北京市轨道交通列车运行节能控制方案研究与应用

李 晶，荀 径，尹晓宏，杨艳锋，毛 芳

（1.北京城建设计发展集团股份有限公司 第十设计所，北京 100045；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044；3.北京全路通通信信号研究设计院集团 北京铁路信号有限公司，北京 102613)

城市轨道交通列车在运行过程中，由于站间距较短，列车启动、制动频繁[1]，使得耗电量也在不断增大。2020年全国城市轨道交通平均单位车公里运营成本24.6元，同比增长1.2元，其中人工成本占比约52.3%，电费占比约10.2%。节约能源是我国社会和经济发展的一项长远战略方针，城市轨道交通的能耗问题引起社会各方密切关注。2021年10月中国土木工程学会发布《城市轨道交通技术发展纲要建议(2021—2015)》，多次提到基础设施绿色化的要求，如“从列车控制层面对列车自动驾驶子系统(ATO)、列车自动监控子系统(ATS)进行节能优化控制，达到节能减排目的”。因此，绿色、节能是当前城市轨道交通建设和运营管理中极为紧迫的任务，是降低运营成本、提高运营效率，保证城市轨道交通可持续发展的重要环节。

1 北京轨道交通运营能耗现状

1.1 轨道交通能耗现状分析

依托行业现状及北京市轨道交通各条线路的实际情况，对2020年北京轨道交通线路的实际能耗情况进行了统计分析。北京地铁线网人公里耗能指标统计如图1所示。

图1 北京地铁线网人公里耗能指标统计图Fig.1 Statistics of energy consumption index per person kilometer of Beijing subway line network

从图1可以看出，客流量越小、拥挤度越低的线路，人公里能耗越高。如北京地铁13号线，由于长期客流压力巨大，曾多次压缩运营间隔来满足运能，而其人公里能耗则为最低；反观7号线，因为线路较短、站点设置等客观因素，客流一直处于低位，其人公里能耗达到了0.08 kW·h/人公里，成为线网中能耗指标最高的线路。因此，更需要详细研究各线在不同客流时段(高、平峰)的能耗规律和运行等级调用的时机，采用节能运行图，避免能源的浪费。

1.2 客流分布现状分析

北京地铁客流早高峰为7 : 00—9 : 30，晚高峰为17 : 00—19 : 30，其他时段为平峰，周末和特殊节假日除了旅游景点周边车站人流较为密集外，其他时段和地点一般客流量不大。北京地铁日运营时段分布如图2所示。

图2 北京地铁日运营时段分布Fig.2 Distribution of daily operation intervals of Beijing subway

高峰时段客流压力较大，应该优先保证运力，并结合当前北京双超运行图，优化折返能力，多拉快跑，提升运营服务质量。平峰及周末时段，客流密度较小，可合理调配运能，重点优化牵引能耗，降低运营成本。

1.3 ATO驾驶和人工驾驶的能耗对比分析

北京地铁列车驾驶模式可根据不同运营时段进行调整。以北京地铁8号线为例，全天大部分时间采用ATO驾驶模式，20 : 30之后，陆续转入司机人工驾驶模式。北京地铁8号线ATO驾驶和人工驾驶能耗对比如表1所示。在区间运行时司机通常采用“定速巡航”的方式人工驾驶列车运行，而ATO驾驶则严格按照时刻表控制列车运行[2]。

表1 北京8号线ATO驾驶和人工驾驶能耗对比 kW · hTab.1 Comparison of energy consumption between ATO driving and manual driving of Beijing Subway Line 8

从表1可以看出，ATO驾驶相较于人工驾驶，全程平均牵引能耗高约12.2%，全程平均再生能耗高约22%，全程列车总能耗高约10%。在同等运营等级下，人工驾驶通过减少不要的牵引与制动级位施加，尤其是充分利用线路阻力，利用惰行控制列车降速，减少制动的施加，可以有效地降低列车能耗。

1.4 列车运行控制节能改造意义

地铁用电能耗主要包括列车运行能耗和运营系统设备能耗2大部分，其中，运营系统设备能耗取决于列车运行能力需求、运营管理模式、设备配置以及自身技术水平等诸多因素，属于相对固定能耗；而列车运行能耗与客流分布、客运需求、行车组织模式以及与其配套的列车运行控制策略等密切相关，属于相对动态能耗[3]。列车运行能耗分为牵引能耗和列车辅助设施能耗。据统计，2020年度，北京市轨道交通总运行能耗超过20亿kW·h，其中牵引能耗就达到近12亿kW·h。北京地铁能耗占比情况如图3所示。

图3 北京地铁能耗占比示意图Fig.3 Energy consumption proportion of Beijing subway

以北京地铁8号线为例进行估算，全线日能耗大约为18.3万kW·h。假定按照牵引能耗占总能耗的60%、日均牵引能耗降低5%计算，则每月可节省电费约10余万元，节能的经济价值相当可观。

因此，城市轨道交通节能研究的热点是在保证列车按运行图运行的前提下，降低列车的牵引能耗[4]。一个重要途径就是通过ATO和ATS利用节能优化算法获得列车驾驶策略后引导列车运行[5]；在满足列车运行安全准时、平稳舒适、停车精确等基础上，通过优化列车控制与计划有效降低能耗[6]。

2 列车运行节能控制方案

列车运行节能控制的整体思路可以从城市轨道交通列车节能控制应从单列车节能运行和多列车再生节能利用2个方面着手[7]，分单车ATO节能、多车ATS与ATO联动节能、ATS-ATO自适应节能3种方案推进实施。

2.1 单车ATO节能方案

单车ATO节能即对列车采取合理的运行速度控制策略，通过减少牵引制动转换的次数，尽可能地增加惰行时间。

2.1.1 智能坡道控制策略

列车运行中合理利用区间坡道，进行势能与动能的相互转换，避免频繁牵引、制动带来的能量损失，可以达到节能的目的。对于节能坡和长区间的坡道，ATO应对坡道速度进行提前的预测和判断，可以制定以下策略：上坡过程，在区间限速条件下，尽量增大入坡速度，靠惰行运行到坡道终点；下坡过程，在保证列车出坡速度不越过线路限速的前提下，尽量避免制动；对于区间短坡，在评估节能策略对节能效果贡献较小的情况下，可以按照平坡处理。这些做法的思路都是尽量避免偏离目标控制曲线，引起不必要的再次牵引，从而降低列车顶棚运行速度，提高区间惰行比例。区间下坡道、上坡道加速度控制示意图如图4所示。

图4 区间下坡道、上坡道加速度控制示意图Fig.4 Acceleration control in down ramp and up ramp sections

2.1.2 智能过弯控制策略

列车通过弯道时如果速度不合理，则车轮的内侧咬合轨道程度加深致使摩擦力增大，造成大量的能量损失。因此，在列车运行至弯道时，应尽量控制列车速度与弯道设计轨道超高限速相近，尽量减少摩擦力造成的能量损耗，更好地达到节能目的。从而要求ATO提前计算精确的入弯位置并确定合理的过弯速度，尽可能控制列车速度与其相匹配。

2.1.3 智能进出站控制策略

列车进站时，ATO系统应避免因停车不对位引起的再次启动和停车；并在保证乘客舒适度和停车精度的前提下，以不高于0.8 m/s²的减速度控制列车进站停车。列车出站时，ATO系统也应在保证乘客舒适度的前提下，以不低于0.6 m/s²的加速度控制列车加速至列车运行等级规定的允许速度；在列车出站加速过程中，当列车速度接近站台或区间允许速度时，应及时减小请求的牵引力。

2.1.4 区间控制策略

列车在限速较低区间运行时，ATO系统宜以该区段线路允许的最高运行速度运行，提升线路瓶颈区段的通过效率。再次牵引的实际速度宜不低于列车运行等级规定的允许速度的85%，同时尽量增加ATO控制列车在区间惰行，提高区间惰行比例，建议针对不同的区间线路条件采取不同的列车间隔调整方法[8]。

2.2 多车ATS与ATO联动节能方案

2.2.1 调取运行等级

列车运行等级设置宜不少于4个等级，等级间允许速度的差值宜为列车最高运行速度的10%，等级4的允许速度宜与列车最高运行速度一致。列车运行等级允许速度设置如表2所示。

表2 列车运行等级允许速度设置 km/hTab.2 Allowable speed setting of train operation level

城市轨道交通列车通信与运行控制国家工程实验室于2018年12月发布的《城市轨道交通列车运行节能控制导则》(白皮书编号：NELURCCWP-2018004)中提出，①高峰时段宜以等级4控制列车运行，平峰时段宜以等级3控制列车运行。②当行车调度人员人工关闭列车运行等级调用功能时，ATO系统应按照等级3控制列车运行，直到人工恢复自动调整功能。实际上，基于节能运行图制定的节能策略，除了以上2点以外，还可以通过计算列车早晚点情况调取运行等级，以此来实现列车运行节能控制的目的。

2.2.2 节能运行图编制

节能运行图是围绕客运组织需求，在满足运输效率和客运服务水平的条件下，合理设置运行交路、配置运用车组，降低牵引能耗。分别设置高峰、平峰时段的站停时间和区间运行时间，由ATS自动识别，对于高峰时段，自动向列车下达最高运行等级，ATO在保证运行效率的基础上，实现节能的相关功能；对于平峰时段，根据区间运行时间向ATO下达相应的运行等级，ATO启动相应的节能策略，实现平峰时段最大限度的节能。一般情况下，平峰时段宜以等级3的区间运行时间为基础，为实际运行预留调整空间。

另外节能运行图还应该标识列车运行能耗计算数值和行车组织说明等，并且按照高峰、平峰时段所对应的站停时间、区间运行时间绘制计划运行图。同时，考虑到突发事件、大客流等因素，在编制计划时刻表时，一般会在停站时间和区间运行时分上预留一定的余量[9]。

适时调取运行等级和编制节能运行图的措施，可以在不调整时刻表的前提下，通过编制节能运行图和占用图定站间运营时间裕量、自动匹配列车运行等级等方式，使ATO和ATS结合起来，根据实际线路运营情况调用不同的列车运行等级，使得列车实际运行速度减小，降低无用能耗的消耗。

2.3 ATS-ATO自适应节能方案

通过与运营调度部门的紧密配合，对时刻表进行调整，利用自适应算法使得ATS与ATO协同工作。优化列车运行时刻表，实际上就是调节某列车在某站的停站时间，使列车避免同时启动、同时制动情况的发生[10]。

ATS发送下一站的到站时间给车载信号设备，车载设备根据此信息，自动计算本区间的区间运行时间，然后根据站停时间、早晚点信息、高峰/平峰状态等运行等级调用判据，实时地自动调用最优控制曲线，实现多车自适应协同节能控制。ATSATO自适应节能算法流程如图5所示。

图5 ATS-ATO自适应节能算法流程Fig.5 Flowsheet of energy conservation algorithm featuring self-adaptive ATS-ATO

ATS-ATO自适应联动节能相较于ATS-ATO联动节能更加智能，主要体现在自适应算法可以根据实际条件对时刻表进行调整，真正做到精细化控车。但是值得注意的是，对于客流量较大的线网或线路而言，时刻表的动态调整可能会存在运行紊乱等风险。因此建议在高峰时段不调用自适应节能运行方案，仅在平峰时段经调度员确认后调用；同时，在遇到突发情况下，可人工关闭节能曲线调用功能。

3 列车运行节能控制方案应用及效果

截止2021年7月，北京地铁已经制定了9条线路的节能改造规划，其中部分线路已经开始改造或试验。北京地铁各线列控改造节能效果及效益如表3所示。

表3中，昌平线和5号线已经完成单车ATO节能改造。5号线由于目前正在实施信号升级改造，因此可以考虑一并完成ATS与ATO联动节能改造，类似的线路还有10号线。房山线已经完成了ATS与ATO联动节能立项，正在开展相关实施工作。亦庄线已经完成单车ATO节能试验和调试，但是尚未进行工程实施。其余线路均在待实施和未实施阶段，可作为后续重点实施项目有序推进。

表3 北京地铁各线列控改造节能效果及效益Tab.3 Energy conservation effect and benefit of train control transformation of Beijing subway lines

可以看出，各线在采取列车运行节能控制措施的经济效益比较可观。以能耗较高的7号线为例，单车ATO节能效果可达到7% (已启动单车试验)，每月直接节省电费23.7万元；ATS与ATO联动节能在此基础上预估还可节能3%左右，每月直接节省电费29.7万元；完成ATS-ATO自适应节能改造后，预计节能效果将超过12%，每月节约电费将达到32.6万元。

4 结束语

研究城市轨道交通列车运行节能方法，对打造绿色节能列控创新生态圈和保证城市轨道交通系统的可持续发展具有深远意义。结合运营实测数据和经验，对列车运行控制系统的节能控制策略进行深入分析研究，提出了单车ATO节能、ATS与ATO联动节能和ATS-ATO自适应节能3种列车运行节能控制方案。已经实施的试验数据表明，利用在站间增加列车惰行距离减少不必要的牵引制动切换，提升坡道、弯道智能预判，科学设计ATS与ATO系统配合关系等策略，可以有效降低牵引能耗、提升节能效果。