ATO節(jié)能優(yōu)化模型研究

張燕武

摘? 要：綜觀城市的公共交通工具，其中軌道交通高速發(fā)展，而且具有運(yùn)量大、環(huán)保舒適、安全快捷等特點(diǎn)，尤其是CBTC技術(shù)的成熟應(yīng)用，為城市交通日益具增的矛盾提供了新的解決方案。在能耗方面，同級(jí)別運(yùn)力的情況下，汽車的能耗是軌道交通的9倍，公交車的能耗是2倍。但是軌道交通的運(yùn)量大，其總耗量是巨大的，極高的運(yùn)營(yíng)成本也不容忽視?！笆濉泵鞔_提出了創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享的發(fā)展理念，要求加快完善安全高效、智能綠色、互聯(lián)互通的現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)。因此想要降低成本、促進(jìn)低碳環(huán)保，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)列車的節(jié)能運(yùn)營(yíng)的研究。

關(guān)鍵詞：速度曲線;節(jié)能運(yùn)行;ATO控制策略;能耗優(yōu)化模型

中圖分類號(hào)：U284.48? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）05-0059-02

Abstract： A comprehensive view of urban public transport means， including the rapid development of rail transit， and with the characteristics of large traffic volume， environmental protection and comfort， safety and speed， especially the mature application of CBTC technology， provides a new solution for the increasing contradiction of urban transport. In terms of energy consumption， under the same level of transportation capacity， the energy consumption of automobiles is 9 times that of rail transit， and that of buses is 2 times. However， rail transit has a large traffic volume， its total consumption is huge， and the extremely high operating cost can not be ignored. The 13th Five Year Plan clearly puts forward the development concept of innovation， coordination， green， opening and sharing， and calls for accelerating the improvement of a safe， efficient， intelligent， green and interconnected modern infrastructure network. Therefore， in order to reduce costs and promote low-carbon environmental protection， we should strengthen the research on energy-saving operation of trains.

Keywords： velocity curve; energy-efficient operation; control strategy by ATO; energy consumption optimization model

1 背景

城市軌道交通由于其安全、可靠、運(yùn)力大等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于世界各地。至2018年未全國(guó)地鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)5761.4公里，在建6374公里，規(guī)劃建設(shè)7611公里。隨著城市軌道交通系統(tǒng)快速發(fā)展及客流量需求的日益增加，城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)總能耗迅速增加。不論是從企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益來(lái)講，還是建設(shè)節(jié)約型城市都是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。對(duì)消耗能源的主體進(jìn)行分解，車站運(yùn)營(yíng)和列車運(yùn)行是城市軌道交通系統(tǒng)能耗中最主要的兩部分。車站運(yùn)營(yíng)能耗則由空調(diào)、照明、電梯/電扶梯、站內(nèi)通風(fēng)、售/檢票機(jī)、車站機(jī)房設(shè)備等構(gòu)成;列車運(yùn)行能耗主要有列車牽引、機(jī)車設(shè)備、空調(diào)、照明等輔助設(shè)備。其中牽引能耗是城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)總能耗的主要部分，因此盡可能的降低列車的牽引能耗是研究列車節(jié)能優(yōu)化模型的核心內(nèi)容。列車自動(dòng)駕駛（Automatic Train Operation，簡(jiǎn)稱ATO）系統(tǒng)的主要作用是代替司機(jī)駕駛列車按推薦速度運(yùn)行、自動(dòng)開(kāi)關(guān)車門和輔助司機(jī)駕駛等提高列車運(yùn)行效率。ATO系統(tǒng)直接影響列車調(diào)整運(yùn)行速度，車站精確停車，列車的運(yùn)行效率以及節(jié)能運(yùn)行等。

2 列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)介紹

列車自動(dòng)駕駛（ATO）系統(tǒng)采用高可靠性的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)用單質(zhì)點(diǎn)、多質(zhì)點(diǎn)結(jié)合的列車動(dòng)力學(xué)模型，采用分層式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期的運(yùn)行曲線優(yōu)化和短周期的實(shí)時(shí)控制有機(jī)結(jié)合，使列車在自動(dòng)駕駛控制下準(zhǔn)點(diǎn)、精確、舒適和節(jié)能平穩(wěn)地運(yùn)行。列車運(yùn)行過(guò)程中，不僅要保證列車的最大行車效率，運(yùn)行過(guò)程中不超緊急制動(dòng)觸發(fā)速度，還要考慮精確性、舒適度、準(zhǔn)時(shí)性、節(jié)能等方面的運(yùn)營(yíng)需求。

（1）精確性。在目前的城市軌道交通中，車站幾乎都安裝了站臺(tái)安全門系統(tǒng)，為了不影響站臺(tái)乘降作業(yè)的效率，ATO必須滿足站臺(tái)停車誤差不超過(guò)30cm的精確停車要求。（2）舒適度。列車自動(dòng)駕駛的過(guò)程中，考慮線路坡度，線路彎道，列車牽引制動(dòng)性能等因素，通過(guò)逐級(jí)牽引，一次制動(dòng)等方式，減少列車在區(qū)間和進(jìn)出站過(guò)程中運(yùn)行的沖擊率，以保證乘客的舒適度。（3）準(zhǔn)時(shí)性。列車從始發(fā)站臺(tái)啟動(dòng)到終點(diǎn)站臺(tái)停車的運(yùn)行過(guò)程中，列車的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間與計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間的差需要小于規(guī)定值，盡量不早點(diǎn)或不晚點(diǎn)太多。（4）節(jié)能。列車運(yùn)行時(shí)，反復(fù)牽引制動(dòng)導(dǎo)致的耗電量遠(yuǎn)大于經(jīng)常處于惰行狀態(tài)時(shí)的耗電量。故而高效、經(jīng)濟(jì)、合理地控制列車運(yùn)行，考慮牽引/制動(dòng)特性，減少不必要的牽引切換頻率，達(dá)到節(jié)能效果。

3 節(jié)能優(yōu)化模型

列車的牽引能量來(lái)自供電系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)傳輸、變換后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制列車運(yùn)行。根據(jù)運(yùn)行調(diào)整命令、線路信息、車輛信息以及列車的運(yùn)行數(shù)據(jù)，計(jì)算出滿足舒適、準(zhǔn)點(diǎn)約束的節(jié)能運(yùn)行推薦速度曲線。其通過(guò)精確的輸出相應(yīng)的牽引與制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)推薦速度的準(zhǔn)確跟蹤。因此，建立列車節(jié)能優(yōu)化模型，優(yōu)化推薦速度及控制策略即可實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

（1）運(yùn)行時(shí)間模型。列車在兩站間的計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間T0，實(shí)際運(yùn)行時(shí)間T。

T差=T-T0;當(dāng)T差<0，說(shuō)明時(shí)間充足，可增加惰行時(shí)間，減少能耗，調(diào)整行車時(shí)間;當(dāng)T差=0，說(shuō)明時(shí)間恰好，列車可以準(zhǔn)點(diǎn)到站，無(wú)需調(diào)整;當(dāng)T差>0，說(shuō)明時(shí)間不足，需要列車按最高運(yùn)行效率運(yùn)行。

（2）能耗計(jì)算模型。能耗計(jì)算模型是通過(guò)對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行受力分析，從而得出基本阻力、附加阻力、牽引力、制動(dòng)力的計(jì)算模型，再根據(jù)列車在不同工況下實(shí)際作用在列車運(yùn)行方向上的牽引/制動(dòng)系統(tǒng)做功情況演化出來(lái)的，模型如圖1所示。

（3）能耗優(yōu)化模型。列車的能耗主要取決于線路信息、車輛信息、運(yùn)行等級(jí)、自動(dòng)控車策略。能耗優(yōu)化模型如圖2所示：

4 自動(dòng)控制策略

現(xiàn)有的ATO控制策略在精確追蹤目標(biāo)速度過(guò)程中，會(huì)因?qū)嶋H速度偏離目標(biāo)速度，反復(fù)實(shí)施牽引和制動(dòng)，雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車速度的精確控制，卻造成了能量的浪費(fèi)。因此通過(guò)一系列的優(yōu)化算法對(duì)速度曲線進(jìn)行優(yōu)化以減少列車運(yùn)行過(guò)程中不必要的加減速過(guò)程，從而達(dá)到節(jié)能的目的。如在不影響運(yùn)行效率的情況下，通過(guò)避免很短的高速部分的快速加減速過(guò)程從而達(dá)到節(jié)能的目的。基于現(xiàn)有的ATO控制策略，通過(guò)以下幾個(gè)方面對(duì)該策略進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)能效果。

4.1 控制策略

在規(guī)定的計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，列車從始發(fā)位置（S0）運(yùn)行至目標(biāo)位置（ST），可有預(yù)計(jì)算出多種不同的速度曲線，如圖3所示。每一條速度曲線，所對(duì)應(yīng)的列車能耗也是不相同的。故而，在列車運(yùn)行符合運(yùn)營(yíng)要求的情況下，選取一條能耗最小的速度曲線作為列車的推薦速度曲線。

（1）最快策略（S0-A1-A2-ST）。原則：盡最大可能發(fā)揮列車牽引/制動(dòng)，使列車以最短時(shí)間運(yùn)行。

（2）最經(jīng)濟(jì)策略（S0-B1-B2-ST）。原則：列車起步加速以最大牽引使速度快速達(dá)到穩(wěn)定速度，在列車運(yùn)行中間階段盡可能使用惰行。

（3）混合優(yōu)化策略（S0-C-ST）。結(jié)合“最快策略”、“最經(jīng)濟(jì)策略”盡可能的減少能耗、提高舒適度。

4.2 優(yōu)化控制原則

（1）運(yùn)行狀態(tài)保持。列車在線路上運(yùn)行始終處于牽引、惰行、制動(dòng)三種工況的其中之一，每一個(gè)工況下都必須保持一定的時(shí)間。（2）消除過(guò)低速度。列車從某一限速區(qū)域運(yùn)行到另一限速區(qū)域的過(guò)程中，需要盡可能維持高速通過(guò)，因此就要最大程度地減少手柄的變化的次數(shù)，會(huì)導(dǎo)致列車運(yùn)行速度過(guò)低。所以在列車進(jìn)入下一個(gè)限速區(qū)間前調(diào)整列車的速度，以防止列車過(guò)低速度運(yùn)行，從而提高列車的運(yùn)行效率。（3）運(yùn)行狀態(tài)中時(shí)刻切換。列車在運(yùn)行過(guò)程中，出站時(shí)施加最大牽引達(dá)到區(qū)間巡航速度，在區(qū)間盡量保持惰行，并減少牽引制動(dòng)頻率，直到列車速度低于推薦速度達(dá)到門限后再牽引。

5 結(jié)束語(yǔ)

建立列車運(yùn)行的節(jié)能優(yōu)化模型，并在原來(lái)ATO控制方法基礎(chǔ)上，優(yōu)化駕駛策略的控制方法。利用仿真結(jié)果為能耗優(yōu)化方案提供參考依據(jù)，并結(jié)合行車組織中計(jì)劃運(yùn)行圖的編制，合理組織列車，提高再生制動(dòng)的利用率;在高峰期和平峰期選擇不同的運(yùn)營(yíng)等級(jí)，合理的調(diào)整運(yùn)營(yíng)速度，從而達(dá)到降低牽引能耗的目標(biāo);同時(shí)在線路設(shè)計(jì)時(shí)加入節(jié)能坡的優(yōu)化設(shè)計(jì)。收集實(shí)際運(yùn)營(yíng)地鐵大量的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)并分析，進(jìn)一步完善控制策略，并近一步優(yōu)化ATO系統(tǒng)。

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