城市轨道交通列车节能运行模式的研究

2010-01-16杨雪峰

城市轨道交通研究 2010年8期

杨雪峰

(上海轨道交通维护保障中心通号公司,200010,上海∥工程师)

根据目前上海地铁运营线路的能耗统计数据分析,列车运行时的牵引用电约为总用电量的50%～60%,辅助系统的能耗约占牵引能耗的50%。随着城市轨道交通网络规模的不断扩大,总的运营能耗量呈快速增长的趋势,能耗问题越来越突出。因此,如何挖潜降耗,突破关键技术,对降低城市轨道交通运营成本、提高经济效益有着越来越重要的现实意义。

到目前为止,由于运行环境和实际客流量状况的复杂性,对列车行驶过程中能量消耗的计算仍然是一件较为困难的工作。影响列车能耗的因素主要包括列车的牵引制动性能、列车重、运行速度、线路条件、信号闭塞方式以及列车的操纵方式等。针对上述因素采取相应措施,可以实现节能的目的。例如,城市轨道交通的电动列车一般采用电力无级牵引,在设计阶段可采用铝合金或镁合金等最新材料来实现车辆的轻量化,以节省牵引动能、降低列车的运行费用。

国内外对于列车运行的节能问题已经有了较多的研究[1-5]。20世纪80年代初,新加坡地铁1号线设计中就引进了车辆再生制动能逆变器技术。现在新加坡的东北线和环线广泛采用了该技术。实测能耗显示,新加坡东北线变电站总能耗中的4%是由再生制动能供给的。有的学者开展了线路节能坡的研究和列车节能运行图的研究,提出了最佳的列车节能运行方式。如香港地铁线路采用节能运行方式安排日常运行,据实际运行的统计资料表明,列车的牵引能耗费用每年大约节约290万港元。澳大利亚、德国、日本、美国等许多国家在列车节能操纵方面进行了研究和试验,总结节能的列车操纵方式,并应用微机技术研制开发列车优化操纵的微机指导系统、微机模拟系统等。国内在这方面的研究基本上采用离线优化和在线控制相结合的方法[6-8]。从实际运用情况来看,国外列车优化的节能效果一般为5%～15%。本文着重讨论节能操纵算法以及在基于移动闭塞技术的现代信号系统基础上的列车节能运行模式的研究和仿真。

1 列车运行的节能操纵算法

1.1 列车运行受力分析

在提出节能操纵算法之前,首先对列车在行驶过程中的受力情况进行分析。列车在运行中要受到牵引力、运行阻力、制动力等共同作用。以下的地铁车辆性能特性均基于车轮在半磨耗状态,运行于干燥、清洁的平直轨道和额定电压(DC 1 500 V)之下。

1)列车牵引力特性：列车牵引力是列车实际速度的函数。列车牵引力可以按列车牵引特性曲线(见图1)取值。

图1 列车牵引力特性曲线

2)列车运行阻力：在牵引计算中,列车运行阻力是按单位质量所遇到的阻力来计算的,与车辆的阻力模型和线路条件有很大的关系。列车阻力一般可以通过列车速度的二次函数来描述。例如,上海轨道交通1号线的车辆单位质量阻力公式为：

式中：

Fw——车辆阻力,N;

M——列车质量(包括负载),kg;

v——列车行驶速度,m/s。

3)制动力特性：若电制动正常,则仅使用电制动,如图2所示。

图2 列车制动力特性曲线

1.2 优化操纵目标[9]

列车的运行条件非常复杂,受到诸多因素的制约和影响。优化操纵的目标就是找到在既定条件下满足安全、正点等约束的最优操作序列。

列车从一个车站运行到下一车站,其状态方程为：

式中：

v——列车的运行速度;

F——与列车操纵有关的合力;

Fv——列车运行的基本阻力;

g(x)——两站之间线路坡度阻力的分段函数;

M——列车质量。

其性能指标为：

式中：

T——规定的运行时分;

u(t)——与列车工况及速度有关的能耗函数;

此为有约束条件的非线性寻优问题,无法直接求解状态方程,只能根据列车操纵的合理性要求和节能原则,利用满意优化的方法寻优,以确定最终的操纵方案。

1.3 合理节能的操纵

列车在规定的时间内,从起点加速运行至终点停车,整个运行过程可分为：起动加速过程,途中运行过程和制动停车过程。在此过程中,产生的能耗(即式(3)中的u(t))主要由以下三个方面构成[10]：①提高列车的动能;②克服列车运行时的基本阻力和加算坡道阻力;③列车运行时的自身能耗。

列车正常运行时的自身能耗变化不大,可以忽略,因而节能操纵的主要方法是避免不必要的制动以减少列车动能的损失;并充分利用势能来保持或增加列车的动能,以及在列车运行中减少基本阻力所做的功。文献[11]总结了一些有利于节能的列车运行工况：运行时间一定时,列车匀速牵引运行克服的阻力功最少;列车以最大加速度加速可减少加速过程中的基本阻力功;列车以最大制动能力制动有利于节能;列车制动前惰行以降低制动前的运行速度,有利于减少列车动能的损失;下坡时尽可能利用列车的势能,尽量避免或减少下坡道调速制动。

根据国内外的研究成果,在设计列车节能运行算法时,可以遵循以下的算法原则[12-13]：

1)加速过程按最大牵引力计算;2)停车制动按最大制动力计算;

3)除停车制动外,避免采用空气制动;

4)在约束条件下协调采用均速及惰行模式。

结合上述算法原则,以列车运行的平均速度作为目标速度,并围绕目标速度按牵引-惰行的模式运行,利用最优化理论在满足约束条件的前提下,进行运行过程能耗的优化计算,以达到节能的目的。

2 现代地铁列车所应用的节能方法

现代地铁的自动控制系统要求能够以多种方式节约电能成本,包括车辆的动力消耗、起动时的动力需求和制动时的动力损失。根据上海地铁公司提供的资料文档,地铁列车共有4个运行等级：等级1是全速行驶方式,一般在高峰时采取;等级2是惰行的运行方式;等级3和等级4分别是以最高速度的75%和60%限速行驶。直观上看,以等级2的惰行运行是最节能的理想运行方式。但在实际的运行中,地铁的自动驾驶系统要根据时刻表和实际的客流量大小来调整其运行速度,不可能一直行驶在等级2的状态下。因此,要根据实际情况来实施运行策略。实际中,地铁列车所应用的节能方法主要有调整时刻表和调整列车运营等级曲线;另外,车辆的再生制动技术也被广泛使用,同样显示出较好的节能效果。

2.1 调整时刻表

调整时刻表是地铁自动控制系统所采用的一种可同时满足高峰和非高峰时段列车动力需求的方法。中央控制系统需确定系统中每一列车的位置,负责保证所有列车按时刻表进出车站。通过执行时刻表,在高峰时增加运行的列车数量以满足高峰时段运力的需求,而在非高峰时段减少列车的数量,以此达到节能的目的。这样,在需求得到保证时,在高等级下运行适当数量的列车,降低了维护的成本。

2.2 调整列车运行等级曲线

运营等级曲线旨在通过减少列车牵引系统的请求,降低牵引的能源消耗。运用列车运行等级曲线能够降低单一列车的动力消耗。采用的技术包括：

1)减少加速时间以降低高峰时速。列车降低了其加速度的总时间,从而减少了牵引请求,也就减少了列车的能源需求。

2)降低加速度来降低线路运行时速。列车采用了较小的加速度,减少了牵引所需的动力,最终也就减少了列车的能源需求。

3)惰行。列车出站先加速,然后惰行,再减速,最后停在下一车站。如图3所示的曲线,列车达到最大线路速度后惰行,这样会造成运行时间将按特定比例有所增加(图中虚线所示);与正常规定速度相比,列车减少了加速请求和牵引所需动力,从而减少了能耗。

4)有效利用重力来降低牵引系统所要求的加速度。节能线路设计也是节能措施的一个重要方面。其中节能坡的设置是一个十分必要的手段。节能坡应满足地形、地质及行车安全条件的要求,创造良好的运营条件。在地铁列车运行的过程中,有效利用坡道,可降低所需加速度的等级(利用重力完成),以降低运营费用,达到降低能耗的目的。

图3 惰行的速度距离曲线

2.3 列车再生制动的节能技术[15]

正常情况下,列车由牵引系统来牵引和制动。每一个动车安装有1个三相VVVF(变压-变频)逆变器和一个制动电阻。在列车再生制动时,制动能量反馈回电网,如果电网电压高于1 800 V,则制动电阻将消耗再生制动所产生的能量;若电网电压低于1 800 V,列车再生制动时所产生的能量,反馈到接触网牵引电力系统,就可以对这种能量进行再利用。再生制动能量的反馈利用率越高,意味着有越高比例的再生制动能量供其他列车使用。根据香港地铁列车运行的经验数据,在正常情况下,列车再生制动能量反馈利用率在高峰期一般可以达到80%。

为了提高列车再生能量的利用率,在编制运行图时应采取以下措施：

1)同一牵引区段的制动列车与出站列车的重叠时间应尽量大,使列车在制动时产生再生能反馈到电网后被同一牵引区段的其他处在起动阶段的列车所吸收,以此来有效地节约牵引能耗。

2)同一牵引区段应尽量避免列车同时制动。因为同时制动会将再生能量反馈到电网使电网电压增高,迫使列车采用电阻制动;大量的电能将转化为热能扩散到周围环境中,这样会浪费许多能量。

3 采用移动闭塞的列车控制系统是节能的有效途径

3.1 基于移动闭塞技术的列车自动控制系统[16-17]

3.1.1 移动闭塞的工作原理

移动闭塞技术是近年来广泛使用的列车信号控制技术,越来越受到人们的关注。在以往传统的固定闭塞方式下,每个闭塞分区的长度都是固定的。而对于先进的移动闭塞来说,列车间的最小运行间隔距离由列车在线路上的实际运行位置和运行状态确定,闭塞区间的间隔随着列车的行驶不断地向前移动和调整。控制中心通过车载设备和轨旁设备不间断地双向通信,根据列车实时的速度和位置动态计算出列车的最大制动距离。列车的长度加上这一最大制动距离,并在列车后方加上一定的防护距离,便组成了一个与列车同步移动的虚拟分区。由于保证了列车前后的安全距离,两个相邻的移动闭塞分区就能以很小的间隔同时前进,使列车能以较高的速度和较小的间隔运行,从而提高了运营效率。

3.1.2 列车自动控制系统

列车自动控制(ATC)系统包括三个子系统：列车自动监控(ATS)子系统、列车自动防护(ATP)子系统和列车自动驾驶(ATO)子系统。ATS子系统主要实现对列车运行的监督和控制,辅助行车调度人员对全线列车运行进行管理;ATP子系统主要对列车驾驶进行防护,实现列车间隔保护、超速防护等功能;ATO子系统主要用于实现“地对车控制”,即用地面信息实现对列车驱动和制动的控制,可以使列车经常处于最佳运行状态,避免了不必要的加速和减速,提高了旅客的舒适度、列车准点率,并减少轮轨磨损,同时还可节省能源消耗。

移动闭塞、基于通信的列车控制(CBTC)和ATC系统能通过车地间的双向、连续、高效的信息通信,使车载信号设备的信息能够和地面轨旁信号设备的信息即时地进行交换,从而有效地确定列车位置,并计算前后列车间的相对距离,以确保行车的安全。

3.2 采用移动闭塞的CBTC系统的节能功能[19]

移动闭塞系统的节能是其短发车间隔性能的良好体现。总体来讲,移动闭塞技术的“小编组、高密度”运营,使轨道交通系统的实际列车通过能力大大提高。移动闭塞的列车通过能力通常可比固定闭塞系统高出40%。这增加的40%的通过能力,使CBTC系统可通过对列车运行参数以及曲线的调整和控制,达到最大限度地减少不必要的制动和频繁的加减速,平衡全线允许速度、停站时间等来实现节能。

3.2.1 高峰时段的运行节能

在固定闭塞系统中,列车的分区间隔较长且一个分区只能被一列车占用,不利于缩短列车的运行间隔,从而增加了能耗。而移动闭塞系统灵活的列车运行间隔的特性使其在高峰时段的节能效果显著。通常在高峰时段运行时,发车密度大,乘客流动性快,前方列车的延误会造成后续列车频繁制动的可能性。这种制动的频率和持续时间在移动闭塞系统中由于更短和均匀的列车最小间隔而大大降低,均匀的最小列车间隔使后面列车可以更加靠近前车,提高了运营的效率。

3.2.2 非高峰时段的运行节能

在非高峰时段,移动闭塞系统能通过降低站间列车平均速度来达到节能。在这种情况下,可根据需要减少停站时间以保证列车全线运行时间。一般来说,非高峰时段的乘客较少,减少停站时间不会造成太多的不便。

4 节能算法流程及仿真运行分析

4.1 算法流程

基于以上的系统分析,建立了城市轨道交通列车能耗统计的数学模型,总结出了可实施的列车节能运行算法;并在计算机控制技术的平台上,利用最优化理论的求解方法,进行优化计算和数据统计。提出的节能策略是在地铁运行过程中保证一种能耗较低的牵引策略,设计的思想是尽量以经济速度运行,较大程度地利用惰行。

仿真系统主要包括三个子模块：数据输入子模块,优化操纵计算子模块,结果输出子模块。数据库中的数据,来源于地铁试车运行时测试的结果以及在实际运行中记录的表格内容。它包括：ATP速度,ATS限速,牵引量,惰行状态,运行时间,运行等级,走行距离等。在算法开始之前,可以从数据库中调出已有的表格内容,也可以根据新的实际情况在对话框中手动输入相关的数据。开始运行后,在给定的条件下进行优化计算,根据已有的优化操纵策略进行寻优,并满足运行时分和驾驶的准确性和安全性;最后进行运行中能量消耗的计算统计并比较节能效果,输出节能速度运行曲线图。图4所示为列车节能运行计算的具体算法流程。

4.2 仿真

在地铁的试车线路上进行仿真试验。线路长约1 km,列车行驶1 min左右,进行仿真运行。选择采用移动闭塞的CBTC系统的信号控制方式,在ATC平台的操纵下,利用ATS的自动调度和统计功能以及ATO的自动驾驶功能,根据所得的数学模型,进行节能运行模式的试车分析。经过多次的不同驾驶模式的能耗数据比较,最终得出了较为理想的节能运行模式。在某次仿真中得出的列车运行速度曲线图如图5所示。

图4 节能优化算法流程

图5 输出的列车运行速度曲线

从图5可明显看出,节能的运行曲线在行驶过程中的速度变化率较小,运行过程平缓。计算结果显示,采用此节能算法的能耗比原来正常行驶下大约节省了23%左右。

5 结语

在保证列车运行安全、准时的前提下,本文总结并分析了当今城市轨道交通系统中的节能措施,并在列车操纵方式和运行算法的软件方面进行了相关的研究。采用基于移动闭塞技术的CBTC和ATC系统是当前轨道交通发展的主要方向。在已采用此技术的国内外运营线路上的实践表明,其节能效果良好。但是,由于地铁运行状态的复杂性,还没有一个完全有效的方法来衡量牵引力和耗电量之间的定量关系。因此,对列车运行过程中的耗电量统计还不是很精确,只能得出一种模拟驾驶的、近似节能的策略。另外,本文所提出的节能优化算法还只是停留在计算机仿真阶段,很多操作中的问题还需要向有经验的驾驶人员和技术人员学习,才能符合实际运行情况。

[1] Howlett P G,Pudney P J.Energy-efficient train control[M].Springer：Springer,1995.

[2] Howlett P G.Optimal strategies for the control of a train[J].Automatica,1996,32(4)：519.

[3] Chang C S,Sim S S.Optimizing Train Movements throug h Coast Control Using Genetic Algorithms[J].IEE Proc.Electr Power Appl.,1997,144(1)：65.

[4] Cheng J.Analysis of optimal driving strategies fo r train control problems[D].Adelaide：Univ of South Australia,1997.

[5] 金炜东.满意优化问题与列车操纵优化方法研究[D].成都：西南交通大学,1998.

[6] 毛保华,何天键,袁振洲,等.通用列车运行模拟软件系统研究[J].铁道学报,2000,22(1)：1.

[7] 王峰,刘海东,丁勇,等.列车节能运行的算法及实施技术研究[J].北方交通大学学报,2002,26(5)：13.

[8] 赵爱菊.机车优化操纵的微机指导系统[J].铁道学报,1990,12(1)：1.

[9] 崔世文,冯晓云.列车优化操纵与自动驾驶模式的研究与仿真[J].铁道机车车辆,2005,25(5)：9.

[10] 王自力.列车节能运行优化操纵的研究[J].西南交通大学学报,1994,29(3)：275.

[11] 金炜东,王自力,李崇维,等.列车节能操纵优化方法研究[J].铁道学报,1997,19(6)：58.

[12] 刘海东,毛保华,丁勇,等.城市轨道交通列车节能问题及方案研究[J].交通运输系统工程与信息,2007,7(5)：68.