青島地鐵11號(hào)線ATO節(jié)能研究

唐寧興，馬 錚，李文彬

卡斯柯信號(hào)有限公司北京分公司，北京 100070

1 ATO節(jié)能原理

列車運(yùn)行過程中須盡可能減少列車牽引時(shí)長，使列車長時(shí)間處于惰行狀態(tài)，并減少牽引制動(dòng)轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)ATO節(jié)能目標(biāo)。車載ATO系統(tǒng)通過ATS系統(tǒng)發(fā)送的下一站到站時(shí)間計(jì)算出區(qū)間剩余運(yùn)行時(shí)間，與列車當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行匹配，進(jìn)而對(duì)后續(xù)的列車牽引制動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。

目前青島11號(hào)線列車ATO模式區(qū)間運(yùn)行過程中采用了如下惰行控制策略，即當(dāng)車在坡度加速或減速超出目標(biāo)速度0.6m/s后，例如在上坡時(shí)，當(dāng)車速降到目標(biāo)速度-0.6m/s時(shí)，則一次制動(dòng)提速到目標(biāo)速度+0.6m/s。

測(cè)試版節(jié)能軟件，為將節(jié)能運(yùn)行時(shí)間與當(dāng)前運(yùn)行圖時(shí)間匹配，對(duì)站間運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

ATO駕駛列車策略與ATS的調(diào)度命令密切相關(guān)。ATO在站臺(tái)接收ATS的命令如下：（1）當(dāng)前站ID；（2）當(dāng)前站發(fā)車時(shí)間；（3）下一站ID；（4）下一站到站時(shí)間。ATO可以根據(jù)上述信息，對(duì)比離線時(shí)計(jì)算的站間運(yùn)行最小時(shí)間和ATS要求的到站時(shí)間，判斷是否需要采用全速運(yùn)行策略，或可以采用節(jié)能策略，并在運(yùn)行過程中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

ATO根據(jù)不同的車輛性能、不同的行車間隔及供電方式，在滿足準(zhǔn)點(diǎn)到站的前提下，主要采取的節(jié)能方式為設(shè)置最低的巡航速度。列車的巡航速度越低，則其達(dá)到該巡航速度的牽引時(shí)間就越短，根據(jù)能量守恒原則，其消耗的電能就越少。

在線路坡度較陡，但坡度變化不多的區(qū)域，采用較小的恒定牽引力或制動(dòng)力保持列車恒速，可以避免牽引和制動(dòng)來回切換。檢查點(diǎn)（CKP）原理如圖1所示。

圖1 檢查點(diǎn)（CKP）原理圖

離線會(huì)定義多條恒速的站間運(yùn)行曲線，每條運(yùn)行曲線被多個(gè)CKP點(diǎn)分割描述并存儲(chǔ)于車載數(shù)據(jù)中。每個(gè)CKP點(diǎn)記錄著不同的巡航速度以及不同的剩余到站時(shí)間。當(dāng)列車經(jīng)過1個(gè)CKP點(diǎn)時(shí)，根據(jù)到站的剩余時(shí)間，對(duì)上下兩條運(yùn)行曲線進(jìn)行線性插值，計(jì)算出適合的巡航速度。

列車每經(jīng)過1個(gè)CKP點(diǎn)，就會(huì)根據(jù)剩余時(shí)間計(jì)算出一個(gè)準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)的平均速度，當(dāng)列車的實(shí)際速度在平均速度上下一定范圍內(nèi)游離時(shí)，ATO將保持惰行狀態(tài)，當(dāng)列車實(shí)際速度游離到該范圍之外時(shí)，ATO會(huì)施加牽引或制動(dòng)命令，使列車回到該平均速度。調(diào)整速度原理圖如圖2所示，圖2中虛線表示計(jì)算出的平均速度，兩條實(shí)線中間的部分表示ATO保持惰行命令的速度范圍，當(dāng)列車的速度超過綠線范圍時(shí)，ATO將施加牽引或制動(dòng)命令加以修正。

圖2 調(diào)整速度原理圖

Coasting為列車處于惰行狀態(tài)，Recovering為列車施加牽引（或制動(dòng)）命令，使列車的速度回到允許惰行的范圍內(nèi)，調(diào)整后的速度-距離曲線如圖3所示。

圖3 調(diào)整后的速度-距離曲線

2 ATO節(jié)能測(cè)試結(jié)果

2020年12月4日晚1104車使用優(yōu)化試驗(yàn)版車載軟件進(jìn)行了測(cè)試，同時(shí)與12月14日末班調(diào)試車1103車空載運(yùn)行的能耗曲線進(jìn)行了對(duì)比。

根據(jù)對(duì)比情況，上行鰲山灣-苗嶺路試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效，可以進(jìn)行對(duì)比，上行數(shù)據(jù)對(duì)比如表1所示。

表1 上行數(shù)據(jù)對(duì)比

調(diào)整之后的節(jié)能軟件，已經(jīng)基本滿足節(jié)能運(yùn)行時(shí)間，與圖定運(yùn)行時(shí)間相符合，個(gè)別區(qū)間由于線路原因限制會(huì)超過圖定運(yùn)行時(shí)間1～3s，整體已經(jīng)符合要求。

從目前的試驗(yàn)?zāi)芎臄?shù)據(jù)來看，通過對(duì)比試驗(yàn)版車載軟件與運(yùn)營版軟件的能耗，總體節(jié)能10%，圖定運(yùn)行時(shí)間也符合要求。目前尚未完成全周轉(zhuǎn)的運(yùn)行時(shí)間和測(cè)試，需要后續(xù)通過更多的測(cè)試進(jìn)行能耗分析。

3 結(jié)束語

文章在現(xiàn)有列車自動(dòng)駕駛算法的基礎(chǔ)上，提出一種可實(shí)現(xiàn)的列車ATO實(shí)時(shí)優(yōu)化節(jié)能控制算法以及ATS動(dòng)態(tài)運(yùn)行圖調(diào)整算法，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)車試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行單圈（上行）牽引能耗降低10%。與此同時(shí)，下一步還需進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)能運(yùn)行圖，統(tǒng)籌控制統(tǒng)一牽引供電分區(qū)內(nèi)的列車運(yùn)行，充分利用再生能量。對(duì)于具備能量反饋功能的列車，制動(dòng)能量會(huì)反饋回電網(wǎng)，被同一供電區(qū)內(nèi)的其他正在牽引的列車?yán)?，利用此反饋機(jī)制，可對(duì)運(yùn)行圖進(jìn)行再生制動(dòng)節(jié)能優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全線制動(dòng)和牽引列車在運(yùn)行圖和實(shí)際運(yùn)營時(shí)的最優(yōu)匹配，將列車停車制動(dòng)時(shí)反饋到電網(wǎng)的能量充分利用到同一時(shí)間段列車啟動(dòng)時(shí)的牽引供能，以減少全線列車總能耗。