轨道交通灵活编组运营模式能耗仿真方法研究

张清华，韩坤，杨鹏，王子赢

中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266000

相较于传统市域车固定编组的运营模式，灵活编组市域车能够根据客流的需要调整动车组的编组模式。客流量小的情况，合理配置小编组动车组可有效降低车重，从而降低列车能耗；在区域客流分布不均衡的情况下，将列车进行合理联编和解编，可优化列车的发车间隔，解决区域性运力不平衡问题。

随着世界高速铁路和轨道交通装备技术的发展与进步，动车组在铁路旅客运输中发挥着越来越重要的作用。国外正努力发展具有灵活编组特点的动车组，如德国ICE动车组能实现7～14辆编组，是西门子正在为德国铁路股份公司研制的比较有代表性的新型城际动车组[1]；法国TVG动车组可实现10～20辆编组；日本采用多种型号重联方式，均可实现列车的灵活编组运营[2-4]。

国内有关单位也对可灵活编组动车组进行了研究和设计。从21世纪初到2015年，李宇东等[5]研究发现非高峰运营时段的列车运行存在能力虚糜现象，论证开行编挂辆数少的“短列”的可行性和经济效益，而仍然属于固定编组的范畴；2017年康洪军等[6]研究指出，可变编组动车组在运能充裕的城际线路和长大干线的适用性更强；2017～2019年，肖翔等[7-8]利用多元回归的方法初步建立起灵活编组动车组经济效益评价模型；从2019年至今，闫振英等[9]建立概率非线性规划模型，主要研究灵活编组动车组客座分配问题，得出在客流需求强度较小时灵活编组动车组更具有经济优势的结论；2021年，范海宁等[10]以深圳地铁9号线为例，介绍了具体的灵活编组方案、功能需求及其实施，分析了平峰期采用3节编组列车运营的经济效益。 2021年，霍亮等[11]对比分析不同速度等级条件下8辆兼顾4辆编组列车车型的主要技术参数，研究该型编组列车在输送能力、追踪间隔、加速性能以及定员设置等方面特性，以长株潭城际线路为例验证其公交化开行的技术优势。

目前对灵活编组动车组的研究多是从客流高低峰的时间角度揭示灵活编组动车组的经济优势，粗略估算可能达到的节能效果。此类研究多以定性分析为主，缺乏针对特定线路、特定车型有效可行的灵活编组能耗仿真方法，因此需要探索新的针对列车编组模式的仿真方案及评价指标，更加准确地量化分析灵活编组运营方案的优势。

1 灵活编组能耗仿真方法设计

1.1 线路概况

选取北方某市（简称X市）待规划市域铁路（统称R1线）搭建灵活编组市域车模型，进行仿真。其线路、牵引变电站设置如图1所示。

图1 X市R1线路规划线路图

根据X市实际规划情况，R1线主要包括4个支线段和1个干线段，构成“H”型线路图。支线段分别为AE、BE、CF、DF支线段；干线段为EF干线段。其中AE支线线路规划长度约为27 km；BE支线线路规划长度为16.1 km；CF支线线路规划长度约为34.13 km；DF支线规划线路长度为38.6 km；EF干线线路长度约为27.3 km。线路速度等级为140～160 km/h。干线段地处X市市中心，贯穿整个城市，承担着连结各条支线的作用，因此，干线段客流量远高于支线段。

在实验室构建数字化线路，建立城轨列车编组对比仿真模型，模拟X市R1线路上单辆列车真实运行情况，利用实时仿真机求解最低能耗值，给出了灵活编组与固定编组的仿真能耗对比。整个仿真模型包括信号控车仿真、车辆仿真和供电仿真3部分。

1.2 仿真设计

1.2.1 仿真场景设定

仿真主要分按固定编组和灵活编组2种情况执行。

1）固定编组能耗仿真

固定编组能耗仿真模型共对R1线上2条主要行车路线进行仿真：1) A—E—F—C路线；2) B—E—F—D路线。2条路线列车全程均采用8编组运营模式，列车定员人数为664人/列。

2）灵活编组能耗仿真

灵活编组能耗仿真列车在支线段采用4编组，列车定员人数为664人；在列车行驶至干线段后，2条支线的列车进行联编，形成8编组列车，列车定员人数为1 328人/列；到达干线末端后列车解编，形成2列4编组列车分别去往2个方向，列车定员人数为664人/列。

对2种编组方式的运载能力按路线段做等效拆分，如表1～2所示。

表1 固定编组运营模式运载能力

表2 灵活编组运营模式运载能力

2种编组模式总运载人数均为3 984人，运载能力相同。

1.2.2 信号控车仿真方法

分别针对干线和支线，根据实际线路规划和车数情况，通过牵引计算[12]获得车辆站间运行的最优“时间-速度曲线”，并根据车辆的“时间-速度曲线”得到不同车辆在站间运行的信号控车指令。

1.2.3 供电系统仿真方法

对灵活编组与固定编组运营模式分别建立Simulink模型，进行仿真对比，评估灵活编组节能效果。

R1线支线段和干线段的供电仿真模型均采用AT供电方式[13]，图1展示了AT所与牵引变电所分布位置，图1中序号1、2位置分别对应牵引变电所1、牵引变电所2，每个变电所分左右两条供电臂为线路供电。AT所规划布置间隔约为5 ～10 km，考虑实际支线与干线线路的长度，单供电臂长度20～30 km。

线路仿真模型的搭建需要输入相应的线路信息并对线路运营车辆的参数进行配置，线路信息主要包括车站数量、位置、线路坡道、曲线、限速等。高速铁路牵引网结构复杂，导体数目多，各导体间存在电容耦合和互感。根据牵引网降解方法[14]，将牵引网系统简化为5组等值导体[15]，如此，可将单位长度模型进行组合得到任意长度的牵引网线路模型。

为降低搭建的模型规模和复杂度，提高模型实时化调试效率，将R1线路拆分，构造成AE、BE、EF、FC和FD 等5条线路段进行单车仿真。由图1中X市牵引变电所规划布局所示，AE段由变电所1左供电臂供电；EF段由变电所1左供电臂、变电所1右供电臂、变电所2左供电臂分区供电；FC段由变电所2左供电臂、变电所2右供电臂分区供电；BE段由变电所1左供电臂供电，FD段由变电所2左供电臂供电。对各线路段分别进行单车运行仿真，再将各线路段的能耗进行合理组合加和，即可分别对固定编组模式下A—E—F—C路线及B—E—F—D路线的总能耗进行分析。

1.2.4 车辆仿真方法

R1线运营车辆车型采用市域D型车，参考车型为CRH6F[16-17]，最高运行时速为160 km/h，需搭建对应的车辆仿真模型。固定编组动车组列车基准模型的定义为：列车为固定8编组，列车定员人数为664人/列，车辆变流器为Si功率器件，采用异步牵引电机，工频AC380V辅助电源，考虑再生制动能量。灵活编组运行模式为列车在各支线运行时，采用4编组列车运行，在干线通道时8编组运行。4编组列车定员人数为664人，8编组列车定员人数为1 328人。表3为不同编组模式车辆参数对比。

表3 不同编组模式车辆参数对比

每台变流器的结构为主辅一体，变流器具体的容量与效率参数如表4所示。

表4 变流器参数

2 结果对比与分析

2.1 能耗评价指标

能耗分析主要评价指标包括区间运行时间内的牵引实际总能耗、列车每人每公里的能耗以及列车每节每公里的能耗。由于列车制动会产生电能回馈，因此牵引实际的总能耗为供电网总能耗减去制动回馈产生的电能。单车区间运行时间为列车上行或下行从起始站运行至终点站的时间。其中各个指标的计算方法如式(1)～(3)所示。

1)区间运行时间内的牵引实际总能耗Ep通过仿真计算获得，单位kWh；

2)列车每人每公里的能耗Ep1，kWh/(km·人)：

式中：Etotal为区间运行时间内的总能耗，ρp为列车定员人数，Lu为上行线路长度，Ld为下行线路长度。

3)列车每节每公里的能耗Ep2，kWh/(km·节)：

式中ρc为列车编组数量。

4）列车每公里每吨的能耗Ep3，kWh/(km·吨)

式中mc为列车总重量。

R1线仿真线路主要包括AE支线、BE支线、CF支线、DF支线以及EF干线通道，各线路的实际牵引所能耗分别为EAE、EBE、ECF、EDF、EEF。E总为模型的牵引所实际总能耗。各线路模型中总的牵引所实际能耗计算方式如式(4)、(5)所示。

固定编组模型计算为

灵活编组模型计算为

2.2 A—E—F—C路线仿真结果对比

对各线路段分别进行仿真，绘制各变电所能耗曲线如图2～4所示。

图2 不同编组模式AE段实际能耗曲线

图3 不同编组模式EF段实际能耗曲线

图4 不同编组模式FC段实际能耗曲线

表5为A—E—F—C路线各线段能耗评价指标。

2.3 B—E—F—D路线仿真结果对比

对BE、EF、FD 3条线路段分段进行车辆运行仿真，绘制各变电所各供电臂能耗曲线如图5～图7所示。

表6为B—E—F—D路线能耗评价指标，分析方式同A—E—F—C路线。

2.4 不同编组模式牵引实际总能耗对比

将仿真计算结果进行分析和处理得到各线路模型中总的牵引所实际能耗，结果如表7所示。

2.5 能耗仿真结果总结与分析

结合表5和表6所示路线各线段能耗评价指标及表1和表2给出的各编组模式载客能力对比，对仿真结果进行总结。在不同编组模式各线路段实际载客人数相同的前提下：

1) AE、FC两支线段由于固定编组模式为8编组，灵活编组模式为4编组，灵活编组模式下单辆列车车节数少，因此列车每节每公里的能耗指标高，列车每公里每吨载人多，但区间运行总能耗减少，每人每公里能耗指标低，可见在支线段灵活编组模式相对固定编组模式载客效率大幅提升；

图5 不同编组模式BE段实际能耗曲线

图6 不同编组模式EF段实际能耗曲线

图7 不同编组模式FD段实际能耗曲线

表6 B—E—F—D路线各线段能耗评价指标

表7 不同编组模式牵引实际总能耗对比

2) EF干线段，不同编组模式的单辆列车均为8编组，但灵活编组模式单辆列车定员人数为1 328人，高于固定编组模式单辆定员人数664人，总重量增加，因此灵活编组模式总能耗指标数值稍高，但列车每人每公里的能耗低，载客效率高；

3) 灵活编组运营模式下各支线的实际能耗相比固定编组模型的实际能耗有明显降低，实际总能耗下降28.81%。

结合仿真场景设计，对仿真结果产生的原因进行分析：

1) 在支线段保证载客能力相同（列车定员同为664人）的前提下，灵活编组运营方式将列车编组由8编组减为4编组，降低了车重，从而有效节省了牵引能耗。

2) 在干线段，灵活编组运营方式将两个4编组列车联编形成8编组列车，对比固定编组运营模式，虽然列车编组同为8编组，但载客能力翻倍（2列4编组列车列车定员同为664人，联编后列车定员为1 328人），获取同等运力所需列车发车次数由2列减为1列，有效降低了能耗。

3) 灵活编组模式对比固定编组模式，灵活编组的支线段可同时发车，到达干线段后联编，驶出干线段后解编；而由于干线段单向仅一条轨道，固定编组同一时间仅可发车A—E—F—C路线或B—E—F—D路线。灵活编组模式在保证干线段相同发车间隔下，有效增加了支线段的发车密度，缩短了支线段的发车间隔。

3 结论

1) 本文设计了一种灵活编组运营模式的能耗仿真实现方法，包括信号控车仿真方法、车辆仿真方法、供电系统仿真方法，对灵活编组模式进行了能耗仿真计算，验证了该仿真方法的有效性和可行性。

2) 给出了不同列车编组模式能耗评价指标，能够更加准确有效地评估不同编组模式下的列车节能效果。

3) 根据实际线路情况搭建了城轨列车编组模式对比模型，在实验室借助实时仿真机模拟一组特定线路上单车运行情况，得到了不同列车编组模式的能耗仿真结果。结果显示，灵活编组运营方式与固定编组运营方式相比牵引总能耗下降28.81%，节能效果显著，且灵活编组列车能够有效提高支线段的发车间隔，解决区域性运力不平衡的问题。

综上所述，本文对于列车灵活编组运营模式的能耗评估采用规范指标、建模仿真、量化计算的方法，对于指导列车编组能耗仿真计算，以及运力不平衡的区域列车编组规划或优化具有指导性意义。