Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения нормативного расхода энергоресурса на поездку пригородного мотор-вагонного поезда

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к информационным системам определения и нормирования расхода топливно-энергетических ресурсов на поездку пригородного мотор-вагонного поезда (ПМП) и может найти применение для контроля энергетической эффективности пригородного движения поездов, анализа причин перерасхода энергоресурса на мотор-вагонную тягу, выработки рекомендаций по снижению энергоемкости пригородного движения поездов, в частности, рекомендаций по приведению составности мотор-вагонного поезда к объему пассажиропотока и повышению эффективности регулирования микроклимата в салонах ПМП.

Известен способ контроля энергетической эффективности локомотива грузового поезда, в котором при определении расхода энергоресурсов учитывается эквивалентный уклон участка с поправкой на потери энергии на вредных спусках - (Патент RU №2731401, МПК: B60L 9/00, опубл. 02.09.2020 г. бюл. №25) - аналог.

В известном решении для повышения точности расчета расхода энергоресурса на поездку за счет учета зависимости КПД от касательной мощности дополнительно определяют значение этой мощности по формуле:

где Р - сцепная масса локомотива,

- основное удельное сопротивление движению локомотива,

Q - масса состава,

- основное удельное сопротивление движению состава.

Способ, примененный в известном решении, предусматривает использование при расчетах заранее известного значения массы локомотива и массы состава поезда.

Недостатками данного способа по отношению к ПМП является отсутствие порядка уточнения массы поезда, и отсутствие учета расхода на поддержание микроклимата.

Известен способ оценки массы транспортного средства, основанный на измерении напряженности магнитного поля, создаваемого тяговым двигателем постоянного тока транспортного средства, с помощью феррозонда - (патент RU №2620898, МПК: G01G 19/04, опубл 30.05 2017 г, бюл. №16) - аналог.

Среди недостатков данного способа можно выделить следующие:

- подготовка устройства к работе заключается в тарировании шкалы измерительного прибора (миллиамперметра) в единицах массы, что фактически невозможно выполнить для эксплуатирующихся серий пригородного мотор-вагонного поезда (ПМП);

- требование обеспечить постоянный режим работы двигателя ПМП и, следовательно, постоянную и определенную скорость без резких рывков и торможений - это возможно на крайне ограниченном числе участков пути между остановочными пунктами;

- использование только в транспортных средствах тяговых электродвигателей постоянного тока без импульсного регулирования скорости - на современных ПМП используются асинхронные тяговые электродвигатели,

- требование фиксации результатов измерения помощником машиниста - что невозможно без его отвлечения от служебных обязанностей.

Известен способ взвешивания железнодорожных составов на ходу (патент SU 1059445 А1, МПК: G01G 19/04, опубл. 07.12.1983 г.) - аналог. В известном решении вес состава определяют с учетом измерения скорости состава в режиме выбега на участке с известным профилем. Недостатками указанного способа является:

- использование справочных коэффициентов, учитывающих удельное сопротивление движению, создаваемого токоприемниками, деформацию пути, для определения которых требуется проведение специальных испытаний;

- необходимость установки на поезд индуктора, а вдоль пути - шлейфа со скрещениями, что требует дополнительных капитальных затрат.

Известен способ и система для усовершенствования техники вождения поездов и снижения расхода топлива, в котором вычисление массы поезда с тягой локомотивом основано на измерении параметров движения поезда в зависимости от параметров регулирования мощности локомотивного состава (патент RU №2409484, МПК: B60b 15/32, опубл. 20.01.2011 г., бюл. №2) - аналог.

Известному решению присущи следующие недостатки:

- при расчетах не учитывается значение КПД локомотива, за счет этого требуемый при определении массы согласно тяговым расчетам переход от фактического расхода ресурса к механической работе не осуществляется, что повышает погрешность результата;

- при расчетах массы для локомотива, являющегося электровозом, не учитывается расход ресурса на собственные нужды, входящий в общее количество израсходованного ресурса в режимах движения, используемое в известном решении, для корректности расчета расход ресурса на собственные нужды должен вычитаться из общего количества израсходованного ресурса;

- в патенте уточняется масса поезда в конкретной поездке, которая в процессе поездки поезда с локомотивом изменяться не может, в то время как у ПМП изменение массы в поездке может достигать 20%, т.е. в патенте (RU 2409484 С2) рассматривается задача уточнения массы в пределах постоянного значения, но не оговаривается возможность использования при уточнения изменяющейся в процессе поездки массы.

При расчетах в патенте (RU 2409484 С2) не учитывается расход ресурса на поддержание микроклимата, входящий для ПМП в общее количество израсходованного ресурса в режимах движения, расход ресурса на поддержание микроклимата для корректности расчета массы ПМП должен вычитаться из общего количества израсходованного ресурса, т.к. на ПМП отсутствуют раздельные приборы учета расхода энергоресурса на тягу и на поддержание микроклимата что не позволяет применять данный способ для ПМП.

Известны система и способ для оптимизации работы поезда с учетом параметров вагона в отношении оценивания массы поезда предлагается использовать фильтр Калмана и рекурсивный метод наименьших квадратов для выявления ошибок, при этом первоначально для исходного значения массы вагона требуется иметь либо бортовой датчик на вагоне либо динамометр, расположенный на пути, что для ПМП из-за отсутствия проследования в эксплуатации как сортировочных станций так и подъездных путей - не применимо (патент RU 2605648, МПК: B61b 27/00, опубл. 27.12.2016 г. бюл. №36) - аналог.

Известное решение предназначено для грузовых вагонов и требует первоначальной загрузки в базу данных персоналом станции списка вагонов в поезде, при этом вагон не должен являться локомотивом, т.е. самодвижущимся или по-другому моторным, что не позволяет применять данный способ для ПМП, включающем как прицепные, так и моторные вагоны.

Известно устройство регистрации количества пассажиров, в котором предлагается учитывать количество пассажиров в пригородных электропоездах путем измерения неподрессоренной части вагонов за счет определения расстояния от датчика до отражающей пластины, расположенных под днищем вагона (патент RU 103953, МПК: G07C 9/00, опубл. 27.04.2011, бюл. 312) - аналог.

Недостатками данного решения являются:

- необходимость установки на пригородный электропоезд ряда дополнительных датчиков и сигнализаторов, что требует дополнительных капитальных затрат;

необходимость перед началом использования тарировки предлагаемого устройства путем изменения населенности и ее определения внешними устройствами, что невозможно в эксплуатации, а при отстое пригородного электропоезда требует дополнительных трудозатрат и ресурсов;

- необходимость в процессе эксплуатации регулировки изначально установленного оптимального расстояния между датчиком и пластиной, что связано с производимыми при техническом обслуживании и текущих ремонтах пригородного электропоезда работах под днищем вагонов и демонтажом и, при необходимости, заменой ряда узлов, установленных под днищем;

- при использовании устройства не определяется само значение массы пригородного электропоезда.

Таким образом, известные способы уточнения массы и определения расчетного расхода энергоресурса на поездку не позволяют решить важные для практики задачи определения энергетической эффективности пригородного движения, осуществляемого мотор-вагонным подвижным составом, а значит выявить неэффективно составленные расписания и использование несоответствующих условиям эксплуатации на конкретных участках серий и составное™ пригородного мотор-вагонного подвижного состава.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является повышение точности и достоверности определения удельного норма-расхода энергоресурса для пригородного участка, обслуживаемого мотор-вагонным подвижным составом (ПМП) и выявления факторов, влияющих на неэффективное энергопотребление при осуществлении пригородных перевозок.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения нормативного расхода энергоресурса на поездку пригородного мотор-вагонного поезда измеряют фактический расход энергоресурса на разгон после каждой остановки, скорость в конце разгона, время разгона и температуру атмосферного воздуха, на основании которых, с использованием сведений о пригородном поезде и данных о фактическом расходе энергоресурса на разгон после каждой остановки за вычетом расчетных составляющих расхода на собственные нужды и на соблюдение микроклимата, определяют количество совершенной механической работы на разгон и текущее значение массы пригородного мотор-вагонного поезда, значения массы определяют дискретно в процессе каждого разгона, после чего усредняют их и определяют расчетный нормативный расход энергоресурса на поездку на основе усредненного значения массы пригородного мотор-вагонного поезда Q_пмп, а расчетный расход энергоресурса на соблюдение микроклимата определяют с учетом текущих значений температуры атмосферного воздуха и коэффициентов влияния температуры на расход, полученных с использованием данных статистической обработки данных об изменении средних значений удельного расхода от температуры в поездках за предыдущий период, после чего осуществляют сравнение фактического и расчетного нормативного значений расхода энергоресурса на поездку.

Способ, характеризующийся тем, что усредненное значение массы пригородного мотор-вагонного поезда Q_пмп и расчетный нормативный расход энергоресурса на соблюдение микроклимата Е_мкi могут определять, например, с использованием следующих выражений:

где Е_ф - фактический расход энергоресурса за время разгона;

Е_сн - расчетный расход энергоресурса за время разгона на собственные нужды;

Е_мк - расчетный расход энергоресурса за время разгона на поддержание микроклимата;

- среднее значение КПД за время разгона;

v - скорость окончания разгона;

ω - основное удельное сопротивление движению;

L - длина участка разгона;

1+γ - коэффициент инерции вращающихся масс,

Е_мкi=(τ_i ⋅ (а ⋅ τ_i+b)+b²/(4 ⋅ а))

где τ_i - температура атмосферного воздуха при i-м разгоне;

a, b - коэффициенты полученной заранее (квадратичной) статистической зависимости расхода энергоресурса от температуры на расчетном участке для серии пригородного мотор-вагонного поезда по данным предыдущего периода.

В существующих информационно-аналитических системах, связанных с определением расхода энергоресурса на тягу пригородного мотор-вагонного поезда, населенность вагонов из-за отсутствия данных о количестве пассажиров не учитывается, принимаются к расчету только два крайних состояния - без пассажиров (для специальных категорий поездов, связанных с поездками от и к депо соответственно от и до места посадки и высадки пассажиров) и с номинальным заполнением (для всех остальных категорий поездов). Между тем населенность ПМП довольно широко варьируется во времени, что связано как с суточной (часы пик), так и недельной неравномерностью пассажиропотока. Также на это оказывают влияние отмены поездов и внештатные ситуации, когда в ПМП осуществляют посадку и высадку максимально возможное количество пассажиров, превышающее номинальное заполнение.

При этом влияние изменения массы ПМП за счет изменения его населенности (15-20% от собственной массы ПМП) на расход энергоресурса при тяге составляет в среднем около 0,15% расхода на 1% изменения массы. Соответственно для всего диапазона изменения населенности расход энергоресурса будет меняться на 2,25-3%. Это является одной из причин, по которой применение специальных устройств и приспособлений для уточнения населенности ПМП экономически не оправдано и в практике не встречается. Между тем при расчете нормативов расхода энергоресурса значимой является погрешность более 1%, соответственно при расчетах актуально введение не менее 3-х градаций по населенности ПМП.

Важной особенностью ПМП является одновременный учет в фактическом расходе энергоресурса и составляющей на тягу, и составляющей на поддержание микроклимата в салонах (отопление при низких температурах и кондиционирование при высоких температурах), с помощью единого прибора учета расхода. Это требует при расчете контрольного значения расхода энергоресурса также одновременного определения двух указанных составляющих.

Заявляемое решение применимо, в частности, для определения машинистов и ПМП, перерасходующих энергоресурс, выявления эффективности составления пригородного расписания, эффективности использования ПМП заданной составности на заданном пригородном участке за счет индивидуального расчета расхода энергоресурса на каждый отдельно взятый пригородный поезд, проследовавший под определенным номером.

При реализации заявляемого решения используют, например, автоматизированные информационные системы для сбора и обработки информации из маршрутов машиниста, включающей набор сведений о пригородном поезде, таких как участок движения, серия и составность ПМП, фактический расход энергоресурса, зафиксированный бортовыми средствами учета, а также информации от штатных бортовых комплексов ПМП, включающей набор сведений о скорости движения и пройденном пути, температуре атмосферного воздуха.

Предлагаемый способ расчета расхода энергоресурса на пригородный поезд заключается в такой обработке данных по скорости, пройденному пути и фактическому расходу энергоресурса, при которой для каждого разгона ПМП после остановки для посадки и высадки пассажиров с помощью с использованием количества совершенной механической работы на разгон определяют текущее значение массы ПМП, причем одним из обязательных, для достижения заявленного технического результата, составляющих при определении совершенной механической работы является разность фактического расхода энергоресурса и расчетных значений расхода на соблюдение микроклимата и на собственные нужды, а другим - усредненное значение КПД в режиме разгона, определяемое с использованием зависимости КПД от скорости, предварительно определенной (вычисленной) для данной серии ПМП на основе паспортных тяговой и токовой характеристик, причем расчет массы осуществляется для нескольких моментов времени в процессе разгона, а полученные значения массы усредняются, и усредненное значение массы используют для расчета нормативного расхода энергоресурса.

При этом вместо номинального КПД используются усредненное за время разгона КПД, определяемое с учетом зависимости КПД от скорости, предварительно вычисленной для данной серии ПМП на основе паспортных тяговой и токовой характеристик.

При определении расхода энергоресурса на соблюдение микроклимата целесообразно использовать текущие значения температуры атмосферного воздуха и коэффициент влияния температуры на расход, полученный статистической обработкой данных об изменении средних значений удельного расхода от температуры в поездках за предыдущий период, с разбивкой статистических данных по участкам обращения поездов и сериям пригородного мотор-вагонного подвижного состава.

Преимущества заявляемого способа, по сравнению с известными из уровня техники, заключаются в том, что за счет предлагаемого порядка определения массы без установки дополнительных устройств как на самом ПМП, так и на железнодорожном пути, с достаточной для целей контроля энергетической эффективности достоверностью определяется расчетный нормативный расход (норма-расход), учитывающий изменение населенности ПМП в процессе движения с определенным номером поезда (при имеющейся практике для расчета нормативов используется постоянное значение массы, соответствующее номинальной населенности).

Определение затрат энергоресурса на совершение полезной работы, как например в способе определения непроизводительных потерь электроэнергии электроподвижным составом при нагоне графикового времени с использованием бортовых информационно-измерительных комплексов согласно патенту RU 2591558 C1 обычно производится путем сравнения фактического расхода энергоресурса с базовым значением расхода, определенного как среднее для аналогичных поездок в предшествующий период времени.

Предлагаемый способ предусматривает с использованием информации о проследовавшем пригородном поезде из маршрута машиниста определение расчетного расхода энергоресурса на основе значения массы ПМП, определяемой, например, по общей формуле:

где Е_ф - фактический расход энергоресурса за время разгона;

E_cн - расчетный расход энергоресурса за время разгона на собственные нужды;

Е_мк - расчетный расход энергоресурса за время разгона на поддержание микроклимата;

- среднее значение КПД за время разгона;

v - скорость окончания разгона;

ω - основное удельное сопротивление движению;

L - длина участка разгона;

1+γ - коэффициент инерции вращающихся масс.

Определение расчетного расхода энергоресурса за время разгона на поддержание микроклимата может определяться, например, по формуле:

i

где T_i - температура атмосферного воздуха при i-м разгоне;

а, b - коэффициенты полученной заранее статистической зависимости расхода энергоресурса от температуры на расчетном участке для серии ПМП по данным предыдущего периода:

Массу Q_пмп определяют из выражения (1), средняя скорость v_т известна из расписания, удельное сопротивление ω - функция скорости.

Исходные данные, необходимые для определения величин, фигурирующих в формулах (1)-(3), принимают по информации о поездке из маршрута машиниста, а также по справочным данным из Правил тягового расчета и характеристикам расчетного участка.