城市軌道交通調度系統節能策略研究

張德明 梁 亮

行車調度作為城市軌道交通運營的一個主要環節，對城市軌道節能有重要影響。但是，有關行車調度的傳統研究，一般都集中在按圖行車的自動化控制方面，而對能源利用優化方面的研究，則相對較少。隨著相關技術的發展，行車指揮系統可以直接對列車運行行為進行控制，因此，研究如何充分利用調度系統作為運營指揮核心，整體上降低系統運營能耗，成為一個重要課題。

1 城軌調度系統節能的基本概念

城市軌道交通的能耗主要由動力照明能耗和牽引能耗二部分組成。動力照明能耗包括：為滿足旅客列車安全可靠運營要求的設備系統、為旅客提供良好的乘車環境的設備系統、保證車站正常運轉的設備系統、車站商業區動力照明設備、運營部門辦公用動力照明設備等的能耗。牽引能耗即運營車輛所消耗的電能，包括正線旅客列車運營消耗的電能和車輛段旅客列車出入庫消耗的電能。根據相關統計，動力照明能耗和牽引能耗大約各占城市軌道交通能耗的50%。

城市軌道交通行車調度，其主要功能是通過運行計劃編制、列車運行的實時調整來達到控制和協調列車運行的目的。因此，通過調度技術降低能耗，最后主要體現在牽引節能上，包括車輛節能、線路節能、再生制動節能等，都是比較微觀角度的節能。而調度節能，則是從比較宏觀角度進行節能研究，它需要對各種微觀技術進行整合、協調與控制，從而使系統整體上達到能耗的最優化。

2 影響城軌調度系統節能的關鍵因素分析

2．1 列車運行曲線

列車運行曲線是指列車運行的速度－距離曲線圖。對于給定的列車運行曲線，再加上相應的列車性能參數，就可以計算出對應的列車能耗。因此，對于列車牽引的節能控制，一個重要的方法就是通過改變列車運行曲線，從而達到降低能耗的目的。

在現代城市軌道交通系統中，均采用ATC信號系統對列車進行控制。圖1展示了基于ATC信號系統列車運行控制，并生成列車運行曲線的基本過程。列車從車站1開出，發往車站2。中心調度系統 （ATS）向車載ATO設備發出區間運行時間計劃，ATO依據此時間計劃，結合車輛性能，線路特征，生成最優控制曲線，控制列車運行。

圖1 列車運行控制及曲線生成過程

圖1的列車運行控制及曲線生成過程主要有2個階段：一個是ATO控制列車生成列車運行曲線的階段，另一個則是ATS向ATO傳遞列車運行時間計劃的階段。目前，有關列車運行過程節能的研究，主要集中在第一個階段，也就是通過研究各種算法，合理調整列車牽引、惰行和制動3種工況，形成最優曲線，達到降低列車能耗的目的。

但需要注意的是：以上階段的節能控制過程，以計劃限定的列車運行時間為前提。而對于不同的計劃限定時間，即使采用最優的列車操控策略，其能耗也是不一樣的。也就是說，列車運行過程節能，不僅需要從第一階段、列車運行操控方面進行考慮，同樣需要第二階段、從列車運行計劃與調度方面進行考慮。

現有的ATO實現均提供幾套不同的運行曲線，對應列車運行快或慢的幾種運行等級，這幾種等級需要調度系統 （ATS）進行選擇。一般說來，運行曲線的總時間越短，列車能耗越高；運行曲線的總時間越長，列車能耗越低。調度系統節約能耗的一個重要途徑，就是在不影響列車正點到達終點站的情況下，合理選取不同等級的運行曲線。

2．2 再生制動

城市軌道交通車輛制動方式可以分為3種：空氣制動、電阻制動及再生制動?？諝庵苿右詨嚎s空氣為動力源，通過閘瓦與車輪踏面摩擦而產生制動力；電阻制動的原理是通過將牽引電機工作在發電狀態，將車輛動能轉化為電能，再用電阻作負載將電能消耗掉；再生制動也是利用能量轉換原理將動能轉換掉，只是將制動中產生的電能反饋到直流供電電網中去加以利用。3種制動方式中，空氣制動由于需要通過機械摩擦，加大了車輛的維修工作量，同時壓縮空氣的釋放將產生大量粉塵，造成環境污染；電阻制動產生大量熱量，使地鐵隧道內的溫度升高，增加站內空調通風裝置的負擔；而再生制動不僅能夠避免上述問題，而且還能夠節約能耗，因此一般在城市軌道交通車輛中優先采用。

但是，再生制動能量如何有效吸收需要仔細考慮。軌道交通車輛再生制動時產生的電能是直接反饋到直流供電電網中去的，如果同一供電區間內有其他車輛在運行，則再生制動產生的電能可被其他車輛吸收利用；如果同一供電區間內沒有其他車輛運行，則這些能量主要被車輛的吸收電阻以發熱的方式消耗掉或者被線路上的吸收裝置吸收。

由此可知，再生制動能量的有效利用，與列車在線路上運行的時間和位置有重要關系。而列車在線路上的時間和位置，是由調度系統列車運行圖決定的。合理的編制列車運行圖，盡可能地增加列車在同一供電區段出現的時間，同時對列車到發關系合理編排，將能夠有效節約能耗。

2．3 車輛編組

列車質量包括列車自重和旅客載重二部分。其中列車自重占了很大部分。研究表明：即使在滿載情況下，旅客質量在列車質量中也只占約30%，如果滿載率下降到50%，旅客質量在列車總質量中的比例將下降到17．8%左右。也就是說，隨著滿載率的下降，牽引能耗將主要用于無效牽引。

城市軌道交通車輛可以采用不同數量的編組連接，在旅客數量一定的情況下，降低編組數量，將能夠有效提升旅客在列車質量中的比例，從而提升滿載率，降低單位客流量能耗比例。

城市軌道交通客流出行強度具有明顯的不均衡性，一般具有雙駝峰特征，也就是早晚高峰客流量較大，而其他時間客流則較小。如果根據客流情況，在不同的客流密度下，采用不同的行車編組方案，提升滿載率，將能夠有效降低系統能耗。

3 城軌調度系統節能策略

3．1 總體策略與基本思路

在城市軌道交通系統運營管理過程中，是以調度系統為核心開展各種工作的。也就是說，城市軌道交通中的其他系統，包括車輛、供電、信號、機電等設備，均需要服從調度系統的統一指揮。通過前面對幾種城市軌道交通節能具體措施的分析，以及結合城市軌道交通調度指揮的基本原則，可以得出城市軌道交通系統節能的總體策略，就是以現有調度系統為基礎，通過功能優化與調整，對列車、牽引、信號等各方面技術進行綜合利用，達到節約能耗的目的。

調度系統的主要功能可以分為2個階段：運行圖的編制階段和列車運行調整階段。運行圖編制，就是根據平日、周末、以及節假日不同時期旅客出行特征的不同，結合線路特征以及車輛設備性能，制定列車運行的基本計劃，作為后期列車運行的一個基本藍圖。列車運行調整，則是以已經編制好的運行圖為基礎，在實際運行過程中，根據現場客流，列車運行情況等因素進行實時調整。調度系統具體節能的基本思路，則需要從運行圖編制和列車運行調整這2個方面進行考慮。

3．2 基于運行圖編制的節能策略

基于運行圖編制的節能策略，可以從平峰與高峰、混合編組以及再生能利用3個方面進行考慮。

1．平峰與高峰運行圖編制策略。針對城市軌道交通旅客出行不均勻的特點，將旅客出行的時間段分為平峰時間段和高峰時間段。在編制列車運行圖時，根據客流特征，在高峰時間段，編制相對較密的列車運行圖；而在平峰時間段，編制較疏松的列車運行圖。這是列車運行圖編制的一個基本策略。從節能角度考慮，在平峰時間段采用較為疏松的列車運行圖，減少了列車投放量，從而也減少了能源消耗。

2．混合編組運行圖編制策略。這是解決平峰與高峰客流不均勻問題的另一種策略。在這種策略下，無論高峰平峰，運行圖基本以均勻方式排列。在高峰時，派班列車采用大編組，以應對大客流問題。在平峰時，則采用小編組。根據前文的分析，平峰時間段采用小編組，能夠提高滿載率，有效降低單位旅客能耗，從而達到節約能耗的目的。

3．再生能利用運行圖編制策略。通過從運行圖多車關系上綜合考慮，對運行圖進行調整，以達到對再生制動能源的有效利用。具體需要從2個方面進行：第1個方面是從牽引供電區段與列車分布考慮，通過對列車運行相對關系的調整，盡可能使列車在同一牽引區段運行；第2個方面是從列車制動時間關系考慮，通過對列車運行圖進行調整，盡量避免在同一供電區段內的兩列車同時制動，或者同時啟動，而是將其制動與啟動時間錯開，從而保證反饋電能的有效吸收。

3．3 基于列車運行調整的節能策略

1．列車運行節能調整的基本策略?，F有列車運行調整，其主要目標就是按圖行車，也就是準時目標。而節能運行的主要目標，則是為了降低能耗。列車運行節能調整的目標，就是既要保證系統按圖運行，又能夠節約能耗，也就是將現有的單目標運行調整系統變成雙目標運行調整系統。列車運行節能調整的基本策略就是，將系統運行調整模式分為準時模式和節能模式，在高峰時段以準時模式進行調整，在平峰時段以節能模式進行調整。

2．基于時間段的節能調整策略。在列車運行節能調整具體運用中，如何區分當前時分是處于高峰時段，還是平峰時段，是后續進行調整模式選擇的關鍵因素。由于每日出現的旅客高峰與平峰時間段基本是有規律的，因此，一個有效而簡單的方法就是通過時間配置來進行。如，可以進行如下定義：04：00－07：00平峰／07：00－09：00高峰／09：00－16：00平峰／16：00－19：00高峰／19：00－23：00平峰。調度系統將當前時間與系統配置的時間范圍進行比較，可以確定當前是高峰時段、還是平峰時段，再采用對應的調整模式。

3．基于在線列車數量的節能調整策略?；谠诰€列車數量來判定高峰與平峰，進而選取不同模式進行調整，是列車運行節能調整的又一個有效辦法。在線列車數量是指已經從車輛段出發，當前正在正線運營的列車數量。通過設置在線列車數量門限，當在線列車數量超過一定門限，那么認為系統進入高峰時段，此時采用準時模式進行列車調整。當在線列車少于門限，那么認為系統進入平峰時段，此時采用節能模式進行列車調整。在具體實現的時候，不同日期，高峰與平峰列車保有量有所區別。因此，需要針對不同的運行圖，制定不同的車輛數量門限，以便更加準確地對高峰與平峰時段進行判斷。

4 結束語

目前，從城市軌道交通調度角度開展節能研究，還處于起步階段。本文從分析影響城市軌道交通系統節能的3個因素 （列車運行曲線，再生制動，以及車輛編組）入手，提出了城市軌道交通調度系統節能的總體策略，并從運行圖編制節能和列車運行調整節能2個方面進行了具體策略研究，為城市軌道交通調度系統節能的進一步研究和技術實現奠定了基礎。

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