ATO列車惰行模式節(jié)能應用研究

黃 璞

(杭州杭港地鐵有限公司 杭州 310017)

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ATO列車惰行模式節(jié)能應用研究

黃 璞

(杭州杭港地鐵有限公司 杭州 310017)

在借鑒國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，在國內(nèi)運營線路上對ATO(列車自動運行系統(tǒng))惰行控制進行實際測試，得到ATO列車在運營時刻表下惰行模式的實際節(jié)能效果。結(jié)果表明：在列車運行過程中，采用惰行模式可以有效降低列車的能耗，達到節(jié)能減排的目的；并結(jié)合線路運營情況，對ATO列車惰行模式運營進行ATS(列車自動監(jiān)控系統(tǒng))時刻表優(yōu)化和到發(fā)站操作流程的優(yōu)化，可降低節(jié)能模式對運營服務的影響。

城市軌道交通；列車自動運行系統(tǒng)；惰行；節(jié)能

隨著城市化進程的不斷發(fā)展，在帶動城市經(jīng)濟增長的同時，也帶來了諸如交通擁堵、環(huán)境污染、能源消耗等城市問題。為降低在城市化進程中出現(xiàn)的交通問題，越來越多的城市選擇了“公交優(yōu)先”的發(fā)展模式，城市軌道交通作為公共交通的重要組成部分，具有安全、快捷、準點、環(huán)保、運輸能力大等特點，受到城市建設的青睞。

截至2015年底，國內(nèi)城市軌道交通運營線路累計達到97條，運營總里程達到3 087 km，運營車站達到2 023座，居世界第一位[1]。而軌道交通是一個能耗較大的行業(yè)，根據(jù)目前軌道交通運營線路的能耗數(shù)據(jù)分析，列車運行時的牽引用電約為總用電量的50%～60%。當前，國內(nèi)使用CBTC(基于通信的列車自動控制系統(tǒng))運營的線路，運營行車間隔最小可達90 s，隨著行車間隔的縮短，牽引用電量隨之上升，總運營能耗量呈增長趨勢，運營成本隨之上升。因此，通過技術(shù)手段降低城市軌道交通能耗，減少用電總量，成為降低城市軌道交通運營成本最為有效的途徑。

在地鐵列車節(jié)能控制方面，國內(nèi)外進行了大量研究[2]。在設計階段可考慮增加節(jié)能坡、列車使用節(jié)能設備等，在運營階段可考慮列車采用惰行、編制節(jié)能時刻表的方式來實現(xiàn)。本文在借鑒國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，在國內(nèi)某條運營線路上對Ansaldo STS CBTC系統(tǒng)的惰行控制進行了實際測試，得到了在相應ATS(列車自動監(jiān)控系統(tǒng))時刻表下ATO(列車自動運行系統(tǒng))列車“惰行”的實際節(jié)能效果。

1 惰行節(jié)能研究

1.1 惰行在列車運行過程中的作用

在列車運行過程中，列車發(fā)動機停轉(zhuǎn)，列車處于無牽引、無制動，只在阻力作用下運行的過程，該過程即為列車的惰行。列車在線路上的運行主要有牽引、惰行、制動等3種工況，列車在不同工況下的耗能存在明顯區(qū)別。由于列車在惰行過程中只有較少時間進行牽引，使列車運行時電能的消耗得以減少。在列車運行過程中，適當?shù)夭扇《栊?，可以有效減少列車牽引用電的使用，從而達到節(jié)約能耗的目的[3]。地鐵列車在站間運行過程中，盡量多使用惰行，是一種有效的列車節(jié)能方式。

1.2 列車惰行節(jié)能方案

針對已運營的線路，結(jié)合運營密度，在確保運能、投入列車數(shù)量最少的基礎(chǔ)上，理論上采用“ATO+惰行”模式運行的列車，其牽引用電最小。ATO列車惰行運行曲線如圖1所示。

圖1 惰行運行曲線

圖1顯示了列車出站(A)先加速, 然后惰行、減速,最后停在臨近車站(B)。當ATO接收到一個指令，列車達到最大線路速度后惰行[4]。這樣，就會造成運行時間將按特定比例增加(紅色惰行曲線)，降低運行速度也進一步減少了能源消耗。正如圖1所顯示的，與正常規(guī)定速度相比，列車減少了加速請求，因此減少了牽引所需動力，最終減少了列車的能源需求。

在列車運行過程中，線路條件、站間距離、區(qū)間限速和運行時間是影響惰行控制方案的主要因素[5]，不同的線路在線路設計方面均存在差異。信號系統(tǒng)需根據(jù)這些條件并結(jié)合ATS時刻表設定ATO列車惰行運行的持續(xù)時效值及采用惰行的時機[6]。

2 惰行節(jié)能驗證

2.1 抽樣驗證

為了驗證惰行方案的正確性，在運營線路組織進行了相應的測試。在測試過程中，根據(jù)運營實際需求，分別使用了工作日、雙休日運營時刻表(工作日、雙休日根據(jù)客流量采用了不同的高峰運營時段，不同的上線運營列車數(shù))。為了保證測試結(jié)果的準確性，節(jié)能測試過程分2個階段進行，第1階段為抽樣驗證，選取了2列采樣列車。

使用工作日A時刻表，第1天，選用2列車(1#、2#)全天使用ATO模式運營，列車回庫后采集全天能耗值及運行里程作為測試參考值(列車在自身VCU中儲存了當前的運行里程及總能耗值)；第2天，在相同時刻表下對該兩列車(1#、2#)在運營高峰時段使用“ATO+惰行”模式；第3天，在同一時刻表下，對該兩列車(1#、2#)在全天運營時段使用“ATO+惰行”模式。具體3天的每千米能耗值如表1所示。

表1 每千米能耗統(tǒng)計(工作日) kWh

使用雙休日B時刻表，第1天，繼續(xù)選用原測試列車(1#、2#)全天使用ATO模式運營；第2天，在同一時刻表下，對該兩列車(1#、2#)在全天運營時段使用“ATO+惰行”模式。

列車回庫后采集全天能耗值及運行里程，具體周末的每千米能耗值如表2所示。

表2 每千米能耗統(tǒng)計(周末) kWh

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全天使用“ATO+惰行”模式運營的列車，每千米能耗值明顯低于不使用惰行模式運營的列車，具體如圖2所示。

圖2 第1階段能耗值對比

根據(jù)該階段的測試結(jié)果，使用惰行模式運行的列車，能耗值明顯低于不使用惰行模式運行的列車，并且惰行模式持續(xù)時間越久，節(jié)能效果越明顯。

2.2 多列車驗證

由于第1階段測試時僅采樣了2列車的數(shù)據(jù)，為了更真實地反映出測試數(shù)據(jù)的有效性，第2階段測試期間增加了采樣列車的數(shù)量，對多列車使用了“ATO+惰行”的運行模式。 為了保證數(shù)據(jù)的真實、有效性，具體測試結(jié)果如表3所示。

表3 第2階段能耗統(tǒng)計

其中，工作日使用A時刻表， 2月6日、2月12日全天所有列車在ATO模式下運行，作為測試參考數(shù)據(jù)；2月5日、2月13日全天運營列車均使用“ATO+惰行”模式運行。雙休日使用B時刻表，2月8日、2月14日全天所有列車在ATO模式下運行，作為測試參考數(shù)據(jù)；2月7日、2月15日全天運營列車均使用“ATO+惰行”模式運行。

第2階段統(tǒng)計數(shù)據(jù)同樣顯示，全天使用“ATO+惰行”模式運營的列車，每千米能耗值明顯低于不使用惰行模式運營的列車，具體如圖3所示。

圖3 第2階段能耗值對比

根據(jù)驗證，第1、2階段測試數(shù)據(jù)均表明，使用惰行模式運行的列車，能耗值明顯低于不使用惰行模式運行的列車，并且惰行模式持續(xù)時間越久，節(jié)能效果越明顯，與設計理論相吻合。

3 惰行節(jié)能對運營服務的影響

3.1 運營影響

采用惰行模式運行的列車，由于減少了牽引的作用時間，相應增加了列車區(qū)間走行時間，如圖4所示。

圖4 惰行運行時間曲線

列車區(qū)間走行時間的增加將增加乘客的乘車時間，降低運營服務水平。為了檢驗采用惰行模式運營的ATO列車對運營服務的影響，測試結(jié)束后，調(diào)取了全天列車的運行圖。經(jīng)驗證表明，使用惰行模式運行的列車，ATO列車將會依照時刻表，將運行速度自動調(diào)整到運營可接受的延誤時差范圍內(nèi)。惰行列車運行圖如圖5所示。

圖5 惰行列車運行圖

3.2 時刻表優(yōu)化調(diào)整

運營期間，由于存在車門、屏蔽門故障及高峰期大客流沖擊等各種不確定因素，為了減小采用惰行運行對運營服務的影響，根據(jù)ATO惰行模式運行測試的狀況，對運行時刻表進行部分優(yōu)化。

時刻表優(yōu)化以現(xiàn)有運營間隔不變、滿足準點率為前提。該運營測試線路，平峰期間，運營間隔相對較疏，列車發(fā)車間隔為320 s；高峰期間，運營間隔相對較密，列車發(fā)車間隔為180 s。根據(jù)國外的研究經(jīng)驗，通過調(diào)整列車停站時間和惰行時間來優(yōu)化惰行時刻表[7]。

平峰期間，站臺客流量相對較少，通過縮短站停時間來彌補因采用惰行增加的區(qū)間運行時間，以滿足準點率。以站臺A到站臺B為例，平峰時間段優(yōu)化調(diào)整前后的對比結(jié)果如表4所示。

表4 平峰期間對比 s

高峰期間，考慮到站臺客流量相對較多，保持原有站停時間不變，通過增加區(qū)間列車惰行的次數(shù)來減少惰行的作用時間，以滿足準點率[8]。但減少惰行作用時間，降低了節(jié)能的效果。以站臺A到站臺B為例，高峰時間段優(yōu)化調(diào)整前后的對比結(jié)果如表5所示。

表5 高峰期間對比 s

3.3 到發(fā)站操作流程優(yōu)化

ATO模式是有人監(jiān)督的列車自動運行模式，該模式運行的列車，開關(guān)門模式一般有3種：手動開/手動關(guān)、自動開/手動關(guān)、自動開/自動關(guān)模式，列車發(fā)車時需人工按壓ATO發(fā)車確認按鈕?？紤]到人為操作的不確定性，惰行測試完成后對列車到發(fā)站的操作流程做以下優(yōu)化。

1) 對采用惰行模式運營的ATO列車，列車開關(guān)門模式選用自動開/手動關(guān)或自動開/自動關(guān)，以縮短列車停穩(wěn)站臺到車門打開的時間，增加乘客上下車的窗口時間；

2) 司機嚴格依照列車發(fā)車計時器的倒計時進行關(guān)門作業(yè)(如采用自動開/手動關(guān)模式)，根據(jù)發(fā)車計時器的提示信息準時按壓ATO發(fā)車按鈕發(fā)車[9]，以縮短車門關(guān)閉到列車發(fā)車的窗口時間，提高列車的準點率；

3) 線路終點站折返均啟用ATB無人自動折返[10]，以便縮短折返用時，保證列車在運行期間產(chǎn)生延誤時，可在折返時將延誤時間追回。

4 結(jié)語

根據(jù)應用研究結(jié)果，使用惰行模式運行的列車，能耗值明顯低于不使用惰行模式運行的列車，并且惰行模式持續(xù)時間越久，節(jié)能效果越明顯。

參照本條實驗線路，使用Ansaldo STS CBTC信號系統(tǒng)運營的線路，當列車采用ATO+惰行模式運行時，通過對時刻表、到發(fā)站操作流程進行優(yōu)化后，可滿足運營各項要求，不會對運營服務造成影響；可推廣到其他軌道交通運營線路使用ATO+惰行模式，以達到節(jié)約能耗的目的。

[1] 肖明，敖凡迪.城市軌道交通建設大提速： 超大城市成投資熱點[N].21世紀經(jīng)濟報道，2015-6-16(7).

[2] 馬超云，毛保華，梁肖，等.地鐵列車節(jié)能運行惰行控制研究[J].交通信息與安全， 2010，28(2):37-42.

[3] 段晨寧.地鐵列車節(jié)能技術(shù)的應用[J].鐵道通信信號， 2003，39(8):38-39.

[4] 杭州市地鐵集團有限責任公司.杭州地鐵1號線工程信號系統(tǒng)設備采購與服務合同：技術(shù)規(guī)格與要求[G].杭州，2009：158.

[5] 馬少坡，劉煒，周曉輝，等.基于惰行節(jié)能規(guī)律的列車運行仿真研究[J].鐵道機車車輛， 2011，31(3):25-29.

[6] 王棟，劉煒，李群湛，等.城市軌道列車惰行優(yōu)化研究[J].鐵道機車車輛， 2014，34(5):47-50.

[7] WONG K K，HO T K .Dwell-time and run-time control for DC mass rapid transit railways[J].IET of Electric Power Application，2007，1(6):956-966.

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[9] 杭州杭港地鐵有限公司.ATO_ATPM行車模式作業(yè)指引[G].杭州，2015：11-14.

[10] 杭州杭港地鐵有限公司.ATB自動折返操作指引文件[G].杭州，2014：5-8.

(編輯：曹雪明)

Research on Energy Conservation of ATO Coasting Control Mode

Huang Pu

(Hangzhou MTR Corporation Limited,Hangzhou 310017)

Based on the research results both at home and aboard, the tests on domestic ATO coasting control have been done to get the actual energy conservation effects under ATO train timetable with coasting mode. It is concluded that the "coasting" mode can effectively reduce the energy consumption of the train during the train running process and finally achieve the purpose of energy conservation; by taking into account the actual operation situation, the schedules and departure station operating procedures have been optimized,which can help reduce the impact of energy conservation mode on operation service.

urban rail transit; ATO; coasting; energy conservation

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.011

2015-07-07

2015-07-27

黃璞，男，本科，高級信號維修工程師，從事CBTC信號設備的開發(fā)、維護研究，huangwang0938@163.com

U231 F530.7

A

1672-6073(2016)04-0052-04