城市軌道交通列車節(jié)能問題及方案研究

1、.城市軌道交通列車節(jié)能問題及方案研究劉海東 ,毛保華 ,丁 勇 ,賈文崢 ,賴樹坤 (北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ,北京 100044)摘要: 在城市軌道交通中 ,影響列車運(yùn)行能耗的因素包括列車的牽引制動(dòng)性能、 列車重量、 限速、 線路條件、 信號(hào)閉塞方式以及列車的操縱方式等 ,通過對相關(guān)條件的改變 ,可以實(shí)現(xiàn)列車節(jié)能的目的.論文通過案例設(shè)計(jì)與系統(tǒng)模擬 ,重點(diǎn)研究了線路條件對城市軌道交通節(jié)能的作用.文中分別從曲線(特別是小半徑曲線) 、 坡道(分上、 下坡道)以及列車重量等方面對能耗的影響進(jìn)行了研究 ,并對節(jié)能坡的節(jié)能情況進(jìn)行了分析 ,得到適合不同區(qū)間條件下的節(jié)能坡方案.關(guān)

2、鍵詞: 城市軌道交通;節(jié)能運(yùn)行;列車牽引計(jì)算;計(jì)算機(jī)模擬中圖分類號(hào): U491 文獻(xiàn)標(biāo)志碼: 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 ,Chin

3、a)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

4、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 up

5、per 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 ; compute

6、r simulationCLC number : U491 Document code : A 引 言 隨著國內(nèi)城市軌道交通的日益發(fā)展,城市軌道交通列車節(jié)能研究越來越具有現(xiàn)實(shí)意義.列車的能源消耗涉及諸多因素 ,包括列車的牽引制動(dòng)性能、列車重量、 線路條件以及列車的操縱方式等 ,通過對相關(guān)條件改變 ,可以實(shí)現(xiàn)列車節(jié)能的目的.與城市間鐵路列車相比 ,城市軌道交通列車具明有顯的差異 ,這體現(xiàn)在列車的牽引制動(dòng)特性、 列車重量、 站間距、 線路狀況等方面.對于城市鐵路來說 ,列車多采用無級牽引 ,列車重量變化不大 ,站間距比較短 ,線路一般采用節(jié)能坡等形式 ,因此城市軌道交通列車節(jié)能問題的研究有其特殊性

7、.如不需要考慮有級牽引時(shí)手柄位的轉(zhuǎn)換問題 ,站間距較短和節(jié)能坡的設(shè)置有利于實(shí)現(xiàn)牽引 - 惰行的運(yùn)行模式 ,列車重量的較小變化使列車的定時(shí)計(jì)算更為快捷等 ,這為城市軌道交通列車節(jié)能問題的研究提供了便利條件.國內(nèi)外對于列車運(yùn)行節(jié)能問題有較多研究 ,然而由于列車運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性 ,節(jié)能算法模型及其求解技術(shù)是一項(xiàng)十分困難的工作. 20 世紀(jì) 80 年代以來 ,澳大利亞、 英國、 德國、 日本、 美國等許多國家在列車節(jié)能操縱方面進(jìn)行研究和試驗(yàn) ,總結(jié)節(jié)能的列車操縱方式 ,并應(yīng)用微機(jī)技術(shù)研制開發(fā)列車優(yōu)化操縱的微機(jī)指導(dǎo)系統(tǒng)、 微機(jī)模擬系統(tǒng)1 - 4 等.本文是在城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)5 ,6 的基礎(chǔ)上 ,對城

8、市軌道交通列車節(jié)能問題及案例設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步的研究 ,主要是從曲線、 坡道以及列車重量等方面對能耗的影響進(jìn)行了研究 ,得到各種情況下的節(jié)能方案 ,并且對節(jié)能坡進(jìn)行了分析 ,得到適合不同區(qū)間條件下的節(jié)能坡方案.1 節(jié)能運(yùn)行算法根據(jù)國內(nèi)外的研究,在設(shè)計(jì)列車節(jié)能運(yùn)行算法時(shí) ,可以遵循如下原則:(1) 加速過程按最大牽引力計(jì)算;(2) 停車制動(dòng)按最大制動(dòng)力來計(jì)算;(3) 除停車制動(dòng)外 ,避免采用空氣制動(dòng);(4) 在約束條件下協(xié)調(diào)采用均速及惰行模式.本文采用的節(jié)能控制方式結(jié)合上述運(yùn)行過程 ,以列車運(yùn)行的平均速度作為目標(biāo)速度 ,并圍繞著目標(biāo)速度按牽引 - 惰行運(yùn)行 ,以達(dá)到節(jié)能的目的.具體過程如下:在列車起

9、動(dòng)階段 ,盡量利用最大牽引力牽引.在區(qū)間運(yùn)行時(shí)盡可能采用惰行工況 ,區(qū)間調(diào)速避免采用制動(dòng)工況 ,以節(jié)約能源.如果列車目標(biāo)速度小于當(dāng)前限速 ,當(dāng)接近目標(biāo)速度時(shí)列車將貼近目標(biāo)速度采用牽引 - 惰行模式運(yùn)行;如果目標(biāo)速度大于當(dāng)前的限速 ,則在接近限速時(shí)將采用惰行運(yùn)行 ,如果速度仍然上升 ,則采用制動(dòng)運(yùn)行.當(dāng)前方限速曲線的值為零時(shí)列車將以最大制動(dòng)力停車制動(dòng).列車運(yùn)行方式如圖1所示. 圖1 列車運(yùn)行方式Fig. 1Train operation mode在圖1中, v 為目標(biāo)速度, k1、 k2 為高于 v 的速度值, m1、 m2 為低于 v的速度值.具體操縱過程為:在列車速度達(dá)到或超過速度值 k1

10、時(shí) ,列車將采用惰行方式 ,若列車處在下坡 ,速度繼續(xù)增加 ,當(dāng)其速度大于值 k2 時(shí) ,采用制動(dòng)方式.在下坡道上 ,為防止列車工況頻繁地在惰行、 制動(dòng)間轉(zhuǎn)換 ,可將制動(dòng)工況后的惰行條件確定為低于目標(biāo)速度值m1 .這樣 ,列車以制動(dòng)工況運(yùn)行到速度 m1 時(shí)再改為惰行,若列車速度又回升 ,則有 m1 k2 的惰行空間;若列車惰行速度繼續(xù)下降 ,則下降到 m2 時(shí)再重新轉(zhuǎn)換為牽引工況,繼續(xù)運(yùn)行.2 節(jié)能方案設(shè)計(jì)與研究論文以城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)5 ,6 為基礎(chǔ) ,進(jìn)行相應(yīng)的案例設(shè)計(jì) ,分析曲線、 坡道和列車重量的變化對列車能耗的影響.在進(jìn)行案例設(shè)計(jì)時(shí) ,采用以下參數(shù).列車類型:地鐵;動(dòng)車組:三動(dòng)三拖

11、;列車重量:150t ;列車長度:110m;其它參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)值.2. 1 曲線對能耗的影響設(shè)置曲線長度為 500m ,曲線半徑為 100600m ,其中 “ ” 表示無曲線. 為了有較為統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn) ,列車從曲線的一端靜止啟動(dòng) ,在三個(gè)不同的限速(40km h ,50km h ,60km h)條件下運(yùn)行至另一端停止.計(jì)算結(jié)果如表1所示. 其列車能耗變化趨勢如圖2所示. 從圖2可以看出,盡管在列車不同的限速條件下運(yùn)行,卻都表現(xiàn)出大致相同的節(jié)能規(guī)律,經(jīng)分析可知:(1) 當(dāng)曲線半徑達(dá)到 500m以上時(shí) ,列車能耗接近相同距離的無曲線運(yùn)行能耗;(2) 當(dāng)曲線半徑低于 300m時(shí) ,有較為明顯的能

12、量耗費(fèi) ,尤其在半徑 100m 處 ,經(jīng)計(jì)算得各限速條件下的能耗分別比無曲線運(yùn)行能耗增加 34 %(限速 40km h) , 18 % (限速 50km h) , 12 % (限速60km h) .2. 2 坡道對能耗的影響該部分探討城市軌道交通列車在非平坡的線路上的能量消耗情況,通過合理案例的設(shè)計(jì) ,得出列車在上、 下坡道上的能耗規(guī)律;同時(shí)對節(jié)能坡的縱斷面設(shè)計(jì)進(jìn)行研究 ,考察在不同的區(qū)間設(shè)置不同坡度和長度的節(jié)能坡 ,并探討在不同限速情況下的能耗情況 ,得出不同條件下的節(jié)能坡優(yōu)化方案.2. 2. 1 上坡道對能耗影響設(shè)置坡長為300m ,列車從坡道起點(diǎn)靜止起動(dòng) ,按限速50km h運(yùn)行 ,至坡

13、道終點(diǎn)停止 ,各坡度情況下能耗如表2所示. ascending gradient 可見 ,在坡段長度與限速相同的情況下 ,列車能耗隨坡度的變化成相應(yīng)的線性變化.利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合 ,得到在 300m坡道上列車能耗 ( y) 與坡度 ( x) 的函數(shù)關(guān)系為y = 0. 063 8 x + 6 (kWh)2. 2. 2 下坡道對能耗影響與前面上坡道坡度對能耗影響分析相同 ,以同樣的方法研究下坡道坡度對能耗的影響.設(shè)置坡長為300m ,列車從坡道起點(diǎn)靜止起動(dòng) ,按限速 50km h運(yùn)行 ,至坡道終點(diǎn)停止 ,各坡度情況下能耗如表 3所示. 如圖4所示為各坡度情況下能耗曲線圖. 可見 ,在

14、坡段長度與限速相同的情況下 ,列車能耗隨坡度的變化成相應(yīng)的線性變化.利用最小二乘法對數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合 ,得到在 300m坡道上列車能耗 ( y) 與坡度 ( x) 的函數(shù)關(guān)系為y = - 0. 048 7 x + 6. 3 (kWh)2. 2. 3 節(jié)能坡運(yùn)用對能耗影響在軌道交通線路縱斷面設(shè)計(jì)時(shí),節(jié)能坡是一種很重要的方式,即該線路最佳縱斷面形式都是凹形縱斷面,采用節(jié)能坡可以達(dá)到降低列車運(yùn)行能耗的目的.為了研究結(jié)論的可比性 ,節(jié)能坡案例設(shè)計(jì)要盡量有一個(gè)相同的條件 ,該部分內(nèi)容主要研究在相同的站位 - 區(qū)間高差的情況下 ,在不同站間距和限速條件下 ,獲得更有效的節(jié)能坡形式.設(shè)置站間距分別為 1km

15、、 2km、 3km ,節(jié)能坡坡長為200m、 坡度為 40 ,列車從一個(gè)車站靜止起動(dòng) ,運(yùn)行至另一個(gè)車站停車 ,各情形下的數(shù)據(jù)如表4所示. 分析表4中數(shù)據(jù),當(dāng)站間距為1km時(shí),列車在無節(jié)能坡、 限速 50km h 條件下運(yùn)行,能耗為 5. 5kWh ,運(yùn)行時(shí)分為83s ,與設(shè)置節(jié)能坡、 限速60km h 的指標(biāo)(能耗3. 3 kWh ,運(yùn)行時(shí)分 79s) 相比,運(yùn)行時(shí)分略低于原時(shí)間,且能耗有明顯降低,所以在1km運(yùn)行區(qū)間內(nèi)采用節(jié)能坡限速60km h的方案效果較好.同樣 ,在2km無節(jié)能坡、 限速50km h條件下運(yùn)行 ,能耗為7kWh ,運(yùn)行時(shí)分為158s ,與設(shè)置節(jié)能坡、限速55km h的

16、指標(biāo)(能耗3. 8kWh ,運(yùn)行時(shí)分 161s)相比 ,運(yùn)行時(shí)分略高于原時(shí)間 ,但比其它方案(限速60km h)能耗降低更加明顯 ,所以在 2km運(yùn)行區(qū)間內(nèi)采用節(jié)能坡限速55km h的方案效果較好.同樣可以分析 ,當(dāng)站間距為 3km時(shí) ,采用節(jié)能坡限速55km h的方案效果相對較好.可見 ,在以無節(jié)能坡50km h運(yùn)行的基礎(chǔ)上 ,在列車操縱方式不變的情況下 ,設(shè)置節(jié)能坡后一般將限速提高至 55km h 和 60km h 的時(shí)候能得到較為理想的節(jié)能和運(yùn)行綜合效果.2. 3 限速對能耗的影響該部分探討在不同坡道情況下,列車因運(yùn)行限速不同而引起的能耗差別.設(shè)計(jì) 3 種坡道:坡長分別為 600m ,4

17、00m ,200m ,坡度都為 30 ,列車從坡底靜止起動(dòng) ,到坡頂停止 ,列車能耗(kWh)隨限速(km h)和坡長(m)的變化如表5所示. 從圖 5 可看出 ,雖然坡長不同 ,但列車能耗隨運(yùn)行限速的變化卻都有相似的規(guī)律 ,總結(jié)如下:(1) 各條能耗曲線都大致分為 3 段 ,相應(yīng)的表現(xiàn)為低速段、 中速段及高速段3種不同的能耗值.(2) 對于200m坡道 ,4070km h為中速段;對于400m坡道 ,4080 km h 為中速段;而對于 600m坡道 ,4090km h 為其中速段. 當(dāng)然 ,以上都是基于30 的坡道情況下得出的結(jié)論.(3) 在各個(gè)速度段中 ,隨著速度的增加 ,能耗大致成線性

18、增加 ,其表達(dá)式設(shè)為y = ax + b其中 y 為能耗(kWh) , x 為限速(km h) .表6所列為根據(jù)最小二乘法得到的各坡道在各速度段中能耗隨限速增加所表現(xiàn)的線性系數(shù)( a) 值. (4) 從表6可看出 ,各長度坡道在各速度段的a 值滿足:a高 < a低 < a中且在低速段和高速段中, a 值隨坡道的增長有減小的趨勢;在中速段中, a值則隨坡道的增長而增加.2. 4 列車重量對能耗的影響2. 4. 1 能耗與列車重量的關(guān)系影響列車運(yùn)行能耗的諸多因素中 ,列車重量無疑是其中很重要的一個(gè).以北京地鐵一號(hào)線為例 ,假設(shè)線路平直 ,進(jìn)行列車重量對能耗影響的模擬 ,在其它條件不變的

19、情況下 ,改變列車重量 ,其能耗值如圖6所示. 可見能耗 ( y) 與列車重量 ( x) 有較明顯的線性關(guān)系,經(jīng)線性擬合為y = 0. 85 x + 6. 9 (kWh)2. 4. 2 能耗與列車重量及限速的關(guān)系在線路條件和操縱方式相同的條件下 ,能耗由列車重量、 列車限速和站間距三個(gè)主要因素決定. 在下面的案例研究中 ,取固定的站間距 ,使得列車能耗僅受列車重量和列車限速影響 ,并分析列車能耗的影響情況.固定站間距分別設(shè)定為1km和2km ,列車重量設(shè)定為100t、 125t、 150t、 175t 和200t 五個(gè)級別 ,而列車限速分為 40km h、 50km h、 60km h 和 7

20、0km h ,經(jīng)過模擬運(yùn)行 ,各種情況下的能耗如表7所示. 分析表7中數(shù)據(jù),當(dāng)站間距一定時(shí),列車能耗隨限速及重量的增加而增加,能耗隨重量接近線性變化,并且隨著限速的增加,能耗曲線的斜率逐漸增大,因此在高限速時(shí)列車能耗隨重量增加的幅度相對較大.如圖7所示為站間距為1km時(shí)的能耗曲線圖由表 7 中數(shù)據(jù)可知 ,當(dāng)站間距和限速一定時(shí) ,在不同的列車重量條件下 ,列車運(yùn)行時(shí)間變化不大 ,如站間距為 1km ,限速為 40km h 時(shí) ,列車重量從 100t 變化到 200t ,運(yùn)行時(shí)間僅從 98s 變化為103s ,相差不大 ,這是由于列車的牽引力及制動(dòng)力較大 ,列車在改變重量后仍能按限速運(yùn)行.當(dāng)列車重

21、量和限速一定時(shí) ,列車能耗隨站間距的增加而增加 ,如列車重量為 100t ,限速為 40km h時(shí) ,當(dāng)站間距為1km時(shí)能耗為2. 6kWh ,而當(dāng)站間距為2km時(shí)能耗為3. 6kWh ,即站間距增加了一倍 ,而能耗增加了38 % ,能耗增加量小于站間距增加量因此適當(dāng)提高站間距可以減小能量消耗.3 結(jié)束語本文利用 “城市列車運(yùn)行計(jì)算系統(tǒng)” 提供的功能 ,針對線路中的曲線、 坡道、 列車重量、 站間距以及運(yùn)行速度等影響能耗的主要因素進(jìn)行了合理的案例設(shè)計(jì). 通過模擬計(jì)算及對能耗結(jié)果的分析可以得出不同曲線、 坡道以及列車重量條件下的節(jié)能效果 ,從而可以為城市軌道交通的線路設(shè)計(jì)以及列車的節(jié)能研究提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)手段.具體能耗結(jié)果分析如下:(1) 當(dāng)曲線半徑低于 300m時(shí) ,有較為明顯的能量耗費(fèi) ,尤其在半徑 100m 處 ,經(jīng)計(jì)算得各限速條件下的能耗分別比無曲線運(yùn)行能耗增加 34 %(限速 40km h) , 18 % (限速 50km h) , 12 % (限速60km h) ;而當(dāng)曲線半徑達(dá)到 500m以上時(shí) ,列車運(yùn)行能耗接近相同距離的無曲線運(yùn)行能耗.(2) 在坡段長度與限速相同的情況下 ,列車能耗隨坡度的變化成相