黃 璞

(杭州杭港地鐵有限公司 杭州 310017)

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ATO列車惰行模式節(jié)能應(yīng)用研究

黃 璞

(杭州杭港地鐵有限公司 杭州 310017)

在借鑒國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，在國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)線路上對(duì)ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng))惰行控制進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，得到ATO列車在運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表下惰行模式的實(shí)際節(jié)能效果。結(jié)果表明：在列車運(yùn)行過程中，采用惰行模式可以有效降低列車的能耗，達(dá)到節(jié)能減排的目的；并結(jié)合線路運(yùn)營(yíng)情況，對(duì)ATO列車惰行模式運(yùn)營(yíng)進(jìn)行ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng))時(shí)刻表優(yōu)化和到發(fā)站操作流程的優(yōu)化，可降低節(jié)能模式對(duì)運(yùn)營(yíng)服務(wù)的影響。

城市軌道交通；列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)；惰行；節(jié)能

隨著城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，在帶動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的同時(shí)，也帶來了諸如交通擁堵、環(huán)境污染、能源消耗等城市問題。為降低在城市化進(jìn)程中出現(xiàn)的交通問題，越來越多的城市選擇了“公交優(yōu)先”的發(fā)展模式，城市軌道交通作為公共交通的重要組成部分，具有安全、快捷、準(zhǔn)點(diǎn)、環(huán)保、運(yùn)輸能力大等特點(diǎn)，受到城市建設(shè)的青睞。

截至2015年底，國(guó)內(nèi)城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路累計(jì)達(dá)到97條，運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)到3 087 km，運(yùn)營(yíng)車站達(dá)到2 023座，居世界第一位[1]。而軌道交通是一個(gè)能耗較大的行業(yè)，根據(jù)目前軌道交通運(yùn)營(yíng)線路的能耗數(shù)據(jù)分析，列車運(yùn)行時(shí)的牽引用電約為總用電量的50%～60%。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)使用CBTC(基于通信的列車自動(dòng)控制系統(tǒng))運(yùn)營(yíng)的線路，運(yùn)營(yíng)行車間隔最小可達(dá)90 s，隨著行車間隔的縮短，牽引用電量隨之上升，總運(yùn)營(yíng)能耗量呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，運(yùn)營(yíng)成本隨之上升。因此，通過技術(shù)手段降低城市軌道交通能耗，減少用電總量，成為降低城市軌道交通運(yùn)營(yíng)成本最為有效的途徑。

在地鐵列車節(jié)能控制方面，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究[2]。在設(shè)計(jì)階段可考慮增加節(jié)能坡、列車使用節(jié)能設(shè)備等，在運(yùn)營(yíng)階段可考慮列車采用惰行、編制節(jié)能時(shí)刻表的方式來實(shí)現(xiàn)。本文在借鑒國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，在國(guó)內(nèi)某條運(yùn)營(yíng)線路上對(duì)Ansaldo STS CBTC系統(tǒng)的惰行控制進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，得到了在相應(yīng)ATS(列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng))時(shí)刻表下ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng))列車“惰行”的實(shí)際節(jié)能效果。

1 惰行節(jié)能研究

1.1 惰行在列車運(yùn)行過程中的作用

在列車運(yùn)行過程中，列車發(fā)動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，列車處于無牽引、無制動(dòng)，只在阻力作用下運(yùn)行的過程，該過程即為列車的惰行。列車在線路上的運(yùn)行主要有牽引、惰行、制動(dòng)等3種工況，列車在不同工況下的耗能存在明顯區(qū)別。由于列車在惰行過程中只有較少時(shí)間進(jìn)行牽引，使列車運(yùn)行時(shí)電能的消耗得以減少。在列車運(yùn)行過程中，適當(dāng)?shù)夭扇《栊校梢杂行p少列車牽引用電的使用，從而達(dá)到節(jié)約能耗的目的[3]。地鐵列車在站間運(yùn)行過程中，盡量多使用惰行，是一種有效的列車節(jié)能方式。

1.2 列車惰行節(jié)能方案

針對(duì)已運(yùn)營(yíng)的線路，結(jié)合運(yùn)營(yíng)密度，在確保運(yùn)能、投入列車數(shù)量最少的基礎(chǔ)上，理論上采用“ATO+惰行”模式運(yùn)行的列車，其牽引用電最小。ATO列車惰行運(yùn)行曲線如圖1所示。

圖1 惰行運(yùn)行曲線

圖1顯示了列車出站(A)先加速, 然后惰行、減速,最后停在臨近車站(B)。當(dāng)ATO接收到一個(gè)指令，列車達(dá)到最大線路速度后惰行[4]。這樣，就會(huì)造成運(yùn)行時(shí)間將按特定比例增加(紅色惰行曲線)，降低運(yùn)行速度也進(jìn)一步減少了能源消耗。正如圖1所顯示的，與正常規(guī)定速度相比，列車減少了加速請(qǐng)求，因此減少了牽引所需動(dòng)力，最終減少了列車的能源需求。

在列車運(yùn)行過程中，線路條件、站間距離、區(qū)間限速和運(yùn)行時(shí)間是影響惰行控制方案的主要因素[5]，不同的線路在線路設(shè)計(jì)方面均存在差異。信號(hào)系統(tǒng)需根據(jù)這些條件并結(jié)合ATS時(shí)刻表設(shè)定ATO列車惰行運(yùn)行的持續(xù)時(shí)效值及采用惰行的時(shí)機(jī)[6]。

2 惰行節(jié)能驗(yàn)證

2.1 抽樣驗(yàn)證

為了驗(yàn)證惰行方案的正確性，在運(yùn)營(yíng)線路組織進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試。在測(cè)試過程中，根據(jù)運(yùn)營(yíng)實(shí)際需求，分別使用了工作日、雙休日運(yùn)營(yíng)時(shí)刻表(工作日、雙休日根據(jù)客流量采用了不同的高峰運(yùn)營(yíng)時(shí)段，不同的上線運(yùn)營(yíng)列車數(shù))。為了保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，節(jié)能測(cè)試過程分2個(gè)階段進(jìn)行，第1階段為抽樣驗(yàn)證，選取了2列采樣列車。

使用工作日A時(shí)刻表，第1天，選用2列車(1#、2#)全天使用ATO模式運(yùn)營(yíng)，列車回庫(kù)后采集全天能耗值及運(yùn)行里程作為測(cè)試參考值(列車在自身VCU中儲(chǔ)存了當(dāng)前的運(yùn)行里程及總能耗值)；第2天，在相同時(shí)刻表下對(duì)該兩列車(1#、2#)在運(yùn)營(yíng)高峰時(shí)段使用“ATO+惰行”模式；第3天，在同一時(shí)刻表下，對(duì)該兩列車(1#、2#)在全天運(yùn)營(yíng)時(shí)段使用“ATO+惰行”模式。具體3天的每千米能耗值如表1所示。

表1 每千米能耗統(tǒng)計(jì)(工作日) kWh

使用雙休日B時(shí)刻表，第1天，繼續(xù)選用原測(cè)試列車(1#、2#)全天使用ATO模式運(yùn)營(yíng)；第2天，在同一時(shí)刻表下，對(duì)該兩列車(1#、2#)在全天運(yùn)營(yíng)時(shí)段使用“ATO+惰行”模式。

列車回庫(kù)后采集全天能耗值及運(yùn)行里程，具體周末的每千米能耗值如表2所示。

表2 每千米能耗統(tǒng)計(jì)(周末) kWh

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全天使用“ATO+惰行”模式運(yùn)營(yíng)的列車，每千米能耗值明顯低于不使用惰行模式運(yùn)營(yíng)的列車，具體如圖2所示。

圖2 第1階段能耗值對(duì)比

根據(jù)該階段的測(cè)試結(jié)果，使用惰行模式運(yùn)行的列車，能耗值明顯低于不使用惰行模式運(yùn)行的列車，并且惰行模式持續(xù)時(shí)間越久，節(jié)能效果越明顯。

2.2 多列車驗(yàn)證

由于第1階段測(cè)試時(shí)僅采樣了2列車的數(shù)據(jù)，為了更真實(shí)地反映出測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性，第2階段測(cè)試期間增加了采樣列車的數(shù)量，對(duì)多列車使用了“ATO+惰行”的運(yùn)行模式。 為了保證數(shù)據(jù)的真實(shí)、有效性，具體測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 第2階段能耗統(tǒng)計(jì)

其中，工作日使用A時(shí)刻表， 2月6日、2月12日全天所有列車在ATO模式下運(yùn)行，作為測(cè)試參考數(shù)據(jù)；2月5日、2月13日全天運(yùn)營(yíng)列車均使用“ATO+惰行”模式運(yùn)行。雙休日使用B時(shí)刻表，2月8日、2月14日全天所有列車在ATO模式下運(yùn)行，作為測(cè)試參考數(shù)據(jù)；2月7日、2月15日全天運(yùn)營(yíng)列車均使用“ATO+惰行”模式運(yùn)行。

第2階段統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)同樣顯示，全天使用“ATO+惰行”模式運(yùn)營(yíng)的列車，每千米能耗值明顯低于不使用惰行模式運(yùn)營(yíng)的列車，具體如圖3所示。

圖3 第2階段能耗值對(duì)比

根據(jù)驗(yàn)證，第1、2階段測(cè)試數(shù)據(jù)均表明，使用惰行模式運(yùn)行的列車，能耗值明顯低于不使用惰行模式運(yùn)行的列車，并且惰行模式持續(xù)時(shí)間越久，節(jié)能效果越明顯，與設(shè)計(jì)理論相吻合。

3 惰行節(jié)能對(duì)運(yùn)營(yíng)服務(wù)的影響

3.1 運(yùn)營(yíng)影響

采用惰行模式運(yùn)行的列車，由于減少了牽引的作用時(shí)間，相應(yīng)增加了列車區(qū)間走行時(shí)間，如圖4所示。

圖4 惰行運(yùn)行時(shí)間曲線

列車區(qū)間走行時(shí)間的增加將增加乘客的乘車時(shí)間，降低運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平。為了檢驗(yàn)采用惰行模式運(yùn)營(yíng)的ATO列車對(duì)運(yùn)營(yíng)服務(wù)的影響，測(cè)試結(jié)束后，調(diào)取了全天列車的運(yùn)行圖。經(jīng)驗(yàn)證表明，使用惰行模式運(yùn)行的列車，ATO列車將會(huì)依照時(shí)刻表，將運(yùn)行速度自動(dòng)調(diào)整到運(yùn)營(yíng)可接受的延誤時(shí)差范圍內(nèi)。惰行列車運(yùn)行圖如圖5所示。

圖5 惰行列車運(yùn)行圖

3.2 時(shí)刻表優(yōu)化調(diào)整

運(yùn)營(yíng)期間，由于存在車門、屏蔽門故障及高峰期大客流沖擊等各種不確定因素，為了減小采用惰行運(yùn)行對(duì)運(yùn)營(yíng)服務(wù)的影響，根據(jù)ATO惰行模式運(yùn)行測(cè)試的狀況，對(duì)運(yùn)行時(shí)刻表進(jìn)行部分優(yōu)化。

時(shí)刻表優(yōu)化以現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)間隔不變、滿足準(zhǔn)點(diǎn)率為前提。該運(yùn)營(yíng)測(cè)試線路，平峰期間，運(yùn)營(yíng)間隔相對(duì)較疏，列車發(fā)車間隔為320 s；高峰期間，運(yùn)營(yíng)間隔相對(duì)較密，列車發(fā)車間隔為180 s。根據(jù)國(guó)外的研究經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)整列車停站時(shí)間和惰行時(shí)間來優(yōu)化惰行時(shí)刻表[7]。

平峰期間，站臺(tái)客流量相對(duì)較少，通過縮短站停時(shí)間來彌補(bǔ)因采用惰行增加的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，以滿足準(zhǔn)點(diǎn)率。以站臺(tái)A到站臺(tái)B為例，平峰時(shí)間段優(yōu)化調(diào)整前后的對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 平峰期間對(duì)比 s

高峰期間，考慮到站臺(tái)客流量相對(duì)較多，保持原有站停時(shí)間不變，通過增加區(qū)間列車惰行的次數(shù)來減少惰行的作用時(shí)間，以滿足準(zhǔn)點(diǎn)率[8]。但減少惰行作用時(shí)間，降低了節(jié)能的效果。以站臺(tái)A到站臺(tái)B為例，高峰時(shí)間段優(yōu)化調(diào)整前后的對(duì)比結(jié)果如表5所示。

表5 高峰期間對(duì)比 s

3.3 到發(fā)站操作流程優(yōu)化

ATO模式是有人監(jiān)督的列車自動(dòng)運(yùn)行模式，該模式運(yùn)行的列車，開關(guān)門模式一般有3種：手動(dòng)開/手動(dòng)關(guān)、自動(dòng)開/手動(dòng)關(guān)、自動(dòng)開/自動(dòng)關(guān)模式，列車發(fā)車時(shí)需人工按壓ATO發(fā)車確認(rèn)按鈕?？紤]到人為操作的不確定性，惰行測(cè)試完成后對(duì)列車到發(fā)站的操作流程做以下優(yōu)化。

1) 對(duì)采用惰行模式運(yùn)營(yíng)的ATO列車，列車開關(guān)門模式選用自動(dòng)開/手動(dòng)關(guān)或自動(dòng)開/自動(dòng)關(guān)，以縮短列車停穩(wěn)站臺(tái)到車門打開的時(shí)間，增加乘客上下車的窗口時(shí)間；

2) 司機(jī)嚴(yán)格依照列車發(fā)車計(jì)時(shí)器的倒計(jì)時(shí)進(jìn)行關(guān)門作業(yè)(如采用自動(dòng)開/手動(dòng)關(guān)模式)，根據(jù)發(fā)車計(jì)時(shí)器的提示信息準(zhǔn)時(shí)按壓ATO發(fā)車按鈕發(fā)車[9]，以縮短車門關(guān)閉到列車發(fā)車的窗口時(shí)間，提高列車的準(zhǔn)點(diǎn)率；

3) 線路終點(diǎn)站折返均啟用ATB無人自動(dòng)折返[10]，以便縮短折返用時(shí)，保證列車在運(yùn)行期間產(chǎn)生延誤時(shí)，可在折返時(shí)將延誤時(shí)間追回。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)應(yīng)用研究結(jié)果，使用惰行模式運(yùn)行的列車，能耗值明顯低于不使用惰行模式運(yùn)行的列車，并且惰行模式持續(xù)時(shí)間越久，節(jié)能效果越明顯。

參照本條實(shí)驗(yàn)線路，使用Ansaldo STS CBTC信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的線路，當(dāng)列車采用ATO+惰行模式運(yùn)行時(shí)，通過對(duì)時(shí)刻表、到發(fā)站操作流程進(jìn)行優(yōu)化后，可滿足運(yùn)營(yíng)各項(xiàng)要求，不會(huì)對(duì)運(yùn)營(yíng)服務(wù)造成影響；可推廣到其他軌道交通運(yùn)營(yíng)線路使用ATO+惰行模式，以達(dá)到節(jié)約能耗的目的。

[1] 肖明，敖凡迪.城市軌道交通建設(shè)大提速： 超大城市成投資熱點(diǎn)[N].21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道，2015-6-16(7).

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[10] 杭州杭港地鐵有限公司.ATB自動(dòng)折返操作指引文件[G].杭州，2014：5-8.

(編輯：曹雪明)

Research on Energy Conservation of ATO Coasting Control Mode

Huang Pu

(Hangzhou MTR Corporation Limited,Hangzhou 310017)

Based on the research results both at home and aboard, the tests on domestic ATO coasting control have been done to get the actual energy conservation effects under ATO train timetable with coasting mode. It is concluded that the "coasting" mode can effectively reduce the energy consumption of the train during the train running process and finally achieve the purpose of energy conservation; by taking into account the actual operation situation, the schedules and departure station operating procedures have been optimized,which can help reduce the impact of energy conservation mode on operation service.

urban rail transit; ATO; coasting; energy conservation

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.011

2015-07-07

2015-07-27

黃璞，男，本科，高級(jí)信號(hào)維修工程師，從事CBTC信號(hào)設(shè)備的開發(fā)、維護(hù)研究，huangwang0938@163.com

U231 F530.7

A

1672-6073(2016)04-0052-04