張清華，韓坤，楊鵬，王子贏

中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266000

相較于傳統(tǒng)市域車固定編組的運營模式，靈活編組市域車能夠根據(jù)客流的需要調(diào)整動車組的編組模式。客流量小的情況，合理配置小編組動車組可有效降低車重，從而降低列車能耗；在區(qū)域客流分布不均衡的情況下，將列車進行合理聯(lián)編和解編，可優(yōu)化列車的發(fā)車間隔，解決區(qū)域性運力不平衡問題。

隨著世界高速鐵路和軌道交通裝備技術(shù)的發(fā)展與進步，動車組在鐵路旅客運輸中發(fā)揮著越來越重要的作用。國外正努力發(fā)展具有靈活編組特點的動車組，如德國ICE動車組能實現(xiàn)7～14輛編組，是西門子正在為德國鐵路股份公司研制的比較有代表性的新型城際動車組[1]；法國TVG動車組可實現(xiàn)10～20輛編組；日本采用多種型號重聯(lián)方式，均可實現(xiàn)列車的靈活編組運營[2-4]。

國內(nèi)有關(guān)單位也對可靈活編組動車組進行了研究和設(shè)計。從21世紀(jì)初到2015年，李宇東等[5]研究發(fā)現(xiàn)非高峰運營時段的列車運行存在能力虛糜現(xiàn)象，論證開行編掛輛數(shù)少的“短列”的可行性和經(jīng)濟效益，而仍然屬于固定編組的范疇；2017年康洪軍等[6]研究指出，可變編組動車組在運能充裕的城際線路和長大干線的適用性更強；2017～2019年，肖翔等[7-8]利用多元回歸的方法初步建立起靈活編組動車組經(jīng)濟效益評價模型；從2019年至今，閆振英等[9]建立概率非線性規(guī)劃模型，主要研究靈活編組動車組客座分配問題，得出在客流需求強度較小時靈活編組動車組更具有經(jīng)濟優(yōu)勢的結(jié)論；2021年，范海寧等[10]以深圳地鐵9號線為例，介紹了具體的靈活編組方案、功能需求及其實施，分析了平峰期采用3節(jié)編組列車運營的經(jīng)濟效益。 2021年，霍亮等[11]對比分析不同速度等級條件下8輛兼顧4輛編組列車車型的主要技術(shù)參數(shù)，研究該型編組列車在輸送能力、追蹤間隔、加速性能以及定員設(shè)置等方面特性，以長株潭城際線路為例驗證其公交化開行的技術(shù)優(yōu)勢。

目前對靈活編組動車組的研究多是從客流高低峰的時間角度揭示靈活編組動車組的經(jīng)濟優(yōu)勢，粗略估算可能達到的節(jié)能效果。此類研究多以定性分析為主，缺乏針對特定線路、特定車型有效可行的靈活編組能耗仿真方法，因此需要探索新的針對列車編組模式的仿真方案及評價指標(biāo)，更加準(zhǔn)確地量化分析靈活編組運營方案的優(yōu)勢。

1 靈活編組能耗仿真方法設(shè)計

1.1 線路概況

選取北方某市（簡稱X市）待規(guī)劃市域鐵路（統(tǒng)稱R1線）搭建靈活編組市域車模型，進行仿真。其線路、牽引變電站設(shè)置如圖1所示。

圖1 X市R1線路規(guī)劃線路圖

根據(jù)X市實際規(guī)劃情況，R1線主要包括4個支線段和1個干線段，構(gòu)成“H”型線路圖。支線段分別為AE、BE、CF、DF支線段；干線段為EF干線段。其中AE支線線路規(guī)劃長度約為27 km；BE支線線路規(guī)劃長度為16.1 km；CF支線線路規(guī)劃長度約為34.13 km；DF支線規(guī)劃線路長度為38.6 km；EF干線線路長度約為27.3 km。線路速度等級為140～160 km/h。干線段地處X市市中心，貫穿整個城市，承擔(dān)著連結(jié)各條支線的作用，因此，干線段客流量遠高于支線段。

在實驗室構(gòu)建數(shù)字化線路，建立城軌列車編組對比仿真模型，模擬X市R1線路上單輛列車真實運行情況，利用實時仿真機求解最低能耗值，給出了靈活編組與固定編組的仿真能耗對比。整個仿真模型包括信號控車仿真、車輛仿真和供電仿真3部分。

1.2 仿真設(shè)計

1.2.1 仿真場景設(shè)定

仿真主要分按固定編組和靈活編組2種情況執(zhí)行。

1）固定編組能耗仿真

固定編組能耗仿真模型共對R1線上2條主要行車路線進行仿真：1) A—E—F—C路線；2) B—E—F—D路線。2條路線列車全程均采用8編組運營模式，列車定員人數(shù)為664人/列。

2）靈活編組能耗仿真

靈活編組能耗仿真列車在支線段采用4編組，列車定員人數(shù)為664人；在列車行駛至干線段后，2條支線的列車進行聯(lián)編，形成8編組列車，列車定員人數(shù)為1 328人/列；到達干線末端后列車解編，形成2列4編組列車分別去往2個方向，列車定員人數(shù)為664人/列。

對2種編組方式的運載能力按路線段做等效拆分，如表1～2所示。

表1 固定編組運營模式運載能力

表2 靈活編組運營模式運載能力

2種編組模式總運載人數(shù)均為3 984人，運載能力相同。

1.2.2 信號控車仿真方法

分別針對干線和支線，根據(jù)實際線路規(guī)劃和車數(shù)情況，通過牽引計算[12]獲得車輛站間運行的最優(yōu)“時間-速度曲線”，并根據(jù)車輛的“時間-速度曲線”得到不同車輛在站間運行的信號控車指令。

1.2.3 供電系統(tǒng)仿真方法

對靈活編組與固定編組運營模式分別建立Simulink模型，進行仿真對比，評估靈活編組節(jié)能效果。

R1線支線段和干線段的供電仿真模型均采用AT供電方式[13]，圖1展示了AT所與牽引變電所分布位置，圖1中序號1、2位置分別對應(yīng)牽引變電所1、牽引變電所2，每個變電所分左右兩條供電臂為線路供電。AT所規(guī)劃布置間隔約為5 ～10 km，考慮實際支線與干線線路的長度，單供電臂長度20～30 km。

線路仿真模型的搭建需要輸入相應(yīng)的線路信息并對線路運營車輛的參數(shù)進行配置，線路信息主要包括車站數(shù)量、位置、線路坡道、曲線、限速等。高速鐵路牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)體數(shù)目多，各導(dǎo)體間存在電容耦合和互感。根據(jù)牽引網(wǎng)降解方法[14]，將牽引網(wǎng)系統(tǒng)簡化為5組等值導(dǎo)體[15]，如此，可將單位長度模型進行組合得到任意長度的牽引網(wǎng)線路模型。

為降低搭建的模型規(guī)模和復(fù)雜度，提高模型實時化調(diào)試效率，將R1線路拆分，構(gòu)造成AE、BE、EF、FC和FD 等5條線路段進行單車仿真。由圖1中X市牽引變電所規(guī)劃布局所示，AE段由變電所1左供電臂供電；EF段由變電所1左供電臂、變電所1右供電臂、變電所2左供電臂分區(qū)供電；FC段由變電所2左供電臂、變電所2右供電臂分區(qū)供電；BE段由變電所1左供電臂供電，F(xiàn)D段由變電所2左供電臂供電。對各線路段分別進行單車運行仿真，再將各線路段的能耗進行合理組合加和，即可分別對固定編組模式下A—E—F—C路線及B—E—F—D路線的總能耗進行分析。

1.2.4 車輛仿真方法

R1線運營車輛車型采用市域D型車，參考車型為CRH6F[16-17]，最高運行時速為160 km/h，需搭建對應(yīng)的車輛仿真模型。固定編組動車組列車基準(zhǔn)模型的定義為：列車為固定8編組，列車定員人數(shù)為664人/列，車輛變流器為Si功率器件，采用異步牽引電機，工頻AC380V輔助電源，考慮再生制動能量。靈活編組運行模式為列車在各支線運行時，采用4編組列車運行，在干線通道時8編組運行。4編組列車定員人數(shù)為664人，8編組列車定員人數(shù)為1 328人。表3為不同編組模式車輛參數(shù)對比。

表3 不同編組模式車輛參數(shù)對比

每臺變流器的結(jié)構(gòu)為主輔一體，變流器具體的容量與效率參數(shù)如表4所示。

表4 變流器參數(shù)

2 結(jié)果對比與分析

2.1 能耗評價指標(biāo)

能耗分析主要評價指標(biāo)包括區(qū)間運行時間內(nèi)的牽引實際總能耗、列車每人每公里的能耗以及列車每節(jié)每公里的能耗。由于列車制動會產(chǎn)生電能回饋，因此牽引實際的總能耗為供電網(wǎng)總能耗減去制動回饋產(chǎn)生的電能。單車區(qū)間運行時間為列車上行或下行從起始站運行至終點站的時間。其中各個指標(biāo)的計算方法如式(1)～(3)所示。

1)區(qū)間運行時間內(nèi)的牽引實際總能耗Ep通過仿真計算獲得，單位kWh；

2)列車每人每公里的能耗Ep1，kWh/(km·人)：

式中：Etotal為區(qū)間運行時間內(nèi)的總能耗，ρp為列車定員人數(shù)，Lu為上行線路長度，Ld為下行線路長度。

3)列車每節(jié)每公里的能耗Ep2，kWh/(km·節(jié))：

式中ρc為列車編組數(shù)量。

4）列車每公里每噸的能耗Ep3，kWh/(km·噸)

式中mc為列車總重量。

R1線仿真線路主要包括AE支線、BE支線、CF支線、DF支線以及EF干線通道，各線路的實際牽引所能耗分別為EAE、EBE、ECF、EDF、EEF。E總為模型的牽引所實際總能耗。各線路模型中總的牽引所實際能耗計算方式如式(4)、(5)所示。

固定編組模型計算為

靈活編組模型計算為

2.2 A—E—F—C路線仿真結(jié)果對比

對各線路段分別進行仿真，繪制各變電所能耗曲線如圖2～4所示。

圖2 不同編組模式AE段實際能耗曲線

圖3 不同編組模式EF段實際能耗曲線

圖4 不同編組模式FC段實際能耗曲線

表5為A—E—F—C路線各線段能耗評價指標(biāo)。

2.3 B—E—F—D路線仿真結(jié)果對比

對BE、EF、FD 3條線路段分段進行車輛運行仿真，繪制各變電所各供電臂能耗曲線如圖5～圖7所示。

表6為B—E—F—D路線能耗評價指標(biāo)，分析方式同A—E—F—C路線。

2.4 不同編組模式牽引實際總能耗對比

將仿真計算結(jié)果進行分析和處理得到各線路模型中總的牽引所實際能耗，結(jié)果如表7所示。

2.5 能耗仿真結(jié)果總結(jié)與分析

結(jié)合表5和表6所示路線各線段能耗評價指標(biāo)及表1和表2給出的各編組模式載客能力對比，對仿真結(jié)果進行總結(jié)。在不同編組模式各線路段實際載客人數(shù)相同的前提下：

1) AE、FC兩支線段由于固定編組模式為8編組，靈活編組模式為4編組，靈活編組模式下單輛列車車節(jié)數(shù)少，因此列車每節(jié)每公里的能耗指標(biāo)高，列車每公里每噸載人多，但區(qū)間運行總能耗減少，每人每公里能耗指標(biāo)低，可見在支線段靈活編組模式相對固定編組模式載客效率大幅提升；

圖5 不同編組模式BE段實際能耗曲線

圖6 不同編組模式EF段實際能耗曲線

圖7 不同編組模式FD段實際能耗曲線

表6 B—E—F—D路線各線段能耗評價指標(biāo)

表7 不同編組模式牽引實際總能耗對比

2) EF干線段，不同編組模式的單輛列車均為8編組，但靈活編組模式單輛列車定員人數(shù)為1 328人，高于固定編組模式單輛定員人數(shù)664人，總重量增加，因此靈活編組模式總能耗指標(biāo)數(shù)值稍高，但列車每人每公里的能耗低，載客效率高；

3) 靈活編組運營模式下各支線的實際能耗相比固定編組模型的實際能耗有明顯降低，實際總能耗下降28.81%。

結(jié)合仿真場景設(shè)計，對仿真結(jié)果產(chǎn)生的原因進行分析：

1) 在支線段保證載客能力相同（列車定員同為664人）的前提下，靈活編組運營方式將列車編組由8編組減為4編組，降低了車重，從而有效節(jié)省了牽引能耗。

2) 在干線段，靈活編組運營方式將兩個4編組列車聯(lián)編形成8編組列車，對比固定編組運營模式，雖然列車編組同為8編組，但載客能力翻倍（2列4編組列車列車定員同為664人，聯(lián)編后列車定員為1 328人），獲取同等運力所需列車發(fā)車次數(shù)由2列減為1列，有效降低了能耗。

3) 靈活編組模式對比固定編組模式，靈活編組的支線段可同時發(fā)車，到達干線段后聯(lián)編，駛出干線段后解編；而由于干線段單向僅一條軌道，固定編組同一時間僅可發(fā)車A—E—F—C路線或B—E—F—D路線。靈活編組模式在保證干線段相同發(fā)車間隔下，有效增加了支線段的發(fā)車密度，縮短了支線段的發(fā)車間隔。

3 結(jié)論

1) 本文設(shè)計了一種靈活編組運營模式的能耗仿真實現(xiàn)方法，包括信號控車仿真方法、車輛仿真方法、供電系統(tǒng)仿真方法，對靈活編組模式進行了能耗仿真計算，驗證了該仿真方法的有效性和可行性。

2) 給出了不同列車編組模式能耗評價指標(biāo)，能夠更加準(zhǔn)確有效地評估不同編組模式下的列車節(jié)能效果。

3) 根據(jù)實際線路情況搭建了城軌列車編組模式對比模型，在實驗室借助實時仿真機模擬一組特定線路上單車運行情況，得到了不同列車編組模式的能耗仿真結(jié)果。結(jié)果顯示，靈活編組運營方式與固定編組運營方式相比牽引總能耗下降28.81%，節(jié)能效果顯著，且靈活編組列車能夠有效提高支線段的發(fā)車間隔，解決區(qū)域性運力不平衡的問題。

綜上所述，本文對于列車靈活編組運營模式的能耗評估采用規(guī)范指標(biāo)、建模仿真、量化計算的方法，對于指導(dǎo)列車編組能耗仿真計算，以及運力不平衡的區(qū)域列車編組規(guī)劃或優(yōu)化具有指導(dǎo)性意義。