軌道車節能運行方法的研究

程國忠

摘要：在城市軌道交通中，影響列車運行能耗的因素包括列車的牽引制動性能、 列車重量、 限速、 線路條件、 信號閉塞方式以及列車的操縱方式等 ，通過對相關條件的改變 ，可以實現列車節能的目的.論文通過案例設計與系統模擬 ，重點研究了線路條件對城市軌道交通節能的作用.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行了研究 ，并對節能坡的節能情況進行了分析 。

關鍵詞：牽引計算；牽引能耗；城市軌道交通；節能運行

引言

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 ，這體現在列車的牽引制動特性、 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 ，線路一般采用節能坡等形式 ，因此城市軌道交通列車節能問題的研究有其特殊性。如不需要考慮有級牽引時手柄位的轉換問題 ，站間距較短和節能坡的設置有利于實現牽引惰行的運行模式 ，列車重量的較小變化使列車的定時計算更為快捷等 ，這為城市軌道交通列車節能問題的研究提供了便利條件。國內外對于列車運行節能問題有較多研究 ，然而由于列車運行環境的復雜性 ，節能算法模型及其求解技術是一項十分困難的工作。 20 世紀 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能操縱方面進行研究和試驗 ，總結節能的列車操縱方式 ，并應用微機技術研制開發列車優化。

操縱的微機指導系統、 微機模擬系統等。在城市列車運行計算系統的基礎上 ，對城市軌道交通列車節能問題及案例設計進行了初步的研究 ，主要是從曲線、坡道以及列車重量等方面對能耗的影響進行了研究 ，得到各種情況下的節能方案 ，并且對節能坡進行了分析 ，得到適合不同區間條件下的節能方案。

隨著國內城市軌道交通的日益發展，城市軌道交通列車節能研究越來越具有現實意義.列車的能源消耗涉及諸多因素 ，包括列車的牽引制動性能、列車重量、 線路條件以及列車的操縱方式等 ，通過對相關條件改變 ，可以實現列車節能的目的.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 ，這體現在列車的牽引制動特性、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 ，線路一般采用節能坡等形式 ，因此城市軌道交通列車節能問題的研究有其特殊性.如不需要考慮有級牽引時手柄位的轉換問題 ，站間距較短和節能坡的設置有利于實現牽引 - 惰行的運行模式 ，列車重量的較小變化使列車的定時計算更為快捷等 ，這為城市軌道交通列車節能問題的研究提供了便利條件.國內外對于列車運行節能問題有較多研究 ，然而由于列車運行環境的復雜性 ，節能算法模型及其求解技術是一項十分困難的工作。

首先研究了軌道交通的運行受力情況和運行線路條件對列車運行過程的影響，分別對各個條件進行分析總結，建立了運行模型。 在此基礎上，根據列車的牽引制動過程和相關計算理論，研究外力變化對列車運行的影響，并深入分析列車的節能運行算法，對算法進行探究和分析。根據相關的理論和算法，尋求一種更為合理節能的運行方案，并為科學的設計線路、車輛的選型、新車上線試驗提供條件和理論依據，同時也能降低運營成本，從而一定程度上緩解我國能源短缺的現象。 城軌車輛運行節能方法優化系統設計成功后，通過改變列車的運行條件，計算出列車的牽引能耗，并將得到的試驗數據與軟件的仿真結果及實測結果進行比較分析，驗證了優化方法的有效性。

一、節能運行算法

根據國內外的研究，在設計列車節能運行算法時 ，可以遵循如下原則：

（1） 加速過程按最大牽引力計算；

（2） 停車制動按最大制動力來計算；

（3） 除停車制動外 ，避免采用空氣制動；

（4） 在約束條件下協調采用均速及惰行模式。本文采用的節能控制方式結合上述運行過程 ，

以列車運行的平均速度作為目標速度 ，并圍繞著目標速度按牽引 - 惰行運行 ，以達到節能的目的。具體過程如下：

在列車起動階段 ，盡量利用最大牽引力牽引。在區間運行時盡可能采用惰行工況 ，區間調速避免采用制動工況 ，以節約能源。如果列車目標速度小于當前限速 ，當接近目標速度時列車將貼近目標速度采用牽引 - 惰行模式運行；如果目標速度大于當前的限速 ，則在接近限速時將采用惰行運行 ，如果速度仍然上升 ，則采用制動運行。當前方限速曲線的值為零時列車將以最大制動力停車制動。

二、節能方案設計與研究

城市列車運行計算系統為基礎 ，進行相應的案例設計 ，分析曲線、 坡道和列車重量的變化對列車能耗的影響。在進行案例設計時 ，采用以下參數。列車類型：地鐵；動車組：三動三拖；列車重量：150t ；列車長度：110m；其它參數采用系統默認值。

（一）曲線對能耗的影響。設置曲線長度為 500m ，曲線半徑為 100～600m ，其中 “ ∞” 表示無曲線。 為了有較為統一的比較標準 ，列車從曲線的一端靜止啟動 ，在三個不同的限速（40kmΠ h ，50kmΠ h ，60kmΠ h）條件下運行至另一端停止。

（二）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，通過合理案例的設計 ，得出列車在上、 下坡道上的能耗規律；同時對節能坡的縱斷面設計進行研究 ，考察在不同的區間設置不同坡度和長度的節能坡 ，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能坡優化方案。

（三）節能坡運用對能耗影響。在軌道交通線路縱斷面設計時，節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，采用節能坡可以達到降低列車運行能耗的目的。為了研究結論的可比性 ，節能坡案例設計要盡量有一個相同的條件，該部分內容主要研究在相同的站位 - 區間高差的情況下，在不同站間距和限速條件下，獲得更有效的節能坡形式。設置站間距分別為 1km、 2km、3km ，節能坡坡長為200m、坡度為 40 ‰，列車從一個車站靜止起動 ，運行至另一個車站停車。

（四）能耗與列車重量及限速的關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.

三、限速對能耗的影響

探討在不同坡道情況下，列車因運行限速不同而引起的能耗差別。設計 3 種坡道：坡長分別為 600m ，400m ，200m ，坡度都為 30 ‰，列車從坡底靜止起動 ，到坡頂停止 ，列車能耗（kWh）隨限速和坡長（m）的變化。

四、小結

隨著我國經濟的高速發展、城市化進程的不斷加快，城市軌道交通將在我國城市公共交通運輸中占有越來越越重要的地位，城市軌道交通列車對仿真的要求也越來越高，然而由于我國城市軌道交通的建設才剛剛起步，基于城市軌道交通的模擬軟件很不成熟，現有的軟件主要是基于鐵路牽引計算的模擬軟件，由于城市軌道列車的運行條件和環境與鐵路的運行相差較遠，因此現有軌道車輛的運行特性曲線并不一定是最優的運行特性曲線，列車的運行能耗也并不一定是列車運行的最佳能耗。在國家大力提倡綠色環保的大趨勢下，研究城軌列車的運行節能方法是既響應了國家號召又具有重大現實意義。