韓 潔

（北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068）

“十四五”規(guī)劃和2035 年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中提出“十四五”期間要達(dá)到廣泛形成綠色生產(chǎn)生活方式，碳排放達(dá)峰后穩(wěn)中有降，生態(tài)環(huán)境基本好轉(zhuǎn)，美麗中國(guó)建設(shè)目標(biāo)基本實(shí)現(xiàn)的戰(zhàn)略目標(biāo)。習(xí)近平總書(shū)記在十九大報(bào)告中也明確指出“綠水青山就是金山銀山”，這也充分說(shuō)明了“節(jié)能減排、綠色環(huán)?！钡闹匾?。節(jié)約能源已經(jīng)成為我國(guó)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略方針。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，消費(fèi)結(jié)構(gòu)持續(xù)升級(jí)，人民群眾對(duì)城市軌道交通安全、可靠、便捷、舒適、經(jīng)濟(jì)的要求越來(lái)越高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2022年底，我國(guó)已有近55 個(gè)城市擁有軌道交通項(xiàng)目，總的運(yùn)營(yíng)里程超過(guò)11000 km。其中地鐵運(yùn)營(yíng)線路占比約78%。做好城市軌道交通節(jié)能減排工作愈發(fā)顯得責(zé)任重大、任重道遠(yuǎn)。

城市軌道交通能源消耗主要集中在列車運(yùn)行能耗和運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)設(shè)備能耗兩大部分，約各占總耗能的50%。運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)設(shè)備的耗能相對(duì)固定，取決于運(yùn)營(yíng)管理模式和設(shè)備配置。而列車運(yùn)行能耗屬于相對(duì)動(dòng)態(tài)的能耗，取決于客流分布、客運(yùn)需求、行車組織以及與其配套的列車運(yùn)行控制策略。本文從減少列車運(yùn)行能耗角度提出一種CBTC 信號(hào)系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行方案，為進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)成本，助力“智慧交通”、“節(jié)能減排”、“綠色出行”的先進(jìn)理念。

1 國(guó)內(nèi)、外現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)、外城市軌道交通行業(yè)中CBTC 信號(hào)系統(tǒng)對(duì)于列車運(yùn)行能耗的節(jié)能主要通過(guò)劃分ATO節(jié)能運(yùn)行等級(jí)實(shí)現(xiàn)。在保證規(guī)定的運(yùn)行能力、旅行速度、正點(diǎn)的前提下，結(jié)合線路平縱斷面、線路節(jié)能坡、列車運(yùn)行間隔、牽引供電分區(qū)、再生制動(dòng)等條件，通過(guò)控制列車運(yùn)行的加速、惰行、制動(dòng)工況對(duì)能耗進(jìn)行控制，并劃分為不同的節(jié)能運(yùn)行等級(jí)。當(dāng)列車早點(diǎn)發(fā)車或運(yùn)行圖編制留有余量的條件下，ATS自動(dòng)將ATO 運(yùn)行等級(jí)調(diào)到低等級(jí)運(yùn)行。該方式節(jié)約能耗有限且相對(duì)固定。

各地地方標(biāo)準(zhǔn)和研究單位為進(jìn)一步指導(dǎo)軌道交通節(jié)能技術(shù)發(fā)展均提出了節(jié)能技術(shù)策略。其中北京市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的《DB11/T1486—2017城市軌道交通節(jié)能技術(shù)規(guī)范》以及城市軌道交通列車通信與運(yùn)行控制國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室發(fā)布的《城市軌道交通列車運(yùn)行節(jié)能控制導(dǎo)則》 明確提出：ATO 子系統(tǒng)應(yīng)充分結(jié)合ATS 子系統(tǒng)與ATP 子系統(tǒng)，對(duì)列車運(yùn)行過(guò)程中的牽引、惰行、制動(dòng)頻度進(jìn)行優(yōu)化。ATS 子系統(tǒng)宜統(tǒng)籌控制同一牽引供電分區(qū)內(nèi)列車的運(yùn)行，合理銜接列車出站時(shí)的牽引工況與進(jìn)站時(shí)的制動(dòng)工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)再生制動(dòng)能量的充分利用。

2 節(jié)能技術(shù)方案

供電系統(tǒng)為地鐵列車提供牽引能量。來(lái)自供電系統(tǒng)的能量經(jīng)過(guò)傳輸/變壓、整流驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳遞最終轉(zhuǎn)換為地鐵列車的運(yùn)行[1]，如圖1 所示。用于牽引的電能除了主要用于牽引的能量外，其他輔助設(shè)備如照明、通風(fēng)、空調(diào)等設(shè)備也消耗能量[2]。因此列車運(yùn)行能耗主要包括牽引能耗和輔助設(shè)備能耗。對(duì)于城市軌道交通CBTC 信號(hào)系統(tǒng)，從降低牽引能耗角度出發(fā)，通過(guò)ATS 和ATO 子系統(tǒng)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的節(jié)能控制。

圖1 能量轉(zhuǎn)化示意圖Fig.1 Schematic diagram of energy conversion

2.1 總體策略

在設(shè)計(jì)時(shí)刻表過(guò)程中，考慮節(jié)能因素，在滿足服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)，減少服務(wù)列車數(shù)量，同時(shí)為列車節(jié)能駕駛留出余量。

協(xié)調(diào)列車的進(jìn)、出站，以使制動(dòng)列車產(chǎn)生的再生能量為牽引列車?yán)谩?/p>

根據(jù)客流情況及服務(wù)質(zhì)量需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)刻表，提高滿載率、減少空駛，提高能量利用效率。

通過(guò)優(yōu)化的駕駛策略，充分利用站間線路特點(diǎn)和計(jì)劃運(yùn)行時(shí)間，減少不必要的牽引，降低能耗[3]。

2.2 ATO 在牽引階段的節(jié)能策略

利用列車特性，由停車到動(dòng)車時(shí)，使用合理百分比牽引力牽引列車有速度，有速度后，根據(jù)速度大小，逐漸增加列車牽引力至最大，通過(guò)ATO 的精確計(jì)算，對(duì)輸出牽引在不同階段精細(xì)化控制，滿足平穩(wěn)操作。

增加PID 算法調(diào)整比例部分的功能，當(dāng)列車速度與目標(biāo)速度差值在5～10 km/h 范圍內(nèi)時(shí)，調(diào)整參數(shù)中的P，使得列車在臺(tái)階處不超調(diào)。

接近目標(biāo)速度時(shí)緩加速，如果目標(biāo)速度上方仍有速度空間（也就是沒(méi)達(dá)到接近EBI 降速的程度），利用坡道勢(shì)能運(yùn)行，節(jié)約能量。

2.3 ATO 在制動(dòng)階段的節(jié)能策略

增加預(yù)測(cè)機(jī)制，提前判斷出前方接近減速區(qū)，然后根據(jù)當(dāng)前線路情況施加合理的減速操作。一般是先惰行，然后再小制動(dòng)；惰行時(shí)間長(zhǎng)短與坡道大小有關(guān)，越是下坡惰行時(shí)間越短，這樣到達(dá)減速區(qū)后列車便能夠平穩(wěn)減速。

增加ATO 停車目標(biāo)制動(dòng)率，這樣做能有效減少停車時(shí)間，減少的時(shí)間可以用來(lái)降低區(qū)間運(yùn)行的最高速度，達(dá)到節(jié)能的目的。

進(jìn)入減速區(qū)，緊緊圍繞目標(biāo)速度進(jìn)行PID 控制調(diào)節(jié)，使列車圍繞減速曲線平穩(wěn)運(yùn)行。

減速末段，預(yù)測(cè)機(jī)制可以提前獲得減速末段信息，做到平穩(wěn)有序減小制動(dòng)力，節(jié)約能量又使ATO駕駛平穩(wěn)。

列車進(jìn)入精確停車階段，為了提高效率，通過(guò)配置數(shù)據(jù)，使進(jìn)站階段的制動(dòng)率在65 cm/s2～75 cm/s2之間，提高進(jìn)站效率，節(jié)省時(shí)間，用來(lái)降低站間的最高速度。

2.4 ATO 在巡航階段的節(jié)能策略

根據(jù)不同運(yùn)行等級(jí)要求，通過(guò)設(shè)置合理的節(jié)能惰行門限，增加惰行時(shí)間，減少牽引耗能操作。

適當(dāng)降低最高運(yùn)行等級(jí)的速度，超過(guò)運(yùn)行等級(jí)速度以及不超過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算最高目標(biāo)速度范圍內(nèi)均不進(jìn)行牽引和制動(dòng)。在該區(qū)域控車時(shí)，只響應(yīng)PID輸出的制動(dòng)，不響應(yīng)PID 輸出的牽引。

次高運(yùn)行等級(jí)運(yùn)行時(shí)，充分利用勢(shì)能進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)和減速運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)線路情況對(duì)每個(gè)站間不同和運(yùn)行等級(jí)速度進(jìn)行微調(diào)，在保證全周轉(zhuǎn)時(shí)間不變的前提下，充分利用勢(shì)能進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)和減速運(yùn)動(dòng)。

2.5 ATS 區(qū)間運(yùn)行時(shí)間的調(diào)整

對(duì)于運(yùn)營(yíng)高峰時(shí)段和非高峰時(shí)段，ATS 子系統(tǒng)采用不同的節(jié)能方案。在保證運(yùn)營(yíng)服務(wù)高質(zhì)量以及乘客舒適度達(dá)標(biāo)的前提下，在非高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)段列車采用節(jié)能控車曲線實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

列車停站后，ATS 子系統(tǒng)根據(jù)本站發(fā)車時(shí)間及計(jì)劃下一站到站時(shí)間，計(jì)算區(qū)間應(yīng)運(yùn)行時(shí)間。開(kāi)啟區(qū)間運(yùn)行自動(dòng)調(diào)整功能后，ATS 子系統(tǒng)根據(jù)計(jì)劃的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，能通過(guò)車-地通信傳輸系統(tǒng)將對(duì)列車運(yùn)行的調(diào)節(jié)命令發(fā)送給ATO，ATO 子系統(tǒng)根據(jù)此調(diào)節(jié)命令控制列車到達(dá)下一個(gè)停車點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間。以此實(shí)現(xiàn)ATS 對(duì)區(qū)間運(yùn)行時(shí)間的控制，達(dá)到有效節(jié)能的目的。

2.6 ATO 的控制模型

車載ATO 子系統(tǒng)是信號(hào)系統(tǒng)控制列車運(yùn)行的最終執(zhí)行環(huán)節(jié)，它精確地執(zhí)行時(shí)刻表的計(jì)劃，并根據(jù)坡度、限速等線路條件結(jié)合優(yōu)化的節(jié)能策略計(jì)算出最佳的節(jié)能自動(dòng)駕駛曲線，進(jìn)而控制列車安全、準(zhǔn)時(shí)、舒適、節(jié)能地完成運(yùn)營(yíng)工作。ATO 子系統(tǒng)的控制模型如圖2 所示。

圖2 ATO 控制模型示意圖Fig.2 ATO control model diagram

2.7 計(jì)劃圖編制建議

2.7.1 運(yùn)營(yíng)交路調(diào)整

確認(rèn)線路客流分布情況，以便進(jìn)一步確認(rèn)是否可以實(shí)行大小交路套跑，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。

2.7.2 站停時(shí)間/運(yùn)行等級(jí)調(diào)整

對(duì)于線路出現(xiàn)的各個(gè)站客流不均的情況，建議根據(jù)早晚高峰時(shí)段、上下行客流不均的情況調(diào)整不同車站的站停時(shí)間，在沒(méi)有早晚高峰以及乘客流量小的車站實(shí)行壓縮站停時(shí)間的手段，根據(jù)優(yōu)化后的站停時(shí)間在不同的站臺(tái)區(qū)間匹配不同的運(yùn)行等級(jí)，在保證全線旅行速度、運(yùn)行間隔的同時(shí)，擴(kuò)大列車運(yùn)行時(shí)間，增加列車在區(qū)間的惰行時(shí)間，進(jìn)而減少列車運(yùn)行帶來(lái)的能量消耗，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的效果。

2.7.3 同一供電分區(qū)列車啟動(dòng)制動(dòng)調(diào)整

建議在保證旅行速度的同時(shí)將同一供電分區(qū)的牽引、制動(dòng)狀態(tài)的列車盡量成對(duì)運(yùn)行，在同一供電分區(qū)內(nèi)處于牽引狀態(tài)列車和制動(dòng)狀態(tài)列車成對(duì)出現(xiàn)的時(shí)候，使制動(dòng)列車輸回電網(wǎng)的再生能量能夠?qū)崿F(xiàn)被處于牽引狀態(tài)下的列車充分利用，大大減少了線路的牽引能耗，從而實(shí)現(xiàn)整體能耗降低的效果，如圖3 所示。

圖3 能耗優(yōu)化原理圖Fig.3 Energy consumption optimization schematic

3 結(jié)語(yǔ)

隨著節(jié)能減排、垃圾分類、綠色出行成為社會(huì)新風(fēng)尚，城市軌道交通行業(yè)的高能耗越來(lái)越受到重視，軌道交通行業(yè)急需引進(jìn)更多先進(jìn)的技術(shù)理念來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，本文提出的CBTC 信號(hào)系統(tǒng)節(jié)能方案，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)列車運(yùn)行能耗中牽引能耗的動(dòng)態(tài)調(diào)整，起到很好的節(jié)能效果，且具備可操作性，為我國(guó)軌道交通行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一定的理論基礎(chǔ)。