ATO列车惰行模式节能应用研究

黄 璞

(杭州杭港地铁有限公司 杭州 310017)



ATO列车惰行模式节能应用研究

黄 璞

(杭州杭港地铁有限公司 杭州 310017)

在借鉴国内外研究成果的基础上，在国内运营线路上对ATO(列车自动运行系统)惰行控制进行实际测试，得到ATO列车在运营时刻表下惰行模式的实际节能效果。结果表明：在列车运行过程中，采用惰行模式可以有效降低列车的能耗，达到节能减排的目的；并结合线路运营情况，对ATO列车惰行模式运营进行ATS(列车自动监控系统)时刻表优化和到发站操作流程的优化，可降低节能模式对运营服务的影响。

城市轨道交通；列车自动运行系统；惰行；节能

随着城市化进程的不断发展，在带动城市经济增长的同时，也带来了诸如交通拥堵、环境污染、能源消耗等城市问题。为降低在城市化进程中出现的交通问题，越来越多的城市选择了“公交优先”的发展模式，城市轨道交通作为公共交通的重要组成部分，具有安全、快捷、准点、环保、运输能力大等特点，受到城市建设的青睐。

截至2015年底，国内城市轨道交通运营线路累计达到97条，运营总里程达到3 087 km，运营车站达到2 023座，居世界第一位[1]。而轨道交通是一个能耗较大的行业，根据目前轨道交通运营线路的能耗数据分析，列车运行时的牵引用电约为总用电量的50%～60%。当前，国内使用CBTC(基于通信的列车自动控制系统)运营的线路，运营行车间隔最小可达90 s，随着行车间隔的缩短，牵引用电量随之上升，总运营能耗量呈增长趋势，运营成本随之上升。因此，通过技术手段降低城市轨道交通能耗，减少用电总量，成为降低城市轨道交通运营成本最为有效的途径。

在地铁列车节能控制方面，国内外进行了大量研究[2]。在设计阶段可考虑增加节能坡、列车使用节能设备等，在运营阶段可考虑列车采用惰行、编制节能时刻表的方式来实现。本文在借鉴国内外研究成果的基础上，在国内某条运营线路上对Ansaldo STS CBTC系统的惰行控制进行了实际测试，得到了在相应ATS(列车自动监控系统)时刻表下ATO(列车自动运行系统)列车“惰行”的实际节能效果。

1 惰行节能研究

1.1 惰行在列车运行过程中的作用

在列车运行过程中，列车发动机停转，列车处于无牵引、无制动，只在阻力作用下运行的过程，该过程即为列车的惰行。列车在线路上的运行主要有牵引、惰行、制动等3种工况，列车在不同工况下的耗能存在明显区别。由于列车在惰行过程中只有较少时间进行牵引，使列车运行时电能的消耗得以减少。在列车运行过程中，适当地采取惰行，可以有效减少列车牵引用电的使用，从而达到节约能耗的目的[3]。地铁列车在站间运行过程中，尽量多使用惰行，是一种有效的列车节能方式。

1.2 列车惰行节能方案

针对已运营的线路，结合运营密度，在确保运能、投入列车数量最少的基础上，理论上采用“ATO+惰行”模式运行的列车，其牵引用电最小。ATO列车惰行运行曲线如图1所示。

图1 惰行运行曲线

图1显示了列车出站(A)先加速, 然后惰行、减速,最后停在临近车站(B)。当ATO接收到一个指令，列车达到最大线路速度后惰行[4]。这样，就会造成运行时间将按特定比例增加(红色惰行曲线)，降低运行速度也进一步减少了能源消耗。正如图1所显示的，与正常规定速度相比，列车减少了加速请求，因此减少了牵引所需动力，最终减少了列车的能源需求。

在列车运行过程中，线路条件、站间距离、区间限速和运行时间是影响惰行控制方案的主要因素[5]，不同的线路在线路设计方面均存在差异。信号系统需根据这些条件并结合ATS时刻表设定ATO列车惰行运行的持续时效值及采用惰行的时机[6]。

2 惰行节能验证

2.1 抽样验证

为了验证惰行方案的正确性，在运营线路组织进行了相应的测试。在测试过程中，根据运营实际需求，分别使用了工作日、双休日运营时刻表(工作日、双休日根据客流量采用了不同的高峰运营时段，不同的上线运营列车数)。为了保证测试结果的准确性，节能测试过程分2个阶段进行，第1阶段为抽样验证，选取了2列采样列车。

使用工作日A时刻表，第1天，选用2列车(1#、2#)全天使用ATO模式运营，列车回库后采集全天能耗值及运行里程作为测试参考值(列车在自身VCU中储存了当前的运行里程及总能耗值)；第2天，在相同时刻表下对该两列车(1#、2#)在运营高峰时段使用“ATO+惰行”模式；第3天，在同一时刻表下，对该两列车(1#、2#)在全天运营时段使用“ATO+惰行”模式。具体3天的每千米能耗值如表1所示。

表1 每千米能耗统计(工作日) kWh

使用双休日B时刻表，第1天，继续选用原测试列车(1#、2#)全天使用ATO模式运营；第2天，在同一时刻表下，对该两列车(1#、2#)在全天运营时段使用“ATO+惰行”模式。

列车回库后采集全天能耗值及运行里程，具体周末的每千米能耗值如表2所示。

表2 每千米能耗统计(周末) kWh

统计数据显示，全天使用“ATO+惰行”模式运营的列车，每千米能耗值明显低于不使用惰行模式运营的列车，具体如图2所示。

图2 第1阶段能耗值对比

根据该阶段的测试结果，使用惰行模式运行的列车，能耗值明显低于不使用惰行模式运行的列车，并且惰行模式持续时间越久，节能效果越明显。

2.2 多列车验证

由于第1阶段测试时仅采样了2列车的数据，为了更真实地反映出测试数据的有效性，第2阶段测试期间增加了采样列车的数量，对多列车使用了“ATO+惰行”的运行模式。 为了保证数据的真实、有效性，具体测试结果如表3所示。

表3 第2阶段能耗统计

其中，工作日使用A时刻表， 2月6日、2月12日全天所有列车在ATO模式下运行，作为测试参考数据；2月5日、2月13日全天运营列车均使用“ATO+惰行”模式运行。双休日使用B时刻表，2月8日、2月14日全天所有列车在ATO模式下运行，作为测试参考数据；2月7日、2月15日全天运营列车均使用“ATO+惰行”模式运行。

第2阶段统计数据同样显示，全天使用“ATO+惰行”模式运营的列车，每千米能耗值明显低于不使用惰行模式运营的列车，具体如图3所示。

图3 第2阶段能耗值对比

根据验证，第1、2阶段测试数据均表明，使用惰行模式运行的列车，能耗值明显低于不使用惰行模式运行的列车，并且惰行模式持续时间越久，节能效果越明显，与设计理论相吻合。

3 惰行节能对运营服务的影响

3.1 运营影响

采用惰行模式运行的列车，由于减少了牵引的作用时间，相应增加了列车区间走行时间，如图4所示。

图4 惰行运行时间曲线

列车区间走行时间的增加将增加乘客的乘车时间，降低运营服务水平。为了检验采用惰行模式运营的ATO列车对运营服务的影响，测试结束后，调取了全天列车的运行图。经验证表明，使用惰行模式运行的列车，ATO列车将会依照时刻表，将运行速度自动调整到运营可接受的延误时差范围内。惰行列车运行图如图5所示。

图5 惰行列车运行图

3.2 时刻表优化调整

运营期间，由于存在车门、屏蔽门故障及高峰期大客流冲击等各种不确定因素，为了减小采用惰行运行对运营服务的影响，根据ATO惰行模式运行测试的状况，对运行时刻表进行部分优化。

时刻表优化以现有运营间隔不变、满足准点率为前提。该运营测试线路，平峰期间，运营间隔相对较疏，列车发车间隔为320 s；高峰期间，运营间隔相对较密，列车发车间隔为180 s。根据国外的研究经验，通过调整列车停站时间和惰行时间来优化惰行时刻表[7]。

平峰期间，站台客流量相对较少，通过缩短站停时间来弥补因采用惰行增加的区间运行时间，以满足准点率。以站台A到站台B为例，平峰时间段优化调整前后的对比结果如表4所示。

表4 平峰期间对比 s

高峰期间，考虑到站台客流量相对较多，保持原有站停时间不变，通过增加区间列车惰行的次数来减少惰行的作用时间，以满足准点率[8]。但减少惰行作用时间，降低了节能的效果。以站台A到站台B为例，高峰时间段优化调整前后的对比结果如表5所示。

表5 高峰期间对比 s

3.3 到发站操作流程优化

ATO模式是有人监督的列车自动运行模式，该模式运行的列车，开关门模式一般有3种：手动开/手动关、自动开/手动关、自动开/自动关模式，列车发车时需人工按压ATO发车确认按钮。考虑到人为操作的不确定性，惰行测试完成后对列车到发站的操作流程做以下优化。

1) 对采用惰行模式运营的ATO列车，列车开关门模式选用自动开/手动关或自动开/自动关，以缩短列车停稳站台到车门打开的时间，增加乘客上下车的窗口时间；

2) 司机严格依照列车发车计时器的倒计时进行关门作业(如采用自动开/手动关模式)，根据发车计时器的提示信息准时按压ATO发车按钮发车[9]，以缩短车门关闭到列车发车的窗口时间，提高列车的准点率；

3) 线路终点站折返均启用ATB无人自动折返[10]，以便缩短折返用时，保证列车在运行期间产生延误时，可在折返时将延误时间追回。

4 结语

根据应用研究结果，使用惰行模式运行的列车，能耗值明显低于不使用惰行模式运行的列车，并且惰行模式持续时间越久，节能效果越明显。

参照本条实验线路，使用Ansaldo STS CBTC信号系统运营的线路，当列车采用ATO+惰行模式运行时，通过对时刻表、到发站操作流程进行优化后，可满足运营各项要求，不会对运营服务造成影响；可推广到其他轨道交通运营线路使用ATO+惰行模式，以达到节约能耗的目的。

[1] 肖明，敖凡迪.城市轨道交通建设大提速： 超大城市成投资热点[N].21世纪经济报道，2015-6-16(7).

[2] 马超云，毛保华，梁肖，等.地铁列车节能运行惰行控制研究[J].交通信息与安全， 2010，28(2):37-42.

[3] 段晨宁.地铁列车节能技术的应用[J].铁道通信信号， 2003，39(8):38-39.

[4] 杭州市地铁集团有限责任公司.杭州地铁1号线工程信号系统设备采购与服务合同：技术规格与要求[G].杭州，2009：158.

[5] 马少坡，刘炜，周晓辉，等.基于惰行节能规律的列车运行仿真研究[J].铁道机车车辆， 2011，31(3):25-29.

[6] 王栋，刘炜，李群湛，等.城市轨道列车惰行优化研究[J].铁道机车车辆， 2014，34(5):47-50.

[7] WONG K K，HO T K .Dwell-time and run-time control for DC mass rapid transit railways[J].IET of Electric Power Application，2007，1(6):956-966.

[8] 步兵，丁奕，李辰岭，等.列车控制与行车调度一体化节能方法的研究[J].铁道学报， 2013，35(12):64-71.

[9] 杭州杭港地铁有限公司.ATO_ATPM行车模式作业指引[G].杭州，2015：11-14.

[10] 杭州杭港地铁有限公司.ATB自动折返操作指引文件[G].杭州，2014：5-8.

(编辑：曹雪明)

Research on Energy Conservation of ATO Coasting Control Mode

Huang Pu

(Hangzhou MTR Corporation Limited,Hangzhou 310017)

Based on the research results both at home and aboard, the tests on domestic ATO coasting control have been done to get the actual energy conservation effects under ATO train timetable with coasting mode. It is concluded that the "coasting" mode can effectively reduce the energy consumption of the train during the train running process and finally achieve the purpose of energy conservation; by taking into account the actual operation situation, the schedules and departure station operating procedures have been optimized,which can help reduce the impact of energy conservation mode on operation service.

urban rail transit; ATO; coasting; energy conservation

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.04.011

2015-07-07

2015-07-27

黄璞，男，本科，高级信号维修工程师，从事CBTC信号设备的开发、维护研究，huangwang0938@163.com

U231 F530.7

A

1672-6073(2016)04-0052-04