城市軌道交通車輛運行節能方法優化

侯 躍 楊 儉 宋瑞剛 李 娜

(上海工程技術大學城市軌道交通學院 上海 201620)

隨著我國城市化進程的不斷加快，城市軌道交通以穩、快、準等特點受到人們的青睞。城市軌道交通將在我國城市公共交通運輸中占有越來越重要的地位，其列車對仿真的要求也越來越高。然而，我國城市軌道交通的建設剛剛起步，牽引計算理論的研究和節能算法的研究成果都比較少，因此現有軌道車輛的運行特性曲線并不一定是最優的運行特性曲線，列車的運行能耗也并不一定是列車運行的最佳能耗。

城市軌道交通的運行具有區間距離短、啟動和制動頻繁等特點，而制動時所產生的能量有很大一部分消耗在制動電阻上，所產生的熱量散發到地鐵隧道內和空氣中，使隧道內溫度逐年升高，給列車的運行帶來諸多的安全隱患，同時造成了大量能量的浪費。在國家大力號召節能環保的趨勢下，列車的運行節能勢在必行［1］。

筆者以上海地鐵2號線的測試數據為基礎，在城市軌道交通節能運行的理論基礎上優化研究，并將得到的仿真結果與實測數據進行對比分析，驗證了方法的有效性。

1 上海地鐵2號線的列車參數和線路條件

1.1 上海地鐵2號線的列車參數

上海地鐵2號線所有車輛是在德國AEG-Welting-House公司牽頭下，由德滬地鐵集團(GSMG)設計制造的。車輛共有A、B、C 3種類型:A為帶司機室的拖車，B為帶受電弓的動車，C為動車。接觸網的電壓額定值為DC 1500 V，電壓變動范圍的最大值為1800 V，最小值為1000 V。6節編組是最小運營單元，即按A－B－C－CB－A組合方式聯掛;客流量大時則采用8節編組，即按A－B－C－B－C－C－B－A組合方式聯掛［2］。

每輛動車上都裝有1臺兩點式電壓型逆變器，將架空的1500 V直流電以變壓變頻(VVVF)模式轉為三相交流電，同時為4臺牽引電機提供電能。列車主要技術參數如表1所示［3］。

表1 上海地鐵2號線列車主要技術參數(6節編組)

1.2 上海地鐵2號線的線路分析

上海地鐵2號線從淞虹路站至張江高科站，線路全長25.2 km，運營間隔為3 min，沿途共設17個站，有32列車，編組方式有6節編組和8節編組，由于測試車輛采用的是6節編組的列車，因此在下文中的列車編組默認為6節編組，即A－B－C－C－B－A，最大行駛速度為 80 km/h［4］。

選擇有代表性的區間來分析實際線路條件對列車運行的影響:上海科技館站—世紀公園站，兩站間距離為1454 m，在列車的實際運行中總存在電阻制動，實際線路條件如表2所示。其中坡度前面的正負號分別表示上坡和下坡。

表2 上海科技館站—世紀公園站線路條件

2 城軌列車節能方法優化研究

在城軌列車的運行過程中，實際的運行狀態是非常復雜的，因此，為了便于計算，可根據具體的需要建立多種運行策略(即計算時所采用的算法基礎)。下面首先介紹列車運行時的3種最典型的牽引運行策略，如圖1所示。

圖1 3種典型的牽引運行策略

從圖1可以看到，節時算法的運行過程如A—S1—S2—B曲線所示，節能算法的運行過程如A—S3—S4—B曲線所示，混合優化算法的過程如A—S—B曲線所示。

此外，還有一種是定時牽引的運行策略，即在列車的運行區間內要求列車準點到達所采用的最節能的運行模式。列車啟動時，按最大的加速度啟動，制動時以最大減速度制動，中間過程，采用牽引和惰性相結合的策略運行［5］。

2.1 節時算法

在列車的運行區間內，要求列車的運行時間最短，即列車按照以下原則運行:列車啟動時，按最大的加速度運行，達到最大速度時保持最大速度惰行;當需要制動時，采用最大的減速度制動;在限速的路段則采用限速的最大值(圖1中的vup)勻速行駛。

2.2 節能算法

在列車的運行區間內，要求列車的運行能耗最少，即列車按照以下原則運行:列車啟動時，按最大的加速度啟動到經濟限速;中間過程采用盡可能的勻速狀態或惰行狀態運行;進站階段則以最大制動力運行。若不限制時間時，列車運行的速度越小，則能耗也就越小。另外，列車的運行速度波動越小，則能耗就越低。因此，設計經濟的運行策略為:在給定的運行時間內，采用最大的加速度運行至經濟的速度(圖1中的速度vL)時，保持勻速運行。如果時間足夠則可采取惰行直到終點;如果時間不夠，則惰行一定距離后，采取最大的制動減速度制動。

2.3 混合優化算法

列車牽引運行的混合優化算法是將上面兩種算法相結合，既考慮速度，又兼顧節能，這是一種比較優化的算法模型。在城市軌道交通列車運行的過程中，既要考慮乘客的舒適度，又要考慮列車的經濟運行策略，即列車的運行能耗問題。

通過對上海地鐵2號線的分析可以知道，列車在實際運行過程中存在兩次制動過程，因此分別采用一次制動和兩次制動的方式進行計算。節能優化運行的算法基礎是:列車在牽引階段，按照最大的牽引加速度運行;列車制動時，按照最大的制動力制動;中間過程一般采用惰性和牽引相結合的運行策略。

3 結果分析

3.1 仿真計算結果

選擇上海地鐵2號線科技館站—世紀公園站作為計算的區間，區間內存在電阻制動。本計算基于車輛滿載運行條件下，確定線路條件和列車參數之后進行計算分析，分別得到列車在3種運行策略下時間、速度、距離、能耗(實際能耗)之間的關系，如圖2所示。

3.2 測試數據結果

城軌列車在不同的區間運行時，由于線路條件不同致使反饋回電網的能量與實際消耗的能量也會不同，所以對正常運行下的滿載列車能耗進行了測試。

圖2 上海科技館站—世紀公園站計算結果

上海地鐵2號線列車普遍采用AC02型電動列車［6］，為了研究這種列車電阻制動的效果，需要測試列車在不同工況下(牽引、制動)線路電壓、線路電流、制動電阻電流的具體情況。因此，對1節動車的接觸網電壓、中間電壓、牽引電流、電阻制動電流及車輛運行的轉矩(4臺電機)和速度進行了測試，測試結果如圖3所示。

圖3 上海科技館站—世紀公園站測試結果

當列車運行在有電阻制動的區間時，電網電壓、中間電壓、牽引電流和制動電流的關系如圖3(a)所示。隨著電機的牽引耗能，列車不斷從電網吸收電能，電網的電壓和中間電壓均有下降的趨勢，當牽引電流接近最大牽引電流時，電網電壓明顯減小，從1600 V左右降到1400 V左右，然后隨著牽引電流的逐漸減小，電網電壓趨于平穩。當電機的牽引電流變為負值后，電網的電壓由于再生制動的反饋電能出現了上升趨勢，隨著再生制動的持續，電網電壓會繼續抬升。當電網電壓接近1730 V時，出現了電阻制動，此時電網的電壓在1800 V附近持續了一段時間，制動產生的能量通過制動電阻的形式消耗掉，因此，在電阻制動結束后，電網電壓有所下降，降至1500 V左右［7］。

通過以上分析并參閱有關資料，計算出上海地鐵2號線上海科技館站—世紀公園站間線路的實際能耗為12.61 kW·h，運行時間為100 s，運行距離為 1454 m。

3.3 結果對比分析

由城軌車輛運行節能方法優化系統的仿真結果可以得到如下結果。

1)節時算法的實際能耗15.72 kW·h，運行時間87.05 s，運行距離 1454.49 m。

2)混合優化算法中若采用一次制動，則實際能耗11.24 kW·h，運行時間88.55 s，運行距離 1453.9 m;若采用兩次制動，則實際能耗 9.38 kW·h，運行時間93.75 s，運行距離 1453.8 m。

3)上海地鐵2號線上海科技館站—世紀公園站間線路的實際能耗12.61 kW·h，運行時間100 s，運行距離1454 m。

與實際線路相比，若采用一次制動的優化方法，則節能效率為

若采用兩次制動的優化方法，則節能效率為

由以上的數據分析可知，列車在運行過程中的能耗是非常大的。按照測試時2號線的運行區間為從淞虹路到張江高科共15個運行區間且列車編組為6輛計算，由實際的測試結果可知，列車運行兩站間的能耗大約為12 kW·h。假設每列車一天中上下行運行12次，則每天運行耗能為144 kW·h。如果采用一次制動的混合優化算法進行運行，列車平均每兩站間的運行能耗將減少10%左右，可以節省的能耗為14.4 kW·h。按照每年365 d、每列車的運營時間350 d、則1年可以節省的能耗為5040 kW·h;若采用兩次制動的混合優化算法進行運行，列車平均每兩站間的運行能耗將減少25%左右，取保守值20%計算，則1年可以節省的能耗為10080 kW·h。若考慮地鐵全線的運營列車數及發車密度，則節省的電能將成倍增長，所以研究列車的運行節能方法優化問題具有重大的現實意義。同時，通過節能優化的研究(如增長制動電阻箱的壽命、減少能量的消耗等)，可以帶來巨大的社會效益和經濟效益，從而降低列車的運營成本。

4 結語

筆者對上海地鐵2號線車輛節能的3種運行方法進行對比優化研究，還有一些影響因素沒有納入計算的參數中，這些參數的研究會在后續的工作中逐漸展開和深入，對影響系數進一步優化，但系統中已經涉及了主要的技術參數，在一定程度上能體現列車的節能優化計算;通過研究，計算出仿真結果，并與實際線路中的能耗相比較，得到以二次制動模式運行最優的結論。在后續的工作中，將把仿真結果運用到列車實際的運行模式中，對仿真結果的可信度進一步驗證。系統的成功設計，可以為現有車輛提供更佳的運行特性曲線，縮短新車上線的試運行周期。

［1］Liu R，Iakov M.Golovither.Energy-efficient Operation of Rail Vehicles［J］.Ransportation Research:Part A，2003，8(37):917-932.

［2］陶生桂，王曰凡，毛明平.上海地鐵2號線牽引仿真計算研究［J］.城市軌道交通研究，2001，11(2):35-39.

［3］宋瑞剛.基于超級電容的軌道車輛制動能量回收系統實驗研究［D］.上海:上海交通大學，2008.

［4］Shuzou S，Kisaburo H.Traction drive system and its characteristics as power ransmission［J］.R＆D Review of Toyota CRDL，2005，40(3):30-39.

［5］彭精華.城市軌道交通車輛運行仿真研究［D］.成都:西南交通大學，2005:15-32.

［6］毛保華.列車運行計算與設計［M］.北京:人民交通出版社，2008:20-90.

［7］楊儉，黃厚明，方宇.上海軌道交通2號線列車運行能耗分析［J］.內燃機車，2009，5(4):23-25.