零?？空{(diào)度技術(shù)的軌道運(yùn)輸節(jié)能效率測試研究

魏仁輝

摘要：與國民經(jīng)濟(jì)的迅猛增長相伴隨，我國軌道交通承載的運(yùn)輸負(fù)荷逐年增加，為提高運(yùn)力，壓縮客運(yùn)、貨運(yùn)列車占用軌道與站臺的時間，以對運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的保證為前提降低能源消耗，進(jìn)行零?？空{(diào)度技術(shù)的研究，通過將其應(yīng)用于軌道交通運(yùn)輸中，實現(xiàn)對列車需?？空九_與無需?？空九_車廂的動態(tài)與有序分離。經(jīng)測試驗證，零停靠調(diào)度技術(shù)這一構(gòu)想的能耗節(jié)省率與時間效率提升效果明顯，可有效節(jié)省列車起停時間與動能源損耗，經(jīng)濟(jì)效益與社會效益顯著。

關(guān)鍵詞：零?？空{(diào)度技術(shù)，軌道交通，列車運(yùn)輸，節(jié)能效率，時間效率

中圖分類號：TK01+8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001—5922（2021）02—0052—04

在交通問題日益嚴(yán)峻的背景下，軌道運(yùn)輸愈發(fā)受到青睞，逐漸發(fā)展為公共交通運(yùn)輸方式的骨干。與其他公共交通運(yùn)輸工具相比，軌道運(yùn)輸具有運(yùn)量大、安全舒適、快速環(huán)保等優(yōu)點，可極大地緩解地面壓力，然而與客運(yùn)量與貨運(yùn)量的不斷增長相伴隨，軌道運(yùn)輸巨大的能源消耗問題也越來越突出，節(jié)能研究意義重大。

在軌道交通運(yùn)營環(huán)節(jié)，各種運(yùn)輸組織因素如車型、車輛啟動制動方式、車輛最高速度、站間距、牽引供電系統(tǒng)電壓與饋電方式、季節(jié)因素、線路條件與行車密度等均對車輛運(yùn)行能耗有重要影響?？茖W(xué)的運(yùn)輸組織方式可在確保運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量的前提之下合理配置資源，降低不必要的能源消耗。文章提出零停靠調(diào)度構(gòu)想，通過軌道動態(tài)分離運(yùn)輸環(huán)節(jié)需要?？空九_及無需?？空九_中轉(zhuǎn)的車廂，達(dá)到將現(xiàn)有軌道運(yùn)輸節(jié)能效率提高的目的。

1軌道交通車輛運(yùn)輸相關(guān)概念

1.1運(yùn)輸模式與運(yùn)輸內(nèi)容

從運(yùn)輸模式來看，軌道交通車輛運(yùn)輸計劃包括固定區(qū)段與不固定區(qū)段兩種模式，其中，不固定模式是編制計劃時優(yōu)先考慮的運(yùn)輸模式，指運(yùn)輸?shù)膮^(qū)段是不固定的，這樣軌道交通運(yùn)輸車輛有較高的利用率，可將快速靈活的特點有效發(fā)揮出來。然而，由于此模式需折返作業(yè)，無法保證持續(xù)時間的緊湊性，在有較大運(yùn)行干擾出現(xiàn)之時，會對車輛的運(yùn)輸產(chǎn)生影響。相對來說，固定模式簡單，有利于軌道交通運(yùn)輸車輛的管理，故此模式依舊可行。

從運(yùn)輸內(nèi)容來看，可將運(yùn)行線路、連續(xù)環(huán)節(jié)形成的每套列車組每天的運(yùn)輸計劃稱為軌道交通運(yùn)輸列車組交路段，根據(jù)滿足檢修要求的接續(xù)規(guī)則連接可用交路段，可以形成列車組運(yùn)輸檢修周期內(nèi)的運(yùn)輸計劃，稱作列車組運(yùn)輸交路。

顯而易見，固定與不固定模式都可以產(chǎn)生交路段，交路段可構(gòu)成列車組運(yùn)輸交路。軌道交通運(yùn)輸列車組運(yùn)輸計劃需要兩種模式的結(jié)合，基于不固定模式進(jìn)行固定模式的補(bǔ)充，以此將各模式優(yōu)點充分發(fā)揮出來。圖1所示為兩種運(yùn)輸模式。

圖1所示的不固定模式交路由兩個交路段組成，表示某一軌道交通運(yùn)輸列車組第1天從A站始發(fā)，按交路段1（4-5-10）運(yùn)行之后停留于c站;第2天，該列車組又由c站始發(fā)，按交路段2（1-6-9）運(yùn)行之后在A站所屬運(yùn)輸所接受一級檢修。固定模式交路僅含一個交路段3（2-3-8-7-12-11），第1天由A站始發(fā)，按交路段運(yùn)行之后返回至A站所屬運(yùn)輸所，第2天繼續(xù)此交路段運(yùn)行，之后在A站所屬運(yùn)輸所接受一級檢修。

1.2接續(xù)時間與運(yùn)輸時間

軌道交通運(yùn)輸列車組的接續(xù)時間與運(yùn)輸時間是對列車組運(yùn)輸效率進(jìn)行衡量的重要概念，前者指在一個交路段內(nèi)，由列車組擔(dān)當(dāng)某次列車運(yùn)行到某終到站時起，到列車組再次擔(dān)當(dāng)其他車次由此站始發(fā)時止的在站作業(yè)停留時間;后者指列車組在擔(dān)當(dāng)某交路過程中在途運(yùn)輸時間（含停站時間在內(nèi)）與接續(xù)之間之和。

2零?？空{(diào)度技術(shù)構(gòu)想

傳統(tǒng)的軌道交通，運(yùn)輸模式都是在運(yùn)輸線路沿途各個站點?？浚┏丝蜕舷?lián)Q乘或貨物中轉(zhuǎn)。以客運(yùn)列車為例，此類列車載客量很大，每一停靠站均是為較小比例的乘客上下而停車，轉(zhuǎn)而又重新啟動并加速，消耗的動能與車組數(shù)量的增加相伴隨而逐漸增大，列車運(yùn)輸時間成本也會增加。以南寧至北京的T5次快速列車為例，全程27h58min，而僅消耗在?？空镜目倳r間就有1h33min。

針對上述情況，可以將傳統(tǒng)運(yùn)輸模式改變，以縮短或省去不必要的停靠時間，降低起停車組動能損耗為目標(biāo)，基于精確測量定位、車速控制以及計算機(jī)車輛安全調(diào)度系統(tǒng)等技術(shù)的支持，實現(xiàn)軌道交通運(yùn)輸列車的零?？空{(diào)度運(yùn)營。

此處同樣以快速列車為例對軌道交通運(yùn)輸列車的零?？空{(diào)度技術(shù)進(jìn)行構(gòu)想。列車從始發(fā)站出發(fā)，在其最后1節(jié)（或2節(jié)）車廂進(jìn)行乘客上下車周轉(zhuǎn)車廂（此處視作A周轉(zhuǎn)車廂）的加掛;第2站準(zhǔn)備另一上下車周轉(zhuǎn)車廂（視作B周轉(zhuǎn)車廂），事先做好乘客上車候車的安排;第3站準(zhǔn)備第3組上下車周轉(zhuǎn)車廂（視作C周轉(zhuǎn)車廂），同樣做好乘客上車候車的安排。在列車運(yùn)行至第2站之前的半個小時之時，將準(zhǔn)備在第2站下車的乘客統(tǒng)一轉(zhuǎn)移至A周轉(zhuǎn)車廂，待轉(zhuǎn)移工作完成之后列車同A周轉(zhuǎn)車廂脫鉤并勻速向前行進(jìn)，A周轉(zhuǎn)車廂則承載準(zhǔn)備下車的乘客緩慢減速，同列車分離拉開大約5min的車距，之后繼續(xù)前行，待行駛進(jìn)入第2站之后，軌道扳道切換引導(dǎo)A周轉(zhuǎn)車廂進(jìn)入站臺停車，乘客下車;進(jìn)一步地，待列車以之前行駛速度勻速駛出第2站之后，B周轉(zhuǎn)車廂追趕列車并同其掛接，B周轉(zhuǎn)車廂所載上車乘客向列車轉(zhuǎn)移，而準(zhǔn)備在第3站下車的乘客則統(tǒng)一轉(zhuǎn)移至B周轉(zhuǎn)車廂，待轉(zhuǎn)移工作全部完成之后列車同B周轉(zhuǎn)車廂脫鉤并勻速向前行駛，B周轉(zhuǎn)車廂則承載準(zhǔn)備下車的乘客緩慢減速，同列車分離拉開大約5min的車距，之后繼續(xù)前行，待行駛進(jìn)入第2站之后，軌道扳道切換引導(dǎo)B周轉(zhuǎn)車廂進(jìn)入站臺停車，乘客下車;以此類推，待列車以之前行駛速度勻速駛出第3站之后，c周轉(zhuǎn)車廂追趕列車并同其掛接。A周轉(zhuǎn)車廂在進(jìn)入第3站之后，作為下一趟列車的追趕周轉(zhuǎn)車廂，B周轉(zhuǎn)車廂進(jìn)入第3站之后，作為下一趟列車的追趕車廂。

3軌道運(yùn)輸節(jié)能效率測試

3.1能耗節(jié)省率測試

以某和諧號c型電力動車組為例測算應(yīng)用零停靠調(diào)度技術(shù)后的軌道運(yùn)輸節(jié)能效率，該動車組列車總質(zhì)量400t，列車在勻速行駛過程中時速可以達(dá)到300km/h，行程2000km，停靠站數(shù)平均為10站，對動車組行駛產(chǎn)生驅(qū)動作用的電機(jī)功率為4600kW，折算到主變壓器原邊側(cè)的功率大約為5500kW，考慮到列車反復(fù)的啟動與停站會造成動能損失，計算如公式（1）所示：

按照0.5元/（kW-h）的工業(yè)用電價格計算，列車每日平均運(yùn)行時長為10h，則其年節(jié)約能耗可達(dá)1.06x10⁶元。若進(jìn)一步按照29307kJ/kg的折標(biāo)煤系數(shù)計算，則其每年節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤大約為260t，對應(yīng)的CO2與SO2排放量的減少大約為680t與2.21t。

3.2時間效率提升測試

以南京東至北京西的G422列車為例，全程總耗時12h59min，中途?？?9個站，每個站停車時長不一，一共為68min（停車減速與啟動提速時間折算在內(nèi)），采用零停靠調(diào)度技術(shù)，列車可減少68min的運(yùn)行時間，時間效率提升為68/（12×60+59）×100%=1%。按照普通列車T5計算，南寧站至北京站總耗時27h58min，采用零?？空{(diào)度技術(shù)，列車減少1h33min的運(yùn)行時間，時間效率提升為（1×60+33）/（27x60+58）x100%=5.90%。

3.3模型驗證

為了對零?？空{(diào)度技術(shù)應(yīng)用中列車能耗同運(yùn)輸距離的關(guān)系進(jìn)行驗證，此處制作一個半徑為5m的水平圓形列車軌道模型，列車配用電池使用鋰電池，將其用作對模型列車進(jìn)行測試的驅(qū)動電源，以一次性充滿同樣的電量為前提，得到表1所示模型列車在單位時間內(nèi)停靠次數(shù)與連續(xù)運(yùn)行2種情形之下的最大運(yùn)輸距離。

根據(jù)表1，以相同質(zhì)量載荷為前提，列車的間隔停靠相較于連續(xù)運(yùn)行而言，前者的行駛距離要短出7-18m的水平，且運(yùn)行能耗同行駛距離正相關(guān)。以每分鐘停靠5次為對照，可得到如表2所示的每分鐘?？?次與連續(xù)運(yùn)行的節(jié)能效率。

在實際軌道交通列車運(yùn)輸過程中，載荷更大，這會增加列車起停運(yùn)行的能耗，另外，列車的電機(jī)效率也會存在一定的損耗，故基于零?？空{(diào)度技術(shù)的列車連續(xù)運(yùn)行節(jié)能效率會更理想。

4結(jié)語

零?？空{(diào)度技術(shù)可以在較大程度上加快軌道交通運(yùn)輸列車的運(yùn)行速度，減少其運(yùn)行能耗，經(jīng)濟(jì)效益與社會效益顯著。從經(jīng)濟(jì)效益層面來看：①零?？空{(diào)度技術(shù)由于主車保持連續(xù)無停靠運(yùn)行的狀態(tài)，可將大部分乘客/貨物在中轉(zhuǎn)站的停留時間縮短，并將列車組的起停運(yùn)行轉(zhuǎn)變?yōu)橹苻D(zhuǎn)車廂的起停運(yùn)行，相對而言實現(xiàn)了起停動能損耗的降低。②由于軌道交通運(yùn)輸列車組實現(xiàn)零停靠調(diào)度，各列車占用軌道線路的比率減小，這有利于增加列車的發(fā)車頻率，在交通沿線上，各站上下乘客/裝卸貨物是隨意的，可為乘客，貨物向沿線分布提供便利，減少擁擠至中轉(zhuǎn)樞紐的乘客，貨物，使上下乘客/裝卸貨物由先前的以點為主向以點、線結(jié)合為主，實現(xiàn)軌道運(yùn)輸通道利用率的增加。另一方面，通過在運(yùn)輸高峰期增加列車發(fā)車頻率與周轉(zhuǎn)車廂的站點數(shù)，還能增加客運(yùn)量，貨運(yùn)量，對我國軌道運(yùn)輸高峰期的客流/貨物疏導(dǎo)而言均十分適用，能夠在較大程度上減少由于增加列車總量而導(dǎo)致的運(yùn)輸高峰期的運(yùn)力投入。③利用周轉(zhuǎn)車廂，列車還能夠?qū)崿F(xiàn)短途客運(yùn)，貨運(yùn)的特快化運(yùn)行，可增加快速運(yùn)輸?shù)母郊又怠?/p>

從社會效益層面來看：①零?？空{(diào)度技術(shù)的應(yīng)用可增加城市與區(qū)域之間在政治、經(jīng)濟(jì)與文化等方面的交流及往來，增強(qiáng)城市及區(qū)域綜合競爭力，為城市與區(qū)域形象及特色的塑造與亮化助力。②可加速城鎮(zhèn)化與工業(yè)化的發(fā)展，將城鄉(xiāng)差距縮小，為欠發(fā)達(dá)區(qū)域提供更加公平與開放的社會資源，推動社會和諧與進(jìn)步。③可產(chǎn)生交通走廊輻射效應(yīng)，對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生拉動作用，同時，增加社會就業(yè)崗位，保證就業(yè)率。

今后，零?？空{(diào)度技術(shù)的設(shè)計與應(yīng)用還需從以下方面加以完善：①以能源計量核算、單位能耗限額與車廂掛接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化等為人手點，進(jìn)行相關(guān)技術(shù)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的制定，以實際的節(jié)能減排技術(shù)指標(biāo)為參照適當(dāng)給予節(jié)能獎勵;②先行在小區(qū)域之間的軌道貨運(yùn)試點應(yīng)用零停靠調(diào)度技術(shù)，保證行車安全，以此為前提達(dá)到降耗、減排、增效的目的;③先行應(yīng)用于貨物運(yùn)輸環(huán)節(jié)，在得到充分的運(yùn)行測試與論證，做到風(fēng)險可控之后。向低速、普通客、貨運(yùn)輸推廣。