城市轨道交通ATO运行节能研究

宁源

卡斯柯信号有限公司 北京 100045

摘要：近年来，随着国内各个城市的轨道交通建设不断推进，城市轨道交通系统的能量总消耗也在不断增长，节约能源已经成为城市轨道交通系统的重要研究方向。本文从信号系统节能理论、ATO驾驶策略优化、节能运行图编制几个方面入手，探讨了ATO节能运行的方法，根据在地铁项目现场的实际测试，能够有明显的节能效果。

关键词：城市轨道交通；ATO运行；时刻表调整；节能

1. 前言

随着我国城市化进程的加速，城市轨道交通得到了快速的发展，成为城市公共交通网络的重要组成部分。城市轨道交通是一种绿色的交通方式，但近年来伴随着新建地铁线陆续开通，城轨系统的能量总消耗也在急剧增长。

节约能源是我国社会和经济发展的一项长远战略方针，是轨道交通建设和运营管理的一项极为紧迫、重要的任务，也是降低运营成本、提高运营效率、实现城市轨道交通可持续发展的重要内容。

城轨系统中的列车牵引供电、通风空调、电扶梯、照明、给排水、弱电等各个方面都会影响系统的总能量消耗，其中地铁牵引能耗约占总能耗的40%-50%，因此减少牵引能耗是降低地铁系统总能耗的重要途径。

列车牵引能耗受多方面影响，如列车的牵引制动特性、列车车重、列车能量转化损失、线路条件、再生制动，以及列车的驾驶操纵。因此，降低地铁系统的牵引能耗可从基础设施改善和列车运行节能控制这两方面进行考虑。

基础设施的改善措施包括线路条件优化（设计节能坡、较少弯道）、列车性能优化（优化列车牵引制动特性、减轻车体重量、优化列车动能转化率）、安装储能装置和可逆变电站等。

列车运行节能控制是在不影响行车安全、效率、服务质量的前提下，在行车组织、站停时间、运行等级及车辆施加牵引/制动的时机等多方面进行综合分析研究，通过优化列车运行控制、调整时刻表制定列车牵引能耗优化策略，实现节能效益最大化。

2. 信号系统为实施主体的节能控制理论

ATO驾驶列车策略，与ATS的调度命令密切相关。ATO在站台接收ATS的如下命令：

• 当前站ID

• 当前站发车时间

• 下一站ID

• 下一站到站时间

ATO可以根据上述信息，对比离线时计算的站间运行最小时间和ATS要求的到站时间，判断是否需要采用全速运行策略，或可以采用节能策略，并会在运行过程中根据实际情况进行调整。

ATO根据不同的车辆性能，不同的行车间隔以及供电方式，在满足准点到站的前提下，主要有以下三种节能方式：

• 最低的巡航速度

• 最长的惰行时间

• 车辆电制动能力最大化

1. 最低的巡航速度

如果列车的巡航速度越低，则其达到该巡航速度的牵引时间就越短，根据能量守恒原则，其消耗的电能就越少。

该方式适用于运营初期，低峰时间，或者大交路区域等运营间隔较长的情况下采用。在线路坡度较陡，但坡度变化不多的区域，采用较小的恒定牵引力或制动力保持列车恒速，可以避免出现牵引和制动的来回切换。

2. 最长的惰行时间

最长惰行时间是使列车在站间牵引和制动命令的变化次数最少，减少小幅度牵引和小幅度制动带来的能量消耗。同时该方式的乘客舒适度体验是最好的，并且可以增加牵引及制动相关继电器的使用寿命。该方法可以最大程度的利用进站的减速上坡。适用于坡度变化较缓，但坡度变化较多的区域，避免出现牵引和制动的来回切换，增加乘客的舒适度。

3. 车辆电制动能力最大化

如果列车的电制动可以完全被电网所吸收并且被其它列车所应用，根据车辆的电制动性能和能力，ATO可以在制动时施加恰当的制动力，使得列车在电空制动转换前，全部使用电制动，没有气制动的参与（气制动会使列车的动能转化为热能被耗散）。

在ATO调试时，会测试列车的电制动能力（尤其是在高速时的电制动能力）。通过适当的ATO参数设定，可以使列车在高速时，先以一个较小的力度进行制动，当列车速度降低电制动能力变强时，再转换为更大的制动力度。

该方式会使制动命令的施加时间提前，在站间运行时间宽裕的情况下使用，实现节能的效果。

4. 综合利用

结合上述方法的一些优点，在制定站间运行策略时，使用多种方式组合的方法：

在坡度较大的区域，采用定速巡航的策略；在坡度变化小，但变化较频繁的区域，使用惰行优先的策略；当列车在高速状态下由非惰行速度区域进入惰行速度区域时，采用符合电制动能力的ATO设计。

3. 基于ATO节能算法的驾驶策略优化

通过上一章对列车节能算法的分析，在单车ATO驾驶策略中，应尽量减少列车的牵引和制动时间，让列车尽量保持惰行状态，设定一个调节速度域值区间，只有当列车速度低于某个域值时，才对列车施加牵引。

ATO是否进入惰行工况，可以由以下几个条件判别：

• 列车进入惰行工况时允许的坡度加速度上限（正值表示列车运行在上坡）；

• 列车进入惰行工况时允许的坡度加速度下限（负值表示列车运行在下坡）；

• 列车在惰行工况下允许的高于参考目标速度值的上限；

• 列车在惰行工况下允许的低于参考目标速度值的上限；

为了尽可能提高惰行时间的占比，同时避免列车牵引-制动频繁切换，需要在节能曲线离线设计时，对此控制策略进行优化，增大其授权惰行的范围，以如下调整策略为例：

	坡度加速度上限 (m/s2)	坡度加速度下限 (m/s2)	高于参考目标速度值的上限 (m/s)	低于参考目标速度值的上限(m/s)
调整前	0.2	-0.2	0.6	0.6
调整后	0.3	-0.3	1.4	1.4

优化策略：

（1）增大可进入惰行策略的线路段，由之前坡度加速度±0.2m/s²的线路段扩大到坡度加速度±0.3m/s²的线路段。

（2）为使列车长时间保持惰行状态，进一步增大授权惰行策略的速度区间，增大至目标速度±1.4m/s（即列车车速在目标车速5km/h范围内均可进入惰行）。

例如，当列车在坡度加速度为0.3 m/s² 的坡度线路上运行时，此时ATO软件通过当前剩余到站时间计算出来的目标调整速度为45km/h，按照优化后的算法进入惰行策略的速度值为40km/h，退出惰行策略的速度值为50km/h。当速度在这个区间内时，ATO则采取惰行策略。而在原来的ATO控制策略下，在坡度加速度为0.3 m/s² 的坡度线路上是不允许列车进入惰性工况的。

（3）避免进站减速阶段的二次牵引：

当前ATO在列车进站停车阶段，由于遵守ATP限制的能量控制策略，在区间会控制列车速度由区间限速向站台限速转换，经历制动-惰行的工况转换, 考虑到车速与站台限速的误差，在贴近站台限速附近后，ATO会施加小级位的二次牵引。

可以通过ATO控制策略的优化，避免列车在进站制动工况下的二次牵引，转为惰行控制。

4. ATS子系统基于运行图调整的节能方案

为了达到最大节能效果，如果希望单车ATO系统自动选择更加优化的节能曲线，需要通过系统动态配置，使其获得更加充足的站间运行时间，从而降低列车行驶速度，增大列车惰行环节，进而减少牵引能耗。

为此，需要ATS列车自动监控系统与ATO自动驾驶系统配合，动态优化列车站停时间和区间旅行时间之间的分配比例，达到优化区间旅行时间的目的：

• 保证运营线路全周转时间尽量不变、上线运营列车数量不增加、列车旅行速度不降低；

• 设计列车运行图时综合考虑列车处于不同时间段、不同间隔下的需求，采用高峰和非高峰时段区别对待；

• 在非高峰时段尽量增加列车惰行工况；

• 尽量使列车的运行工况为牵引-惰性-制动，避免牵引制动之间的频繁切换。

具体优化方向为：

（1）平峰时段的停站时间优化

在目前大部分地铁线路运营使用的运行图中，高峰/平峰期间停站时间均相同。在满足必要的上下客时间、司机站台作业时间和设备设施动作时间前提下，适当压缩平峰时间列车停站时间，增加列车在下一个区间的运行时间，可以适当降低ATO控车时的目标速度，减少列车区间能耗。

（2）早点列车区间运行时间优化

可以根据现有运行图数据分析，查看运营线路是否在某些站普遍存在提早到站的情况。根据梳理出的早点频发的车次、早点频发的站台，结合ATS默认运行等级，分析判断易早点车次在区间运行时间的优化空间，进而优化列车运行等级，实现列车运行节能控制。

5. 节能效果的实际测试

以某城市的两条不同地铁线路为例，利用上文所说的思路进行ATO控车策略及运行图调整，并在夜间运营后的调试点进行测试，其中线路1采用小交路模式，线路2运行常用载客大交路，得到的结果如下：

	测试前能耗（Kw.h）	测试结束能耗（Kw.h）	实际能耗（Kw.h）	能耗差（Kw.h） （新数据实际能耗-旧数据实际能耗）	节能率 (-能耗差/旧数据实际能耗)
线路1旧数据	803234216	803234826	610	NA	NA
线路1新数据	803781931	803782518	587	-23	3.77%
线路2旧数据	390407	390683	276	NA	NA
线路2新数据	390146	390407	261	-15	5.43%

通过对以上结果分析，2条线路在测试时，各自线路运营列车的牵引制动能力、运行交路的站停时间设置各不相同，但是列车牵引能耗都有明显的降低，说明前文中提到的节能思路是具有实际效果的。

评估节能效果时，统计期宜为列车的完整运行周期，如按整周、整月、整季度考虑，最短统计周期建议不少于一个月。

在进行节能效果统计评估时，应在以下前提下对比分析：

• 运行线路相同；

• 统计时长相同；

• 车辆、供电等基础设施条件相同；

• 列车辅助运行设施的工况相同；

• 运营基础条件一致，包括客流状况，运营时间，高峰/平峰划分.

6. 其他节能优化建议

• 适当减少交路终端站的折返时间

在交路折返站折返能力留有余量（最小折返时间少于图定折返时间）的前提下，综合考虑系统能力、设备性能、司机操作习惯，适当缩短折返站的折返间隔，将此部分时间补充在区间运行时间中，在保证全周期不变情况下，减少运行图折返余量，增加区间运行时间。

• 进一步优化节能运行图

统筹控制统一牵引供电分区内的列车运行，充分利用再生能量。

对于具备能量反馈功能的列车，制动能量会反馈回电网，被同一供电区内的其他正在牵引的列车利用。利用此反馈机制，可对运行图进行的再生制动节能优化，实现全线制动和牵引列车在运行图和实际运营时的最优匹配，将列车停车制动时反馈到电网的能量，最大化的利用于同一时间段列车启动时的牵引供能，以减少全线列车总能耗。

7. 结论

节约能源是轨道交通建设和运营管理的一项极为紧迫、重要的任务，是实现城市轨道交通可持续发展的重要内容。本文从降低ATO运行牵引能耗入手，研究了信号系统节能理论、ATO驾驶策略优化、节能运行图编制几个方面，提出了ATO节能的优化思路，并根据该思路制定具体的ATO节能优化控车策略，实际测试这些优化策略能够起到明显的节能作用。最后，提出了一些基于时刻表调整的优化思路，可以结合ATO控车进一步尝试降低城轨系统的牵引能耗。

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