厦门地铁 1 号线优化运行图牵引节能效果分析

魏荣华

（厦门轨道交通集团有限公司，福建厦门 361004）

0 引言

随着国民经济及社会的发展、城市结构的调整以及人们对于出行要求的提高，国内各大城市都加快了轨道交通的建设速度。地铁相对于其他城市公共交通出行方式，在环保方面具有污染小、节省能源和节约用地资源等特点。不过由于地铁运量大，地铁系统能源消耗总量依然巨大，而牵引能耗约占总能耗的 40%～48%[1]，节能潜力巨大。因此，在当前我国开创建设新局面的背景下，分析如何通过优化列车运行图减少牵引能耗，并对牵引节能效果进行分析，对节约能源、降低运营成本具有重要意义。

1 牵引节能方案分析

1.1 影响牵引能耗的因素

牵引能耗是指地铁列车运行过程中消耗的电能[2]，主要受基础设施和运输组织模式影响，基础设施主要包括线路、列车和供电系统等[3]。由于厦门地铁 1 号线已经建设完成，这部分的能耗因素基本确定，因此，从运输组织模式方面寻找合适的节能措施的可行性更高。

运输组织模式主要包括列车技术速度、停站方案和运行方案等[4]。这部分的能耗是可控的，可通过优化列车运行图找出较优的运输组织模式，最终达到降低车辆牵引能耗的目的。

牵引能耗主要包括牵引系统驱动列车运行的能耗、空调照明等车载辅助设备运行的能耗（辅助能耗）及再生制动反馈回接触网的能耗（再生制动能耗）[5]。辅助能耗主要受气温、车载设备、线路属性的影响，与运输组织模式关系不明显；再生制动能耗不仅与运输组织模式有关，更多的是由列车属性、列车运行过程、牵引供电电压、能量吸收装置决定[6]。因此，本文分析牵引节能效果时不考虑辅助能耗及再生制动能耗。

1.2 牵引节能方案的确定

运输组织模式的选择对车辆牵引能耗有较大影响，较优的运输组织模式需要在保证运营要求和服务质量的前提下，实现车辆牵引能耗的合理配置。牵引能耗与列车技术速度密切相关，提高列车技术速度可提高列车旅行速度，提升线路运输能力，但牵引能耗也将相应增加[7]。在保证运营服务质量的前提下，需要平衡列车技术速度与牵引能耗之间的关系。因此，可以通过优化列车运行图的方式，在高峰期采用设计技术速度确保大客流运送，在平峰、低峰期则适当降低技术速度运行以实现节能。

2 牵引节能效果分析

2.1 列车运行等级

在厦门地铁 1 号线的卡斯柯信号系统中，列车可以按照 5 种运行等级行车（等级 1～等级 5），等级数值越小表示列车在区间运行的技术速度越大。在列车运行图编制过程中，卡斯柯离线编图工作站默认采用运行等级 3 进行编图。

2.2 牵引能耗测试

为确定不同技术速度的牵引能耗并对牵引节能效果进行分析，厦门地铁 1 号线于 2018 年 3 月期间组织对列车在运行等级 3～等级 5 速度模式下的牵引能耗进行测定，测定结果见表 1、表 2。根据 2018 年 3 月期间厦门地铁 1 号线采用的中间站停站时间方案，运行等级 3 对应技术速度为 44.82 km/h，旅行速度为 34.73 km/h；运行等级 4对应技术速度为 42.87 km/h，旅行速度为 33.55 km/h；运行等级 5 对应技术速度为 41.12 km/h，旅行速度为32.46 km/h。

从表 1 中的数据可知，厦门地铁 1号线列车在默认等级 3 速度模式下运行1 个周期（约114 min 45 s）的牵引能耗约为 633 kW · h，每车公里牵引能耗约为 1.76 kW · h；列车在等级 4 速度模式下运行 1 个周期（约 120 min 10 s）的牵引能耗约为 528 kW · h，每车公里牵引能耗约为 1.47 kW · h；列车在等级 5 速度模式下运行 1 个周期（约 124 min 35 s）的牵引能耗约为 475 kW · h，每车公里牵引能耗约为 1.32 kW · h。可见，列车在区间运行的技术速度越大，则相对应的车辆牵引能耗就越大。

从表 2 中的数据可知，相比于列车在默认等级 3 速度模式下运行，列车在等级 4 速度模式下运行时，单程运行时间增加 109 s，能耗降低 16.48%；列车在等级 5 速度模式下运行时，单程运行时间增加 215 s，能耗降低 25%。可见，单程运行时间增加很少，节能效果显著。

2.3 实际应用的牵引节能效果

在满足线路情况、运营要求的前提下，客流平峰期和低峰期降低列车运行等级，可减少牵引能耗。厦门地铁 1 号线通过平峰期采用运行等级 4 速度模式、低峰期采用运行等级 5 速度模式编制列车运行图，相比于全天采用默认运行等级 3 模式，以 2018 年 3 月厦门地铁 1 号线采用的优化后的运行图为基础进行如下计算。

（1）优化后的工作日运行图运行等级 4 运营里程约 2 963 列公里，按照每列公里节省能耗约 1.75 kW · h 计算；运行等级 5 运营里程 883 列公里，按照每列公里节省能耗约 2.63 kW · h 计算，工作日每天可大约节省 7 508度电。

（2）优化后的节假日运行图运行等级 4 运营里程约 1 046 列公里，按照每列公里节省能耗约 1.75 kW · h 计算，节假日每天可大约节省 1 831 度电。

以 1 年分别有工作日 250 天、节假日 115 天为例，按照厦门地铁 1 号线 2018 年 3 月执行的 0.68 元/度的电费计算，具体节能成效见表 3。

从表 3 中的数据可知，工作日每天可节省电费 5 105元，节假日每天可节省电费 1 245 元，预计全年可节约电费约 142 万元。

表1 列车在等级 3～等级 5 速度模式下运行的牵引能耗统计

表2 列车在等级 3～等级 5 速度模式下运行的牵引能耗对比

表3 牵引节能成效情况统计

2.4 乘客服务影响

厦门地铁 1 号线目前通过优化运行图在平峰期、低峰期适当降低列车技术速度，取得了较好的牵引节能效果，不过也对乘客服务产生了一定的影响，导致乘客出行的时间有所延长。另外，可能会影响到全线的上线列车数或行车间隔，具体影响如下。

（1）相比于列车在等级 3 速度模式下运行，列车在等级 4、等级 5 速度模式下运行时技术速度分别降低1.95 km/h、3.70 km/h，旅行速度分别降低 1.18 km/h、2.27 km/h，单程运行时间分别延长 109 s、215 s。由于各参数变化数值较小，乘客很难感知，因此，适当降低列车运行速度对乘客出行体验影响很小。

（2）厦门地铁 1 号线在平峰、低峰期列车数量配置充裕，对行车间隔要求相对较低，平峰、低峰期的正常运营不会因为适当降速导致增加上线列车数或扩大行车间隔而受影响，但是对于地铁运营初期的列车检修计划安排有一定影响。

3 结论

本文分析了如何通过优化列车运行图减少车辆牵引能耗，并对厦门地铁 1 号线的实际牵引节能效果进行了定量分析。厦门地铁 1 号线目前通过安排列车在平峰期采用等级 4 速度模式运行、低峰期采用等级 5 速度模式运行的方式编制列车运行图，相比于全天采用默认运行等级 3 速度模式运行的列车运行图，在基本不影响生产运作、乘客体验的前提下达到了较好的节能效果，降低了运营能耗成本，对其他城市地铁通过优化列车运行图降低车辆牵引能耗的相关工作具有一定的借鉴意义。