軌道車節(jié)能運(yùn)行方法的研究

程國忠

摘要：在城市軌道交通中，影響列車運(yùn)行能耗的因素包括列車的牽引制動(dòng)性能、 列車重量、 限速、 線路條件、 信號(hào)閉塞方式以及列車的操縱方式等 ，通過對(duì)相關(guān)條件的改變 ，可以實(shí)現(xiàn)列車節(jié)能的目的.論文通過案例設(shè)計(jì)與系統(tǒng)模擬 ，重點(diǎn)研究了線路條件對(duì)城市軌道交通節(jié)能的作用.文中分別從曲線（特別是小半徑曲線） 、 坡道（分上、下坡道）以及列車重量等方面對(duì)能耗的影響進(jìn)行了研究 ，并對(duì)節(jié)能坡的節(jié)能情況進(jìn)行了分析 。

關(guān)鍵詞：牽引計(jì)算；牽引能耗；城市軌道交通；節(jié)能運(yùn)行

引言

與城市間鐵路列車相比 ，城市軌道交通列車具明有顯的差異 ，這體現(xiàn)在列車的牽引制動(dòng)特性、 列車重量、 站間距、 線路狀況等方面。對(duì)于城市鐵路來說 ，列車多采用無級(jí)牽引 ，列車重量變化不大 ，站間距比較短 ，線路一般采用節(jié)能坡等形式 ，因此城市軌道交通列車節(jié)能問題的研究有其特殊性。如不需要考慮有級(jí)牽引時(shí)手柄位的轉(zhuǎn)換問題 ，站間距較短和節(jié)能坡的設(shè)置有利于實(shí)現(xiàn)牽引惰行的運(yùn)行模式 ，列車重量的較小變化使列車的定時(shí)計(jì)算更為快捷等 ，這為城市軌道交通列車節(jié)能問題的研究提供了便利條件。國內(nèi)外對(duì)于列車運(yùn)行節(jié)能問題有較多研究 ，然而由于列車運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性 ，節(jié)能算法模型及其求解技術(shù)是一項(xiàng)十分困難的工作。 20 世紀(jì) 80 年代以來 ，澳大利亞、 英國、 德國、 日本、 美國等許多國家在列車節(jié)能操縱方面進(jìn)行研究和試驗(yàn) ，總結(jié)節(jié)能的列車操縱方式 ，并應(yīng)用微機(jī)技術(shù)研制開發(fā)列車優(yōu)化。

操縱的微機(jī)指導(dǎo)系統(tǒng)、 微機(jī)模擬系統(tǒng)等。在城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 ，對(duì)城市軌道交通列車節(jié)能問題及案例設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的研究 ，主要是從曲線、坡道以及列車重量等方面對(duì)能耗的影響進(jìn)行了研究 ，得到各種情況下的節(jié)能方案 ，并且對(duì)節(jié)能坡進(jìn)行了分析 ，得到適合不同區(qū)間條件下的節(jié)能方案。

隨著國內(nèi)城市軌道交通的日益發(fā)展，城市軌道交通列車節(jié)能研究越來越具有現(xiàn)實(shí)意義.列車的能源消耗涉及諸多因素 ，包括列車的牽引制動(dòng)性能、列車重量、 線路條件以及列車的操縱方式等 ，通過對(duì)相關(guān)條件改變 ，可以實(shí)現(xiàn)列車節(jié)能的目的.與城市間鐵路列車相比 ，城市軌道交通列車具明有顯的差異 ，這體現(xiàn)在列車的牽引制動(dòng)特性、列車重量、 站間距、 線路狀況等方面.對(duì)于城市鐵路來說 ，列車多采用無級(jí)牽引 ，列車重量變化不大，站間距比較短 ，線路一般采用節(jié)能坡等形式 ，因此城市軌道交通列車節(jié)能問題的研究有其特殊性.如不需要考慮有級(jí)牽引時(shí)手柄位的轉(zhuǎn)換問題 ，站間距較短和節(jié)能坡的設(shè)置有利于實(shí)現(xiàn)牽引 - 惰行的運(yùn)行模式 ，列車重量的較小變化使列車的定時(shí)計(jì)算更為快捷等 ，這為城市軌道交通列車節(jié)能問題的研究提供了便利條件.國內(nèi)外對(duì)于列車運(yùn)行節(jié)能問題有較多研究 ，然而由于列車運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性 ，節(jié)能算法模型及其求解技術(shù)是一項(xiàng)十分困難的工作。

首先研究了軌道交通的運(yùn)行受力情況和運(yùn)行線路條件對(duì)列車運(yùn)行過程的影響，分別對(duì)各個(gè)條件進(jìn)行分析總結(jié)，建立了運(yùn)行模型。 在此基礎(chǔ)上，根據(jù)列車的牽引制動(dòng)過程和相關(guān)計(jì)算理論，研究外力變化對(duì)列車運(yùn)行的影響，并深入分析列車的節(jié)能運(yùn)行算法，對(duì)算法進(jìn)行探究和分析。根據(jù)相關(guān)的理論和算法，尋求一種更為合理節(jié)能的運(yùn)行方案，并為科學(xué)的設(shè)計(jì)線路、車輛的選型、新車上線試驗(yàn)提供條件和理論依據(jù)，同時(shí)也能降低運(yùn)營成本，從而一定程度上緩解我國能源短缺的現(xiàn)象。 城軌車輛運(yùn)行節(jié)能方法優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功后，通過改變列車的運(yùn)行條件，計(jì)算出列車的牽引能耗，并將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與軟件的仿真結(jié)果及實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了優(yōu)化方法的有效性。

一、節(jié)能運(yùn)行算法

根據(jù)國內(nèi)外的研究，在設(shè)計(jì)列車節(jié)能運(yùn)行算法時(shí) ，可以遵循如下原則：

（1） 加速過程按最大牽引力計(jì)算；

（2） 停車制動(dòng)按最大制動(dòng)力來計(jì)算；

（3） 除停車制動(dòng)外 ，避免采用空氣制動(dòng)；

（4） 在約束條件下協(xié)調(diào)采用均速及惰行模式。本文采用的節(jié)能控制方式結(jié)合上述運(yùn)行過程 ，

以列車運(yùn)行的平均速度作為目標(biāo)速度 ，并圍繞著目標(biāo)速度按牽引 - 惰行運(yùn)行 ，以達(dá)到節(jié)能的目的。具體過程如下：

在列車起動(dòng)階段 ，盡量利用最大牽引力牽引。在區(qū)間運(yùn)行時(shí)盡可能采用惰行工況 ，區(qū)間調(diào)速避免采用制動(dòng)工況 ，以節(jié)約能源。如果列車目標(biāo)速度小于當(dāng)前限速 ，當(dāng)接近目標(biāo)速度時(shí)列車將貼近目標(biāo)速度采用牽引 - 惰行模式運(yùn)行；如果目標(biāo)速度大于當(dāng)前的限速 ，則在接近限速時(shí)將采用惰行運(yùn)行 ，如果速度仍然上升 ，則采用制動(dòng)運(yùn)行。當(dāng)前方限速曲線的值為零時(shí)列車將以最大制動(dòng)力停車制動(dòng)。

二、節(jié)能方案設(shè)計(jì)與研究

城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)為基礎(chǔ) ，進(jìn)行相應(yīng)的案例設(shè)計(jì) ，分析曲線、 坡道和列車重量的變化對(duì)列車能耗的影響。在進(jìn)行案例設(shè)計(jì)時(shí) ，采用以下參數(shù)。列車類型：地鐵；動(dòng)車組：三動(dòng)三拖；列車重量：150t ；列車長度：110m；其它參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)值。

（一）曲線對(duì)能耗的影響。設(shè)置曲線長度為 500m ，曲線半徑為 100～600m ，其中 “ ∞” 表示無曲線。 為了有較為統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn) ，列車從曲線的一端靜止啟動(dòng) ，在三個(gè)不同的限速（40kmΠ h ，50kmΠ h ，60kmΠ h）條件下運(yùn)行至另一端停止。

（二）坡道對(duì)能耗的影響。該部分探討城市軌道交通列車在非平坡的線路上的能量消耗情況，通過合理案例的設(shè)計(jì) ，得出列車在上、 下坡道上的能耗規(guī)律；同時(shí)對(duì)節(jié)能坡的縱斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行研究 ，考察在不同的區(qū)間設(shè)置不同坡度和長度的節(jié)能坡 ，并探討在不同限速情況下的能耗情況 ，得出不同條件下的節(jié)能坡優(yōu)化方案。

（三）節(jié)能坡運(yùn)用對(duì)能耗影響。在軌道交通線路縱斷面設(shè)計(jì)時(shí)，節(jié)能坡是一種很重要的方式，即該線路最佳縱斷面形式都是凹形縱斷面，采用節(jié)能坡可以達(dá)到降低列車運(yùn)行能耗的目的。為了研究結(jié)論的可比性 ，節(jié)能坡案例設(shè)計(jì)要盡量有一個(gè)相同的條件，該部分內(nèi)容主要研究在相同的站位 - 區(qū)間高差的情況下，在不同站間距和限速條件下，獲得更有效的節(jié)能坡形式。設(shè)置站間距分別為 1km、 2km、3km ，節(jié)能坡坡長為200m、坡度為 40 ‰，列車從一個(gè)車站靜止起動(dòng) ，運(yùn)行至另一個(gè)車站停車。

（四）能耗與列車重量及限速的關(guān)系在線路條件和操縱方式相同的條件下 ，能耗由列車重量、 列車限速和站間距三個(gè)主要因素決定. 在下面的案例研究中 ，取固定的站間距 ，使得列車能耗僅受列車重量和列車限速影響 ，并分析列車能耗的影響情況.

三、限速對(duì)能耗的影響

探討在不同坡道情況下，列車因運(yùn)行限速不同而引起的能耗差別。設(shè)計(jì) 3 種坡道：坡長分別為 600m ，400m ，200m ，坡度都為 30 ‰，列車從坡底靜止起動(dòng) ，到坡頂停止 ，列車能耗（kWh）隨限速和坡長（m）的變化。

四、小結(jié)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展、城市化進(jìn)程的不斷加快，城市軌道交通將在我國城市公共交通運(yùn)輸中占有越來越越重要的地位，城市軌道交通列車對(duì)仿真的要求也越來越高，然而由于我國城市軌道交通的建設(shè)才剛剛起步，基于城市軌道交通的模擬軟件很不成熟，現(xiàn)有的軟件主要是基于鐵路牽引計(jì)算的模擬軟件，由于城市軌道列車的運(yùn)行條件和環(huán)境與鐵路的運(yùn)行相差較遠(yuǎn)，因此現(xiàn)有軌道車輛的運(yùn)行特性曲線并不一定是最優(yōu)的運(yùn)行特性曲線，列車的運(yùn)行能耗也并不一定是列車運(yùn)行的最佳能耗。在國家大力提倡綠色環(huán)保的大趨勢(shì)下，研究城軌列車的運(yùn)行節(jié)能方法是既響應(yīng)了國家號(hào)召又具有重大現(xiàn)實(shí)意義。