Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt việt nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN HẢI

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP ĐIỀU KHIỂN
TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG ĐOÀN TÀU
TRÊN TUYẾN ĐƯỜNG SẮT VIỆT NAM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
MÃ SỐ: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG 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

2

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.


3

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
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG
LƯỢNG TRONG GIAO THÔNG ĐƯỜNG SẮT ....................................... 4
1.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến chi phí năng lượng trong vận tải đường
sắt ................................................................................................................... 4

1.2. Một số hướng nghiên cứu nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng chạy
tàu ................................................................................................................... 8
1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến giảm chi phí
năng lượng 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 phương pháp nghiên cứu ................................................ 20
1.6. Kết luận Chương 1 ................................................................................. 20
CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH, XÂY DỰNG BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI
ƯU CHUYỂN ĐỘNG ĐOÀN TÀU ............................................................. 21
2.1. Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu 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


4

2.1.4. Xây dựng bài toán điều khiển tối ưu đoàn tàu ......................................
28
2.2. Điều khiển tối ưu 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 ưu đoàn tàu có xét đến ảnh hưởng
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 Chương 2 ................................................................................ 57
CHƯƠNG III: XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU,
MÔ PHỎNG VÀ KIỂM NGHIỆM THUẬT TOÁN TRÊN HỆ THỐNG
THỰC ............................................................................................................. 58
3.1. Xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu 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


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 ưu cho các
đoạn đường 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 Chương 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


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


7

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 -xuống65
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


9x

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

7

v

m/s

Vận tốc chuyển động của đoàn tàu

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

2

Thời gian chạy tàu trên một khu gian
2

J (kg.m /s ) Công thực hiện để kéo đoàn tàu trên một quãng
đường

16

λ

Hệ số không xác định Lagrange


10
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


11
1

11
2

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 tết 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 têu 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.


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 tnh 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 têu
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.


31
4

Đối tượng 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.


31
5

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU NĂNG LƯỢNG
TRONG GIAO THÔNG ĐƯỜNG 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 tết 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 hưởng đến chi phí năng lượng trong vận tải đường
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 chính, động cơ điện kéo và
dẫn động máy nén khí, hệ thống phanh hãm).
 Ảnh hưởng của phương pháp vận dụng đầu máy đến chi phí nhiên
liệu.
 Ảnh hưởng của quá trình kiểm tra và sửa chữa phương tiện đường
sắt
đến chi phí nhiên liệu.
Mỗi yếu tố trên đều có ảnh hưởng rất lớn đến những chi phí nhiên liệu
cho ngành đường sắt. Tuy nhiên, đối với mỗi yếu tố chúng ta lại có


31
6

những biện pháp khắc phục riêng. Với mục tiêu “ Xây dựng phương pháp
điều khiển tối ưu đoàn tàu theo chỉ tiêu tiết giảm năng lượng”, ở đây tác giả
chỉ đi phân tích ảnh hưởng của phương pháp vận dụng đầu máy đến chi phí
nhiên liệu:


5

a. Ảnh hưởng của điều khiển đoàn tàu trên
tuyến.
Trong thực tế hợp lý hoá chuyển động của đoàn tàu trên tuyến vận tải
cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu khá lớn. Việc hợp lý hoá chuyển động
của đoàn tàu trên tuyến phụ thuộc trạng thái kỹ thuật hiện có và trình độ tổ
chức khai thác của các cơ quan đường sắt. Sự thiếu trách nhiệm hoặc trình
độ chuyên môn kém của các nhân viên phục vụ vận chuyển sẽ không thể
thực hiện được hợp lý hoá chuyển động của đoàn tàu và làm gia tăng chi phí
nhiên liệu vận dụng. Theo [3, 28], các hoạt động tiết kiệm nhiên liệu trong
lĩnh vực này ở các cơ quan quản lý đường sắt có thể giảm được 10% chi phí
nhiên liệu, thậm chí còn cao hơn. Hơn thế, các hoạt động ấy không đòi hỏi
phải có kinh phí đầu tư lớn.
Điều khiển đoàn tàu hợp lý thông qua lái tàu có ảnh hưởng tất yếu đến
4

chi phí nhiên liệu đơn vị tính bằng: [kg/ 10 t.km], đối với đầu máy điện tính
bằng năng lượng điện cho t.km và phụ thuộc chủ yếu vào :
- Sự khéo léo mang tính chất nghề nghiệp của tài xế.
- Kinh nghiệm tích luỹ được trong quá trình lái máy.
- Trình độ chuyên môn nghiệp vụ của tài xế.
- Trạng thái tinh thần khi điều khiển đoàn
tàu. Các yếu tố trên tác động chủ yếu vào :
- Điều khiển đoàn tàu ở các vị trí tối ưu của tay máy (biểu thị công suất
khai thác của động cơ diesel), đưa đến giảm chi phí nhiên liệu vận dụng của
đầu máy đến 10%.
- Lợi dụng triệt để động năng của đoàn tàu khi xuống dốc và lên dốc với
tốc độ ổn định có thể được.
- Lợi dụng hợp lý động năng của đoàn tàu khi chạy đà.
Phân tích ảnh hưởng của lái máy đến chi phí nhiên liệu trong quá

trình điều khiển đoàn tàu chạy trên tuyến được nhiều nước rất quan tâm.
Đặc biệt, ở các nước phát triển như: Mỹ, Anh, Đức, Pháp, Nhật Bản, Trung
Quốc… rất chú trọng các khoá đào tạo tài xế trên máy tập mà ở đó tài xế
luôn cảm giác đang điều khiển đoàn tàu trên tuyến đường thực tế. Tất các


6

các thông tin về tuyến, về tín hiệu và các thông tin cần thiết khác đều được
trang bị cho tài xế


7

ngay khi đào tạo ở các trường nghiệp vụ. Trên bàn điều khiển bố trí các thiết
bị: tay máy, các van hãm đoàn tàu, van hãm đầu máy, hệ thống cấp gió
ép, cấp cát, các loại đồng hồ đo áp lực thùng gió chính, thùng gió phụ, đo tốc
độ chạy...Trước mặt tài xế có bố trí màn hình, ở đó cho biết sức kéo móc nối,
cho biết đặc điểm về đoạn đường phía trước với cự ly 6km, trên màn hình
còn cho biết số hiệu vị trí tay máy. Quá trình đào tạo tài xế được kiểm tra
ngay trên bàn điều khiển mà ở đó có thể thay đổi các thông số vận chuyển
của đoàn tàu để tài xế thao tác cụ thể theo quan điểm tiết kiệm nhiên liệu.
Từ đó lựa chọn được phương pháp điều khiển tốt nhất từ các tài xế giỏi
nhất theo tiêu chí giảm chi phí nhiên liệu vận dụng. Trong vận dụng đầu
máy, dừng tàu ngoài kế hoạch có ảnh hưởng lớn đến gia tăng chi phí
nhiên liệu. Trên hình 1.1. minh họa điều đó[3].

Hình 1.1. Tổn thất nhiên liệu do dừng tàu không cần thiết phụ thuộc vào tốc
độ và khối lượng của đoàn tàu.
Sự gia tăng chi phí nhiên liệu đơn vị còn do số lần gia tăng quá trình

chuyển tiếp và các yếu tố khác nữa. Nếu như trong các số chuyến chạy mà
ở đó một chuyến có chi phí nhiên liệu nhỏ nhất thì coi đó là chỉ têu phấn đấu
cho các chuyến chạy khác trong cùng một điều kiện vận dụng như nhau.


77

b. Tổ chức chạy tàu:
Tổ chức chạy tàu tốt có quan hệ trực tiếp với phục vụ vận chuyển, đó là
nguyên nhân chủ yếu dẫn đến giảm chi phí nhiên liệu. Phục vụ vận chuyển có
tác động trực tiếp và gián tiếp đến các thông số vận chuyển mà biểu đồ chạy
tàu và các mệnh lệnh chỉ huy trong công lệnh sức kéo biểu thị ở các khía cạnh
bao gồm :
- Lợi dụng hợp lý động năng của đoàn tàu để chạy đà trước khi dừng
tàu mà không cần sử dụng hãm.
- Tốc độ chạy của đoàn tàu quy định cho các khu gian và các điểm đặc biệt
trên tuyến.
- Mức độ xếp tải của toa xe theo quan điểm tận dụng khối lượng lớn nhất
cho phép nhằm giảm chi phí nhiên liệu đơn vị (hình 1.2)[3].
- Ở vùng có đoạn xuống dốc và lên dốc cao cần tận dụng động năng và thế
năng của đoàn tàu.
Tổ chức chạy tàu tối ưu theo quan điểm chi phí nhiên liệu khi và chỉ khi
chi phí nhiên liệu đo được có giá trị nhỏ nhất trên một cung đoạn vận chuyển
biểu thị bằng [kg/t.km] đối với đầu máy điện tính bằng [kw.h/t.km]; chỉ tiêu
này là cơ sở để đánh giá chất lượng của tổ chức chạy tàu trong giao thông
đường sắt.

Hình 1.2. Sự phụ thuộc chi phí nhiên liệu đơn vị vào tốc độ chạy ứng
với các khối lượng kéo khác nhau.
1- khối lượng 500[t]; 2- khối lượng 1000[t]; 3- khối lượng 1600[t].

88

Trong thực tế tổ chức chạy tàu, các mác tàu được thành lập một cách
ngẫu nhiên, ít khi chú ý đến têu hao nhiên liệu. Lượng nhiên liệu cho mục
đích kéo của đoàn tàu phụ thuộc vào các yếu tố sau :
- Đặc tính sức cản đơn vị của chuyển động, phụ thuộc vào: tốc độ, kiểu
loại đầu máy toa xe.
- Khối lượng kéo của đoàn tàu .
- Profil của tuyến vận dụng (lên dốc, xuống dốc và chiều dài tương ứng
cũng như chiều dài toàn tuyến).
- Biểu đồ chạy tàu (tốc độ khu gian, tốc độ quy định ở các điểm cụ thể,
thời gian chiếm giữ khu gian...).
- Đặc tính sức kéo của đầu máy (đường cong sức kéo phụ thuộc vào tốc
độ chạy ở các vị trí tay máy khác nhau tức là ứng với công suất khai thác của
động cơ diesel).
Các nghiên cứu về chi phí nhiên liệu được tiến hành chỉ ra rằng: đối với
bản thân thành phần đoàn tàu ứng với khối lượng xác định, trong các
điều kiện vận dụng cụ thể, chi phí nhiên liệu đơn vị rất khác nhau. Sự khác
nhau này có thể lên tới 11%. Chính vì vậy không thể có chỉ tiêu cấp phát
chung cho các đầu máy mà phải cụ thể hoá cho cho từng loại đầu máy
theo công việc của chúng.
1.2.Một số hướng nghiên cứu nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng chạy
tàu
Khi ta nghiên cứu một hệ thống phức hợp như hệ thống đường sắt, ta cần
phải xác định rõ ràng phạm vi của đối tượng nghiên cứu.
Theo [28], các giải pháp công nghệ được quan tâm nghiên cứu nhằm mục
têu tiết kiệm năng lượng hiện nay gồm:
 ghiên cứu chi tiết về công nghệ hãm tái sinh đoàn tàu.

N
Nghiên cứu các giải pháp tết kiệm nhiên liệu cho đầu máy diesel:
bộ điều tốc điện tử, cải thiện kết cấu cơ khí, hộp số…
 Nghiên cứu các giải pháp điều khiển nhiệt độ, hệ thống điều hòa,
thông gió theo mục têu tiết kiệm năng lượng.


99

Nghiên cứu xây dựng phương pháp lái tàu tiết kiệm năng lượng (đào
tạo tài xế, thiết kế các hệ thống lái tàu tự động hoặc hỗ trợ lái
tàu).
 ghiên cứu tối ưu hóa thời gian chạy tàu và giới hạn chạy tàu.
N
Nghiên cứu đánh giá hiệu quả của toa xe hai tầng và toa xe thân
rộng.
 Nghiên cứu các phương pháp phối hợp đơn vị kéo đối với các đoàn
tàu điện.
Nghiên cứu đánh giá, kiểm tra lựa chọn các giải pháp công nghệ
nhằm nâng cao hiệu quả của hãm tái sinh trong hệ thống một chiều.
 ghiên cứu nâng cao hiệu quả của việc điều độ tàu tại các ga.
N
Nghiên cứu thiết kế hệ thống trợ giúp cho lái tàu ở hệ thống liên
vùng và chính tuyến.
 ghiên cứu nâng cao hiệu suất các hệ dẫn động đơn.
N
Nghiên cứu giảm lực cản khí động học với các đoàn tàu nặng.
Nghiên cứu tích hợp năng lượng tái sinh với các bộ dự trữ năng
lượng trong giai đoạn đầu của quá trình hãm.
Nghiên cứu nâng cao chất lượng truyền dữ liệu giữa hệ thống quản

lý chạy tàu và hệ thống hỗ trợ lái tàu.
Năng lượng cung cấp chính cho hệ thống điều khiển chạy tàu hiện nay từ
hai nguồn chính là năng lượng điện và năng lượng diesel (hình 1.3).
Trong đó năng lượng tiêu thụ bởi một đoàn tàu khi chạy có thể chia làm
bốn phần chính [28]:
Năng lượng cần thiết để gia tốc đoàn tàu và kéo đoàn tàu lên những
đoạn đường dốc.
Năng lượng cần thiết để đoàn tàu vận động thắng các lực cản (lực
ma sát, lực cản khí động học).
 Năng lượng cần thiết để chạy các thiết bị điện phục vụ sự tiện nghi
của hành khách- đối với tàu khách - (điều hòa/quạt, chiếu sáng…)
Năng lượng tổn hao trên các động cơ điện kéo, bộ biến đổi và các
thiết bị điện.


10
1
0

Hình 1.3. Hệ thống năng lượng cung cấp cho đường sắt
Hiện nay có nhiều công trình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng cho hoạt
động của đoàn tàu đều tập trung vào các yếu tố trên.
Việc tính toán năng lượng tiêu thụ cho hoạt động của đoàn tàu có
thể được giảm đáng kể thông qua các hướng nghiên cứu đã trình bày ở trên
bằng các công nghệ hiện có. Đặc biệt, có nhiều nghiên cứu thiết kế các hệ
thống lái tàu tự động hoặc hệ thống hỗ trợ điều khiển tốc độ đoàn tàu đặt
trên bàn điều khiển của tài xế.
Trong tương lai gần, việc nghiên cứu tích hợp các giải pháp điều khiển
truyền động và các hệ thống điều khiển giám sát, thông tin truyền thông và
hệ thống quản lý giao thông đường sắt sẽ mang lại hiệu quả cao trong việc

tiết kiệm năng lượng cho ngành đường sắt.
1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến giảm chi phí năng
lượng chạy tàu


11
1
1

Các mối lo ngại về an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường là chủ đề
nóng được ngành vận tải đường sắt rất quan tâm. Trên thế giới, đã có
nhiều