青島地鐵11號線ATO節(jié)能研究

唐寧興，馬 錚，李文彬

卡斯柯信號有限公司北京分公司，北京 100070

1 ATO節(jié)能原理

列車運行過程中須盡可能減少列車牽引時長，使列車長時間處于惰行狀態(tài)，并減少牽引制動轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)ATO節(jié)能目標。車載ATO系統(tǒng)通過ATS系統(tǒng)發(fā)送的下一站到站時間計算出區(qū)間剩余運行時間，與列車當前狀態(tài)進行匹配，進而對后續(xù)的列車牽引制動狀態(tài)進行控制。

目前青島11號線列車ATO模式區(qū)間運行過程中采用了如下惰行控制策略，即當車在坡度加速或減速超出目標速度0.6m/s后，例如在上坡時，當車速降到目標速度-0.6m/s時，則一次制動提速到目標速度+0.6m/s。

測試版節(jié)能軟件，為將節(jié)能運行時間與當前運行圖時間匹配，對站間運行時間進行調(diào)整。

ATO駕駛列車策略與ATS的調(diào)度命令密切相關(guān)。ATO在站臺接收ATS的命令如下：（1）當前站ID；（2）當前站發(fā)車時間；（3）下一站ID；（4）下一站到站時間。ATO可以根據(jù)上述信息，對比離線時計算的站間運行最小時間和ATS要求的到站時間，判斷是否需要采用全速運行策略，或可以采用節(jié)能策略，并在運行過程中根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

ATO根據(jù)不同的車輛性能、不同的行車間隔及供電方式，在滿足準點到站的前提下，主要采取的節(jié)能方式為設(shè)置最低的巡航速度。列車的巡航速度越低，則其達到該巡航速度的牽引時間就越短，根據(jù)能量守恒原則，其消耗的電能就越少。

在線路坡度較陡，但坡度變化不多的區(qū)域，采用較小的恒定牽引力或制動力保持列車恒速，可以避免牽引和制動來回切換。檢查點（CKP）原理如圖1所示。

圖1 檢查點（CKP）原理圖

離線會定義多條恒速的站間運行曲線，每條運行曲線被多個CKP點分割描述并存儲于車載數(shù)據(jù)中。每個CKP點記錄著不同的巡航速度以及不同的剩余到站時間。當列車經(jīng)過1個CKP點時，根據(jù)到站的剩余時間，對上下兩條運行曲線進行線性插值，計算出適合的巡航速度。

列車每經(jīng)過1個CKP點，就會根據(jù)剩余時間計算出一個準點到達的平均速度，當列車的實際速度在平均速度上下一定范圍內(nèi)游離時，ATO將保持惰行狀態(tài)，當列車實際速度游離到該范圍之外時，ATO會施加牽引或制動命令，使列車回到該平均速度。調(diào)整速度原理圖如圖2所示，圖2中虛線表示計算出的平均速度，兩條實線中間的部分表示ATO保持惰行命令的速度范圍，當列車的速度超過綠線范圍時，ATO將施加牽引或制動命令加以修正。

圖2 調(diào)整速度原理圖

Coasting為列車處于惰行狀態(tài)，Recovering為列車施加牽引（或制動）命令，使列車的速度回到允許惰行的范圍內(nèi)，調(diào)整后的速度-距離曲線如圖3所示。

圖3 調(diào)整后的速度-距離曲線

2 ATO節(jié)能測試結(jié)果

2020年12月4日晚1104車使用優(yōu)化試驗版車載軟件進行了測試，同時與12月14日末班調(diào)試車1103車空載運行的能耗曲線進行了對比。

根據(jù)對比情況，上行鰲山灣-苗嶺路試驗數(shù)據(jù)有效，可以進行對比，上行數(shù)據(jù)對比如表1所示。

表1 上行數(shù)據(jù)對比

調(diào)整之后的節(jié)能軟件，已經(jīng)基本滿足節(jié)能運行時間，與圖定運行時間相符合，個別區(qū)間由于線路原因限制會超過圖定運行時間1～3s，整體已經(jīng)符合要求。

從目前的試驗能耗數(shù)據(jù)來看，通過對比試驗版車載軟件與運營版軟件的能耗，總體節(jié)能10%，圖定運行時間也符合要求。目前尚未完成全周轉(zhuǎn)的運行時間和測試，需要后續(xù)通過更多的測試進行能耗分析。

3 結(jié)束語

文章在現(xiàn)有列車自動駕駛算法的基礎(chǔ)上，提出一種可實現(xiàn)的列車ATO實時優(yōu)化節(jié)能控制算法以及ATS動態(tài)運行圖調(diào)整算法，并進行現(xiàn)場動車試驗驗證，實現(xiàn)列車運行單圈（上行）牽引能耗降低10%。與此同時，下一步還需進一步優(yōu)化節(jié)能運行圖，統(tǒng)籌控制統(tǒng)一牽引供電分區(qū)內(nèi)的列車運行，充分利用再生能量。對于具備能量反饋功能的列車，制動能量會反饋回電網(wǎng)，被同一供電區(qū)內(nèi)的其他正在牽引的列車利用，利用此反饋機制，可對運行圖進行再生制動節(jié)能優(yōu)化，實現(xiàn)全線制動和牽引列車在運行圖和實際運營時的最優(yōu)匹配，將列車停車制動時反饋到電網(wǎng)的能量充分利用到同一時間段列車啟動時的牽引供能，以減少全線列車總能耗。