城市軌道交通自動化節能控制系統研究

朱哲晟

（杭州地鐵運營有限公司，浙江 杭州 310000）

在城市化發展進程不斷加快的背景下，各地也在增加投入，希望可以更進一步地提升城市軌道交通建設水平。但不可忽視的是，城市軌道交通在實際建設中還面臨著能源危機越來越緊張的情況，為了可持續發展的實現，如何節約能源消耗也逐漸成為各行業關注、探究的焦點。因此，為了實現對能源的高效利用，減少成本和污染，應不斷提升各類節能措施與技術的應用水平。

1 相關技術優化策略

1.1 優化列車動力傳輸效率

通過結合實際需求來對列車動力傳輸系統做出合理改進，能夠更好地實現對現有資源的充分利用。比如，可對先進電動機、變頻調速技術應用做出進一步優化，在減少能量損耗的同時，引用智能控制算法來優化動力傳輸。在軌道交通系統中還可適當地引入氫燃料電池等一些新能源技術，以此來盡量減少對傳統能源的依賴性。在之后的研究中，列車動力傳輸效率的優化是不可忽視的一個重要方向。除了以新穎、先進電動機、變頻調速技術的合理使用來達到控制能量空耗的目的之外，也可通過智能能量管理系統的合理應用來做到對列車動力傳輸效率的進一步優化，以列車能源消耗、傳輸效率的實時檢測來結合不同時期的具體需求做出合理調整，促進能源利用率的顯著提升。這一系統在具體實施中，能夠在動態控制列車車速、線路條件等因素的基礎上，保證列車不論是在怎樣的運行狀態下都可以更適合的方式來進行能量的傳輸。借助更先進的自適應控制算法，可圍繞列車現階段的運行狀態、環境參數來做出相應的動態調整，進而使得動力傳輸效率可以一直處于比較理想的狀態。在這些算法的支持下，電機的功率、傳輸效率就可結合列車加速度、制動力等諸多參數來做到實時調整。對于軌道交通系統來講，轉向架主要發揮的作用是為列車提供支撐，以及進行動力傳輸的作用。能量回收系統引入之后，制動中產生的諸多能量就可以合理轉化成電能，然后有效地儲存起來，為后續使用提供支撐，不僅能夠避免能源浪費，供電系統也不需要承擔太大的負擔。除了電動機技術之外，還可借助新能源技術來對列車動力傳輸效率做出合理改善[1]。比如：可以動力輸出持續穩定的清潔能源來合理地替代傳統的能源，盡量減少污染物的排放。還有就是軌道交通網絡布局、設計的完善，以往的行程太長、乘客換乘等諸多情況也可得到有效避免，還可促進列車動力傳輸效率的顯著提升。若能夠實現對車站位置、列車運行速度的科學規劃，盡量減少空載等情況的出現，能源消耗也會大幅度減少。在上述措施的有力支持下，城市軌道交通的列車動力傳輸效率會有很顯著的提升，在科學充分利用能源資源的基礎上，減少對傳統能源的依賴，為城市軌道交通系統的健康、可持續發展帶來更大的推動作用。

1.2 加強軌道交通信號控制

智能信號控制算法、實時數據分析等技術手段的科學應用，不僅能夠為軌道交通運營能效的大幅度提升帶來支撐，也可展現出更好的安全性、舒適性，后續的可持續發展在實現中也可獲得理想條件。信號控制系統的進一步完善，能夠使得列車在行駛中的加速、制動次數得到合理控制，由此來達到減少能源消耗的目的。在智能信號控制算法、實時數據分析的支持下，不論是列車運行速度的預測還是調整都可獲得有利參考，在減少能源浪費的同時，整體的運行效率也會更加理想。對于智能信號控制算法來講，一般都是圍繞列車目前的位置、速度，還有前進方向可能存在障礙物等各類數據來做出計算、調整，這樣在對信號燈的變化、綠燈時間的控制上便可以獲得更優的方式，達到減少能耗的效果。除此之外，借助這些算法能夠做到和車輛控制系統的集成，之后再協同控制列車與信號系統，做到對復雜運行環境，以及變化較多路況的有效適應，也只有這樣整體的安全性、可靠性才可得到保證。數據的實時分析，可以更好地監控、預測列車運行狀態，在列車速度、阻力等因素的考慮下，能夠制定出更理想的信號控制策略[2]。比如，在高峰期調用緩慢運行策略，能夠平滑列車運行，盡可能減少加速、急剎車等現象的產生，達到減少能源消耗的目的。另外，也可聯系實際，對列車運行進路、線路布局、調度計劃做出不斷完善，以此來確保軌道交通服務能效可以得到進一步提升。比如，在列車動力分配、車輛故障監控等技術手段的支持下，列車能夠在更安全且高效的基礎上做到對動力的均衡分配輸出，這樣傳輸能效也會大幅度提升。還有就是列車調度的科學合理性若能夠得到保障，空載、低載情況的產生也會更少，可盡量避免能源浪費。

1.3 完善車輛空氣動力學

對于這一層面，在實際研究中，可借助更先進的流體力學模擬方式以及軌道交通風洞試驗等諸多手段來進一步完善列車外形、空氣動力學配置。通過針對高速行駛的空氣流動做好數值的準確模擬，實驗數據驗證可以將更適合的外形設計、流線型布置找出來，在此基礎上，列車、空氣之間的摩擦阻力、壓力阻力也會大幅度降低。對列車車體外形做出不斷完善也是盡量減少空氣阻力的有效方式。在具體研究中，可通過精心設計列車車頭、車身、車位等部位來確保空氣可更流暢的繞過列車，減少湍流、阻力的出現。比如，車頭方面的設計，可引用流線型外形，對前方投影面積做出合理控制的同時，有效增加空氣導流裝置，這樣氣流分離、壓力阻力也會減少。除此之外，列車側面、底部的完善也是重點，可盡量避免側風、地面氣流給列車運行帶來的影響。在空氣動力學這一方面的完善還涉及列車細節上的設計，如，對空氣進入車廂的開口數量、尺寸做出合理調整，對車體接縫氣動性能做出恰當調整。若可以更好地完成這些細節設計的優化，除了能夠避免車廂中空氣侵入之外，氣動噪聲、阻力也會因此顯著降低，列車運行效率的提升程度也會更大[3]。更好地完善車輛空氣動力學，除了有助于列車高速行駛中空氣阻力的大幅度降低，能源消耗也會更少，這不論是對整體能源利用率，還是運行速度與效果的提升上，還是環境負荷的減輕上都具有重要意義。

1.4 智能化能源管理

為了更好地管理和優化軌道交通系統的能源消耗，我們可以采取以下措施。首先，建立一個綜合能源管理平臺，該平臺能夠實時監測和分析軌道交通系統的能耗數據。通過收集和分析這些數據，我們可以全面了解系統的能源使用情況，及時發現和解決能源浪費的問題。同時，這些數據還可以為節能措施的制定提供科學依據，幫助我們制定更加合理和有效的節能方案。其次，引入智能照明系統，根據車站內的客流量和光照強度等因素，自動調節照明設備的亮度和開關時間。通過智能化的控制，不僅可以降低照明能耗，還能營造出更加舒適的乘車環境。同時，智能照明系統還可以提高車站內的照明質量，為乘客提供更加清晰和明亮的視野，提高他們的出行體驗。最后，采用智能化的空調控制系統，根據車站內外溫度和客流量等因素，自動調節空調設備的運行模式和溫度設定。通過智能化的控制，不僅可以實現能源的高效利用，還能提高乘客的舒適度。同時，智能化的空調控制系統還可以及時應對突發事件和極端天氣情況，確保乘客的安全和舒適。通過實施智能化能源管理措施，我們可以實現更加高效、節能的運行。這不僅能夠降低運營成本，還有助于減少對環境的負面影響，為城市的可持續發展做出積極貢獻。

2 自動化節能控制系統設計

在進行城市軌道交通自動化節能控制系統設計中，要想取得理想效果，還應實現對列車運行、設備管理，還有能量回收等各方面實際情況的綜合考慮。在先進算法、策略的有力支持下，能夠更好地優化列車運行。且在能量回收技術的支持下，能源浪費現象也可盡量避免。通過構建更完善、可行性更高的設備狀態檢測、維護管理系統，能夠促進設備利用率、維修效率的顯著提升。在科學應用這些措施的支撐下，城市軌道交通的能源消耗能夠大幅度降低，同時運行效率的提升將帶來更優質的服務。一方面，對于列車的運行，可借助更先進的列車調度算法、智能運行控制策略來對列車的運行速度、間隔做出合理調整。列車調度算法越精確，列車到達目的地的時間也會更短，可盡量減少行車間隔，這樣整體上的運輸效率也會更加理想。而對于智能運行控制策略來講，可從列車的具體載客情況、運行狀態入手，做出更智能的調控，能量的利用情況也可達到最優，以此來盡量避免不必要的能源消耗。另一方面，能量回收也是節能控制系統中的關鍵組成。借助能量回收這一技術，可以及時地向供電系統回饋列車制動中剩下的能量，避免能源浪費。若可將制動能合理地轉化成電能，然后再有效儲存，那么在列車啟動、加速等環節就可實現再次利用，能源消耗也可因此降低。比如，在動態制動阻力器、電容器等裝置的支持下，可向供電系統或者是其他的列車及時的回饋制動能，更高效地利用能量[4-5]。此外，在節能控制系統控制中，設備管理也是要充分考慮的重點內容。通過對設備狀態檢測、維修管理系統的進一步優化，設備的利用率、維修效率也得到顯著提升。在實現對設備運行狀態、性能參數的實時監測后，設備存在的故障、異常情況也可被及時發現，以便于制定出與之相適應的維修措施，以免因為故障的產生而影響運營，或是出現能源浪費的情況。此外，若設備維護計劃、管理策略更加科學合理，設備的使用壽命也可得到合理延長，設備的更換頻率大幅度降低，能源、物質消耗情況也會得到顯著改善。

3 模擬仿真和實驗驗證

為了對城市軌道交通自動化節能控制系統的有效性做出驗證，可開展模擬仿真和實驗驗證。軌道交通網絡模型建立之后，可結合相關數據來合理調整相應參數，針對系統開展不同場景下的仿真測試。經過這一模擬仿真與實驗驗證可以明確運行負荷、客流不同的情況下，自動化節能控制系統的能源消耗、環境污染也可得到顯著改善。在模擬仿真中，可借助計算機技術、相關軟件來構建出更完善適合的城市軌道交通網絡模型，然后再結合具體數據完成模型參數的設置。通過對高峰期、平峰期，以及突發事件等不同場景下的運行情況的模擬，對自動化節能控制系統的性能表現做出合理評估。一方面，可在仿真模型中合理地引用不同的列車調度算法、智能運行控制策略。之后，基于對列車運行速度、停站時間等一系列參數變化的模擬來對列車運行調控效果做出合理評估。基于此，可以明確的是，在自動化節能控制系統的科學指導下，列車間的間隔能夠大幅度減少，還可不斷優化運行速度、停站時間，這樣不論是運輸效率、能源利用率都得到顯著提升。另一方面，通過對能量回收技術在系統中應用情況的模擬，可圍繞列車制動、能量回饋這一過程的模擬來做到對能量回收裝置效果的有效評估。在此過程中，借助能量回收裝置，制動能可被合理轉化成電能，然后有效儲存起來，為其他列車、供電系統使用提供支持。在此背景下，能源消耗情況能夠得到有效控制，整體的能源利用率也會顯著提升。除此之外，還可對設備管理開展模擬仿真。以設備狀態檢測、維修管理系統實際運行情況的模擬來對系統在檢測設備故障以及處理方面的能力做出評估。可明確的是，在系統監測下，相關部門及其工作人員可及時、準確地發現設備存在的故障或是異常情況，以便于制定出針對性、可行性較高的維修措施，可達到有效控制能源浪費等目的。為了對自動化節能控制系統有效性做出合理驗證，也可開展相應的實驗。通過基于實際軌道交通線路來開展試驗實現對相關數據信息、仿真結果的收集、對比，對系統在不同運行中的實際表現做出有效評估。實驗結果不僅能夠對仿真模型的準確性做出合理驗證，也是對自動化智能控制系統在實際情況下展現出的節能效果的一種證明。

4 結語

新時期，若能夠實現對城市軌道交通自動化節能控制系統的科學應用，不僅能夠實現對能源消耗的合理控制，促進整體運行效率的顯著提升，也可盡量減少環境污染的產生。在之后的建設與發展中，若可以從實際情況入手，采取有效措施與方法手段來對不同環節與不同方面做出不斷優化，推動軌道交通系統的智能化、可持續發展，在提升城市軌道交通發展水平的基礎上，也可為城市交通方面的低碳化發展帶來更大支持。