廈門地鐵 1 號線優化運行圖牽引節能效果分析

魏榮華

（廈門軌道交通集團有限公司，福建廈門 361004）

0 引言

隨著國民經濟及社會的發展、城市結構的調整以及人們對于出行要求的提高，國內各大城市都加快了軌道交通的建設速度。地鐵相對于其他城市公共交通出行方式，在環保方面具有污染小、節省能源和節約用地資源等特點。不過由于地鐵運量大，地鐵系統能源消耗總量依然巨大，而牽引能耗約占總能耗的 40%～48%[1]，節能潛力巨大。因此，在當前我國開創建設新局面的背景下，分析如何通過優化列車運行圖減少牽引能耗，并對牽引節能效果進行分析，對節約能源、降低運營成本具有重要意義。

1 牽引節能方案分析

1.1 影響牽引能耗的因素

牽引能耗是指地鐵列車運行過程中消耗的電能[2]，主要受基礎設施和運輸組織模式影響，基礎設施主要包括線路、列車和供電系統等[3]。由于廈門地鐵 1 號線已經建設完成，這部分的能耗因素基本確定，因此，從運輸組織模式方面尋找合適的節能措施的可行性更高。

運輸組織模式主要包括列車技術速度、停站方案和運行方案等[4]。這部分的能耗是可控的，可通過優化列車運行圖找出較優的運輸組織模式，最終達到降低車輛牽引能耗的目的。

牽引能耗主要包括牽引系統驅動列車運行的能耗、空調照明等車載輔助設備運行的能耗（輔助能耗）及再生制動反饋回接觸網的能耗（再生制動能耗）[5]。輔助能耗主要受氣溫、車載設備、線路屬性的影響，與運輸組織模式關系不明顯；再生制動能耗不僅與運輸組織模式有關，更多的是由列車屬性、列車運行過程、牽引供電電壓、能量吸收裝置決定[6]。因此，本文分析牽引節能效果時不考慮輔助能耗及再生制動能耗。

1.2 牽引節能方案的確定

運輸組織模式的選擇對車輛牽引能耗有較大影響，較優的運輸組織模式需要在保證運營要求和服務質量的前提下，實現車輛牽引能耗的合理配置。牽引能耗與列車技術速度密切相關，提高列車技術速度可提高列車旅行速度，提升線路運輸能力，但牽引能耗也將相應增加[7]。在保證運營服務質量的前提下，需要平衡列車技術速度與牽引能耗之間的關系。因此，可以通過優化列車運行圖的方式，在高峰期采用設計技術速度確保大客流運送，在平峰、低峰期則適當降低技術速度運行以實現節能。

2 牽引節能效果分析

2.1 列車運行等級

在廈門地鐵 1 號線的卡斯柯信號系統中，列車可以按照 5 種運行等級行車（等級 1～等級 5），等級數值越小表示列車在區間運行的技術速度越大。在列車運行圖編制過程中，卡斯柯離線編圖工作站默認采用運行等級 3 進行編圖。

2.2 牽引能耗測試

為確定不同技術速度的牽引能耗并對牽引節能效果進行分析，廈門地鐵 1 號線于 2018 年 3 月期間組織對列車在運行等級 3～等級 5 速度模式下的牽引能耗進行測定，測定結果見表 1、表 2。根據 2018 年 3 月期間廈門地鐵 1 號線采用的中間站停站時間方案，運行等級 3 對應技術速度為 44.82 km/h，旅行速度為 34.73 km/h；運行等級 4對應技術速度為 42.87 km/h，旅行速度為 33.55 km/h；運行等級 5 對應技術速度為 41.12 km/h，旅行速度為32.46 km/h。

從表 1 中的數據可知，廈門地鐵 1號線列車在默認等級 3 速度模式下運行1 個周期（約114 min 45 s）的牽引能耗約為 633 kW · h，每車公里牽引能耗約為 1.76 kW · h；列車在等級 4 速度模式下運行 1 個周期（約 120 min 10 s）的牽引能耗約為 528 kW · h，每車公里牽引能耗約為 1.47 kW · h；列車在等級 5 速度模式下運行 1 個周期（約 124 min 35 s）的牽引能耗約為 475 kW · h，每車公里牽引能耗約為 1.32 kW · h。可見，列車在區間運行的技術速度越大，則相對應的車輛牽引能耗就越大。

從表 2 中的數據可知，相比于列車在默認等級 3 速度模式下運行，列車在等級 4 速度模式下運行時，單程運行時間增加 109 s，能耗降低 16.48%；列車在等級 5 速度模式下運行時，單程運行時間增加 215 s，能耗降低 25%。可見，單程運行時間增加很少，節能效果顯著。

2.3 實際應用的牽引節能效果

在滿足線路情況、運營要求的前提下，客流平峰期和低峰期降低列車運行等級，可減少牽引能耗。廈門地鐵 1 號線通過平峰期采用運行等級 4 速度模式、低峰期采用運行等級 5 速度模式編制列車運行圖，相比于全天采用默認運行等級 3 模式，以 2018 年 3 月廈門地鐵 1 號線采用的優化后的運行圖為基礎進行如下計算。

（1）優化后的工作日運行圖運行等級 4 運營里程約 2 963 列公里，按照每列公里節省能耗約 1.75 kW · h 計算；運行等級 5 運營里程 883 列公里，按照每列公里節省能耗約 2.63 kW · h 計算，工作日每天可大約節省 7 508度電。

（2）優化后的節假日運行圖運行等級 4 運營里程約 1 046 列公里，按照每列公里節省能耗約 1.75 kW · h 計算，節假日每天可大約節省 1 831 度電。

以 1 年分別有工作日 250 天、節假日 115 天為例，按照廈門地鐵 1 號線 2018 年 3 月執行的 0.68 元/度的電費計算，具體節能成效見表 3。

從表 3 中的數據可知，工作日每天可節省電費 5 105元，節假日每天可節省電費 1 245 元，預計全年可節約電費約 142 萬元。

表1 列車在等級 3～等級 5 速度模式下運行的牽引能耗統計

表2 列車在等級 3～等級 5 速度模式下運行的牽引能耗對比

表3 牽引節能成效情況統計

2.4 乘客服務影響

廈門地鐵 1 號線目前通過優化運行圖在平峰期、低峰期適當降低列車技術速度，取得了較好的牽引節能效果，不過也對乘客服務產生了一定的影響，導致乘客出行的時間有所延長。另外，可能會影響到全線的上線列車數或行車間隔，具體影響如下。

（1）相比于列車在等級 3 速度模式下運行，列車在等級 4、等級 5 速度模式下運行時技術速度分別降低1.95 km/h、3.70 km/h，旅行速度分別降低 1.18 km/h、2.27 km/h，單程運行時間分別延長 109 s、215 s。由于各參數變化數值較小，乘客很難感知，因此，適當降低列車運行速度對乘客出行體驗影響很小。

（2）廈門地鐵 1 號線在平峰、低峰期列車數量配置充裕，對行車間隔要求相對較低，平峰、低峰期的正常運營不會因為適當降速導致增加上線列車數或擴大行車間隔而受影響，但是對于地鐵運營初期的列車檢修計劃安排有一定影響。

3 結論

本文分析了如何通過優化列車運行圖減少車輛牽引能耗，并對廈門地鐵 1 號線的實際牽引節能效果進行了定量分析。廈門地鐵 1 號線目前通過安排列車在平峰期采用等級 4 速度模式運行、低峰期采用等級 5 速度模式運行的方式編制列車運行圖，相比于全天采用默認運行等級 3 速度模式運行的列車運行圖，在基本不影響生產運作、乘客體驗的前提下達到了較好的節能效果，降低了運營能耗成本，對其他城市地鐵通過優化列車運行圖降低車輛牽引能耗的相關工作具有一定的借鑒意義。