武漢地鐵二號線“節(jié)能坡”的研究

陳 凡，楊 宏

（武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，1.助教；2.副教授，湖北 武漢 430205）

2012年9月4日14：35，在武漢地鐵2 號線上列車載著近90 t沙袋，從武昌楊家灣地鐵站出發(fā)，開往光谷廣場站，全程近1.4 km，最高時速80 km/h，耗時54 s，這是武漢地鐵2 號線列車首次上線負(fù)重試跑。試跑目的是檢驗武漢地鐵2 號線車輛正常負(fù)載時，在坡度較緩的平直道上牽引和制動性能。車站兩頭有“節(jié)能坡”，啟動時下坡，停車前上坡，這表明“節(jié)能坡”設(shè)計理念在武漢城市軌道交通地鐵線路中獲得運(yùn)用。事實上，“節(jié)能坡”能把地鐵列車的動能轉(zhuǎn)化為勢能，減少剎車時浪費(fèi)的能量。美國的科學(xué)家曾對城市居民出行可容忍的時間進(jìn)行研究，結(jié)論是45 min。這就是說，一個城市需要有與之規(guī)模相適應(yīng)的、具有最高運(yùn)行速度的交通工具。目前，世界上居住人口超過1 000 萬的城市約20個，超過100 萬的城市約300 余個，不少城市圈的直徑超過50 km。因此，最高運(yùn)行速度為80 km/h 的交通工具基本可以適應(yīng)，而目前能承擔(dān)如此重任的只有城市軌道交通。這意味著，城市軌道交通的普及面是巨大的，而“節(jié)能坡”在地鐵線路中的運(yùn)用可有效地降低地鐵車輛的能源消耗，因此，近20年來“節(jié)能坡”在城市軌道交通地鐵線路中得到廣泛運(yùn)用。

1 節(jié)能坡的設(shè)計

1.1 節(jié)能坡的設(shè)計理念 所謂“節(jié)能坡”，即城市軌道交通線路在區(qū)間是凹形縱斷面（如圖1所示）。

地鐵隧道的坡度有講究，車站兩頭有節(jié)能坡，在正常情況下，地鐵列車啟動提速后，會根據(jù)下一站的距離減少電流供應(yīng)向前滑行并逐漸減速；線路“節(jié)能坡”的設(shè)計理念就是盡可能利用列車的勢能，出站啟動段采用大坡度下坡，進(jìn)站制動段采用大坡度上坡〔1〕。列車進(jìn)站停車前上坡，能把地鐵列車的動能轉(zhuǎn)化為勢能，可減少剎車時的能量浪費(fèi)，有利于節(jié)能；列車出站時總是下坡，有利于盡快提速。

圖1 節(jié)能坡的縱斷面形狀（單位：m）

1.2 節(jié)能坡的設(shè)計要求 地鐵的土建線路工程是一次性永久工程，它的方案好壞決定著開通后的運(yùn)營質(zhì)量，并影響長期的運(yùn)營成本。據(jù)統(tǒng)計，地鐵能源消耗一般要占地鐵運(yùn)營成本的20%～30%。在進(jìn)行城市軌道交通線路縱斷面設(shè)計時，“節(jié)能坡”是一種很重要的方式。采用“節(jié)能坡”可以達(dá)到降低列車運(yùn)行能耗的目的，因此進(jìn)行“節(jié)能坡”的研究，對整個地鐵系統(tǒng)的設(shè)計具有重要的意義〔2〕。一般來講，對地鐵線路合理縱斷面設(shè)計的基本要求有以下3點。

1.2.1 具有最佳的工程造價與運(yùn)營效果 合理縱斷面的設(shè)計應(yīng)在工程造價與運(yùn)營效果間找到最佳結(jié)合點，不應(yīng)只考慮運(yùn)營效果而不顧工程造價，應(yīng)在合理的工程投資的基礎(chǔ)之上，滿足地質(zhì)條件、已存在的建筑物和土建工程造價限制的要求，確定相對合理的線路縱斷面。

1.2.2 保證列車運(yùn)行功能指標(biāo) 地鐵列車的運(yùn)行首先要保證安全、迅速、舒適的要求，這就要求線路縱斷面與線路的平面設(shè)計相協(xié)調(diào)，不能存在“有害坡”，要求列車有一個比較平穩(wěn)的運(yùn)行環(huán)境，使列車在惰行過程中不超速，以保證列車運(yùn)行安全。

1.2.3 保證列車的加速性能 應(yīng)用于地鐵系統(tǒng)的動車組一般采用較大功率的電機(jī)，其目的是盡量縮短列車加速時間，合理縱斷面的設(shè)計應(yīng)有效地提高列車商業(yè)旅行速度，滿足地鐵列車快速、便捷的要求。

2 節(jié)能坡的節(jié)能效果

為了更直觀地體現(xiàn)“節(jié)能坡”在地鐵運(yùn)營中的節(jié)能性，現(xiàn)利用地鐵線路合理縱斷面列車運(yùn)行模擬設(shè)計方法對某線路的一個區(qū)間（A—B 站）進(jìn)行縱斷面方案的比較。

所謂地鐵線路合理縱斷面列車運(yùn)行模擬設(shè)計方法是根據(jù)城市規(guī)劃及客流分布選線后，按地面建筑物、地下管線、其他建筑物現(xiàn)狀與規(guī)劃、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件，確定地鐵線路埋藏深度和車站中心高程，再考慮列車重量、長度、動車特性、信號布置、行車組織等因素，然后通過模擬仿真，對各種可行性縱斷面進(jìn)行比選、優(yōu)化，來確定相對科學(xué)的線路縱斷面方案〔3〕。進(jìn)行多方案選擇的主要工具是列車運(yùn)行模擬軟件，根據(jù)預(yù)定的列車屬性對不同的縱斷面方案進(jìn)行運(yùn)行效果比較，對能耗、運(yùn)行效果和工程投資進(jìn)行綜合分析，確定最優(yōu)的合理縱斷面。下面，就“節(jié)能坡”對地鐵運(yùn)營的節(jié)能效果進(jìn)行對比性的研究。

〔案例〕設(shè)一線路區(qū)間長1 310 m，A、B站高程差為5.77 m。考慮一般列車編組不大于6 輛，列車長度小于180 m，在“節(jié)能坡”比較過程中，站臺范圍的坡段按照坡度不大于3‰、長度不小于200 m 設(shè)置。在模擬計算時，是以車站中心作為列車質(zhì)點中心計算，因此，在下面的優(yōu)化斷面中，區(qū)間的第一個計算坡段為半個車站坡段長度（按照100 m 設(shè)置）。其中，方案1為標(biāo)定方案（初始方案），方案2為基于節(jié)能坡理念的優(yōu)化方案（比較方案），進(jìn)行方案比較分析時，不考慮列車再生制動能量被相鄰列車吸收的部分。

方案1：線路縱斷面的數(shù)據(jù)見表1。通過列車運(yùn)行仿真模擬，方案1的模擬結(jié)果為正向運(yùn)行時，技術(shù)速度67.8 km/h，運(yùn)行時間69.59 s，耗電量為42.1 kw.h；反向運(yùn)行時，技術(shù)速度68.4 km/h，運(yùn)行時間68.94 s，耗電量為41.3 kw.h。

表1 方案1（初始方案）線路縱斷面數(shù)據(jù)

方案2：線路縱斷面的數(shù)據(jù)見表2。通過列車運(yùn)行仿真模擬，方案2的模擬結(jié)果為正向運(yùn)行時，技術(shù)速度67.7 km/h，運(yùn)行時間69.61 s，耗電量為31.8 kw.h；反向運(yùn)行時，技術(shù)速度68.4 km/h，運(yùn)行時間68.92 s，耗電量為29.3 kw.h。

表2 方案2（優(yōu)化方案）縱斷面方案數(shù)據(jù)

通過分析，以上2個方案在相同技術(shù)速度條件下，方案1正反兩個運(yùn)行方向總耗電量為83.4 kw.h，方案2正反兩個運(yùn)行方向總耗電量為61.1 kw.h。

3 結(jié)束語

由以上2 種方案的對比可以看出，在正走向和反走向的綜合節(jié)能上，有“節(jié)能坡”的方案2 比沒有“節(jié)能坡”的方案1在相同運(yùn)行效果的前提下要節(jié)能26.74%。由于這一百分比是較大的，故“節(jié)能坡”對地鐵運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性的影響顯著。同時，這也意味著在地鐵系統(tǒng)的設(shè)計過程中，應(yīng)把對“節(jié)能坡”的設(shè)計放到重要的位置上來。

地鐵系統(tǒng)是一個多專業(yè)、綜合的復(fù)雜系統(tǒng)，地鐵各子系統(tǒng)間互相滲透、互相影響。線路縱斷面的方案差異往往會影響地鐵系統(tǒng)的能耗和供電系統(tǒng)的方案，甚至對將來的列車運(yùn)行也有影響，合理科學(xué)的縱斷面能夠有效地縮短列車加速和制動時間，從而提高列車平均行駛速度。地鐵線路縱斷面直接影響地鐵列車的運(yùn)行效果，并對地鐵的長期運(yùn)營成本產(chǎn)生長久的影響，如果能夠合理地設(shè)計線路縱斷面將對整個地鐵工程帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益〔4〕。

〔1〕金煒東，王自力，李崇維，茍先太，靳蕃.列車節(jié)能操縱優(yōu)化方法研究〔J〕.鐵道學(xué)報，1997，19（6）：58-62.

〔2〕廣州市地下鐵道總公司.地鐵科技文集〔M〕，華南理工大學(xué)出版社，2008.

〔3〕程家興.列車節(jié)能操縱中最優(yōu)方案的算法〔J〕.微機(jī)發(fā)展，1999，9（2）：1-4.

〔4〕廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司.廣州地鐵三號線工程設(shè)計研究與實踐〔M〕，人民交通出版社，2011.