李 晶，荀 徑，尹曉宏，楊艷鋒，毛 芳

（1.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 第十設(shè)計(jì)所，北京 100045；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；3.北京全路通通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán) 北京鐵路信號(hào)有限公司，北京 102613)

城市軌道交通列車在運(yùn)行過程中，由于站間距較短，列車啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁[1]，使得耗電量也在不斷增大。2020年全國(guó)城市軌道交通平均單位車公里運(yùn)營(yíng)成本24.6元，同比增長(zhǎng)1.2元，其中人工成本占比約52.3%，電費(fèi)占比約10.2%。節(jié)約能源是我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針，城市軌道交通的能耗問題引起社會(huì)各方密切關(guān)注。2021年10月中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)發(fā)布《城市軌道交通技術(shù)發(fā)展綱要建議(2021—2015)》，多次提到基礎(chǔ)設(shè)施綠色化的要求，如“從列車控制層面對(duì)列車自動(dòng)駕駛子系統(tǒng)(ATO)、列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS)進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化控制，達(dá)到節(jié)能減排目的”。因此，綠色、節(jié)能是當(dāng)前城市軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理中極為緊迫的任務(wù)，是降低運(yùn)營(yíng)成本、提高運(yùn)營(yíng)效率，保證城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

1 北京軌道交通運(yùn)營(yíng)能耗現(xiàn)狀

1.1 軌道交通能耗現(xiàn)狀分析

依托行業(yè)現(xiàn)狀及北京市軌道交通各條線路的實(shí)際情況，對(duì)2020年北京軌道交通線路的實(shí)際能耗情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。北京地鐵線網(wǎng)人公里耗能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如圖1所示。

圖1 北京地鐵線網(wǎng)人公里耗能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)圖Fig.1 Statistics of energy consumption index per person kilometer of Beijing subway line network

從圖1可以看出，客流量越小、擁擠度越低的線路，人公里能耗越高。如北京地鐵13號(hào)線，由于長(zhǎng)期客流壓力巨大，曾多次壓縮運(yùn)營(yíng)間隔來滿足運(yùn)能，而其人公里能耗則為最低；反觀7號(hào)線，因?yàn)榫€路較短、站點(diǎn)設(shè)置等客觀因素，客流一直處于低位，其人公里能耗達(dá)到了0.08 kW·h/人公里，成為線網(wǎng)中能耗指標(biāo)最高的線路。因此，更需要詳細(xì)研究各線在不同客流時(shí)段(高、平峰)的能耗規(guī)律和運(yùn)行等級(jí)調(diào)用的時(shí)機(jī)，采用節(jié)能運(yùn)行圖，避免能源的浪費(fèi)。

1.2 客流分布現(xiàn)狀分析

北京地鐵客流早高峰為7 : 00—9 : 30，晚高峰為17 : 00—19 : 30，其他時(shí)段為平峰，周末和特殊節(jié)假日除了旅游景點(diǎn)周邊車站人流較為密集外，其他時(shí)段和地點(diǎn)一般客流量不大。北京地鐵日運(yùn)營(yíng)時(shí)段分布如圖2所示。

圖2 北京地鐵日運(yùn)營(yíng)時(shí)段分布Fig.2 Distribution of daily operation intervals of Beijing subway

高峰時(shí)段客流壓力較大，應(yīng)該優(yōu)先保證運(yùn)力，并結(jié)合當(dāng)前北京雙超運(yùn)行圖，優(yōu)化折返能力，多拉快跑，提升運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量。平峰及周末時(shí)段，客流密度較小，可合理調(diào)配運(yùn)能，重點(diǎn)優(yōu)化牽引能耗，降低運(yùn)營(yíng)成本。

1.3 ATO駕駛和人工駕駛的能耗對(duì)比分析

北京地鐵列車駕駛模式可根據(jù)不同運(yùn)營(yíng)時(shí)段進(jìn)行調(diào)整。以北京地鐵8號(hào)線為例，全天大部分時(shí)間采用ATO駕駛模式，20 : 30之后，陸續(xù)轉(zhuǎn)入司機(jī)人工駕駛模式。北京地鐵8號(hào)線ATO駕駛和人工駕駛能耗對(duì)比如表1所示。在區(qū)間運(yùn)行時(shí)司機(jī)通常采用“定速巡航”的方式人工駕駛列車運(yùn)行，而ATO駕駛則嚴(yán)格按照時(shí)刻表控制列車運(yùn)行[2]。

表1 北京8號(hào)線ATO駕駛和人工駕駛能耗對(duì)比 kW · hTab.1 Comparison of energy consumption between ATO driving and manual driving of Beijing Subway Line 8

從表1可以看出，ATO駕駛相較于人工駕駛，全程平均牽引能耗高約12.2%，全程平均再生能耗高約22%，全程列車總能耗高約10%。在同等運(yùn)營(yíng)等級(jí)下，人工駕駛通過減少不要的牽引與制動(dòng)級(jí)位施加，尤其是充分利用線路阻力，利用惰行控制列車降速，減少制動(dòng)的施加，可以有效地降低列車能耗。

1.4 列車運(yùn)行控制節(jié)能改造意義

地鐵用電能耗主要包括列車運(yùn)行能耗和運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)設(shè)備能耗2大部分，其中，運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)設(shè)備能耗取決于列車運(yùn)行能力需求、運(yùn)營(yíng)管理模式、設(shè)備配置以及自身技術(shù)水平等諸多因素，屬于相對(duì)固定能耗；而列車運(yùn)行能耗與客流分布、客運(yùn)需求、行車組織模式以及與其配套的列車運(yùn)行控制策略等密切相關(guān)，屬于相對(duì)動(dòng)態(tài)能耗[3]。列車運(yùn)行能耗分為牽引能耗和列車輔助設(shè)施能耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年度，北京市軌道交通總運(yùn)行能耗超過20億kW·h，其中牽引能耗就達(dá)到近12億kW·h。北京地鐵能耗占比情況如圖3所示。

圖3 北京地鐵能耗占比示意圖Fig.3 Energy consumption proportion of Beijing subway

以北京地鐵8號(hào)線為例進(jìn)行估算，全線日能耗大約為18.3萬kW·h。假定按照牽引能耗占總能耗的60%、日均牽引能耗降低5%計(jì)算，則每月可節(jié)省電費(fèi)約10余萬元，節(jié)能的經(jīng)濟(jì)價(jià)值相當(dāng)可觀。

因此，城市軌道交通節(jié)能研究的熱點(diǎn)是在保證列車按運(yùn)行圖運(yùn)行的前提下，降低列車的牽引能耗[4]。一個(gè)重要途徑就是通過ATO和ATS利用節(jié)能優(yōu)化算法獲得列車駕駛策略后引導(dǎo)列車運(yùn)行[5]；在滿足列車運(yùn)行安全準(zhǔn)時(shí)、平穩(wěn)舒適、停車精確等基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化列車控制與計(jì)劃有效降低能耗[6]。

2 列車運(yùn)行節(jié)能控制方案

列車運(yùn)行節(jié)能控制的整體思路可以從城市軌道交通列車節(jié)能控制應(yīng)從單列車節(jié)能運(yùn)行和多列車再生節(jié)能利用2個(gè)方面著手[7]，分單車ATO節(jié)能、多車ATS與ATO聯(lián)動(dòng)節(jié)能、ATS-ATO自適應(yīng)節(jié)能3種方案推進(jìn)實(shí)施。

2.1 單車ATO節(jié)能方案

單車ATO節(jié)能即對(duì)列車采取合理的運(yùn)行速度控制策略，通過減少牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換的次數(shù)，盡可能地增加惰行時(shí)間。

2.1.1 智能坡道控制策略

列車運(yùn)行中合理利用區(qū)間坡道，進(jìn)行勢(shì)能與動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換，避免頻繁牽引、制動(dòng)帶來的能量損失，可以達(dá)到節(jié)能的目的。對(duì)于節(jié)能坡和長(zhǎng)區(qū)間的坡道，ATO應(yīng)對(duì)坡道速度進(jìn)行提前的預(yù)測(cè)和判斷，可以制定以下策略：上坡過程，在區(qū)間限速條件下，盡量增大入坡速度，靠惰行運(yùn)行到坡道終點(diǎn)；下坡過程，在保證列車出坡速度不越過線路限速的前提下，盡量避免制動(dòng)；對(duì)于區(qū)間短坡，在評(píng)估節(jié)能策略對(duì)節(jié)能效果貢獻(xiàn)較小的情況下，可以按照平坡處理。這些做法的思路都是盡量避免偏離目標(biāo)控制曲線，引起不必要的再次牽引，從而降低列車頂棚運(yùn)行速度，提高區(qū)間惰行比例。區(qū)間下坡道、上坡道加速度控制示意圖如圖4所示。

圖4 區(qū)間下坡道、上坡道加速度控制示意圖Fig.4 Acceleration control in down ramp and up ramp sections

2.1.2 智能過彎控制策略

列車通過彎道時(shí)如果速度不合理，則車輪的內(nèi)側(cè)咬合軌道程度加深致使摩擦力增大，造成大量的能量損失。因此，在列車運(yùn)行至彎道時(shí)，應(yīng)盡量控制列車速度與彎道設(shè)計(jì)軌道超高限速相近，盡量減少摩擦力造成的能量損耗，更好地達(dá)到節(jié)能目的。從而要求ATO提前計(jì)算精確的入彎位置并確定合理的過彎速度，盡可能控制列車速度與其相匹配。

2.1.3 智能進(jìn)出站控制策略

列車進(jìn)站時(shí)，ATO系統(tǒng)應(yīng)避免因停車不對(duì)位引起的再次啟動(dòng)和停車；并在保證乘客舒適度和停車精度的前提下，以不高于0.8 m/s2的減速度控制列車進(jìn)站停車。列車出站時(shí)，ATO系統(tǒng)也應(yīng)在保證乘客舒適度的前提下，以不低于0.6 m/s2的加速度控制列車加速至列車運(yùn)行等級(jí)規(guī)定的允許速度；在列車出站加速過程中，當(dāng)列車速度接近站臺(tái)或區(qū)間允許速度時(shí)，應(yīng)及時(shí)減小請(qǐng)求的牽引力。

2.1.4 區(qū)間控制策略

列車在限速較低區(qū)間運(yùn)行時(shí)，ATO系統(tǒng)宜以該區(qū)段線路允許的最高運(yùn)行速度運(yùn)行，提升線路瓶頸區(qū)段的通過效率。再次牽引的實(shí)際速度宜不低于列車運(yùn)行等級(jí)規(guī)定的允許速度的85%，同時(shí)盡量增加ATO控制列車在區(qū)間惰行，提高區(qū)間惰行比例，建議針對(duì)不同的區(qū)間線路條件采取不同的列車間隔調(diào)整方法[8]。

2.2 多車ATS與ATO聯(lián)動(dòng)節(jié)能方案

2.2.1 調(diào)取運(yùn)行等級(jí)

列車運(yùn)行等級(jí)設(shè)置宜不少于4個(gè)等級(jí)，等級(jí)間允許速度的差值宜為列車最高運(yùn)行速度的10%，等級(jí)4的允許速度宜與列車最高運(yùn)行速度一致。列車運(yùn)行等級(jí)允許速度設(shè)置如表2所示。

表2 列車運(yùn)行等級(jí)允許速度設(shè)置 km/hTab.2 Allowable speed setting of train operation level

城市軌道交通列車通信與運(yùn)行控制國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室于2018年12月發(fā)布的《城市軌道交通列車運(yùn)行節(jié)能控制導(dǎo)則》(白皮書編號(hào)：NELURCCWP-2018004)中提出，①高峰時(shí)段宜以等級(jí)4控制列車運(yùn)行，平峰時(shí)段宜以等級(jí)3控制列車運(yùn)行。②當(dāng)行車調(diào)度人員人工關(guān)閉列車運(yùn)行等級(jí)調(diào)用功能時(shí)，ATO系統(tǒng)應(yīng)按照等級(jí)3控制列車運(yùn)行，直到人工恢復(fù)自動(dòng)調(diào)整功能。實(shí)際上，基于節(jié)能運(yùn)行圖制定的節(jié)能策略，除了以上2點(diǎn)以外，還可以通過計(jì)算列車早晚點(diǎn)情況調(diào)取運(yùn)行等級(jí)，以此來實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行節(jié)能控制的目的。

2.2.2 節(jié)能運(yùn)行圖編制

節(jié)能運(yùn)行圖是圍繞客運(yùn)組織需求，在滿足運(yùn)輸效率和客運(yùn)服務(wù)水平的條件下，合理設(shè)置運(yùn)行交路、配置運(yùn)用車組，降低牽引能耗。分別設(shè)置高峰、平峰時(shí)段的站停時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，由ATS自動(dòng)識(shí)別，對(duì)于高峰時(shí)段，自動(dòng)向列車下達(dá)最高運(yùn)行等級(jí)，ATO在保證運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的相關(guān)功能；對(duì)于平峰時(shí)段，根據(jù)區(qū)間運(yùn)行時(shí)間向ATO下達(dá)相應(yīng)的運(yùn)行等級(jí)，ATO啟動(dòng)相應(yīng)的節(jié)能策略，實(shí)現(xiàn)平峰時(shí)段最大限度的節(jié)能。一般情況下，平峰時(shí)段宜以等級(jí)3的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間為基礎(chǔ)，為實(shí)際運(yùn)行預(yù)留調(diào)整空間。

另外節(jié)能運(yùn)行圖還應(yīng)該標(biāo)識(shí)列車運(yùn)行能耗計(jì)算數(shù)值和行車組織說明等，并且按照高峰、平峰時(shí)段所對(duì)應(yīng)的站停時(shí)間、區(qū)間運(yùn)行時(shí)間繪制計(jì)劃運(yùn)行圖。同時(shí)，考慮到突發(fā)事件、大客流等因素，在編制計(jì)劃時(shí)刻表時(shí)，一般會(huì)在停站時(shí)間和區(qū)間運(yùn)行時(shí)分上預(yù)留一定的余量[9]。

適時(shí)調(diào)取運(yùn)行等級(jí)和編制節(jié)能運(yùn)行圖的措施，可以在不調(diào)整時(shí)刻表的前提下，通過編制節(jié)能運(yùn)行圖和占用圖定站間運(yùn)營(yíng)時(shí)間裕量、自動(dòng)匹配列車運(yùn)行等級(jí)等方式，使ATO和ATS結(jié)合起來，根據(jù)實(shí)際線路運(yùn)營(yíng)情況調(diào)用不同的列車運(yùn)行等級(jí)，使得列車實(shí)際運(yùn)行速度減小，降低無用能耗的消耗。

2.3 ATS-ATO自適應(yīng)節(jié)能方案

通過與運(yùn)營(yíng)調(diào)度部門的緊密配合，對(duì)時(shí)刻表進(jìn)行調(diào)整，利用自適應(yīng)算法使得ATS與ATO協(xié)同工作。優(yōu)化列車運(yùn)行時(shí)刻表，實(shí)際上就是調(diào)節(jié)某列車在某站的停站時(shí)間，使列車避免同時(shí)啟動(dòng)、同時(shí)制動(dòng)情況的發(fā)生[10]。

ATS發(fā)送下一站的到站時(shí)間給車載信號(hào)設(shè)備，車載設(shè)備根據(jù)此信息，自動(dòng)計(jì)算本區(qū)間的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，然后根據(jù)站停時(shí)間、早晚點(diǎn)信息、高峰/平峰狀態(tài)等運(yùn)行等級(jí)調(diào)用判據(jù)，實(shí)時(shí)地自動(dòng)調(diào)用最優(yōu)控制曲線，實(shí)現(xiàn)多車自適應(yīng)協(xié)同節(jié)能控制。ATSATO自適應(yīng)節(jié)能算法流程如圖5所示。

圖5 ATS-ATO自適應(yīng)節(jié)能算法流程Fig.5 Flowsheet of energy conservation algorithm featuring self-adaptive ATS-ATO

ATS-ATO自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)節(jié)能相較于ATS-ATO聯(lián)動(dòng)節(jié)能更加智能，主要體現(xiàn)在自適應(yīng)算法可以根據(jù)實(shí)際條件對(duì)時(shí)刻表進(jìn)行調(diào)整，真正做到精細(xì)化控車。但是值得注意的是，對(duì)于客流量較大的線網(wǎng)或線路而言，時(shí)刻表的動(dòng)態(tài)調(diào)整可能會(huì)存在運(yùn)行紊亂等風(fēng)險(xiǎn)。因此建議在高峰時(shí)段不調(diào)用自適應(yīng)節(jié)能運(yùn)行方案，僅在平峰時(shí)段經(jīng)調(diào)度員確認(rèn)后調(diào)用；同時(shí)，在遇到突發(fā)情況下，可人工關(guān)閉節(jié)能曲線調(diào)用功能。

3 列車運(yùn)行節(jié)能控制方案應(yīng)用及效果

截止2021年7月，北京地鐵已經(jīng)制定了9條線路的節(jié)能改造規(guī)劃，其中部分線路已經(jīng)開始改造或試驗(yàn)。北京地鐵各線列控改造節(jié)能效果及效益如表3所示。

表3中，昌平線和5號(hào)線已經(jīng)完成單車ATO節(jié)能改造。5號(hào)線由于目前正在實(shí)施信號(hào)升級(jí)改造，因此可以考慮一并完成ATS與ATO聯(lián)動(dòng)節(jié)能改造，類似的線路還有10號(hào)線。房山線已經(jīng)完成了ATS與ATO聯(lián)動(dòng)節(jié)能立項(xiàng)，正在開展相關(guān)實(shí)施工作。亦莊線已經(jīng)完成單車ATO節(jié)能試驗(yàn)和調(diào)試，但是尚未進(jìn)行工程實(shí)施。其余線路均在待實(shí)施和未實(shí)施階段，可作為后續(xù)重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目有序推進(jìn)。

表3 北京地鐵各線列控改造節(jié)能效果及效益Tab.3 Energy conservation effect and benefit of train control transformation of Beijing subway lines

可以看出，各線在采取列車運(yùn)行節(jié)能控制措施的經(jīng)濟(jì)效益比較可觀。以能耗較高的7號(hào)線為例，單車ATO節(jié)能效果可達(dá)到7% (已啟動(dòng)單車試驗(yàn))，每月直接節(jié)省電費(fèi)23.7萬元；ATS與ATO聯(lián)動(dòng)節(jié)能在此基礎(chǔ)上預(yù)估還可節(jié)能3%左右，每月直接節(jié)省電費(fèi)29.7萬元；完成ATS-ATO自適應(yīng)節(jié)能改造后，預(yù)計(jì)節(jié)能效果將超過12%，每月節(jié)約電費(fèi)將達(dá)到32.6萬元。

4 結(jié)束語

研究城市軌道交通列車運(yùn)行節(jié)能方法，對(duì)打造綠色節(jié)能列控創(chuàng)新生態(tài)圈和保證城市軌道交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。結(jié)合運(yùn)營(yíng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，對(duì)列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的節(jié)能控制策略進(jìn)行深入分析研究，提出了單車ATO節(jié)能、ATS與ATO聯(lián)動(dòng)節(jié)能和ATS-ATO自適應(yīng)節(jié)能3種列車運(yùn)行節(jié)能控制方案。已經(jīng)實(shí)施的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，利用在站間增加列車惰行距離減少不必要的牽引制動(dòng)切換，提升坡道、彎道智能預(yù)判，科學(xué)設(shè)計(jì)ATS與ATO系統(tǒng)配合關(guān)系等策略，可以有效降低牽引能耗、提升節(jié)能效果。