南京地鐵三號線列車牽引效能優化研究

李研

摘要：結合南京地鐵三號線供電系統特征，建立單車能耗模型，針對地鐵列車的實際情況制定出最佳的能耗測試方案，準確的獲取列車的牽引能耗、再生制動能量，進一步優化單車能耗模型。

關鍵詞：供電系統；列車系統；運行圖編制；效能優化

1 研究背景

1.1城市軌道交通發展現狀

隨著社會經濟的發展以及城市客運的需求，全國各大城市的城市軌道交通發展建設如火如荼，截止2018年12月31日，中國大陸包括北京、上海、廣州等35座城市開通運營軌道交通線路，共189條線路，總里程高達5536公里，車站3719座。預計到2020年末，中國城市軌道交通運營線路長度超過8000公里。

1.2研究的方法

1.2.1 結合南京地鐵三號線供電系統特征，建立單車能耗模型，針對地鐵列車的實際情況制定出最佳的能耗測試方案，準確的獲取列車的牽引能耗、再生制動能量，進一步優化單車能耗模型。

1.2.2針對“基于運行圖優化實現牽引節能”進行理論研究，建立粒子群算法優化數學模型，分析同一供電段內兩列車或三列車的回饋能量與重疊時間的關系，找出使得回饋能量最大的最優重疊時間，得出使得總回饋能量最大的最優時刻表，并制定測試方案進行實際測試與驗證。

2 具體實施

2.1仿真模型驗證

2018 年 3.24-3.26，項目組對南京地鐵 3 號線進行了列車運行等級節能試驗：

3.24 日晚 23：10，項目組進行了兩個速度等級的下行空載測試。089090車安排在末班車后面以 ATO_2 模式（各區間運行時間較標準時間延長 5 秒）開行，23：15，091092 車安排在 089090 車后面以 ATO_3 模式（各區間運行時間較標準時間延長 10 秒）開行。

3.25 日晚 23：10，項目組進行了兩個速度等級的上行空載測試。089090車安排在末班車后面以 ATO_2 模式（各區間運行時間較標準時間延長 5 秒）開行，23：15，091092 車安排在 089090 車后面以 ATO_3 模式（各區間運行時間較標準時間延長 10 秒）開行。

以大明路-明發廣場為例，標準運行時間為2分鐘，實測牽引能耗為 10.38kw·h，TSim 仿真牽引能耗為 10.26kw·h。誤差在 1.2%左右。

2.2節能運行圖編制。根據3 號線上下行速度等級設計結果，南京南調度室編制節能運行圖。上行調整時間為+40 秒，預期節能率 8.69%；下行調整時間為+39 秒，預期節能率 8.12%。延長時間可在首末站折返線追回，不會對原有發車間隔和運力造成任何影響，同時，可滿足地鐵出行方式的時間要求，調整前后乘客不會有任何感知。

2.3列車群控優化方案。列車的站間運行過程由系統自動控制運行，而其所遵循的時刻表則可以由運營部門根據需要在安全合理的前提下利用列車自動監護子系統（ATS）的功能自主地進行編排與調整，這就為列車群控優化方案的實施提供了可行性。

以現行使用的時刻表為基礎，通過對其進行調整以實現群控優化方案。該優化問題屬于多輸入（多個停站時間調整量、多個發車時刻調整量）問題，輸入數據因子較多，而且使用于一個龐大而復雜的系統，仍采用遺傳智能算法為工具對該復雜問題進行處理。

3 成果應用效果分析

3.1節能驗證數據分析

3.1.1單車節能效果分析。對節能圖使用前后單車能耗情況進行分析，選取列車平峰時段運行曲線進行對比。其中，原圖和節能圖均為始發列車。原圖上行實際行駛時間為 3331S，下行實際行駛時間為 3301S，牽引能耗為 244.1kw·h，節能圖上行實際行駛時間為 3364S，比原圖延長 33S，牽引能耗為 229.8kw·h，節能驗證選用的上行速度等級曲線實測節能率為6.81%。

3.1.2節能驗證電耗統計。根據南京地鐵能管系統提供的數據，對節能驗證期間每日 6：00-20：00 的能耗數據進行了統計和分析計算，結果顯示南京地鐵 3 號線車公里能耗在 6.7kw·h/車·公里，低于全國平均水平，體現了南京地鐵領先的運營管理水平。

4 成果創新點

4.1完成了南京地鐵 3 號線能耗測試

4.1.1設計了南京地鐵 3 號線在線列車能耗測試方案及變電站輸出電量測試方案。

4.1.2對南京地鐵 3 號線列車區間運行牽引能耗、回饋能量進行了系統、詳細的測試、分析和計算，為南京地鐵 3 號線等級節能研究奠定了基礎。

4.2建立南京地鐵 3 號線系統仿真模型

4.2.1對地鐵的實際車輛和供電系統進行詳細的電氣和能耗數據分析，采用電氣牽引瞬態仿真、供電仿真及地鐵運營仿真相結合的建模方法，建立完整的地鐵系統仿真理論模型。

4.2.2設計并建立了帶有列車牽引功率、電壓以及饋能綜合限幅的車輛牽引系統模型。

4.2.3建立了車輛、線路、變電所、接地網、接觸網、軌道、自動駕駛系統、自動調度系統等地鐵系統組成要素的統一模型。

4.2.4通過地鐵系統的實測數據與仿真系統的對比校驗，仿真與實際綜合誤差在 5%以內。

4.3地鐵速度等級優化設計與節能效果分析

4.3.1對列車區間運行時間、上下行運行時間、發車間隔、停站時間、折返時間、全天運營時間、在線運營車輛數量、高低平峰時段、列車追蹤間隔以及維保時間進行系統分析，建立完整的列車運行等級分析模型，選定 8 條速度曲線；

4.3.2編制節能時刻表，進行至少為期一周的全天載客測試，形成節能測試分析報告。

4.4提出簡單、方便、有效的軌道交通牽引節能方案

4.4.1建立瞬態電氣仿真模型和實測數據相結合的地鐵全線路多車運行系統的精確仿真模型，以及模型修正和簡化方法。

4.4.2提出基于運行圖調整的等級節能優化方案，研究快速尋優方法和實時多機并行計算自動優化調度支持技術。

5 改進建議

5.1針對于列車延誤或調整對線路其他車輛的影響，需要進一步研究具有一定自適應功能的運行圖快速優化方法，提高系統魯棒性。

5.2針對既有線路，需要研究對現行運行時間調整最小速度等級的節能效果。在保證列車運行安全的前提下，優化時間調整幅度，進一步提高列車再生制動能量吸收效率。

5.3研究等級節能優化方法與運營優化、ATC 優化、節能坡、有源回饋、超級電容吸收等其他節能方法的融合，因此，需要在已有基礎上，進一步加入多目標協調優化算法。

5.4未來，南京市域軌道交通將達到 22 條線路，因此需要研究網絡化運營條件下，等級節能時刻表網絡化優化運行的方法。

參考文獻：

[1] 袁敏捷. 地鐵運營優化方案研究. 上海電機學院學報，2009（9）.

[2]李亞. 城市軌道交通線路運營計劃優化方法研究.城市地理，2018

[3] 薛艷冰. 列車牽引能耗計算.中國鐵道科學， 2007（3）.

（作者單位：南京地鐵運營有限責任公司資產部工程師）