武漢地鐵二號線“節能坡”的研究

陳 凡，楊 宏

（武漢鐵路職業技術學院，1.助教；2.副教授，湖北 武漢 430205）

2012年9月4日14：35，在武漢地鐵2 號線上列車載著近90 t沙袋，從武昌楊家灣地鐵站出發，開往光谷廣場站，全程近1.4 km，最高時速80 km/h，耗時54 s，這是武漢地鐵2 號線列車首次上線負重試跑。試跑目的是檢驗武漢地鐵2 號線車輛正常負載時，在坡度較緩的平直道上牽引和制動性能。車站兩頭有“節能坡”，啟動時下坡，停車前上坡，這表明“節能坡”設計理念在武漢城市軌道交通地鐵線路中獲得運用。事實上，“節能坡”能把地鐵列車的動能轉化為勢能，減少剎車時浪費的能量。美國的科學家曾對城市居民出行可容忍的時間進行研究，結論是45 min。這就是說，一個城市需要有與之規模相適應的、具有最高運行速度的交通工具。目前，世界上居住人口超過1 000 萬的城市約20個，超過100 萬的城市約300 余個，不少城市圈的直徑超過50 km。因此，最高運行速度為80 km/h 的交通工具基本可以適應，而目前能承擔如此重任的只有城市軌道交通。這意味著，城市軌道交通的普及面是巨大的，而“節能坡”在地鐵線路中的運用可有效地降低地鐵車輛的能源消耗，因此，近20年來“節能坡”在城市軌道交通地鐵線路中得到廣泛運用。

1 節能坡的設計

1.1 節能坡的設計理念 所謂“節能坡”，即城市軌道交通線路在區間是凹形縱斷面（如圖1所示）。

地鐵隧道的坡度有講究，車站兩頭有節能坡，在正常情況下，地鐵列車啟動提速后，會根據下一站的距離減少電流供應向前滑行并逐漸減速；線路“節能坡”的設計理念就是盡可能利用列車的勢能，出站啟動段采用大坡度下坡，進站制動段采用大坡度上坡〔1〕。列車進站停車前上坡，能把地鐵列車的動能轉化為勢能，可減少剎車時的能量浪費，有利于節能；列車出站時總是下坡，有利于盡快提速。

圖1 節能坡的縱斷面形狀（單位：m）

1.2 節能坡的設計要求 地鐵的土建線路工程是一次性永久工程，它的方案好壞決定著開通后的運營質量，并影響長期的運營成本。據統計，地鐵能源消耗一般要占地鐵運營成本的20%～30%。在進行城市軌道交通線路縱斷面設計時，“節能坡”是一種很重要的方式。采用“節能坡”可以達到降低列車運行能耗的目的，因此進行“節能坡”的研究，對整個地鐵系統的設計具有重要的意義〔2〕。一般來講，對地鐵線路合理縱斷面設計的基本要求有以下3點。

1.2.1 具有最佳的工程造價與運營效果 合理縱斷面的設計應在工程造價與運營效果間找到最佳結合點，不應只考慮運營效果而不顧工程造價，應在合理的工程投資的基礎之上，滿足地質條件、已存在的建筑物和土建工程造價限制的要求，確定相對合理的線路縱斷面。

1.2.2 保證列車運行功能指標 地鐵列車的運行首先要保證安全、迅速、舒適的要求，這就要求線路縱斷面與線路的平面設計相協調，不能存在“有害坡”，要求列車有一個比較平穩的運行環境，使列車在惰行過程中不超速，以保證列車運行安全。

1.2.3 保證列車的加速性能 應用于地鐵系統的動車組一般采用較大功率的電機，其目的是盡量縮短列車加速時間，合理縱斷面的設計應有效地提高列車商業旅行速度，滿足地鐵列車快速、便捷的要求。

2 節能坡的節能效果

為了更直觀地體現“節能坡”在地鐵運營中的節能性，現利用地鐵線路合理縱斷面列車運行模擬設計方法對某線路的一個區間（A—B 站）進行縱斷面方案的比較。

所謂地鐵線路合理縱斷面列車運行模擬設計方法是根據城市規劃及客流分布選線后，按地面建筑物、地下管線、其他建筑物現狀與規劃、工程地質和水文地質等條件，確定地鐵線路埋藏深度和車站中心高程，再考慮列車重量、長度、動車特性、信號布置、行車組織等因素，然后通過模擬仿真，對各種可行性縱斷面進行比選、優化，來確定相對科學的線路縱斷面方案〔3〕。進行多方案選擇的主要工具是列車運行模擬軟件，根據預定的列車屬性對不同的縱斷面方案進行運行效果比較，對能耗、運行效果和工程投資進行綜合分析，確定最優的合理縱斷面。下面，就“節能坡”對地鐵運營的節能效果進行對比性的研究。

〔案例〕設一線路區間長1 310 m，A、B站高程差為5.77 m。考慮一般列車編組不大于6 輛，列車長度小于180 m，在“節能坡”比較過程中，站臺范圍的坡段按照坡度不大于3‰、長度不小于200 m 設置。在模擬計算時，是以車站中心作為列車質點中心計算，因此，在下面的優化斷面中，區間的第一個計算坡段為半個車站坡段長度（按照100 m 設置）。其中，方案1為標定方案（初始方案），方案2為基于節能坡理念的優化方案（比較方案），進行方案比較分析時，不考慮列車再生制動能量被相鄰列車吸收的部分。

方案1：線路縱斷面的數據見表1。通過列車運行仿真模擬，方案1的模擬結果為正向運行時，技術速度67.8 km/h，運行時間69.59 s，耗電量為42.1 kw.h；反向運行時，技術速度68.4 km/h，運行時間68.94 s，耗電量為41.3 kw.h。

表1 方案1（初始方案）線路縱斷面數據

方案2：線路縱斷面的數據見表2。通過列車運行仿真模擬，方案2的模擬結果為正向運行時，技術速度67.7 km/h，運行時間69.61 s，耗電量為31.8 kw.h；反向運行時，技術速度68.4 km/h，運行時間68.92 s，耗電量為29.3 kw.h。

表2 方案2（優化方案）縱斷面方案數據

通過分析，以上2個方案在相同技術速度條件下，方案1正反兩個運行方向總耗電量為83.4 kw.h，方案2正反兩個運行方向總耗電量為61.1 kw.h。

3 結束語

由以上2 種方案的對比可以看出，在正走向和反走向的綜合節能上，有“節能坡”的方案2 比沒有“節能坡”的方案1在相同運行效果的前提下要節能26.74%。由于這一百分比是較大的，故“節能坡”對地鐵運營的經濟性的影響顯著。同時，這也意味著在地鐵系統的設計過程中，應把對“節能坡”的設計放到重要的位置上來。

地鐵系統是一個多專業、綜合的復雜系統，地鐵各子系統間互相滲透、互相影響。線路縱斷面的方案差異往往會影響地鐵系統的能耗和供電系統的方案，甚至對將來的列車運行也有影響，合理科學的縱斷面能夠有效地縮短列車加速和制動時間，從而提高列車平均行駛速度。地鐵線路縱斷面直接影響地鐵列車的運行效果，并對地鐵的長期運營成本產生長久的影響，如果能夠合理地設計線路縱斷面將對整個地鐵工程帶來可觀的經濟效益〔4〕。

〔1〕金煒東，王自力，李崇維，茍先太，靳蕃.列車節能操縱優化方法研究〔J〕.鐵道學報，1997，19（6）：58-62.

〔2〕廣州市地下鐵道總公司.地鐵科技文集〔M〕，華南理工大學出版社，2008.

〔3〕程家興.列車節能操縱中最優方案的算法〔J〕.微機發展，1999，9（2）：1-4.

〔4〕廣州地鐵設計研究院有限公司.廣州地鐵三號線工程設計研究與實踐〔M〕，人民交通出版社，2011.