城市轨道交通CBTC 信号系统节能运行方案探讨

韩 洁

（北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068）

“十四五”规划和2035 年远景目标纲要中提出“十四五”期间要达到广泛形成绿色生产生活方式，碳排放达峰后稳中有降，生态环境基本好转，美丽中国建设目标基本实现的战略目标。习近平总书记在十九大报告中也明确指出“绿水青山就是金山银山”，这也充分说明了“节能减排、绿色环保”的重要性。节约能源已经成为我国社会和经济发展的一项长远战略方针。随着社会经济不断发展，消费结构持续升级，人民群众对城市轨道交通安全、可靠、便捷、舒适、经济的要求越来越高。据统计，截至2022年底，我国已有近55 个城市拥有轨道交通项目，总的运营里程超过11000 km。其中地铁运营线路占比约78%。做好城市轨道交通节能减排工作愈发显得责任重大、任重道远。

城市轨道交通能源消耗主要集中在列车运行能耗和运营系统设备能耗两大部分，约各占总耗能的50%。运营系统设备的耗能相对固定，取决于运营管理模式和设备配置。而列车运行能耗属于相对动态的能耗，取决于客流分布、客运需求、行车组织以及与其配套的列车运行控制策略。本文从减少列车运行能耗角度提出一种CBTC 信号系统节能运行方案，为进一步降低运营成本，助力“智慧交通”、“节能减排”、“绿色出行”的先进理念。

1 国内、外现状

目前国内、外城市轨道交通行业中CBTC 信号系统对于列车运行能耗的节能主要通过划分ATO节能运行等级实现。在保证规定的运行能力、旅行速度、正点的前提下，结合线路平纵断面、线路节能坡、列车运行间隔、牵引供电分区、再生制动等条件，通过控制列车运行的加速、惰行、制动工况对能耗进行控制，并划分为不同的节能运行等级。当列车早点发车或运行图编制留有余量的条件下，ATS自动将ATO 运行等级调到低等级运行。该方式节约能耗有限且相对固定。

各地地方标准和研究单位为进一步指导轨道交通节能技术发展均提出了节能技术策略。其中北京市质量技术监督局发布的《DB11/T1486—2017城市轨道交通节能技术规范》以及城市轨道交通列车通信与运行控制国家工程实验室发布的《城市轨道交通列车运行节能控制导则》 明确提出：ATO 子系统应充分结合ATS 子系统与ATP 子系统，对列车运行过程中的牵引、惰行、制动频度进行优化。ATS 子系统宜统筹控制同一牵引供电分区内列车的运行，合理衔接列车出站时的牵引工况与进站时的制动工况，实现对再生制动能量的充分利用。

2 节能技术方案

供电系统为地铁列车提供牵引能量。来自供电系统的能量经过传输/变压、整流驱动、机械传递最终转换为地铁列车的运行[1]，如图1 所示。用于牵引的电能除了主要用于牵引的能量外，其他辅助设备如照明、通风、空调等设备也消耗能量[2]。因此列车运行能耗主要包括牵引能耗和辅助设备能耗。对于城市轨道交通CBTC 信号系统，从降低牵引能耗角度出发，通过ATS 和ATO 子系统配合来实现整个信号系统的节能控制。

图1 能量转化示意图Fig.1 Schematic diagram of energy conversion

2.1 总体策略

在设计时刻表过程中，考虑节能因素，在满足服务质量的同时，减少服务列车数量，同时为列车节能驾驶留出余量。

协调列车的进、出站，以使制动列车产生的再生能量为牵引列车利用。

根据客流情况及服务质量需求，动态调整时刻表，提高满载率、减少空驶，提高能量利用效率。

通过优化的驾驶策略，充分利用站间线路特点和计划运行时间，减少不必要的牵引，降低能耗[3]。

2.2 ATO 在牵引阶段的节能策略

利用列车特性，由停车到动车时，使用合理百分比牵引力牵引列车有速度，有速度后，根据速度大小，逐渐增加列车牵引力至最大，通过ATO 的精确计算，对输出牵引在不同阶段精细化控制，满足平稳操作。

增加PID 算法调整比例部分的功能，当列车速度与目标速度差值在5～10 km/h 范围内时，调整参数中的P，使得列车在台阶处不超调。

接近目标速度时缓加速，如果目标速度上方仍有速度空间（也就是没达到接近EBI 降速的程度），利用坡道势能运行，节约能量。

2.3 ATO 在制动阶段的节能策略

增加预测机制，提前判断出前方接近减速区，然后根据当前线路情况施加合理的减速操作。一般是先惰行，然后再小制动；惰行时间长短与坡道大小有关，越是下坡惰行时间越短，这样到达减速区后列车便能够平稳减速。

增加ATO 停车目标制动率，这样做能有效减少停车时间，减少的时间可以用来降低区间运行的最高速度，达到节能的目的。

进入减速区，紧紧围绕目标速度进行PID 控制调节，使列车围绕减速曲线平稳运行。

减速末段，预测机制可以提前获得减速末段信息，做到平稳有序减小制动力，节约能量又使ATO驾驶平稳。

列车进入精确停车阶段，为了提高效率，通过配置数据，使进站阶段的制动率在65 cm/s2～75 cm/s2之间，提高进站效率，节省时间，用来降低站间的最高速度。

2.4 ATO 在巡航阶段的节能策略

根据不同运行等级要求，通过设置合理的节能惰行门限，增加惰行时间，减少牵引耗能操作。

适当降低最高运行等级的速度，超过运行等级速度以及不超过实时计算最高目标速度范围内均不进行牵引和制动。在该区域控车时，只响应PID输出的制动，不响应PID 输出的牵引。

次高运行等级运行时，充分利用势能进行加速运动和减速运动。

根据线路情况对每个站间不同和运行等级速度进行微调，在保证全周转时间不变的前提下，充分利用势能进行加速运动和减速运动。

2.5 ATS 区间运行时间的调整

对于运营高峰时段和非高峰时段，ATS 子系统采用不同的节能方案。在保证运营服务高质量以及乘客舒适度达标的前提下，在非高峰运营时段列车采用节能控车曲线实现节能运行。

列车停站后，ATS 子系统根据本站发车时间及计划下一站到站时间，计算区间应运行时间。开启区间运行自动调整功能后，ATS 子系统根据计划的区间运行时间，能通过车-地通信传输系统将对列车运行的调节命令发送给ATO，ATO 子系统根据此调节命令控制列车到达下一个停车点的到达时间。以此实现ATS 对区间运行时间的控制，达到有效节能的目的。

2.6 ATO 的控制模型

车载ATO 子系统是信号系统控制列车运行的最终执行环节，它精确地执行时刻表的计划，并根据坡度、限速等线路条件结合优化的节能策略计算出最佳的节能自动驾驶曲线，进而控制列车安全、准时、舒适、节能地完成运营工作。ATO 子系统的控制模型如图2 所示。

图2 ATO 控制模型示意图Fig.2 ATO control model diagram

2.7 计划图编制建议

2.7.1 运营交路调整

确认线路客流分布情况，以便进一步确认是否可以实行大小交路套跑，进而达到节能的效果。

2.7.2 站停时间/运行等级调整

对于线路出现的各个站客流不均的情况，建议根据早晚高峰时段、上下行客流不均的情况调整不同车站的站停时间，在没有早晚高峰以及乘客流量小的车站实行压缩站停时间的手段，根据优化后的站停时间在不同的站台区间匹配不同的运行等级，在保证全线旅行速度、运行间隔的同时，扩大列车运行时间，增加列车在区间的惰行时间，进而减少列车运行带来的能量消耗，进而达到节能的效果。

2.7.3 同一供电分区列车启动制动调整

建议在保证旅行速度的同时将同一供电分区的牵引、制动状态的列车尽量成对运行，在同一供电分区内处于牵引状态列车和制动状态列车成对出现的时候，使制动列车输回电网的再生能量能够实现被处于牵引状态下的列车充分利用，大大减少了线路的牵引能耗，从而实现整体能耗降低的效果，如图3 所示。

图3 能耗优化原理图Fig.3 Energy consumption optimization schematic

3 结语

随着节能减排、垃圾分类、绿色出行成为社会新风尚，城市轨道交通行业的高能耗越来越受到重视，轨道交通行业急需引进更多先进的技术理念来实现节能，本文提出的CBTC 信号系统节能方案，在一定程度上实现了对列车运行能耗中牵引能耗的动态调整，起到很好的节能效果，且具备可操作性，为我国轨道交通行业的可持续发展提供一定的理论基础。