Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt việt nam
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.3 MB, 125 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
NGUYỄN VĂN HẢI
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG ĐOÀN TÀU
TRÊN TUYẾN ĐƢỜNG SẮT VIỆT NAM
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI
NGUYỄN VĂN HẢI
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG ĐOÀN TÀU
TRÊN TUYẾN ĐƢỜNG SẮT VIỆT NAM
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 9520216
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải
2. PGS.TS. Đỗ Việt Dũng
HÀ NỘI – 2018
i
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Thanh Hải và PGS.TS. Đỗ Việt Dũng.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả
Nguyễn Văn Hải
ii
LỜI CẢM ƠN
Lời đâu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn
Thanh Hải và PGS.TS. Đỗ Việt Dũng đã tâm huyết hướng dẫn tác giả hoàn
thành luận án này.
Đặc biệt tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Khoa
Điện – Điện tử, Phòng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Giao thông vận
tải đã giúp đỡ và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giả có thể hoàn
thành luận án của mình.
Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn các đồng chí lãnh đạo, các thầy
giáo, cô giáo, bạn bè đồng nghiệp, gia đình và người thân đã luôn động viên,
hỗ trợ, khích lệ và tạo mọi điều kiện để tác giả thực hiện thành công luận án
này.
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .......................................................... vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................. ix
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU NĂNG
LƢỢNG TRONG GIAO THÔNG ĐƢỜNG SẮT ....................................... 4
1.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chi phí năng lƣợng trong vận tải đƣờng
sắt ................................................................................................................... 4
1.2. Một số hƣớng nghiên cứu nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lƣợng chạy
tàu ................................................................................................................... 8
1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc liên quan đến giảm chi phí
năng lƣợng chạy tàu ...................................................................................... 10
1.3.1. Các nghiên cứu trong nước ................................................................... 11
1.3.2. Các nghiên cứu trên thế giới ................................................................. 12
1.4. Những vấn đề còn tồn tại và đề xuất giải pháp mục tiêu của luận án ..
................................................................................................................. 19
1.5. Nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu ................................................ 20
1.6. Kết luận Chƣơng 1 ................................................................................. 20
CHƢƠNG II: PHÂN TÍCH, XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI
ƢU CHUYỂN ĐỘNG ĐOÀN TÀU ............................................................. 21
2.1. Xây dựng bài toán điều khiển tối ƣu chuyển động đoàn tàu ............. 21
2.1.1. Tiêu chuẩn tối ưu .................................................................................. 21
2.1.2. Đối tượng điều khiển............................................................................. 23
2.1.3 Cơ sở lý thuyết giải bài toán điều khiển tối ưu ...................................... 25
iv
2.1.4. Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu đoàn tàu ...................................... 28
2.2. Điều khiển tối ƣu nhiên liệu của đầu máy ứng dụng nguyên tắc cực đại .
......................................................................................................................... 29
2.2.1. Biến đổi phương trình chuyển động...................................................... 29
2.2.2. Áp dụng nguyên tắc cực đại .................................................................. 31
2.2.3. Chế độ tối ưu điều khiển ....................................................................... 32
2.2.4. Cấu trúc của đặc tính tối ưu .................................................................. 34
2.2.5. Tính toán hàm p(s). ............................................................................... 37
2.3. Đề xuất bài toán có nhiều đoàn tàu trên tuyến ................................... 39
2.3.1. Xây dựng bài toán ................................................................................. 39
2.3.2. Mô hình toán học đoàn tàu .................................................................... 41
2.3.3. Giải bài toán điều khiển tối ưu. ............................................................. 42
2.3.4. Xét các trường hợp đặc biệt khi có độ dốc tại điểm S1 ......................... 43
2.3.5. Mở rộng với trường hợp đoàn tàu đi qua nhiều ga trung gian với thời
gian cố định cho trước ..................................................................................... 47
2.4. Đề xuất bài toán điều khiển tối ƣu đoàn tàu có xét đến ảnh hƣởng
của chiều dài đoàn tàu. ................................................................................. 49
2.4.1. Xây dựng bài toán ................................................................................. 49
2.4.2.Xác định giá trị lực cản phụ có tính đến ảnh hưởng của chiều dài đoàn
tàu ................................................................................................................. 50
2.4.3. Xác định các điểm chuyển điều khiển tối ưu ........................................ 52
2.5. Kết luận Chƣơng 2 ................................................................................ 57
CHƢƠNG III: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU,
MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM THUẬT TOÁN TRÊN HỆ THỐNG
THỰC ............................................................................................................. 58
3.1. Xây dựng thuật toán điều khiển tối ƣu đoàn tàu trên tuyến. ............ 58
3.1.1. Đặt vấn đề.............................................................................................. 58
3.1.2 Thuật toán điều khiển tối ưu đoàn tàu trên tuyến .................................. 59
v
3.2. Ứng dụng thuật toán di truyền chuẩn hóa các hệ số trong biểu thức
tính lực cản chính của đoàn tàu cụ thể....................................................... 68
3.2.1 Khái niệm về lực cản cơ bản của đoàn tàu............................................. 68
3.2.2. Các khái niệm cơ bản của giải thuật di truyền ...................................... 69
3.2.3. Cơ chế thực hiện của giải thuật di truyền ............................................. 72
3.2.4. Áp dụng giải thuật tìm bộ hệ số trong biểu thức tính lực cản chính của
đoàn tàu cụ thể................................................................................................. 75
3.3. Mô phỏng kiểm nghiệm thực tế thuật toán điều khiển tối ƣu cho các
đoạn đƣờng cụ thể ......................................................................................... 81
3.3.1. Thu thập dữ liệu đầu vào cho bài toán .................................................. 81
3.3.2. Mô phỏng kiểm nghiệm thực tế ............................................................ 85
3.3.3. Giao diện mô phỏng .............................................................................. 90
3.4. Kết luận Chƣơng 3 ................................................................................. 91
KẾT LUẬN .................................................................................................... 92
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ................................................................................ 93
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 94
PHỤ LỤC I .................................................................................................. 103
PHỤ LỤC II ................................................................................................. 105
PHỤ LỤC III ............................................................................................... 113
vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Ví dụ một số mẫu dữ liệu được ghi tại bộ đo ghi dữ liệu[5] .......... 76
Bảng 3.2. Các tham số của thuật giải di truyền .............................................. 78
Bảng 3.3. Các tham số của lực cản cơ bản tìm được ...................................... 79
Bảng 3.4. Các tham số xác định được qua bộ đo ghi dữ liệu DT 04 .............. 81
Bảng 3.5. Thông số đoạn thử nghiệm ............................................................. 86
Bảng 3.6. Một đoạn mẫu dữ liệu trích xuất từ bộ đo ghi dữ liệu từ lý trình
km53+500........................................................................................................ 87
Bảng 3. 7. So sánh kết quả mô phỏng ............................................................. 89
vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Tổn thất nhiên liệu do dừng tàu không cần thiết phụ thuộc vào tốc
độ và khối lượng của đoàn tàu. ......................................................................... 6
Hình 1.2. Sự phụ thuộc chi phí nhiên liệu đơn vị vào tốc độ chạy ứng với các
khối lượng kéo khác nhau. ................................................................................ 7
Hình 1.3. Hệ thống năng lượng cung cấp cho đường sắt ................................ 10
Hình 1.4. Đặc tuyến chuyển động đoàn tàu gồm ba giai đoạn ....................... 13
Hình 1.5. Đặc tuyến chuyển động đoàn tàu gồm bốn giai đoạn ..................... 13
Hình 2.1a. Đặc tính tối ưu của khu gian phẳng............................................... 35
Hình 2.1b. Đặc tính tối ưu của khu đoạn ngắn ............................................... 35
Hình 2.1c. Đặc tính tối ưu của khu đoạn có hạn chế tốc độ ........................... 36
Hình 2.1d. Đặc tính tối ưu trong trường hợp Vd>Vc ....................................... 36
Hình 2.2a. Đặc tính tốc độ khi đoạn đường có độ dốc xuống ........................ 37
Hình 2.2b. Đặc tính tốc độ khi đoạn đường có độ dốc lên ............................. 37
Hình 2.3. Biểu đồ chạy tàu cho đoạn trên tuyến ............................................. 39
Hình 2.4. Đặc tuyến chuyển động đoàn tàu .................................................... 40
Hình 2.5a. Trường hợp Von1< Von2 .................................................................. 43
Hình 2.5b. Trường hợp Von1< Von2 .................................................................. 43
Hình 2.6a: Phương án điều khiển khi Von2> Von1 ........................................... 44
Hình 2.6b: Phương án điều khiển khi Von2< Von1........................................... 44
Hình 2.7a. Phương án điều khiển khi Von2> Von1 ........................................... 45
Hình 2.7b. Phương án điều khiển khi Von2< Von1............................................ 46
Hình 2.8. Đoạn tuyến chuyển động của đoàn tàu qua nhiều ga ...................... 47
Hình 2.9. Hai đoàn tàu chạy cùng hướng trên tuyến ...................................... 48
Hình 2.10. Vị trí của đoàn tàu trên 1 đoạn có nhiều độ dốc ........................... 50
Hình 2.11a. Lực cản phụ khi coi đoàn tàu là một chất điểm .......................... 51
Hình 2.11b. Lực cản phụ khi đoàn tàu phân bố đều trên đoạn chiếm dụng ... 51
Hình 2.12. Điều kiện lực kéo lớn nhất tại điểm có độ dốc lên ....................... 52
Hình 2.13. Điều khiển chế độ chạy đà tại điểm có độ dốc xuống ................. 54
viii
Hình 2.14. Điều khiển chế độ chạy đà trước khi hãm .................................... 55
Hình 3.1. Dạng đồ thị v, p(s) trong đoạn dốc đơn chỉ lên ............................. 61
Hình 3.2. Kết quả mô phỏng đồ thị hàm v và p(s) của dốc lên với lý trình từ
km83+000 đến km83+100, tuyến Hà Nội – Lào Cai ...................................... 62
Hình 3.3. Dạng đồ thị v, p(s) trong đoạn dốc đơn chỉ xuống ......................... 63
Hình 3.4. Kết quả mô phỏng đồ thị hàm v(s) và p(s) của dốc xuống đơn với
lý trình từ km121+700 đến km123+600, tuyến Hà Nội – Lào Cai................. 64
Hình 3.5.Dạng đồ thịv(s), p(s) trong đoạn dốc phức hợp có đoạn lên -xuống 65
Hình 3.6. Kết quả mô phỏng đồ thị hàm v và p(s) của dốc phức lên - xuống 66
Hình 3.7. Dạng đồ thị v, p(s) trong đoạn dốc phức hợp có đoạn xuống - lên 67
Hình 3.8. Sơ đồ mã hóa cá thể ....................................................................... 77
Hình 3.9. Đồ thị đường đường đặc tuyến lý trình từ 53+500 đến 140+540 (từ
Ga Vĩnh Yên đến ga Đoan Thượng)- Với các tham số a, b, c được xác định
theo kinh nghiệm ............................................................................................. 80
Hình 3.10. Đồ thị đường đường đặc tuyến lý trình từ 53+500 đến 140+540 (từ
Ga Vĩnh Yên đến ga Đoan Thượng)- Với các tham số a, b, c được xác định
theo thuật toán được đề xuất ........................................................................... 80
Hình 3.11. Sơ đồ tính năng của hệ thống đo ghi tốc độ DT 04 ...................... 82
Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc hệ thống đo ghi tốc độ trên đầu máy..................... 83
Hình 3.13. Một số hình ảnh lắp đặt thiết bị ĐT 04 trên đầu máy [5] ............. 84
Hình 3.14. Giao diện phần mềm Locomotive Speed Supervisor.................... 85
Hình 3.15. Đặc tính sức kéo Đầu máy D12E .................................................. 86
Hình 3.16. Đặc tuyến điều khiển tối ưu từ Ga Vĩnh Yên đến Ga Đoan Thượng
......................................................................................................................... 87
Hình 3.17. Đặc tuyến chạy thực tế đoạn Ga Vĩnh Yên – Ga Đoan Thượng .. 88
Hình 3.18. Đặc tuyến điều khiển tối ưu từ Ga Lang Khay đến Ga Bảo Hà ... 88
Hình 3.19. Đặc tuyến chạy thực tế đoạn Ga Lang Khay – Ga Bảo Hà .......... 88
Hình 3.20. Giao diện nhập dữ liệu đầu vào .................................................... 90
Hình 3.21. Giao diện kết quả mô phỏng ......................................................... 90
ix
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Các ký hiệu:
STT
Ký
hiệu
Đơn vị
Ý nghĩa
1
F
N
Lực kéo đầu máy
2
BT
N
Lực hãm đoàn tàu
3
P
t(Tấn)
Trọng lượng đầu máy
4
Q
t(Tấn)
Tổng trọng lượng các toa xe
5
0 (v)
N/kN
Lực cản chính đơn vị của đoàn tàu. Được tính
quy đổi từ lực cản do ma sát trên một đơn vị
trọng lượng đoàn tàu
6
d ( s)
N/kN
Lực cản phụ đơn vị của đoàn tàu. Được tính
quy đổi do lực cản phụ thuộc vào độ dốc và bán
kính đường cong của đường sắt trên một đơn vị
trọng lượng đoàn tàu
Vận tốc chuyển động của đoàn tàu
7
v
m/s
8
s
m
9
ɛ
10
γ
Hệ số quán tính của đoàn tàu
11
h
Hệ số chuyển đơn vị tính với các đại lượng
Quãng đường chuyển động của đoàn tàu
không phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế.
12
I
A
Dòng điện kéo
13
U
V
Điện áp
14
Tc
giây(s)
15
Ae
Thời gian chạy tàu trên một khu gian
J (kg.m2/s2) Công thực hiện để kéo đoàn tàu trên một quãng
đường
16
λ
Hệ số không xác định Lagrange
x
STT
Ký
Đơn vị
hiệu
Ý nghĩa
17
λe
18
uf
Hệ số lực kéo
19
ub
Hệ số lực hãm
20
fm
Lực kéo đơn vị lớn nhất phụ thuộc vào tốc độ
21
bm
Lực hãm đơn vị lớn nhất phụ thuộc vào tốc độ
22
g(s)
23
H
Hàm Hamilton
24
p
Giá trị xác định điểm chuyển tối ưu
25
L
m
Độ dài khu gian
26
Nk
HP
Công suất vành bánh xe
27
NĐ
kW
Công suất điện từ của động cơ điện
28
ij
0
Độ dốc của tuyến đường
N
/00
Lực cản phụ
Các chữ viết tắt:
STT
Chữ viết tắt
Diễn giải nội dung
1
TCĐSVN
2
LK
Chế độ lực kéo lớn nhất
3
QT
Chế độ chạy đà
4
C
5
CT
Chế độ hãm duy trì tốc độ
6
TM
Chế độ hãm tích cực
7
DM
Đặc tính đầu máy
8
TD
Trắc dọc tuyến
Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam
Chế độ ổn tốc
1
MỞ ĐẦU
Giới thiệu tóm tắt luận án
Luận án đi sâu vào nghiên cứu phương pháp điều khiển tối ưu đoàn tàu,
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điều khiển tối ưu đoàn tàu theo chỉ tiêu
tiết giảm chi phí năng lượng chạy tàu, để từ đó đưa ra thuật toán điều khiển
tối ưu nhiều đoàn tàu trên tuyến phù hợp với chi phí năng lượng nhỏ nhất,
đảm bảo thời gian và an toàn chạy tàu. Cụ thể, nội dung của luận án gồm 3
chương:
- Chương 1: Trình bày tổng quan về các giải pháp tiết kiệm năng lượng chạy
tàu, tổng hợp các kết quả nghiên cứu liên quan đến điều khiển tối ưu đoàn tàu
nhằm tiết kiệm năng lượng. Từ đó đề xuất phương hướng giải quyết: xây
dựng được hàm mục tiêu tổng quát điều khiển tối ưu nhiều đoàn tàu trên
tuyến nhằm mục tiêu tiết giảm năng lượng.
- Chương 2: Trình bày cơ sở khoa học và mô hình toán của bài toán với đối
tượng điều khiển; đề xuất phương pháp giải quyết bài toán điều khiển tối ưu
đoàn tàu có tính đến sự ảnh hưởng của các đoàn tàu khác trên tuyến gồm các
đoàn tàu tránh nhau tại các ga trong hành trình, đoàn tàu phía trước trong hệ
thống đóng đường cố định và di động; đề xuất phương pháp xác định các giá
trị lực cản phụ có tính đến chiều dài của đoàn tàu và vị trí hiện tại của đoàn
tàu trên tuyến;áp dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin để giải quyết bài
toán cục bộ của từng đoàn tàu.
- Chương 3: Xây dựng các thuật toán điều khiển; mô phỏng thuật toán và
kiểm nghiệm thuật toán trên một tuyến cụ thể; xây dựng chương trình tính
toán các hệ số trong hàm lực cản chính của đoàn tàu bằng thực nghiệm với
đoàn tàu và tuyến đường cụ thể, để từ đó áp dụng chương trìnhmô phỏng để
kiểm nghiệm thuật toán; đánh giá, so sánh kết quả chi phí nhiên liệu của
phương pháp đề xuất với thực tế chạy tàu trên cơ sở đảm bảo thời gian qui
định.
Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo.
2
Lý do chọn đề tài
Sự phát triển kinh tế xã hội của mỗi nước có quan hệ với sự gia tăng nhu
cầu của vận tải cả về số lượng và chất lượng, trong hệ thống giao thông nói
chung và giao thông đường sắt nói riêng. Đối với vận tải đường sắt, chi phí
cho năng lượng chiếm phần lớn chi phí sản xuất của các xí nghiệp đầu máy
(khoảng 60% đến 65%). Đặc biệt trong tình hình giá năng lượng ngày một
tăng cao như hiện nay, nó càng chiếm một tỷ trọng chi phí lớn hơn, ảnh
hưởng rất lớn đến hiệu quả khai thác của toàn ngành. Vì vậy, nghiên cứu
nhằm giảm chi phí năng lượng cho đầu máy là công việc cần được tiến hành
thường xuyên theo sự thay đổi của điều kiện khai thác và sự phát triển không
ngừng của khoa học, công nghệ. Đồng thời việc giảm tiêu hao nhiên liệu cũng
góp phần to lớn trong việc bảo vệ môi trường.
Trên các phương tiện giao thông vận tải, các bài toán về điều khiển tối ưu
năng lượng đã dần dần được giải quyết ví dụ như: hệ thống phun xăng điện tử
trên các ô tô và xe máy đời mới; bộ điều tốc điện tử trên đầu máy và tàu thủy;
hệ thống lái tàu tự động…Tuy nhiên, việc phát huy tối đa công suất hữu ích
của năng lượng trên đầu máy không chỉ phụ thuộc vào các vấn đề kỹ thuật
của đầu máy mà còn phụ thuộc vào cách vận dụng chúng.
Với mục tiêu tiết kiệm năng lượng theo phương pháp vận dụng đoàn tàu,
tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn
tàu trên tuyến đường sắt Việt Nam”.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu xây dựng mô hình toán
học của bài toán điều khiển nhiều đoàn tàu trên tuyến theo chỉ tiêu tiết kiệm
năng lượng; xây dựng phương pháp xác định các giá trị lực cản phụ có tính
đến chiều dài của đoàn tàu và vị trí hiện tại của đoàn tàu trên tuyến; xây dựng
các thuật toán xác định vị trí của điểm chuyển chế độ tối ưu khi gặp các trạm
có độ dốc lên và xuống; sử dụng nguyên lý cực đại của Pontryagin để giải bài
toán cục bộ đối với từng toàn tàu. Từ đó, xây dựng đồ thị đặc tính điều khiển
tối ưu đoàn tàu theo chỉ tiêu tiết kiệm năng lượng, trên cơ sở các thông số đo
ghi thực tế về: tốc độ, vị trí, công suất và các thông số có trước như: trắc dọc,
trắc ngang của tuyến; mác tàu; công lệnh tốc độ.
3
Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi áp dụng
Đối tượng nghiên cứu bao gồm đoàn tàu sử dụng đầu máy diesel truyền
động điện và đoạn đường sắt đoàn tàu chạy qua cùng với các điều kiện vận
hành của chúng trên tuyến Hà Nội – Lào Cai.
Phạm vi nghiên cứu gồm: xây dựng mô hình toán học, xây dựng thuật
toán điều khiển, đánh giá chất lượng điều khiển trên cơ sở kết quả mô phỏng
thuật toán so sánh với kết quả chạy thực tế của một đoàn tàu cụ thể trên tuyến
do tài xế điều khiển.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của đề tài là: Xây dựng được mô hình bài toán và đề
xuất giải quyết bài toán điều khiển tối ưu nhiều đoàn tàu trên tuyến nhằm tiết
kiệm năng lượng chạy tàu; xây dựng được phương pháp xác định các giá trị
lực cản phụ có tính đến chiều dài của đoàn tàu và vị trí hiện tại của đoàn tàu
trên tuyến; xây dựng các thuật toán xác định vị trí của điểm chuyển chế độ tối
ưu khi gặp các đoạn có độ dốc lên và xuống.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài là: Kết quả nghiên cứu của luận án là cơ sở
quan trọng xây dựng hệ thống trợ giúp lái tàu, lắp trên cabin của đầu máy có
thể chỉ dẫn lái tàu điều khiển lái máy với hiệu suất cao nhất của đầu máy
nhằm tiết kiệm năng lượng (nhiên liệu). Kết quả nghiên cứu của luận án có
thể làm tài liệu tham khảo trong giảng dạy chuyên ngành.
Những đóng góp của luận án
Luận án xây dựng được mô hình toán học và phương pháp giải của bài
toán điều khiển tối ưu nhiều đoàn tàu trên tuyến theo chỉ tiêu tiết kiệm năng
lượng; xây dựng được thuật toán điều khiển; xây dựng phương pháp xác định
các giá trị lực cản phụ có tính đến chiều dài của đoàn tàu và vị trí hiện tại của
đoàn tàu trên tuyến; xây dựng các thuật toán xác định vị trí của điểm chuyển
chế độ tối ưu khi gặp các trạm có độ dốc lên và xuống. Đồng thời cũng đưa ra
phương pháp hiệu chuẩn các hệ số trong công thức tính toán lực cản đơn vị
của đoàn tàu bằng thuật toán di truyền vàphương pháp thực nghiệm.
4
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƢU NĂNG LƢỢNG
TRONG GIAO THÔNG ĐƢỜNG SẮT
Chương này tác giả tập trung phân tích tổng quan về tình hình nghiên
cứu trong và ngoài nước nhằm giải quyết bài toán tiết kiệm năng lượng trong
vận tải đường sắt nói chung và phương pháp điều khiển tối ưu đầu máy theo
chỉ tiêu tiết kiệm năng lượng nói riêng. Từ đó đặt bài toán và hướng nghiên
cứu của luận án.
1.1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chi phí năng lƣợng trong vận tải đƣờng
sắt
Trong quá trình quản lý, vận dụng đầu máy có rất nhiều yếu tố gây ảnh
đến chi phí nhiên liệu. Có thể kể đến một số yếu tố có tầm ảnh hưởng lớn đến
chi phí nhiên liệu đó là [3, 28]:
Động cơ diesel, máy phát điện, động cơ điện kéo (chủng loại, chất
lượng và phương pháp vận dụng).
Ảnh hưởng của hệ thống phụ trợ và thiết bị phụ đến chi phí nhiên liệu
(hệ thống làm mát động cơ diesel; hệ thống bôi trơn động cơ diesel; hệ thống
cấp nhiên liệu của động cơ diesel; hệ thống cấp không khí và xả khí của động
cơ diesel; hệ thống làm mát máy phát điện ch ment
on a railway network”, Omega, vol.40, no.5, pp.619-633.
88. L. Yang and K. Li (2009), “The railway transportation planning
problem and its genetic algorithm based tabu search algorithm”, ICIC
Express Letters, vol.3, no.3(A), pp.361-366.
89. Y. Wang, B. Ning, F. Cao. B. De Schutter and T.J.J. Van den Bom
(2011),
“A survey on Optimal Trajectory Planning for Train
operations”, Proceedings of the IEEE International Conference on
Intelligent Rail Transportation. Beijing, China. Pp.589-594.
90. Y. Wang, B. De Schutter, B.Ning, N. Groot and T.J.J. Van de Bom
(2011), “Optimal Trjectory Planning for Trains Using Mixed Integer
Linear Programming”, The 14th International IEEE Conference on
Intelligent Transportation Systems, Washington DC, pp.1598-1603.
91. Y. Wang, B. de Schutter, T.J.J. Van den Bom, B. Ning (2013), “Optimal
Trajectory Planning for Train under a Moving block signaling system”,
European Control Conference (ECC) July 17-19, Zurich, Switzerland.
102
92. Y. Wang, B. De Schutter, T.J.J Van den Boom, B. Ning (2014),
“Optimal trajectory planning for trains under fixed and moving
signaling systems using mixed integer linear programming”, Control
Engineering Practice, 22, 44–56.
93. Songpo Yang, Jianjun Wu, Xin Yang, Huijun Sun, Ziyou Gao (2018),
“Energy-efficient timetable and speed profile optimization with multiphase speed limits: Theoretical analysis and application”, Applied
Mathematical Modelling, 56, 32–50.
94. X. Yang, X. Li, Z. Gao, H. Wang, T. Tang (2013), “A cooperative
scheduling model for timetable optimization in subway systems”, IEEE
Transactions on Intelligent Transportation Systems, 14(1), 438–447.
95. X. Yang, B. Ning, X. Li, T. Tang (2014), “A two-objective timetable
optimization model in subway systems”, IEEE Transactions on Intelligent
Transportation Systems, 15(5), 1913–1921.
96. X. Yang, X. Li, B. Ning, T. Tang (2016), “A survey on energy-efficient
train operation for urban rail transit”, IEEE Transactions on Intelligent
Transportation Systems, 17(1), 2–13.
97. Hongbo Ye, Ronghui Liu (2016), “A multiphase optimal control method
for multi-train control and scheduling on railway lines”, Transportation
Research Part B, 93, 377–393.
98. Jiateng Yin, Tao Tang, Lixing Yang, Jing Xun, Yeran Huang, Ziyou Gao
(2017), “Research and development of automatic train operation for
railway transportation systems: A survey”, Transportation Research Part
C, 85, 548–572.
99. Leishan Zhou, Lu (Carol) Tong, Junhua Chen, Jinjin Tang, Xuesong
Zhou (2017), “Joint optimization of high-speed train timetables and
speed profiles: A unified modeling approach using space-timespeed grid
networks”, Transportation Research Part B, 97, 157–181.
103
PHỤ LỤC I
Bảng đặc tính đầu máy D12E
Lực kéo
(kg)
Tốc độ
(km/h)
Lực kéo
(kg)
Tốc độ
(km/h)
19333
0
4428
51
19142
1
4380
52
18952
2
4333
53
18761
3
4285
54
18571
4
4190
55
18476
5
4095
56
18381
6
4000
57
18238
7
3904
58
18095
8
3857
59
17952
9
3809
60
17809
10
3752
61
17714
11
3695
62
17619
12
3633
63
16638
13
3571
64
15657
14
3495
65
14638
15
3419
66
13619
16
3338
67
12714
17
3257
68
11809
18
3200
69
11142
19
3142
70
10476
20
3080
71
10047
21
3019
72
9619
22
2985
73
9190
23
2952
74
8761
24
2919
75
8404
25
2885
76
8047
26
2871
77
7785
27
2857
78
104
Lực kéo
(kg)
Tốc độ
(km/h)
Lực kéo
(kg)
Tốc độ
(km/h)
7523
28
2833
79
7238
29
2809
80
6952
30
2776
81
6809
31
2742
82
6666
32
2704
83
6476
33
2666
84
6385
34
2638
85
6095
35
2609
86
5904
36
2542
87
5761
37
2476
88
5619
38
2447
89
5500
39
2419
90
5380
40
2371
91
5300
41
2323
92
5219
42
2257
93
5157
43
2190
94
5095
44
2142
95
4976
45
2095
96
4857
46
2000
97
4761
47
1904
98
4666
48
1847
99
4571
49
1790
100
4476
50
105
PHỤ LỤC II
TRẮC DỌC TUYẾN Đ/S YÊN VIÊN - LÀO CAI Năm 2013
Từ km 291+250( Ga Lang Khay) đến km 237+490(Ga Bảo Hà)
T
T
CTQL
ĐS
Tuyến
1
Lý trình
đầu
Lý trình
cuối
Chiều dài
(m)
Độ dốc
0
/00
Cao độ
ray
Ghi chú
55,79
Lang Khay
-Lang
Thíp
55,79
-nt-
+
55,98
-nt-
7,4
+
57,09
-nt-
150,00
5,2
+
57,87
-nt-
220+750
250,00
0
57,87
-nt-
220+750
220+950
200,00
3
-
57,27
-nt-
-nt-
220+950
221+050
100,00
0,7
-
57,02
-nt-
-nt-
221+050
221+200
150,00
5
+
57,95
-nt-
Khổ
đƣờng
Khu gian
Yên Lào
YVLC
1000
Lang Khay
-Lang
Thíp
219+250
219+680
430,00
6,4
2
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
219+680
220+050
370,00
0
3
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
220+050
220+200
150,00
1,25
4
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
220+200
220+350
150,00
5
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
220+350
220+500
6
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
220+500
7
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
8
Yên Lào
YVLC
1000
9
Yên Lào
YV-
1000
Hƣớng
dốc
-
106
T
T
CTQL
ĐS
Tuyến
Khổ
đƣờng
Khu gian
Lý trình
đầu
Lý trình
cuối
Chiều dài
(m)
Độ dốc
0
/00
Hƣớng
dốc
Cao độ
ray
Ghi chú
57,95
-nt-
58,35
-nt-
58,35
-nt-
LC
10
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
221+200
221+350
150,00
0
11
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
221+350
221+550
200,00
2
12
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
221+550
221+750
200,00
0
13
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
221+750
221+975
225,00
0,75
-
58,18
-nt-
14
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
221+975
222+125
150,00
1,1
+
58,34
-nt-
15
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
222+125
222+450
325,00
0
58,34
-nt-
16
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
222+450
222+700
250,00
1,6
+
58,74
-nt-
17
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
222+700
223+210
510,00
6,3
+
61,96
-nt-
18
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
223+210
223+600
390,00
11,1
+
66,28
-nt-
19
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
223+600
224+000
400,00
8,6
+
69,72
-nt-
+
107
CTQL
ĐS
Tuyến
Khổ
đƣờng
Khu gian
Lý trình
đầu
Lý trình
cuối
Chiều dài
(m)
Độ dốc
0
/00
Hƣớng
dốc
Cao độ
ray
Ghi chú
20
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
224+000
224+050
50,00
8,6
+
70,15
-nt-
21
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
224+050
224+225
175,00
1,2
+
72,25
-nt-
22
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
224+225
224+542
317,00
11
+
75,77
-nt-
23
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
224+542
224+700
158,00
3,6
+
76,31
-nt-
24
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
224+700
224+863
163,00
4,28
-
75,61
-nt-
25
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
224+863
225+100
237,00
5,2
-
74,56
-nt-
26
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
225+100
225+230
130,00
1,3
-
74,39
-nt-
27
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
225+230
225+380
150,00
2,3
+
74,73
-nt-
28
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
225+380
225+550
170,00
2,9
-
74,24
-nt-
29
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
225+550
225+800
250,00
5,7
-
72,81
-nt-
30
Yên Lào
YV-
1000
-nt-
225+800
226+550
750,00
6,4
-
68
-nt-
T
T
108
T
T
CTQL
ĐS
Tuyến
Khổ
đƣờng
Khu gian
Lý trình
đầu
Lý trình
cuối
Chiều dài
(m)
Độ dốc
0
/00
Hƣớng
dốc
Cao độ
ray
Ghi chú
LC
31
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
226+550
226+850
300,00
5,8
-
66,25
-nt-
32
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
226+850
227+000
150,00
6,6
-
65,28
-nt-
33
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
227+000
227+300
300,00
1,6
-
64,8
-nt-
34
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
227+300
227+480
180,00
4,8
-
63,936
-nt-
35
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
227+480
227+650
170,00
2,2
-
63,562
-nt-
36
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
227+650
228+000
350,00
0,66
-
63,33
-nt-
37
Yên Lào
YVLC
1000
Lang Thíp
- Bảo Hà
228+000
228+100
100,00
1,2
+
63,492
38
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
228+100
228+250
150,00
9,4
+
64,848
-nt-
39
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
228+250
228+450
200,00
5,35
+
65,944
-nt-
40
Yên Lào
YV-
1000
-nt-
228+450
228+600
150,00
10
+
67,43
-nt-
Lang Thíp
- Bảo Hà
109
T
T
CTQL
ĐS
Tuyến
Khổ
đƣờng
Khu gian
Lý trình
đầu
Lý trình
cuối
Chiều dài
(m)
Độ dốc
0
/00
Hƣớng
dốc
Cao độ
ray
Ghi chú
LC
41
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
228+600
228+750
150,00
7,6
+
68,546
-nt-
42
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
228+750
228+900
150,00
1,4
+
68,746
-nt-
43
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
228+900
229+075
175,00
6
-
67,734
-nt-
44
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
229+075
229+650
575,00
6
-
64,25
-nt-
45
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
229+650
229+950
300,00
5,4
-
62,63
-nt-
46
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
229+950
230+100
150,00
2,2
-
62,3
-nt-
47
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
230+100
230+250
150,00
0
62,3
-nt-
48
Yên Lào
YVLC
1.000
-nt-
230+250
230+400
150
2
+
62
-nt-
49
Yên Lào
YVLC
1.000
-nt-
230+400
230+700
300
6
+
64
-nt-
50
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
230+700
230+970
270,00
8,6
+
66,61
-nt-
110
CTQL
ĐS
Tuyến
Khổ
đƣờng
Khu gian
Lý trình
đầu
Lý trình
cuối
Chiều dài
(m)
Độ dốc
0
/00
51
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
230+970
231+250
280,00
0
52
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
231+250
231+450
200,00
1,3
53
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
231+450
231+625
175,00
54
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
231+625
231+860
55
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
231+860
56
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
57
Yên Lào
YVLC
1000
58
Yên Lào
YVLC
59
Yên Lào
60
61
T
T
Hƣớng
dốc
Cao độ
ray
Ghi chú
66,61
-nt-
-
66,35
-nt-
1
-
66,07
-nt-
235,00
2,4
-
65,51
-nt-
232+225
365,00
1
+
65,87
-nt-
232+225
232+480
255,00
4,24
+
66,95
-nt-
-nt-
232+480
232+652
172,00
0
66,95
-nt-
1000
-nt-
232+652
232+802
150,00
8
+
68,15
-nt-
YVLC
1000
-nt-
232+802
233+150
348,00
10,5
+
72,05
-nt-
Yên Lào
YVLC
1000
-nt-
233+150
233+300
150,00
9
+
73,4
-nt-
Yên Lào
YV-
1000
-nt-
233+300
233+456
156,00
5,9
+
74,22
-nt-
