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

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:125

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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: Ký STT Đơn vị Ý nghĩa hiệu 1 F N Lực kéo đầu máy 2 BT N Lực hãm đoàn tàu 3 P t(Tấn) Trọng lượng đầu máy 4 Q t(Tấn) Tổng trọng lượng các toa xe 5 0 (v) N/kN Lực cản chính đơn vị của đoàn tàu. Được tính quy đổi từ lực cản do ma sát trên một đơn vị trọng lượng đoàn tàu 6 d ( s) N/kN Lực cản phụ đơn vị của đoàn tàu. Được tính quy đổi do lực cản phụ thuộc vào độ dốc và bán kính đường cong của đường sắt trên một đơn vị trọng lượng đoàn tàu 7 v m/s Vận tốc chuyển động của đoàn tàu 8 s m Quãng đường chuyển động của đoàn tàu 9 ɛ 10 γ Hệ số quán tính của đoàn tàu 11 h Hệ số chuyển đơn vị tính với các đại lượng không phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế. 12 I A Dòng điện kéo 13 U V Điện áp 14 Tc giây(s) Thời gian chạy tàu trên một khu gian 15 Ae J (kg.m2/s2) Công thực hiện để kéo đoàn tàu trên một quãng đường 16 λ Hệ số không xác định Lagrange
x Ký STT Đơn vị Ý nghĩa hiệu 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) N Lực cản phụ 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 0 28 ij /00 Độ dốc của tuyến đường Các chữ viết tắt: STT Chữ viết tắt Diễn giải nội dung 1 TCĐSVN Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam 2 LK Chế độ lực kéo lớn nhất 3 QT Chế độ chạy đà 4 C Chế độ ổn tốc 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
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.