可持续铁路设计中能量收集、行车稳定性与成本的协同优化框架

《TRANSPORTATION RESEARCH PART D-TRANSPORT AND ENVIRONMENT》：Integrating energy harvesting, ride stability and cost in sustainable railway design

本文提出了一种面向可持续铁路设计的创新框架，将能量收集能力（EHC）、车辆行驶稳定性（VRS）与建设成本进行多目标协同优化。该研究通过模拟车辆-轨道动力学与压电能量收集（PEH）量化EHC，为偏远山区铁路实现自供电轨道健康监测（THM）系统提供了新范式，推动了交通基础设施向环境响应型与成本效益型方向发展。

　　

章节亮点

能量收集能力评估

本研究通过嵌入式压电能量收集（PEH）系统的预估能量输出（EO）来评估铁路线位的能量收集能力（EHC）。该评估基于车辆-轨道相互作用的动态响应，其受牵引速度和线路几何形状影响。由于设计阶段通常缺乏运营数据，我们采用基于仿真的方法来模拟这些动态条件。该框架包含三个相互关联的模块：车辆牵引...

车辆行驶稳定性评估

如前所述，车辆行驶稳定性（VRS）与能量收集能力（EHC）因对线路平顺性的不同要求而常常存在矛盾。虽然几何上可行的线位能满足基本的VRS标准，但对于高速铁路应用而言，仍需进一步优化。VRS指数的计算遵循后续章节描述的系统性评估流程。

VRS与列车在外力作用下的动态响应密切相关。根据第2.3节...

多目标铁路设计与评估

在山区铁路设计中，提升线路的能量收集能力（EHC）带来了不同于传统目标（如建设成本或车辆行驶稳定性（VRS））的独特挑战。EHC依赖于列车与轨道之间局部的动态相互作用，这种相互作用深受曲线半径、坡度等线路特征的影响。具有更急弯道或更强烈动态激励的路段通常具有更高的能量收集潜力。这些区域也需要更密集的轨道健康监测（THM）设备部署...

案例概况

本研究以某山区一段缺乏现有铁路基础设施的高速铁路（HSR）路段作为测试案例。该高速铁路旨在弥补部分发展中地区的铁路空白，并改善与发达地区的连通性。相反，这些地区的现有铁路技术标准普遍较低，设计时速较慢。为提高铁路网络的运营效率和容量...

结论

提升铁路基础设施的能源自给能力正变得越来越重要，尤其是对于延伸到偏远山区的高速铁路走廊而言。这些地区常常面临轨道健康监测（THM）系统的高需求与电网供电有限之间的严重不匹配。压电能量收集（PEH）通过捕获过往列车产生的振动能量来实现自维持的监测系统，提供了一个有前景的解决方案。然而，当前评估PEH潜力的方法...