孫澤勇，周 媛，殷 源

（1.湖南中車時代通信信號有限公司，湖南 長沙 410005；2.上海申通地鐵集團有限公司，上海 201103）

0 引言

隨著國內城鎮(zhèn)化建設的快速發(fā)展，地鐵已成為政府解決當今大型城市擁堵問題的首選交通工具。然而，隨著地鐵運營線路和里程的增加，地鐵公司運營成本急劇上升。相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，電費約占據(jù)地鐵公司運營成本的50%［1］，而為列車提供動力的牽引系統(tǒng)用電量更是約占據(jù)地鐵電力消耗量的50%［2］。列車牽引電力消耗總量過大是目前地鐵運營公司面臨的一大問題。

在當前國家倡導“碳達峰、碳中和”的大背景下，國內眾多學者和單位針對地鐵列車牽引能耗過高問題開展了相關研究工作，但多為原因分析和改進措施研究；試驗以運營模式下的牽引能耗測試居多，缺乏對不同車型牽引能耗的橫向對比分析，無法對不同車型的牽引能耗進行量化比較。為實現(xiàn)在相同工況下對不同廠家生產的地鐵列車的運行控制，保證列車牽引能耗測試的可信度，通過對比分析，找出在牽引能耗方面相對節(jié)能的列車，促使地鐵列車生產廠家采取措施，降低地鐵列車的牽引能耗水平。本文根據(jù)地鐵列車牽引能耗測試控車需求，設計了一種對不同廠家不同車型的地鐵列車進行牽引能耗測試的控車裝置。

1 地鐵列車牽引能耗測試方法

針對地鐵列車牽引節(jié)能問題，目前國內外專家學者進行了相關研究，研究的方法和方向各不相同。國外，一種基于物理方法的能耗計算模型被提出，其從優(yōu)化列車控制、強化能耗管理等角度對地鐵列車能耗進行研究；另有學者指出分析地鐵列車能耗時需要綜合考慮各個子系統(tǒng)之間的關系，找出影響整體能耗評價的關鍵因素，總體上都是對車軌整體系統(tǒng)能耗進行研究評估。

國內，鐵科院的張德明副研究員從列車行車組織方面入手，對如何充分利用調度系統(tǒng)作為運營指揮核心以整體上降低系統(tǒng)運營能耗進行研究，指出影響城軌調度系統(tǒng)節(jié)能的關鍵因素包括列車運行曲線、再生制動能力和車輛編組形式，得出通過調整列車運行圖編制策略可實現(xiàn)列車節(jié)能的結論［3］。北京交通大學張燕燕對北京和廣州兩地的地鐵列車能耗進行研究。其利用逐步回歸分析和回歸預測法，把影響列車牽引能耗的編組數(shù)量、線路條件和載客量等因素作為自變量，按照影響程度的大小引入回歸方程，建立了列車牽引能耗預測數(shù)學模型［4］。

綜上可知，影響地鐵列車牽引能耗的因素主要包括以下3個方面：

（1）列車屬性，包括驅動方式、牽引電機性能、列車自重、車輛編組形式和列車風阻系數(shù)等；

（2）線路屬性，包括道面摩擦系數(shù)、線路坡度、轉彎半徑和站間距離等［5］；

（3）列車行車組織，包括列車技術速度和追蹤間隔、列車操縱方式等［6］。

這些因素中，列車牽引電機性能是影響列車牽引能耗的關鍵所在，電機效率在很大程度上決定了列車最終的牽引能耗［7］。為找出不同廠家地鐵列車牽引能耗水平差異，需在相同列車編組形式（如4M+2T）、相同線路條件和相同列車操縱方式下對不同廠家地鐵列車進行牽引能耗測試［8］。

利用所設計的牽引能耗測試控車裝置進行列車牽引能耗測試。試驗線路為一條長度為1.6 km的干燥、清潔且平直的軌道。試驗時，所有列車采用DC 1 500 V供電制式并處于空載（AW0）工況；車載列車自動控制（automatic train control，ATC）系統(tǒng)均處于關閉狀態(tài)，牽引能耗測試控車裝置控制列車按a-v曲線要求在試驗線上運行，且只記錄并比較列車從起動加速開始至目標速度為止的牽引能耗數(shù)據(jù)。

圖1示出試驗列車a-v曲線，其中a0為初始加速度。圖中所選定的試驗a-v曲線在所有測試車型的a-v曲線包絡范圍內，以保證所有測試車型列車都有能力按照規(guī)劃的a-v曲線運行，從而實現(xiàn)運行曲線的一致性。

圖1 試驗列車a-v曲線Fig.1 a-v curves of test train

2 地鐵列車牽引能耗測試控車裝置設計

根據(jù)上述地鐵列車牽引能耗測試方法，由牽引能耗測試控車裝置控制不同廠家列車在相同的線路上以相同的規(guī)劃曲線運行一段距離，讀取并記錄列車網絡上的牽引能耗數(shù)據(jù)［9］，對所記錄的列車牽引能耗數(shù)據(jù)進行分析處理。根據(jù)需求，設計牽引能耗測試控車裝置系統(tǒng)結構，如圖2所示。

圖2 地鐵列車牽引能耗測試控車裝置組成Fig.2 Composition of the train control device for metro train traction energy consumption test

根據(jù)系統(tǒng)設計方案，牽引能耗測試控車裝置關鍵模塊包括測速測距、列車接口、人機交互、主控、數(shù)據(jù)記錄與分析等模塊。

2.1 測速測距模塊

在試驗過程中，牽引能耗測試控車裝置需采集列車運行速度和位移信息，以控制列車按規(guī)劃的a-v曲線在試驗線上運行。為便于施工且不影響試驗列車既有ATC測速傳感器的使用，牽引能耗測試控車裝置采用高精度雷達傳感器（表1）進行測速和測距［10］，同時預留外接光電速度傳感器測速測距接口。其中，雷達速度傳感器采集列車運行速度信息，計算列車位移參數(shù)，并將速度和位移信息通過RS485總線按40 ms周期發(fā)送給牽引能耗測試控車裝置主機上的MIC_B主控插件。圖3示出雷達測速測距方案。

表1 雷達傳感器性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of radar sensor

圖3 雷達測速測距方案Fig.3 Radar velocity and ranging scheme

2.2 列車接口模塊

為保證不同廠家的列車按相同的a-v規(guī)劃曲線運行，用牽引能耗測試控車裝置模擬司控器級位信號來駕駛列車以保證不同廠家列車運行過程的一致性。牽引能耗測試控車裝置提供模擬司機駕駛的列車接口模塊（圖4），該模塊包括列車接口插件（TIB）和司控器切換盒兩部分。

圖4 列車接口模塊設計方案Fig.4 Design scheme of train interface module

TIB插件提供兩路0～15 V牽引/制動級位電壓模擬通道和兩路DC 110 V牽引/制動命令狀態(tài)采集通道，同時預留兩路0～20 mA牽引/制動級位電流模擬通道。其中，牽引/制動級位電壓輸出通道用于模擬列車司控器輸出至列車網絡模塊（AXM）的電位器級位電壓，牽引/制動命令狀態(tài)采集通道用于采集司控器手柄所處位置（牽引區(qū)或制動區(qū)）信息，以判斷當前列車是牽引狀態(tài)還是處于制動狀態(tài)，從而控制列車的加速和制動。

司控器切換盒包括聲光報警器和列車控制權切換開關手柄。當控制權切換開關處于“ATO”位時，由牽引能耗測試控車裝置控制駕駛列車自動運行；當切換開關處于“人工”位時，由司機駕駛列車運行。由牽引能耗測試控車裝置駕駛時，一旦列車運行速度達到規(guī)劃目標速度，聲光報警器便發(fā)出聲光報警，提醒司機將司控器手柄扳至制動位，從而實現(xiàn)列車制動。

2.3 人機交互模塊

牽引能耗測試控車裝置通過按鍵和10.4 inch（1 inch=2.54 cm）觸摸顯示屏與操作人員進行交互。操作人員通過顯示屏邊上的按鍵或觸摸屏輸入相關試驗參數(shù)，如試驗列車車型、車重及輪徑等，并選擇試驗參數(shù)曲線。試驗過程中顯示屏會顯示試驗規(guī)劃v-t曲線、a-v曲線以及列車當前運行速度、位移、牽引電壓/電流、牽引能耗等數(shù)據(jù)信息。人機交互模塊通過CAN總線與牽引能耗測試控車裝置MIC_B主控模塊進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2.4 主控模塊

牽引能耗測試控車裝置通過運行在MIC_B主控插件POWER PC e300 MCU上的控制程序控制列車運行。在MIC_B主控插件上運行Vx_works實時操作系統(tǒng)，控制程序運行周期為160 ms?？刂瞥绦蚋鶕?jù)圖1所示試驗列車a-v曲線自動生成規(guī)劃v-t曲線，采用PID控制算法精確控制列車運行速度，從而保證列車按生成的規(guī)劃v-t曲線運行，達到列車運行速度與規(guī)劃速度之間的誤差小于2 km/h的要求。牽引能耗測試控制裝置主控模塊設計原理如圖5所示。

圖5 主控模塊原理圖Fig.5 Principle diagram of main control module

2.4.1 主控程序控制策略

主控程序采用復合控制策略，對引入的主要干擾進行前饋控制，并使用PID反饋控制加以修正［11］，達到速度誤差小于2 km/h的目標。通過雷達獲取列車的實際位置和速度信息，比較規(guī)劃曲線速度值與列車實際運行速度值后，向列車輸出經計算得到的控制指令值；列車接收指令后做出相應控制動作，使列車以貼近目標速度曲線的實際速度行駛。主控程序控制過程如圖6所示。

圖6 主控程序PID控制過程Fig.6 PID control process of the main control program

2.4.2 主控程序規(guī)劃曲線計算過程

根據(jù)HMI輸入的a-v曲線參數(shù)，主控程序自動生成目標規(guī)劃v-t曲線。圖1中，a-v曲線分為勻加速和變加速2個階段。針對圖1中的a-v曲線對應的v-t規(guī)劃曲線，推導計算過程，具體如下：

（1）勻加速階段

根據(jù)所求k值，結合式（1）和式（4），得出圖1中各條a-v曲線對應的v-t曲線計算公式：

根據(jù)式（6）～式（8）并利用Matlab工具繪制的速度隨時間變化曲線如圖7所示。主控程序根據(jù)試驗操作人員所選擇的試驗曲線，按照式（7）～式（8）以160ms為周期自動生成規(guī)劃目標v-t曲線進行控車。

圖7 規(guī)劃v-t曲線圖Fig.7 Planned v-t curve

2.5 數(shù)據(jù)采集與分析模塊

牽引能耗測試控車裝置通過多功能車輛總線（multifunction vehicle bus，MVB）讀取列車牽引能耗數(shù)據(jù)。試驗時，接入列車MVB總線，按照協(xié)議讀取指定地址數(shù)據(jù)，如列車時間、牽引能耗和輔助能耗等。主控插件通過以太網將列車當前運行速度、加速度、位移、牽引能耗和輔助能耗等數(shù)據(jù)發(fā)送給車載便攜式計算機；用戶通過車載監(jiān)測軟件實時顯示相關數(shù)據(jù)，并生成Excel格式記錄文件以用于地面分析。圖8示出數(shù)據(jù)采集、記錄與分析設計方案。

圖8 數(shù)據(jù)采集、記錄與分析設計方案Fig.8 Design scheme of data acquisition,recording and analysis

3 裝置實際運用效果

所研制的牽引能耗測試控車裝置被用于某城市平直道試驗線上對14、15和18號線列車（分別由3個廠家生產）的牽引能耗進行測試。試驗過程中，3個廠家的列車由該裝置按圖1自動生成的v-t規(guī)劃曲線（0.8 m/s2-70 km/h曲線所對應的）進行控車運行，效果分別如圖9、圖10和圖11所示?？梢钥闯?，該控車裝置實現(xiàn)了按規(guī)劃曲線控制不同廠家列車正常運行的目標。由于各廠家列車牽引系統(tǒng)性能和網絡控制策略方面存在細微差異，3個廠家的列車實際運行v-t曲線與規(guī)劃v-t曲線之間的貼合度存在一定的差異，但運行速度和目標速度之間的差值總體在2 km/h允許范圍內，符合速度控制誤差小于2 km/h的設計要求，達到了預期控車效果。

圖9 18號線列車按規(guī)劃的v-t曲線控車運行效果Fig.9 Vehicle control operation effect on 18thline train according to the planned v-t curve

圖10 15號線列車按規(guī)劃的v-t曲線控車運行效果Fig.10 Vehicle control operation effect on 15thline train according to the planned v-t curve

圖11 14號線列車按規(guī)劃的v-t曲線控車運行效果Fig.11 Vehicle control operation effect on 14thline train according to the planned v-t curve

4 結語

隨著我國“碳達峰、碳中和”行動計劃的逐步落實，各城市地鐵公司已開始重視運營過程中的節(jié)能問題。在線路相同的條件下，應用本文所設計的控車裝置可保證不同廠家生產的列車按相同的規(guī)劃曲線運行，避免了人工駕駛造成的運行速度曲線不一致問題的出現(xiàn)，最大限度地保證了在相同條件下對不同廠家的地鐵列車牽引能耗情況開展評估測試。經過在3條試驗線上的試驗，結果表明，本牽引能耗測試控車裝置控車效果良好，達到了車速控制誤差小于2 km/h的預期目標，具有一定的市場經濟價值，可作為國內地鐵列車牽引能耗測試控車的標準設備進行推廣。