城市轨道交通ATO模式下列车节能运行研究

宋 云

（ 广州市地下铁道总公司运营事业总部，广州 510150）

城市轨道交通每天都消耗大量的能源。根据目前广州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占城市轨道交通用电的50%以上。按照目前我国城市轨道交通的发展速度，城市轨道交通的能耗问题越来越突出。尽快找到降低轨道交通运行能耗的方法，已成为保持城市轨道交通高速度可持续发展必须解决的重要问题之一。

为了降低能耗，各专业都在设计中贯彻节能原则，人们采取了许多节能措施，包括车辆轻量化（如采用铝合金车体）、节能线路设计、采用移动闭塞列车控制系统等方式，其中根据列车性能和线路最大通过能力的要求，列车按照预定的节能曲线ATO自动驾驶是一个最经济的办法，而且对服务质量不会产生任何影响。本文重点对信号系统ATO模式控制下的列车运行设计时应对如何节省牵引用电进行深入的研究。

1 节能策略

列车在运营过程中，在规定的时间内，从起点加速运行至终点停车，整个运行过程可以分为：启动加速、区间运行、制动停车3个过程。列车正常运行时自身的能耗变化不大，因而节能操作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。ATO的运行调整，虽与自身的功能及系统构成相关，但接受ATS系统运行调整指令，实施动态调整，充分发挥调整的效果。

2 节能方法

目前在地铁信号系统中，列车节能运行通常采用以下的方法

2.1 调整时刻表

1）在非客流高峰运行时段，因上下车的旅客数量减少，可适当减少停站时间，在保证规定的旅行速度的前提下，延长列车在站间区间的运行时间，达到节省牵引能耗的目的。

2）在客流高峰时段，增加运营列车的数量以满足高峰时段运力的需求，而在非客流高峰时段，减少运行列车的数量以达到节能的目的。同时，在需求得到保证时，在不同时段运行不同适当数量的列车，降低维修的成本。

2.2 ATO运营调整

1）以控制列车起动加速度和巡航速度的方法来控制列车在站间区间的运行时分。

2）通过采用不同的起动加速度率及巡航速度设计出4条以上的列车实时速度－距离曲线（如图1所示），以及对应的运行时间、运行能耗-距离曲线（如图2所示）。在编制运行图时，在高峰时段让列车处于起动加速度和巡航速度中间（偏上）值的速度－距离运行曲线模式运行。当列车运行晚点或赶点时，采用最高值的速度－距离运行曲线运行，达到赶点的目的；在低峰时段采用较低的速度-距离运行曲线运行，达到节能目的。

3）对应于不同的列车区间运行曲线产生不同的区间运行时分，并以此作为编制运行图和调整列车运行的基础。

2.3 有效利用节能坡

所谓节能坡就是符合列车运行规律的节能坡道，如图3所示。即遵循“高站位、低区间”的设计原则。车站一般位于纵坡面的高处，区间位于纵坡面的底处。

列车从车站起动后，借助下坡的动力将势能转化为列车动能，以缩短列车牵引时间快速起步，从而达到节约牵引能耗的目的。

列车进站停车前，则借助上坡的坡度阻力，将动能转化为列车势能储存，以缩短制动时间，减少制动发热，节约能量消耗。

2.4 列车再生制动节能

正常情况下，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。为提高列车再生能量的利用率，在编制运行图时应采用以下措施。

1）同一牵引区段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启动阶段的列车所吸收，以此来有效的节约牵引能耗。

2）同一牵引区段应尽量避免列车同时制动。由于同时制动会将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 ATO模式下列车节能运行设计

3.1 列车运行状态描述

列车在区间运行状态可分为加速、巡航、惰行和制动4种，如图4所示。

1）加速段

列车在出站时利用下坡加速，在较小的牵引能耗下获得较高的加速度，在充分利用节能坡的同时需要考虑以下几点。

列车所获得的加速度并不是一个不变的常数，它随着速度的增加而减小。这是因为随着速度的增加，使得各项阻力增加，牵引电机输出功率减小；因而在加速阶段获得比经济速度高很多的列车速度，会增加牵引能耗。

需要根据线路曲线布置状况及限速要求，选择达到最高速度和加速度的值，以避免受曲线限速的影响产生不必要的制动，增加牵引能耗。

加强与线路设计专业的配合，尽量避免在可能达到较高速度的地段布置半径较小、限速较低的曲线，并与节能坡设计配合，使列车到达节能坡底部时能以最小能耗达到最高速度。

2）巡航阶段

列车在巡航阶段以较小的能耗保持近似固定的速度。其特点为因在不同的列车运行速度下列车运行阻力不是常数，也不是线性关系；在经济巡航速度以上以越高的巡航速度运行相同的距离，牵引能耗就越大。列车巡航运行距离越长，对控制列车站间运行时分的精度就越有利。保持较高巡航速度可以减少全线旅行时间，提高服务水平。列车在巡航阶段以较小的能耗保持固定的速度运行；但在较高的巡航速度下，列车所需要的牵引力比较低巡航速度下需要的大得多，巡航速度与所需牵引力的关系如下所示。

其中：

F：牵引力；

Co：与列车巡航速度无关的阻力因素；

M：列车的质量；

g：重力加速度；

C：与列车巡航速度有关的阻力因素；

V：列车巡航速度。

根据公式（1）可知，在满足运行调整和旅行速度要求下，选择合理的巡航速度非常重要。既要考虑节能，又要满足服务水平，即保持一定的旅行速度。

3）惰行阶段

列车在进站制动前，可以有一个惰行阶段，列车利用动能，依靠自身惯性运行，达到节能目的；惰行的起点和终点分别与巡航阶段和制动阶段相连，因而确定起点和终点时要结合节能坡的线路设计，并尽可能保证列车运行平稳。

4）制动阶段

在地铁列车运行中，为达到快捷的目的，通常采用较高的常用制动减速率来减速停车，此时，列车所获得的动能大部分转化为热能（再生制动除外）。虽然此时不再消耗牵引能量，但实际上列车在运行途中消耗了牵引能量而获得的动能大部分通过此阶段转化为热能，因而，在信号系统设计时，要充分与土建专业配合，充分利用节能坡将列车的动能转化为势能储存起来，这样减少牵引能耗。

3.2 设计中综合考虑的因素

1）土建专业在有条件情况下，都采用节能坡设计，信号系统在列车控制设计中要充分利用节能坡设计的有利条件，设计可行的ATO节能运行模式。

2）将列车运行调整功能与节省牵引能耗的ATO驾驶模式结合，达到以下目的。实现列车在区间的运行时分能以秒级精度调整；

列车牵引能耗是所确定的运行时分下的最低能耗；

要充分利用列车运行的加速、巡航、惰行及制动的4种状态，达到列车在ATO运行模式下的可控性，节约牵引能耗以及满足运行调整要求的多项功能的有机统一；

充分考虑到牵引特性、土建参数、轮轨摩擦阻力、空气阻力等各种因素对列车牵引能耗的影响，使ATO模式下列车节能运行设计趋于完整及严密。

3.3 ATO模式下列车节能运行设计

1）确定牵引能耗的数学模型，牵引能耗与列车的牵引性能、确定的载客量、各种阻力、线路参数、列车速度、走行距离等因素有关，如图5所示。

2）编制软件使牵引能耗曲线与列车运行速度-距离模式曲线对应。

3）编制列车运行时分曲线，使之与列车运行速度-距离曲线对应。

4）编制列车运行速度-距离曲线图形显示软件，速度-距离曲线与列车运行状态、线路参数、车辆特性、各种阻力等因素有关，能在计算机人机界面上绘制相应的速度-距离曲线。

5）在线路各段人为选择列车起动加速、巡航、惰行、制动4个运行状态，对应一个线路参数已确定的特定区间，自动绘制不同的列车速度-距离曲线，并对应得到相应的牵引能耗及运行时分。

6）以相同的运行时分为前提，选择出最小牵引能耗的速度-距离模式曲线。

7）在可能的列车区间运行时分段内确定一组以秒级为单位的速度-时分模式曲线。此曲线要符合6）所述的要求。

8）对应特定区间的一组以秒级为单位的速度-时分运行曲线，作出一组相应的速度-距离对照表，如表1所示。其精度以能方便有效控制列车运行为准。

9）对应全线每一区间作上述1）-8）项设计得到全线各区段的以秒级运行时分为单位的相应多组速度-距离对照表，如表1所示。

表1 速度-距离对照表

10）将这些表存入ATO车载系统的存储器中。

11）在列车即将进入此特定区间前，ATS系统根据运行时刻表及运行调整要求确定列车在此特定区间的运行时分，并向列车发出指令。

12）车载ATO系统接收到列车在该特定区段运行时分指令后，在存储器中该区间一组速度-距离表中，选出相应速度-距离表，根据此表要求控制列车在该区段的运行。

3.4 ATO模式下列车节能运行的特点

1）结合各种因素包括列车特性，线路参数，信号系统功能等诸多因素，并充分利用节能坡的节能效益。

2）以计算机为工具，结合运营人员的经验，优选出最节能的列车运营方案。

3）以列车区间运行时分为基本点，优选出该运行区间运行的最节能的列车运行速度距离方案，能有机的与列车运行要求结合，便于列车运行调整。

4）便于信号系统对列车的控制，充分发挥以计算机为基础的信号系统特点及优越性。

5）方便修改，适应性强。在各种影响列车运行的因素变化时，如改变列车车型时，只需要把新的一组速度距离对照表存入ATO车载系统即可。

4 结语

本文总结并分析了城市轨道交通中的节能措施，充分研究信号ATO模式下列车的节能设计，ATO可以最大限度利用线路参数和列车特性，满足运营日常需求的同时，实现对列车早、晚点的调整，运营高峰、非高峰的转峰组织，在已采取此技术的线路中运营节能效果良好。

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