地铁列车牵引能耗测试用控车装置的设计

孙泽勇，周 媛，殷 源

（1.湖南中车时代通信信号有限公司，湖南 长沙 410005；2.上海申通地铁集团有限公司，上海 201103）

0 引言

随着国内城镇化建设的快速发展，地铁已成为政府解决当今大型城市拥堵问题的首选交通工具。然而，随着地铁运营线路和里程的增加，地铁公司运营成本急剧上升。相关统计数据显示，电费约占据地铁公司运营成本的50%［1］，而为列车提供动力的牵引系统用电量更是约占据地铁电力消耗量的50%［2］。列车牵引电力消耗总量过大是目前地铁运营公司面临的一大问题。

在当前国家倡导“碳达峰、碳中和”的大背景下，国内众多学者和单位针对地铁列车牵引能耗过高问题开展了相关研究工作，但多为原因分析和改进措施研究；试验以运营模式下的牵引能耗测试居多，缺乏对不同车型牵引能耗的横向对比分析，无法对不同车型的牵引能耗进行量化比较。为实现在相同工况下对不同厂家生产的地铁列车的运行控制，保证列车牵引能耗测试的可信度，通过对比分析，找出在牵引能耗方面相对节能的列车，促使地铁列车生产厂家采取措施，降低地铁列车的牵引能耗水平。本文根据地铁列车牵引能耗测试控车需求，设计了一种对不同厂家不同车型的地铁列车进行牵引能耗测试的控车装置。

1 地铁列车牵引能耗测试方法

针对地铁列车牵引节能问题，目前国内外专家学者进行了相关研究，研究的方法和方向各不相同。国外，一种基于物理方法的能耗计算模型被提出，其从优化列车控制、强化能耗管理等角度对地铁列车能耗进行研究；另有学者指出分析地铁列车能耗时需要综合考虑各个子系统之间的关系，找出影响整体能耗评价的关键因素，总体上都是对车轨整体系统能耗进行研究评估。

国内，铁科院的张德明副研究员从列车行车组织方面入手，对如何充分利用调度系统作为运营指挥核心以整体上降低系统运营能耗进行研究，指出影响城轨调度系统节能的关键因素包括列车运行曲线、再生制动能力和车辆编组形式，得出通过调整列车运行图编制策略可实现列车节能的结论［3］。北京交通大学张燕燕对北京和广州两地的地铁列车能耗进行研究。其利用逐步回归分析和回归预测法，把影响列车牵引能耗的编组数量、线路条件和载客量等因素作为自变量，按照影响程度的大小引入回归方程，建立了列车牵引能耗预测数学模型［4］。

综上可知，影响地铁列车牵引能耗的因素主要包括以下3个方面：

（1）列车属性，包括驱动方式、牵引电机性能、列车自重、车辆编组形式和列车风阻系数等；

（2）线路属性，包括道面摩擦系数、线路坡度、转弯半径和站间距离等［5］；

（3）列车行车组织，包括列车技术速度和追踪间隔、列车操纵方式等［6］。

这些因素中，列车牵引电机性能是影响列车牵引能耗的关键所在，电机效率在很大程度上决定了列车最终的牵引能耗［7］。为找出不同厂家地铁列车牵引能耗水平差异，需在相同列车编组形式（如4M+2T）、相同线路条件和相同列车操纵方式下对不同厂家地铁列车进行牵引能耗测试［8］。

利用所设计的牵引能耗测试控车装置进行列车牵引能耗测试。试验线路为一条长度为1.6 km的干燥、清洁且平直的轨道。试验时，所有列车采用DC 1 500 V供电制式并处于空载（AW0）工况；车载列车自动控制（automatic train control，ATC）系统均处于关闭状态，牵引能耗测试控车装置控制列车按a-v曲线要求在试验线上运行，且只记录并比较列车从起动加速开始至目标速度为止的牵引能耗数据。

图1示出试验列车a-v曲线，其中a0为初始加速度。图中所选定的试验a-v曲线在所有测试车型的a-v曲线包络范围内，以保证所有测试车型列车都有能力按照规划的a-v曲线运行，从而实现运行曲线的一致性。

图1 试验列车a-v曲线Fig.1 a-v curves of test train

2 地铁列车牵引能耗测试控车装置设计

根据上述地铁列车牵引能耗测试方法，由牵引能耗测试控车装置控制不同厂家列车在相同的线路上以相同的规划曲线运行一段距离，读取并记录列车网络上的牵引能耗数据［9］，对所记录的列车牵引能耗数据进行分析处理。根据需求，设计牵引能耗测试控车装置系统结构，如图2所示。

图2 地铁列车牵引能耗测试控车装置组成Fig.2 Composition of the train control device for metro train traction energy consumption test

根据系统设计方案，牵引能耗测试控车装置关键模块包括测速测距、列车接口、人机交互、主控、数据记录与分析等模块。

2.1 测速测距模块

在试验过程中，牵引能耗测试控车装置需采集列车运行速度和位移信息，以控制列车按规划的a-v曲线在试验线上运行。为便于施工且不影响试验列车既有ATC测速传感器的使用，牵引能耗测试控车装置采用高精度雷达传感器（表1）进行测速和测距［10］，同时预留外接光电速度传感器测速测距接口。其中，雷达速度传感器采集列车运行速度信息，计算列车位移参数，并将速度和位移信息通过RS485总线按40 ms周期发送给牵引能耗测试控车装置主机上的MIC_B主控插件。图3示出雷达测速测距方案。

表1 雷达传感器性能参数Tab.1 Performance parameters of radar sensor

图3 雷达测速测距方案Fig.3 Radar velocity and ranging scheme

2.2 列车接口模块

为保证不同厂家的列车按相同的a-v规划曲线运行，用牵引能耗测试控车装置模拟司控器级位信号来驾驶列车以保证不同厂家列车运行过程的一致性。牵引能耗测试控车装置提供模拟司机驾驶的列车接口模块（图4），该模块包括列车接口插件（TIB）和司控器切换盒两部分。

图4 列车接口模块设计方案Fig.4 Design scheme of train interface module

TIB插件提供两路0～15 V牵引/制动级位电压模拟通道和两路DC 110 V牵引/制动命令状态采集通道，同时预留两路0～20 mA牵引/制动级位电流模拟通道。其中，牵引/制动级位电压输出通道用于模拟列车司控器输出至列车网络模块（AXM）的电位器级位电压，牵引/制动命令状态采集通道用于采集司控器手柄所处位置（牵引区或制动区）信息，以判断当前列车是牵引状态还是处于制动状态，从而控制列车的加速和制动。

司控器切换盒包括声光报警器和列车控制权切换开关手柄。当控制权切换开关处于“ATO”位时，由牵引能耗测试控车装置控制驾驶列车自动运行；当切换开关处于“人工”位时，由司机驾驶列车运行。由牵引能耗测试控车装置驾驶时，一旦列车运行速度达到规划目标速度，声光报警器便发出声光报警，提醒司机将司控器手柄扳至制动位，从而实现列车制动。

2.3 人机交互模块

牵引能耗测试控车装置通过按键和10.4 inch（1 inch=2.54 cm）触摸显示屏与操作人员进行交互。操作人员通过显示屏边上的按键或触摸屏输入相关试验参数，如试验列车车型、车重及轮径等，并选择试验参数曲线。试验过程中显示屏会显示试验规划v-t曲线、a-v曲线以及列车当前运行速度、位移、牵引电压/电流、牵引能耗等数据信息。人机交互模块通过CAN总线与牵引能耗测试控车装置MIC_B主控模块进行通信，实现数据交互。

2.4 主控模块

牵引能耗测试控车装置通过运行在MIC_B主控插件POWER PC e300 MCU上的控制程序控制列车运行。在MIC_B主控插件上运行Vx_works实时操作系统，控制程序运行周期为160 ms。控制程序根据图1所示试验列车a-v曲线自动生成规划v-t曲线，采用PID控制算法精确控制列车运行速度，从而保证列车按生成的规划v-t曲线运行，达到列车运行速度与规划速度之间的误差小于2 km/h的要求。牵引能耗测试控制装置主控模块设计原理如图5所示。

图5 主控模块原理图Fig.5 Principle diagram of main control module

2.4.1 主控程序控制策略

主控程序采用复合控制策略，对引入的主要干扰进行前馈控制，并使用PID反馈控制加以修正［11］，达到速度误差小于2 km/h的目标。通过雷达获取列车的实际位置和速度信息，比较规划曲线速度值与列车实际运行速度值后，向列车输出经计算得到的控制指令值；列车接收指令后做出相应控制动作，使列车以贴近目标速度曲线的实际速度行驶。主控程序控制过程如图6所示。

图6 主控程序PID控制过程Fig.6 PID control process of the main control program

2.4.2 主控程序规划曲线计算过程

根据HMI输入的a-v曲线参数，主控程序自动生成目标规划v-t曲线。图1中，a-v曲线分为匀加速和变加速2个阶段。针对图1中的a-v曲线对应的v-t规划曲线，推导计算过程，具体如下：

（1）匀加速阶段

根据所求k值，结合式（1）和式（4），得出图1中各条a-v曲线对应的v-t曲线计算公式：

根据式（6）～式（8）并利用Matlab工具绘制的速度随时间变化曲线如图7所示。主控程序根据试验操作人员所选择的试验曲线，按照式（7）～式（8）以160ms为周期自动生成规划目标v-t曲线进行控车。

图7 规划v-t曲线图Fig.7 Planned v-t curve

2.5 数据采集与分析模块

牵引能耗测试控车装置通过多功能车辆总线（multifunction vehicle bus，MVB）读取列车牵引能耗数据。试验时，接入列车MVB总线，按照协议读取指定地址数据，如列车时间、牵引能耗和辅助能耗等。主控插件通过以太网将列车当前运行速度、加速度、位移、牵引能耗和辅助能耗等数据发送给车载便携式计算机；用户通过车载监测软件实时显示相关数据，并生成Excel格式记录文件以用于地面分析。图8示出数据采集、记录与分析设计方案。

图8 数据采集、记录与分析设计方案Fig.8 Design scheme of data acquisition,recording and analysis

3 装置实际运用效果

所研制的牵引能耗测试控车装置被用于某城市平直道试验线上对14、15和18号线列车（分别由3个厂家生产）的牵引能耗进行测试。试验过程中，3个厂家的列车由该装置按图1自动生成的v-t规划曲线（0.8 m/s2-70 km/h曲线所对应的）进行控车运行，效果分别如图9、图10和图11所示。可以看出，该控车装置实现了按规划曲线控制不同厂家列车正常运行的目标。由于各厂家列车牵引系统性能和网络控制策略方面存在细微差异，3个厂家的列车实际运行v-t曲线与规划v-t曲线之间的贴合度存在一定的差异，但运行速度和目标速度之间的差值总体在2 km/h允许范围内，符合速度控制误差小于2 km/h的设计要求，达到了预期控车效果。

图9 18号线列车按规划的v-t曲线控车运行效果Fig.9 Vehicle control operation effect on 18thline train according to the planned v-t curve

图10 15号线列车按规划的v-t曲线控车运行效果Fig.10 Vehicle control operation effect on 15thline train according to the planned v-t curve

图11 14号线列车按规划的v-t曲线控车运行效果Fig.11 Vehicle control operation effect on 14thline train according to the planned v-t curve

4 结语

随着我国“碳达峰、碳中和”行动计划的逐步落实，各城市地铁公司已开始重视运营过程中的节能问题。在线路相同的条件下，应用本文所设计的控车装置可保证不同厂家生产的列车按相同的规划曲线运行，避免了人工驾驶造成的运行速度曲线不一致问题的出现，最大限度地保证了在相同条件下对不同厂家的地铁列车牵引能耗情况开展评估测试。经过在3条试验线上的试验，结果表明，本牵引能耗测试控车装置控车效果良好，达到了车速控制误差小于2 km/h的预期目标，具有一定的市场经济价值，可作为国内地铁列车牵引能耗测试控车的标准设备进行推广。