автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Метод расчета энергооптимальных траекторий движения поезда

На правах рукописи

Ябко Израиль Аврумович

МЕТОД РАСЧЕТА ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА

Специальность 05 22 07 - Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и

электрификация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗО г'и гээ

Москва - 2007

003070759

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном Предприятии "Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" (ФГУП ВНИИЖТ)

доктор технических наук Мугинштейн Лев Александрович (ВНИИЖТ)

доктор технических наук, профессор Абрамов Валерий Михайлович (ОЦВ)

кандидат технических наук Никифорова Нина Борисовна (ВНИИЖТ)

Российский государственный открытый технический университет путей сообщения (РГОТУПС)

Защита диссертации состоится "Л" 2007 года в а часов на

заседании диссертационного совета Д21800201 при Федеральном Государственном Унитарном Предприятии "Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта" по адресу 129851, г Москва, ул 3-я Мытищинская, д 10, зал Ученого совета ВНИИЖТ

Автореферат разослан 2007 года

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке института

Отзыв на реферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять в адрес института

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

ПТ Гребешок

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы

В современных условиях рыночной экономики для поддержания своей эффективности железнодорожному транспорту необходимо постоянное совершенствование всех технологий, обеспечивающих перевозочный процесс, на который приходится 74% расходов железных дорог на энергоресурсы

Представленный в материалах к заседанию Совета главных инженеров ОАО "РЖД" 10 10 2006 г анализ динамики затрат на электроэнергию и топливо в расходной части бюджетов железных дорог показывает их неуклонный рост от 50,5 млрд руб в2003г до 101,9 млрд руб в 2006г Доля затрат на топливно-энергетические ресурсы в эксплуатационных расходах ОАО "РЖД" также растет от 11,4% в 2003г до 14,5% в 2006г Важность проблемы обусловила принятие ряда федеральных и отраслевых целевых программ по ресурсосбережению, в частности, Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах, Энергетической стратегии ОАО "РЖД" (2004 г ) С учетом того, что из затрат на топливно-энергетические ресурсы около 80% приходится на тягу поездов, экономия энергозатрат на тягу поездов является важнейшей задачей.

Одним из механизмов решения задачи экономии энергозатрат на тягу поездов является использование оптимальных режимов управления поездами Вклад в решение этого вопроса внесли многие известные ученые, из которых в первую очередь следует назвать имена И А Асниса, Л А Баранова, Я М Головичера, Е В Ерофеева, С В Дуваляна, А М Костромина, В М Максимова, В А Нехаева, Д А Палей, Ю П Петрова, Э С Почаевеца, В Е Розенфельда, В М Сидельникова, В П Федянина и др

Рассматриваемая в работе модель оптимизации управления движением поезда предусматривает выполнение графикового времени хода между отдельными пунктами и при этом обеспечивает минимум расхода энергии на тягу поезда Получаемый за счет этого реальный эффект может достигать 3-5 % , что в целом по отрасли за год составляет сумму около 0,5 млрд руб

Для практической реализации такой оптимизации и получения значимого эффекта необходимо ее широкое применение на сети железных дорог РФ При использовании математических методов оптимизации управления движением поездов требуется разработка и совершенствование алгоритмов их решения, автоматизация расчетов, разработка специальных программ для ЭВМ Рассчитанные в результате траектории движения поезда должны быть экспериментально проверенными как в части возможности их реализации машинистами, так и в достижении экономии энергии в реальных поездках

В настоящее время широкое распространение получило использование в грузовом и пассажирском движении систем "автомашинистов" В этом случае максимальный эффект достигается при использовании энергооптимальных программ в бортовых системах автоведения, когда расчет и реализация энергооптимальных траекторий осуществляется в реальном времени в зависимости от постоянно меняющейся поездной обстановки Обеспечение такой возможности органического объединения энергооптимальных расчетных модулей с другими подсистемами требует сочетания универсальности, высокого быстродействия и низких требований к аппаратной части реализации Таким образом, очерчивается круг задач по совершенствованию методов решения, алгоритмизации, автоматизации и разработке комплекса программ, направленных на достижение актуальной для железнодорожного транспорта цели - экономии топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка эффективного метода расчета энергооптимальных траекторий движения поезда, его численной реализации в виде программного комплекса промышленного типа с детальной экспериментальной проверкой и разработкой методики практического использования Методы исследования

Результаты диссертационной работы получены на основе использования методов теории оптимального управления, вычислительной математики, программирования, теории тяги и экспериментальных методов исследований

Научная новизна работы

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем

• разработаны алгоритм оптимизации и его конкретизация применительно к эффективной численной реализации для ЭВМ,

• разработаны программный комплекс промышленного типа ПК ERG для получения энергооптимальных траекторий движения поезда и методика практического его использования, а также модификации ПК ERG для бортовых систем автоведения и для автоматизированной системы нормирования, анализа и контроля расходованием топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов,

• разработан алгоритм подбора позиций контроллера для реализации энергооптимальных траекторий движения поезда,

• на основе разработанной методики доказана эффективность использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда в ходе сравнительных опытных поездок на участках постоянного и переменного тока сети железных дорог РФ

Практическая значимость и внедрение

В соответствии с Программами ресурсосбережения 2000-2006 гг на сети железных дорог РФ

• ПК ERG внедрен в 142 локомотивных депо,

• системами автоведения пассажирских (УСАВПП) и грузовых (УСАВПГ, ИСАВП-РТ) поездов с бортовой версией ПК ERG оборудованы свыше 2тыс электровозов,

• в локомотивные депо поставлены 60 комплексов автоматизированной системы АРМТ (нормирования, анализа и контроля расходованием ТЭР на тягу поездов), в состав которой входит расчетный модуль ПК ERG

Апробация работы

Результаты работы докладывались на международных конференциях IHHA (США, 2003г ) и "Энергосберегающие технологии и окружающая среда" (г Иркутск, 2004 г), на II и III научно-практических конференциях

"Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте" (г Москва, МИИТ, 1999, 2001 гг) Публикации

Материалы, отражающие основное содержание диссертационной работы, изложены в 11 печатных работах, в том числе в двух авторских свидетельствах РФ об официальной регистрации программ для ЭВМ Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы, включающего наименований, и приложения Объем диссертации страниц основного текста, 30 рисунков, 23 таблицы ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность работы, определены цель и задачи исследования, дано краткое содержание диссертации

В первой главе сформулирована общая оптимизационная задача, проведен анализ известных методов и обоснована необходимость разработки эффективного метода расчета энергооптимальных траекторий движения поезда, его численной реализации в виде программного комплекса промышленного типа и методики практического использования

В задаче определения режимов управления движением поезда, обеспечивающих минимум расхода энергии на тягу, исходными данными являются время движения между начальным и конечным пунктами, значения скорости в этих пунктах, профиль пути, скоростные ограничения во время движения, составность поезда, тяговые и тормозные характеристики локомотива Модель поезда включает его длину, распределения массы по длине и тип каждого вагона

Как известно, при дискретном регулировании силы тяги, как это имеет место на большинстве используемых в настоящее время электровозах, при решении оптимальной задачи возникают так называемые скользящие режимы Эти режимы не могут быть реализованы на практике Поэтому в работе реализован подход, идею которого впервые предложил Э С Почаевец Этот

подход включает три этапа а) аппроксимация дискретных тяговых характеристик непрерывными кусочно-гладкими функциями, б) решение задачи оптимизации управления без скользящих режимов, в) аппроксимация непрерывного управления с помощью дискретных тяговых позиций

Второй из перечисленных этапов, включая теоретическое обоснование и описание основного оптимизационного алгоритма, а также конкретизацию применительно к эффективной численной реализации для ЭВМ, представлен во второй главе

Основной оптимизационный алгоритм является итерационным процессом На каждом его шаге строится удовлетворяющий всем условиям и ограничениям задачи режим движения, при котором расход энергии меньше, чем на предыдущем шаге Итерационный процесс завершается, когда невязка в условиях оптимальности становится меньше заданной Этот алгоритм основан на методе декомпозиции, разработанном АЕ Илютовичем применительно к задачам оптимального управления общих динамических систем

Математическая формулировка задачи в векторном виде имеет вид dz

— = fis,z(s),u(s)), 0<s<s, • ds (1)

z(0) = z0

u'(s)-\|/(z2(s))<0, -u'(s)<0 u2 (s) - cp(z2 (s)) < 0, - u2(s)<0

z'=T, z2 = z] npHS = S, z2(s)-E(s)<0, z2(s)<0 J = z°(s,) =>min

Здесь s - координата пути, T - время хода, v, - значение скорости v в

точке s=sp t - время, и = {и1, и2} - вектор управлений с компонентами,

пропорциональными силам тяги и торможения, z = {z°, z', z2} - вектор

s

фазовой траектории с компонентами z°= Ju'(i;)d£, z'=t, z2=v2,

о

f -{f°, f1, f2} - вектор правых частей дифференциального уравнения с

компонентами f°=u', f' = -rl=, f3=2(-w + u1 -u2),

•Vz2

w пропорционально сумме основного и дополнительного сопротивления от уклонов, J - энергетический критерий

Пусть на предыдущем шаге итерационного процесса имеются допустимое по всем ограничениям управление u0(s) и отвечающее ему решение уравнения (1) z0(s) Переход к следующему шагу итераций с допустимым управлением u(s) и соответствующей траекторией z(s) реализован следующей последовательностью действий

Решается сопряженная система дифференциальных уравнений и определяется вектор множителей Лагранжа X из решения системы алгебраических уравнений с ненулевым определителем так, что условия на правом конце удовлетворяются в линейном приближении Новое управление выбирается в виде u(s, s) = u0(s) + 5u(s, e), где s - малый положительный параметр, а 6u(s, е) - вариация, состоящая из двух частей, - независимой б u (s, е) и компенсирующей Независимая часть вариации 5 u (s, s) характеризуется тем, что u0(s) + 5u(s, е) удовлетворяет невозмущенному множеству ограничений на управления, т е тому же множеству ограничений, которому удовлетворяет управление u0(s) Выбор 6u(s, е) осуществляется из решения задачи оптимизации функции Гамильтона-Понтрягина на этом невозмущенном множестве ограничений

Далее из решения (1) определяется траектория z(s, е), выполняется ее правка для обеспечения допустимости, находится новое управление u(s, е) и вычисляется изменение функционала энергии 8J(e)

В работе получено явное выражение для главной при 8 —»0 части величины 5J(e), являющейся линейной по 8 с отрицательным коэффициентом Тем самым обосновано уменьшение значения функционала энергии 6J(e) < О для достаточно малых е Это обоснование получено с использованием

полученной А Е Илютовичем оценки главной части при е —> 0 приращения функционала энергии через интеграл от приращения функции Гамильтона-Понтрягина, зависящего только от независимой части вариации 5 и (б, е)

Для обеспечения максимально возможного уменьшения функционала энергии 51(е) за один шаг итераций описанная последовательность действий повторяется с уменьшением значения е вдвое, начиная с 1, до тех пор, пока выполняется условие 81(г.) > О

Таким образом, на каждом шаге итераций имеются игольчатые вариации, порождаемые набором точек переключения Бк и сдвигом этих точек на величины тк(е)

Знак тк (е) задает направления сдвига переключения, а | тк(е) | - ширину иголки, причем задействованы все точки переключений одновременно В процессе итераций может происходить появление новых точек переключения или исчезновение существующих, причем эти ситуации учитываются автоматически Такой способ построения последовательных приближений обладает тем преимуществом, что для его численной реализации на ЭВМ требуется весьма малый объем оперативной памяти при высоком быстродействии

Описанный итерационный процесс требует задания на начальном шаге допустимой траектории движения поезда Для построения такой траектории в работе разработан специальный алгоритм, основанный на регулировании времени хода В этом алгоритме использован класс допустимых траекторий, по структуре схожих с оптимальными траекториями движения поезда

51(е) = ,1(г(8), и(а), е) - ^„(б), иДэ)) =

= /[Нвроф.гоф.иДз) + Зф.е)) - Н(8,р0(8),г0(8),и0(г))]ак + о(е)

о

-е у к эщптДе), тш{ зк,8к + тк(е) }<б <тах {зк,зк + хк(е)}

О, в остальных точках

Построенная таким образом допустимая траектория характеризуется наличием выбегов перед торможениями и крутыми спусками, разгонов перед крутыми подъемами, отсутствием при движении с постоянной скоростью у=Уб подтормаживаний на тех отрезках пути, где величина Уз строго меньше ограничений по скорости В результате на вход итерационного процесса в качестве начального подается достаточно хорошее приближение к оптимальному решению, что существенно уменьшает число итераций

Необходимость интегрирования уравнения движения поезда возникает по ходу работы описанного алгоритма многократно Поэтому в целях повышения эффективности при его численной реализации для ЭВМ разработан оригинальный алгоритм интегрирования уравнения движения поезда Суть этого алгоритма состоит в следующем Строится специальная функция профиля Г(з), зависящая от координаты головы поезда э и учитывающая

неравномерность распределения массы по длине поезда Ц.

Цв) = § 1 (б—£,)сК,, где Ьр-длина поезда, ¿=9,% м/с2, т(£) - кусочно-

0

постоянная функция, задающая распределение массы по длине поезда, I -кусочно-постоянная функция уклонов Ввиду кусочно-постоянства своей подынтегральной функции, Г(в) - кусочно-линейная непрерывная функция в Математически задача заключается в решении задачи Коши шру сМсЬ = А+Ву+Су2 +Г(я) , 8нач < я < экон , (2)

у(8„ач)=уНач (тр-масса поезда)

Зависимость правой части (2) от скорости у в виде многочлена второй степени с постоянными коэффициентами обусловлена характером формул Правил тяговых расчетов для основного сопротивления и принятой аппроксимацией тяговых характеристик непрерывными кусочно-гладкими функциями На каждом шаге итераций решается уравнение с разделяющимися переменными шрус1у/с1з = Ак+Вку+Ску2, где Ак, Вк и Ск - постоянные, определяемые из условия наилучшего среднеквадратичного приближения правой части (2) квадратным трехчленом от у на аналитической функции-

10

решении s=S|t.i(v)Aic.i,Bk-i.Ck-i) с предыдущего шага итераций, к=1,2,3,4 На начальном шаге (к=0) производится осреднение F(s) на интервале (sH!14,sKa„) Таким образом, на каждом шаге итераций вычисления функции-решения s=Sk(v,Aif,B|C,C][) производятся по одним и тем же аналитическим формулам при различных значениях коэффициентов А*, В* и C|¡, что обуславливает высокую эффективность данного алгоритма в случаях, когда заданная точность достигается на относительно малом количестве шагов итераций Численные эксперименты показали, что целесообразно принимать количество таких шагов равным 4 В случае, когда на 4-х шагах итераций данный алгоритм не обеспечивает требуемой точности, в работе принят переход к расчету на основе стандартного метода Рунге-Кутта 4-го порядка

В третьей главе представлены алгоритмы аппроксимации дискретных тяговых характеристик непрерывными функциями и непрерывного управления с помощью дискретных тяговых позиций.

Для аппроксимации тяговых характеристик электровозов, являющихся кусочно-гладкими функциями, в работе используются сплайны 3-го порядка Для этого на каждом гладком куске тяговой характеристики F(v) выбирается несколько (обычно 3-4) базовых точек (v„ F,) так, что проведенные через них дуги гладко сопрягающихся между собой кубических парабол обеспечивают заданную точность аппроксимации F(v) Сплайновые коэффициенты вычисляются один раз и хранятся в памяти на протяжении всей работы программы Для таких вычислений в работе используется специально разработанный пакет подпрограмм соответствующих задач линейной алгебры,-факторизация симметричных ленточных матриц методом Холецкого, решение матричных уравнений методом прогонки При многократно возникающей в процессе решения задачи необходимости расчета значения F(v) по заданной скорости v вычисления производятся в следующем порядке на основе алгоритма бинарного поиска определяется интервал базовых точек, содержащий v, а затем по схеме Горнера вычисляется значение кубического

полинома Такой подход, как показали численные эксперименты, обеспечивает высокую эффективность расчетов

В соответствии с принятой в работе последовательностью действий для определения энергооптимальных режимов управления движением поезда после решения задачи оптимизации без скользящих режимов осуществляется аппроксимация полученного непрерывного управления с помощью дискретных тяговых позиций Такая аппроксимация выполняется для тех отрезков пути, где оптимальной траекторией без скользящих режимов предусмотрен режим движения с постоянной скоростью стабилизации v = v« Задача заключается в нахождении минимального количества таких позиций контроллера и точек их переключения, при которых в сравнении с движением в тяге со скоростью v=v. увеличение расхода энергии не превышает заданной величины, а также сохранены время хода и значения скорости на концах рассматриваемого отрезка пути В разработанном для решения этой задачи алгоритме используется следующая доказанная в работе оценка увеличения расхода энергии А по сравнению энергией А., затрачиваемой при движении в тяге с постоянной скоростью стабилизации v=v»

1 V 1 K(v ) skoh ,

А / A« — 1 = [ 1 + Jw.Ods]1 7-7- jÄ2(s)ds<

"'o^tJ VS„H нач J Sna4 SKOH s„«4 SHa4

K(v) ST

<-U2(s)ds , (3)

s -s s

кон иач °nai,

где sHa4, sK0H - координаты начала и конца отрезка пути, Д = v / v« - 1, W, -

дополнительное сопротивление поезда от приведенного уклона,

Wo(v) = А1+А2 v+A3 v2 - основное сопротивление поезда в соответствии с

принятой в Правилах тяговых расчетов зависимостью от скорости v,

K(v«) = (А2 v.+ЗАз v.2) / (А]+А2 v.+A3 v.2)-безразмерный коэффициент

Для фиксированного числа точек переключения контроллера N задача аппроксимации непрерывного управления с помощью дискретных тяговых позиций после линеаризации силы тяги F(v) = F„(v.) - F7(v») Д v« в пределах интервала 1-Д < v/v» < 1+Д, отбрасывания членов более высокого относительно

Д порядка и использование оценки (3) сведена к следующей рекуррентной последовательности задач

Í L0[xk+i] = Fn-F.-C[xí], k = 0,1,2, ,х„=0, (4)

[ Xk+i(sH34) = О,

SKO!l

XkH(sKOH) = 0, }xkt,(s)ds =0, (5)

Sna4

SK0H

Ik+i - jx^jds =>min ,

SHa4

где x = Д (1 - A), Xk- k-oe приближение для x, F«= Wo(v.) + W^s),

L o = rripV ^ d/ds+A и £ = l,5mpv^ d/ds+A- операторы, A = A2 + 2A3 v. + v.F', x = A + Аз v»

Процесс заканчивается, когда Ik+i s Ik с допустимой погрешностью Если найденное таким образом увеличение расхода энергии превышает заданную величину, то N —* N + 1 и вся процедура повторяется

Вид операторов Lo и Е, а также то, что (Fn - F.) - кусочно-линейная функция с разрывами в точках переключения s|, , sn, позволил получить из (4) явное выражение для функции xk+i(s, S|, , sN) и, таким образом, свести решаемую на каждом шаге задачу к классической задаче вариационного исчисления по определению минимума функции N переменных Ik+i(si, , sN) с наложенными на переменные связями (5) Эта задача решена с помощью метода множителей Лагранжа

В четвертой главе представлены результаты опытной проверки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда на участках постоянного и переменного тока сети железных дорог РФ

В ходе специальных опытных поездок на участках постоянного и переменного тока Московской и Горьковской ж д для повышения точности и достоверности результатов использовался вагон-лаборатория ВНИИЖТ, по датчикам которого замерялись сила тока и напряжение на тяговых двигателях электровоза, напряжение в контактной сети, фиксировались позиции

контроллера машиниста, а также скорость движения поезда Для контроля экспериментально полученные результаты расхода электроэнергии сопоставлялись с показаниями счетчиков локомотивов

В контрольных поездках, выполненных со специально отобранными лучшими по экономии электроэнергии на тягу машинистами депо, были зафиксированы режимы движения и расход электроэнергии По результатам этих поездок были выполнены оптимизационные расчеты с помощью ПК ERG для тех же времен хода, ограничений скорости и составности поездов, которые позволили в следующих поездках рекомендовать по переговорному устройству из вагона-лаборатории ВНИИЖТ режимы управления локомотивом

Испытания проводились на участках Н Новгород-Владимир Горьковской ж д Орехово-Владимир Московской ж д В сравниваемых поездках составы были практически одинаковыми, обслуживающие поездки локомотивные бригады не менялись от поездки к поездке, выбранные для сравнения участки были с идентичными условиями движения

Участок Н Новгород - Владимир Горьковской ж д Всего было проведено 4 опытные поездки с одним и тем же электровозом BJI80C с реостатным торможением В поездке 1, выполненной локомотивной бригадой без вмешательства из вагона-лаборатории, был определен для сравнения участок 370 0-245.0км В поездке 2 была реализована энергооптимальная траектория на участках 367 55-337 45км и 290 0~245.0км, при этом на участке 290 0-245 0км выполнялось новое по сравнению с поездкой 1 ограничение 40 км/ч (255км пк2) На участке 245 0-193 0км в поездке 2 вмешательства из вагона-лаборатории не было для сравнения с последующими поездками. В поездке 3 на участке 370 0-245 0км была реализована энергооптимальная траектория Однако, ввиду выполнения в этой поездке нового, по сравнению со сравниваемой поездкой 1, ограничения 40 км/ч (324км пк1), часть участка (324 50-319.33) при сравнении была исключена В поездке 4 была реализована энергооптимальная траектория на участке 370 00-317 54км для сравнения с поездкой 1. Экспериментальные данные по поездкам представлены в табл 1

14

Таблица 1. Экспериментальные данные по опытным поездкам с вагон ом -лабораторией ВНИИЖТ на участке Н. Новгород - Владимир_

Участок сравнения, км 367.5St337.45 289.99+245.00 370.00+245.00 без 324,50+319.33 370 .00+317.54

Длегкп, км 30.1 45.0 119.8 52.5

Средних скорость, км/ч 50.2 515 51,2 49.3

Сравниваемые поездки 1 2 ! 2 ! 3 1 2

Доля времени вмбега,% 24.1 30.4 46.8 54.2 37,8 49.3 27.8 34.7

Раскол энергия А (без уч!та собственны! нужд), кВт-ч 1518.3 1361.0 1132.В 1029.0 4031.2 3752.4 2364.3 2175.1

Итого: (ЬА^АО'ЮО, % 10,3% 4.2% 8.3% Й.П%

На рис,1 в виде графиков зависимости скорости V и силы тяги Г от координаты пути Я представлены данные опытной контрольной поездки 1 и реализации рассчитанной энергооптимальной траектории в опытной поездке 3.

РиС, 1. Гр«оик аппианнооти окорос Г и II и силы тяги Г от координаты

на ицветке 367.55 — 337•45 (опытные данные).

—- П оезд к а 1 _______ Поеадк» 2

Участок Орехово - Владимир Московской ж д

Всего было проведено 5 опытных поездок с одним и тем же электровозом BJI10 с возможностью использования рекуперативного торможения В поездках 1 и 2, выполненных локомотивной бригадой без вмешательства из вагона-лаборатории, были определены для сравнения участки 105 7-190 0км и 130 5-189 2км соответственно В поездках 3, 5 и 4 были реализованы рассчитанные энергооптимальные траектории движения поезда на участках 105 7-190 О км и 130 5-189 2км соответственно

Экспериментальные данные по поездкам представлены в табл 2 Следует отметить, что зафиксированная в табл 2 экономия энергии на участке сравнения 105 7-190 0км несколько занижена, так как в 3-ей поездке вес состава был на 179 т больше, а в поездке 5 число вагонов было на 10 больше, чем в поездке 1

Таблица 2 Экспериментальные данные по опытным поездкам с вагоном-

лабораторией ВНИИЖТ на участке Орехово — Владимир

Участок сравнения, км 105 7-190 0 130 5-189 2

Длина, км 85 3 58 7

Средняя скорость, км/ч 42 7 44 I

Сравниваемые поездки 1 3 5 2 4

Расход энергии с учетом собственных нуад ), кВт ч - 1480 4 1508 6 1544 6 943 1

Итого (1-\\'ЛУ„) 100, % - 42 % 24% - 59%

Расход энергии А (без учета собственных нужд), кВт'ч 1390 6 13124 1326 6 893 4 817 1

Итого (1-А/Ао) 100, % - 56% 46% - 85%

Таким образом, в ходе специальных опытных поездок на участках постоянного и переменного тока Московской и Горьковской ж д было установлено, что рассчитанные с помощью ПК ERG энергооптимальные траектории действительно могут быть реализованы машинистами в реальных поездках с допустимой точностью по скорости При этом у тех же машинистов,

управляющих локомотивами в соответствии с рассчитанными с помощью ПК ERG режимами, при тех же условиях движения с аналогичными поездами на тех же участках снизился расход энергии на тягу по сравнению с контрольными поездками на 4,6-10,3% Такая экономия была достигнута за счет увеличения доли времени движения в режиме выбега, те за счет более эффективного накопления и использования кинетической энергии поезда

Также в ходе испытаний установлена возможность оценки влияния выполнения ограничений скорости с помощью ПК ERG Для этого на участке Н Новгород-Владимир использовалось предупреждение 40 км/ч (324км пк1), которое было в поездке 3 и отсутствовало в поездке 1, а на участке Орехово-Владимир использовалось предупреждение 25 км/ч (боковой путь ст Петушки), которое было в поездке 1 и отсутствовало в других поездках

Для оценки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий также были выполнены сравнительные опытные поездки на Юго-Восточной, Октябрьской, Южно-Уральской, ЗападноСибирской и Забайкальской ж д Эти сравнительные опытные поездки проходили в условиях реальной обстановки пропуска поездов, в отличие от опытных поездок на участках Н Новгород-Владимир и Орехово-Владимир, где были обеспечены одинаковые условия сравниваемых поездок Данные результатов проведения сравнительных опытных поездок представлены в табл 3

Табл 3 Эффективность использования энергооптимальных траекторий в условиях реальной обстановки пропуска поездов согласно протоколам результатов проведения опытных поездок_

Железная дорога Число поездок Участок Экономия расхода энергии,%

ЮжноУральская 4 Челябинск-Курган 2-10 %

Курган-Челябинск

ЗападноСибирская 4 Инская—Тайга 3,4 %

Тайга-Инская 13,9 %

Забайкальская 3 Чита 1-Хипок 8,5 %

Октябрьская 5 С Петербург Сорт -Волховстрой 1,5 % (порожние составы)

Волховстрой-С Петербург Сорт 7,8 %

Юго-Восточная 6 Лиски-Поворино 1—14 % в зависимости от условий пропуска

Поворино-Лиски

Следует отметить, что в ходе опытных поездок на Забайкальской жд для измерения расхода электроэнергии использовался вагон-лаборатория Забайкальской ж д , а на других дорогах-штатные счетчики электровозов

Пятая глава посвящена методике практического использования созданного для широкого промышленного использования на сети железных дорог РФ программного продукта-ПК ERG,- включая технические аспекты пользовательского интерфейса и порядка работы на уровне конечного пользователя ПК ERG создан на основе разработанных и теоретически обоснованных в работе алгоритмов расчета энергооптимальных траекторий движения поезда и ориентирован на использование наиболее распространенной в нашей стране ПЭВМ-1ВМ PC с процессором Intel-Pentium со стандартным набором периферийных устройств и операционных систем Windows 9х/2К/ХР

Базовые алгоритмы, заложенные в качестве основы ПК ERG, и качество его программной реализации обеспечивают расчет энергетически оптимального режима управления поездом для участков длиной 150-300 км на ПЭВМ (Pentium-4, 1 7 ГТц) за время порядка 3-12 сек в зависимости от сложности профиля и совокупности ограничений на скорость поезда Заложенные в программную реализацию ПК ERG многочисленные оптимизированные проверки исходной информации и промежуточных результатов счета обуславливают высокую степень устойчивости и безотказности его работы Для повторного использования исходных данных при выполнении вариантных расчетов в ПК ERG реализована поддержка интегрированной базы данных

ПК ERG имеет интегрированную справочно-информационную систему, которая включает в себя электронное руководство пользователя, контекстно-зависимую справку по всем элементам пользовательского интерфейса, предметный указатель слов и выражений, а также механизм быстрого поиска по запросу Как показал опыт внедрения, наличие такой справочно-информационной системы и соответствие стандартам пользовательского интерфейса облегчает освоение ПК ERG

Графический интерфейс пользователя ПК ERG выполнен в соответствии с общепринятым уровнем стандарта программных продуктов для использования в операционных системах Windows и обеспечивает визуализацию как »водимых данных, так и результатов расчетов с дублированием в текстовом формате. На рис. 2 представлен общий вид окна ПК ERG с фрагментом рассчитанной энерго оптимальной траектории движения поезда.

L~l

(TODO ь П>Т1 Á—' 5Э«и f

МО! i 21 m ?Ш Í112 МП Й15 ;

V^J [у J •

Рис. 2, Общий вид рабочего окна ПК ERG с фрагментом рассчитанной энергооптимальной траектории движения поезда

В шестой главе представлены данные по практическому использованию на сети железных дорог РФ программного комплекса ПК ERG и его модификаций применительно к бортовым системам автоведения и к автоматизированной системе нормирования.

Возможность широкого использования на сети железных дорог РФ обусловлена универсальностью и качеством численной реализации базового алгоритма, окончательно оформленной в виде программы для ПЭВМ

промышленного типа, опытной проверкой эффективности рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий на участках постоянного и переменного тока Внедрение ПК ERG для использования в стационарных условиях на сети железных дорог РФ осуществлялось в рамках отраслевых программ ресурсосбережения Согласно Актам/Протоколам за подписями руководства железных дорог ПК ERG внедрен в 119 депо за период времени 1999-2001 гг и в 23 депо за период времени 2002-2005 гг На протяжении всего времени внедрения и эксплуатации ПК ERG была обеспечена всесторонняя поддержка по его использованию обучение, проведение семинаров с целью передачи опыта наиболее эффективного его использования, сопровождение базы данных, обновление версий ПК, консультации

Следует отметить, что условия пропуска поезда существенно влияют на экономический эффект от использования ПК ERG Как показывает опыт, чем протяженнее участок бесперебойного движения, тем этот эффект выше Кроме того, экономический эффект от использования ПК ERG выше на участках со сложным профилем

Применительно к использованию в бортовых системах автоведения базовый расчетный модуль ПК ERG был переработан В частности, был изменен интерфейс обмена с внешними по отношению к расчетному модулю данными и полностью исключен файловый обмен Такой расчетный модуль ERG используется в разработанных ОЦВ бортовых системах автоведения для пассажирских (УСАВПП, электровозы ЧС-7, ЧС-2, ЧС-200) и грузовых (УСАВПГ, электровозы В Л-10, BJI-80) поездов, а также в системе управления распределенной тягой (ИСАВП-РТ) В отличие от стационарного ПК ERG, расчет и реализация энергооптимальных траекторий на борту осуществляется в реальном времени в зависимости от постоянно меняющейся поездной обстановки с учетом постоянных и временных ограничений скорости, сигналов светофоров, условий проезда каждого конкретного участка, а также множества других факторов В соответствии с этим бортовая программа ERG запускается

многократно в фоновом режиме при каждом изменении дорожной ситуации (как показала практика, порядка сотни раз за одну поездку)

Опыт использования бортовой программы ERG в системах автоведения УСАВПП, УСАВПГ и ИСАВП-РТ позволяет сделать вывод о ее надежности и быстродействии в соответствии с требованиями, предъявляемыми к программному обеспечению бортовых систем реального времени Так, типичный разовый расчет с используемым в настоящее время в этих системах бортовым процессором Р-166 под операционной системой RTOS-32 занимает порядка 20 сек По данным результатов обработки картриджей РПДА реальных поездок экономия электроэнергии за счет рассчитанных на борту в режиме реального времени энергооптимальных режимов управления составляет 5-10% для системы УСАВПП и 6,5-16,2 % для систем УСАВПП, ИСАВП-РТ

Для решения задач учета, анализа и нормирования энергозатрат на тягу поездов в ТПЭ ВНИИЖТ разработана система АРМ-ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА (АРМТ) В этой системе используется модифицированная программа ERG в качестве инструмента для оценки влияния на расход энергии таких факторов, как время хода, вынужденные задержки, выполнение ограничений скорости Также расчетный модуль ERG в системе АРМТ используется для количественной оценки минимального расхода энергии на тягу по фактическому исполнению графика движения поезда, отраженного в маршрутном листе машиниста

В настоящее время система АРМТ эксплуатируется на Горьковской, Юго-Восточной, Северной и Свердловской железных дорогах Опыт этой эксплуатации позволяет сделать вывод о том, что расчетный модуль ERG полностью соответствует предъявляемым к нему требованиям, реализуя в рамках системы АРМТ технически и технологически обоснованный подход к нормированию энергозатрат на тягу поездов

В заключении сформулированы основные результаты и выводы Основные результаты и выводы по работе 1 Разработан метод решения задачи расчета энергооптимальной траектории движения поезда при заданных времени хода, плане и профиле пути,

характеристиках локомотива и состава поезда, ограничениях скорости, включающий базовые алгоритмы, численную и программную реализацию их для ЭВМ, обеспечивающие расчет энергооптимальных траекторий на протяженных участках в реальном масштабе времени

2 На основе результатов решения задачи расчета энергооптимальных траекторий движения разработан промышленный программный продукт ПК ERG с развитым интерфейсом пользователя, возможностью развития и модификации, достигаемой за счет использования объектно-ориентированного подхода к организации программного обеспечения, а также высокого уровня структурированности и инкапсуляции составляющих модулей

3 Разработана методика опытной проверки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда С помощью этой методики были выполнены сравнительные опытные поездки с динамометрическими вагонами-лабораториями и без них на участках постоянного и переменного тока Московской, Горьковской, Юго-Восточной, Октябрьской, Южно-Уральской, Западно-Сибирской и Забайкальской ж д В результате было подтверждено, что при ведении поездов по рекомендациям энергооптимальных расчетов, экономия энергии на тягу по сравнению с результатами лучших машинистов депо достигала 5-10%

4 Разработаны модификации программы ПК ERG для использования в бортовых системах автоведения пассажирских и грузовых электровозов и в системе управления распределенной тягой ИСАВП-РТ, обеспечивающие энергооптимальное, адаптированное к условиям пропуска поездопотока, безопасное управление движением поезда

5 Опыт использования бортовой программы ERG в системах автоведения пассажирских (УСАВПП) и грузовых (УСАВПГ, ИСАВП-РТ) поездов, когда расчет энергооптимальных траекторий осуществляется в реальном времени многократно в связи с постоянно меняющейся поездной обстановкой, показал ее надежность и быстродействие в соответствии с требованиями, предъявляемыми к программному обеспечению бортовых систем реального времени

Согласно данным результатов обработки картриджей РПДА по реальным поездкам с системой автоведения экономия энергии на тягу составляет 5-16 %

6 На основе ПК ERG разработан программный блок, используемый в системе АРМТ, обеспечивающей техническое нормирование расхода энергии на тягу

7 Разработана методика расчета затрат энергии поездом при выполнении предупреждений об ограничении скорости

8 В соответствии с Программами ресурсосбережения 2000-2006 годов на сети железных дорог РФ аппаратно-программный комплекс для расчета энергооптимальных траекторий движения грузовых поездов внедрен в 142 локомотивных депо, системами автоведения пассажирских и грузовых поездов с бортовой версией ПК ERG оборудованы свыше 2тыс электровозов, 60 комплексов автоматизированной системы АРМТ, в состав которой входит расчетный модуль ПК ERG, поставлены в различные локомотивные депо Это подтверждает эффективность и востребованность выполненных разработок

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1 И А Ябко Численный метод определения энергооптимального управления движением поезда //Сб науч тр "Железнодорожный транспорт на новом этапе развития" 2003 ИНТЕКСТ М С 129-135

2 JIА Мугинштейн, И А Ябко Программно-технический комплекс для оптимизации режимов вождения поездов с целью сокращения эксплуатационных расходов //Сб тр 2-ой науч -практ конф "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте" МИИТ 1999 С VI-8-VI-9

ЗЛА Мугинштейн, И А Ябко Адаптация программы расчета энергооптимального режима управления движением пассажирского поезда в системе автоведения //Сб тр 3-ей науч -практ конф "Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте" МИИТ 2001 С III-30

4 Л А Мугинштейн, В И Рахманинов, И А Ябко Энергооптимальные режимные карты для машинистов //Локомотив М 2001 №2 С 6-7

5 А В Андреев, Л А Мугинштейн, И А Ябко Автоматизированное рабочее место для расчета энергооптимального режима ведения поезда с учетом

ограничений скорости для машиниста локомотива перед поездкой (стационарный АПК) // Тр международной конф "Энергосберегающие технологии и окружающая среда" Иркутск 2004 С 65-67

6 А В Андреев, JIА Мугинштейн, И А Ябко Автоматизированное рабочее место теплоэнергетика для учета, анализа и нормирования расходов электроэнергии и выработки управляющих решений на уровне депо (АРМ-Т) //Тр международной конф "Энергосберегающие технологии и окружающая среда" Иркутск 2004 С 120-121

7 JT А Мугинштейн, И А Ябко, В И Рахманинов, А В Андреев, С А Виноградов, С И Лисеев, M С Пясик Обучение машинистов энергосберегающим и безопасным методам управления поездами //Железнодорожный транспорт M 2005 №9 С 37-40

8 L Mouginchteine, I Yabko Method of Investigation of the Longitudinal and Dynamic Forces in Freight Trains of Increased Mass and Length /ЛННА May 5-9 2003 Dallas, Texas U S A PP 2 43-2 51

9 Л A Мугинштейн, И A Ябко Метод анализа продольно-динамических сил в грузовых поездах большой массы и длины // Железные дороги мира M № 2 2003 С 43-48

10 Л А Мугинштейн, А В Аршавский, M С Пясик, И А Ябко Управляющая бортовая программа автоведения поездов, реализующая энергооптимальную траекторию движения (УСАВПП) //Авт. свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2003611102 Май 2003

11 Л А Мугинштейн, А В Аршавский, M С Пясик, И А. Ябко, В С Ткачев Управляющая бортовая программа автоведения грузовых электровозов постоянного тока с дискретным управлением, реализующая энергооптимальную траекторию движения (УСАВПГ) // Авт свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003612179 Сентябрь 2003

Подписано к печати 25 04 2007 г Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1,5 п л Заказ 71Тираж 100 экз Типография ВНИИЖТ, 3-я Мытищинская ул , д 10

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА.

2. ЧИСЛЕННЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА.

2.1. Формулировка задачи оптимального управления.

2.2. Теоретическое обоснование основного алгоритма оптимизации.

2.3. Конкретизация основного алгоритма оптимизации применительно к его эффективной численной реализации на ЭВМ.

2.3.1. Конкретизация основных расчетных соотношений.

2.3.2. Численная реализация основного алгоритма оптимизации.

2.3.2.1. Блок-схемы алгоритмов.

2.3.2.2. Алгоритм интегрирования уравнений движения поезда.

2.3.2.3. Мероприятия по повышению эффективности.

3. АЛГОРИТМ ПОДБОРА ПОЗИЦИЙ КОНТРОЛЛЕРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА.

3.1. Аппроксимация дискретных тяговых характеристик непрерывными функциями.

3.2. Аппроксимация непрерывного управления с помощью дискретных тяговых позиций.;.

4. ОПЫТНАЯ ПРОВЕРКА ЭНЕРГООПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДА.%.

4.1. Методика опытной проверки эффективности использования энергооптимальных траекторий движения.

4.2. Опытная проверка энергооптимальных режимов управления на участке н. Новгород - Владимир Горьковской железной дороги.

4.2.1. Общие сведения об участке.

4.2.2. Цели поездных испытаний.

4.2.3. Общие сведения по испытаниям.

4.2.4. Выбор участков сравнения.

4.2.5. Результаты сравнения опытных поездок.

4.2.6. Оценка влияния вынужденных задержек (езда на "желтый") и выполнения ограничений скорости на расход энергии натягу.

4.3. Опытная проверка энергооптимальных режимов управления на участке Орехово - Владимир Московской железной дороги.

4.3.1. Общие сведения об участке.

4.3.2. Результаты поездных испытаний.

4.3.3. Общие сведения по испытаниям.

4.3.4. Выбор участков сравнения.

4.3.5. Результаты сравнения опытных поездок.

4.3.6. Оценка влшния выполнения ограничений скорости на расход энергии.

4.4. Опытная проверка энергооптимальных режимов, полученных в ходе сравнительных опытных поездок на Юго-Восточной, Октябрьской, ЮжноУральской, Западно-Сибирской и Забайкальской ж.д.

4.4.1. Результаты проведения опытных поездок на участке Челябинск - Курган Южно-Уральской железной дороги.

4.4.2. Результаты проведения опытных поездок на участке Инская - Тайга Западно

Сибирской железной дороги.

4.4.3. Результаты проведения опытных поездок на участке Чита-Хипок Забайкальской железной дороги.

4.4.4. Результаты проведения опытных поездок на участке С.Петербург Сорт. -Волховстрой Октябрьской железной дороги.

4.4.5. Результаты проведения опытных поездок на участке Лиски - Поворино Юго-Восточной железной дороги.

5. МЕТОДИКА ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ERG.

5.1. Техническое обеспечение работы с ПК ERG.

5.2. Программная структура ПК ERG.

5.3. Организация ввода исходных данных.

5.4. Расчет энергооптимальных траекторий движения.

5.5. Результаты расчетов.

5.6. Интегрированная справочная система.

6. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ ПОЕЗДА НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ.

6.1. Использование ПК ERG для обучения машинистов энергооптимальным методам управления движением поездов в локомотивных депо.

6.2. Использование модифицированной программы ERG в бортовых системах автоведения.и

6.3. Использование модифицирований программы ERG в автоматизированной системе нормирования, анализа и контроля за расходованием топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов (армт).

В современных условиях рыночной экономики для поддержания своей эффективности железнодорожному транспорту необходимо постоянное совершенствование всех технологий, обеспечивающих перевозочный процесс, на который приходится 74% расходов железных дорог на энергоресурсы.

Представленный в материалах к заседанию Совета главных инженеров ОАО "РЖД" 10.10.2006 г. анализ динамики затрат на электроэнергию и топливо в расходной части бюджетов железных дорог показывает их неуклонный рост: 2003 г. - 50,5 млрд. руб., 2004 г. - 67,2 млрд. руб., 2005 г. -80,3 млрд. руб., 2006 г. - 101,9 млрд. руб. Доля затрат на топливно-энергетические ресурсы в эксплуатационных расходах ОАО "РЖД" также растет: в 2003 г. она составила 11,4%, в 2004 г. - 12,2%, в 2005 г. - 13,0% и в 2006 г. - 14,5%. Важность проблемы обусловила принятие ряда федеральных У и отраслевых целевых программ по ресурсосбережению, в частности, Программы энергосбережения на железнодорожном транспорте в 1998-2000, 2005 годах, Энергетической стратегии ОАО "РЖД" (2004 г.). С учетом того, что из затрат на топливно-энергетические ресурсы около 80 % приходится на тягу поездов, экономия энергозатрат на тягу поездов является важнейшей задачей.

Одним из механизмов решения задачи экономии энергозатрат на тягу поездов является использование оптимальных режимов управления поездами. Рассматриваемая в работе модель оптимизации управления движением поезда предусматривает выполнение графикового времени хода между отдельными пунктами и при этом обеспечивает минимум расхода энергии на тягу поезда. Получаемый за счет этого реальный эффект может достигать 3+5 % , что в целом по отрасли за год составит сумму около 0,5 млрд. руб. Для практической реализации такой оптимизации и получения значимого эффекта необходимо широкое применение на сети железных дорог РФ энергооптимальных режимов управления движением поездов. При 3 использовании математических методов оптимизации управления движением поездов требуется разработка и совершенствование алгоритмов их решения, автоматизация расчетов, разработка специальных программ для ЭВМ. Рассчитанные в результате траектории движения поезда должны быть экспериментально проверенными как в части возможности их реализации машинистами, так и в достижении экономии энергии, удобными в использовании машинистами в реальных поездках. Результаты энергооптимальных расчетов могут использоваться машинистами в виде энергооптимальных траекторий, приведенных на режимных картах, учитывающих особенности участков обращения поездов, характеристики поезда, а также условия пропуска поездопотоков.

Современные тенденции и практика развития локомотивостроения направлены на автоматизацию управления движением поездов. Достаточно широкое распространение получило использование в грузовом и пассажирском движении систем "автомашинистов". В этом случае максимальный эффект достигается при использовании энергооптимальных программ в бортовых системах автоведения, когда расчет и реализация энергооптимальных траекторий осуществляется в реальном времени в зависимости от постоянно меняющейся поездной обстановки с учетом постоянных и временных ограничений скорости, сигналов светофоров, условий проезда каждого конкретного участка, а также множества других факторов. Обеспечение такой возможности органического объединения основных расчетных модулей с другими подсистемами требует сочетания универсальности, низких требований к аппаратной части реализации с высоким быстродействием.

Таким образом, очерчивается круг задач по совершенствованию методов решения, алгоритмизации, автоматизации и разработке комплекса программ, направленных на достижение одной из самых актуальных для железнодорожного транспорта цели - экономии топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов.

Целью диссертационной работы является разработка эффективного метода расчета энергооптимальных траекторий движения поезда, его численной реализации в виде программного комплекса промышленного типа с детальной экспериментальной проверкой и разработкой методики практического использования.

Для достижения поставленной цели в работе:

• разработаны теоретическое обоснование основного алгоритма оптимизации и его конкретизация применительно к эффективной численной реализации для ЭВМ;

• разработаны программный комплекс промышленного типа ПК ERG для получения энергооптимальных траекторий движения поезда и методика его практического использования;

• разработан алгоритм подбора позиций контроллера для реализации энергооптимальных траекторий движения поезда;

• разработана методика опытной проверки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда;

• исследована эффективность использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда в ходе сравнительных опытных поездок на участках постоянного и переменного тока сети железных дорог РФ;

• выполнен анализ практического использования на сети железных дорог РФ программного комплекса ПК ERG и его модификаций применительно к бортовым системам автоведения (УСАВПП, УСАВПГ, ИСАВП-РТ) и к автоматизированной системе нормирования, анализа и контроля расходованием топливно-энергетических ресурсов на тягу поездов (АРМТ).

Диссертация содержит 6 глав.

В первой главе сформулирована общая оптимизационная задача, проведен анализ известных методов и обоснована необходимость разработки эффективного метода расчета энергооптимальных траекторий движения поезда, его численной реализации в виде программного комплекса промышленного типа и методики практического использования.

Во второй главе представлены математическая формулировка задачи оптимального управления, теоретическое обоснование и описание основного алгоритма, его конкретизация применительно к эффективной численной реализации для ЭВМ, блок-схемы, описание мероприятий по повышению эффективности.

В третьей главе представлены алгоритмы аппроксимации дискретных тяговых характеристик непрерывными функциями, непрерывного управления с помощью дискретных тяговых позиций и обоснована возможность использования на практике принятой в работе последовательности этапов решения задачи без существенных потерь точности.

В четвертой главе представлены результаты опытной проверки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда на участках постоянного и переменного тока сети железных дорог РФ.

В пятой главе представлена методика практического использования ПК ERG, включая технические аспекты пользовательского интерфейса и порядка работы на уровне конечного пользователя.

В шестой главе представлены данные по практическому использованию на сети железных дорог РФ программного комплекса ПК ERG и его модификаций применительно к бортовым системам автоведения и к автоматизированной системе нормирования. ;

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

В приложении представлен фрагмент документа ОАО; "РЖД" №Цтех-П16/с от 31.08.2006 за подписью Начальника ЦТех Н.Г. Щабалина "Об эффективности использования за 6 месяцев 2006г. технических средств, внедренных по Программ! ресурсосбережения 2004-2005 годов".

Основные результаты и выводы диссертации:

1. Разработан метод решения задачи расчета энергооптимальной траектории движения поезда при заданных времени хода, плане и профиле пути, характеристиках локомотива и состава поезда, ограничениях скорости, включающий базовые алгоритмы, численную и программную реализацию их для ЭВМ, обеспечивающие расчет энергооптимальных траекторий на протяженных участках в реальном масштабе времени.

2. На основе результатов решения задачи расчета энергооптимальных траекторий движения разработан промышленный программный продукт ПК ERG с развитым интерфейсом пользователя, возможностью развития и модификации, достигаемой за счет использования объектно-ориентированного подхода к организации программного обеспечения, а также высокого уровня структурированности и инкапсуляции составляющих модулей.

3. Разработана методика опытной проверки эффективности использования рассчитанных с помощью ПК ERG энергооптимальных траекторий движения поезда. С помощью этой методики были выполнены сравнительные опытные поездки с динамометрическими вагонами-лабораториями и без них на участках постоянного и переменного тока Московской, Горьковской, Юго-Восточной, Октябрьской, Южно-Уральской, Западно-Сибирской и Забайкальской ж.д. В результате было подтверждено, что при ведении поездов по рекомендациям энергооптимальных расчетов, экономия энергии на тягу по сравнению с результатами лучших машинистов депо достигала 5+10%.

4. Разработаны модификации программы ПК ERG для использования в бортовых системах автоведения пассажирских и грузовых электровозов и в системе управления распределенной тягой ИСАВП-РТ, обеспечивающие энергооптимальное, адаптированное к условиям пропуска поездопотока, безопасное управление движением поезда.

5. Опыт использования бортовой программы ERG в системах автоведения пассажирских (УСАВПП) и грузовых (УСАВПГ, ИСАВП-РТ) поездов, когда расчет энергооптимальных траекторий осуществляется в реальном времени многократно в связи с постоянно меняющейся поездной обстановкой, показал ее надежность и быстродействие в соответствии с требованиями, предъявляемыми к программному обеспечению бортовых систем реального времени. Согласно данным результатов обработки картриджей РПДА по реальным поездкам с системой автоведения экономия энергии на тягу составляет 5+16 %.

6. На основе ПК ERG разработан программный блок, используемый в автоматизированной системе АРМТ, обеспечивающей техническое нормирование расхода энергии на тягу.

7. Разработана методика расчета затрат энергии поездом при выполнении предупреждений об ограничении скорости.

8. В соответствии с Программами ресурсосбережения 2000-2006 годов на сети железных дорог Российской Федерации:

• аппаратно-программный комплекс для расчета энергооптимальных траекторий движения грузовых поездов внедрен в 142 локомотивных депо;

• системами автоведения пассажирских и грузовых поездов с бортовой версией ПК ERG оборудованы свыше 2тыс. электровозов;

• 60 комплексов автоматизированной системы АРМТ, в состав которой входит расчетный модуль ПК ERG, поставлены в различные локомотивные депо.

Это подтверждает эффективность и востребованность выполненных разработок.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Абдуллаев Н.Д., Петров Ю.П. Теория и методы проектирования оптимальных регуляторов. //Энергоатомиздат: М. 1985. С. 240.

2. Аснис И.А., Дмитрук А.В., Осмоловский Н.П. Решение с помощью принципа максимума задачи об энергетически оптимальном управлении движением поезда. //Журнал вычислительной математики и математической физики. М. 1965. №3. С. 12-23.

3. Баранов Л.А., Головичер Я.М., Эпштейн Г.Я. Расчет экономичных режимов управления поездом в микропроцессорных системах автоведения. //Вестник ВНИИЖТ. 1984. №6. С.12-17.

4. Баранов Л.А.,Головичер Я.М.,Ерофеев Е.В.,Максимов

5. B.М. Микропроцессорные системы автоведения электроподвижного состава. //Транспорт: М. 1990. С. 272.

6. Беллман Р., Дрейфус С. Прикладные задачи динамического программирования. //Наука: М. 1965. С. 450.

7. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. //Наука: М. 1974. С.504.

8. Болтянский В.Г. Оптимальное управление. //Наука: М. 1972. С.287.

9. Головичер Я.М. Энергетически оптимальный алгоритм управления для систем автоведения поезда. //Вестник ВНИИЖТ. 1982. №8. С. 18-22.

10. Головичер Я.М. Алгоритмы управления движением транспортных средств для систем автоведения. //Автоматика, телемеханика и связь. 1986. №11.1. C. 118-126.

11. Ю.Головичер Я.М. Аналитический метод расчета оптимального управления движением поезда. //Известия вузов. Сер. "Электромеханика". 1986. №3. С. 58-66.

12. Голуб Дж., Ван Лоун Ч. Матричные вычисления. // Мир: М. 1999. С. 548.

13. Горбачев А.Н. Методы расчета оптимальных программ веденияпоезда. //Автореферат дисс. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. Омск, 2000. С. 19.

14. И.Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. //Наука: М. 1971. С.1100.

15. М.Грунтов П.С., Кайзер А.П. Исследование математических методов управления движением грузовых поездов и совершенствование режимов их вождения в АСУ. //Проблемы централизации диспетчерского управления на железных дорогах. Гомель. 1985. С. 22-34.

16. Донской A.JL, Завьялов Е.Е. Системы автоведения и регистрации для электровозов пассажирского движения. //Железнодорожный транспорт. №9. 2005. С. 9-12.

17. Дроздов Н.М. Алгоритм оптимизации для нелинейных задач экономического планирования. //Сб. "Численные методы в задачах оптимального экономического планирования". ВНИИСИ. М. 1983. вып.1.

18. Дубовицкий А.Я., Милютин А.А. Необходимые условия слабого минимума в общей задаче оптимального управления. //Наука. М. 1971.

19. Дувалян С.В. Построение оптимальной кривой движения поезда. //Вестник ВНИИЖТ. 1968. №1. С. 9-12.

20. Ерофеев Е.В. Выбор оптимального режима ведения поезда на АЦВМ с применением метода динамического программирования.//Тр.МИИТ. 1967. Вып. 228. С. 16-30.

21. Ерофеев Е.В. Определение оптимального режима ведения движения поезда при заданном времени хода. //Вестник ВНИИЖТ. 1969. №1. С.54-57.

22. Ерофеев Е.В., Мостов И.С. Оптимизация программ движения поездов /Яр. МИИТ. 1977. Вып. 550. С. 121-125.

23. Ерофеев Е.В., Мостов И.С. Оптимизация программ движения поездов /Яр. МИИГ. 1977. Вып. 550. С. 121-125.

24. Илютович А.Е. Выбор вариации спуска в задаче оптимального управления со смешанными ограничениями. Декомпозиционный подход. Автоматика и телемеханика, №9,1989.

25. Илютович А.Е., Хмельницкий Е.З. Декомпозиционный метод выбора вариации спуска в задаче оптимального управления со смешанными ифазовыми ограничениями. //Сб. "Модели и методы оптимизации". ВНИИСИ. М. 1989. вып. 1.

26. Илютович А.Е., Левитин Е.С. Методы декомпозиции задач оптимального управления со смешанными регулярными ограничениями и со свободным правым концом траектории. //Препринт, ВНИИСИ. 1987. М.

27. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. //Наука: М. 1971. С. 576.

28. Костромин A.M. Расчёт оптимальных траекторий движения поезда методом локальных вариаций. //Тр. БелИИЖТ. 1975. №5. С. 23-28.

29. Костромин A.M. Оптимизация управления локомотивом. //Транспорт: М. 1979. С. 119.

30. Крылов И.А., Черноусько Ф.Л. О методе последовательных приближений для задач оптимального управления. //Журнал вычислительной математики и математической физики. 1962. т.2. №6.

31. Крылов И.А., Черноусько Ф.Л. Решение задач оптимального управления методом локальных вариаций. //Журнал вычислительной математики и математической физики. М. 1966. Вып. 6. №1. С. 46-49.

32. Кудрявцев Я.Б. Принцип максимума и оптимальное управление движением поезда. //Вестник ВНИИЖТ. 1977. №1. С.57-61.

33. Лисицын А.Л., Мушнштейн Л.А. Нестационарные режимы тяги. //Интекст: М. 2003. С. 343.

34. Максимов В.М. Выбор рациональных режимов электроподвижного состава. //Тр. МИИТ. 1968. №3. С.55-57.

35. Максимов В.М. Оптимальное управление при автоматическом ведении поезда метрополитена. //Тр. МИИТ. 1971. Вып.388. С.82-92.

36. Милютин А.А., Дубовицкий А .Я. Задачи на экстремум при наличии ограничений. //Журнал вычислительной математики и математической физики. М. 1965. №3. С. 12-23.

37. Митропольский Ю.А. Метод усреднения в нелинейной механике. //Наукова думка: Киев. 1971.

38. Моисеев Н.Н. Элементы теории оптимальных систем. //Наука: М. 1975. С. 528.

39. Моисеев Н.Н. Численные методы в теории оптимальных систем. //Наука: М. 1971. С. 424.

40. Мугинштейн JI.A., Пясик М.С., Аршавский А.В., Ефремов С.В., Я.Г. Проничев, Ткачев B.C. Автоматизированное ведение соединенного грузового поезда по радиоканалу. //Железнодорожный транспорт. 2005. №9. С. 13-15.

41. Мугинштейн Л.А., Школьников Е.Н., Андреев А.В., Виноградова Т.В., Виноградов С.А. Программный комплекс для анализа и нормирования расходов энергоресурсов. //Железнодорожный транспорт. 2005. №9. С. 32-36.

42. Нехаев В.А. Оптимизация режимов ведения поезда с учетом критериев безопасности движения ( методы и алгоритмы). //Автореферат дисс. на соискание уч. ст. д-ра техн. наук: Омск. 1999. С. 38.

43. Петров Ю.П. Оптимальное управление движением транспортных средств. //Энергия: М. 1969. С. 96.

44. Петров Ю.П. Вариационные методы теории оптимального управления. //Энергия: М. 1977. С. 280.

45. Понтрягин JI.C., Болтянский В.Г., Гамкрелидзе Р.В., Мищенко Е.Ф. Математическая теория оптимальных процессов. //Наука: М. 1969. С384.

46. Почаевец Э.С. Исследование оптимальных тяговых режимов электроподвижного состава. //Тр. МИИТ. 1967. Вып.282. С. 152-64.

47. Почаевец Э.С. К вопросу оптимального управления движением поездов. //Тр. МИИТ. 1967. Вып.250. С 137-149.

48. Садовский Л.Е., Пакман Е.М., Пакман А.И. О поиске оптимального режима езды электроподвижного состава. //Тр. МИИТ. 1970. Вып. 310. С. 29-41.

49. Сидельников В.М. Выбор оптимального режима управления локомотивом с использованием ЭЦВМ. //Вестник ВНИИЖТ. 1965. №2. С. 52-48.

50. Розенфельд В.Е., Палей Д.А. Аналитический метод проведения на ЭЦВМ тягового расчета при заданном времени хода и минимальном расходе электроэнергии. //Вестник ВНИИЖТ. 1974. №1. С. 10-15.

51. Розоноэр Л.И. Принцип максимума Л.С.Понтрягина в теории оптимальных систем, I. //Автоматика и Телемеханика. 1959. №10. С. 1320-1334.

52. Розоноэр Л.И. Принцип максимума Л.С.Понтрягина в теории оптимальных систем, II. //Автоматика и Телемеханика. 1959. №11. С. 1441-1458.

53. Розоноэр Л.И. Принцип максимума Л.С.Понтрягина в теории оптимальных систем, III. //Автоматика и Телемеханика. 1959. №12. С. 1561-1578.

54. Ahlberg Н., Nielson Е., Walsh J. The theory of splines and their applications. //Academic Press: NY. 1967.

55. Carl de Boor. A practical guide to splines. //Springer: NY. 2001. PP. 368.

56. Ckyva L. Teori antatickeho rizeni. //Bratislava. 1983. C. 203.

57. Dormand J.R., Prince P.J. A family of embedded Runge-Kutta formulae. //J. Сотр. Appl. Math. 1980. №6. PP. 19-26.

58. Dormand J.R., Prince P.J. Runge-Kutta triples. //Сотр. & Maths, with Appls. 1986. №12A. PP. 1007-1017.

59. Sage A., White C. Optimum system control. //Prentice-Hall: Englewood Cliffs. New Jersey. 1982.

60. Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery. Numerical Recipes in С : The Art of Scientific Computing. //William H. Press: 1992. PP. 106-127.