Luận án điều khiển tối ưu năng lượng đoàn tàu - Nghiên cứu tại tuyến Hà Nội – Lào Cai

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.

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.