城市軌道交通列車節(jié)能運行模式的研究

楊雪峰

(上海軌道交通維護保障中心通號公司,200010,上?！喂こ處?

根據(jù)目前上海地鐵運營線路的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,列車運行時的牽引用電約為總用電量的50%～60%,輔助系統(tǒng)的能耗約占牽引能耗的50%。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大,總的運營能耗量呈快速增長的趨勢,能耗問題越來越突出。因此,如何挖潛降耗,突破關(guān)鍵技術(shù),對降低城市軌道交通運營成本、提高經(jīng)濟效益有著越來越重要的現(xiàn)實意義。

到目前為止,由于運行環(huán)境和實際客流量狀況的復雜性,對列車行駛過程中能量消耗的計算仍然是一件較為困難的工作。影響列車能耗的因素主要包括列車的牽引制動性能、列車重、運行速度、線路條件、信號閉塞方式以及列車的操縱方式等。針對上述因素采取相應措施,可以實現(xiàn)節(jié)能的目的。例如,城市軌道交通的電動列車一般采用電力無級牽引,在設(shè)計階段可采用鋁合金或鎂合金等最新材料來實現(xiàn)車輛的輕量化,以節(jié)省牽引動能、降低列車的運行費用。

國內(nèi)外對于列車運行的節(jié)能問題已經(jīng)有了較多的研究[1-5]。20世紀80年代初,新加坡地鐵1號線設(shè)計中就引進了車輛再生制動能逆變器技術(shù)?，F(xiàn)在新加坡的東北線和環(huán)線廣泛采用了該技術(shù)。實測能耗顯示,新加坡東北線變電站總能耗中的4%是由再生制動能供給的。有的學者開展了線路節(jié)能坡的研究和列車節(jié)能運行圖的研究,提出了最佳的列車節(jié)能運行方式。如香港地鐵線路采用節(jié)能運行方式安排日常運行,據(jù)實際運行的統(tǒng)計資料表明,列車的牽引能耗費用每年大約節(jié)約290萬港元。澳大利亞、德國、日本、美國等許多國家在列車節(jié)能操縱方面進行了研究和試驗,總結(jié)節(jié)能的列車操縱方式,并應用微機技術(shù)研制開發(fā)列車優(yōu)化操縱的微機指導系統(tǒng)、微機模擬系統(tǒng)等。國內(nèi)在這方面的研究基本上采用離線優(yōu)化和在線控制相結(jié)合的方法[6-8]。從實際運用情況來看,國外列車優(yōu)化的節(jié)能效果一般為5%～15%。本文著重討論節(jié)能操縱算法以及在基于移動閉塞技術(shù)的現(xiàn)代信號系統(tǒng)基礎(chǔ)上的列車節(jié)能運行模式的研究和仿真。

1 列車運行的節(jié)能操縱算法

1.1 列車運行受力分析

在提出節(jié)能操縱算法之前,首先對列車在行駛過程中的受力情況進行分析。列車在運行中要受到牽引力、運行阻力、制動力等共同作用。以下的地鐵車輛性能特性均基于車輪在半磨耗狀態(tài),運行于干燥、清潔的平直軌道和額定電壓(DC 1 500 V)之下。

1)列車牽引力特性：列車牽引力是列車實際速度的函數(shù)。列車牽引力可以按列車牽引特性曲線(見圖1)取值。

圖1 列車牽引力特性曲線

2)列車運行阻力：在牽引計算中,列車運行阻力是按單位質(zhì)量所遇到的阻力來計算的,與車輛的阻力模型和線路條件有很大的關(guān)系。列車阻力一般可以通過列車速度的二次函數(shù)來描述。例如,上海軌道交通1號線的車輛單位質(zhì)量阻力公式為：

式中：

Fw——車輛阻力,N;

M——列車質(zhì)量(包括負載),kg;

v——列車行駛速度,m/s。

3)制動力特性：若電制動正常,則僅使用電制動,如圖2所示。

圖2 列車制動力特性曲線

1.2 優(yōu)化操縱目標[9]

列車的運行條件非常復雜,受到諸多因素的制約和影響。優(yōu)化操縱的目標就是找到在既定條件下滿足安全、正點等約束的最優(yōu)操作序列。

列車從一個車站運行到下一車站,其狀態(tài)方程為：

式中：

v——列車的運行速度;

F——與列車操縱有關(guān)的合力;

Fv——列車運行的基本阻力;

g(x)——兩站之間線路坡度阻力的分段函數(shù);

M——列車質(zhì)量。

其性能指標為：

式中：

T——規(guī)定的運行時分;

u(t)——與列車工況及速度有關(guān)的能耗函數(shù);

此為有約束條件的非線性尋優(yōu)問題,無法直接求解狀態(tài)方程,只能根據(jù)列車操縱的合理性要求和節(jié)能原則,利用滿意優(yōu)化的方法尋優(yōu),以確定最終的操縱方案。

1.3 合理節(jié)能的操縱

列車在規(guī)定的時間內(nèi),從起點加速運行至終點停車,整個運行過程可分為：起動加速過程,途中運行過程和制動停車過程。在此過程中,產(chǎn)生的能耗(即式(3)中的u(t))主要由以下三個方面構(gòu)成[10]：①提高列車的動能;②克服列車運行時的基本阻力和加算坡道阻力;③列車運行時的自身能耗。

列車正常運行時的自身能耗變化不大,可以忽略,因而節(jié)能操縱的主要方法是避免不必要的制動以減少列車動能的損失;并充分利用勢能來保持或增加列車的動能,以及在列車運行中減少基本阻力所做的功。文獻[11]總結(jié)了一些有利于節(jié)能的列車運行工況：運行時間一定時,列車勻速牽引運行克服的阻力功最少;列車以最大加速度加速可減少加速過程中的基本阻力功;列車以最大制動能力制動有利于節(jié)能;列車制動前惰行以降低制動前的運行速度,有利于減少列車動能的損失;下坡時盡可能利用列車的勢能,盡量避免或減少下坡道調(diào)速制動。

根據(jù)國內(nèi)外的研究成果,在設(shè)計列車節(jié)能運行算法時,可以遵循以下的算法原則[12-13]：

1)加速過程按最大牽引力計算;2)停車制動按最大制動力計算;

3)除停車制動外,避免采用空氣制動;

4)在約束條件下協(xié)調(diào)采用均速及惰行模式。

結(jié)合上述算法原則,以列車運行的平均速度作為目標速度,并圍繞目標速度按牽引-惰行的模式運行,利用最優(yōu)化理論在滿足約束條件的前提下,進行運行過程能耗的優(yōu)化計算,以達到節(jié)能的目的。

2 現(xiàn)代地鐵列車所應用的節(jié)能方法

現(xiàn)代地鐵的自動控制系統(tǒng)要求能夠以多種方式節(jié)約電能成本,包括車輛的動力消耗、起動時的動力需求和制動時的動力損失。根據(jù)上海地鐵公司提供的資料文檔,地鐵列車共有4個運行等級：等級1是全速行駛方式,一般在高峰時采取;等級2是惰行的運行方式;等級3和等級4分別是以最高速度的75%和60%限速行駛。直觀上看,以等級2的惰行運行是最節(jié)能的理想運行方式。但在實際的運行中,地鐵的自動駕駛系統(tǒng)要根據(jù)時刻表和實際的客流量大小來調(diào)整其運行速度,不可能一直行駛在等級2的狀態(tài)下。因此,要根據(jù)實際情況來實施運行策略。實際中,地鐵列車所應用的節(jié)能方法主要有調(diào)整時刻表和調(diào)整列車運營等級曲線;另外,車輛的再生制動技術(shù)也被廣泛使用,同樣顯示出較好的節(jié)能效果。

2.1 調(diào)整時刻表

調(diào)整時刻表是地鐵自動控制系統(tǒng)所采用的一種可同時滿足高峰和非高峰時段列車動力需求的方法。中央控制系統(tǒng)需確定系統(tǒng)中每一列車的位置,負責保證所有列車按時刻表進出車站。通過執(zhí)行時刻表,在高峰時增加運行的列車數(shù)量以滿足高峰時段運力的需求,而在非高峰時段減少列車的數(shù)量,以此達到節(jié)能的目的。這樣,在需求得到保證時,在高等級下運行適當數(shù)量的列車,降低了維護的成本。

2.2 調(diào)整列車運行等級曲線

運營等級曲線旨在通過減少列車牽引系統(tǒng)的請求,降低牽引的能源消耗。運用列車運行等級曲線能夠降低單一列車的動力消耗。采用的技術(shù)包括：

1)減少加速時間以降低高峰時速。列車降低了其加速度的總時間,從而減少了牽引請求,也就減少了列車的能源需求。

2)降低加速度來降低線路運行時速。列車采用了較小的加速度,減少了牽引所需的動力,最終也就減少了列車的能源需求。

3)惰行。列車出站先加速,然后惰行,再減速,最后停在下一車站。如圖3所示的曲線,列車達到最大線路速度后惰行,這樣會造成運行時間將按特定比例有所增加(圖中虛線所示);與正常規(guī)定速度相比,列車減少了加速請求和牽引所需動力,從而減少了能耗。

4)有效利用重力來降低牽引系統(tǒng)所要求的加速度。節(jié)能線路設(shè)計也是節(jié)能措施的一個重要方面。其中節(jié)能坡的設(shè)置是一個十分必要的手段。節(jié)能坡應滿足地形、地質(zhì)及行車安全條件的要求,創(chuàng)造良好的運營條件。在地鐵列車運行的過程中,有效利用坡道,可降低所需加速度的等級(利用重力完成),以降低運營費用,達到降低能耗的目的。

圖3 惰行的速度距離曲線

2.3 列車再生制動的節(jié)能技術(shù)[15]

正常情況下,列車由牽引系統(tǒng)來牽引和制動。每一個動車安裝有1個三相VVVF(變壓-變頻)逆變器和一個制動電阻。在列車再生制動時,制動能量反饋回電網(wǎng),如果電網(wǎng)電壓高于1 800 V,則制動電阻將消耗再生制動所產(chǎn)生的能量;若電網(wǎng)電壓低于1 800 V,列車再生制動時所產(chǎn)生的能量,反饋到接觸網(wǎng)牽引電力系統(tǒng),就可以對這種能量進行再利用。再生制動能量的反饋利用率越高,意味著有越高比例的再生制動能量供其他列車使用。根據(jù)香港地鐵列車運行的經(jīng)驗數(shù)據(jù),在正常情況下,列車再生制動能量反饋利用率在高峰期一般可以達到80%。

為了提高列車再生能量的利用率,在編制運行圖時應采取以下措施：

1)同一牽引區(qū)段的制動列車與出站列車的重疊時間應盡量大,使列車在制動時產(chǎn)生再生能反饋到電網(wǎng)后被同一牽引區(qū)段的其他處在起動階段的列車所吸收,以此來有效地節(jié)約牽引能耗。

2)同一牽引區(qū)段應盡量避免列車同時制動。因為同時制動會將再生能量反饋到電網(wǎng)使電網(wǎng)電壓增高,迫使列車采用電阻制動;大量的電能將轉(zhuǎn)化為熱能擴散到周圍環(huán)境中,這樣會浪費許多能量。

3 采用移動閉塞的列車控制系統(tǒng)是節(jié)能的有效途徑

3.1 基于移動閉塞技術(shù)的列車自動控制系統(tǒng)[16-17]

3.1.1 移動閉塞的工作原理

移動閉塞技術(shù)是近年來廣泛使用的列車信號控制技術(shù),越來越受到人們的關(guān)注。在以往傳統(tǒng)的固定閉塞方式下,每個閉塞分區(qū)的長度都是固定的。而對于先進的移動閉塞來說,列車間的最小運行間隔距離由列車在線路上的實際運行位置和運行狀態(tài)確定,閉塞區(qū)間的間隔隨著列車的行駛不斷地向前移動和調(diào)整?？刂浦行耐ㄟ^車載設(shè)備和軌旁設(shè)備不間斷地雙向通信,根據(jù)列車實時的速度和位置動態(tài)計算出列車的最大制動距離。列車的長度加上這一最大制動距離,并在列車后方加上一定的防護距離,便組成了一個與列車同步移動的虛擬分區(qū)。由于保證了列車前后的安全距離,兩個相鄰的移動閉塞分區(qū)就能以很小的間隔同時前進,使列車能以較高的速度和較小的間隔運行,從而提高了運營效率。

3.1.2 列車自動控制系統(tǒng)

列車自動控制(ATC)系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：列車自動監(jiān)控(ATS)子系統(tǒng)、列車自動防護(ATP)子系統(tǒng)和列車自動駕駛(ATO)子系統(tǒng)。ATS子系統(tǒng)主要實現(xiàn)對列車運行的監(jiān)督和控制,輔助行車調(diào)度人員對全線列車運行進行管理;ATP子系統(tǒng)主要對列車駕駛進行防護,實現(xiàn)列車間隔保護、超速防護等功能;ATO子系統(tǒng)主要用于實現(xiàn)“地對車控制”,即用地面信息實現(xiàn)對列車驅(qū)動和制動的控制,可以使列車經(jīng)常處于最佳運行狀態(tài),避免了不必要的加速和減速,提高了旅客的舒適度、列車準點率,并減少輪軌磨損,同時還可節(jié)省能源消耗。

移動閉塞、基于通信的列車控制(CBTC)和ATC系統(tǒng)能通過車地間的雙向、連續(xù)、高效的信息通信,使車載信號設(shè)備的信息能夠和地面軌旁信號設(shè)備的信息即時地進行交換,從而有效地確定列車位置,并計算前后列車間的相對距離,以確保行車的安全。

3.2 采用移動閉塞的CBTC系統(tǒng)的節(jié)能功能[19]

移動閉塞系統(tǒng)的節(jié)能是其短發(fā)車間隔性能的良好體現(xiàn)?？傮w來講,移動閉塞技術(shù)的“小編組、高密度”運營,使軌道交通系統(tǒng)的實際列車通過能力大大提高。移動閉塞的列車通過能力通?？杀裙潭ㄩ]塞系統(tǒng)高出40%。這增加的40%的通過能力,使CBTC系統(tǒng)可通過對列車運行參數(shù)以及曲線的調(diào)整和控制,達到最大限度地減少不必要的制動和頻繁的加減速,平衡全線允許速度、停站時間等來實現(xiàn)節(jié)能。

3.2.1 高峰時段的運行節(jié)能

在固定閉塞系統(tǒng)中,列車的分區(qū)間隔較長且一個分區(qū)只能被一列車占用,不利于縮短列車的運行間隔,從而增加了能耗。而移動閉塞系統(tǒng)靈活的列車運行間隔的特性使其在高峰時段的節(jié)能效果顯著。通常在高峰時段運行時,發(fā)車密度大,乘客流動性快,前方列車的延誤會造成后續(xù)列車頻繁制動的可能性。這種制動的頻率和持續(xù)時間在移動閉塞系統(tǒng)中由于更短和均勻的列車最小間隔而大大降低,均勻的最小列車間隔使后面列車可以更加靠近前車,提高了運營的效率。

3.2.2 非高峰時段的運行節(jié)能

在非高峰時段,移動閉塞系統(tǒng)能通過降低站間列車平均速度來達到節(jié)能。在這種情況下,可根據(jù)需要減少停站時間以保證列車全線運行時間。一般來說,非高峰時段的乘客較少,減少停站時間不會造成太多的不便。

4 節(jié)能算法流程及仿真運行分析

4.1 算法流程

基于以上的系統(tǒng)分析,建立了城市軌道交通列車能耗統(tǒng)計的數(shù)學模型,總結(jié)出了可實施的列車節(jié)能運行算法;并在計算機控制技術(shù)的平臺上,利用最優(yōu)化理論的求解方法,進行優(yōu)化計算和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。提出的節(jié)能策略是在地鐵運行過程中保證一種能耗較低的牽引策略,設(shè)計的思想是盡量以經(jīng)濟速度運行,較大程度地利用惰行。

仿真系統(tǒng)主要包括三個子模塊：數(shù)據(jù)輸入子模塊,優(yōu)化操縱計算子模塊,結(jié)果輸出子模塊。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),來源于地鐵試車運行時測試的結(jié)果以及在實際運行中記錄的表格內(nèi)容。它包括：ATP速度,ATS限速,牽引量,惰行狀態(tài),運行時間,運行等級,走行距離等。在算法開始之前,可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出已有的表格內(nèi)容,也可以根據(jù)新的實際情況在對話框中手動輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)。開始運行后,在給定的條件下進行優(yōu)化計算,根據(jù)已有的優(yōu)化操縱策略進行尋優(yōu),并滿足運行時分和駕駛的準確性和安全性;最后進行運行中能量消耗的計算統(tǒng)計并比較節(jié)能效果,輸出節(jié)能速度運行曲線圖。圖4所示為列車節(jié)能運行計算的具體算法流程。

4.2 仿真

在地鐵的試車線路上進行仿真試驗。線路長約1 km,列車行駛1 min左右,進行仿真運行。選擇采用移動閉塞的CBTC系統(tǒng)的信號控制方式,在ATC平臺的操縱下,利用ATS的自動調(diào)度和統(tǒng)計功能以及ATO的自動駕駛功能,根據(jù)所得的數(shù)學模型,進行節(jié)能運行模式的試車分析。經(jīng)過多次的不同駕駛模式的能耗數(shù)據(jù)比較,最終得出了較為理想的節(jié)能運行模式。在某次仿真中得出的列車運行速度曲線圖如圖5所示。

圖4 節(jié)能優(yōu)化算法流程

圖5 輸出的列車運行速度曲線

從圖5可明顯看出,節(jié)能的運行曲線在行駛過程中的速度變化率較小,運行過程平緩。計算結(jié)果顯示,采用此節(jié)能算法的能耗比原來正常行駛下大約節(jié)省了23%左右。

5 結(jié)語

在保證列車運行安全、準時的前提下,本文總結(jié)并分析了當今城市軌道交通系統(tǒng)中的節(jié)能措施,并在列車操縱方式和運行算法的軟件方面進行了相關(guān)的研究。采用基于移動閉塞技術(shù)的CBTC和ATC系統(tǒng)是當前軌道交通發(fā)展的主要方向。在已采用此技術(shù)的國內(nèi)外運營線路上的實踐表明,其節(jié)能效果良好。但是,由于地鐵運行狀態(tài)的復雜性,還沒有一個完全有效的方法來衡量牽引力和耗電量之間的定量關(guān)系。因此,對列車運行過程中的耗電量統(tǒng)計還不是很精確,只能得出一種模擬駕駛的、近似節(jié)能的策略。另外,本文所提出的節(jié)能優(yōu)化算法還只是停留在計算機仿真階段,很多操作中的問題還需要向有經(jīng)驗的駕駛?cè)藛T和技術(shù)人員學習,才能符合實際運行情況。

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