城市軌道交通ATO模式下列車節(jié)能運(yùn)行研究

宋 云

（ 廣州市地下鐵道總公司運(yùn)營(yíng)事業(yè)總部，廣州 510150）

城市軌道交通每天都消耗大量的能源。根據(jù)目前廣州地鐵運(yùn)營(yíng)線路的能耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，列車運(yùn)行時(shí)的牽引用電占城市軌道交通用電的50%以上。按照目前我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展速度，城市軌道交通的能耗問(wèn)題越來(lái)越突出。盡快找到降低軌道交通運(yùn)行能耗的方法，已成為保持城市軌道交通高速度可持續(xù)發(fā)展必須解決的重要問(wèn)題之一。

為了降低能耗，各專業(yè)都在設(shè)計(jì)中貫徹節(jié)能原則，人們采取了許多節(jié)能措施，包括車輛輕量化（如采用鋁合金車體）、節(jié)能線路設(shè)計(jì)、采用移動(dòng)閉塞列車控制系統(tǒng)等方式，其中根據(jù)列車性能和線路最大通過(guò)能力的要求，列車按照預(yù)定的節(jié)能曲線ATO自動(dòng)駕駛是一個(gè)最經(jīng)濟(jì)的辦法，而且對(duì)服務(wù)質(zhì)量不會(huì)產(chǎn)生任何影響。本文重點(diǎn)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)ATO模式控制下的列車運(yùn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)如何節(jié)省牽引用電進(jìn)行深入的研究。

1 節(jié)能策略

列車在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，從起點(diǎn)加速運(yùn)行至終點(diǎn)停車，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程可以分為：?jiǎn)?dòng)加速、區(qū)間運(yùn)行、制動(dòng)停車3個(gè)過(guò)程。列車正常運(yùn)行時(shí)自身的能耗變化不大，因而節(jié)能操作的主要方法是避免不必要的制動(dòng)以減少列車動(dòng)能的損失，并充分利用勢(shì)能來(lái)保持或增加列車的動(dòng)能，以及在列車運(yùn)行中減少基本阻力所做的功。ATO的運(yùn)行調(diào)整，雖與自身的功能及系統(tǒng)構(gòu)成相關(guān)，但接受ATS系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整指令，實(shí)施動(dòng)態(tài)調(diào)整，充分發(fā)揮調(diào)整的效果。

2 節(jié)能方法

目前在地鐵信號(hào)系統(tǒng)中，列車節(jié)能運(yùn)行通常采用以下的方法

2.1 調(diào)整時(shí)刻表

1）在非客流高峰運(yùn)行時(shí)段，因上下車的旅客數(shù)量減少，可適當(dāng)減少停站時(shí)間，在保證規(guī)定的旅行速度的前提下，延長(zhǎng)列車在站間區(qū)間的運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到節(jié)省牽引能耗的目的。

2）在客流高峰時(shí)段，增加運(yùn)營(yíng)列車的數(shù)量以滿足高峰時(shí)段運(yùn)力的需求，而在非客流高峰時(shí)段，減少運(yùn)行列車的數(shù)量以達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，在需求得到保證時(shí)，在不同時(shí)段運(yùn)行不同適當(dāng)數(shù)量的列車，降低維修的成本。

2.2 ATO運(yùn)營(yíng)調(diào)整

1）以控制列車起動(dòng)加速度和巡航速度的方法來(lái)控制列車在站間區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分。

2）通過(guò)采用不同的起動(dòng)加速度率及巡航速度設(shè)計(jì)出4條以上的列車實(shí)時(shí)速度－距離曲線（如圖1所示），以及對(duì)應(yīng)的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行能耗-距離曲線（如圖2所示）。在編制運(yùn)行圖時(shí)，在高峰時(shí)段讓列車處于起動(dòng)加速度和巡航速度中間（偏上）值的速度－距離運(yùn)行曲線模式運(yùn)行。當(dāng)列車運(yùn)行晚點(diǎn)或趕點(diǎn)時(shí)，采用最高值的速度－距離運(yùn)行曲線運(yùn)行，達(dá)到趕點(diǎn)的目的；在低峰時(shí)段采用較低的速度-距離運(yùn)行曲線運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能目的。

3）對(duì)應(yīng)于不同的列車區(qū)間運(yùn)行曲線產(chǎn)生不同的區(qū)間運(yùn)行時(shí)分，并以此作為編制運(yùn)行圖和調(diào)整列車運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2.3 有效利用節(jié)能坡

所謂節(jié)能坡就是符合列車運(yùn)行規(guī)律的節(jié)能坡道，如圖3所示。即遵循“高站位、低區(qū)間”的設(shè)計(jì)原則。車站一般位于縱坡面的高處，區(qū)間位于縱坡面的底處。

列車從車站起動(dòng)后，借助下坡的動(dòng)力將勢(shì)能轉(zhuǎn)化為列車動(dòng)能，以縮短列車牽引時(shí)間快速起步，從而達(dá)到節(jié)約牽引能耗的目的。

列車進(jìn)站停車前，則借助上坡的坡度阻力，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為列車勢(shì)能儲(chǔ)存，以縮短制動(dòng)時(shí)間，減少制動(dòng)發(fā)熱，節(jié)約能量消耗。

2.4 列車再生制動(dòng)節(jié)能

正常情況下，在列車再生制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)能量反饋回電網(wǎng)。如果電網(wǎng)電壓高于1 800 V，則制動(dòng)電阻將消耗再生制動(dòng)所產(chǎn)生的能量；若電網(wǎng)電壓低于1 800 V，列車再生制動(dòng)時(shí)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(duì)這種能量進(jìn)行再利用。為提高列車再生能量的利用率，在編制運(yùn)行圖時(shí)應(yīng)采用以下措施。

1）同一牽引區(qū)段制動(dòng)列車與出站列車的重疊時(shí)間應(yīng)盡量大，使列車在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生再生能反饋到電網(wǎng)后被同一牽引區(qū)段的其他處在啟動(dòng)階段的列車所吸收，以此來(lái)有效的節(jié)約牽引能耗。

2）同一牽引區(qū)段應(yīng)盡量避免列車同時(shí)制動(dòng)。由于同時(shí)制動(dòng)會(huì)將能量反饋到電網(wǎng)使電網(wǎng)電壓增高，迫使列車采用電阻制動(dòng)；大量的電能將轉(zhuǎn)化為熱能擴(kuò)散到周圍環(huán)境中，這樣會(huì)浪費(fèi)許多能量。

3 ATO模式下列車節(jié)能運(yùn)行設(shè)計(jì)

3.1 列車運(yùn)行狀態(tài)描述

列車在區(qū)間運(yùn)行狀態(tài)可分為加速、巡航、惰行和制動(dòng)4種，如圖4所示。

1）加速段

列車在出站時(shí)利用下坡加速，在較小的牽引能耗下獲得較高的加速度，在充分利用節(jié)能坡的同時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)。

列車所獲得的加速度并不是一個(gè)不變的常數(shù)，它隨著速度的增加而減小。這是因?yàn)殡S著速度的增加，使得各項(xiàng)阻力增加，牽引電機(jī)輸出功率減??；因而在加速階段獲得比經(jīng)濟(jì)速度高很多的列車速度，會(huì)增加牽引能耗。

需要根據(jù)線路曲線布置狀況及限速要求，選擇達(dá)到最高速度和加速度的值，以避免受曲線限速的影響產(chǎn)生不必要的制動(dòng)，增加牽引能耗。

加強(qiáng)與線路設(shè)計(jì)專業(yè)的配合，盡量避免在可能達(dá)到較高速度的地段布置半徑較小、限速較低的曲線，并與節(jié)能坡設(shè)計(jì)配合，使列車到達(dá)節(jié)能坡底部時(shí)能以最小能耗達(dá)到最高速度。

2）巡航階段

列車在巡航階段以較小的能耗保持近似固定的速度。其特點(diǎn)為因在不同的列車運(yùn)行速度下列車運(yùn)行阻力不是常數(shù)，也不是線性關(guān)系；在經(jīng)濟(jì)巡航速度以上以越高的巡航速度運(yùn)行相同的距離，牽引能耗就越大。列車巡航運(yùn)行距離越長(zhǎng)，對(duì)控制列車站間運(yùn)行時(shí)分的精度就越有利。保持較高巡航速度可以減少全線旅行時(shí)間，提高服務(wù)水平。列車在巡航階段以較小的能耗保持固定的速度運(yùn)行；但在較高的巡航速度下，列車所需要的牽引力比較低巡航速度下需要的大得多，巡航速度與所需牽引力的關(guān)系如下所示。

其中：

F：牽引力；

Co：與列車巡航速度無(wú)關(guān)的阻力因素；

M：列車的質(zhì)量；

g：重力加速度；

C：與列車巡航速度有關(guān)的阻力因素；

V：列車巡航速度。

根據(jù)公式（1）可知，在滿足運(yùn)行調(diào)整和旅行速度要求下，選擇合理的巡航速度非常重要。既要考慮節(jié)能，又要滿足服務(wù)水平，即保持一定的旅行速度。

3）惰行階段

列車在進(jìn)站制動(dòng)前，可以有一個(gè)惰行階段，列車?yán)脛?dòng)能，依靠自身慣性運(yùn)行，達(dá)到節(jié)能目的；惰行的起點(diǎn)和終點(diǎn)分別與巡航階段和制動(dòng)階段相連，因而確定起點(diǎn)和終點(diǎn)時(shí)要結(jié)合節(jié)能坡的線路設(shè)計(jì)，并盡可能保證列車運(yùn)行平穩(wěn)。

4）制動(dòng)階段

在地鐵列車運(yùn)行中，為達(dá)到快捷的目的，通常采用較高的常用制動(dòng)減速率來(lái)減速停車，此時(shí)，列車所獲得的動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)化為熱能（再生制動(dòng)除外）。雖然此時(shí)不再消耗牽引能量，但實(shí)際上列車在運(yùn)行途中消耗了牽引能量而獲得的動(dòng)能大部分通過(guò)此階段轉(zhuǎn)化為熱能，因而，在信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分與土建專業(yè)配合，充分利用節(jié)能坡將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能儲(chǔ)存起來(lái)，這樣減少牽引能耗。

3.2 設(shè)計(jì)中綜合考慮的因素

1）土建專業(yè)在有條件情況下，都采用節(jié)能坡設(shè)計(jì)，信號(hào)系統(tǒng)在列車控制設(shè)計(jì)中要充分利用節(jié)能坡設(shè)計(jì)的有利條件，設(shè)計(jì)可行的ATO節(jié)能運(yùn)行模式。

2）將列車運(yùn)行調(diào)整功能與節(jié)省牽引能耗的ATO駕駛模式結(jié)合，達(dá)到以下目的。實(shí)現(xiàn)列車在區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分能以秒級(jí)精度調(diào)整；

列車牽引能耗是所確定的運(yùn)行時(shí)分下的最低能耗；

要充分利用列車運(yùn)行的加速、巡航、惰行及制動(dòng)的4種狀態(tài)，達(dá)到列車在ATO運(yùn)行模式下的可控性，節(jié)約牽引能耗以及滿足運(yùn)行調(diào)整要求的多項(xiàng)功能的有機(jī)統(tǒng)一；

充分考慮到牽引特性、土建參數(shù)、輪軌摩擦阻力、空氣阻力等各種因素對(duì)列車牽引能耗的影響，使ATO模式下列車節(jié)能運(yùn)行設(shè)計(jì)趨于完整及嚴(yán)密。

3.3 ATO模式下列車節(jié)能運(yùn)行設(shè)計(jì)

1）確定牽引能耗的數(shù)學(xué)模型，牽引能耗與列車的牽引性能、確定的載客量、各種阻力、線路參數(shù)、列車速度、走行距離等因素有關(guān)，如圖5所示。

2）編制軟件使?fàn)恳芎那€與列車運(yùn)行速度-距離模式曲線對(duì)應(yīng)。

3）編制列車運(yùn)行時(shí)分曲線，使之與列車運(yùn)行速度-距離曲線對(duì)應(yīng)。

4）編制列車運(yùn)行速度-距離曲線圖形顯示軟件，速度-距離曲線與列車運(yùn)行狀態(tài)、線路參數(shù)、車輛特性、各種阻力等因素有關(guān)，能在計(jì)算機(jī)人機(jī)界面上繪制相應(yīng)的速度-距離曲線。

5）在線路各段人為選擇列車起動(dòng)加速、巡航、惰行、制動(dòng)4個(gè)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)應(yīng)一個(gè)線路參數(shù)已確定的特定區(qū)間，自動(dòng)繪制不同的列車速度-距離曲線，并對(duì)應(yīng)得到相應(yīng)的牽引能耗及運(yùn)行時(shí)分。

6）以相同的運(yùn)行時(shí)分為前提，選擇出最小牽引能耗的速度-距離模式曲線。

7）在可能的列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)分段內(nèi)確定一組以秒級(jí)為單位的速度-時(shí)分模式曲線。此曲線要符合6）所述的要求。

8）對(duì)應(yīng)特定區(qū)間的一組以秒級(jí)為單位的速度-時(shí)分運(yùn)行曲線，作出一組相應(yīng)的速度-距離對(duì)照表，如表1所示。其精度以能方便有效控制列車運(yùn)行為準(zhǔn)。

9）對(duì)應(yīng)全線每一區(qū)間作上述1）-8）項(xiàng)設(shè)計(jì)得到全線各區(qū)段的以秒級(jí)運(yùn)行時(shí)分為單位的相應(yīng)多組速度-距離對(duì)照表，如表1所示。

表1 速度-距離對(duì)照表

10）將這些表存入ATO車載系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中。

11）在列車即將進(jìn)入此特定區(qū)間前，ATS系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行時(shí)刻表及運(yùn)行調(diào)整要求確定列車在此特定區(qū)間的運(yùn)行時(shí)分，并向列車發(fā)出指令。

12）車載ATO系統(tǒng)接收到列車在該特定區(qū)段運(yùn)行時(shí)分指令后，在存儲(chǔ)器中該區(qū)間一組速度-距離表中，選出相應(yīng)速度-距離表，根據(jù)此表要求控制列車在該區(qū)段的運(yùn)行。

3.4 ATO模式下列車節(jié)能運(yùn)行的特點(diǎn)

1）結(jié)合各種因素包括列車特性，線路參數(shù)，信號(hào)系統(tǒng)功能等諸多因素，并充分利用節(jié)能坡的節(jié)能效益。

2）以計(jì)算機(jī)為工具，結(jié)合運(yùn)營(yíng)人員的經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)選出最節(jié)能的列車運(yùn)營(yíng)方案。

3）以列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)分為基本點(diǎn)，優(yōu)選出該運(yùn)行區(qū)間運(yùn)行的最節(jié)能的列車運(yùn)行速度距離方案，能有機(jī)的與列車運(yùn)行要求結(jié)合，便于列車運(yùn)行調(diào)整。

4）便于信號(hào)系統(tǒng)對(duì)列車的控制，充分發(fā)揮以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的信號(hào)系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)越性。

5）方便修改，適應(yīng)性強(qiáng)。在各種影響列車運(yùn)行的因素變化時(shí)，如改變列車車型時(shí)，只需要把新的一組速度距離對(duì)照表存入ATO車載系統(tǒng)即可。

4 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)并分析了城市軌道交通中的節(jié)能措施，充分研究信號(hào)ATO模式下列車的節(jié)能設(shè)計(jì)，ATO可以最大限度利用線路參數(shù)和列車特性，滿足運(yùn)營(yíng)日常需求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車早、晚點(diǎn)的調(diào)整，運(yùn)營(yíng)高峰、非高峰的轉(zhuǎn)峰組織，在已采取此技術(shù)的線路中運(yùn)營(yíng)節(jié)能效果良好。

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