Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu giải pháp điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu trên tuyến đường sắt Việt Nam

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 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 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 chi
phí nhiên liệu đơn vị tính bằng: [kg/ 104t.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 các thông tin về
tuyến, về tín hiệu và các thông tin cần thiết khác đều được trang bị cho tài xế


6
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 tiêu phấn đấu
cho các chuyến chạy khác trong cùng một điều kiện vận dụng như nhau.

7
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].


8
Trong thực tế tổ chức chạy tàu, các mác tàu được thành lập một cách ngẫu

nhiên, ít khi chú ý đến tiêu 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 hƣớng nghiên cứu nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lƣợng 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
tiêu tiết kiệm năng lượng hiện nay gồm:
 Nghiên cứu chi tiết về công nghệ hãm tái sinh đoàn tàu.
 Nghiên cứu các giải pháp tiết 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 tiêu tiết kiệm năng lượng.

9
 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).
 Nghiên cứu tối ưu hóa thời gian chạy tàu và giới hạn chạy tàu.
 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.
 Nghiên cứu nâng cao hiệu quả của việc điều độ tàu tại các ga.
 Nghiên cứu thiết kế hệ thống trợ giúp cho lái tàu ở hệ thống liên
vùng và chính tuyến.
 Nghiên cứu nâng cao hiệu suất các hệ dẫn động đơn.
 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

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 nƣớc liên quan đến giảm chi phí năng
lƣợng chạy tàu
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


11
công trình nghiên cứu ở nhiều góc độ khác nhau liên quan đến vấn đề giảm
chi phí nhiên liệu trong vận tải đường sắt. Dưới góc độ nghiên cứu nhằm
giảm chi phí nhiên liệu thông qua vận dụng đoàn tàu, các nghiên cứu tập
chung vào các hướng chủ yếu:
- Tiết kiệm năng lượng thông qua điều khiển hoạt động của đoàn tàu.

- Tiết kiệm năng lượng thông qua lập kế hoạch chạy tàu.
- Tiết kiệm năng lượng thông qua cải thiện hiệu suất kéo và giảm tổn
hao công suất phụ trợ.
Trong đó, tiết kiệm năng lượng thông qua điều khiển chạy tàu là một
trong những hướng nghiên cứu quan trọng nhất. Các nghiên cứu thuộc lĩnh
vực này áp dụng lý thuyết điều khiển tối ưu để tối ưu hóa tốc độ chạy tàu và
năng lực thông qua khu gian sao cho mức chi phí nhiên liệu là thấp nhất.
1.3.1. Các nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, sức kéo diesel bắt đầu được sử dụng ở phía Bắc từ năm 1968
và ở phía Nam từ năm 1963[3], đến nay ngành đường sắt Việt Nam đã diesel
hóa hoàn toàn và bắt đầu xây dựng hệ thống đường sắt chạy điện. Vào những
năm 1980, Tổng cục Đường Sắt Việt Nam đã đầu tư một chương trình nhiên
liệu cho đầu máy mà đơn vị thực hiện chính là bộ môn Đầu máy trường Đại
Học Giao thông vận tải[3]. Từ chương trình này, TCĐSVN đã có cơ sở khoa
học xây dựng định mức tiêu hao nhiên liệu cho các đầu máy diesel làm việc
trên các tuyến đường sắt.
Đến năm 2007, Công ty tư vấn đường sắt đã chủ trì Dự án “Đề xuất và
ứng dụng các giải pháp tiến bộ khoa học công nghệ nhằm tiết kiệm nhiên liệu
cho các phương tiện vận tải sắt”[3]. Kết quả của Dự án này cũng đã đề ra các
hướng nghiên cứu nhằm tiết kiệm nhiên liệu chạy tàu ở nước ta chủ yếu tập
trung một số lĩnh vực sau:
a. Tổ chức giao thông:
- Hợp lý hóa vận chuyển.
- Lợi dụng xếp tải.
- Lập biểu đồ chạy tàu.
- Đào tạo tài xế giỏi.


12
b. Cung cấp năng lượng:

- Hạn chế tổn thất ở hệ thống cấp liệu.
- Nâng cao chất lượng kho bãi.
c. Thiết kế phương tiện:
- Giảm tự trọng và sức cản chuyển động.
- Giảm chi phí năng lượng ngoài mục đích kéo.
- Tối ưu hóa hệ thống dẫn động.
- Nâng cao hiệu suất động cơ diesel, động cơ điện kéo.
- Thay thế các bộ điều tốc cơ khí- thủy lực- điện bằng các bộ điều tốc
điện tử.
1.3.2. Các nghiên cứu trên thế giới
Các mối lo ngại về an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường là chủ đề
nóng được ngành vận tải đường sắt quan tâm trong thời gian dài. Trên thế
giới, đã có nhiều công trình nghiên cứu ở nhiều góc độ khác nhau liên quan
đến vấn đề giảm chi phí nhiên liệu trong vận tải đường sắt. Nhìn chung, các
nghiên cứu tập trung vào các hướng chủ yếu: tiết kiệm năng lượng thông qua
điều khiển hoạt động của đoàn tàu; tiết kiệm năng lượng thông qua lập kế
hoạch chạy tàu; tiết kiệm năng lượng thông qua cải thiện hiệu suất kéo và
giảm tổn hao công suất phụ trợ. Trong đó, tiết kiệm năng lượng thông qua
điều khiển chạy tàu là một trong những hướng nghiên cứu quan trọng nhất.
Các nghiên cứu thuộc lĩnh vực này có từ những năm 1970, ví dụ:
Kokotovic and Singh [63] đã xây dựng một mô hình điều khiển tối ưu phi
tuyến bậc hai để giảm thiểu mức tiêu hao năng lượng thông qua kiểm soát
dòng điện kéo. Milroy [75,76], đã đề xuất vấn đề giảm thiểu tiêu thụ năng
lượng thông qua chuyển động cơ học trong luận án tiến sĩ của mình, cụ thể là
có thể lợi dụng động năng trong quá trình điều khiển chạy tàu ở các giai đoạn
khác nhau. Ông ta chỉ ra rằng việc tiết kiệm năng lượng thông qua biểu đồ
chạy tàu cho một hành trình ngắn gồm ba giai đoạn đó là: gia tốc cực đại,
chạy đà và phanh với lực phanh lớn nhất (hình 1.4)

13

Hình 1.4. Đặc tuyến chuyển động đoàn tàu gồm ba giai đoạn
Tiếp theo, A. Asnis và các cộng sự [15], Lee và các cộng sự [66], P.G.
Howlett[38] chỉ ra rằng, đối với những hành trình dài còn có thêm một giai
đoạn chạy ở chế độ ổn tốc do đó biểu đồ chạy tàu gồm bốn giai đoạn cho
hành trình dài: gia tốc, ổn tốc, chạy đà và phanh với lực phanh lớn nhất (hình
1.5).

Hình 1.5. Đặc tuyến chuyển động đoàn tàu gồm bốn giai đoạn
Các nghiên cứu sau này cho thấy rằng bốn chế độ riêng biệt này có thể
được sử dụng để để xây dựng lên các bài toán điều khiển tối ưu đoàn tàu phức
tạp liên quan đến: hành trình dài, trắc ngang, trắc dọc đường phức tạp, giới
hạn tốc độ trên các khu đoạn, đặc điểm của đoàn tàu và quá trình hãm tái sinh
năng lượng…