城市轨道交通调度系统节能策略研究

张德明 梁 亮

行车调度作为城市轨道交通运营的一个主要环节，对城市轨道节能有重要影响。但是，有关行车调度的传统研究，一般都集中在按图行车的自动化控制方面，而对能源利用优化方面的研究，则相对较少。随着相关技术的发展，行车指挥系统可以直接对列车运行行为进行控制，因此，研究如何充分利用调度系统作为运营指挥核心，整体上降低系统运营能耗，成为一个重要课题。

1 城轨调度系统节能的基本概念

城市轨道交通的能耗主要由动力照明能耗和牵引能耗二部分组成。动力照明能耗包括：为满足旅客列车安全可靠运营要求的设备系统、为旅客提供良好的乘车环境的设备系统、保证车站正常运转的设备系统、车站商业区动力照明设备、运营部门办公用动力照明设备等的能耗。牵引能耗即运营车辆所消耗的电能，包括正线旅客列车运营消耗的电能和车辆段旅客列车出入库消耗的电能。根据相关统计，动力照明能耗和牵引能耗大约各占城市轨道交通能耗的50%。

城市轨道交通行车调度，其主要功能是通过运行计划编制、列车运行的实时调整来达到控制和协调列车运行的目的。因此，通过调度技术降低能耗，最后主要体现在牵引节能上，包括车辆节能、线路节能、再生制动节能等，都是比较微观角度的节能。而调度节能，则是从比较宏观角度进行节能研究，它需要对各种微观技术进行整合、协调与控制，从而使系统整体上达到能耗的最优化。

2 影响城轨调度系统节能的关键因素分析

2．1 列车运行曲线

列车运行曲线是指列车运行的速度－距离曲线图。对于给定的列车运行曲线，再加上相应的列车性能参数，就可以计算出对应的列车能耗。因此，对于列车牵引的节能控制，一个重要的方法就是通过改变列车运行曲线，从而达到降低能耗的目的。

在现代城市轨道交通系统中，均采用ATC信号系统对列车进行控制。图1展示了基于ATC信号系统列车运行控制，并生成列车运行曲线的基本过程。列车从车站1开出，发往车站2。中心调度系统 （ATS）向车载ATO设备发出区间运行时间计划，ATO依据此时间计划，结合车辆性能，线路特征，生成最优控制曲线，控制列车运行。

图1 列车运行控制及曲线生成过程

图1的列车运行控制及曲线生成过程主要有2个阶段：一个是ATO控制列车生成列车运行曲线的阶段，另一个则是ATS向ATO传递列车运行时间计划的阶段。目前，有关列车运行过程节能的研究，主要集中在第一个阶段，也就是通过研究各种算法，合理调整列车牵引、惰行和制动3种工况，形成最优曲线，达到降低列车能耗的目的。

但需要注意的是：以上阶段的节能控制过程，以计划限定的列车运行时间为前提。而对于不同的计划限定时间，即使采用最优的列车操控策略，其能耗也是不一样的。也就是说，列车运行过程节能，不仅需要从第一阶段、列车运行操控方面进行考虑，同样需要第二阶段、从列车运行计划与调度方面进行考虑。

现有的ATO实现均提供几套不同的运行曲线，对应列车运行快或慢的几种运行等级，这几种等级需要调度系统 （ATS）进行选择。一般说来，运行曲线的总时间越短，列车能耗越高；运行曲线的总时间越长，列车能耗越低。调度系统节约能耗的一个重要途径，就是在不影响列车正点到达终点站的情况下，合理选取不同等级的运行曲线。

2．2 再生制动

城市轨道交通车辆制动方式可以分为3种：空气制动、电阻制动及再生制动。空气制动以压缩空气为动力源，通过闸瓦与车轮踏面摩擦而产生制动力；电阻制动的原理是通过将牵引电机工作在发电状态，将车辆动能转化为电能，再用电阻作负载将电能消耗掉；再生制动也是利用能量转换原理将动能转换掉，只是将制动中产生的电能反馈到直流供电电网中去加以利用。3种制动方式中，空气制动由于需要通过机械摩擦，加大了车辆的维修工作量，同时压缩空气的释放将产生大量粉尘，造成环境污染；电阻制动产生大量热量，使地铁隧道内的温度升高，增加站内空调通风装置的负担；而再生制动不仅能够避免上述问题，而且还能够节约能耗，因此一般在城市轨道交通车辆中优先采用。

但是，再生制动能量如何有效吸收需要仔细考虑。轨道交通车辆再生制动时产生的电能是直接反馈到直流供电电网中去的，如果同一供电区间内有其他车辆在运行，则再生制动产生的电能可被其他车辆吸收利用；如果同一供电区间内没有其他车辆运行，则这些能量主要被车辆的吸收电阻以发热的方式消耗掉或者被线路上的吸收装置吸收。

由此可知，再生制动能量的有效利用，与列车在线路上运行的时间和位置有重要关系。而列车在线路上的时间和位置，是由调度系统列车运行图决定的。合理的编制列车运行图，尽可能地增加列车在同一供电区段出现的时间，同时对列车到发关系合理编排，将能够有效节约能耗。

2．3 车辆编组

列车质量包括列车自重和旅客载重二部分。其中列车自重占了很大部分。研究表明：即使在满载情况下，旅客质量在列车质量中也只占约30%，如果满载率下降到50%，旅客质量在列车总质量中的比例将下降到17．8%左右。也就是说，随着满载率的下降，牵引能耗将主要用于无效牵引。

城市轨道交通车辆可以采用不同数量的编组连接，在旅客数量一定的情况下，降低编组数量，将能够有效提升旅客在列车质量中的比例，从而提升满载率，降低单位客流量能耗比例。

城市轨道交通客流出行强度具有明显的不均衡性，一般具有双驼峰特征，也就是早晚高峰客流量较大，而其他时间客流则较小。如果根据客流情况，在不同的客流密度下，采用不同的行车编组方案，提升满载率，将能够有效降低系统能耗。

3 城轨调度系统节能策略

3．1 总体策略与基本思路

在城市轨道交通系统运营管理过程中，是以调度系统为核心开展各种工作的。也就是说，城市轨道交通中的其他系统，包括车辆、供电、信号、机电等设备，均需要服从调度系统的统一指挥。通过前面对几种城市轨道交通节能具体措施的分析，以及结合城市轨道交通调度指挥的基本原则，可以得出城市轨道交通系统节能的总体策略，就是以现有调度系统为基础，通过功能优化与调整，对列车、牵引、信号等各方面技术进行综合利用，达到节约能耗的目的。

调度系统的主要功能可以分为2个阶段：运行图的编制阶段和列车运行调整阶段。运行图编制，就是根据平日、周末、以及节假日不同时期旅客出行特征的不同，结合线路特征以及车辆设备性能，制定列车运行的基本计划，作为后期列车运行的一个基本蓝图。列车运行调整，则是以已经编制好的运行图为基础，在实际运行过程中，根据现场客流，列车运行情况等因素进行实时调整。调度系统具体节能的基本思路，则需要从运行图编制和列车运行调整这2个方面进行考虑。

3．2 基于运行图编制的节能策略

基于运行图编制的节能策略，可以从平峰与高峰、混合编组以及再生能利用3个方面进行考虑。

1．平峰与高峰运行图编制策略。针对城市轨道交通旅客出行不均匀的特点，将旅客出行的时间段分为平峰时间段和高峰时间段。在编制列车运行图时，根据客流特征，在高峰时间段，编制相对较密的列车运行图；而在平峰时间段，编制较疏松的列车运行图。这是列车运行图编制的一个基本策略。从节能角度考虑，在平峰时间段采用较为疏松的列车运行图，减少了列车投放量，从而也减少了能源消耗。

2．混合编组运行图编制策略。这是解决平峰与高峰客流不均匀问题的另一种策略。在这种策略下，无论高峰平峰，运行图基本以均匀方式排列。在高峰时，派班列车采用大编组，以应对大客流问题。在平峰时，则采用小编组。根据前文的分析，平峰时间段采用小编组，能够提高满载率，有效降低单位旅客能耗，从而达到节约能耗的目的。

3．再生能利用运行图编制策略。通过从运行图多车关系上综合考虑，对运行图进行调整，以达到对再生制动能源的有效利用。具体需要从2个方面进行：第1个方面是从牵引供电区段与列车分布考虑，通过对列车运行相对关系的调整，尽可能使列车在同一牵引区段运行；第2个方面是从列车制动时间关系考虑，通过对列车运行图进行调整，尽量避免在同一供电区段内的两列车同时制动，或者同时启动，而是将其制动与启动时间错开，从而保证反馈电能的有效吸收。

3．3 基于列车运行调整的节能策略

1．列车运行节能调整的基本策略。现有列车运行调整，其主要目标就是按图行车，也就是准时目标。而节能运行的主要目标，则是为了降低能耗。列车运行节能调整的目标，就是既要保证系统按图运行，又能够节约能耗，也就是将现有的单目标运行调整系统变成双目标运行调整系统。列车运行节能调整的基本策略就是，将系统运行调整模式分为准时模式和节能模式，在高峰时段以准时模式进行调整，在平峰时段以节能模式进行调整。

2．基于时间段的节能调整策略。在列车运行节能调整具体运用中，如何区分当前时分是处于高峰时段，还是平峰时段，是后续进行调整模式选择的关键因素。由于每日出现的旅客高峰与平峰时间段基本是有规律的，因此，一个有效而简单的方法就是通过时间配置来进行。如，可以进行如下定义：04：00－07：00平峰／07：00－09：00高峰／09：00－16：00平峰／16：00－19：00高峰／19：00－23：00平峰。调度系统将当前时间与系统配置的时间范围进行比较，可以确定当前是高峰时段、还是平峰时段，再采用对应的调整模式。

3．基于在线列车数量的节能调整策略。基于在线列车数量来判定高峰与平峰，进而选取不同模式进行调整，是列车运行节能调整的又一个有效办法。在线列车数量是指已经从车辆段出发，当前正在正线运营的列车数量。通过设置在线列车数量门限，当在线列车数量超过一定门限，那么认为系统进入高峰时段，此时采用准时模式进行列车调整。当在线列车少于门限，那么认为系统进入平峰时段，此时采用节能模式进行列车调整。在具体实现的时候，不同日期，高峰与平峰列车保有量有所区别。因此，需要针对不同的运行图，制定不同的车辆数量门限，以便更加准确地对高峰与平峰时段进行判断。

4 结束语

目前，从城市轨道交通调度角度开展节能研究，还处于起步阶段。本文从分析影响城市轨道交通系统节能的3个因素 （列车运行曲线，再生制动，以及车辆编组）入手，提出了城市轨道交通调度系统节能的总体策略，并从运行图编制节能和列车运行调整节能2个方面进行了具体策略研究，为城市轨道交通调度系统节能的进一步研究和技术实现奠定了基础。

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