轨道车节能运行方法的研究

程国忠

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 。

关键词：牵引计算；牵引能耗；城市轨道交通；节能运行

引言

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、 微机模拟系统等。在城市列车运行计算系统的基础上 ，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方案。

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 ，通過对相关条件改变 ，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。

首先研究了轨道交通的运行受力情况和运行线路条件对列车运行过程的影响，分别对各个条件进行分析总结，建立了运行模型。 在此基础上，根据列车的牵引制动过程和相关计算理论，研究外力变化对列车运行的影响，并深入分析列车的节能运行算法，对算法进行探究和分析。根据相关的理论和算法，寻求一种更为合理节能的运行方案，并为科学的设计线路、车辆的选型、新车上线试验提供条件和理论依据，同时也能降低运营成本，从而一定程度上缓解我国能源短缺的现象。 城轨车辆运行节能方法优化系统设计成功后，通过改变列车的运行条件，计算出列车的牵引能耗，并将得到的试验数据与软件的仿真结果及实测结果进行比较分析，验证了优化方法的有效性。

一、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。

二、节能方案设计与研究

城市列车运行计算系统为基础 ，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。

（一）曲线对能耗的影响。设置曲线长度为 500m ，曲线半径为 100～600m ，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（40kmΠ h ，50kmΠ h ，60kmΠ h）条件下运行至另一端停止。

（二）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。

（三）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。

（四）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.

三、限速对能耗的影响

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）随限速和坡长（m）的变化。

四、小结

随着我国经济的高速发展、城市化进程的不断加快，城市轨道交通将在我国城市公共交通运输中占有越来越越重要的地位，城市轨道交通列车对仿真的要求也越来越高，然而由于我国城市轨道交通的建设才刚刚起步，基于城市轨道交通的模拟软件很不成熟，现有的软件主要是基于铁路牵引计算的模拟软件，由于城市轨道列车的运行条件和环境与铁路的运行相差较远，因此现有轨道车辆的运行特性曲线并不一定是最优的运行特性曲线，列车的运行能耗也并不一定是列车运行的最佳能耗。在国家大力提倡绿色环保的大趋势下，研究城轨列车的运行节能方法是既响应了国家号召又具有重大现实意义。