軌道交通靈活編組運(yùn)營(yíng)模式能耗仿真方法研究

張清華，韓坤，楊鵬，王子贏

中車(chē)青島四方車(chē)輛研究所有限公司，山東 青島 266000

相較于傳統(tǒng)市域車(chē)固定編組的運(yùn)營(yíng)模式，靈活編組市域車(chē)能夠根據(jù)客流的需要調(diào)整動(dòng)車(chē)組的編組模式。客流量小的情況，合理配置小編組動(dòng)車(chē)組可有效降低車(chē)重，從而降低列車(chē)能耗；在區(qū)域客流分布不均衡的情況下，將列車(chē)進(jìn)行合理聯(lián)編和解編，可優(yōu)化列車(chē)的發(fā)車(chē)間隔，解決區(qū)域性運(yùn)力不平衡問(wèn)題。

隨著世界高速鐵路和軌道交通裝備技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，動(dòng)車(chē)組在鐵路旅客運(yùn)輸中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。國(guó)外正努力發(fā)展具有靈活編組特點(diǎn)的動(dòng)車(chē)組，如德國(guó)ICE動(dòng)車(chē)組能實(shí)現(xiàn)7～14輛編組，是西門(mén)子正在為德國(guó)鐵路股份公司研制的比較有代表性的新型城際動(dòng)車(chē)組[1]；法國(guó)TVG動(dòng)車(chē)組可實(shí)現(xiàn)10～20輛編組；日本采用多種型號(hào)重聯(lián)方式，均可實(shí)現(xiàn)列車(chē)的靈活編組運(yùn)營(yíng)[2-4]。

國(guó)內(nèi)有關(guān)單位也對(duì)可靈活編組動(dòng)車(chē)組進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。從21世紀(jì)初到2015年，李宇東等[5]研究發(fā)現(xiàn)非高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)段的列車(chē)運(yùn)行存在能力虛糜現(xiàn)象，論證開(kāi)行編掛輛數(shù)少的“短列”的可行性和經(jīng)濟(jì)效益，而仍然屬于固定編組的范疇；2017年康洪軍等[6]研究指出，可變編組動(dòng)車(chē)組在運(yùn)能充裕的城際線路和長(zhǎng)大干線的適用性更強(qiáng)；2017～2019年，肖翔等[7-8]利用多元回歸的方法初步建立起靈活編組動(dòng)車(chē)組經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)模型；從2019年至今，閆振英等[9]建立概率非線性規(guī)劃模型，主要研究靈活編組動(dòng)車(chē)組客座分配問(wèn)題，得出在客流需求強(qiáng)度較小時(shí)靈活編組動(dòng)車(chē)組更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)的結(jié)論；2021年，范海寧等[10]以深圳地鐵9號(hào)線為例，介紹了具體的靈活編組方案、功能需求及其實(shí)施，分析了平峰期采用3節(jié)編組列車(chē)運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益。 2021年，霍亮等[11]對(duì)比分析不同速度等級(jí)條件下8輛兼顧4輛編組列車(chē)車(chē)型的主要技術(shù)參數(shù)，研究該型編組列車(chē)在輸送能力、追蹤間隔、加速性能以及定員設(shè)置等方面特性，以長(zhǎng)株潭城際線路為例驗(yàn)證其公交化開(kāi)行的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

目前對(duì)靈活編組動(dòng)車(chē)組的研究多是從客流高低峰的時(shí)間角度揭示靈活編組動(dòng)車(chē)組的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，粗略估算可能達(dá)到的節(jié)能效果。此類(lèi)研究多以定性分析為主，缺乏針對(duì)特定線路、特定車(chē)型有效可行的靈活編組能耗仿真方法，因此需要探索新的針對(duì)列車(chē)編組模式的仿真方案及評(píng)價(jià)指標(biāo)，更加準(zhǔn)確地量化分析靈活編組運(yùn)營(yíng)方案的優(yōu)勢(shì)。

1 靈活編組能耗仿真方法設(shè)計(jì)

1.1 線路概況

選取北方某市（簡(jiǎn)稱(chēng)X市）待規(guī)劃市域鐵路（統(tǒng)稱(chēng)R1線）搭建靈活編組市域車(chē)模型，進(jìn)行仿真。其線路、牽引變電站設(shè)置如圖1所示。

圖1 X市R1線路規(guī)劃線路圖

根據(jù)X市實(shí)際規(guī)劃情況，R1線主要包括4個(gè)支線段和1個(gè)干線段，構(gòu)成“H”型線路圖。支線段分別為AE、BE、CF、DF支線段；干線段為EF干線段。其中AE支線線路規(guī)劃長(zhǎng)度約為27 km；BE支線線路規(guī)劃長(zhǎng)度為16.1 km；CF支線線路規(guī)劃長(zhǎng)度約為34.13 km；DF支線規(guī)劃線路長(zhǎng)度為38.6 km；EF干線線路長(zhǎng)度約為27.3 km。線路速度等級(jí)為140～160 km/h。干線段地處X市市中心，貫穿整個(gè)城市，承擔(dān)著連結(jié)各條支線的作用，因此，干線段客流量遠(yuǎn)高于支線段。

在實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建數(shù)字化線路，建立城軌列車(chē)編組對(duì)比仿真模型，模擬X市R1線路上單輛列車(chē)真實(shí)運(yùn)行情況，利用實(shí)時(shí)仿真機(jī)求解最低能耗值，給出了靈活編組與固定編組的仿真能耗對(duì)比。整個(gè)仿真模型包括信號(hào)控車(chē)仿真、車(chē)輛仿真和供電仿真3部分。

1.2 仿真設(shè)計(jì)

1.2.1 仿真場(chǎng)景設(shè)定

仿真主要分按固定編組和靈活編組2種情況執(zhí)行。

1）固定編組能耗仿真

固定編組能耗仿真模型共對(duì)R1線上2條主要行車(chē)路線進(jìn)行仿真：1) A—E—F—C路線；2) B—E—F—D路線。2條路線列車(chē)全程均采用8編組運(yùn)營(yíng)模式，列車(chē)定員人數(shù)為664人/列。

2）靈活編組能耗仿真

靈活編組能耗仿真列車(chē)在支線段采用4編組，列車(chē)定員人數(shù)為664人；在列車(chē)行駛至干線段后，2條支線的列車(chē)進(jìn)行聯(lián)編，形成8編組列車(chē)，列車(chē)定員人數(shù)為1 328人/列；到達(dá)干線末端后列車(chē)解編，形成2列4編組列車(chē)分別去往2個(gè)方向，列車(chē)定員人數(shù)為664人/列。

對(duì)2種編組方式的運(yùn)載能力按路線段做等效拆分，如表1～2所示。

表1 固定編組運(yùn)營(yíng)模式運(yùn)載能力

表2 靈活編組運(yùn)營(yíng)模式運(yùn)載能力

2種編組模式總運(yùn)載人數(shù)均為3 984人，運(yùn)載能力相同。

1.2.2 信號(hào)控車(chē)仿真方法

分別針對(duì)干線和支線，根據(jù)實(shí)際線路規(guī)劃和車(chē)數(shù)情況，通過(guò)牽引計(jì)算[12]獲得車(chē)輛站間運(yùn)行的最優(yōu)“時(shí)間-速度曲線”，并根據(jù)車(chē)輛的“時(shí)間-速度曲線”得到不同車(chē)輛在站間運(yùn)行的信號(hào)控車(chē)指令。

1.2.3 供電系統(tǒng)仿真方法

對(duì)靈活編組與固定編組運(yùn)營(yíng)模式分別建立Simulink模型，進(jìn)行仿真對(duì)比，評(píng)估靈活編組節(jié)能效果。

R1線支線段和干線段的供電仿真模型均采用AT供電方式[13]，圖1展示了AT所與牽引變電所分布位置，圖1中序號(hào)1、2位置分別對(duì)應(yīng)牽引變電所1、牽引變電所2，每個(gè)變電所分左右兩條供電臂為線路供電。AT所規(guī)劃布置間隔約為5 ～10 km，考慮實(shí)際支線與干線線路的長(zhǎng)度，單供電臂長(zhǎng)度20～30 km。

線路仿真模型的搭建需要輸入相應(yīng)的線路信息并對(duì)線路運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的參數(shù)進(jìn)行配置，線路信息主要包括車(chē)站數(shù)量、位置、線路坡道、曲線、限速等。高速鐵路牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)體數(shù)目多，各導(dǎo)體間存在電容耦合和互感。根據(jù)牽引網(wǎng)降解方法[14]，將牽引網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化為5組等值導(dǎo)體[15]，如此，可將單位長(zhǎng)度模型進(jìn)行組合得到任意長(zhǎng)度的牽引網(wǎng)線路模型。

為降低搭建的模型規(guī)模和復(fù)雜度，提高模型實(shí)時(shí)化調(diào)試效率，將R1線路拆分，構(gòu)造成AE、BE、EF、FC和FD 等5條線路段進(jìn)行單車(chē)仿真。由圖1中X市牽引變電所規(guī)劃布局所示，AE段由變電所1左供電臂供電；EF段由變電所1左供電臂、變電所1右供電臂、變電所2左供電臂分區(qū)供電；FC段由變電所2左供電臂、變電所2右供電臂分區(qū)供電；BE段由變電所1左供電臂供電，F(xiàn)D段由變電所2左供電臂供電。對(duì)各線路段分別進(jìn)行單車(chē)運(yùn)行仿真，再將各線路段的能耗進(jìn)行合理組合加和，即可分別對(duì)固定編組模式下A—E—F—C路線及B—E—F—D路線的總能耗進(jìn)行分析。

1.2.4 車(chē)輛仿真方法

R1線運(yùn)營(yíng)車(chē)輛車(chē)型采用市域D型車(chē)，參考車(chē)型為CRH6F[16-17]，最高運(yùn)行時(shí)速為160 km/h，需搭建對(duì)應(yīng)的車(chē)輛仿真模型。固定編組動(dòng)車(chē)組列車(chē)基準(zhǔn)模型的定義為：列車(chē)為固定8編組，列車(chē)定員人數(shù)為664人/列，車(chē)輛變流器為Si功率器件，采用異步牽引電機(jī)，工頻AC380V輔助電源，考慮再生制動(dòng)能量。靈活編組運(yùn)行模式為列車(chē)在各支線運(yùn)行時(shí)，采用4編組列車(chē)運(yùn)行，在干線通道時(shí)8編組運(yùn)行。4編組列車(chē)定員人數(shù)為664人，8編組列車(chē)定員人數(shù)為1 328人。表3為不同編組模式車(chē)輛參數(shù)對(duì)比。

表3 不同編組模式車(chē)輛參數(shù)對(duì)比

每臺(tái)變流器的結(jié)構(gòu)為主輔一體，變流器具體的容量與效率參數(shù)如表4所示。

表4 變流器參數(shù)

2 結(jié)果對(duì)比與分析

2.1 能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

能耗分析主要評(píng)價(jià)指標(biāo)包括區(qū)間運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的牽引實(shí)際總能耗、列車(chē)每人每公里的能耗以及列車(chē)每節(jié)每公里的能耗。由于列車(chē)制動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電能回饋，因此牽引實(shí)際的總能耗為供電網(wǎng)總能耗減去制動(dòng)回饋產(chǎn)生的電能。單車(chē)區(qū)間運(yùn)行時(shí)間為列車(chē)上行或下行從起始站運(yùn)行至終點(diǎn)站的時(shí)間。其中各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法如式(1)～(3)所示。

1)區(qū)間運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的牽引實(shí)際總能耗Ep通過(guò)仿真計(jì)算獲得，單位kWh；

2)列車(chē)每人每公里的能耗Ep1，kWh/(km·人)：

式中：Etotal為區(qū)間運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的總能耗，ρp為列車(chē)定員人數(shù)，Lu為上行線路長(zhǎng)度，Ld為下行線路長(zhǎng)度。

3)列車(chē)每節(jié)每公里的能耗Ep2，kWh/(km·節(jié))：

式中ρc為列車(chē)編組數(shù)量。

4）列車(chē)每公里每噸的能耗Ep3，kWh/(km·噸)

式中mc為列車(chē)總重量。

R1線仿真線路主要包括AE支線、BE支線、CF支線、DF支線以及EF干線通道，各線路的實(shí)際牽引所能耗分別為EAE、EBE、ECF、EDF、EEF。E總為模型的牽引所實(shí)際總能耗。各線路模型中總的牽引所實(shí)際能耗計(jì)算方式如式(4)、(5)所示。

固定編組模型計(jì)算為

靈活編組模型計(jì)算為

2.2 A—E—F—C路線仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)各線路段分別進(jìn)行仿真，繪制各變電所能耗曲線如圖2～4所示。

圖2 不同編組模式AE段實(shí)際能耗曲線

圖3 不同編組模式EF段實(shí)際能耗曲線

圖4 不同編組模式FC段實(shí)際能耗曲線

表5為A—E—F—C路線各線段能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.3 B—E—F—D路線仿真結(jié)果對(duì)比

對(duì)BE、EF、FD 3條線路段分段進(jìn)行車(chē)輛運(yùn)行仿真，繪制各變電所各供電臂能耗曲線如圖5～圖7所示。

表6為B—E—F—D路線能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析方式同A—E—F—C路線。

2.4 不同編組模式牽引實(shí)際總能耗對(duì)比

將仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和處理得到各線路模型中總的牽引所實(shí)際能耗，結(jié)果如表7所示。

2.5 能耗仿真結(jié)果總結(jié)與分析

結(jié)合表5和表6所示路線各線段能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)及表1和表2給出的各編組模式載客能力對(duì)比，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。在不同編組模式各線路段實(shí)際載客人數(shù)相同的前提下：

1) AE、FC兩支線段由于固定編組模式為8編組，靈活編組模式為4編組，靈活編組模式下單輛列車(chē)車(chē)節(jié)數(shù)少，因此列車(chē)每節(jié)每公里的能耗指標(biāo)高，列車(chē)每公里每噸載人多，但區(qū)間運(yùn)行總能耗減少，每人每公里能耗指標(biāo)低，可見(jiàn)在支線段靈活編組模式相對(duì)固定編組模式載客效率大幅提升；

圖5 不同編組模式BE段實(shí)際能耗曲線

圖6 不同編組模式EF段實(shí)際能耗曲線

圖7 不同編組模式FD段實(shí)際能耗曲線

表6 B—E—F—D路線各線段能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)

表7 不同編組模式牽引實(shí)際總能耗對(duì)比

2) EF干線段，不同編組模式的單輛列車(chē)均為8編組，但靈活編組模式單輛列車(chē)定員人數(shù)為1 328人，高于固定編組模式單輛定員人數(shù)664人，總重量增加，因此靈活編組模式總能耗指標(biāo)數(shù)值稍高，但列車(chē)每人每公里的能耗低，載客效率高；

3) 靈活編組運(yùn)營(yíng)模式下各支線的實(shí)際能耗相比固定編組模型的實(shí)際能耗有明顯降低，實(shí)際總能耗下降28.81%。

結(jié)合仿真場(chǎng)景設(shè)計(jì)，對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析：

1) 在支線段保證載客能力相同（列車(chē)定員同為664人）的前提下，靈活編組運(yùn)營(yíng)方式將列車(chē)編組由8編組減為4編組，降低了車(chē)重，從而有效節(jié)省了牽引能耗。

2) 在干線段，靈活編組運(yùn)營(yíng)方式將兩個(gè)4編組列車(chē)聯(lián)編形成8編組列車(chē)，對(duì)比固定編組運(yùn)營(yíng)模式，雖然列車(chē)編組同為8編組，但載客能力翻倍（2列4編組列車(chē)列車(chē)定員同為664人，聯(lián)編后列車(chē)定員為1 328人），獲取同等運(yùn)力所需列車(chē)發(fā)車(chē)次數(shù)由2列減為1列，有效降低了能耗。

3) 靈活編組模式對(duì)比固定編組模式，靈活編組的支線段可同時(shí)發(fā)車(chē)，到達(dá)干線段后聯(lián)編，駛出干線段后解編；而由于干線段單向僅一條軌道，固定編組同一時(shí)間僅可發(fā)車(chē)A—E—F—C路線或B—E—F—D路線。靈活編組模式在保證干線段相同發(fā)車(chē)間隔下，有效增加了支線段的發(fā)車(chē)密度，縮短了支線段的發(fā)車(chē)間隔。

3 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)了一種靈活編組運(yùn)營(yíng)模式的能耗仿真實(shí)現(xiàn)方法，包括信號(hào)控車(chē)仿真方法、車(chē)輛仿真方法、供電系統(tǒng)仿真方法，對(duì)靈活編組模式進(jìn)行了能耗仿真計(jì)算，驗(yàn)證了該仿真方法的有效性和可行性。

2) 給出了不同列車(chē)編組模式能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)，能夠更加準(zhǔn)確有效地評(píng)估不同編組模式下的列車(chē)節(jié)能效果。

3) 根據(jù)實(shí)際線路情況搭建了城軌列車(chē)編組模式對(duì)比模型，在實(shí)驗(yàn)室借助實(shí)時(shí)仿真機(jī)模擬一組特定線路上單車(chē)運(yùn)行情況，得到了不同列車(chē)編組模式的能耗仿真結(jié)果。結(jié)果顯示，靈活編組運(yùn)營(yíng)方式與固定編組運(yùn)營(yíng)方式相比牽引總能耗下降28.81%，節(jié)能效果顯著，且靈活編組列車(chē)能夠有效提高支線段的發(fā)車(chē)間隔，解決區(qū)域性運(yùn)力不平衡的問(wèn)題。

綜上所述，本文對(duì)于列車(chē)靈活編組運(yùn)營(yíng)模式的能耗評(píng)估采用規(guī)范指標(biāo)、建模仿真、量化計(jì)算的方法，對(duì)于指導(dǎo)列車(chē)編組能耗仿真計(jì)算，以及運(yùn)力不平衡的區(qū)域列車(chē)編組規(guī)劃或優(yōu)化具有指導(dǎo)性意義。