城市轨道交通车辆运行节能方法优化

侯 跃 杨 俭 宋瑞刚 李 娜

(上海工程技术大学城市轨道交通学院 上海 201620)

随着我国城市化进程的不断加快，城市轨道交通以稳、快、准等特点受到人们的青睐。城市轨道交通将在我国城市公共交通运输中占有越来越重要的地位，其列车对仿真的要求也越来越高。然而，我国城市轨道交通的建设刚刚起步，牵引计算理论的研究和节能算法的研究成果都比较少，因此现有轨道车辆的运行特性曲线并不一定是最优的运行特性曲线，列车的运行能耗也并不一定是列车运行的最佳能耗。

城市轨道交通的运行具有区间距离短、启动和制动频繁等特点，而制动时所产生的能量有很大一部分消耗在制动电阻上，所产生的热量散发到地铁隧道内和空气中，使隧道内温度逐年升高，给列车的运行带来诸多的安全隐患，同时造成了大量能量的浪费。在国家大力号召节能环保的趋势下，列车的运行节能势在必行［1］。

笔者以上海地铁2号线的测试数据为基础，在城市轨道交通节能运行的理论基础上优化研究，并将得到的仿真结果与实测数据进行对比分析，验证了方法的有效性。

1 上海地铁2号线的列车参数和线路条件

1.1 上海地铁2号线的列车参数

上海地铁2号线所有车辆是在德国AEG-Welting-House公司牵头下，由德沪地铁集团(GSMG)设计制造的。车辆共有A、B、C 3种类型:A为带司机室的拖车，B为带受电弓的动车，C为动车。接触网的电压额定值为DC 1500 V，电压变动范围的最大值为1800 V，最小值为1000 V。6节编组是最小运营单元，即按A－B－C－CB－A组合方式联挂;客流量大时则采用8节编组，即按A－B－C－B－C－C－B－A组合方式联挂［2］。

每辆动车上都装有1台两点式电压型逆变器，将架空的1500 V直流电以变压变频(VVVF)模式转为三相交流电，同时为4台牵引电机提供电能。列车主要技术参数如表1所示［3］。

表1 上海地铁2号线列车主要技术参数(6节编组)

1.2 上海地铁2号线的线路分析

上海地铁2号线从淞虹路站至张江高科站，线路全长25.2 km，运营间隔为3 min，沿途共设17个站，有32列车，编组方式有6节编组和8节编组，由于测试车辆采用的是6节编组的列车，因此在下文中的列车编组默认为6节编组，即A－B－C－C－B－A，最大行驶速度为 80 km/h［4］。

选择有代表性的区间来分析实际线路条件对列车运行的影响:上海科技馆站—世纪公园站，两站间距离为1454 m，在列车的实际运行中总存在电阻制动，实际线路条件如表2所示。其中坡度前面的正负号分别表示上坡和下坡。

表2 上海科技馆站—世纪公园站线路条件

2 城轨列车节能方法优化研究

在城轨列车的运行过程中，实际的运行状态是非常复杂的，因此，为了便于计算，可根据具体的需要建立多种运行策略(即计算时所采用的算法基础)。下面首先介绍列车运行时的3种最典型的牵引运行策略，如图1所示。

图1 3种典型的牵引运行策略

从图1可以看到，节时算法的运行过程如A—S1—S2—B曲线所示，节能算法的运行过程如A—S3—S4—B曲线所示，混合优化算法的过程如A—S—B曲线所示。

此外，还有一种是定时牵引的运行策略，即在列车的运行区间内要求列车准点到达所采用的最节能的运行模式。列车启动时，按最大的加速度启动，制动时以最大减速度制动，中间过程，采用牵引和惰性相结合的策略运行［5］。

2.1 节时算法

在列车的运行区间内，要求列车的运行时间最短，即列车按照以下原则运行:列车启动时，按最大的加速度运行，达到最大速度时保持最大速度惰行;当需要制动时，采用最大的减速度制动;在限速的路段则采用限速的最大值(图1中的vup)匀速行驶。

2.2 节能算法

在列车的运行区间内，要求列车的运行能耗最少，即列车按照以下原则运行:列车启动时，按最大的加速度启动到经济限速;中间过程采用尽可能的匀速状态或惰行状态运行;进站阶段则以最大制动力运行。若不限制时间时，列车运行的速度越小，则能耗也就越小。另外，列车的运行速度波动越小，则能耗就越低。因此，设计经济的运行策略为:在给定的运行时间内，采用最大的加速度运行至经济的速度(图1中的速度vL)时，保持匀速运行。如果时间足够则可采取惰行直到终点;如果时间不够，则惰行一定距离后，采取最大的制动减速度制动。

2.3 混合优化算法

列车牵引运行的混合优化算法是将上面两种算法相结合，既考虑速度，又兼顾节能，这是一种比较优化的算法模型。在城市轨道交通列车运行的过程中，既要考虑乘客的舒适度，又要考虑列车的经济运行策略，即列车的运行能耗问题。

通过对上海地铁2号线的分析可以知道，列车在实际运行过程中存在两次制动过程，因此分别采用一次制动和两次制动的方式进行计算。节能优化运行的算法基础是:列车在牵引阶段，按照最大的牵引加速度运行;列车制动时，按照最大的制动力制动;中间过程一般采用惰性和牵引相结合的运行策略。

3 结果分析

3.1 仿真计算结果

选择上海地铁2号线科技馆站—世纪公园站作为计算的区间，区间内存在电阻制动。本计算基于车辆满载运行条件下，确定线路条件和列车参数之后进行计算分析，分别得到列车在3种运行策略下时间、速度、距离、能耗(实际能耗)之间的关系，如图2所示。

3.2 测试数据结果

城轨列车在不同的区间运行时，由于线路条件不同致使反馈回电网的能量与实际消耗的能量也会不同，所以对正常运行下的满载列车能耗进行了测试。

图2 上海科技馆站—世纪公园站计算结果

上海地铁2号线列车普遍采用AC02型电动列车［6］，为了研究这种列车电阻制动的效果，需要测试列车在不同工况下(牵引、制动)线路电压、线路电流、制动电阻电流的具体情况。因此，对1节动车的接触网电压、中间电压、牵引电流、电阻制动电流及车辆运行的转矩(4台电机)和速度进行了测试，测试结果如图3所示。

图3 上海科技馆站—世纪公园站测试结果

当列车运行在有电阻制动的区间时，电网电压、中间电压、牵引电流和制动电流的关系如图3(a)所示。随着电机的牵引耗能，列车不断从电网吸收电能，电网的电压和中间电压均有下降的趋势，当牵引电流接近最大牵引电流时，电网电压明显减小，从1600 V左右降到1400 V左右，然后随着牵引电流的逐渐减小，电网电压趋于平稳。当电机的牵引电流变为负值后，电网的电压由于再生制动的反馈电能出现了上升趋势，随着再生制动的持续，电网电压会继续抬升。当电网电压接近1730 V时，出现了电阻制动，此时电网的电压在1800 V附近持续了一段时间，制动产生的能量通过制动电阻的形式消耗掉，因此，在电阻制动结束后，电网电压有所下降，降至1500 V左右［7］。

通过以上分析并参阅有关资料，计算出上海地铁2号线上海科技馆站—世纪公园站间线路的实际能耗为12.61 kW·h，运行时间为100 s，运行距离为 1454 m。

3.3 结果对比分析

由城轨车辆运行节能方法优化系统的仿真结果可以得到如下结果。

1)节时算法的实际能耗15.72 kW·h，运行时间87.05 s，运行距离 1454.49 m。

2)混合优化算法中若采用一次制动，则实际能耗11.24 kW·h，运行时间88.55 s，运行距离 1453.9 m;若采用两次制动，则实际能耗 9.38 kW·h，运行时间93.75 s，运行距离 1453.8 m。

3)上海地铁2号线上海科技馆站—世纪公园站间线路的实际能耗12.61 kW·h，运行时间100 s，运行距离1454 m。

与实际线路相比，若采用一次制动的优化方法，则节能效率为

若采用两次制动的优化方法，则节能效率为

由以上的数据分析可知，列车在运行过程中的能耗是非常大的。按照测试时2号线的运行区间为从淞虹路到张江高科共15个运行区间且列车编组为6辆计算，由实际的测试结果可知，列车运行两站间的能耗大约为12 kW·h。假设每列车一天中上下行运行12次，则每天运行耗能为144 kW·h。如果采用一次制动的混合优化算法进行运行，列车平均每两站间的运行能耗将减少10%左右，可以节省的能耗为14.4 kW·h。按照每年365 d、每列车的运营时间350 d、则1年可以节省的能耗为5040 kW·h;若采用两次制动的混合优化算法进行运行，列车平均每两站间的运行能耗将减少25%左右，取保守值20%计算，则1年可以节省的能耗为10080 kW·h。若考虑地铁全线的运营列车数及发车密度，则节省的电能将成倍增长，所以研究列车的运行节能方法优化问题具有重大的现实意义。同时，通过节能优化的研究(如增长制动电阻箱的寿命、减少能量的消耗等)，可以带来巨大的社会效益和经济效益，从而降低列车的运营成本。

4 结语

笔者对上海地铁2号线车辆节能的3种运行方法进行对比优化研究，还有一些影响因素没有纳入计算的参数中，这些参数的研究会在后续的工作中逐渐展开和深入，对影响系数进一步优化，但系统中已经涉及了主要的技术参数，在一定程度上能体现列车的节能优化计算;通过研究，计算出仿真结果，并与实际线路中的能耗相比较，得到以二次制动模式运行最优的结论。在后续的工作中，将把仿真结果运用到列车实际的运行模式中，对仿真结果的可信度进一步验证。系统的成功设计，可以为现有车辆提供更佳的运行特性曲线，缩短新车上线的试运行周期。

［1］Liu R，Iakov M.Golovither.Energy-efficient Operation of Rail Vehicles［J］.Ransportation Research:Part A，2003，8(37):917-932.

［2］陶生桂，王曰凡，毛明平.上海地铁2号线牵引仿真计算研究［J］.城市轨道交通研究，2001，11(2):35-39.

［3］宋瑞刚.基于超级电容的轨道车辆制动能量回收系统实验研究［D］.上海:上海交通大学，2008.

［4］Shuzou S，Kisaburo H.Traction drive system and its characteristics as power ransmission［J］.R＆D Review of Toyota CRDL，2005，40(3):30-39.

［5］彭精华.城市轨道交通车辆运行仿真研究［D］.成都:西南交通大学，2005:15-32.

［6］毛保华.列车运行计算与设计［M］.北京:人民交通出版社，2008:20-90.

［7］杨俭，黄厚明，方宇.上海轨道交通2号线列车运行能耗分析［J］.内燃机车，2009，5(4):23-25.