижением грузового поезда, в диссертации в качестве критерия оптимальности при определении режимов ведения грузовых поездов предлагается использовать минимум суммарных эксплуатационных расходов по пробегу, которые включают в себя энергетические, пробежные и временные измерители. К энергетическим измерителям относятся механическая работа локомотива, механическая работа сил основного сопротивления и торможения, расход электроэнергии; к пробежным измерителям относятся локомотиво-километры, вагоно-километры и тонно-километры; к временным измерителям относятся бригадо-часы локомотивных бригад, локомотиво-часы и вагоно-часы. При решении задач оптимизационного характера помимо критерия важное значение имеют условия, для которых вырабатываются управленческие решения, которые выражаются в виде ограничений. При определении оптимальных режимов ведения грузовых поездов в пределах железнодорожных участков одним из таких ограничений, устанавливаемых графиком движения поездов, являются перегонные времена хода, а также суммарное время хода поезда по участку. Эти показатели оказывают прямое влияние на такие важнейшие эксплуатационные показатели, как техническая и участковая скорость, а также определяют использование наличной пропускной способности участка. При рассмотрении этого ограничения представляется целесообразным разделить возможные случаи влияния значений перегонных и участкового времен хода на величину потребной пропускной способности участка на два принципиально различающихся варианта оптимизации режимов ведения грузовых поездов: 1) в пределах участка со значительным резервом пропускной способности; 2) в пределах участка с высоким использованием наличной пропускной способности; В первом случае при оптимизации режимов ведения имеющийся резерв пропускной способности позволяет осуществлять поиск оптимальных решений в области режимов ведения всех категорий грузовых поездов. При этом будут изменяться перегонные и, как следствие, участковые времена хода. Обусловленное этими факторами изменение потребной пропускной способности участка при прочих равных условиях не будет приводить к превышению допустимой величины резерва пропускной способности.
Так, например, достижение высокой скорости движения поездов не является необходимым на малодеятельных железнодорожных линиях, характеризующихся весьма значительным резервом пропускной способности. В настоящее время на сети железных дорог Российской Федерации в эксплуатации находится 128 малодеятельных линий общей длиной 10481 км, что со 32 ставляет 12 % от общей эксплуатационной длины сети железных дорог России. Шестьдесят два малодеятельных участка имеют стратегическое значение и не подлежат закрытию или переводу в разряд подъездных путей, шестьдесят шесть малодеятельных участков имеют социальное значение для регионов. Малодеятельные железнодорожные линии являются убыточными. Так например, за четыре месяца 2001 года убытки от содержания малодеятельных линий составили 610,8 млн. рублей [78]. В этих условиях снижение эксплуатационных расходов по пробегу поездов за счет оптимизации режимов их ведения и изменения нормативных времен хода по перегонам является одним из путей по сокращению убыточности железнодорожных перевозок на этих линиях.
Второй случай является более распространенным и характеризуется отсутствием достаточного резерва пропускной способности, позволяющего существенно изменять участковые времена хода грузовых поездов. В этом случае совершенствование режимов ведения может производиться путем поиска субоптимальных решений, позволяющих минимизировать суммарные эксплуатационные расходы по пробегу поездов без изменения или с незначительными изменениями участковых времен хода за счет перераспределения значений времен хода поездов по перегонам с сохранением их общей суммы.
Подготовка исходных данных для моделирования движения поезда
Необходимые для моделирования исходные данные состоят из четырех групп: 1) значения ставок ЕНР на рассматриваемые измерители; 2) данные о грузовом поезде; 3) данные о перегоне, на котором происходит передвижение поезда; 4) данные о поездных локомотивах. Задаваемые значения ставок ЕНР определяются способом, описанным выше (см. п. 2.1). Данные о грузовом поезде: - тип и количество локомотивов; - количество локомотивных бригад, обеспечивающих движение поезда; - длина поезда (с учетом длины поездного локомотива); - количество вагонов в поезде; - масса поезда (с учетом массы локомотива). Данные о перегоне: - длина перегона, на котором происходит передвижение поезда; - описание элементов продольного профиля от начала до конца перегона с указанием границ элементов профиля, длин и уклонов1 элементов; - описание зон ограничения скоростей движения: установленные значения максимальных скоростей для каждой зоны, координаты начала и конца каждой зоны.
Для расчетов на ЭВМ тяговые характеристики были переведены в табличную форму. В таблице 2.3 в качестве примера представлена полученная тяговая характеристика электровоза ВЛ80С для позиции контроллера 33-ОПЗ (третья ступень ослабления возбуждения).
Токовые характеристики электровоза ВЛ80С для выпрямленного тока приведены на рисунке 2.2. Исходные данные, характеризующие зависимость приведенного выпрямленного тока от скорости движения, были преобразованы и представлены в виде значений скорости в узловых точках графика токовой характеристики (таблица 2.4) и параметров линейных уравнений для отрезков, ограниченных смежными узловыми точками. Таблица 2.3 - Координаты узловых точек тяговых характеристик электровоза ВЛ80С (позиция контроллера 33-ОПЗ)
Пример полученного описания токовой характеристики для позиции контролера 33 -ОПЗ представлен в таблице 2.5. Параметры а и b — это рассчитанные параметры линейных уравнений отрезков, ограниченных смежными узловыми точками токовой характеристики: id=a+b-V, (2.5) где V - скорость движения поезда, км/ч.
Значения измерителей по пробегу поездов определяются на основании тяговых расчетов. Для этой цели в диссертации была разработана имитационная модель движения поезда с соответствующим программным обеспечением.
В процессе движения поезда он испытывает воздействие неуправляемых и управляемых сил, которые могут как препятствовать, так и способст 48 вовать его движению. Изменение скорости поезда будет определяться начальной скоростью при вступлении на рассматриваемый расчетный элемент и величиной равнодействующей ускоряющих и замедляющих сил для данного расчетного элемента. Неуправляемые силы: сопротивление движению поезда от воздушной среды, а также от трения (в первую очередь между колесом и рельсом); сила тяжести, зависящая от массы поезда и уклонов элементов продольного профиля пути, на которых находится поезд в каждый рассматриваемый момент времени. Сила тяжести может либо препятствовать движению, либо способствовать ему; силы трения всегда препятствуют движению. К управляемым силам следует отнести силу тяги локомотива и тормозную силу.
Общим принципом определения значений измерителей методом моделирования на ЭВМ с использованием тяговых расчетов является использование численных методов (а именно, метода Эйлера) для решения дифференциального уравнения движения поезда [57]: Г = J = RL(V)-w0{V) + bT{V)±m t (26) где — удельные силы тяги локомотива, основ ного сопротивления движению и тормозной силы в функции скорости, кгс/тс; 1{S) - удельное сопротивление от приведенного уклона функции координат поезда на участке, кгс/тс. Для решения уравнения (2.6) весь маршрут движения поезда разбивается на множество элементарных коротких отрезков (расчетных элементов), в пределах которых значения сил, действующих на поезд, условно считаются неизменными. Таким образом, движение поезда рассматривается как дискретный процесс последовательного «смещения» с шагом, длина которого равна длине расчетного элемента. Величина удельного сопротивления движению поезда от приведенного уклона продольного профиля для каждого к -го участка смещения определяется до начала имитации движения поезда путем обработки данных о продольном профиле пути на перегоне.
В связи с необходимостью многократного пересчета удельных ускоряющих и замедляющих силы и нецелесообразности использования графических изображений (диаграмм ускоряющих и замедляющих сил) при выполнении расчетов на ЭВМ эти силы предлагается представить в виде кусочно-непрерывных линейных функций.
Оценка влияния режимов ведения грузовых поездов на суммарные эксплуатационные расходы по их пробегу на примере участков «Чита 1 - Могзон», «Могзон - Хилок» Забайкальской железной дороги
В 2001 году по заказу Управления Забайкальской железной дороги была выполнена научно-исследовательская работа на тему: «Оптимизация управления движением грузового поезда на участке Чита-1 - Хилок по Кри терию эксплуатационных расходов» (номер госрегистрации 01307004). С ис пользованием методик, изложенных в главах 2 и 3, были проведены экспери ментальные исследования по оценке влияния режимов ведения грузовых по ездов, обслуживаемых электровозами ВЛ80 , на эксплуатационные расходы по их пробегу по перегонам участков «Чита 1 - Могзон» и «Могзон - Хилок» (в четном и нечетном направлениях).
В результате моделирования были получены графики скорости движения грузовых поездов по перегонам участка при управлении, оптимальном по критерию суммарных эксплуатационных расходов по пробегу. Для сравнения также были проведены эксперименты, ориентированные на соблюдение времен хода по перегонам участка, заложенных в графике движения. 3 в ценах 2001 г. Времена хода грузовых поездов по перегонам участков «Чита 1 - Могзон», «Могзон - Хилок», заложенные в графике, приведены в таблице 4.3.
Итого 299.2 317.5 Технико-экономические показатели движения поездов для нечетного I направления, полученные в результате проведения исследований, представ лены в таблицах 4.4 - 4.5. Показатели получены на основе моделирования движения поездов по перегонам и участкам с использованием разработанных в диссертации методик (главы 2 и 3) и разработанного на их основе программного обеспечения. Моделирование выполнялось в двух вариантах: - с ориентацией на соблюдение установленных графиком движения времен хода поездов по перегонам; - с реализацией управления режимами ведения, направленного на минимизацию суммарных эксплуатационных расходов по пробегу.
По результатам моделирования были построены сравнительные диаграммы. На рисунке 4.2 представлена диаграмма времен хода нечетного поезда по участкам «Чита 1 - Могзон», «Могзон - Хилок», отображающая оптимальные времена хода по перегонам по критерию эксплуатационных расходов по пробегу, а также времена хода, установленные графиком движения поездов.
Сравнительная диаграмма времен хода нечетного поезда по участкам при соблюдении времен, установленных графиком движения поездов, а также при оптимальном управлении по критерию эксплуатационных расходов по пробегу
Изменение времен хода по перегонам участков при переходе к оптимальным по критерию эксплуатационных расходов режимам ведения поезда представлено на рисунке 4.3, изменение затрат электроэнергии - на рисунке 4.4, суммарных эксплуатационных расходов - на рисунке 4.5. О Времена хода, оптимальные по критерию минимума эксплуатационных расходов Графиковые времена хода
Рисунок 4.5 - Соотношение суммарных эксплуатационных расходов по пробегу нечетного поезда по участкам при соблюдении времен хода, установленных графиком движения поездов, а также при оптимальном управлении по критерию эксплуатационных расходов по пробегу
Анализ полученных результатов позволил количественно оценить эффективность изменения времени хода поезда по каждому перегону участков. Результаты сравнения рассмотренных вариантов управления движением поезда представлены в таблице 4.6. Знак «плюс» в этой таблице означает увеличение, а знак «минус» - уменьшение соответствующего показателя в оптимальном варианте управления движением поезда по сравнению с графиковым вариантом. Таблица 4.6 - Эффективность оптимизации управления движением поезда массой 3200 т, длиной 1000 м в нечетном направлении участков «Чита 1 Могзон», «Могзон - Хилок»
На основании анализа данных таблицы 4.6 можно сделать следующие выводы: при оптимальном управлении движением поезда суммарные эксплуатационные расходы по его пробегу снижаются на 5.14 %, расход элек 99 троэнергии снижается на 16.78 %. При этом время на передвижение увеличивается на 13.71 %.
Графики скорости и режима движения поезда по трем перегонам участков (Гонгота - Могзон, Могзон - Загарино, Загарино - Тайдут) - это перегоны с наибольшими расхождениями в показателях при реализации графиковых и оптимальных по эксплуатационным расходам времен хода - представлены на рисунках Б.1-Б.6 Приложения Б.
