楊雪峰

(上海軌道交通維護(hù)保障中心通號公司,200010,上?！喂こ處?

根據(jù)目前上海地鐵運(yùn)營線路的能耗統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,列車運(yùn)行時的牽引用電約為總用電量的50%～60%,輔助系統(tǒng)的能耗約占牽引能耗的50%。隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,總的運(yùn)營能耗量呈快速增長的趨勢,能耗問題越來越突出。因此,如何挖潛降耗,突破關(guān)鍵技術(shù),對降低城市軌道交通運(yùn)營成本、提高經(jīng)濟(jì)效益有著越來越重要的現(xiàn)實(shí)意義。

到目前為止,由于運(yùn)行環(huán)境和實(shí)際客流量狀況的復(fù)雜性,對列車行駛過程中能量消耗的計算仍然是一件較為困難的工作。影響列車能耗的因素主要包括列車的牽引制動性能、列車重、運(yùn)行速度、線路條件、信號閉塞方式以及列車的操縱方式等。針對上述因素采取相應(yīng)措施,可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。例如,城市軌道交通的電動列車一般采用電力無級牽引,在設(shè)計階段可采用鋁合金或鎂合金等最新材料來實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化,以節(jié)省牽引動能、降低列車的運(yùn)行費(fèi)用。

國內(nèi)外對于列車運(yùn)行的節(jié)能問題已經(jīng)有了較多的研究[1-5]。20世紀(jì)80年代初,新加坡地鐵1號線設(shè)計中就引進(jìn)了車輛再生制動能逆變器技術(shù)?，F(xiàn)在新加坡的東北線和環(huán)線廣泛采用了該技術(shù)。實(shí)測能耗顯示,新加坡東北線變電站總能耗中的4%是由再生制動能供給的。有的學(xué)者開展了線路節(jié)能坡的研究和列車節(jié)能運(yùn)行圖的研究,提出了最佳的列車節(jié)能運(yùn)行方式。如香港地鐵線路采用節(jié)能運(yùn)行方式安排日常運(yùn)行,據(jù)實(shí)際運(yùn)行的統(tǒng)計資料表明,列車的牽引能耗費(fèi)用每年大約節(jié)約290萬港元。澳大利亞、德國、日本、美國等許多國家在列車節(jié)能操縱方面進(jìn)行了研究和試驗(yàn),總結(jié)節(jié)能的列車操縱方式,并應(yīng)用微機(jī)技術(shù)研制開發(fā)列車優(yōu)化操縱的微機(jī)指導(dǎo)系統(tǒng)、微機(jī)模擬系統(tǒng)等。國內(nèi)在這方面的研究基本上采用離線優(yōu)化和在線控制相結(jié)合的方法[6-8]。從實(shí)際運(yùn)用情況來看,國外列車優(yōu)化的節(jié)能效果一般為5%～15%。本文著重討論節(jié)能操縱算法以及在基于移動閉塞技術(shù)的現(xiàn)代信號系統(tǒng)基礎(chǔ)上的列車節(jié)能運(yùn)行模式的研究和仿真。

1 列車運(yùn)行的節(jié)能操縱算法

1.1 列車運(yùn)行受力分析

在提出節(jié)能操縱算法之前,首先對列車在行駛過程中的受力情況進(jìn)行分析。列車在運(yùn)行中要受到牽引力、運(yùn)行阻力、制動力等共同作用。以下的地鐵車輛性能特性均基于車輪在半磨耗狀態(tài),運(yùn)行于干燥、清潔的平直軌道和額定電壓(DC 1 500 V)之下。

1)列車牽引力特性：列車牽引力是列車實(shí)際速度的函數(shù)。列車牽引力可以按列車牽引特性曲線(見圖1)取值。

圖1 列車牽引力特性曲線

2)列車運(yùn)行阻力：在牽引計算中,列車運(yùn)行阻力是按單位質(zhì)量所遇到的阻力來計算的,與車輛的阻力模型和線路條件有很大的關(guān)系。列車阻力一般可以通過列車速度的二次函數(shù)來描述。例如,上海軌道交通1號線的車輛單位質(zhì)量阻力公式為：

式中：

Fw——車輛阻力,N;

M——列車質(zhì)量(包括負(fù)載),kg;

v——列車行駛速度,m/s。

3)制動力特性：若電制動正常,則僅使用電制動,如圖2所示。

圖2 列車制動力特性曲線

1.2 優(yōu)化操縱目標(biāo)[9]

列車的運(yùn)行條件非常復(fù)雜,受到諸多因素的制約和影響。優(yōu)化操縱的目標(biāo)就是找到在既定條件下滿足安全、正點(diǎn)等約束的最優(yōu)操作序列。

列車從一個車站運(yùn)行到下一車站,其狀態(tài)方程為：

式中：

v——列車的運(yùn)行速度;

F——與列車操縱有關(guān)的合力;

Fv——列車運(yùn)行的基本阻力;

g(x)——兩站之間線路坡度阻力的分段函數(shù);

M——列車質(zhì)量。

其性能指標(biāo)為：

式中：

T——規(guī)定的運(yùn)行時分;

u(t)——與列車工況及速度有關(guān)的能耗函數(shù);

此為有約束條件的非線性尋優(yōu)問題,無法直接求解狀態(tài)方程,只能根據(jù)列車操縱的合理性要求和節(jié)能原則,利用滿意優(yōu)化的方法尋優(yōu),以確定最終的操縱方案。

1.3 合理節(jié)能的操縱

列車在規(guī)定的時間內(nèi),從起點(diǎn)加速運(yùn)行至終點(diǎn)停車,整個運(yùn)行過程可分為：起動加速過程,途中運(yùn)行過程和制動停車過程。在此過程中,產(chǎn)生的能耗(即式(3)中的u(t))主要由以下三個方面構(gòu)成[10]：①提高列車的動能;②克服列車運(yùn)行時的基本阻力和加算坡道阻力;③列車運(yùn)行時的自身能耗。

列車正常運(yùn)行時的自身能耗變化不大,可以忽略,因而節(jié)能操縱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(yùn)行中減少基本阻力所做的功。文獻(xiàn)[11]總結(jié)了一些有利于節(jié)能的列車運(yùn)行工況：運(yùn)行時間一定時,列車勻速牽引運(yùn)行克服的阻力功最少;列車以最大加速度加速可減少加速過程中的基本阻力功;列車以最大制動能力制動有利于節(jié)能;列車制動前惰行以降低制動前的運(yùn)行速度,有利于減少列車動能的損失;下坡時盡可能利用列車的勢能,盡量避免或減少下坡道調(diào)速制動。

根據(jù)國內(nèi)外的研究成果,在設(shè)計列車節(jié)能運(yùn)行算法時,可以遵循以下的算法原則[12-13]：

1)加速過程按最大牽引力計算;2)停車制動按最大制動力計算;

3)除停車制動外,避免采用空氣制動;

4)在約束條件下協(xié)調(diào)采用均速及惰行模式。

結(jié)合上述算法原則,以列車運(yùn)行的平均速度作為目標(biāo)速度,并圍繞目標(biāo)速度按牽引-惰行的模式運(yùn)行,利用最優(yōu)化理論在滿足約束條件的前提下,進(jìn)行運(yùn)行過程能耗的優(yōu)化計算,以達(dá)到節(jié)能的目的。

2 現(xiàn)代地鐵列車所應(yīng)用的節(jié)能方法

現(xiàn)代地鐵的自動控制系統(tǒng)要求能夠以多種方式節(jié)約電能成本,包括車輛的動力消耗、起動時的動力需求和制動時的動力損失。根據(jù)上海地鐵公司提供的資料文檔,地鐵列車共有4個運(yùn)行等級：等級1是全速行駛方式,一般在高峰時采取;等級2是惰行的運(yùn)行方式;等級3和等級4分別是以最高速度的75%和60%限速行駛。直觀上看,以等級2的惰行運(yùn)行是最節(jié)能的理想運(yùn)行方式。但在實(shí)際的運(yùn)行中,地鐵的自動駕駛系統(tǒng)要根據(jù)時刻表和實(shí)際的客流量大小來調(diào)整其運(yùn)行速度,不可能一直行駛在等級2的狀態(tài)下。因此,要根據(jù)實(shí)際情況來實(shí)施運(yùn)行策略。實(shí)際中,地鐵列車所應(yīng)用的節(jié)能方法主要有調(diào)整時刻表和調(diào)整列車運(yùn)營等級曲線;另外,車輛的再生制動技術(shù)也被廣泛使用,同樣顯示出較好的節(jié)能效果。

2.1 調(diào)整時刻表

調(diào)整時刻表是地鐵自動控制系統(tǒng)所采用的一種可同時滿足高峰和非高峰時段列車動力需求的方法。中央控制系統(tǒng)需確定系統(tǒng)中每一列車的位置,負(fù)責(zé)保證所有列車按時刻表進(jìn)出車站。通過執(zhí)行時刻表,在高峰時增加運(yùn)行的列車數(shù)量以滿足高峰時段運(yùn)力的需求,而在非高峰時段減少列車的數(shù)量,以此達(dá)到節(jié)能的目的。這樣,在需求得到保證時,在高等級下運(yùn)行適當(dāng)數(shù)量的列車,降低了維護(hù)的成本。

2.2 調(diào)整列車運(yùn)行等級曲線

運(yùn)營等級曲線旨在通過減少列車牽引系統(tǒng)的請求,降低牽引的能源消耗。運(yùn)用列車運(yùn)行等級曲線能夠降低單一列車的動力消耗。采用的技術(shù)包括：

1)減少加速時間以降低高峰時速。列車降低了其加速度的總時間,從而減少了牽引請求,也就減少了列車的能源需求。

2)降低加速度來降低線路運(yùn)行時速。列車采用了較小的加速度,減少了牽引所需的動力,最終也就減少了列車的能源需求。

3)惰行。列車出站先加速,然后惰行,再減速,最后停在下一車站。如圖3所示的曲線,列車達(dá)到最大線路速度后惰行,這樣會造成運(yùn)行時間將按特定比例有所增加(圖中虛線所示);與正常規(guī)定速度相比,列車減少了加速請求和牽引所需動力,從而減少了能耗。

4)有效利用重力來降低牽引系統(tǒng)所要求的加速度。節(jié)能線路設(shè)計也是節(jié)能措施的一個重要方面。其中節(jié)能坡的設(shè)置是一個十分必要的手段。節(jié)能坡應(yīng)滿足地形、地質(zhì)及行車安全條件的要求,創(chuàng)造良好的運(yùn)營條件。在地鐵列車運(yùn)行的過程中,有效利用坡道,可降低所需加速度的等級(利用重力完成),以降低運(yùn)營費(fèi)用,達(dá)到降低能耗的目的。

圖3 惰行的速度距離曲線

2.3 列車再生制動的節(jié)能技術(shù)[15]

正常情況下,列車由牽引系統(tǒng)來牽引和制動。每一個動車安裝有1個三相VVVF(變壓-變頻)逆變器和一個制動電阻。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(jìn)行再利用。再生制動能量的反饋利用率越高,意味著有越高比例的再生制動能量供其他列車使用。根據(jù)香港地鐵列車運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),在正常情況下,列車再生制動能量反饋利用率在高峰期一般可以達(dá)到80%。

為了提高列車再生能量的利用率,在編制運(yùn)行圖時應(yīng)采取以下措施：

1)同一牽引區(qū)段的制動列車與出站列車的重疊時間應(yīng)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)段的其他處在起動階段的列車所吸收,以此來有效地節(jié)約牽引能耗。

2)同一牽引區(qū)段應(yīng)盡量避免列車同時制動。因?yàn)橥瑫r制動會將再生能量反饋到電網(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(kuò)散到周圍環(huán)境中,這樣會浪費(fèi)許多能量。

3 采用移動閉塞的列車控制系統(tǒng)是節(jié)能的有效途徑

3.1 基于移動閉塞技術(shù)的列車自動控制系統(tǒng)[16-17]

3.1.1 移動閉塞的工作原理

移動閉塞技術(shù)是近年來廣泛使用的列車信號控制技術(shù),越來越受到人們的關(guān)注。在以往傳統(tǒng)的固定閉塞方式下,每個閉塞分區(qū)的長度都是固定的。而對于先進(jìn)的移動閉塞來說,列車間的最小運(yùn)行間隔距離由列車在線路上的實(shí)際運(yùn)行位置和運(yùn)行狀態(tài)確定,閉塞區(qū)間的間隔隨著列車的行駛不斷地向前移動和調(diào)整?？刂浦行耐ㄟ^車載設(shè)備和軌旁設(shè)備不間斷地雙向通信,根據(jù)列車實(shí)時的速度和位置動態(tài)計算出列車的最大制動距離。列車的長度加上這一最大制動距離,并在列車后方加上一定的防護(hù)距離,便組成了一個與列車同步移動的虛擬分區(qū)。由于保證了列車前后的安全距離,兩個相鄰的移動閉塞分區(qū)就能以很小的間隔同時前進(jìn),使列車能以較高的速度和較小的間隔運(yùn)行,從而提高了運(yùn)營效率。

3.1.2 列車自動控制系統(tǒng)

列車自動控制(ATC)系統(tǒng)包括三個子系統(tǒng)：列車自動監(jiān)控(ATS)子系統(tǒng)、列車自動防護(hù)(ATP)子系統(tǒng)和列車自動駕駛(ATO)子系統(tǒng)。ATS子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行的監(jiān)督和控制,輔助行車調(diào)度人員對全線列車運(yùn)行進(jìn)行管理;ATP子系統(tǒng)主要對列車駕駛進(jìn)行防護(hù),實(shí)現(xiàn)列車間隔保護(hù)、超速防護(hù)等功能;ATO子系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)“地對車控制”,即用地面信息實(shí)現(xiàn)對列車驅(qū)動和制動的控制,可以使列車經(jīng)常處于最佳運(yùn)行狀態(tài),避免了不必要的加速和減速,提高了旅客的舒適度、列車準(zhǔn)點(diǎn)率,并減少輪軌磨損,同時還可節(jié)省能源消耗。

移動閉塞、基于通信的列車控制(CBTC)和ATC系統(tǒng)能通過車地間的雙向、連續(xù)、高效的信息通信,使車載信號設(shè)備的信息能夠和地面軌旁信號設(shè)備的信息即時地進(jìn)行交換,從而有效地確定列車位置,并計算前后列車間的相對距離,以確保行車的安全。

3.2 采用移動閉塞的CBTC系統(tǒng)的節(jié)能功能[19]

移動閉塞系統(tǒng)的節(jié)能是其短發(fā)車間隔性能的良好體現(xiàn)?？傮w來講,移動閉塞技術(shù)的“小編組、高密度”運(yùn)營,使軌道交通系統(tǒng)的實(shí)際列車通過能力大大提高。移動閉塞的列車通過能力通?？杀裙潭ㄩ]塞系統(tǒng)高出40%。這增加的40%的通過能力,使CBTC系統(tǒng)可通過對列車運(yùn)行參數(shù)以及曲線的調(diào)整和控制,達(dá)到最大限度地減少不必要的制動和頻繁的加減速,平衡全線允許速度、停站時間等來實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

3.2.1 高峰時段的運(yùn)行節(jié)能

在固定閉塞系統(tǒng)中,列車的分區(qū)間隔較長且一個分區(qū)只能被一列車占用,不利于縮短列車的運(yùn)行間隔,從而增加了能耗。而移動閉塞系統(tǒng)靈活的列車運(yùn)行間隔的特性使其在高峰時段的節(jié)能效果顯著。通常在高峰時段運(yùn)行時,發(fā)車密度大,乘客流動性快,前方列車的延誤會造成后續(xù)列車頻繁制動的可能性。這種制動的頻率和持續(xù)時間在移動閉塞系統(tǒng)中由于更短和均勻的列車最小間隔而大大降低,均勻的最小列車間隔使后面列車可以更加靠近前車,提高了運(yùn)營的效率。

3.2.2 非高峰時段的運(yùn)行節(jié)能

在非高峰時段,移動閉塞系統(tǒng)能通過降低站間列車平均速度來達(dá)到節(jié)能。在這種情況下,可根據(jù)需要減少停站時間以保證列車全線運(yùn)行時間。一般來說,非高峰時段的乘客較少,減少停站時間不會造成太多的不便。

4 節(jié)能算法流程及仿真運(yùn)行分析

4.1 算法流程

基于以上的系統(tǒng)分析,建立了城市軌道交通列車能耗統(tǒng)計的數(shù)學(xué)模型,總結(jié)出了可實(shí)施的列車節(jié)能運(yùn)行算法;并在計算機(jī)控制技術(shù)的平臺上,利用最優(yōu)化理論的求解方法,進(jìn)行優(yōu)化計算和數(shù)據(jù)統(tǒng)計。提出的節(jié)能策略是在地鐵運(yùn)行過程中保證一種能耗較低的牽引策略,設(shè)計的思想是盡量以經(jīng)濟(jì)速度運(yùn)行,較大程度地利用惰行。

仿真系統(tǒng)主要包括三個子模塊：數(shù)據(jù)輸入子模塊,優(yōu)化操縱計算子模塊,結(jié)果輸出子模塊。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù),來源于地鐵試車運(yùn)行時測試的結(jié)果以及在實(shí)際運(yùn)行中記錄的表格內(nèi)容。它包括：ATP速度,ATS限速,牽引量,惰行狀態(tài),運(yùn)行時間,運(yùn)行等級,走行距離等。在算法開始之前,可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)出已有的表格內(nèi)容,也可以根據(jù)新的實(shí)際情況在對話框中手動輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)。開始運(yùn)行后,在給定的條件下進(jìn)行優(yōu)化計算,根據(jù)已有的優(yōu)化操縱策略進(jìn)行尋優(yōu),并滿足運(yùn)行時分和駕駛的準(zhǔn)確性和安全性;最后進(jìn)行運(yùn)行中能量消耗的計算統(tǒng)計并比較節(jié)能效果,輸出節(jié)能速度運(yùn)行曲線圖。圖4所示為列車節(jié)能運(yùn)行計算的具體算法流程。

4.2 仿真

在地鐵的試車線路上進(jìn)行仿真試驗(yàn)。線路長約1 km,列車行駛1 min左右,進(jìn)行仿真運(yùn)行。選擇采用移動閉塞的CBTC系統(tǒng)的信號控制方式,在ATC平臺的操縱下,利用ATS的自動調(diào)度和統(tǒng)計功能以及ATO的自動駕駛功能,根據(jù)所得的數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行節(jié)能運(yùn)行模式的試車分析。經(jīng)過多次的不同駕駛模式的能耗數(shù)據(jù)比較,最終得出了較為理想的節(jié)能運(yùn)行模式。在某次仿真中得出的列車運(yùn)行速度曲線圖如圖5所示。

圖4 節(jié)能優(yōu)化算法流程

圖5 輸出的列車運(yùn)行速度曲線

從圖5可明顯看出,節(jié)能的運(yùn)行曲線在行駛過程中的速度變化率較小,運(yùn)行過程平緩。計算結(jié)果顯示,采用此節(jié)能算法的能耗比原來正常行駛下大約節(jié)省了23%左右。

5 結(jié)語

在保證列車運(yùn)行安全、準(zhǔn)時的前提下,本文總結(jié)并分析了當(dāng)今城市軌道交通系統(tǒng)中的節(jié)能措施,并在列車操縱方式和運(yùn)行算法的軟件方面進(jìn)行了相關(guān)的研究。采用基于移動閉塞技術(shù)的CBTC和ATC系統(tǒng)是當(dāng)前軌道交通發(fā)展的主要方向。在已采用此技術(shù)的國內(nèi)外運(yùn)營線路上的實(shí)踐表明,其節(jié)能效果良好。但是,由于地鐵運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜性,還沒有一個完全有效的方法來衡量牽引力和耗電量之間的定量關(guān)系。因此,對列車運(yùn)行過程中的耗電量統(tǒng)計還不是很精確,只能得出一種模擬駕駛的、近似節(jié)能的策略。另外,本文所提出的節(jié)能優(yōu)化算法還只是停留在計算機(jī)仿真階段,很多操作中的問題還需要向有經(jīng)驗(yàn)的駕駛?cè)藛T和技術(shù)人員學(xué)習(xí),才能符合實(shí)際運(yùn)行情況。

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