南京地鐵三號線列車牽引效能優(yōu)化研究

李研

摘要：結(jié)合南京地鐵三號線供電系統(tǒng)特征，建立單車能耗模型，針對地鐵列車的實際情況制定出最佳的能耗測試方案，準確的獲取列車的牽引能耗、再生制動能量，進一步優(yōu)化單車能耗模型。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng)；列車系統(tǒng)；運行圖編制；效能優(yōu)化

1 研究背景

1.1城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展以及城市客運的需求，全國各大城市的城市軌道交通發(fā)展建設(shè)如火如荼，截止2018年12月31日，中國大陸包括北京、上海、廣州等35座城市開通運營軌道交通線路，共189條線路，總里程高達5536公里，車站3719座。預(yù)計到2020年末，中國城市軌道交通運營線路長度超過8000公里。

1.2研究的方法

1.2.1 結(jié)合南京地鐵三號線供電系統(tǒng)特征，建立單車能耗模型，針對地鐵列車的實際情況制定出最佳的能耗測試方案，準確的獲取列車的牽引能耗、再生制動能量，進一步優(yōu)化單車能耗模型。

1.2.2針對“基于運行圖優(yōu)化實現(xiàn)牽引節(jié)能”進行理論研究，建立粒子群算法優(yōu)化數(shù)學模型，分析同一供電段內(nèi)兩列車或三列車的回饋能量與重疊時間的關(guān)系，找出使得回饋能量最大的最優(yōu)重疊時間，得出使得總回饋能量最大的最優(yōu)時刻表，并制定測試方案進行實際測試與驗證。

2 具體實施

2.1仿真模型驗證

2018 年 3.24-3.26，項目組對南京地鐵 3 號線進行了列車運行等級節(jié)能試驗：

3.24 日晚 23：10，項目組進行了兩個速度等級的下行空載測試。089090車安排在末班車后面以 ATO_2 模式（各區(qū)間運行時間較標準時間延長 5 秒）開行，23：15，091092 車安排在 089090 車后面以 ATO_3 模式（各區(qū)間運行時間較標準時間延長 10 秒）開行。

3.25 日晚 23：10，項目組進行了兩個速度等級的上行空載測試。089090車安排在末班車后面以 ATO_2 模式（各區(qū)間運行時間較標準時間延長 5 秒）開行，23：15，091092 車安排在 089090 車后面以 ATO_3 模式（各區(qū)間運行時間較標準時間延長 10 秒）開行。

以大明路-明發(fā)廣場為例，標準運行時間為2分鐘，實測牽引能耗為 10.38kw·h，TSim 仿真牽引能耗為 10.26kw·h。誤差在 1.2%左右。

2.2節(jié)能運行圖編制。根據(jù)3 號線上下行速度等級設(shè)計結(jié)果，南京南調(diào)度室編制節(jié)能運行圖。上行調(diào)整時間為+40 秒，預(yù)期節(jié)能率 8.69%；下行調(diào)整時間為+39 秒，預(yù)期節(jié)能率 8.12%。延長時間可在首末站折返線追回，不會對原有發(fā)車間隔和運力造成任何影響，同時，可滿足地鐵出行方式的時間要求，調(diào)整前后乘客不會有任何感知。

2.3列車群控優(yōu)化方案。列車的站間運行過程由系統(tǒng)自動控制運行，而其所遵循的時刻表則可以由運營部門根據(jù)需要在安全合理的前提下利用列車自動監(jiān)護子系統(tǒng)（ATS）的功能自主地進行編排與調(diào)整，這就為列車群控優(yōu)化方案的實施提供了可行性。

以現(xiàn)行使用的時刻表為基礎(chǔ)，通過對其進行調(diào)整以實現(xiàn)群控優(yōu)化方案。該優(yōu)化問題屬于多輸入（多個停站時間調(diào)整量、多個發(fā)車時刻調(diào)整量）問題，輸入數(shù)據(jù)因子較多，而且使用于一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，仍采用遺傳智能算法為工具對該復(fù)雜問題進行處理。

3 成果應(yīng)用效果分析

3.1節(jié)能驗證數(shù)據(jù)分析

3.1.1單車節(jié)能效果分析。對節(jié)能圖使用前后單車能耗情況進行分析，選取列車平峰時段運行曲線進行對比。其中，原圖和節(jié)能圖均為始發(fā)列車。原圖上行實際行駛時間為 3331S，下行實際行駛時間為 3301S，牽引能耗為 244.1kw·h，節(jié)能圖上行實際行駛時間為 3364S，比原圖延長 33S，牽引能耗為 229.8kw·h，節(jié)能驗證選用的上行速度等級曲線實測節(jié)能率為6.81%。

3.1.2節(jié)能驗證電耗統(tǒng)計。根據(jù)南京地鐵能管系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，對節(jié)能驗證期間每日 6：00-20：00 的能耗數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計和分析計算，結(jié)果顯示南京地鐵 3 號線車公里能耗在 6.7kw·h/車·公里，低于全國平均水平，體現(xiàn)了南京地鐵領(lǐng)先的運營管理水平。

4 成果創(chuàng)新點

4.1完成了南京地鐵 3 號線能耗測試

4.1.1設(shè)計了南京地鐵 3 號線在線列車能耗測試方案及變電站輸出電量測試方案。

4.1.2對南京地鐵 3 號線列車區(qū)間運行牽引能耗、回饋能量進行了系統(tǒng)、詳細的測試、分析和計算，為南京地鐵 3 號線等級節(jié)能研究奠定了基礎(chǔ)。

4.2建立南京地鐵 3 號線系統(tǒng)仿真模型

4.2.1對地鐵的實際車輛和供電系統(tǒng)進行詳細的電氣和能耗數(shù)據(jù)分析，采用電氣牽引瞬態(tài)仿真、供電仿真及地鐵運營仿真相結(jié)合的建模方法，建立完整的地鐵系統(tǒng)仿真理論模型。

4.2.2設(shè)計并建立了帶有列車牽引功率、電壓以及饋能綜合限幅的車輛牽引系統(tǒng)模型。

4.2.3建立了車輛、線路、變電所、接地網(wǎng)、接觸網(wǎng)、軌道、自動駕駛系統(tǒng)、自動調(diào)度系統(tǒng)等地鐵系統(tǒng)組成要素的統(tǒng)一模型。

4.2.4通過地鐵系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)與仿真系統(tǒng)的對比校驗，仿真與實際綜合誤差在 5%以內(nèi)。

4.3地鐵速度等級優(yōu)化設(shè)計與節(jié)能效果分析

4.3.1對列車區(qū)間運行時間、上下行運行時間、發(fā)車間隔、停站時間、折返時間、全天運營時間、在線運營車輛數(shù)量、高低平峰時段、列車追蹤間隔以及維保時間進行系統(tǒng)分析，建立完整的列車運行等級分析模型，選定 8 條速度曲線；

4.3.2編制節(jié)能時刻表，進行至少為期一周的全天載客測試，形成節(jié)能測試分析報告。

4.4提出簡單、方便、有效的軌道交通牽引節(jié)能方案

4.4.1建立瞬態(tài)電氣仿真模型和實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的地鐵全線路多車運行系統(tǒng)的精確仿真模型，以及模型修正和簡化方法。

4.4.2提出基于運行圖調(diào)整的等級節(jié)能優(yōu)化方案，研究快速尋優(yōu)方法和實時多機并行計算自動優(yōu)化調(diào)度支持技術(shù)。

5 改進建議

5.1針對于列車延誤或調(diào)整對線路其他車輛的影響，需要進一步研究具有一定自適應(yīng)功能的運行圖快速優(yōu)化方法，提高系統(tǒng)魯棒性。

5.2針對既有線路，需要研究對現(xiàn)行運行時間調(diào)整最小速度等級的節(jié)能效果。在保證列車運行安全的前提下，優(yōu)化時間調(diào)整幅度，進一步提高列車再生制動能量吸收效率。

5.3研究等級節(jié)能優(yōu)化方法與運營優(yōu)化、ATC 優(yōu)化、節(jié)能坡、有源回饋、超級電容吸收等其他節(jié)能方法的融合，因此，需要在已有基礎(chǔ)上，進一步加入多目標協(xié)調(diào)優(yōu)化算法。

5.4未來，南京市域軌道交通將達到 22 條線路，因此需要研究網(wǎng)絡(luò)化運營條件下，等級節(jié)能時刻表網(wǎng)絡(luò)化優(yōu)化運行的方法。

參考文獻：

[1] 袁敏捷. 地鐵運營優(yōu)化方案研究. 上海電機學院學報，2009（9）.

[2]李亞. 城市軌道交通線路運營計劃優(yōu)化方法研究.城市地理，2018

[3] 薛艷冰. 列車牽引能耗計算.中國鐵道科學， 2007（3）.

（作者單位：南京地鐵運營有限責任公司資產(chǎn)部工程師）