第11卷第3期交通运输系统工程与信息V01.1lNo.32011年6月JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnologyJune201l文章编号:1009-6744(2011)03-0083-04我国高铁列车牵引能耗影响因素作用效果的模拟分析张星臣8,冯雪松¨…,毛保华8,b贾顺平8…,冯旭杰8’6(北京交通大学a.交通运输学院;b.中国综合交通研究中心,北京100044)摘要:以我国某条高铁线路上运行的CRH一3型动车组为例,采用计算机辅助模拟的方法,定量分析单位旅客运输列车牵引能耗(单耗)与列车最高目标速度、停站间距、座位公里利用率之间的关系.研究发现:由于列车最高目标速度提高而产生的单耗增加的幅度远高于列车最高目标速度的提高幅度;在最高目标速度一定的条件下,列车的单耗随列车停站间距的缩短而增大,且该趋势随列车最高目标速度的增大而越发明显;当列车的座位公里利用率小于50%时,单耗随座位公里利用率的增大而明显降低.基于分析结论,本文最后提出了旨在降低我国高铁列车牵引能耗的若干技术性建议.关键词:铁路运输;高速铁路列车;牵引能耗;计算机模拟;节能技术中图分类号:U2—9文献标识码:ASimulationResearchontheTractionEnergyConsumptionofHigh-SpeedTrainsinChinaZHANGXing.chen8,FENGXue.son98,6,MAOBao.hua4’6,JIAShun—pin98'6,FENGXu-jie8·6(a.SchoolofTrafficandTransportation;b.IntegratedTransportResearchCenterofChina,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)Abstract:Accordingtocomputer—aidedsimulationmethod,thisstudyanalyzestheeffectofthemaximumtargetspeed,transportdistancebetweenstopsandutilizationratioofseat—kilometerstheenergyconsumptionperunitpassengertransportbytheCRH——3electricalmultipleunitoperatinghigh··speedraillineinChina.Itisfoundthattheincreaseofthetractionenergyconsumptionperunitpassengertransportwiththeimprovementofthemaximumtargetspeedismuchfasterthantheincreaseofthemaximumtargetspeed.Moreover,asformaximumtargetspeed,thetractionenergyconsumptionperunitpassengertransportincreaseswiththedecreaseofthetransportdistancebetweenstopsandsuchincreaseaccelerateswiththeincreaseofthemaximumtargetspeed.Furthermore,thetractionenergyconsumptionperunitpassengertransportdecreasesobviouslywiththeincreaseoftheutilizationratiooftheseat-kilometersofthetrain,especiallywhentheutilizationratioissmallerthan50%.Basedthestudyresults,somesuggestionsproposedfromtheperspectiveofenergy·saving.Keywords:railwaytransportation;high—speedtrain;tractionenergyconsumption;computer—aidedsimulation;energy-savingtechniquesCLCnumber:U2—9Documentcode:A收稿日期:2011-03-15修回日期:2011-05-03录用日期:201l-05-20基金项目:能源基金会项目(G一0911—11631).作者简介:张星臣(1960一),男,河南民权人,教授,博士生导师.‘通讯作者:xsfeng@bjtu.edu.en万方数据84交通运输系统工程与信息2011年6月1引言随着CRH一3型动车组于2008年8月1日开始以350公里//J,时的最高运营速度为北京与天津之间的乘客提供快捷的运输服务…,中国正式迎来了其高速铁路的大规模快速发展时期.虽然我国投入使用的CRH动车组在设计上还存在着~些缺陷"o,但不同型号的CRH动车组在不同的高铁线路上成功地多次创造了新的列车最高运行速度纪录.面对中国高速铁路线网的大规模快速建设和其高铁列车普遍采用较高的最高目标速度来提供客运服务的现实,两个曾多次被提及的问题又重新成为人们关注的焦点:列车的运行能源消耗强度与其最高目标速度等诸多因素之间存在着怎样的定量关系?如何才能通过有效的方法来降低列车的能耗水平?针对上述问题,很多人实际上已做了大量的研究工作.Chui等¨。针对Kowloon.Canton铁路公司的运营情况,在保证运输服务水平不变的前提下,提出了包括优化列车操纵方法、控制列车内空调的使用、调整列车运行时刻表等一系列降低列车运行能耗的方法,取得了一定的经济效益.LukaszewiezM。利用计算机模拟的方法,考虑列车的速度、轴数、编组等因素,对SJX2000型高速列车和传统客货列车的运行阻力、运行时间及能耗进行了分析,从方的角度给出了列车能耗的简便计算方法.Miller等"1从提升机车牵引性能的角度初步分析了列车能耗与速度的关系.Bocharnikov等¨1则从优化列车操纵方法的角度提出了策略性的建议,力争达到列车能耗和运行效率的平衡.以往此类研究虽然为解答上述疑问提供了宝贵参考性建议,但尚不能提供准确的系统性答案.本文以我国某条高铁线路上运行的CRH一3型动车组…为例,采用计算机辅助模拟的方法,定量分析单位旅客运输列车牵引能耗(单耗)与列车最高目标速度、停站间距、座位公里利用率之间的关系,从而提出了旨在降低我国高铁列车牵引能耗的若干技术性建议.2能耗模拟计算流程及单耗定义参照Andrews‘71、Martin‘¨、Liu等‘91、Ding等…3以及毛保华等…3关于列车牵引计算及模拟万方数据的研究,本研究所采用的列车牵引能耗仿真计算方法的流程如图1所示.假设列车以全功率启动至最高目标速度,其在一个计算时间步长内的列车牵引力可以根据列车此时的运行状态(惰行、牵引、制动等)、速度、牵引特征曲线(由机车性能决定)以及线路条件(例如曲线半径、隧道长度、线路坡度等)计算得出.随后,列车在这一计算时间步长内的牵引能源消耗值则可以根据列车的牵引力、速度和运行状态计算得出.通过对列车在每个计算时间步长内的牵引能耗进行集计求和,从而得到列车的全程运行能耗.由于高铁线路的曲线半径、线路坡度等不像传统铁路线那样有较大的变化,且高铁线路比较平直;又因为基础数据的,本文中所研究的高铁线路的线路条件对列车能耗的影响效果被忽略不计,即此研究中的列车牵引力由列车的运行状态、速度和牵引特征曲线决定.线路条件(坡道、曲线、牵引力桥梁、隧道、限速等)t列车牵引特征曲线攀列车在一个计算时间步长内的牵引能耗列车全程牵引能耗图1牵引能耗计算流程Fig.1Tractionenergyconsumptioncalculationprocedure为了合理地描述高铁列车运行的牵引能源消耗强度,公式(1)对单耗进行了定义,即最高目标速度为t,时,每万人公里(10000P—km)旅客运输量的列车牵引能耗.e;2币茜面E。a)式中e:——从i站到_『站以最高目标速度口运行的列车单耗,kWh/10000P—km;E:——从i站到.『站以最高目标速度∥运行的列车牵引能耗,kWh;P:——从i站到J站以最高目标速度t,运行的列车中的座位数;R:——从i站到_『站以最高目标速度口运行的列车中的座位利用率;第11卷第3期我国高铁列车牵引能耗影响因素作用效果的模拟分析85D;——从i站到j站以最高目标速度移运行的列车的运行距离,10000km.3单耗与最高目标速度本文所研究的国内某条高铁线路从起点A站至终点B站全长约116.91公里;所应用的CRH一3型动车组的定员为600人,其设计最高时速为350公里/小时.假设该动车组的全程座位利用率为100%,在列车直达运行(中途不停车)方案下,其牵引单耗随列车最高目标速度的增大而变化的趋势如图2所示.从该图中可以看出:在座位利用率一定的情况下,列车全程牵引单耗基本上随列车最高目标速度值的增大而呈现二次方增长趋势,即单耗的增长率远高于最高目标速度的增长率.当列车的最高目标速度从100公里/小时增大到350公里/小时(3.5倍)时,其牵引单耗从约150kWh/10000P—km增大到约1050kWh/lO000P—km(7.0倍).狮咖茹iIr9x啪0‘。=0.99427¨0o罗J36‘58矿善宝枷≯委枷,耋舡抛.1Z。50150250350450最高目标速度(h,h)图2最高目标速度对单耗的影响Fig.2theeffectofmaximumspeedtractionenergy+consumptionperunittransport如果在A站和B站之间运行的CRH一3型动车组仅在途中的c站停车(A至c运行长度为至B的单耗随列车最高目标速度的增大而变化的从图3可以看出:对于同一最高目标速度而万方数据i軎詈垂邑耀甚昌暑暑星宝昌2呙昌导暑暑是昌累昌呈罴罱导昌一一一一-一一一一HNNHt,q“一nnnnnn最高目标速度(knl,h)图3停站间距对单耗的影响Fig.3Theeffectofdistancebetweenstopstractionenergyconsumptionperunittransport大.当列车最高目标速度小于200公里/小时的时候,该趋势尚不明显;当列车最高目标速度大于的同一最高目标速度下所额外支出的牵引单耗随列车最高目标速度的提高而增大,直至行车区间长度成为列车加速至所设定的最高目标速度(300公里/小时左右)的瓶颈.单耗与座位公里利用率以350公里/小时的最高目标速度从A站直达B站的CRH一3型动车组的单耗与座位公里利明显降低.随着座位公里利用率从20%增大到000kWh/10000P—km000kWh/lO000P—km,下降幅度约000kWh/10000500kWh/lO000P—km,下降幅200公里/小时的时候,由于行车区间缩短而引起5用率的关系如图4所示.考虑到我国节假日(尤其是春节)期间的高铁列车仍有约20%左右的超员现象,所以这里的座位公里利用率的最高值取120%.从图4可以看出:当座位利用率小于50%时,列车牵引单耗随列车座位公里利用率的增大而50%,其牵引单耗将从约54单耗与列车停站间距83.25公里,C至B运行长度为33.66公里),假设该列车全程座位利用率仍为100%,其A至C和C趋势如图3所示.言,列车牵引单耗随列车行车区间长度的缩短而增下降到约2为60%.换言之,若座位公里利用率从50%下降到20%,处于同样运营条件的CRH一3型高铁列车的牵引单耗将增大到原来水平的2.5倍.相对而言,若座位利用率从50%继续增大,列车牵引单耗随列车座位利用率的增大而降低的速度虽然有所放缓,但仍有不小的下降幅度.如图4所示,随着该CRH一3型高铁列车的座位利用率从50%增大至80%,其牵引单耗将从约2P—km下降到约186交通运输系统工程与信息2011年6月度约为25%.i善2暮嚣番座位公里利用率(%)图4座位利用率对单耗的影响Fig.4The.effectofseat—kilometerstractionenergyconsumptionperunittransport6研究结论高铁列车的单耗随其最大目标速度的提高而增大的幅度远高于其最大目标速度的提高幅度;在列车最高目标速度一定的条件下,单耗随列车停站间距的缩短而增大,且该趋势随着列车最高目标速度的增大而越发明显;当座位公里利用率小于50%时,列车的单耗随其座位公里利用率的降低而明显增大.有鉴于此,对于在总长度较小、运量不大的线路上运行的高速列车而言,其最大目标速度值不宜过高.而对于那些在距离较长、运输能力尚有富余的线路上运行的高速列车而言,其最高目标速度值的设定不应追求全线的一致性,而应该根据行车区间的长度分别确定每个行车区间的最高目标速度值;距离较短的行车区间宜采用相对较低的最高目标速度值.考虑到CRH一3型高铁列车的综合性能,其针对行车区间长度而设定的最高目标速度应以约200公里/d,时为分界点.另外,从提高列车运行牵引能耗利用效率的角度看,在我国CRH高铁列车的运营组织工作中可以对不同时段、不同季节、不同购票方式等采用差异客票价格策略的多种灵活促销手段,增强高铁列车尤其在客运非高峰时段及客运淡季的客流吸引能力,尽量提高列车的座位利用率,保证其至少不低于50%..此研究仅对我国某条高铁线路上运行的CRH一3型高铁列车的牵引能源消耗强度影响因素的作用效果作了分析,将来仍需要对国内外不同高铁万方数据线路上运行的多类型高铁列车的运营情况作进一步研究,从而验证本研究所得结论的广泛性,并需要对其它诸如列车编组长度等运输组织因素进行分析,从而探求更加完善的研究结论.参考文献:[1]YangZ,HuangX,WuS,eta1.TractiontechnologyforChineserailways[C/CD].2010InternationalPowerElectrorlicsConference.IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers),Sapporo.2010:2842—2848.[2]ZhangW,WuP,WuX,eta1.AninvestigationintostructuralfailuresofChinesehish—speedtrains[J].EngineeringFailureAnalysis,2006,13(3):427—441.[3]ChuiA,LiKK,LauPK.TractionenergymanagementinKCR[J].IEEConferencePublication,1993,1(388):202—208.[4]LukaszewiczP.Energyconsumptionandrunningtimefortrains:Modellingofrunningresistanceanddriverbehaviorbasedfullscaletesting[D].RoyalInstituteofTechnology,2001.[5]MillerAR,PetersJ,SmithBE,eta1.Analysisoffuelcellhybridlocomotives[J].JournalofPowerSources,2006,157(2):855—861.[6]BocharnikovYV,HillmansenS,TobiasAM,eta1.OptimaldrivingstrategyfortractionenergysavingDCsuburbanrailways[J].IETElectricPowerApplications,2007,l(5):675—682.[7]AndrewsHI.Railwaytraction:Theprinciplesofmechanicalandelectricalrailwaytraction(StudiesinMechanicalEngineering,5)[M].NewYork:Elsevier,1986.[8]MartinP.Trainperformanceandsimulation[c]//WinterSimulationConferenceProceedings.IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers),Phoenix,1999:1287—1294.[9]LiuH,MaoB,DingY,eta1.Trainenergy-savingschemewithevaluationinurbanmasstransitsystems[J].JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology,2007,7(5):68—73.[10]DingY,ZhouF,BaiY,eta1.Traingraderesistancecalculationmodificationmodelbasedmeasureddata[J].JournalofTransportationSystemsEngineeringandInformationTechnology,2010,10(6):82—88.[11]毛保华,李夏苗,牛惠民.列车运行计算与设计[M].北京:人民交通出版社,2008.[MAOB,LIXM,NIUHM.Trainperformancecalculationanddesign[M].Beijing:ChinaCommunicationPress,2008.]我国高铁列车牵引能耗影响因素作用效果的模拟分析
作者:作者单位:
张星臣, 冯雪松, 毛保华, 贾顺平, 冯旭杰, ZHANG Xing-chen, FENGXue-song,MAO Bao-hua, JIAShun-ping, FENG Xu-jie
张星臣,ZHANG Xing-chen(北京交通大学,交通运输学院), 冯雪松,毛保华,贾顺平,冯旭杰,FENGXue-song,MAO Bao-hua,JIAShun-ping,FENG Xu-jie(北京交通大学,交通运输学院,北京100044;北京交通大学,中国综合交通研究中心,北京100044)
交通运输系统工程与信息
JOURNAL OF TRANSPORTATION SYSTEMS ENGINEERING AND INFORMATION TECHNOLOGY2011,11(3)
刊名:英文刊名:年,卷(期):
1.Yang Z;Huang X;Wu S Traction technology for Chinese railways 2010
2.Zhang W;Wu P;Wu X An investigation into structural failures of Chinese high-speed trains[外文期刊]2006(03)
3.Chui A;Li K K;Lau P K Traction energy management in KCR 1993(388)
4.Lukaszewicz P Energy consumption and running time for trains:Modelling of running resistance anddriver behavior based on full scale testing 2001
5.Miller A R;Peters J;Smith B E Analysis of fuel cell hybrid locomotives[外文期刊] 2006(02)6.Bocharnikov Y V;Hillmansen S;Tobias A M Optimal driving strategy for traction energy saving on DCsuburban railways[外文期刊] 2007(05)
7.Andrews H I Railway traction:The principles of mechanical and electrical railway traction (Studiesin Mechanical Engineering,5) 1986
8.Martin P Train performance and simulation 1999
9.Liu H;Mao B;Ding Y Train energy-saving scheme with evaluation in urban mass transit systems[期刊论文]-Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology 2007(05)
10.Ding Y;Zhou F;Bai Y Train grade resistance calculation modification model based on measured data[期刊论文]-Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology 2010(06)11.毛保华;李夏苗;牛惠民 列车运行计算与设计 2008
1. 陈荣武.诸昌钤.刘莉.CHEN Rong-wu.ZHU Chang-qian.LIU Li 基于CBTC的城市轨道交通列车能耗算法及仿真[期刊论文]-计算机应用研究2011,28(6)
2. 汪自成.王猛.黄足平.李红梅 武广高速铁路运行时分和供电系统能力评估[期刊论文]-铁路技术创新2010(1)
本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jtysxtgcyxx201103013.aspx