城市軌道交通ATO模式下列車節(jié)能運行研究

宋 云

（ 廣州市地下鐵道總公司運營事業(yè)總部，廣州 510150）

城市軌道交通每天都消耗大量的能源。根據(jù)目前廣州地鐵運營線路的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，列車運行時的牽引用電占城市軌道交通用電的50%以上。按照目前我國城市軌道交通的發(fā)展速度，城市軌道交通的能耗問題越來越突出。盡快找到降低軌道交通運行能耗的方法，已成為保持城市軌道交通高速度可持續(xù)發(fā)展必須解決的重要問題之一。

為了降低能耗，各專業(yè)都在設(shè)計中貫徹節(jié)能原則，人們采取了許多節(jié)能措施，包括車輛輕量化（如采用鋁合金車體）、節(jié)能線路設(shè)計、采用移動閉塞列車控制系統(tǒng)等方式，其中根據(jù)列車性能和線路最大通過能力的要求，列車按照預定的節(jié)能曲線ATO自動駕駛是一個最經(jīng)濟的辦法，而且對服務質(zhì)量不會產(chǎn)生任何影響。本文重點對信號系統(tǒng)ATO模式控制下的列車運行設(shè)計時應對如何節(jié)省牽引用電進行深入的研究。

1 節(jié)能策略

列車在運營過程中，在規(guī)定的時間內(nèi)，從起點加速運行至終點停車，整個運行過程可以分為：啟動加速、區(qū)間運行、制動停車3個過程。列車正常運行時自身的能耗變化不大，因而節(jié)能操作的主要方法是避免不必要的制動以減少列車動能的損失，并充分利用勢能來保持或增加列車的動能，以及在列車運行中減少基本阻力所做的功。ATO的運行調(diào)整，雖與自身的功能及系統(tǒng)構(gòu)成相關(guān)，但接受ATS系統(tǒng)運行調(diào)整指令，實施動態(tài)調(diào)整，充分發(fā)揮調(diào)整的效果。

2 節(jié)能方法

目前在地鐵信號系統(tǒng)中，列車節(jié)能運行通常采用以下的方法

2.1 調(diào)整時刻表

1）在非客流高峰運行時段，因上下車的旅客數(shù)量減少，可適當減少停站時間，在保證規(guī)定的旅行速度的前提下，延長列車在站間區(qū)間的運行時間，達到節(jié)省牽引能耗的目的。

2）在客流高峰時段，增加運營列車的數(shù)量以滿足高峰時段運力的需求，而在非客流高峰時段，減少運行列車的數(shù)量以達到節(jié)能的目的。同時，在需求得到保證時，在不同時段運行不同適當數(shù)量的列車，降低維修的成本。

2.2 ATO運營調(diào)整

1）以控制列車起動加速度和巡航速度的方法來控制列車在站間區(qū)間的運行時分。

2）通過采用不同的起動加速度率及巡航速度設(shè)計出4條以上的列車實時速度－距離曲線（如圖1所示），以及對應的運行時間、運行能耗-距離曲線（如圖2所示）。在編制運行圖時，在高峰時段讓列車處于起動加速度和巡航速度中間（偏上）值的速度－距離運行曲線模式運行。當列車運行晚點或趕點時，采用最高值的速度－距離運行曲線運行，達到趕點的目的；在低峰時段采用較低的速度-距離運行曲線運行，達到節(jié)能目的。

3）對應于不同的列車區(qū)間運行曲線產(chǎn)生不同的區(qū)間運行時分，并以此作為編制運行圖和調(diào)整列車運行的基礎(chǔ)。

2.3 有效利用節(jié)能坡

所謂節(jié)能坡就是符合列車運行規(guī)律的節(jié)能坡道，如圖3所示。即遵循“高站位、低區(qū)間”的設(shè)計原則。車站一般位于縱坡面的高處，區(qū)間位于縱坡面的底處。

列車從車站起動后，借助下坡的動力將勢能轉(zhuǎn)化為列車動能，以縮短列車牽引時間快速起步，從而達到節(jié)約牽引能耗的目的。

列車進站停車前，則借助上坡的坡度阻力，將動能轉(zhuǎn)化為列車勢能儲存，以縮短制動時間，減少制動發(fā)熱，節(jié)約能量消耗。

2.4 列車再生制動節(jié)能

正常情況下，在列車再生制動時，制動能量反饋回電網(wǎng)。如果電網(wǎng)電壓高于1 800 V，則制動電阻將消耗再生制動所產(chǎn)生的能量；若電網(wǎng)電壓低于1 800 V，列車再生制動時所產(chǎn)生的能量，反饋到接觸網(wǎng)牽引電力系統(tǒng)，就可以對這種能量進行再利用。為提高列車再生能量的利用率，在編制運行圖時應采用以下措施。

1）同一牽引區(qū)段制動列車與出站列車的重疊時間應盡量大，使列車在制動時產(chǎn)生再生能反饋到電網(wǎng)后被同一牽引區(qū)段的其他處在啟動階段的列車所吸收，以此來有效的節(jié)約牽引能耗。

2）同一牽引區(qū)段應盡量避免列車同時制動。由于同時制動會將能量反饋到電網(wǎng)使電網(wǎng)電壓增高，迫使列車采用電阻制動；大量的電能將轉(zhuǎn)化為熱能擴散到周圍環(huán)境中，這樣會浪費許多能量。

3 ATO模式下列車節(jié)能運行設(shè)計

3.1 列車運行狀態(tài)描述

列車在區(qū)間運行狀態(tài)可分為加速、巡航、惰行和制動4種，如圖4所示。

1）加速段

列車在出站時利用下坡加速，在較小的牽引能耗下獲得較高的加速度，在充分利用節(jié)能坡的同時需要考慮以下幾點。

列車所獲得的加速度并不是一個不變的常數(shù)，它隨著速度的增加而減小。這是因為隨著速度的增加，使得各項阻力增加，牽引電機輸出功率減小；因而在加速階段獲得比經(jīng)濟速度高很多的列車速度，會增加牽引能耗。

需要根據(jù)線路曲線布置狀況及限速要求，選擇達到最高速度和加速度的值，以避免受曲線限速的影響產(chǎn)生不必要的制動，增加牽引能耗。

加強與線路設(shè)計專業(yè)的配合，盡量避免在可能達到較高速度的地段布置半徑較小、限速較低的曲線，并與節(jié)能坡設(shè)計配合，使列車到達節(jié)能坡底部時能以最小能耗達到最高速度。

2）巡航階段

列車在巡航階段以較小的能耗保持近似固定的速度。其特點為因在不同的列車運行速度下列車運行阻力不是常數(shù)，也不是線性關(guān)系；在經(jīng)濟巡航速度以上以越高的巡航速度運行相同的距離，牽引能耗就越大。列車巡航運行距離越長，對控制列車站間運行時分的精度就越有利。保持較高巡航速度可以減少全線旅行時間，提高服務水平。列車在巡航階段以較小的能耗保持固定的速度運行；但在較高的巡航速度下，列車所需要的牽引力比較低巡航速度下需要的大得多，巡航速度與所需牽引力的關(guān)系如下所示。

其中：

F：牽引力；

Co：與列車巡航速度無關(guān)的阻力因素；

M：列車的質(zhì)量；

g：重力加速度；

C：與列車巡航速度有關(guān)的阻力因素；

V：列車巡航速度。

根據(jù)公式（1）可知，在滿足運行調(diào)整和旅行速度要求下，選擇合理的巡航速度非常重要。既要考慮節(jié)能，又要滿足服務水平，即保持一定的旅行速度。

3）惰行階段

列車在進站制動前，可以有一個惰行階段，列車利用動能，依靠自身慣性運行，達到節(jié)能目的；惰行的起點和終點分別與巡航階段和制動階段相連，因而確定起點和終點時要結(jié)合節(jié)能坡的線路設(shè)計，并盡可能保證列車運行平穩(wěn)。

4）制動階段

在地鐵列車運行中，為達到快捷的目的，通常采用較高的常用制動減速率來減速停車，此時，列車所獲得的動能大部分轉(zhuǎn)化為熱能（再生制動除外）。雖然此時不再消耗牽引能量，但實際上列車在運行途中消耗了牽引能量而獲得的動能大部分通過此階段轉(zhuǎn)化為熱能，因而，在信號系統(tǒng)設(shè)計時，要充分與土建專業(yè)配合，充分利用節(jié)能坡將列車的動能轉(zhuǎn)化為勢能儲存起來，這樣減少牽引能耗。

3.2 設(shè)計中綜合考慮的因素

1）土建專業(yè)在有條件情況下，都采用節(jié)能坡設(shè)計，信號系統(tǒng)在列車控制設(shè)計中要充分利用節(jié)能坡設(shè)計的有利條件，設(shè)計可行的ATO節(jié)能運行模式。

2）將列車運行調(diào)整功能與節(jié)省牽引能耗的ATO駕駛模式結(jié)合，達到以下目的。實現(xiàn)列車在區(qū)間的運行時分能以秒級精度調(diào)整；

列車牽引能耗是所確定的運行時分下的最低能耗；

要充分利用列車運行的加速、巡航、惰行及制動的4種狀態(tài)，達到列車在ATO運行模式下的可控性，節(jié)約牽引能耗以及滿足運行調(diào)整要求的多項功能的有機統(tǒng)一；

充分考慮到牽引特性、土建參數(shù)、輪軌摩擦阻力、空氣阻力等各種因素對列車牽引能耗的影響，使ATO模式下列車節(jié)能運行設(shè)計趨于完整及嚴密。

3.3 ATO模式下列車節(jié)能運行設(shè)計

1）確定牽引能耗的數(shù)學模型，牽引能耗與列車的牽引性能、確定的載客量、各種阻力、線路參數(shù)、列車速度、走行距離等因素有關(guān)，如圖5所示。

2）編制軟件使牽引能耗曲線與列車運行速度-距離模式曲線對應。

3）編制列車運行時分曲線，使之與列車運行速度-距離曲線對應。

4）編制列車運行速度-距離曲線圖形顯示軟件，速度-距離曲線與列車運行狀態(tài)、線路參數(shù)、車輛特性、各種阻力等因素有關(guān)，能在計算機人機界面上繪制相應的速度-距離曲線。

5）在線路各段人為選擇列車起動加速、巡航、惰行、制動4個運行狀態(tài)，對應一個線路參數(shù)已確定的特定區(qū)間，自動繪制不同的列車速度-距離曲線，并對應得到相應的牽引能耗及運行時分。

6）以相同的運行時分為前提，選擇出最小牽引能耗的速度-距離模式曲線。

7）在可能的列車區(qū)間運行時分段內(nèi)確定一組以秒級為單位的速度-時分模式曲線。此曲線要符合6）所述的要求。

8）對應特定區(qū)間的一組以秒級為單位的速度-時分運行曲線，作出一組相應的速度-距離對照表，如表1所示。其精度以能方便有效控制列車運行為準。

9）對應全線每一區(qū)間作上述1）-8）項設(shè)計得到全線各區(qū)段的以秒級運行時分為單位的相應多組速度-距離對照表，如表1所示。

表1 速度-距離對照表

10）將這些表存入ATO車載系統(tǒng)的存儲器中。

11）在列車即將進入此特定區(qū)間前，ATS系統(tǒng)根據(jù)運行時刻表及運行調(diào)整要求確定列車在此特定區(qū)間的運行時分，并向列車發(fā)出指令。

12）車載ATO系統(tǒng)接收到列車在該特定區(qū)段運行時分指令后，在存儲器中該區(qū)間一組速度-距離表中，選出相應速度-距離表，根據(jù)此表要求控制列車在該區(qū)段的運行。

3.4 ATO模式下列車節(jié)能運行的特點

1）結(jié)合各種因素包括列車特性，線路參數(shù)，信號系統(tǒng)功能等諸多因素，并充分利用節(jié)能坡的節(jié)能效益。

2）以計算機為工具，結(jié)合運營人員的經(jīng)驗，優(yōu)選出最節(jié)能的列車運營方案。

3）以列車區(qū)間運行時分為基本點，優(yōu)選出該運行區(qū)間運行的最節(jié)能的列車運行速度距離方案，能有機的與列車運行要求結(jié)合，便于列車運行調(diào)整。

4）便于信號系統(tǒng)對列車的控制，充分發(fā)揮以計算機為基礎(chǔ)的信號系統(tǒng)特點及優(yōu)越性。

5）方便修改，適應性強。在各種影響列車運行的因素變化時，如改變列車車型時，只需要把新的一組速度距離對照表存入ATO車載系統(tǒng)即可。

4 結(jié)語

本文總結(jié)并分析了城市軌道交通中的節(jié)能措施，充分研究信號ATO模式下列車的節(jié)能設(shè)計，ATO可以最大限度利用線路參數(shù)和列車特性，滿足運營日常需求的同時，實現(xiàn)對列車早、晚點的調(diào)整，運營高峰、非高峰的轉(zhuǎn)峰組織，在已采取此技術(shù)的線路中運營節(jié)能效果良好。

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