北京市軌道交通列車運行節(jié)能控制方案研究與應用

李 晶，荀 徑，尹曉宏，楊艷鋒，毛 芳

（1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司 第十設計所，北京 100045；2.北京交通大學 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；3.北京全路通通信信號研究設計院集團 北京鐵路信號有限公司，北京 102613)

城市軌道交通列車在運行過程中，由于站間距較短，列車啟動、制動頻繁[1]，使得耗電量也在不斷增大。2020年全國城市軌道交通平均單位車公里運營成本24.6元，同比增長1.2元，其中人工成本占比約52.3%，電費占比約10.2%。節(jié)約能源是我國社會和經(jīng)濟發(fā)展的一項長遠戰(zhàn)略方針，城市軌道交通的能耗問題引起社會各方密切關(guān)注。2021年10月中國土木工程學會發(fā)布《城市軌道交通技術(shù)發(fā)展綱要建議(2021—2015)》，多次提到基礎設施綠色化的要求，如“從列車控制層面對列車自動駕駛子系統(tǒng)(ATO)、列車自動監(jiān)控子系統(tǒng)(ATS)進行節(jié)能優(yōu)化控制，達到節(jié)能減排目的”。因此，綠色、節(jié)能是當前城市軌道交通建設和運營管理中極為緊迫的任務，是降低運營成本、提高運營效率，保證城市軌道交通可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。

1 北京軌道交通運營能耗現(xiàn)狀

1.1 軌道交通能耗現(xiàn)狀分析

依托行業(yè)現(xiàn)狀及北京市軌道交通各條線路的實際情況，對2020年北京軌道交通線路的實際能耗情況進行了統(tǒng)計分析。北京地鐵線網(wǎng)人公里耗能指標統(tǒng)計如圖1所示。

圖1 北京地鐵線網(wǎng)人公里耗能指標統(tǒng)計圖Fig.1 Statistics of energy consumption index per person kilometer of Beijing subway line network

從圖1可以看出，客流量越小、擁擠度越低的線路，人公里能耗越高。如北京地鐵13號線，由于長期客流壓力巨大，曾多次壓縮運營間隔來滿足運能，而其人公里能耗則為最低；反觀7號線，因為線路較短、站點設置等客觀因素，客流一直處于低位，其人公里能耗達到了0.08 kW·h/人公里，成為線網(wǎng)中能耗指標最高的線路。因此，更需要詳細研究各線在不同客流時段(高、平峰)的能耗規(guī)律和運行等級調(diào)用的時機，采用節(jié)能運行圖，避免能源的浪費。

1.2 客流分布現(xiàn)狀分析

北京地鐵客流早高峰為7 : 00—9 : 30，晚高峰為17 : 00—19 : 30，其他時段為平峰，周末和特殊節(jié)假日除了旅游景點周邊車站人流較為密集外，其他時段和地點一般客流量不大。北京地鐵日運營時段分布如圖2所示。

圖2 北京地鐵日運營時段分布Fig.2 Distribution of daily operation intervals of Beijing subway

高峰時段客流壓力較大，應該優(yōu)先保證運力，并結(jié)合當前北京雙超運行圖，優(yōu)化折返能力，多拉快跑，提升運營服務質(zhì)量。平峰及周末時段，客流密度較小，可合理調(diào)配運能，重點優(yōu)化牽引能耗，降低運營成本。

1.3 ATO駕駛和人工駕駛的能耗對比分析

北京地鐵列車駕駛模式可根據(jù)不同運營時段進行調(diào)整。以北京地鐵8號線為例，全天大部分時間采用ATO駕駛模式，20 : 30之后，陸續(xù)轉(zhuǎn)入司機人工駕駛模式。北京地鐵8號線ATO駕駛和人工駕駛能耗對比如表1所示。在區(qū)間運行時司機通常采用“定速巡航”的方式人工駕駛列車運行，而ATO駕駛則嚴格按照時刻表控制列車運行[2]。

表1 北京8號線ATO駕駛和人工駕駛能耗對比 kW · hTab.1 Comparison of energy consumption between ATO driving and manual driving of Beijing Subway Line 8

從表1可以看出，ATO駕駛相較于人工駕駛，全程平均牽引能耗高約12.2%，全程平均再生能耗高約22%，全程列車總能耗高約10%。在同等運營等級下，人工駕駛通過減少不要的牽引與制動級位施加，尤其是充分利用線路阻力，利用惰行控制列車降速，減少制動的施加，可以有效地降低列車能耗。

1.4 列車運行控制節(jié)能改造意義

地鐵用電能耗主要包括列車運行能耗和運營系統(tǒng)設備能耗2大部分，其中，運營系統(tǒng)設備能耗取決于列車運行能力需求、運營管理模式、設備配置以及自身技術(shù)水平等諸多因素，屬于相對固定能耗；而列車運行能耗與客流分布、客運需求、行車組織模式以及與其配套的列車運行控制策略等密切相關(guān)，屬于相對動態(tài)能耗[3]。列車運行能耗分為牽引能耗和列車輔助設施能耗。據(jù)統(tǒng)計，2020年度，北京市軌道交通總運行能耗超過20億kW·h，其中牽引能耗就達到近12億kW·h。北京地鐵能耗占比情況如圖3所示。

圖3 北京地鐵能耗占比示意圖Fig.3 Energy consumption proportion of Beijing subway

以北京地鐵8號線為例進行估算，全線日能耗大約為18.3萬kW·h。假定按照牽引能耗占總能耗的60%、日均牽引能耗降低5%計算，則每月可節(jié)省電費約10余萬元，節(jié)能的經(jīng)濟價值相當可觀。

因此，城市軌道交通節(jié)能研究的熱點是在保證列車按運行圖運行的前提下，降低列車的牽引能耗[4]。一個重要途徑就是通過ATO和ATS利用節(jié)能優(yōu)化算法獲得列車駕駛策略后引導列車運行[5]；在滿足列車運行安全準時、平穩(wěn)舒適、停車精確等基礎上，通過優(yōu)化列車控制與計劃有效降低能耗[6]。

2 列車運行節(jié)能控制方案

列車運行節(jié)能控制的整體思路可以從城市軌道交通列車節(jié)能控制應從單列車節(jié)能運行和多列車再生節(jié)能利用2個方面著手[7]，分單車ATO節(jié)能、多車ATS與ATO聯(lián)動節(jié)能、ATS-ATO自適應節(jié)能3種方案推進實施。

2.1 單車ATO節(jié)能方案

單車ATO節(jié)能即對列車采取合理的運行速度控制策略，通過減少牽引制動轉(zhuǎn)換的次數(shù)，盡可能地增加惰行時間。

2.1.1 智能坡道控制策略

列車運行中合理利用區(qū)間坡道，進行勢能與動能的相互轉(zhuǎn)換，避免頻繁牽引、制動帶來的能量損失，可以達到節(jié)能的目的。對于節(jié)能坡和長區(qū)間的坡道，ATO應對坡道速度進行提前的預測和判斷，可以制定以下策略：上坡過程，在區(qū)間限速條件下，盡量增大入坡速度，靠惰行運行到坡道終點；下坡過程，在保證列車出坡速度不越過線路限速的前提下，盡量避免制動；對于區(qū)間短坡，在評估節(jié)能策略對節(jié)能效果貢獻較小的情況下，可以按照平坡處理。這些做法的思路都是盡量避免偏離目標控制曲線，引起不必要的再次牽引，從而降低列車頂棚運行速度，提高區(qū)間惰行比例。區(qū)間下坡道、上坡道加速度控制示意圖如圖4所示。

圖4 區(qū)間下坡道、上坡道加速度控制示意圖Fig.4 Acceleration control in down ramp and up ramp sections

2.1.2 智能過彎控制策略

列車通過彎道時如果速度不合理，則車輪的內(nèi)側(cè)咬合軌道程度加深致使摩擦力增大，造成大量的能量損失。因此，在列車運行至彎道時，應盡量控制列車速度與彎道設計軌道超高限速相近，盡量減少摩擦力造成的能量損耗，更好地達到節(jié)能目的。從而要求ATO提前計算精確的入彎位置并確定合理的過彎速度，盡可能控制列車速度與其相匹配。

2.1.3 智能進出站控制策略

列車進站時，ATO系統(tǒng)應避免因停車不對位引起的再次啟動和停車；并在保證乘客舒適度和停車精度的前提下，以不高于0.8 m/s2的減速度控制列車進站停車。列車出站時，ATO系統(tǒng)也應在保證乘客舒適度的前提下，以不低于0.6 m/s2的加速度控制列車加速至列車運行等級規(guī)定的允許速度；在列車出站加速過程中，當列車速度接近站臺或區(qū)間允許速度時，應及時減小請求的牽引力。

2.1.4 區(qū)間控制策略

列車在限速較低區(qū)間運行時，ATO系統(tǒng)宜以該區(qū)段線路允許的最高運行速度運行，提升線路瓶頸區(qū)段的通過效率。再次牽引的實際速度宜不低于列車運行等級規(guī)定的允許速度的85%，同時盡量增加ATO控制列車在區(qū)間惰行，提高區(qū)間惰行比例，建議針對不同的區(qū)間線路條件采取不同的列車間隔調(diào)整方法[8]。

2.2 多車ATS與ATO聯(lián)動節(jié)能方案

2.2.1 調(diào)取運行等級

列車運行等級設置宜不少于4個等級，等級間允許速度的差值宜為列車最高運行速度的10%，等級4的允許速度宜與列車最高運行速度一致。列車運行等級允許速度設置如表2所示。

表2 列車運行等級允許速度設置 km/hTab.2 Allowable speed setting of train operation level

城市軌道交通列車通信與運行控制國家工程實驗室于2018年12月發(fā)布的《城市軌道交通列車運行節(jié)能控制導則》(白皮書編號：NELURCCWP-2018004)中提出，①高峰時段宜以等級4控制列車運行，平峰時段宜以等級3控制列車運行。②當行車調(diào)度人員人工關(guān)閉列車運行等級調(diào)用功能時，ATO系統(tǒng)應按照等級3控制列車運行，直到人工恢復自動調(diào)整功能。實際上，基于節(jié)能運行圖制定的節(jié)能策略，除了以上2點以外，還可以通過計算列車早晚點情況調(diào)取運行等級，以此來實現(xiàn)列車運行節(jié)能控制的目的。

2.2.2 節(jié)能運行圖編制

節(jié)能運行圖是圍繞客運組織需求，在滿足運輸效率和客運服務水平的條件下，合理設置運行交路、配置運用車組，降低牽引能耗。分別設置高峰、平峰時段的站停時間和區(qū)間運行時間，由ATS自動識別，對于高峰時段，自動向列車下達最高運行等級，ATO在保證運行效率的基礎上，實現(xiàn)節(jié)能的相關(guān)功能；對于平峰時段，根據(jù)區(qū)間運行時間向ATO下達相應的運行等級，ATO啟動相應的節(jié)能策略，實現(xiàn)平峰時段最大限度的節(jié)能。一般情況下，平峰時段宜以等級3的區(qū)間運行時間為基礎，為實際運行預留調(diào)整空間。

另外節(jié)能運行圖還應該標識列車運行能耗計算數(shù)值和行車組織說明等，并且按照高峰、平峰時段所對應的站停時間、區(qū)間運行時間繪制計劃運行圖。同時，考慮到突發(fā)事件、大客流等因素，在編制計劃時刻表時，一般會在停站時間和區(qū)間運行時分上預留一定的余量[9]。

適時調(diào)取運行等級和編制節(jié)能運行圖的措施，可以在不調(diào)整時刻表的前提下，通過編制節(jié)能運行圖和占用圖定站間運營時間裕量、自動匹配列車運行等級等方式，使ATO和ATS結(jié)合起來，根據(jù)實際線路運營情況調(diào)用不同的列車運行等級，使得列車實際運行速度減小，降低無用能耗的消耗。

2.3 ATS-ATO自適應節(jié)能方案

通過與運營調(diào)度部門的緊密配合，對時刻表進行調(diào)整，利用自適應算法使得ATS與ATO協(xié)同工作。優(yōu)化列車運行時刻表，實際上就是調(diào)節(jié)某列車在某站的停站時間，使列車避免同時啟動、同時制動情況的發(fā)生[10]。

ATS發(fā)送下一站的到站時間給車載信號設備，車載設備根據(jù)此信息，自動計算本區(qū)間的區(qū)間運行時間，然后根據(jù)站停時間、早晚點信息、高峰/平峰狀態(tài)等運行等級調(diào)用判據(jù)，實時地自動調(diào)用最優(yōu)控制曲線，實現(xiàn)多車自適應協(xié)同節(jié)能控制。ATSATO自適應節(jié)能算法流程如圖5所示。

圖5 ATS-ATO自適應節(jié)能算法流程Fig.5 Flowsheet of energy conservation algorithm featuring self-adaptive ATS-ATO

ATS-ATO自適應聯(lián)動節(jié)能相較于ATS-ATO聯(lián)動節(jié)能更加智能，主要體現(xiàn)在自適應算法可以根據(jù)實際條件對時刻表進行調(diào)整，真正做到精細化控車。但是值得注意的是，對于客流量較大的線網(wǎng)或線路而言，時刻表的動態(tài)調(diào)整可能會存在運行紊亂等風險。因此建議在高峰時段不調(diào)用自適應節(jié)能運行方案，僅在平峰時段經(jīng)調(diào)度員確認后調(diào)用；同時，在遇到突發(fā)情況下，可人工關(guān)閉節(jié)能曲線調(diào)用功能。

3 列車運行節(jié)能控制方案應用及效果

截止2021年7月，北京地鐵已經(jīng)制定了9條線路的節(jié)能改造規(guī)劃，其中部分線路已經(jīng)開始改造或試驗。北京地鐵各線列控改造節(jié)能效果及效益如表3所示。

表3中，昌平線和5號線已經(jīng)完成單車ATO節(jié)能改造。5號線由于目前正在實施信號升級改造，因此可以考慮一并完成ATS與ATO聯(lián)動節(jié)能改造，類似的線路還有10號線。房山線已經(jīng)完成了ATS與ATO聯(lián)動節(jié)能立項，正在開展相關(guān)實施工作。亦莊線已經(jīng)完成單車ATO節(jié)能試驗和調(diào)試，但是尚未進行工程實施。其余線路均在待實施和未實施階段，可作為后續(xù)重點實施項目有序推進。

表3 北京地鐵各線列控改造節(jié)能效果及效益Tab.3 Energy conservation effect and benefit of train control transformation of Beijing subway lines

可以看出，各線在采取列車運行節(jié)能控制措施的經(jīng)濟效益比較可觀。以能耗較高的7號線為例，單車ATO節(jié)能效果可達到7% (已啟動單車試驗)，每月直接節(jié)省電費23.7萬元；ATS與ATO聯(lián)動節(jié)能在此基礎上預估還可節(jié)能3%左右，每月直接節(jié)省電費29.7萬元；完成ATS-ATO自適應節(jié)能改造后，預計節(jié)能效果將超過12%，每月節(jié)約電費將達到32.6萬元。

4 結(jié)束語

研究城市軌道交通列車運行節(jié)能方法，對打造綠色節(jié)能列控創(chuàng)新生態(tài)圈和保證城市軌道交通系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有深遠意義。結(jié)合運營實測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，對列車運行控制系統(tǒng)的節(jié)能控制策略進行深入分析研究，提出了單車ATO節(jié)能、ATS與ATO聯(lián)動節(jié)能和ATS-ATO自適應節(jié)能3種列車運行節(jié)能控制方案。已經(jīng)實施的試驗數(shù)據(jù)表明，利用在站間增加列車惰行距離減少不必要的牽引制動切換，提升坡道、彎道智能預判，科學設計ATS與ATO系統(tǒng)配合關(guān)系等策略，可以有效降低牽引能耗、提升節(jié)能效果。