综述

• 全SiC MOSFET器件在轨道交通变流装置中的应用研究

  徐绍龙;胡云卿;窦泽春;李华;彭程;万伟伟;

  在全球气候变化与能源结构转型的背景下，轨道交通系统低碳化发展已成为国家战略核心议题。我国《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》等政策明确要求轨道交通装备向电气化、智能化升级，而全SiC MOSFET器件凭借其优异性能成为突破能效瓶颈的关键技术。文章系统分析了SiC器件在轨道交通牵引及辅助变流系统中的应用优势与挑战。相较于传统Si IGBT,SiC器件通过导通压降降低、高频及耐高温特性，显著提升系统能效并实现装置轻量化。国内深圳地铁等项目验证了SiC系统在谐波抑制、动态响应优化及热管理简化方面的综合效益。然而，SiC器件的高温兼容性、驱动设计、电磁干扰及绝缘老化等问题仍需突破。文章可为国家轨道交通绿色发展战略提供技术路径与工程化参考。

  2025年03期 No.304 1-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 1675K]
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• 氢能源动力轨道车辆氢泄漏安全防控技术分析

  王中钢;樊运新;陈卓;江大发;郭冰彬;袁可;

  氢能源动力轨道车辆的涉氢系统安全是新能源轨道交通车辆的核心关切。文章采用归纳分析方法，系统梳理了国内外氢能源动力轨道车辆的发展现状、车载氢气泄漏和安全防控方面的研究进展，分析了当前轨道车辆涉氢系统氢气泄漏常见故障模式、成因、过程机理，阐述了轨道交通氢泄漏的扩散特性，围绕关键技术研究、典型场景防控、标准规范制定、主被动安全体系建设展开思考。分析表明，电气化铁路、隧道、车站、加氢站及车库等复杂铁路场景中氢泄漏和燃爆防控等仍是未来的主要挑战。持续发展轨道车辆车载安全储用氢技术、强化监测、维保和应急响应机制，构建铁路氢安全防控技术体系，是保障氢能源轨道列车安全和加速推进氢能轨道交通发展的关键。

  2025年03期 No.304 11-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 1669K]
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混合动力系统

• 内电混合动力机车能量最优调度与控制策略研究

  胡云卿;黄强;陈志博;李学明;蒋奉兵;何良;

  针对纯内燃机车能耗高、环境污染大的问题，文章以内电混合动力机车为研究对象，分析研究以柴油发电机为主、动力电池为辅的混合动力系统，以提升系统能量管理的效能。首先，文章分析了系统的拓扑架构和工作原理，结合柴油发电机和动力电池的外特性建立了相应的工作模型；其次，设计出能够满足最大化电池使用寿命、机车运行燃油经济性和需求功率匹配性的最优能量调度算法，将电池的荷电状态（SOC）视为状态转移变量，转换为最优控制模型进行求解，进而得到各动力源的最优输出功率，为确保输出功率执行的实时性和平滑性，提出了动力源能量变换器的统一控制策略；最后，通过搭建混合动力机车半实物仿真平台，开展不同场景的仿真试验，验证本文所提方法能有效兼顾机车运行的燃油经济性、动态响应的实时性和平稳性，相比于传统规则方法其节能指标提升7.84%，区间运行时间缩短4.07%。

  2025年03期 No.304 22-31页 [查看摘要][在线阅读][下载 2148K]
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• 电池动力机车系统开发与实证研究

  江康睿;田忠北;刘贝;王磊;HILLMANSEN Stuart;

  新能源动力机车技术是构建绿色低碳交通体系、支撑国家“双碳”目标实现的重要举措。针对现有电气化线路改造存在成本高昂和区域适应性不足的问题，发展新型低碳轨道交通补充方案成为重要研究方向。文章通过研究英国Stapleford微型铁路上基于同一架构不同供能模式的两台机车，开展了对比测试，系统评估分析了“电池-超级电容”“氢燃料电池-电池”两种混合动力供能模式机车的各项运行性能参数与经济性指标。试验数据表明，电池动力系统的总成本和运行能耗分别为氢燃料电池系统的22%与47%，但受限于现有电池能量密度的限制，其续航里程仅为氢燃料电池系统的一半。因此，当前电池动力机车更适用于中短途低密度运输场景，通过优化电池材料与能量管理技术，可显著提升其商业化应用潜力。该研究涵盖了整车设计、系统集成与试验验证的全流程开发，验证了电池动力机车实际应用的可行性，为后续技术的迭代提出了能量管理优化、热管理优化等具体发展方向。

  2025年03期 No.304 32-39页 [查看摘要][在线阅读][下载 1592K]
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多源能源

• 氢能轨道车辆氢泄漏压力检测方法研究

  姚璐峤;李建威;

  氢能轨道车辆的氢安全监测是保障其安全运行的关键环节。针对现有氢气泄漏压力检测法在实时性和准确性方面的不足，文章提出了一种基于激光可视化技术与机器学习相结合的智能检测方法。通过建立氢泄漏压力与激光束轮廓变形量之间的定量关系，利用图像处理技术提取激光光斑的几何参数特征，构建了基于神经网络的预测模型。试验结果表明，优化后的神经网络模型（2-16-1拓扑结构）具有优异的预测性能，其决定系数R~2达到0.988，均方根误差RMSE为0.004 6。该方法实现了氢泄漏压力的非接触式高精度检测，为氢能轨道车辆氢泄漏提供了一种新型的智能监测方案，对提升轨道交通氢安全水平具有重要的工程应用价值。

  2025年03期 No.304 40-47页 [查看摘要][在线阅读][下载 1764K]
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• 基于异常特征自适应增强方法的锂离子电池故障诊断研究

  蔡泽阳;张良;杨世春;王金明;闫啸宇;

  在交通运输领域，电池管理系统对保障大容量锂离子电池安全性和稳定性具有至关重要的作用。电池安全预警是电池管理系统（BMS）的核心功能之一，传统的电池安全预警算法主要基于直接参数检测方法实现，但由于早期故障电池的电压、电流、温度信号变化不明显，因此该方法预警时间短、误报率高。为解决该问题，文章首先针对动力电池系统的风险预警提出安全熵的概念，以此量化评估其安全风险；然后基于安全熵构建了融合电池系统故障动态权重的动力电池系统安全预警算法，与传统方法相比，该方法能够实现电池系统风险的早期量化评估；最后使用新能源汽车历史事故数据以及新能源汽车-充电桩协同数据进行了算法有效性验证，验证结果表明该算法能够有效识别电池安全风险，并实现提前7天发出风险预警。文章提出的安全熵模型及自适应动态权重机制也可为轨道交通车辆的大容量锂离子电池系统安全监控提供新的方案，提升早期风险预警能力。

  2025年03期 No.304 48-55页 [查看摘要][在线阅读][下载 1423K]
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• 轨道交通磷酸铁锂电池可变参数模型的性能研究

  廖宁滨;杜超;杨嘉宇;李昕放;曾嘉博;蒋奉兵;

  锂电池内部存在复杂的多物理场耦合过程，对其进行高精度建模可以精确描述电池动态特性，从而预测电池状态性能与劣化趋势。磷酸铁锂电池以其高安全性、循环周期长等优势成为轨道交通领域的主型电池。文章首先在二阶阻容等效电路模型的基础上提出了改进可变阻容参数模型，该模型能够根据电池荷电状态（state of charge, SOC）与电流值改变模型的主要参数从而影响模型输出；其次通过对锂电池进行恒流充放电试验与脉冲功率特性试验，结合非线性最小二乘算法辨识出所需的模型参数并整理成表，进而采用曲面拟合工具与k近邻非参数插值算法对表格缺失值进行填补，使参数值能够适应不同SOC与电流大小的工作情况；然后对所提出的可变参数模型进行了性能验证，验证结果显示固定工况下的模型方均根误差（root mean squared error, RMSE）约为8 mV，在非固定工况下，k近邻插值模型的RMSE值约为曲面拟合变参数模型的20%；最后使用新能源机车实车数据对模型进行了精度测试，对比结果显示k近邻插值变参数模型的精度优于曲面拟合模型。本文的方法为磷酸铁锂动力电池二阶可变参数模型提供了新的建模思路。

  2025年03期 No.304 56-64页 [查看摘要][在线阅读][下载 1714K]
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• 新能源接入高速铁路牵引供电系统的多目标优化补偿策略

  李国俭;徐进;吴学刚;邱勇;杨汶坡;李新雨;

  随着新能源大规模接入电力系统，高速铁路牵引供电系统在运行中面临三相电流不平衡、负序电流增加以及电能质量下降等问题。为解决传统全补偿模式下铁路功率调节器(MRPC)容量受限导致的新能源接入受阻与电能质量恶化的矛盾，文章提出一种面向新能源接入的优化补偿控制策略。首先对新能源接入V/v牵引供电系统的功率流动特性及MRPC全补偿机理进行分析，明确了不同机车组合工况下MRPC容量约束对新能源消纳能力的影响；然后在此基础上，构建以新能源接入电流限制量ΔI与三相负序电流I_-为目标的优化补偿数学模型，将两相桥臂转移有功电流、两相牵引供电臂机车功率因数角及三相电流不平衡度作为关键决策变量，并引入多目标遗传算法NSGA-Ⅱ进行求解；最后通过半实物仿真试验验证了所提策略的有效性。结果表明，即使在最大不平衡工况下接入50 kW新能源，该方法仍能显著提升电能质量，将负序电流由37.5 A抑制至14.4 A。相比传统全补偿策略，优化补偿不仅能够更大程度消纳新能源，还能在MRPC容量受限的条件下保持系统的安全性和可靠性。研究创新性地将传统的全补偿范式转化为多目标优化补偿范式，揭示了新能源接入与电能质量改善之间的权衡关系，为新能源消纳与铁路电气化供电系统的协调运行提供了一种切实可行的新思路。

  2025年03期 No.304 65-73页 [查看摘要][在线阅读][下载 1990K]
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• 轨道交通车载动力电池电压异常预警方法研究

  陈祖航;林文彪;孙皓然;许凯文;

  针对轨道交通车载动力电池系统的电压异常预警问题，文章提出了一种基于多参数融合的电压一致性评估方法。通过在系统层面分析电池的电压特性，构建了包含平均电压、电压极差、电压均方差、电压变异系数以及电压变化极值等关键指标的评估体系，并建立了电压一致性评估模型。该模型能够对电池系统、电池支路和电池包三个层级的电压一致性进行量化评价，同时基于模型系数在不同电池单体间的对比分析，可实现异常电池单体的快速定位。文章提出的电压异常预警方法为轨道交通车载动力电池的安全稳定运行提供有力保障，具有重要的理论价值和工程指导意义。

  2025年03期 No.304 74-80页 [查看摘要][在线阅读][下载 1720K]
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能量融通

• 城轨牵引供电系统多功能双向变流装置及其控制方法

  窦泽春;王雄;尹维恒;谭宇;易韵岚;

  传统双向变流器是城轨牵引供电及再生制动能量利用的关键装备。如何设计一套兼容DC 1 500 V和DC 3 000 V双电压制式，且具备无功补偿、谐波治理及负序补偿多种功能的装置一直是行业技术难点，为此，文章提出一种多功能双向变流装置及其控制方法。首先分析了传统双向变流器在实际工况下面临的电压制式兼容性与电能质量问题；然后设计了一种新型多制式双向变流装置拓扑结构，并提出在与整流机组并联或单相交流制式混合应用场景下的无功补偿、谐波治理及负序补偿综合控制策略；最后通过建立系统仿真模型进行分析。结果表明，该方案能有效改善电能质量，验证了其技术可行性和工程应用价值。

  2025年03期 No.304 81-89页 [查看摘要][在线阅读][下载 2427K]
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• 铁路串并联混合型牵引供电需量控制系统研究

  仇乐兵;田哲;马伏军;王平;

  为降低电气化铁路最大需量、提升牵引供电系统能效，文章提出一种适用于分相区的串并联混合型最大需量优化控制系统。该系统基于多组相互独立的交直交变流器与单相变压器构建，具备显著降低有源装置容量配置需求、提高系统可靠性与经济性的优势。结合需量调节的实际应用场景及主要部件参数约束，推导了系统关键参数的设计方法，并提出装置级并网控制策略与系统级能量调度算法，以实现对牵引供电系统最大需量的快速精确控制。系统联调与仿真试验结果表明，所提的最大需量控制系统能有效实现牵引供电系统需量优化目标。

  2025年03期 No.304 90-96页 [查看摘要][在线阅读][下载 1821K]
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• 双向变流装置零序环流研究

  杨军;宋乾儒;陈广赞;成正林;王雄;易韵岚;

  多变流器交直流侧并联拓扑型双向变流装置通过采用载波错相控制可以显著增大装置容量，减小并网电流谐波，但同时也会带来零序环流问题。文章首先建立了并联拓扑型双向变流装置的零序环流等效数学模型，分析零序环流产生原因；然后针对零序环流高频部分，采用三相共模电抗器增加零序环流阻抗进行环流抑制；针对零序环流低频部分，在传统电压、电流双闭环控制策略基础上，增加零序环流闭环控制，将零序环流闭环输出加至原有调制波上进行低频零序环流抑制；最后完成了仿真和试验，结果表明，该方法可有效抑制双向变流装置并联模块间的零序环流。

  2025年03期 No.304 97-103页 [查看摘要][在线阅读][下载 2150K]
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• 某型出口机车双向储能变流器控制策略

  陈哲;吴兴超;袁芳;曾明高;

  双有源桥式（dual active bridge,DAB）变流器目前广泛应用于直流微网、燃料电池、电动汽车等领域，其具有功率密度高、能量双向流动、电气隔离、易于实现软开关等优点，但目前在轨道交通变流器领域应用较少。针对轨道交通领域高压大功率、模块化应用场景的特殊需求，文章创新性地设计了一种基于单移相控制的ISOP-DAB(input-series output-parallel,ISOP)双向储能变流器，将其应用于某型出口机车项目，能够实现动力电池与牵引直流母线之间的能量双向流动，并针对性地解决了ISOP-DAB的输入侧均压与输出侧均流的问题，系统性地分析了在此控制策略下，双向储能变流器的基本工作原理和功率传输特性。通过引入动态解耦控制算法，实现了输出电压稳定与模块均衡的双目标协同控制。最后，通过MATLAB搭建仿真模型进行仿真试验，并且完成了包含充放电切换、动态负载等实物整柜型式试验，验证了该控制策略的有效性与可行性，为轨道交通领域双向储能变流器的模块化设计提供了理论依据和工程实践参考。

  2025年03期 No.304 104-112页 [查看摘要][在线阅读][下载 2162K]
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高效牵引

• 碳化硅器件主动栅极驱动技术的思考与展望

  胡润晨;王嘉义;罗湘;李孟好;张建良;胡斯登;

  碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）凭借其优越性能，在高频、高温、高压、大电流工作条件下展现出显著优势，然而，其高开关速度使得开关瞬态过程极为短暂，容易引发超调、振荡以及电磁干扰等问题，从而制约了SiC MOSFET的进一步推广与应用。主动栅极驱动（AGD）技术作为一种先进的驱动方案，能够通过动态调整驱动参数，优化开关轨迹，从而显著改善SiC MOSFET的开关特性。文章围绕碳化硅器件，尤其是中压碳化硅器件应用中可能出现的问题展开讨论，结合现有的基于SiC MOSFET的AGD技术研究，从器件状态信息的采集与综合、多目标优化算法的运用、开关暂态轨迹的主动控制、AGD与主电路布局的协同优化4个方面探讨AGD技术对碳化硅器件推广应用的重要意义，并对未来研究方向提出展望。

  2025年03期 No.304 113-118页 [查看摘要][在线阅读][下载 1291K]
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• 轨道交通牵引级全碳化硅器件选型及应用研究

  陈燕平;李诚瞻;王忠宝;忻兰苑;翟龙;李华;

  中国中车基于平面栅技术推出了面向轨道交通等领域的3 300 V高压全碳化硅器件。为提升牵引系统性能，文章从芯片方案选型、关键工艺技术选择和器件封装技术选择，如低电感设计、高温可靠性与热设计等几方面进行了器件特性研究，并对器件进行了可靠性评估分析与面向轨道交通的装车应用研究。研究结果表明，器件达到市场主流产品性能；与IGBT器件相比具有明显的应用优势，可显著减小牵引变流器重量与体积，有效降低系统损耗，提升系统效率，降低电机温升与噪声。

  2025年03期 No.304 119-125页 [查看摘要][在线阅读][下载 1879K]
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• PCU器件在双层高速动车组的应用研究

  李华;罗荣争;胡云卿;彭程;刘杰;杨进锋;

  双层动车组由于其在运能、运营经济性等方面具备显著优点，成为国内外各大主机厂商研制与应用的热点方向。为满足适应我国高速双层动车组系统顶层技术指标要求，文章基于新一代功率器件PCU组件的高集成、智能化、高功率密度及方便应用特点，设计了一种适用于双层高速动车组的PCU牵引变流器，阐述了PCU的器件特性、PCU器件性能测试、PCU变流器的设计等，并通过试验验证了PCU器件及PCU变流器性能良好、运行可靠，满足总体设计和应用的要求。

  2025年03期 No.304 126-132页 [查看摘要][在线阅读][下载 1878K]
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高效传动控制

• 基于前馈间接定子量控制的牵引系统干扰电流抑制策略

  胡仙;陈科;袁科亮;王文韬;陈启会;

  轨道车辆运行过程中产生的干扰电流会对铁路沿线的轨道信号系统、通信设备造成干扰，严重时可能影响列车安全运营。为解决该问题，文章从中间直流侧能量波动出发，提出了一种基于前馈间接定子量控制的轨道干扰电流抑制策略，该策略针对中间直流侧噪声成分的波动进行快速转矩补偿调节，进而有效抑制了干扰电流，确保了干扰电流谐波不超过标准限值，满足了信号系统及轨旁设备复杂多样的要求。

  2025年03期 No.304 133-139页 [查看摘要][在线阅读][下载 2067K]
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• 电子机械制动系统控制策略研究

  常九健;张亚杰;王文龙;吴佳豪;

  针对轨道车辆电机械制动系统在工作过程中出现的制动抖动、振动现象，需要提高控制精度，并设计精准的控制算法，以实现夹紧力的精确控制。文章提出一种分阶段的全过程精确控制策略，将电机械制动运行过程划分为空走行程阶段、制动压力跃升跟踪阶段和间隙保持阶段。空走行程阶段采用目标转速为最大空转转速的转速-电流双闭环控制策略，以最短的转速响应时间完成夹钳的空走行程，并针对电流环控制，设计基于二次优化的模型预测控制，提高电流的瞬时跟踪效果；制动压力跃升跟踪阶段考虑电机负载转矩和制动力响应速度匹配，采用压力-电流双闭环控制策略，快速响应目标制动力的同时，保持制动力的稳定性，针对压力环控制，设计基于非线性PD前馈融合自抗扰控制策略，以提高制动力的跟踪性能和制动跟踪时的抗干扰能力；间隙保持阶段考虑制动压力和电机负载扭矩，采用位置-转速-电流三闭环控制策略，实现高精度的制动间隙控制。基于MATLAB/Simulink和d SPACE软件搭建仿真和试验平台验证所提出算法的正确性和合理性，结果表明提出的控制策略有效提高了制动力的控制精度和响应速度，表现出更优的鲁棒性。

  2025年03期 No.304 140-149页 [查看摘要][在线阅读][下载 1799K]
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• 基于载波移相控制的牵引传动系统共模电压抑制

  张颖;王晨帆;陈科;胡仙;侯招文;王文韬;

  为抑制牵引系统因逆变器PWM调制产生的共模电压，降低轴承电腐蚀风险以及EMC电磁干扰，文章提出一种基于动态载波移相的共模电压抑制策略。针对同一列车多逆变器共直流母线且无同步线的场景，以直流母线中点电压动态均值为参考，通过实时调节PWM载波周期，实现多逆变器间的动态移相控制，达成牵引系统直流侧共模电压相位抵消，实现对共模电压的大幅削弱，从而降低共模电压所带来的不利影响。半实物仿真以及大功率机车试验表明，该策略使共模电压峰值降低36%，波动幅值满足理论极限要求且无须增加硬件，兼容现有调制方案。

  2025年03期 No.304 150-156页 [查看摘要][在线阅读][下载 1953K]
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高效辅助供电

• 基于磁集成技术的大功率LLC变压器设计

  耿志东;窦泽春;周帅;易滔;毕浪;

  针对轨道车辆电源中LLC变压器数量多、体积重量大的问题，文章结合电路特性设计了双LLC变压器磁芯集成方案。通过引入公共解耦柱，实现励磁电感与漏感参数解耦调节，建立了新型集成磁芯结构；基于损耗最小化原则，对变压器铜箔绕组厚度进行优化设计，确定了磁芯材料、绕组结构等关键参数，并成功研制160 kW试验样机。测试结果表明，该集成变压器较传统分立式方案体积减小18.8%，重量降低33.4%，仿真与试验结果验证了设计方法的准确性与工程可行性。

  2025年03期 No.304 157-167页 [查看摘要][在线阅读][下载 2028K]
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• 基于DAB电路的双向充电机低压充电控制策略

  吴连贵;窦泽春;周帅;张小勇;周峰武;廖壬彪;

  基于双有源全桥的双向蓄电池充电机（dual active bridge bidireactional battery charger,DAB-BBC）是轨道列车实现应急牵引功能的关键设备，单移相（single-phase-shift,SPS）控制因为具有控制简单，可在线切换等优势在DAB-BBC电路中得到广泛应用。文章针对SPS控制下的DAB-BBC在蓄电池电压较低时因输出电容的纹波电流过大而无法低压充电的问题，提出了一次侧移相（primary-side-phase-shift, PSPS）的控制策略，并详细分析了PSPS控制下的双向充电机的工作模态、功率传输模型、软开关特性、输出电容纹波电流特性以及充电电压范围。仿真和试验表明，当蓄电池电压低于70 V时，文章提出的PSPS控制策略相比于传统的SPS控制策略，其输出电容的纹波电流降低超过50%，该控制策略能实现蓄电池的低压充电。

  2025年03期 No.304 168-174页 [查看摘要][在线阅读][下载 1945K]
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轨道交通低碳管控

• 轨道交通和新能源装备碳管理平台设计与开发

  张东旭;何慧雅;郭佳俊;王磊;

  轨道交通和新能源装备行业是能源消耗与碳排放的重点领域。为响应国家碳中和战略，落实国家节能减排任务，该行业需对原材料获取、生产、运营、废弃回收等全生命周期环节进行碳排放管理。为此，文章基于“互联网+”技术，设计开发了面向轨道交通与新能源装备行业的碳排放管理与服务平台。文章重点阐述了平台的需求分析、架构设计、核心功能及其扩展性。该平台可为相关企业提供碳排放数据管理与监控、企业碳盘查和报告、产品碳足迹核算和报告等服务，旨在实现对行业碳排放的精准跟踪、实时监控与深度分析，有效支撑企业达成节能减排目标，助力其低碳转型发展。

  2025年03期 No.304 175-182页 [查看摘要][在线阅读][下载 1725K]
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列车节能运行控制

• 基于多目标动态规划的列车节能准点运行策略研究

  史可;张征方;罗源;袁鹏;易杰;

  针对既有列车在运行时未能合理实现节能和准点的问题，文章分析列车节能运行和准点运行的耦合机理，提出一种基于多目标动态规划的列车节能准点运行策略（multi-objective dynamic programmingbased energy saving punctuality operation strategy of train,MDP-EP）。首先，依据运行能耗和运行时间的累加特性，根据线路特征信息将列车运行线路设计为若干个子区间，提高对线路特征信息变化的自适应性；然后，通过运动学约束和动力学约束分别生成速度域可达集和牵引/制动力域可达集，通过状态量约束和控制量约束提高对列车复杂操纵特性约束的自适应性，接着，结合节能准点目标的耦合机理设计最小能耗-最优运行时间目标函数，设计多目标动态规划方法进行迭代求解；最后，基于MATLAB仿真环境和试验环境，验证MDP-EP应用于高速列车的节能准点效果，结果表明，所提出的MDP-EP在保证运行时间的前提下使得高速列车均具有良好的节能性能，相比准点规划，节能指标提高10%～12%。

  2025年03期 No.304 183-189页 [查看摘要][在线阅读][下载 1790K]
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