南京地铁三号线列车牵引效能优化研究

李研

摘要：结合南京地铁三号线供电系统特征，建立单车能耗模型，针对地铁列车的实际情况制定出最佳的能耗测试方案，准确的获取列车的牵引能耗、再生制动能量，进一步优化单车能耗模型。

关键词：供电系统；列车系统；运行图编制；效能優化

1 研究背景

1.1城市轨道交通发展现状

随着社会经济的发展以及城市客运的需求，全国各大城市的城市轨道交通发展建设如火如荼，截止2018年12月31日，中国大陆包括北京、上海、广州等35座城市开通运营轨道交通线路，共189条线路，总里程高达5536公里，车站3719座。预计到2020年末，中国城市轨道交通运营线路长度超过8000公里。

1.2研究的方法

1.2.1 结合南京地铁三号线供电系统特征，建立单车能耗模型，针对地铁列车的实际情况制定出最佳的能耗测试方案，准确的获取列车的牵引能耗、再生制动能量，进一步优化单车能耗模型。

1.2.2针对“基于运行图优化实现牵引节能”进行理论研究，建立粒子群算法优化数学模型，分析同一供电段内两列车或三列车的回馈能量与重叠时间的关系，找出使得回馈能量最大的最优重叠时间，得出使得总回馈能量最大的最优时刻表，并制定测试方案进行实际测试与验证。

2 具体实施

2.1仿真模型验证

2018 年 3.24-3.26，项目组对南京地铁 3 号线进行了列车运行等级节能试验：

3.24 日晚 23：10，项目组进行了两个速度等级的下行空载测试。089090车安排在末班车后面以 ATO_2 模式（各区间运行时间较标准时间延长 5 秒）开行，23：15，091092 车安排在 089090 车后面以 ATO_3 模式（各区间运行时间较标准时间延长 10 秒）开行。

3.25 日晚 23：10，项目组进行了两个速度等级的上行空载测试。089090车安排在末班车后面以 ATO_2 模式（各区间运行时间较标准时间延长 5 秒）开行，23：15，091092 车安排在 089090 车后面以 ATO_3 模式（各区间运行时间较标准时间延长 10 秒）开行。

以大明路-明发广场为例，标准运行时间为2分钟，实测牵引能耗为 10.38kw·h，TSim 仿真牵引能耗为 10.26kw·h。误差在 1.2%左右。

2.2节能运行图编制。根据3 号线上下行速度等级设计结果，南京南调度室编制节能运行图。上行调整时间为+40 秒，预期节能率 8.69%；下行调整时间为+39 秒，预期节能率 8.12%。延长时间可在首末站折返线追回，不会对原有发车间隔和运力造成任何影响，同时，可满足地铁出行方式的时间要求，调整前后乘客不会有任何感知。

2.3列车群控优化方案。列车的站间运行过程由系统自动控制运行，而其所遵循的时刻表则可以由运营部门根据需要在安全合理的前提下利用列车自动监护子系统（ATS）的功能自主地进行编排与调整，这就为列车群控优化方案的实施提供了可行性。

以现行使用的时刻表为基础，通过对其进行调整以实现群控优化方案。该优化问题属于多输入（多个停站时间调整量、多个发车时刻调整量）问题，输入数据因子较多，而且使用于一个庞大而复杂的系统，仍采用遗传智能算法为工具对该复杂问题进行处理。

3 成果应用效果分析

3.1节能验证数据分析

3.1.1单车节能效果分析。对节能图使用前后单车能耗情况进行分析，选取列车平峰时段运行曲线进行对比。其中，原图和节能图均为始发列车。原图上行实际行驶时间为 3331S，下行实际行驶时间为 3301S，牵引能耗为 244.1kw·h，节能图上行实际行驶时间为 3364S，比原图延长 33S，牵引能耗为 229.8kw·h，节能验证选用的上行速度等级曲线实测节能率为6.81%。

3.1.2节能验证电耗统计。根据南京地铁能管系统提供的数据，对节能验证期间每日 6：00-20：00 的能耗数据进行了统计和分析计算，结果显示南京地铁 3 号线车公里能耗在 6.7kw·h/车·公里，低于全国平均水平，体现了南京地铁领先的运营管理水平。

4 成果创新点

4.1完成了南京地铁 3 号线能耗测试

4.1.1设计了南京地铁 3 号线在线列车能耗测试方案及变电站输出电量测试方案。

4.1.2对南京地铁 3 号线列车区间运行牵引能耗、回馈能量进行了系统、详细的测试、分析和计算，为南京地铁 3 号线等级节能研究奠定了基础。

4.2建立南京地铁 3 号线系统仿真模型

4.2.1对地铁的实际车辆和供电系统进行详细的电气和能耗数据分析，采用电气牵引瞬态仿真、供电仿真及地铁运营仿真相结合的建模方法，建立完整的地铁系统仿真理论模型。

4.2.2设计并建立了带有列车牵引功率、电压以及馈能综合限幅的车辆牵引系统模型。

4.2.3建立了车辆、线路、变电所、接地网、接触网、轨道、自动驾驶系统、自动调度系统等地铁系统组成要素的统一模型。

4.2.4通过地铁系统的实测数据与仿真系统的对比校验，仿真与实际综合误差在 5%以内。

4.3地铁速度等级优化设计与节能效果分析

4.3.1对列车区间运行时间、上下行运行时间、发车间隔、停站时间、折返时间、全天运营时间、在线运营车辆数量、高低平峰时段、列车追踪间隔以及维保时间进行系统分析，建立完整的列车运行等级分析模型，选定 8 条速度曲线；

4.3.2编制节能时刻表，进行至少为期一周的全天载客测试，形成节能测试分析报告。

4.4提出简单、方便、有效的轨道交通牵引节能方案

4.4.1建立瞬态电气仿真模型和实测数据相结合的地铁全线路多车运行系统的精确仿真模型，以及模型修正和简化方法。

4.4.2提出基于运行图调整的等级节能优化方案，研究快速寻优方法和实时多机并行计算自动优化调度支持技术。

5 改进建议

5.1针对于列车延误或调整对线路其他车辆的影响，需要进一步研究具有一定自适应功能的运行图快速优化方法，提高系统鲁棒性。

5.2针对既有线路，需要研究对现行运行时间调整最小速度等级的节能效果。在保证列车运行安全的前提下，优化时间调整幅度，进一步提高列车再生制动能量吸收效率。

5.3研究等级节能优化方法与运营优化、ATC 优化、节能坡、有源回馈、超级电容吸收等其他节能方法的融合，因此，需要在已有基础上，进一步加入多目标协调优化算法。

5.4未来，南京市域轨道交通将达到 22 条线路，因此需要研究网络化运营条件下，等级节能时刻表网络化优化运行的方法。

参考文献：

[1] 袁敏捷. 地铁运营优化方案研究. 上海电机学院学报，2009（9）.

[2]李亚. 城市轨道交通线路运营计划优化方法研究.城市地理，2018

[3] 薛艳冰. 列车牵引能耗计算.中国铁道科学， 2007（3）.

（作者单位：南京地铁运营有限责任公司资产部工程师）