ATO節能優化模型研究

張燕武

摘? 要：綜觀城市的公共交通工具，其中軌道交通高速發展，而且具有運量大、環保舒適、安全快捷等特點，尤其是CBTC技術的成熟應用，為城市交通日益具增的矛盾提供了新的解決方案。在能耗方面，同級別運力的情況下，汽車的能耗是軌道交通的9倍，公交車的能耗是2倍。但是軌道交通的運量大，其總耗量是巨大的，極高的運營成本也不容忽視。“十三五”明確提出了創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，要求加快完善安全高效、智能綠色、互聯互通的現代基礎設施網絡。因此想要降低成本、促進低碳環保，應該加強對列車的節能運營的研究。

關鍵詞：速度曲線;節能運行;ATO控制策略;能耗優化模型

中圖分類號：U284.48? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）05-0059-02

Abstract： A comprehensive view of urban public transport means， including the rapid development of rail transit， and with the characteristics of large traffic volume， environmental protection and comfort， safety and speed， especially the mature application of CBTC technology， provides a new solution for the increasing contradiction of urban transport. In terms of energy consumption， under the same level of transportation capacity， the energy consumption of automobiles is 9 times that of rail transit， and that of buses is 2 times. However， rail transit has a large traffic volume， its total consumption is huge， and the extremely high operating cost can not be ignored. The 13th Five Year Plan clearly puts forward the development concept of innovation， coordination， green， opening and sharing， and calls for accelerating the improvement of a safe， efficient， intelligent， green and interconnected modern infrastructure network. Therefore， in order to reduce costs and promote low-carbon environmental protection， we should strengthen the research on energy-saving operation of trains.

Keywords： velocity curve; energy-efficient operation; control strategy by ATO; energy consumption optimization model

1 背景

城市軌道交通由于其安全、可靠、運力大等優勢，已經廣泛應用于世界各地。至2018年未全國地鐵開通運營5761.4公里，在建6374公里，規劃建設7611公里。隨著城市軌道交通系統快速發展及客流量需求的日益增加，城市軌道交通系統的運營總能耗迅速增加。不論是從企業經濟效益來講，還是建設節約型城市都是一個嚴峻的挑戰。對消耗能源的主體進行分解，車站運營和列車運行是城市軌道交通系統能耗中最主要的兩部分。車站運營能耗則由空調、照明、電梯/電扶梯、站內通風、售/檢票機、車站機房設備等構成;列車運行能耗主要有列車牽引、機車設備、空調、照明等輔助設備。其中牽引能耗是城市軌道交通系統運營總能耗的主要部分，因此盡可能的降低列車的牽引能耗是研究列車節能優化模型的核心內容。列車自動駕駛（Automatic Train Operation，簡稱ATO）系統的主要作用是代替司機駕駛列車按推薦速度運行、自動開關車門和輔助司機駕駛等提高列車運行效率。ATO系統直接影響列車調整運行速度，車站精確停車，列車的運行效率以及節能運行等。

2 列車自動駕駛系統介紹

列車自動駕駛（ATO）系統采用高可靠性的硬件結構和軟件設計，應用單質點、多質點結合的列車動力學模型，采用分層式架構，實現長周期的運行曲線優化和短周期的實時控制有機結合，使列車在自動駕駛控制下準點、精確、舒適和節能平穩地運行。列車運行過程中，不僅要保證列車的最大行車效率，運行過程中不超緊急制動觸發速度，還要考慮精確性、舒適度、準時性、節能等方面的運營需求。

（1）精確性。在目前的城市軌道交通中，車站幾乎都安裝了站臺安全門系統，為了不影響站臺乘降作業的效率，ATO必須滿足站臺停車誤差不超過30cm的精確停車要求。（2）舒適度。列車自動駕駛的過程中，考慮線路坡度，線路彎道，列車牽引制動性能等因素，通過逐級牽引，一次制動等方式，減少列車在區間和進出站過程中運行的沖擊率，以保證乘客的舒適度。（3）準時性。列車從始發站臺啟動到終點站臺停車的運行過程中，列車的實際運行時間與計劃運行時間的差需要小于規定值，盡量不早點或不晚點太多。（4）節能。列車運行時，反復牽引制動導致的耗電量遠大于經常處于惰行狀態時的耗電量。故而高效、經濟、合理地控制列車運行，考慮牽引/制動特性，減少不必要的牽引切換頻率，達到節能效果。

3 節能優化模型

列車的牽引能量來自供電系統，經過傳輸、變換后，驅動電機控制列車運行。根據運行調整命令、線路信息、車輛信息以及列車的運行數據，計算出滿足舒適、準點約束的節能運行推薦速度曲線。其通過精確的輸出相應的牽引與制動力，實現推薦速度的準確跟蹤。因此，建立列車節能優化模型，優化推薦速度及控制策略即可實現節能運行。

（1）運行時間模型。列車在兩站間的計劃運行時間T0，實際運行時間T。

T差=T-T0;當T差<0，說明時間充足，可增加惰行時間，減少能耗，調整行車時間;當T差=0，說明時間恰好，列車可以準點到站，無需調整;當T差>0，說明時間不足，需要列車按最高運行效率運行。

（2）能耗計算模型。能耗計算模型是通過對列車運行過程進行受力分析，從而得出基本阻力、附加阻力、牽引力、制動力的計算模型，再根據列車在不同工況下實際作用在列車運行方向上的牽引/制動系統做功情況演化出來的，模型如圖1所示。

（3）能耗優化模型。列車的能耗主要取決于線路信息、車輛信息、運行等級、自動控車策略。能耗優化模型如圖2所示：

4 自動控制策略

現有的ATO控制策略在精確追蹤目標速度過程中，會因實際速度偏離目標速度，反復實施牽引和制動，雖然實現了對列車速度的精確控制，卻造成了能量的浪費。因此通過一系列的優化算法對速度曲線進行優化以減少列車運行過程中不必要的加減速過程，從而達到節能的目的。如在不影響運行效率的情況下，通過避免很短的高速部分的快速加減速過程從而達到節能的目的。基于現有的ATO控制策略，通過以下幾個方面對該策略進行優化，以達到節能效果。

4.1 控制策略

在規定的計劃運行時間內，列車從始發位置（S0）運行至目標位置（ST），可有預計算出多種不同的速度曲線，如圖3所示。每一條速度曲線，所對應的列車能耗也是不相同的。故而，在列車運行符合運營要求的情況下，選取一條能耗最小的速度曲線作為列車的推薦速度曲線。

（1）最快策略（S0-A1-A2-ST）。原則：盡最大可能發揮列車牽引/制動，使列車以最短時間運行。

（2）最經濟策略（S0-B1-B2-ST）。原則：列車起步加速以最大牽引使速度快速達到穩定速度，在列車運行中間階段盡可能使用惰行。

（3）混合優化策略（S0-C-ST）。結合“最快策略”、“最經濟策略”盡可能的減少能耗、提高舒適度。

4.2 優化控制原則

（1）運行狀態保持。列車在線路上運行始終處于牽引、惰行、制動三種工況的其中之一，每一個工況下都必須保持一定的時間。（2）消除過低速度。列車從某一限速區域運行到另一限速區域的過程中，需要盡可能維持高速通過，因此就要最大程度地減少手柄的變化的次數，會導致列車運行速度過低。所以在列車進入下一個限速區間前調整列車的速度，以防止列車過低速度運行，從而提高列車的運行效率。（3）運行狀態中時刻切換。列車在運行過程中，出站時施加最大牽引達到區間巡航速度，在區間盡量保持惰行，并減少牽引制動頻率，直到列車速度低于推薦速度達到門限后再牽引。

5 結束語

建立列車運行的節能優化模型，并在原來ATO控制方法基礎上，優化駕駛策略的控制方法。利用仿真結果為能耗優化方案提供參考依據，并結合行車組織中計劃運行圖的編制，合理組織列車，提高再生制動的利用率;在高峰期和平峰期選擇不同的運營等級，合理的調整運營速度，從而達到降低牽引能耗的目標;同時在線路設計時加入節能坡的優化設計。收集實際運營地鐵大量的運營數據并分析，進一步完善控制策略，并近一步優化ATO系統。

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