城市軌道交通列車節能運行模式的研究

楊雪峰

(上海軌道交通維護保障中心通號公司,200010,上海∥工程師)

根據目前上海地鐵運營線路的能耗統計數據分析,列車運行時的牽引用電約為總用電量的50%～60%,輔助系統的能耗約占牽引能耗的50%。隨著城市軌道交通網絡規模的不斷擴大,總的運營能耗量呈快速增長的趨勢,能耗問題越來越突出。因此,如何挖潛降耗,突破關鍵技術,對降低城市軌道交通運營成本、提高經濟效益有著越來越重要的現實意義。

到目前為止,由于運行環境和實際客流量狀況的復雜性,對列車行駛過程中能量消耗的計算仍然是一件較為困難的工作。影響列車能耗的因素主要包括列車的牽引制動性能、列車重、運行速度、線路條件、信號閉塞方式以及列車的操縱方式等。針對上述因素采取相應措施,可以實現節能的目的。例如,城市軌道交通的電動列車一般采用電力無級牽引,在設計階段可采用鋁合金或鎂合金等最新材料來實現車輛的輕量化,以節省牽引動能、降低列車的運行費用。

國內外對于列車運行的節能問題已經有了較多的研究[1-5]。20世紀80年代初,新加坡地鐵1號線設計中就引進了車輛再生制動能逆變器技術。現在新加坡的東北線和環線廣泛采用了該技術。實測能耗顯示,新加坡東北線變電站總能耗中的4%是由再生制動能供給的。有的學者開展了線路節能坡的研究和列車節能運行圖的研究,提出了最佳的列車節能運行方式。如香港地鐵線路采用節能運行方式安排日常運行,據實際運行的統計資料表明,列車的牽引能耗費用每年大約節約290萬港元。澳大利亞、德國、日本、美國等許多國家在列車節能操縱方面進行了研究和試驗,總結節能的列車操縱方式,并應用微機技術研制開發列車優化操縱的微機指導系統、微機模擬系統等。國內在這方面的研究基本上采用離線優化和在線控制相結合的方法[6-8]。從實際運用情況來看,國外列車優化的節能效果一般為5%～15%。本文著重討論節能操縱算法以及在基于移動閉塞技術的現代信號系統基礎上的列車節能運行模式的研究和仿真。

1 列車運行的節能操縱算法

1.1 列車運行受力分析

在提出節能操縱算法之前,首先對列車在行駛過程中的受力情況進行分析。列車在運行中要受到牽引力、運行阻力、制動力等共同作用。以下的地鐵車輛性能特性均基于車輪在半磨耗狀態,運行于干燥、清潔的平直軌道和額定電壓(DC 1 500 V)之下。

1)列車牽引力特性：列車牽引力是列車實際速度的函數。列車牽引力可以按列車牽引特性曲線(見圖1)取值。

圖1 列車牽引力特性曲線

2)列車運行阻力：在牽引計算中,列車運行阻力是按單位質量所遇到的阻力來計算的,與車輛的阻力模型和線路條件有很大的關系。列車阻力一般可以通過列車速度的二次函數來描述。例如,上海軌道交通1號線的車輛單位質量阻力公式為：

式中：

Fw——車輛阻力,N;

M——列車質量(包括負載),kg;

v——列車行駛速度,m/s。

3)制動力特性：若電制動正常,則僅使用電制動,如圖2所示。

圖2 列車制動力特性曲線

1.2 優化操縱目標[9]

列車的運行條件非常復雜,受到諸多因素的制約和影響。優化操縱的目標就是找到在既定條件下滿足安全、正點等約束的最優操作序列。

列車從一個車站運行到下一車站,其狀態方程為：

式中：

v——列車的運行速度;

F——與列車操縱有關的合力;

Fv——列車運行的基本阻力;

g(x)——兩站之間線路坡度阻力的分段函數;

M——列車質量。

其性能指標為：

式中：

T——規定的運行時分;

u(t)——與列車工況及速度有關的能耗函數;

此為有約束條件的非線性尋優問題,無法直接求解狀態方程,只能根據列車操縱的合理性要求和節能原則,利用滿意優化的方法尋優,以確定最終的操縱方案。

1.3 合理節能的操縱

列車在規定的時間內,從起點加速運行至終點停車,整個運行過程可分為：起動加速過程,途中運行過程和制動停車過程。在此過程中,產生的能耗(即式(3)中的u(t))主要由以下三個方面構成[10]：①提高列車的動能;②克服列車運行時的基本阻力和加算坡道阻力;③列車運行時的自身能耗。

列車正常運行時的自身能耗變化不大,可以忽略,因而節能操縱的主要方法是避免不必要的制動以減少列車動能的損失;并充分利用勢能來保持或增加列車的動能,以及在列車運行中減少基本阻力所做的功。文獻[11]總結了一些有利于節能的列車運行工況：運行時間一定時,列車勻速牽引運行克服的阻力功最少;列車以最大加速度加速可減少加速過程中的基本阻力功;列車以最大制動能力制動有利于節能;列車制動前惰行以降低制動前的運行速度,有利于減少列車動能的損失;下坡時盡可能利用列車的勢能,盡量避免或減少下坡道調速制動。

根據國內外的研究成果,在設計列車節能運行算法時,可以遵循以下的算法原則[12-13]：

1)加速過程按最大牽引力計算;2)停車制動按最大制動力計算;

3)除停車制動外,避免采用空氣制動;

4)在約束條件下協調采用均速及惰行模式。

結合上述算法原則,以列車運行的平均速度作為目標速度,并圍繞目標速度按牽引-惰行的模式運行,利用最優化理論在滿足約束條件的前提下,進行運行過程能耗的優化計算,以達到節能的目的。

2 現代地鐵列車所應用的節能方法

現代地鐵的自動控制系統要求能夠以多種方式節約電能成本,包括車輛的動力消耗、起動時的動力需求和制動時的動力損失。根據上海地鐵公司提供的資料文檔,地鐵列車共有4個運行等級：等級1是全速行駛方式,一般在高峰時采取;等級2是惰行的運行方式;等級3和等級4分別是以最高速度的75%和60%限速行駛。直觀上看,以等級2的惰行運行是最節能的理想運行方式。但在實際的運行中,地鐵的自動駕駛系統要根據時刻表和實際的客流量大小來調整其運行速度,不可能一直行駛在等級2的狀態下。因此,要根據實際情況來實施運行策略。實際中,地鐵列車所應用的節能方法主要有調整時刻表和調整列車運營等級曲線;另外,車輛的再生制動技術也被廣泛使用,同樣顯示出較好的節能效果。

2.1 調整時刻表

調整時刻表是地鐵自動控制系統所采用的一種可同時滿足高峰和非高峰時段列車動力需求的方法。中央控制系統需確定系統中每一列車的位置,負責保證所有列車按時刻表進出車站。通過執行時刻表,在高峰時增加運行的列車數量以滿足高峰時段運力的需求,而在非高峰時段減少列車的數量,以此達到節能的目的。這樣,在需求得到保證時,在高等級下運行適當數量的列車,降低了維護的成本。

2.2 調整列車運行等級曲線

運營等級曲線旨在通過減少列車牽引系統的請求,降低牽引的能源消耗。運用列車運行等級曲線能夠降低單一列車的動力消耗。采用的技術包括：

1)減少加速時間以降低高峰時速。列車降低了其加速度的總時間,從而減少了牽引請求,也就減少了列車的能源需求。

2)降低加速度來降低線路運行時速。列車采用了較小的加速度,減少了牽引所需的動力,最終也就減少了列車的能源需求。

3)惰行。列車出站先加速,然后惰行,再減速,最后停在下一車站。如圖3所示的曲線,列車達到最大線路速度后惰行,這樣會造成運行時間將按特定比例有所增加(圖中虛線所示);與正常規定速度相比,列車減少了加速請求和牽引所需動力,從而減少了能耗。

4)有效利用重力來降低牽引系統所要求的加速度。節能線路設計也是節能措施的一個重要方面。其中節能坡的設置是一個十分必要的手段。節能坡應滿足地形、地質及行車安全條件的要求,創造良好的運營條件。在地鐵列車運行的過程中,有效利用坡道,可降低所需加速度的等級(利用重力完成),以降低運營費用,達到降低能耗的目的。

圖3 惰行的速度距離曲線

2.3 列車再生制動的節能技術[15]

正常情況下,列車由牽引系統來牽引和制動。每一個動車安裝有1個三相VVVF(變壓-變頻)逆變器和一個制動電阻。在列車再生制動時,制動能量反饋回電網,如果電網電壓高于1 800 V,則制動電阻將消耗再生制動所產生的能量;若電網電壓低于1 800 V,列車再生制動時所產生的能量,反饋到接觸網牽引電力系統,就可以對這種能量進行再利用。再生制動能量的反饋利用率越高,意味著有越高比例的再生制動能量供其他列車使用。根據香港地鐵列車運行的經驗數據,在正常情況下,列車再生制動能量反饋利用率在高峰期一般可以達到80%。

為了提高列車再生能量的利用率,在編制運行圖時應采取以下措施：

1)同一牽引區段的制動列車與出站列車的重疊時間應盡量大,使列車在制動時產生再生能反饋到電網后被同一牽引區段的其他處在起動階段的列車所吸收,以此來有效地節約牽引能耗。

2)同一牽引區段應盡量避免列車同時制動。因為同時制動會將再生能量反饋到電網使電網電壓增高,迫使列車采用電阻制動;大量的電能將轉化為熱能擴散到周圍環境中,這樣會浪費許多能量。

3 采用移動閉塞的列車控制系統是節能的有效途徑

3.1 基于移動閉塞技術的列車自動控制系統[16-17]

3.1.1 移動閉塞的工作原理

移動閉塞技術是近年來廣泛使用的列車信號控制技術,越來越受到人們的關注。在以往傳統的固定閉塞方式下,每個閉塞分區的長度都是固定的。而對于先進的移動閉塞來說,列車間的最小運行間隔距離由列車在線路上的實際運行位置和運行狀態確定,閉塞區間的間隔隨著列車的行駛不斷地向前移動和調整。控制中心通過車載設備和軌旁設備不間斷地雙向通信,根據列車實時的速度和位置動態計算出列車的最大制動距離。列車的長度加上這一最大制動距離,并在列車后方加上一定的防護距離,便組成了一個與列車同步移動的虛擬分區。由于保證了列車前后的安全距離,兩個相鄰的移動閉塞分區就能以很小的間隔同時前進,使列車能以較高的速度和較小的間隔運行,從而提高了運營效率。

3.1.2 列車自動控制系統

列車自動控制(ATC)系統包括三個子系統：列車自動監控(ATS)子系統、列車自動防護(ATP)子系統和列車自動駕駛(ATO)子系統。ATS子系統主要實現對列車運行的監督和控制,輔助行車調度人員對全線列車運行進行管理;ATP子系統主要對列車駕駛進行防護,實現列車間隔保護、超速防護等功能;ATO子系統主要用于實現“地對車控制”,即用地面信息實現對列車驅動和制動的控制,可以使列車經常處于最佳運行狀態,避免了不必要的加速和減速,提高了旅客的舒適度、列車準點率,并減少輪軌磨損,同時還可節省能源消耗。

移動閉塞、基于通信的列車控制(CBTC)和ATC系統能通過車地間的雙向、連續、高效的信息通信,使車載信號設備的信息能夠和地面軌旁信號設備的信息即時地進行交換,從而有效地確定列車位置,并計算前后列車間的相對距離,以確保行車的安全。

3.2 采用移動閉塞的CBTC系統的節能功能[19]

移動閉塞系統的節能是其短發車間隔性能的良好體現。總體來講,移動閉塞技術的“小編組、高密度”運營,使軌道交通系統的實際列車通過能力大大提高。移動閉塞的列車通過能力通常可比固定閉塞系統高出40%。這增加的40%的通過能力,使CBTC系統可通過對列車運行參數以及曲線的調整和控制,達到最大限度地減少不必要的制動和頻繁的加減速,平衡全線允許速度、停站時間等來實現節能。

3.2.1 高峰時段的運行節能

在固定閉塞系統中,列車的分區間隔較長且一個分區只能被一列車占用,不利于縮短列車的運行間隔,從而增加了能耗。而移動閉塞系統靈活的列車運行間隔的特性使其在高峰時段的節能效果顯著。通常在高峰時段運行時,發車密度大,乘客流動性快,前方列車的延誤會造成后續列車頻繁制動的可能性。這種制動的頻率和持續時間在移動閉塞系統中由于更短和均勻的列車最小間隔而大大降低,均勻的最小列車間隔使后面列車可以更加靠近前車,提高了運營的效率。

3.2.2 非高峰時段的運行節能

在非高峰時段,移動閉塞系統能通過降低站間列車平均速度來達到節能。在這種情況下,可根據需要減少停站時間以保證列車全線運行時間。一般來說,非高峰時段的乘客較少,減少停站時間不會造成太多的不便。

4 節能算法流程及仿真運行分析

4.1 算法流程

基于以上的系統分析,建立了城市軌道交通列車能耗統計的數學模型,總結出了可實施的列車節能運行算法;并在計算機控制技術的平臺上,利用最優化理論的求解方法,進行優化計算和數據統計。提出的節能策略是在地鐵運行過程中保證一種能耗較低的牽引策略,設計的思想是盡量以經濟速度運行,較大程度地利用惰行。

仿真系統主要包括三個子模塊：數據輸入子模塊,優化操縱計算子模塊,結果輸出子模塊。數據庫中的數據,來源于地鐵試車運行時測試的結果以及在實際運行中記錄的表格內容。它包括：ATP速度,ATS限速,牽引量,惰行狀態,運行時間,運行等級,走行距離等。在算法開始之前,可以從數據庫中調出已有的表格內容,也可以根據新的實際情況在對話框中手動輸入相關的數據。開始運行后,在給定的條件下進行優化計算,根據已有的優化操縱策略進行尋優,并滿足運行時分和駕駛的準確性和安全性;最后進行運行中能量消耗的計算統計并比較節能效果,輸出節能速度運行曲線圖。圖4所示為列車節能運行計算的具體算法流程。

4.2 仿真

在地鐵的試車線路上進行仿真試驗。線路長約1 km,列車行駛1 min左右,進行仿真運行。選擇采用移動閉塞的CBTC系統的信號控制方式,在ATC平臺的操縱下,利用ATS的自動調度和統計功能以及ATO的自動駕駛功能,根據所得的數學模型,進行節能運行模式的試車分析。經過多次的不同駕駛模式的能耗數據比較,最終得出了較為理想的節能運行模式。在某次仿真中得出的列車運行速度曲線圖如圖5所示。

圖4 節能優化算法流程

圖5 輸出的列車運行速度曲線

從圖5可明顯看出,節能的運行曲線在行駛過程中的速度變化率較小,運行過程平緩。計算結果顯示,采用此節能算法的能耗比原來正常行駛下大約節省了23%左右。

5 結語

在保證列車運行安全、準時的前提下,本文總結并分析了當今城市軌道交通系統中的節能措施,并在列車操縱方式和運行算法的軟件方面進行了相關的研究。采用基于移動閉塞技術的CBTC和ATC系統是當前軌道交通發展的主要方向。在已采用此技術的國內外運營線路上的實踐表明,其節能效果良好。但是,由于地鐵運行狀態的復雜性,還沒有一個完全有效的方法來衡量牽引力和耗電量之間的定量關系。因此,對列車運行過程中的耗電量統計還不是很精確,只能得出一種模擬駕駛的、近似節能的策略。另外,本文所提出的節能優化算法還只是停留在計算機仿真階段,很多操作中的問題還需要向有經驗的駕駛人員和技術人員學習,才能符合實際運行情況。

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