動車組運行能耗影響因素的量化分析

呂?？瑢O培培，李永發(fā)

(石家莊鐵道大學交通運輸學院，石家莊　050043；2. 石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊　050043)

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動車組運行能耗影響因素的量化分析

呂希奎1，孫培培1，李永發(fā)2

(石家莊鐵道大學交通運輸學院，石家莊050043；2. 石家莊鐵道大學土木工程學院，石家莊050043)

摘要：動車組能耗對鐵路運輸成本具有重要影響，列車性能和運營狀況是影響動車組運行能耗的主要因素。針對目前對于動車組能耗影響因素以定性分析居多，以大量數(shù)據(jù)分析為基礎，以各CRH型動車組為實例，以計算機仿真技術為手段，分別設置不同的仿真環(huán)境，從坡道設計、曲線半徑、車站分布、動車組質(zhì)量和限速5個主要方面，定量分析各影響因素對動車組運行能耗的影響，得出各因素對能耗的重要度和靈敏度。實現(xiàn)動車組運行能耗影響因素的量化分析方法，解決由定性分析到定量分析的關鍵問題。為合理確定動車組能耗水平、優(yōu)化高速鐵路線路設計、高速鐵路節(jié)能運營組織和宏觀把握高速鐵路節(jié)能方向提供了更為直觀的參考和依據(jù)。

關鍵詞：高速鐵路；動車組；運行能耗；影響因素；分析與仿真

1概述

隨著鐵路現(xiàn)代化建設的快速發(fā)展，越來越多的高速鐵路和動車組投入運營，動車組能耗已對鐵路運輸成本和全行業(yè)能耗具有重要影響[1，2]。而動車組能耗主要受列車性能、運營狀況和司機操縱等因素影響。其中列車性能和運營狀況是影響動車組運行能耗的主要因素，包括列車屬性、坡道、曲線半徑、隧道、站間距等方面[3，4]。節(jié)能與降耗、綠色與環(huán)保已成為高速鐵路可持續(xù)發(fā)展的主題[5]，為了定量分析上述因素對動車組運行能耗的影響，以各CRH型動車組為實例，采用理論分析結(jié)合仿真試驗的方法，通過設置不同參數(shù)下的仿真環(huán)境，通過定量研究方法，研究上述因素對于CRH型動車組運行能耗的影響，實現(xiàn)定性到定量分析的轉(zhuǎn)變。為動車組節(jié)能操縱、動車組合理確定能耗水平、高速鐵路節(jié)能設計和把握節(jié)能方向提供更直觀的參考和依據(jù)。

2坡道設計對運行能耗影響分析

動車組功率大，牽引和制動性能優(yōu)良，能夠更好地適應大坡度運行，使平縱設計更自由[6，7]。研究動車組運行能耗的受坡道的影響，仿真環(huán)境設計如下：線路全長42 km，有甲、乙兩車站，其中心里程分別為0 km和42 km，即甲站與乙站間距離為42 km，坡道長2 000 m，位于線路中間。根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》(TB10621—2014)[8]規(guī)定，坡度i∈[0，30](‰)，線路為直線，如圖1所示。

圖1　仿真線路示意

動車組從甲站起動發(fā)車，進入乙站停車。不同坡度下運行能耗見表1。

表1　不同坡度下動車組運行能耗　kW·h

由表1可以看出，即使對于同一限速，各動車組的能耗差別很大。如在200 km/h限速時，CRH5動車組能耗最少，CRH1動車組能耗最大。CRH5能耗約是CRH1和CRH2能耗的70%。在250 km/h限速時，CRH3動車組能耗最大。CRH5能耗約是CRH1和CRH2動車組能耗的65%，約是CRH3動車組能耗的50%。因此，對于同一線路，即使限速相同，動車組選型不同，也會導致能耗量差別很大。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制的動車組能耗與坡度之間的關系曲線如圖2所示。

圖2　CRH型動車組能耗隨坡度變化曲線

由圖2可以看出，CRH型動車組能耗隨坡度變化曲線基本為線性直線，呈線性增長關系。在增長幅度上，CRH3型動車組增長最慢(CRH3

為了比較不同限速的動車組能耗水平，根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，選擇CRH2-250、CRH5-250和CRH3-350進行比較，結(jié)果如表2所示。其中的百分比(%)表示CRH2和CRH5動車組在限速250 km/h的能耗是CRH3動車組速350 km/h的能耗百分比。

表2　不同速度等級的動車組能耗比較

從表2可以看出，不同速度等級的動車組在同一線路上運行時，250 km/h等級的動車組比350 km/h等級的動車消耗的能量相差非常大。對于CRH2動車組約35%，CRH5動車組則超過了50%。因此，在運行時間允許的情況下，最好使用速度等級低一些的動車組來運行，這樣能夠有效地節(jié)約運行能耗。

3曲線半徑對運行能耗影響分析

曲線半徑是高速鐵路線路設計的重要參數(shù)之一，它的選擇直接影響著線路的工程投資、運營支出等經(jīng)濟指標[9，10]。曲線的線路的仿真環(huán)境與圖1類似，甲、乙車站之間為平坡道，線路平面存在一個曲線，位于甲、乙車站中間，曲線偏角α=30°，根據(jù)《高速鐵路設計規(guī)范》(TB10621—2014)推薦的曲線半徑值，設曲線半徑R∈[5 000，12 000]，如圖3所示。

緩和曲線長度按《高速鐵路設計規(guī)范》(TB10621—2014)中超高時變率f=25 mm/s條件下取值，求得圓曲線長度和起點里程見表3。

圖3　曲線半徑仿真線路示意(單位：m)

表3　圓曲線長度和起點里程數(shù)據(jù)　m

不同曲線半徑下的動車組運行能耗見表4。

表4　不同曲線半徑下動車組運行能耗　kW·h

不同曲線半徑下的CRH型動車組運行能耗關系如圖4所示。

圖4　動車組運行能耗隨曲線變化關系曲線

由圖4可以看出，隨著曲線半徑的增大(R∈[5 000，11 000])，動車組運行能耗隨曲線變化關系曲線基本為一直線，動車組運行能耗變化的幅度非常微小。為了比較變化量，根據(jù)表4數(shù)據(jù)，取各曲線半徑最大(11 000 m)和最小(5 000 m)能耗差作為比較參數(shù)，如表5所示。

從表5中可以得出，在曲線半徑≥5 000 m時，曲線半徑對動車組運行能耗影響可忽略不計。因此，在設計線路時，在地形條件允許和基本不增加工程量條件下，可盡可能采用較大曲線半徑，不僅能改善線形，還可為提速預留條件。

表5　動車組運行能耗隨曲線半徑變化量

4車站分布對運行能耗影響分析

車站分布作為高速鐵路的重大技術原則，對工程投資、運輸效率、運營成本、線路通過能力等產(chǎn)生較大影響[11，12]。在高速鐵路沿線，城市自然分布狀況并不是等距離分布，同時由于地形、地質(zhì)、水文等因素的影響，車站不可能按理想的站間距來布點，這樣，沿線的實際站間距呈不規(guī)則分布[13]，站間距一般為30～60 km。

研究車站分布對運行能耗的影響，仿真環(huán)境設計如下：共設10個車站，最小站間距20 km，最大100 km，相臨站間距按10 km依次增加。線路為平直線路，如圖5所示。

圖5　站間距仿真線路示意(單位:km)

因站間距不同，為保證結(jié)果的可比性，選用CRH1、CRH2、CRh3和CRH5動車組，采用單位距離運行能耗指標來比較。不同站間距下動車組單位距離運行能耗(kW·h/km)如表6和表7所示。

表6　不同站間距下動車組單位距離運行能耗(一)　kW·h/km

表7　不同站間距下動車組單位距離運行能耗(二)　kW·h/km

由表6和表7的數(shù)據(jù)可以得出，目標速度越大，在相同站間距條件下，動車組單位距離運行能耗也越大，如CRH3-350超過了CRH2-250的2倍(45.784/21.169=2.16倍)。

為了對比這種情況，從表6和表7中選用了2個代表性站間距60 km和100 km，用對應的單位距離運行能耗與20 km站間距的單位距離運行能耗進行比值，用百分比表示，見表8。

表8　不同站間距單位距離運行能耗比值　%

由表8可知，當站間距由20 km提高到60 km時，能耗下降25%～30%，提高到100 km時，能耗下降約40%～50%，可見提高站間距能夠有效的減少能耗。

通過站間距的仿真計算和分析，可得如下結(jié)論。

(1)對于CRH1型動車組，目標速度為250 km/h時，站間距從20 km提高到100 km，單位距離運行能耗從33.677 kW·h降低到18.318 kW·h，站間距平均每提高10 km，單位距離運行能耗降低5.70%。目標速度為200 km/h時，單位距離運行能耗從21.921 kW·h降低到13.504 kW·h，站間距平均每提高10 km，單位距離運行能耗降低5.79%。

(2)對于CRH2型動車組，目標速度為250 km/h時，站間距從20 km提高到100 km，單位距離運行能耗從33.555 kW·h降低到17.549 kW·h，站間距平均每提高10 km，單位距離運行能耗降低5.96%。目標速度為200 km/h時，單位距離運行能耗從20.005 kW·h降低到12.679 kW·h，站間距平均每提高10 km，單位距離運行能耗降低5.58%。

(3)對于CRH3型動車組，目標速度為350 km/h時，站間距從20 km提高到100 km，單位距離運行能耗從45.784 kW·h降低到28.815 kW·h，站間距平均每提高10 km，單位距離運行能耗降低5.63%。目標速度為300 km/h和250 km/h時，站間距平均每提高10 km，單位距離運行能耗分別降低6.14%和5.33%。

(4)對于CRH5型動車組，目標速度為250 km/h時，站間距從20 km提高到100 km，單位距離運行能耗從21.169 kW·h降低到12.836 kW·h，站間距平均每提高10 km，單位距離運行能耗降低5.92%。目標速度為200 km/h時，站間距平均每提高10 km，單位距離運行能耗降低5.57%。

(5)由以上分析可以得出，當動車組質(zhì)量和限速一定時，動車組單位距離運行能耗隨著站間距的增加而減小，其減小幅度在5%～6%。CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型動車組單位距離運行能耗降低的幅度非常接近，說明站間距對各CRH型動車組運行能耗的影響基本相同。由于能耗增加量小于站間距增加量，因此適當提高站間距可以減小能量消耗，這為高速鐵路線路車站布置提供參考。

根據(jù)表6和表7中的數(shù)據(jù)，CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型動車組單位運行能耗隨站間距變化關系如圖6所示。

圖6　動車組單位運行能耗與站間距關系曲線

5動車組質(zhì)量與限速對運行能耗影響分析

在線路條件和操縱方式相同的條件下，能耗由列車質(zhì)量、列車限速和站間距三個主要因素決定[14，15]。在下面的案例研究中，以CRH3型和CRH5型動車組為實例，固定站間距，使動車組運行能耗僅受動車組質(zhì)量和動車組限速的影響，分析動車組質(zhì)量與限速對動車組能耗的影響。

5.1CRH5型動車組實例

動車組質(zhì)量設定范圍為空員編組質(zhì)量和定員荷載質(zhì)量之間，依次為450、460、470、480、490和500 t六個級別。限速為200～250 km/h，速度間隔為10 km/h。站間為平坡道42 km。經(jīng)過仿真模擬運行，各種情況下的能耗見表9。

表9　不同質(zhì)量和限速的CRH5型動車組運行能耗

注：E—能耗，kW·h；T—運行時間，s。

站間距為42 km時的CRH5型動車組能耗與質(zhì)量曲線如圖7所示。

圖7　不同限速能耗與CRH5型動車組質(zhì)量關系曲線

由圖7可以看出，CRH5型動車組能耗隨其最大目標速度的提高、編組質(zhì)量的增大而增大，總體上呈線性增長關系，但目標速度比編組質(zhì)量對動車組運行能耗的影響更大。

根據(jù)表9中的數(shù)據(jù)，還可以得出運行時間與動車組質(zhì)量的關系曲線如圖8所示。

圖8　運行時間與CRH5型動車組質(zhì)量關系曲線

由圖8可以看出，對于同一限速，運行時間隨著動車組質(zhì)量的增大呈線性增長關系，但增長幅度小，說明由于動車組具有較大的牽引功率，動車組質(zhì)量對運行時間的影響非常小。此外，對于同一編組質(zhì)量，運行時間隨著限速的增大而減少，減少的幅度較大。

5.2CRH3型動車組實例

為了進行對比，同樣的線路條件下，對CRH3型動車組編組質(zhì)量為380～430 t(空載編組質(zhì)量和滿員荷載時的編組質(zhì)量)，限速為300～350 km/h，速度間隔為10 km/h。經(jīng)過仿真模擬運行，各種情況下的能耗見表10。

表10　不同質(zhì)量和限速的CRH3型動車組列車能耗

注：E—能耗，kW·h；T—運行時間，s。

站間距為42 km時的CRH3型動車組能耗與質(zhì)量曲線如圖9所示。

圖9　CRH3動車組能耗與動車組質(zhì)量關系曲線

由圖9可以看出，運行速度由330 km/h變化到340 km/h時，動車組的能耗基本相同(兩條曲線基本重合)。CRH3動車組運行時間與動車組質(zhì)量關系曲線如圖10所示。

圖10　CRH3運行時間與動車組質(zhì)量關系曲線

由圖10可以看出，對于相同的限速，運行時間隨著編組質(zhì)量的增大而增大；對于相同的編組質(zhì)量，運行時間隨著運行限速的增大而減小，總體上呈線性減小關系。

6結(jié)論

近年來，高速鐵路在我國獲得了飛速發(fā)展，我國鐵路已進入高速時代[16]，高速鐵路開行的動車組數(shù)量已占到旅客列車總數(shù)量的一半以上，動車組能耗已對鐵路運輸成本具有重要影響。將數(shù)據(jù)分析和計算機仿真技術相結(jié)合，定量分析各影響因素對動車組運行能耗的影響，得出了各因素對能耗的重要度和靈敏度。為分析高速鐵路節(jié)能優(yōu)化策略、節(jié)能運營組織和宏觀把握高速鐵路節(jié)能方向提供了參考和依據(jù)。根據(jù)計算和仿真分析，得出如下結(jié)論。

(1)由于動車組具有較大的牽引功率，動車組質(zhì)量對運行時間的影響非常小，因此動車組滿員荷載運行與部分空載運行基本上不影響動車組的運行時間。

(2)在目標速度和坡長都相同的情況下，動車組的運行能耗與坡度的關系為線性增長關系。不同類型的動車組增長幅度不同，排序為CRH3

(3)對于同一限速，各動車組的能耗差別很大。在200 km/h限速時，CRH5動車組能耗約是CRH1和CRH2動車組能耗的70%；250 km/h限速時約是CRH1和CRH2動車組能耗的65%、 CRH3動車組能耗的50%。因此，對于同一線路，即使限速相同，動車組選型不同，也會導致能耗量差別很大。

(4)不同速度等級的動車組消耗的能量相差非常大，甚至超過50%。因此，對于運行時間寬裕的線路，可采用速度等級低一些的動車組運行(如時速250 km動車組)，能有效降低運行能耗。

(5)曲線半徑大于5 000 m時，曲線半徑對動車組運行能耗影響微小，可忽略不計。因此，在設計線路時，在地形條件允許和基本不增加工程量的條件下，可盡可能采用較大曲線半徑，既能改善線形，又可為提速預留條件。

(6)站間距對各CRH型動車組運行能耗的影響基本相同。由于能耗增加量小于站間距增加量，因此提高站間距，可以有效地減小能量消耗。

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收稿日期：2015-11-09； 修回日期：2015-11-21

基金項目：國家自然科學基金資助(51278316)；河北省自然基金資助(E2014210111)；河北省教育廳項目(ZD20131026)

作者簡介：呂?？?1976—)，男，副教授，博士，2008年畢業(yè)于西南交通大學土木工程學院道路與鐵道工程專業(yè)，主要從事鐵路選線設計與研究工作，E-mail：Lvxikui@163.com。

文章編號：1004-2954(2016)06-0023-06

中圖分類號：U238； U212

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.006

Quantitative Analysis of Influence Factors of EMU Energy Consumption

LV Xi-kui1，SUN Pei-pei1，LI Yong-fa2

(1.School of Traffic and Transportation，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China; 2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

Abstract：EMU energy consumption has a significant impact on railway operation costs and train performance and operational status are the main factors influencing energy consumption of EMU. At present，the analysis of EMU energy consumption factors is mostly qualitative in nature. This thesis is based on the analysis of large amount of data and CRH EMU cases to set up different simulation environments by means of computer simulation technology. The paper quantitatively analyzes the impact of each factor on the energy consumption of CRH EMU in five key aspects of ramp design，curve radius，station distribution，EMU weight and speed limit to obtain the degree of importance and sensitivity of various factors related to energy consumption. A method for quantitative analysis of EMU energy consumption influence factors is practiced to solve the key problems arising from qualitative analysis to quantitative analysis. The research results provide more intuitive reference and basis to determine energy consumption level of EMU，optimize high-speed railway line design and save energy．

Key words：High-speed railway; EMU; Energy consumption; Influence factors; Analysis and simulation