地鐵運(yùn)行模式對(duì)牽引能耗的影響分析

楊傳明+申國亮

摘 要：地鐵作業(yè)為大容量交通工具，已受到各大中型城市青睞，但是其高昂的運(yùn)營成本也飽受詬病。該文從地鐵運(yùn)行模式角度出發(fā)，就區(qū)間載客量、運(yùn)行時(shí)間、停站時(shí)間等因素與列車牽引能耗的關(guān)系進(jìn)行研究分析，并從建設(shè)規(guī)劃、運(yùn)行管理方面提出一些降低牽引能耗的措施。

關(guān)鍵詞：運(yùn)行模式 牽引能耗 載客量 再生制動(dòng)

中圖分類號(hào)：U292 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（c）-0085-02

1 研究背景

地鐵方便市民出行的同時(shí)其背后運(yùn)營成本壓力一直高居不下，根據(jù)軌道交通行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，地鐵電費(fèi)約占運(yùn)營成本的30%，而牽引能耗約占地鐵系統(tǒng)電能消耗的50%。地鐵電價(jià)一般參照工商業(yè)用電執(zhí)行，費(fèi)用較高，表1列出部分城市地鐵電價(jià)制定情況。

地鐵牽引能耗的影響因素較多，運(yùn)行模式與能耗有著密不可分的關(guān)系。該文結(jié)合東莞、深圳、鄭州等城市既有地鐵線路運(yùn)行情況，從運(yùn)行管理的角度開展因素分析，暫未考慮列車編組、車輛選型、運(yùn)營里程等要素變化的影響。文中的牽引能耗指列車在運(yùn)用中的能耗，并未特別區(qū)分出空調(diào)的能耗。

2 主要因素分析

2.1 載客量

一般來說地鐵載客量越大，整車的牽引能耗越大。如果單純從減少單列車載客量的角度出發(fā)，可通過增加上線列車數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，但同時(shí)上線列車數(shù)量變多成本也會(huì)相應(yīng)提高，與上述的初衷背道而馳。另一方面載客量也非絕對(duì)可控因素，特別是像深圳地鐵這樣高強(qiáng)度運(yùn)營的地鐵系統(tǒng)，必須盡全力及時(shí)滿足市民的出行需求。從整體經(jīng)濟(jì)效益來看，用盡可能少的車運(yùn)送最多的旅客是比較理想的方案。

2.2 區(qū)間運(yùn)行時(shí)分

列車區(qū)間運(yùn)行一般會(huì)經(jīng)過加速、惰行、制動(dòng)等過程。圖1黑色實(shí)線為FALKO編圖軟件模擬演示列車運(yùn)行速度軌跡。

在巡航及惰行階段能耗較少，而在起步的牽引階段產(chǎn)生較多能耗，在車輛牽引性能一定的情況下最好的節(jié)能方法是維持低速，即控制列車最高運(yùn)行速度，然而此方案會(huì)延長列車單程運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而影響地鐵客運(yùn)服務(wù)。

2.3 再生制動(dòng)能量的利用

目前多數(shù)地鐵車輛都具備再生制動(dòng)功能，在同一供電分區(qū)內(nèi)如果錯(cuò)開列車啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)刻，可以使部分列車?yán)闷渌熊囋偕苿?dòng)產(chǎn)生的回饋電流，從而達(dá)到降低牽引能耗的目的。此策略需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)調(diào)查和時(shí)間節(jié)點(diǎn)計(jì)算，根據(jù)其結(jié)果修改運(yùn)行圖參數(shù)，考慮到地鐵車站位置、供電分區(qū)分布以及客運(yùn)服務(wù)等因素影響，該方案一般并不能充分實(shí)現(xiàn)。

2.4 停站時(shí)間

列車停站時(shí)間長短本身與牽引能耗并無直接關(guān)系，但是目前多數(shù)信號(hào)系統(tǒng)具備自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行時(shí)間功能，如果列車停站時(shí)間超出系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間，列車啟動(dòng)后會(huì)調(diào)整速度控制模式自動(dòng)趕點(diǎn)，造成列車區(qū)間運(yùn)行時(shí)間小于圖定值，相應(yīng)牽引能耗隨之增加。在特定情況下也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況控制停站時(shí)間以減少能耗，例如深圳地鐵4號(hào)線（約47%站點(diǎn)在高架線路），就在編圖中盡量控制停站開門時(shí)間，此舉意在降低車內(nèi)冷氣的耗散速度。

2.5 其他因素

除上述因素外，列車牽引能耗還和線路臨時(shí)限速、列車駕駛模式存在一定關(guān)系。列車運(yùn)行至限速區(qū)段一般需要先降低速度再提升速度，相對(duì)未設(shè)置臨時(shí)限速情況下能耗會(huì)有一定的提高。根據(jù)廣州地鐵、北京地鐵的測(cè)算，在客流較大情況下，人工手動(dòng)駕駛較ATO模式駕駛牽引能耗略少，但同時(shí)存在著列車運(yùn)行平穩(wěn)度較差、容易發(fā)生安全事故等缺點(diǎn)。

3 降低能耗的建議

3.1 合理安排上線列車數(shù)量

列車上線數(shù)量應(yīng)根據(jù)市民出行規(guī)律、客流強(qiáng)度等合理設(shè)定。對(duì)于深圳地鐵等客流較大的線路應(yīng)綜合研究降低單列車載客量節(jié)省能耗與增加上線列車數(shù)費(fèi)用差額進(jìn)行對(duì)比，選取最佳方案；對(duì)于東莞地鐵等客流較小的線路，應(yīng)在滿足市民出行需求的前提下盡量減少上線列車數(shù)量。此外，各地鐵應(yīng)根據(jù)客流特點(diǎn)、季節(jié)等因素合理選取高、低峰時(shí)間段，做到市民出行需求與上線列車數(shù)量的盡量匹配。

3.2 充分利用輔助條件

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在編制運(yùn)行圖時(shí)一般都會(huì)保留一定的冗余量，即在發(fā)揮系統(tǒng)最大功能下，單程最短運(yùn)行時(shí)間基礎(chǔ)上增加一定時(shí)間余量（例如10%），以保證調(diào)度在行車組織時(shí)有一定的時(shí)間彈性，避免晚點(diǎn)。同時(shí)該方法也可以達(dá)到一定的節(jié)能效果，在列車未晚點(diǎn)情況下，一般列車會(huì)低于目標(biāo)速度運(yùn)行。在編制列車運(yùn)行圖時(shí)也應(yīng)考慮利用列車再生制動(dòng)反饋于電網(wǎng)的能量。此外，部分地鐵線路已考慮單獨(dú)設(shè)置再生制動(dòng)能量吸收裝置，例如深圳地鐵6號(hào)線支線計(jì)劃在正線車站設(shè)置回饋至35 kV側(cè)的逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置，東莞軌道交通2號(hào)線也在部分站點(diǎn)開展類似試驗(yàn)。

3.3 優(yōu)化列車停站時(shí)間

停站時(shí)間應(yīng)根據(jù)單個(gè)車站客流特點(diǎn)設(shè)定，一般大客流站可設(shè)定稍長時(shí)間，客流較小車站設(shè)置較短時(shí)間，同時(shí)在乘客較少情況下可提前關(guān)門啟動(dòng)列車（如信號(hào)系統(tǒng)具備該功能），使列車區(qū)間運(yùn)行可以不用運(yùn)行至最高速度。另外，在客流較大車站還可組織車站人員配合乘客乘降列車，避免列車實(shí)際停站時(shí)間超過圖定時(shí)間，從而降低牽引能耗。

3.4 提前規(guī)劃系統(tǒng)降耗功能

根據(jù)現(xiàn)有地鐵運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)，列車早晚進(jìn)出車輛段/停車場(chǎng)一般都會(huì)有一段空駛時(shí)間，如合理選取車輛段和停車場(chǎng)位置可有效降低空駛里程，在一定程度上降低牽引能耗。在地鐵建設(shè)期設(shè)計(jì)合理的進(jìn)出站坡度，列車進(jìn)站時(shí)上坡、出站時(shí)下坡，利用自身重量進(jìn)行能量對(duì)沖，也可以減少能耗。

3.5 其他建議

為了使列車牽引能耗降低，還可以從以下幾個(gè)方面入手：嚴(yán)格控制臨時(shí)限速的區(qū)段和時(shí)間，最大限度地減少臨時(shí)限速對(duì)列車運(yùn)行的影響；合理組織司機(jī)人工駕駛，盡量減少頻繁牽引制動(dòng)的次數(shù)；OCC組織列車適當(dāng)提前發(fā)車，以避免列車運(yùn)行至最高速度。

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