城市軌道交通調(diào)度系統(tǒng)節(jié)能策略研究

張德明 梁 亮

行車調(diào)度作為城市軌道交通運營的一個主要環(huán)節(jié)，對城市軌道節(jié)能有重要影響。但是，有關(guān)行車調(diào)度的傳統(tǒng)研究，一般都集中在按圖行車的自動化控制方面，而對能源利用優(yōu)化方面的研究，則相對較少。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，行車指揮系統(tǒng)可以直接對列車運行行為進(jìn)行控制，因此，研究如何充分利用調(diào)度系統(tǒng)作為運營指揮核心，整體上降低系統(tǒng)運營能耗，成為一個重要課題。

1 城軌調(diào)度系統(tǒng)節(jié)能的基本概念

城市軌道交通的能耗主要由動力照明能耗和牽引能耗二部分組成。動力照明能耗包括：為滿足旅客列車安全可靠運營要求的設(shè)備系統(tǒng)、為旅客提供良好的乘車環(huán)境的設(shè)備系統(tǒng)、保證車站正常運轉(zhuǎn)的設(shè)備系統(tǒng)、車站商業(yè)區(qū)動力照明設(shè)備、運營部門辦公用動力照明設(shè)備等的能耗。牽引能耗即運營車輛所消耗的電能，包括正線旅客列車運營消耗的電能和車輛段旅客列車出入庫消耗的電能。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，動力照明能耗和牽引能耗大約各占城市軌道交通能耗的50%。

城市軌道交通行車調(diào)度，其主要功能是通過運行計劃編制、列車運行的實時調(diào)整來達(dá)到控制和協(xié)調(diào)列車運行的目的。因此，通過調(diào)度技術(shù)降低能耗，最后主要體現(xiàn)在牽引節(jié)能上，包括車輛節(jié)能、線路節(jié)能、再生制動節(jié)能等，都是比較微觀角度的節(jié)能。而調(diào)度節(jié)能，則是從比較宏觀角度進(jìn)行節(jié)能研究，它需要對各種微觀技術(shù)進(jìn)行整合、協(xié)調(diào)與控制，從而使系統(tǒng)整體上達(dá)到能耗的最優(yōu)化。

2 影響城軌調(diào)度系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵因素分析

2．1 列車運行曲線

列車運行曲線是指列車運行的速度－距離曲線圖。對于給定的列車運行曲線，再加上相應(yīng)的列車性能參數(shù)，就可以計算出對應(yīng)的列車能耗。因此，對于列車牽引的節(jié)能控制，一個重要的方法就是通過改變列車運行曲線，從而達(dá)到降低能耗的目的。

在現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)中，均采用ATC信號系統(tǒng)對列車進(jìn)行控制。圖1展示了基于ATC信號系統(tǒng)列車運行控制，并生成列車運行曲線的基本過程。列車從車站1開出，發(fā)往車站2。中心調(diào)度系統(tǒng) （ATS）向車載ATO設(shè)備發(fā)出區(qū)間運行時間計劃，ATO依據(jù)此時間計劃，結(jié)合車輛性能，線路特征，生成最優(yōu)控制曲線，控制列車運行。

圖1 列車運行控制及曲線生成過程

圖1的列車運行控制及曲線生成過程主要有2個階段：一個是ATO控制列車生成列車運行曲線的階段，另一個則是ATS向ATO傳遞列車運行時間計劃的階段。目前，有關(guān)列車運行過程節(jié)能的研究，主要集中在第一個階段，也就是通過研究各種算法，合理調(diào)整列車牽引、惰行和制動3種工況，形成最優(yōu)曲線，達(dá)到降低列車能耗的目的。

但需要注意的是：以上階段的節(jié)能控制過程，以計劃限定的列車運行時間為前提。而對于不同的計劃限定時間，即使采用最優(yōu)的列車操控策略，其能耗也是不一樣的。也就是說，列車運行過程節(jié)能，不僅需要從第一階段、列車運行操控方面進(jìn)行考慮，同樣需要第二階段、從列車運行計劃與調(diào)度方面進(jìn)行考慮。

現(xiàn)有的ATO實現(xiàn)均提供幾套不同的運行曲線，對應(yīng)列車運行快或慢的幾種運行等級，這幾種等級需要調(diào)度系統(tǒng) （ATS）進(jìn)行選擇。一般說來，運行曲線的總時間越短，列車能耗越高；運行曲線的總時間越長，列車能耗越低。調(diào)度系統(tǒng)節(jié)約能耗的一個重要途徑，就是在不影響列車正點到達(dá)終點站的情況下，合理選取不同等級的運行曲線。

2．2 再生制動

城市軌道交通車輛制動方式可以分為3種：空氣制動、電阻制動及再生制動?？諝庵苿右詨嚎s空氣為動力源，通過閘瓦與車輪踏面摩擦而產(chǎn)生制動力；電阻制動的原理是通過將牽引電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，將車輛動能轉(zhuǎn)化為電能，再用電阻作負(fù)載將電能消耗掉；再生制動也是利用能量轉(zhuǎn)換原理將動能轉(zhuǎn)換掉，只是將制動中產(chǎn)生的電能反饋到直流供電電網(wǎng)中去加以利用。3種制動方式中，空氣制動由于需要通過機(jī)械摩擦，加大了車輛的維修工作量，同時壓縮空氣的釋放將產(chǎn)生大量粉塵，造成環(huán)境污染；電阻制動產(chǎn)生大量熱量，使地鐵隧道內(nèi)的溫度升高，增加站內(nèi)空調(diào)通風(fēng)裝置的負(fù)擔(dān)；而再生制動不僅能夠避免上述問題，而且還能夠節(jié)約能耗，因此一般在城市軌道交通車輛中優(yōu)先采用。

但是，再生制動能量如何有效吸收需要仔細(xì)考慮。軌道交通車輛再生制動時產(chǎn)生的電能是直接反饋到直流供電電網(wǎng)中去的，如果同一供電區(qū)間內(nèi)有其他車輛在運行，則再生制動產(chǎn)生的電能可被其他車輛吸收利用；如果同一供電區(qū)間內(nèi)沒有其他車輛運行，則這些能量主要被車輛的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或者被線路上的吸收裝置吸收。

由此可知，再生制動能量的有效利用，與列車在線路上運行的時間和位置有重要關(guān)系。而列車在線路上的時間和位置，是由調(diào)度系統(tǒng)列車運行圖決定的。合理的編制列車運行圖，盡可能地增加列車在同一供電區(qū)段出現(xiàn)的時間，同時對列車到發(fā)關(guān)系合理編排，將能夠有效節(jié)約能耗。

2．3 車輛編組

列車質(zhì)量包括列車自重和旅客載重二部分。其中列車自重占了很大部分。研究表明：即使在滿載情況下，旅客質(zhì)量在列車質(zhì)量中也只占約30%，如果滿載率下降到50%，旅客質(zhì)量在列車總質(zhì)量中的比例將下降到17．8%左右。也就是說，隨著滿載率的下降，牽引能耗將主要用于無效牽引。

城市軌道交通車輛可以采用不同數(shù)量的編組連接，在旅客數(shù)量一定的情況下，降低編組數(shù)量，將能夠有效提升旅客在列車質(zhì)量中的比例，從而提升滿載率，降低單位客流量能耗比例。

城市軌道交通客流出行強(qiáng)度具有明顯的不均衡性，一般具有雙駝峰特征，也就是早晚高峰客流量較大，而其他時間客流則較小。如果根據(jù)客流情況，在不同的客流密度下，采用不同的行車編組方案，提升滿載率，將能夠有效降低系統(tǒng)能耗。

3 城軌調(diào)度系統(tǒng)節(jié)能策略

3．1 總體策略與基本思路

在城市軌道交通系統(tǒng)運營管理過程中，是以調(diào)度系統(tǒng)為核心開展各種工作的。也就是說，城市軌道交通中的其他系統(tǒng)，包括車輛、供電、信號、機(jī)電等設(shè)備，均需要服從調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮。通過前面對幾種城市軌道交通節(jié)能具體措施的分析，以及結(jié)合城市軌道交通調(diào)度指揮的基本原則，可以得出城市軌道交通系統(tǒng)節(jié)能的總體策略，就是以現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)為基礎(chǔ)，通過功能優(yōu)化與調(diào)整，對列車、牽引、信號等各方面技術(shù)進(jìn)行綜合利用，達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

調(diào)度系統(tǒng)的主要功能可以分為2個階段：運行圖的編制階段和列車運行調(diào)整階段。運行圖編制，就是根據(jù)平日、周末、以及節(jié)假日不同時期旅客出行特征的不同，結(jié)合線路特征以及車輛設(shè)備性能，制定列車運行的基本計劃，作為后期列車運行的一個基本藍(lán)圖。列車運行調(diào)整，則是以已經(jīng)編制好的運行圖為基礎(chǔ)，在實際運行過程中，根據(jù)現(xiàn)場客流，列車運行情況等因素進(jìn)行實時調(diào)整。調(diào)度系統(tǒng)具體節(jié)能的基本思路，則需要從運行圖編制和列車運行調(diào)整這2個方面進(jìn)行考慮。

3．2 基于運行圖編制的節(jié)能策略

基于運行圖編制的節(jié)能策略，可以從平峰與高峰、混合編組以及再生能利用3個方面進(jìn)行考慮。

1．平峰與高峰運行圖編制策略。針對城市軌道交通旅客出行不均勻的特點，將旅客出行的時間段分為平峰時間段和高峰時間段。在編制列車運行圖時，根據(jù)客流特征，在高峰時間段，編制相對較密的列車運行圖；而在平峰時間段，編制較疏松的列車運行圖。這是列車運行圖編制的一個基本策略。從節(jié)能角度考慮，在平峰時間段采用較為疏松的列車運行圖，減少了列車投放量，從而也減少了能源消耗。

2．混合編組運行圖編制策略。這是解決平峰與高峰客流不均勻問題的另一種策略。在這種策略下，無論高峰平峰，運行圖基本以均勻方式排列。在高峰時，派班列車采用大編組，以應(yīng)對大客流問題。在平峰時，則采用小編組。根據(jù)前文的分析，平峰時間段采用小編組，能夠提高滿載率，有效降低單位旅客能耗，從而達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

3．再生能利用運行圖編制策略。通過從運行圖多車關(guān)系上綜合考慮，對運行圖進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到對再生制動能源的有效利用。具體需要從2個方面進(jìn)行：第1個方面是從牽引供電區(qū)段與列車分布考慮，通過對列車運行相對關(guān)系的調(diào)整，盡可能使列車在同一牽引區(qū)段運行；第2個方面是從列車制動時間關(guān)系考慮，通過對列車運行圖進(jìn)行調(diào)整，盡量避免在同一供電區(qū)段內(nèi)的兩列車同時制動，或者同時啟動，而是將其制動與啟動時間錯開，從而保證反饋電能的有效吸收。

3．3 基于列車運行調(diào)整的節(jié)能策略

1．列車運行節(jié)能調(diào)整的基本策略?，F(xiàn)有列車運行調(diào)整，其主要目標(biāo)就是按圖行車，也就是準(zhǔn)時目標(biāo)。而節(jié)能運行的主要目標(biāo)，則是為了降低能耗。列車運行節(jié)能調(diào)整的目標(biāo)，就是既要保證系統(tǒng)按圖運行，又能夠節(jié)約能耗，也就是將現(xiàn)有的單目標(biāo)運行調(diào)整系統(tǒng)變成雙目標(biāo)運行調(diào)整系統(tǒng)。列車運行節(jié)能調(diào)整的基本策略就是，將系統(tǒng)運行調(diào)整模式分為準(zhǔn)時模式和節(jié)能模式，在高峰時段以準(zhǔn)時模式進(jìn)行調(diào)整，在平峰時段以節(jié)能模式進(jìn)行調(diào)整。

2．基于時間段的節(jié)能調(diào)整策略。在列車運行節(jié)能調(diào)整具體運用中，如何區(qū)分當(dāng)前時分是處于高峰時段，還是平峰時段，是后續(xù)進(jìn)行調(diào)整模式選擇的關(guān)鍵因素。由于每日出現(xiàn)的旅客高峰與平峰時間段基本是有規(guī)律的，因此，一個有效而簡單的方法就是通過時間配置來進(jìn)行。如，可以進(jìn)行如下定義：04：00－07：00平峰／07：00－09：00高峰／09：00－16：00平峰／16：00－19：00高峰／19：00－23：00平峰。調(diào)度系統(tǒng)將當(dāng)前時間與系統(tǒng)配置的時間范圍進(jìn)行比較，可以確定當(dāng)前是高峰時段、還是平峰時段，再采用對應(yīng)的調(diào)整模式。

3．基于在線列車數(shù)量的節(jié)能調(diào)整策略?；谠诰€列車數(shù)量來判定高峰與平峰，進(jìn)而選取不同模式進(jìn)行調(diào)整，是列車運行節(jié)能調(diào)整的又一個有效辦法。在線列車數(shù)量是指已經(jīng)從車輛段出發(fā)，當(dāng)前正在正線運營的列車數(shù)量。通過設(shè)置在線列車數(shù)量門限，當(dāng)在線列車數(shù)量超過一定門限，那么認(rèn)為系統(tǒng)進(jìn)入高峰時段，此時采用準(zhǔn)時模式進(jìn)行列車調(diào)整。當(dāng)在線列車少于門限，那么認(rèn)為系統(tǒng)進(jìn)入平峰時段，此時采用節(jié)能模式進(jìn)行列車調(diào)整。在具體實現(xiàn)的時候，不同日期，高峰與平峰列車保有量有所區(qū)別。因此，需要針對不同的運行圖，制定不同的車輛數(shù)量門限，以便更加準(zhǔn)確地對高峰與平峰時段進(jìn)行判斷。

4 結(jié)束語

目前，從城市軌道交通調(diào)度角度開展節(jié)能研究，還處于起步階段。本文從分析影響城市軌道交通系統(tǒng)節(jié)能的3個因素 （列車運行曲線，再生制動，以及車輛編組）入手，提出了城市軌道交通調(diào)度系統(tǒng)節(jié)能的總體策略，并從運行圖編制節(jié)能和列車運行調(diào)整節(jié)能2個方面進(jìn)行了具體策略研究，為城市軌道交通調(diào)度系統(tǒng)節(jié)能的進(jìn)一步研究和技術(shù)實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 王玉明，劉明君，趙宇剛．城市軌道交通系統(tǒng)運行節(jié)能措施研究［J］．綜合運輸，2011（04）．

［2］ 許愛國．城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)研究［D］．南京航空航天大學(xué)，2009．

［3］ 伍勇，劉思寧．基于節(jié)能和面向旅客服務(wù)的列車編組方案研究［J］．城市軌道交通研究，2004（06）．

［4］ 楊雪峰．城市軌道交通列車節(jié)能運行模式的研究［J］．城市軌道交通研究，2010（08）．

［5］ 丁勇．列車運行計算與設(shè)計 ［M］．北京交通大學(xué)出版社．2011．8．

［6］ 周劍斌，蘇浚，何泳濱．地鐵列車運行再生能利用的研究 ［J］．城市軌道交通研究，2004（04）．