城市轨道交通列车节上能问题及方案研究

城市轨道交通列车节能问题及方案研究刘海东 ,毛保华 ,丁 勇 ,贾文峥 ,赖树坤 (北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室 ,北京 100044)摘要: 在城市轨道交通中 ,影响列车运行能耗的因素包括列车的牵引制动性能、 列车重量、 限速、 线路条件、 信号闭塞方式以及列车的操纵方式等 ,通过对相关条件的改变 ,可以实现列车节能的目的.论文通过案例设计与系统模拟 ,重点研究了线路条件对城市轨道交通节能的作用.文中分别从曲线(特别是小半径曲线) 、 坡道(分上、 下坡道)以及列车重量等方面对能耗的影响进行了研究 ,并对节能坡的节能情况进行了分析 ,得到适合不同区间条件下的节能坡方案.关键词: 城市轨道交通;节能运行;列车牵引计算;计算机模拟中图分类号: U491 文献标志码: ATrain Energy - saving Scheme with Evaluation in Urban Mass Transit SystemsLIU Hai2dong , MAO Bao2hua , DING Y ong , J IA Wen2zheng , LAI Shu2kun(State K ey Laboratory of Rail Traffic Control and Safety ,Beijing Jiaotong University ,Beijing 100044 ,China)Abstract : In the urban rail transport , factors impacting the train operation energy consumption include the per formance of train traction and breaking , the train weight , the condition of line , the mode of signal blocking and the mode of train control . The train can achieve energy saving by changing the relevant conditions. By the case design and the system simulation , this paper focuses on the in fluence of the line conditions on the energy saving of the ur2 ban rail transit . This paper studies energy saving from the curve (especially small radius curve) , the ramp (divid2ed into upper and lower ramp) and the train weight . The paper als o analyses the energy saving condition of the en2 ergy 2saving slope , and gets energy 2saving programs suitable for di fferent section conditions.K ey words : urban rail transit ; energy 2saving movement ; train traction calculation ; computer simulationCLC number : U491 Document code : A 引 言 随着国内城市轨道交通的日益发展,城市轨道交通列车节能研究越来越具有现实意义.列车的能源消耗涉及诸多因素 ,包括列车的牵引制动性能、列车重量、 线路条件以及列车的操纵方式等 ,通过对相关条件改变 ,可以实现列车节能的目的.与城市间铁路列车相比 ,城市轨道交通列车具明有显的差异 ,这体现在列车的牵引制动特性、 列车重量、 站间距、 线路状况等方面.对于城市铁路来说 ,列车多采用无级牵引 ,列车重量变化不大 ,站间距比较短 ,线路一般采用节能坡等形式 ,因此城市轨道交通列车节能问题的研究有其特殊性.如不需要考虑有级牵引时手柄位的转换问题 ,站间距较短和节能坡的设置有利于实现牵引 - 惰行的运行模式 ,列车重量的较小变化使列车的定时计算更为快捷等 ,这为城市轨道交通列车节能问题的研究提供了便利条件.国内外对于列车运行节能问题有较多研究 ,然而由于列车运行环境的复杂性 ,节能算法模型及其求解技术是一项十分困难的工作. 20 世纪 80 年代以来 ,澳大利亚、 英国、 德国、 日本、 美国等许多国家在列车节能操纵方面进行研究和试验 ,总结节能的列车操纵方式 ,并应用微机技术研制开发列车优化操纵的微机指导系统、 微机模拟系统1 - 4 等.本文是在城市列车运行计算系统5 ,6 的基础上 ,对城市轨道交通列车节能问题及案例设计进行了初步的研究 ,主要是从曲线、 坡道以及列车重量等方面对能耗的影响进行了研究 ,得到各种情况下的节能方案 ,并且对节能坡进行了分析 ,得到适合不同区间条件下的节能坡方案.1 节能运行算法根据国内外的研究,在设计列车节能运行算法时 ,可以遵循如下原则:(1) 加速过程按最大牵引力计算;(2) 停车制动按最大制动力来计算;(3) 除停车制动外 ,避免采用空气制动;(4) 在约束条件下协调采用均速及惰行模式.本文采用的节能控制方式结合上述运行过程 ,以列车运行的平均速度作为目标速度 ,并围绕着目标速度按牵引 - 惰行运行 ,以达到节能的目的.具体过程如下:在列车起动阶段 ,尽量利用最大牵引力牵引.在区间运行时尽可能采用惰行工况 ,区间调速避免采用制动工况 ,以节约能源.如果列车目标速度小于当前限速 ,当接近目标速度时列车将贴近目标速度采用牵引 - 惰行模式运行;如果目标速度大于当前的限速 ,则在接近限速时将采用惰行运行 ,如果速度仍然上升 ,则采用制动运行.当前方限速曲线的值为零时列车将以最大制动力停车制动.列车运行方式如图1所示. 图1 列车运行方式Fig. 1Train operation mode在图1中, v 为目标速度, k1、 k2 为高于 v 的速度值, m1、 m2 为低于 v的速度值.具体操纵过程为:在列车速度达到或超过速度值 k1 时 ,列车将采用惰行方式 ,若列车处在下坡 ,速度继续增加 ,当其速度大于值 k2 时 ,采用制动方式.在下坡道上 ,为防止列车工况频繁地在惰行、 制动间转换 ,可将制动工况后的惰行条件确定为低于目标速度值m1 .这样 ,列车以制动工况运行到速度 m1 时再改为惰行,若列车速度又回升 ,则有 m1 k2 的惰行空间;若列车惰行速度继续下降 ,则下降到 m2 时再重新转换为牵引工况,继续运行.2 节能方案设计与研究论文以城市列车运行计算系统5 ,6 为基础 ,进行相应的案例设计 ,分析曲线、 坡道和列车重量的变化对列车能耗的影响.在进行案例设计时 ,采用以下参数.列车类型:地铁;动车组:三动三拖;列车重量:150t ;列车长度:110m;其它参数采用系统默认值.2. 1 曲线对能耗的影响设置曲线长度为 500m ,曲线半径为 100600m ,其中 “ ” 表示无曲线. 为了有较为统一的比较标准 ,列车从曲线的一端静止启动 ,在三个不同的限速(40km h ,50km h ,60km h)条件下运行至另一端停止.计算结果如表1所示. 其列车能耗变化趋势如图2所示. 从图2可以看出,尽管在列车不同的限速条件下运行,却都表现出大致相同的节能规律,经分析可知:(1) 当曲线半径达到 500m以上时 ,列车能耗接近相同距离的无曲线运行能耗;(2) 当曲线半径低于 300m时 ,有较为明显的能量耗费 ,尤其在半径 100m 处 ,经计算得各限速条件下的能耗分别比无曲线运行能耗增加 34 %(限速 40km h) , 18 % (限速 50km h) , 12 % (限速60km h) .2. 2 坡道对能耗的影响该部分探讨城市轨道交通列车在非平坡的线路上的能量消耗情况,通过合理案例的设计 ,得出列车在上、 下坡道上的能耗规律;同时对节能坡的纵断面设计进行研究 ,考察在不同的区间设置不同坡度和长度的节能坡 ,并探讨在不同限速情况下的能耗情况 ,得出不同条件下的节能坡优化方案.2. 2. 1 上坡道对能耗影响设置坡长为300m ,列车从坡道起点静止起动 ,按限速50km h运行 ,至坡道终点停止 ,各坡度情况下能耗如表2所示. ascending gradient 可见 ,在坡段长度与限速相同的情况下 ,列车能耗随坡度的变化成相应的线性变化.利用最小二乘法对数据进行直线拟合 ,得到在 300m坡道上列车能耗 ( y) 与坡度 ( x) 的函数关系为y = 0. 063 8 x + 6 (kWh)2. 2. 2 下坡道对能耗影响与前面上坡道坡度对能耗影响分析相同 ,以同样的方法研究下坡道坡度对能耗的影响.设置坡长为300m ,列车从坡道起点静止起动 ,按限速 50km h运行 ,至坡道终点停止 ,各坡度情况下能耗如表 3所示. 如图4所示为各坡度情况下能耗曲线图. 可见 ,在坡段长度与限速相同的情况下 ,列车能耗随坡度的变化成相应的线性变化.利用最小二乘法对数据进行直线拟合 ,得到在 300m坡道上列车能耗 ( y) 与坡度 ( x) 的函数关系为y = - 0. 048 7 x + 6. 3 (kWh)2. 2. 3 节能坡运用对能耗影响在轨道交通线路纵断面设计时,节能坡是一种很重要的方式,即该线路最佳纵断面形式都是凹形纵断面,采用节能坡可以达到降低列车运行能耗的目的.为了研究结论的可比性 ,节能坡案例设计要尽量有一个相同的条件 ,该部分内容主要研究在相同的站位 - 区间高差的情况下 ,在不同站间距和限速条件下 ,获得更有效的节能坡形式.设置站间距分别为 1km、 2km、 3km ,节能坡坡长为200m、 坡度为 40 ,列车从一个车站静止起动 ,运行至另一个车站停车 ,各情形下的数据如表4所示. 分析表4中数据,当站间距为1km时,列车在无节能坡、 限速 50km h 条件下运行,能耗为 5. 5kWh ,运行时分为83s ,与设置节能坡、 限速60km h 的指标(能耗3. 3 kWh ,运行时分 79s) 相比,运行时分略低于原时间,且能耗有明显降低,所以在1km运行区间内采用节能坡限速60km h的方案效果较好.同样 ,在2km无节能坡、 限速50km h条件下运行 ,能耗为7kWh ,运行时分为158s ,与设置节能坡、限速55km h的指标(能耗3. 8kWh ,运行时分 161s)相比 ,运行时分略高于原时间 ,但比其它方案(限速60km h)能耗降低更加明显 ,所以在 2km运行区间内采用节能坡限速55km h的方案效果较好.同样可以分析 ,当站间距为 3km时 ,采用节能坡限速55km h的方案效果相对较好.可见 ,在以无节能坡50km h运行的基础上 ,在列车操纵方式不变的情况下 ,设置节能坡后一般将限速提高至 55km h 和 60km h 的时候能得到较为理想的节能和运行综合效果.2. 3 限速对能耗的影响该部分探讨在不同坡道情况下,列车因运行限速不同而引起的能耗差别.设计 3 种坡道:坡长分别为 600m ,400m ,200m ,坡度都为 30 ,列车从坡底静止起动 ,到坡顶停止 ,列车能耗(kWh)随限速(km h)和坡长(m)的变化如表5所示. 从图 5 可看出 ,虽然坡长不同 ,但列车能耗随运行限速的变化却都有相似的规律 ,总结如下:(1) 各条能耗曲线都大致分为 3 段 ,相应的表现为低速段、 中速段及高速段3种不同的能耗值.(2) 对于200m坡道 ,4070km h为中速段;对于400m坡道 ,4080 km h 为中速段;而对于 600m坡道 ,4090km h 为其中速段. 当然 ,以上都是基于30 的坡道情况下得出的结论.(3) 在各个速度段中 ,随着速度的增加 ,能耗大致成线性增加 ,其表达式设为y = ax + b其中 y 为能耗(kWh) , x 为限速(km h) .表6所列为根据最小二乘法得到的各坡道在各速度段中能耗随限速增加所表现的线性系数( a) 值. (4) 从表6可看出 ,各长度坡道在各速度段的a 值满足:a高 a低 a中且在低速段和高速段中, a 值随坡道的增长有减小的趋势;在中速段中, a值则随坡道的增长而增加.2. 4 列车重量对能耗的影响2. 4. 1 能耗与列车重量的关系影响列车运行能耗的诸多因素中 ,列车重量无疑是其中很重要的一个.以北京地铁一号线为例 ,假设线路平直 ,进行列车重量对能耗影响的模拟 ,在其它条件不变的情况下 ,改变列车重量 ,其能耗值如图6所示. 可见能耗 ( y) 与列车重量 ( x) 有较明显的线性关系,经线性拟合为y = 0. 85 x + 6. 9 (kWh)2. 4. 2 能耗与列车重量及限速的关系在线路条件和操纵方式相同的条件下 ,能耗由列车重量、 列车限速和站间距三个主要因素决定. 在下面的案例研究中 ,取固定的站间距 ,使得列车能耗仅受列车重量和列车限速影响 ,并分析列车能耗的影响情况.固定站间距分别设定为1km和2km ,列车重量设定为100t、 125t、 150t、 175t 和200t 五个级别 ,而列车限速分为 40km h、 50km h、 60km h 和 70km h ,经过模拟运行 ,各种情况下的能耗如表7所示. 分析表7中数据,当站间距一定时,列车能耗随限速及重量的增加而增加,能耗随重量接近线性变化,并且随着限速的增加,能耗曲线的斜率逐渐增大,因此在高限速时列车能耗随重量增加的幅度相对较大.如图7所示为站间距为1km时的能耗曲线图由表 7 中数据可知 ,当站间距和限速一定时 ,在不同的列车重量条件下 ,列车运行时间变化不大 ,如站间距为 1km ,限速为 40km h 时 ,列车重量从 100t 变化到 200t ,运行时间仅从 98s 变化为103s ,相差不大 ,这是由于列车的牵引力及制动力较大 ,列车在改变重量后仍能按限速运行.当列车重量和限速一定时 ,列车能耗随站间距的增加而增加 ,如列车重量为 100t ,限速为 40km h时 ,当站间距为1km时能耗为2. 6kWh ,而当站间距为2km时能耗为3. 6kWh ,即站间距增加了一倍 ,而能耗增加了38 % ,能耗增加量小于站间距增加量因此适当提高站间距可以减小能量消耗.3 结束语本文利用 “城市列车运行计算系统” 提供的功能 ,针对线路中的曲线、 坡道、 列车重量、 站间距以及运行速度等影响能耗的主要因素进行了合理的案例设计. 通过模拟计算及对能耗结果的分析可以得出不同曲线、 坡道以及列车重量条件下的节能效果 ,从而可以为城市轨道交通的线路设计以及列车的节能研究提供相应的实验手段.具体能耗结果分析如下:(1) 当曲线半径低于 300m时 ,有较为明显的能量耗费 ,尤其在半径 100m 处 ,经计算得各限速条件下的能耗分别比无曲线运行能耗增加 34 %(限速 40km h) , 18 % (限速 50km h) , 12 % (限速60km h) ;而当曲线半径达到 500m以上时 ,列车运行能耗接近相同距离的无曲线运行能耗.(2) 在坡段长度与限速相同的情况下 ,列车能耗随坡度的变化成相应的线性变化.(3) 在不同站间距(1km、 2km、 3km) 设置节能坡(200m坡道长、 40 坡度)后 ,为了节省能耗 ,同时又要满足区间运行时间的限制 ,需提高列车的运行限速.以不设置节能坡并按 50km h 限速运行为基础 ,考虑设置节能坡时 ,当站间距为 1km时应将限速提高至 60km h ,而站间距为 23km 时 ,应将限速提高至 55km h ,才能在满足区间运行时间的条件下减小列车的能耗.(4) 在其它条件不变的情况下 ,列车能耗 ( y)与列车重量 ( x) 有较明显的线性关系.参考文献:1 金炜东 ,王自力 ,李崇维 ,苟先太 ,靳蕃. 列车节能操纵优化方法研究J . 铁道学报 ,1997 ,19 (6) :58 - 62.J IN Wei2dong , WANG Z i2li , LI Chong 2wei , G OU Xian2tai ,J IN Fan. Study on optimization method of train operationfor saving energyJ . Journal of the China Railway S ociety ,1997 ,19 (6) :58 - 62. 2 程家兴. 列车节能操纵中最优方案的算法J . 微机发展 ,1999 ,9 (2) :1 - 4. CHENGJia2xing. Alg orithms foroptimal strategies of the energy 2saving train control problemsJ . Computer development ,1999 ,9 (2) :1 - 4. 2