魏榮華

（廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建廈門 361004）

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)及社會(huì)的發(fā)展、城市結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及人們對(duì)于出行要求的提高，國內(nèi)各大城市都加快了軌道交通的建設(shè)速度。地鐵相對(duì)于其他城市公共交通出行方式，在環(huán)保方面具有污染小、節(jié)省能源和節(jié)約用地資源等特點(diǎn)。不過由于地鐵運(yùn)量大，地鐵系統(tǒng)能源消耗總量依然巨大，而牽引能耗約占總能耗的 40%～48%[1]，節(jié)能潛力巨大。因此，在當(dāng)前我國開創(chuàng)建設(shè)新局面的背景下，分析如何通過優(yōu)化列車運(yùn)行圖減少牽引能耗，并對(duì)牽引節(jié)能效果進(jìn)行分析，對(duì)節(jié)約能源、降低運(yùn)營成本具有重要意義。

1 牽引節(jié)能方案分析

1.1 影響牽引能耗的因素

牽引能耗是指地鐵列車運(yùn)行過程中消耗的電能[2]，主要受基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸組織模式影響，基礎(chǔ)設(shè)施主要包括線路、列車和供電系統(tǒng)等[3]。由于廈門地鐵 1 號(hào)線已經(jīng)建設(shè)完成，這部分的能耗因素基本確定，因此，從運(yùn)輸組織模式方面尋找合適的節(jié)能措施的可行性更高。

運(yùn)輸組織模式主要包括列車技術(shù)速度、停站方案和運(yùn)行方案等[4]。這部分的能耗是可控的，可通過優(yōu)化列車運(yùn)行圖找出較優(yōu)的運(yùn)輸組織模式，最終達(dá)到降低車輛牽引能耗的目的。

牽引能耗主要包括牽引系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行的能耗、空調(diào)照明等車載輔助設(shè)備運(yùn)行的能耗（輔助能耗）及再生制動(dòng)反饋回接觸網(wǎng)的能耗（再生制動(dòng)能耗）[5]。輔助能耗主要受氣溫、車載設(shè)備、線路屬性的影響，與運(yùn)輸組織模式關(guān)系不明顯；再生制動(dòng)能耗不僅與運(yùn)輸組織模式有關(guān)，更多的是由列車屬性、列車運(yùn)行過程、牽引供電電壓、能量吸收裝置決定[6]。因此，本文分析牽引節(jié)能效果時(shí)不考慮輔助能耗及再生制動(dòng)能耗。

1.2 牽引節(jié)能方案的確定

運(yùn)輸組織模式的選擇對(duì)車輛牽引能耗有較大影響，較優(yōu)的運(yùn)輸組織模式需要在保證運(yùn)營要求和服務(wù)質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)車輛牽引能耗的合理配置。牽引能耗與列車技術(shù)速度密切相關(guān)，提高列車技術(shù)速度可提高列車旅行速度，提升線路運(yùn)輸能力，但牽引能耗也將相應(yīng)增加[7]。在保證運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量的前提下，需要平衡列車技術(shù)速度與牽引能耗之間的關(guān)系。因此，可以通過優(yōu)化列車運(yùn)行圖的方式，在高峰期采用設(shè)計(jì)技術(shù)速度確保大客流運(yùn)送，在平峰、低峰期則適當(dāng)降低技術(shù)速度運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2 牽引節(jié)能效果分析

2.1 列車運(yùn)行等級(jí)

在廈門地鐵 1 號(hào)線的卡斯柯信號(hào)系統(tǒng)中，列車可以按照 5 種運(yùn)行等級(jí)行車（等級(jí) 1～等級(jí) 5），等級(jí)數(shù)值越小表示列車在區(qū)間運(yùn)行的技術(shù)速度越大。在列車運(yùn)行圖編制過程中，卡斯柯離線編圖工作站默認(rèn)采用運(yùn)行等級(jí) 3 進(jìn)行編圖。

2.2 牽引能耗測試

為確定不同技術(shù)速度的牽引能耗并對(duì)牽引節(jié)能效果進(jìn)行分析，廈門地鐵 1 號(hào)線于 2018 年 3 月期間組織對(duì)列車在運(yùn)行等級(jí) 3～等級(jí) 5 速度模式下的牽引能耗進(jìn)行測定，測定結(jié)果見表 1、表 2。根據(jù) 2018 年 3 月期間廈門地鐵 1 號(hào)線采用的中間站停站時(shí)間方案，運(yùn)行等級(jí) 3 對(duì)應(yīng)技術(shù)速度為 44.82 km/h，旅行速度為 34.73 km/h；運(yùn)行等級(jí) 4對(duì)應(yīng)技術(shù)速度為 42.87 km/h，旅行速度為 33.55 km/h；運(yùn)行等級(jí) 5 對(duì)應(yīng)技術(shù)速度為 41.12 km/h，旅行速度為32.46 km/h。

從表 1 中的數(shù)據(jù)可知，廈門地鐵 1號(hào)線列車在默認(rèn)等級(jí) 3 速度模式下運(yùn)行1 個(gè)周期（約114 min 45 s）的牽引能耗約為 633 kW · h，每車公里牽引能耗約為 1.76 kW · h；列車在等級(jí) 4 速度模式下運(yùn)行 1 個(gè)周期（約 120 min 10 s）的牽引能耗約為 528 kW · h，每車公里牽引能耗約為 1.47 kW · h；列車在等級(jí) 5 速度模式下運(yùn)行 1 個(gè)周期（約 124 min 35 s）的牽引能耗約為 475 kW · h，每車公里牽引能耗約為 1.32 kW · h?？梢?，列車在區(qū)間運(yùn)行的技術(shù)速度越大，則相對(duì)應(yīng)的車輛牽引能耗就越大。

從表 2 中的數(shù)據(jù)可知，相比于列車在默認(rèn)等級(jí) 3 速度模式下運(yùn)行，列車在等級(jí) 4 速度模式下運(yùn)行時(shí)，單程運(yùn)行時(shí)間增加 109 s，能耗降低 16.48%；列車在等級(jí) 5 速度模式下運(yùn)行時(shí)，單程運(yùn)行時(shí)間增加 215 s，能耗降低 25%?？梢?，單程運(yùn)行時(shí)間增加很少，節(jié)能效果顯著。

2.3 實(shí)際應(yīng)用的牽引節(jié)能效果

在滿足線路情況、運(yùn)營要求的前提下，客流平峰期和低峰期降低列車運(yùn)行等級(jí)，可減少牽引能耗。廈門地鐵 1 號(hào)線通過平峰期采用運(yùn)行等級(jí) 4 速度模式、低峰期采用運(yùn)行等級(jí) 5 速度模式編制列車運(yùn)行圖，相比于全天采用默認(rèn)運(yùn)行等級(jí) 3 模式，以 2018 年 3 月廈門地鐵 1 號(hào)線采用的優(yōu)化后的運(yùn)行圖為基礎(chǔ)進(jìn)行如下計(jì)算。

（1）優(yōu)化后的工作日運(yùn)行圖運(yùn)行等級(jí) 4 運(yùn)營里程約 2 963 列公里，按照每列公里節(jié)省能耗約 1.75 kW · h 計(jì)算；運(yùn)行等級(jí) 5 運(yùn)營里程 883 列公里，按照每列公里節(jié)省能耗約 2.63 kW · h 計(jì)算，工作日每天可大約節(jié)省 7 508度電。

（2）優(yōu)化后的節(jié)假日運(yùn)行圖運(yùn)行等級(jí) 4 運(yùn)營里程約 1 046 列公里，按照每列公里節(jié)省能耗約 1.75 kW · h 計(jì)算，節(jié)假日每天可大約節(jié)省 1 831 度電。

以 1 年分別有工作日 250 天、節(jié)假日 115 天為例，按照廈門地鐵 1 號(hào)線 2018 年 3 月執(zhí)行的 0.68 元/度的電費(fèi)計(jì)算，具體節(jié)能成效見表 3。

從表 3 中的數(shù)據(jù)可知，工作日每天可節(jié)省電費(fèi) 5 105元，節(jié)假日每天可節(jié)省電費(fèi) 1 245 元，預(yù)計(jì)全年可節(jié)約電費(fèi)約 142 萬元。

表1 列車在等級(jí) 3～等級(jí) 5 速度模式下運(yùn)行的牽引能耗統(tǒng)計(jì)

表2 列車在等級(jí) 3～等級(jí) 5 速度模式下運(yùn)行的牽引能耗對(duì)比

表3 牽引節(jié)能成效情況統(tǒng)計(jì)

2.4 乘客服務(wù)影響

廈門地鐵 1 號(hào)線目前通過優(yōu)化運(yùn)行圖在平峰期、低峰期適當(dāng)降低列車技術(shù)速度，取得了較好的牽引節(jié)能效果，不過也對(duì)乘客服務(wù)產(chǎn)生了一定的影響，導(dǎo)致乘客出行的時(shí)間有所延長。另外，可能會(huì)影響到全線的上線列車數(shù)或行車間隔，具體影響如下。

（1）相比于列車在等級(jí) 3 速度模式下運(yùn)行，列車在等級(jí) 4、等級(jí) 5 速度模式下運(yùn)行時(shí)技術(shù)速度分別降低1.95 km/h、3.70 km/h，旅行速度分別降低 1.18 km/h、2.27 km/h，單程運(yùn)行時(shí)間分別延長 109 s、215 s。由于各參數(shù)變化數(shù)值較小，乘客很難感知，因此，適當(dāng)降低列車運(yùn)行速度對(duì)乘客出行體驗(yàn)影響很小。

（2）廈門地鐵 1 號(hào)線在平峰、低峰期列車數(shù)量配置充裕，對(duì)行車間隔要求相對(duì)較低，平峰、低峰期的正常運(yùn)營不會(huì)因?yàn)檫m當(dāng)降速導(dǎo)致增加上線列車數(shù)或擴(kuò)大行車間隔而受影響，但是對(duì)于地鐵運(yùn)營初期的列車檢修計(jì)劃安排有一定影響。

3 結(jié)論

本文分析了如何通過優(yōu)化列車運(yùn)行圖減少車輛牽引能耗，并對(duì)廈門地鐵 1 號(hào)線的實(shí)際牽引節(jié)能效果進(jìn)行了定量分析。廈門地鐵 1 號(hào)線目前通過安排列車在平峰期采用等級(jí) 4 速度模式運(yùn)行、低峰期采用等級(jí) 5 速度模式運(yùn)行的方式編制列車運(yùn)行圖，相比于全天采用默認(rèn)運(yùn)行等級(jí) 3 速度模式運(yùn)行的列車運(yùn)行圖，在基本不影響生產(chǎn)運(yùn)作、乘客體驗(yàn)的前提下達(dá)到了較好的節(jié)能效果，降低了運(yùn)營能耗成本，對(duì)其他城市地鐵通過優(yōu)化列車運(yùn)行圖降低車輛牽引能耗的相關(guān)工作具有一定的借鑒意義。