城市軌道交通CBTC 信號系統節能運行方案探討

韓 潔

（北京市軌道交通建設管理有限公司，北京 100068）

“十四五”規劃和2035 年遠景目標綱要中提出“十四五”期間要達到廣泛形成綠色生產生活方式，碳排放達峰后穩中有降，生態環境基本好轉，美麗中國建設目標基本實現的戰略目標。習近平總書記在十九大報告中也明確指出“綠水青山就是金山銀山”，這也充分說明了“節能減排、綠色環保”的重要性。節約能源已經成為我國社會和經濟發展的一項長遠戰略方針。隨著社會經濟不斷發展，消費結構持續升級，人民群眾對城市軌道交通安全、可靠、便捷、舒適、經濟的要求越來越高。據統計，截至2022年底，我國已有近55 個城市擁有軌道交通項目，總的運營里程超過11000 km。其中地鐵運營線路占比約78%。做好城市軌道交通節能減排工作愈發顯得責任重大、任重道遠。

城市軌道交通能源消耗主要集中在列車運行能耗和運營系統設備能耗兩大部分，約各占總耗能的50%。運營系統設備的耗能相對固定，取決于運營管理模式和設備配置。而列車運行能耗屬于相對動態的能耗，取決于客流分布、客運需求、行車組織以及與其配套的列車運行控制策略。本文從減少列車運行能耗角度提出一種CBTC 信號系統節能運行方案，為進一步降低運營成本，助力“智慧交通”、“節能減排”、“綠色出行”的先進理念。

1 國內、外現狀

目前國內、外城市軌道交通行業中CBTC 信號系統對于列車運行能耗的節能主要通過劃分ATO節能運行等級實現。在保證規定的運行能力、旅行速度、正點的前提下，結合線路平縱斷面、線路節能坡、列車運行間隔、牽引供電分區、再生制動等條件，通過控制列車運行的加速、惰行、制動工況對能耗進行控制，并劃分為不同的節能運行等級。當列車早點發車或運行圖編制留有余量的條件下，ATS自動將ATO 運行等級調到低等級運行。該方式節約能耗有限且相對固定。

各地地方標準和研究單位為進一步指導軌道交通節能技術發展均提出了節能技術策略。其中北京市質量技術監督局發布的《DB11/T1486—2017城市軌道交通節能技術規范》以及城市軌道交通列車通信與運行控制國家工程實驗室發布的《城市軌道交通列車運行節能控制導則》 明確提出：ATO 子系統應充分結合ATS 子系統與ATP 子系統，對列車運行過程中的牽引、惰行、制動頻度進行優化。ATS 子系統宜統籌控制同一牽引供電分區內列車的運行，合理銜接列車出站時的牽引工況與進站時的制動工況，實現對再生制動能量的充分利用。

2 節能技術方案

供電系統為地鐵列車提供牽引能量。來自供電系統的能量經過傳輸/變壓、整流驅動、機械傳遞最終轉換為地鐵列車的運行[1]，如圖1 所示。用于牽引的電能除了主要用于牽引的能量外，其他輔助設備如照明、通風、空調等設備也消耗能量[2]。因此列車運行能耗主要包括牽引能耗和輔助設備能耗。對于城市軌道交通CBTC 信號系統，從降低牽引能耗角度出發，通過ATS 和ATO 子系統配合來實現整個信號系統的節能控制。

圖1 能量轉化示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy conversion

2.1 總體策略

在設計時刻表過程中，考慮節能因素，在滿足服務質量的同時，減少服務列車數量，同時為列車節能駕駛留出余量。

協調列車的進、出站，以使制動列車產生的再生能量為牽引列車利用。

根據客流情況及服務質量需求，動態調整時刻表，提高滿載率、減少空駛，提高能量利用效率。

通過優化的駕駛策略，充分利用站間線路特點和計劃運行時間，減少不必要的牽引，降低能耗[3]。

2.2 ATO 在牽引階段的節能策略

利用列車特性，由停車到動車時，使用合理百分比牽引力牽引列車有速度，有速度后，根據速度大小，逐漸增加列車牽引力至最大，通過ATO 的精確計算，對輸出牽引在不同階段精細化控制，滿足平穩操作。

增加PID 算法調整比例部分的功能，當列車速度與目標速度差值在5～10 km/h 范圍內時，調整參數中的P，使得列車在臺階處不超調。

接近目標速度時緩加速，如果目標速度上方仍有速度空間（也就是沒達到接近EBI 降速的程度），利用坡道勢能運行，節約能量。

2.3 ATO 在制動階段的節能策略

增加預測機制，提前判斷出前方接近減速區，然后根據當前線路情況施加合理的減速操作。一般是先惰行，然后再小制動；惰行時間長短與坡道大小有關，越是下坡惰行時間越短，這樣到達減速區后列車便能夠平穩減速。

增加ATO 停車目標制動率，這樣做能有效減少停車時間，減少的時間可以用來降低區間運行的最高速度，達到節能的目的。

進入減速區，緊緊圍繞目標速度進行PID 控制調節，使列車圍繞減速曲線平穩運行。

減速末段，預測機制可以提前獲得減速末段信息，做到平穩有序減小制動力，節約能量又使ATO駕駛平穩。

列車進入精確停車階段，為了提高效率，通過配置數據，使進站階段的制動率在65 cm/s2～75 cm/s2之間，提高進站效率，節省時間，用來降低站間的最高速度。

2.4 ATO 在巡航階段的節能策略

根據不同運行等級要求，通過設置合理的節能惰行門限，增加惰行時間，減少牽引耗能操作。

適當降低最高運行等級的速度，超過運行等級速度以及不超過實時計算最高目標速度范圍內均不進行牽引和制動。在該區域控車時，只響應PID輸出的制動，不響應PID 輸出的牽引。

次高運行等級運行時，充分利用勢能進行加速運動和減速運動。

根據線路情況對每個站間不同和運行等級速度進行微調，在保證全周轉時間不變的前提下，充分利用勢能進行加速運動和減速運動。

2.5 ATS 區間運行時間的調整

對于運營高峰時段和非高峰時段，ATS 子系統采用不同的節能方案。在保證運營服務高質量以及乘客舒適度達標的前提下，在非高峰運營時段列車采用節能控車曲線實現節能運行。

列車停站后，ATS 子系統根據本站發車時間及計劃下一站到站時間，計算區間應運行時間。開啟區間運行自動調整功能后，ATS 子系統根據計劃的區間運行時間，能通過車-地通信傳輸系統將對列車運行的調節命令發送給ATO，ATO 子系統根據此調節命令控制列車到達下一個停車點的到達時間。以此實現ATS 對區間運行時間的控制，達到有效節能的目的。

2.6 ATO 的控制模型

車載ATO 子系統是信號系統控制列車運行的最終執行環節，它精確地執行時刻表的計劃，并根據坡度、限速等線路條件結合優化的節能策略計算出最佳的節能自動駕駛曲線，進而控制列車安全、準時、舒適、節能地完成運營工作。ATO 子系統的控制模型如圖2 所示。

圖2 ATO 控制模型示意圖Fig.2 ATO control model diagram

2.7 計劃圖編制建議

2.7.1 運營交路調整

確認線路客流分布情況，以便進一步確認是否可以實行大小交路套跑，進而達到節能的效果。

2.7.2 站停時間/運行等級調整

對于線路出現的各個站客流不均的情況，建議根據早晚高峰時段、上下行客流不均的情況調整不同車站的站停時間，在沒有早晚高峰以及乘客流量小的車站實行壓縮站停時間的手段，根據優化后的站停時間在不同的站臺區間匹配不同的運行等級，在保證全線旅行速度、運行間隔的同時，擴大列車運行時間，增加列車在區間的惰行時間，進而減少列車運行帶來的能量消耗，進而達到節能的效果。

2.7.3 同一供電分區列車啟動制動調整

建議在保證旅行速度的同時將同一供電分區的牽引、制動狀態的列車盡量成對運行，在同一供電分區內處于牽引狀態列車和制動狀態列車成對出現的時候，使制動列車輸回電網的再生能量能夠實現被處于牽引狀態下的列車充分利用，大大減少了線路的牽引能耗，從而實現整體能耗降低的效果，如圖3 所示。

圖3 能耗優化原理圖Fig.3 Energy consumption optimization schematic

3 結語

隨著節能減排、垃圾分類、綠色出行成為社會新風尚，城市軌道交通行業的高能耗越來越受到重視，軌道交通行業急需引進更多先進的技術理念來實現節能，本文提出的CBTC 信號系統節能方案，在一定程度上實現了對列車運行能耗中牽引能耗的動態調整，起到很好的節能效果，且具備可操作性，為我國軌道交通行業的可持續發展提供一定的理論基礎。