地铁列车节能型运行图优化研究

地铁列车节能型运行图优化研究

王祥明

南宁轨道交通集团有限责任公司运营分公司广西南宁530029

摘要：由于城市化进程的不断推进以及城市经济的快速发展，机动车保有量急剧上升，从而导致城市道路交通的拥堵压力持续增大，同时城市空气污染程度也逐年加深。在提倡环保、节能的大环境下，拥有＂绿色交通＂称号的城市轨道交通势必会备受青睐。其运量大、污染小、安全性高等特点，使得城市轨道交通逐渐走进更多的城市，并成为支撑城市迅速发展的交通方式。而列车节能运行图优化问题，在安全、正点的前提下实现地铁系统的节能，具有重要的研究价值和现实意义。

关键词：地铁；节能；运行图优化

一、地铁列车运行图及其对能耗的影响

（一）地铁列车运行图

1列车运行图概念

列车运行图是用以表示区间运行及车站到发或通过时刻的技术文件，它规定了各次列车占用区间的顺序、列车在各车站到达和出发（或通过）的时刻、列车在区间的运行时分、列车在车站的停站时间、折返站列车折返作业时分及列车出入库时刻。列车运行图能很直观地显示出各次列车在时间和空间上的相互位置及对应关系列车运行图的分类有很多种，按照区间正线数可以分为单线运行图、双线行图和单双线运行图；按照列车运行速度可以分为平行运行图和非平行运行图；按照上下行方向列车数可以分为成对运行图和非成对运行图

2运行图的基本要素

编制运行图之前首先要确定列车运行图的各项基本要素，地铁列车运行图的要素包括：列车区间运行时分、列车停站时间、发车间隔、车站折返时间等。

（1）区间运行时分

列车区间运行时分是指列车在两相邻车站之间的运行时间。运营实践中，利用牵引计算测算或实地试验确定区间运行的最小时间，然后根据列车周转时间将缓冲时间分配到各个站间，由此得到各个站间的区间运行时间。

（2）列车停站时间

停站时间规定了列车在车站的停站时长。由于车站的客流情况和车站等级的不同，列车在各个车站的停站时间也有所不同。一般情况下列车的停站时间和车站客流量成正比，但是在实际运行图编制过程中，为方便计算，列车停站时间常为1化或5s的整数倍。客流高峰时期，列车停站时间可能会影响线路的运输能力，尽可能地缩短列车停站时间，可以提高线路通过能力及运输效率。

（3）发车间隔

发车间隔是相邻两列车在同一站发出的间隔时间，发车间隔的大小一般受到客流等因素的影响。客流高峰期，为了尽快疏散站台客流，将采用较小的发车间隔；平峰期，在满足客流的情况下，为了节省运营成本，尽量采用较大的发车间隔。在运营中，无论是客流高峰还是平峰期的发车间隔，都应满足最小发车间隔和最大发车间隔的限制

1）最小发车间隔

最小发车间隔为相邻列车从同一车站发出允许的最小间隔，一般受到列控系统、信号制式、折返作业时间、牵引供电系统容量等因素的限制。为了保证地铁运营的安全，上述限制中的最大值将被作为运营过程中的列车最小发车间隔。

2）最大发车间隔

最大发车间隔为相邻列车从同一车站发出允许的最大间隔，是为了保障地铁最低的服务水平而设定的。最大发车间隔的设定有利于减少旅客等待时间，是地铁服务水平的下限。

（4）车站折返时间

车站折返时间是指列车在折返站完成折返作业所需的时间。列车折返时间在车底交路图的勾画过程中，用于确定不同运行线的运输任务是否能由同一车底来承扭。

（二）运行图对能耗的影响

（1）走行公里数对能耗的影响

地铁系统列车运行的总能耗为每公里单位能耗与总走行公里数的乘积。列车的总走行公里数一般取决于列车的发车对数和交路方案。减少运行图中的全日发车对数，可以减少列车全日走行公里数，进而减少地铁系统的列车运行能耗。

（2）区间运行时分及其分配对能耗的影响

列车在全线的总运行时间和能耗存在负相关关系。区间运行时分不同可以体现在技术速度上，为了研究区间运行时分对牵引能耗的影响，采用某城市实际线路作为仿真线路，线路全长60.34km，让列车在不同技术速度(56km/h-82km/h)下运行，得到列车牵引能耗随技术速度变化的结果，如图1所示。

图1不同技术速度下的列车牵引能耗曲线图

从图1中可以看出，列车牵引能耗随技术速度的增加而增加，这是由于技术速度的提高会增加列车的运行阻力，因而导致能耗增加。由于全线的总运行时间与技术速度呈负相关的关系，因此，全线的总运行时间与能耗呈负相关关系。

（3）发车间隔对能耗的影响

发车间隔对能耗的影响主要体现为:间隔太大不利于再生制动能的利用，太小则会导致列车频繁制动一再牵引，增加运行能耗。目前地铁在制动过程中优先采用再生制动，将列车的动能转换成电能再利用，达到节能的目的。但是，由于列车载重空间和设备投资的限制，采用车载电池或轨旁储能装置对再生能进行储存的运用较少。因此，列车再生能的利用对列车工况有着较为严格的要求。一般只有同一供电分区的两列车分别处于牵引和制动工况时，制动车辆产生的再生能才能被牵引车辆利用，而发车间隔的变化会影响前后车牵引和制动工况的重叠时间，从而影响再生能利用。此外，当列车发生晚点时，后续列车与当前列车的发车间隔变小，容易使得列车之间的间隔小于信号系统运行的列车最小追踪间隔，从而引发列车制动或站外停车，增加单列车运行的能耗。

二、地铁列车运行图节能优化

（一）运行图节能优化模型

节能运行图优化的研究主要通过优化发车间隔、区间运行时分、牵引力使用系数、制动力使用系数，减少牵引能耗以及充分利用再生制动能，使运行能耗最小并降低瞬时供电峰值。本节主要从模型假设、决策变量、约束条件以及模型目标等四个方面详细介绍。

（二）模型假设

1)采用单质点模型

单质点模型将列车视为单质点，列车运动符合牛顿运动学定律。

2)己知停站时间与列车全线总运行时间

由于各站停站时间与各个站的历史客流数据有关，所以本文假设每列车在各个站的停站时间固定;模型中列车在全线总运行时间可以根据要求或者现有运行图进行设定。

3)没有车载、轨旁储能装置及逆变回馈装置

再生制动能首先会被本车辅助设备用电吸收，剩余部分供给其他列车使用或者被电阻吸收。如果同一供电区段内存在列车制动，制动列车产生的再生制动能可以立即反馈到接触网并立刻被加速列车使用;该供电分区内无列车牵引时，这部分的能量被电阻吸收，不反馈到电网。

4)不考虑线损

能耗在传输的过程中会因为电阻损失掉一部分能耗，但这部分能耗仅占运行能耗的比重很小，所以本文不考虑传输过程中的线损。

（三）决策变量

(1)列车节能操纵层面决策变量的选取

节能运行图模型中，运行图层面为列车操纵层面分配各站间的区间运行时分，由于不同运行时分所对应的牵引能耗不同，因此列车操纵层面在整个节能运行图的优化研究中的作用为:对于给定运行时分，求解牵引能耗最小的运行曲线。

（2）运行图节能优化层面决策变量的选取

节能运行图模型中运行图层面主要作用包括以下两方面:1)运行图层面主要通过调整发车间隔、区间运行时分，同步牵引、制动列车;2)通过限定牵引力使用系数、制动力使用系数因素，传到列车操纵层面，增大牵引列车和制动列车的重叠时间及再生制动能利用率。

（四）优化目标

由于各供电分区有最大功率的限制，如果仅以减小运行能耗为优化目标，可能会出现多列车同时牵引的时候，总牵引功率超出供电分区允许的最大功率。因此，本文运行图节能优化模型以降低全线运行能耗和降低瞬时供电峰值为优化目标，其中运行能耗为全线总牵引能耗与辅助设备用电的和减去总利用的再生制动能。

参考文献

[1]何佳敏,何莉媛,何丽武.地铁列车运行节能优化决策研究[J].科技展望,2017,(01)

[2]胡倩芸,柏赟,曹耘文,陈垚,陈志杰.铁路枢纽站地铁列车运行图的衔接优化[J].铁道科学与工程学报,2016,(12)

[3]黄舰,曲健伟.地铁列车基于惰行控制的节能优化运行研究[J].机车电传动,2015,(03)