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本文源于《中国轨道交通》杂志2016年6月刊（总第66期）,订阅《中国轨道交通》杂志，全面掌握轨道交通市场信息。 【城轨盛会】2016（第六届）中国城市轨道交通机电设备系统性建设研讨会将于8月12日在郑州召开 供稿/杭州杭港地铁有限公司 杭州通号经理 莫辉强
摘要：在轨道交通运营单位费用支出中，列车牵引耗电费用几乎占到了运营日常费用支出的50~60%。对于地铁运营企业来说，如何在兼顾运营安全、效率以及乘客舒适度等前提下，通过技术手段实现节能减排，降低运营成本，对提高运营效益有着重要的意义。结合杭州1号线牵引节能调研与分析，为信号系统接口设计、功能设计以及牵引节能建模和研究提供参考。
关键词：牵引节能、ATO、惰行、基于通信的移动闭塞信号系统（CBTC）
依托国家“十二~三五”规划和发展需求，国内轨道交通已进入到快速发展时期，各地市地铁网络正不断地快速扩张中。杭港地铁有限公司是杭州地铁集团与香港铁路有限公司（MassTransitRailway，MTR）共同成立的合资企业。公司财务已从运营服务、维修保障等方面制定有明确的收益目标和预算计划。随着客流量、上线列车数量的剧增，列车牵引能耗费已占据到地铁运营费用的50~60%。作为以“运营客服为主”的企业，为提升运营效益，实现盈利，必须在服务安全、质量和效率前提下，提高资源利用率，缩减运营开销。HZL1的列车牵引产生的电费，每年高达6000多万元。因此牵引节能问题，成为公司管理层特别关注的问题之一。为此，公司通号中心综合杭州1号线实际情况，通过对车辆、信号系统运营工况调查，在列车牵引节能做调研和分析。
一、信号系统构成
杭州地铁1号线（以下简称为“HZL1”）信号系统是基于无线通信的移动闭塞列车控制系统（CommunicationBasedTrainControlSystem,CBTC），包括计算机联锁（ComputerBasedInterlockingSystem,CBI）、列车自动超速防护（AutomaticTrainOver-speedProtectionSystem,ATP）、列车自动运行（AutomaticTrainOperationSystem,ATO）、列车自动监控（AutomaticTrainSupervisionSystem,ATS）等子系统。
系统架构如下： 其中，联锁子系统负责进路相关的道岔、信号机以及轨旁外部接口状态监控，完成进路监控功能；
ATP子系统负责列车速度监控与超速防护，实现人工驾驶模式下列车状态连续监控以及速度、方向、超速防护等功能；
ATO子系统负责在自动驾驶模式下的列车控制，并基于ATP系统的安全防护下，按时刻表预先设置，达到运营服务计划需求。
二、前提条件及牵引节能方案形成
2.1前提条件
HZL1列车驾驶模式有5钟驾驶模式，包括列车自动驾驶模式ATO（AM），ATP防护的人工驾驶模式（ATPM），点式ATP防护的驾驶模式（iATP），限制人工驾驶模式（RM），非限制的人工驾驶模式（NRM）。
在AM和ATPM模式下，车-地通信是实时的，列车能实时地收到轨旁子系统所有状态信息，包括时刻表、进路、外部接口以及临时调整等信息，ATS可对列车实时控制和监督。列车能实时响应时刻表和临时调整需求（如下图2）；在IATP、RM以及NRM模式下，车地-通信为非连续状态，此时列车无法接收实时信息，不能即时响应。
运营系统首要是保证运营前提下，当运营突出状况出现时，需取消或放弃节能模式，以便实现时刻表兑现率，准点率指标。所以，牵引节能需AM或ATPM模式才能满足实际要求。 2.2牵引节能方案形成
HZL1地铁列车采用4动2拖6卡编组模式，每辆动车2台转向架均由2组牵引电机提供动力。由于列车运行速度与牵引电机功率成正比。当速度越高，电机的功率越高；速度较低时，电机的功率越低（如图2）。依据电机功率P=IV，而接触网电压V基本处于1500VDC，列车速度变化快慢与同时产生的电流变化成正比关系，电流变化越快，由电能产生热损耗越大，速度变化越平滑下产生的能耗丢失将越少。
列车控车模式分为非信号控制（人工控制）和信号控制两种。信号控车模式下，通过ATS系统则可复核列车运营交路和运行状况，因此通过信号车载及ATS子系统确保监控功能，通过采集车辆牵引电机每天初始和结束能耗值，得到单位距离车*公里能耗，通过车*公里能耗表现。从运营角度看，单列车的能耗多少，不能体现整个运营系统的能耗多少。杭州1号线线路较长，上线列车数量多，收集所有列车数据及分析工作量过大导致人员利用率与人工成本问题。采取抽样类推法，得出节能推论，最后通过收集所有列车数据完成复核验证，得出节能优劣分析结果。 为验证该推论，须保证列车工况基本一致，确保两次对比的牵引电机能耗数据有可比性。非信号控车（NRM或RM）下时，列车处于全人工模式，信号系统对列车的实施只监不控，行车速度受车辆侧最高限速限制，此时车辆限速低，能耗节省比例很小做忽略计。信号控车模式（ATPM或AM）下时，虽然列车运行工况和能耗都可以监测，但ATPM下列车工况受制于司机，达不到同车不同车次能耗数据可比性要求；AM模式下列车工况完全受控于时刻表，满足同车不同车次能耗数据对比性。
综上情况来看，在保证运营需求时，通过降低平均旅行速度，减少列车速度急速变化，可有利于列车牵引节能；对同一时刻表，抽取AM模式下同车不同车次车*公里能耗值对比，可实现能耗状况分析和调研。
2.3列车牵引节能方案
基于信号系统功能情况，考虑前提条件以及实施可行性，拟定四种方案。
方案一：列车运营等级调整
方案二：增加单行程运行时间
方案三：保持运营间隔，减少上线列车
方案四：采用“正常运营等级+ATO+惰行”运行
三、方案验证及数据分析
自2014年8月份开始，由通号、车辆、供电、OCC、乘务等部门共同参与，完成节能方案实际测试，收集数据进行具体分析。
3.1列车运营等级调整
车载ATO系统从ATS接收到运行等级，进而调整车辆速度、加速度和预定减速度，以符合运行等级。HZL1ATS子系统运行等级定义见表1。 依据ATS子系统功能，在满足系统功能及时刻表要求时，将ATS运营等级设置为L2或L3。由于列车运行速度越低，牵引电机功率将越低，所以通过降低运行等级可降低牵引能耗。经现场核实（8月21-26日），当设置为L4、L5时，列车单个行程延误将超过4分钟，无法满足原定运营要求。
3.2增加单行程运行时间
现场调查发现当单行程大于1小时，乘客对单行程2~4分钟延迟是可以接受的。而当单程运行时间延长时，列车平均旅行速度将降低，而牵引电机的平均功率将降低。故拟定“单行程运行时间增加2分钟”来测试节能是否可行。经过论证，通过修改“时刻表区间运行时间，将该增加的2分摊到区间”行程中，可保持所有班次原有到站时间；或通过将折返时间压缩2分钟来实现。经现场对两列车多次抽样验证，该方案只在非高峰时段有效（增加耗时在2分钟以内），不利于全天实际操作，节能效果是有限的。
3.3保持运营间隔，减少上线列车
从全线列车所有牵引电机总功率来看，减少上线列车也许能到达节能目的。由于HZL1线路为“Y”型交路，Y字的两个支线列车需满足1:1匹配要求。如减少列车，则需同时减少偶数数量列车（2或4列），参考2014年4月21-23日ATO上线初期验证结果，减少2列车情况下，列车将出现普遍晚点现象，已不能满足运营需求。
3.4采用“正常运营等级+ATO+惰行”运行
运营列车工况主要包括牵引、惰行、制动等三种，而在此三种工况下列车的耗能是有差别的。结合HZL1实际运能要求，通过对所有列车设置“ATO+惰行”模式，使得列车速度变化平缓，减少牵引能耗损失。根据该推论，现场利用“工作日时刻表TL1119”和“非工作日时刻表TL1604”抽样2列车进行第一阶段验证，结果如下表2： 可见全天使用“ATO+惰行”模式的列车，车*公里能耗值明显较低（如图5）。根据该阶段结果推算，如所有运营列车均使用“ATO+惰行”模式，则年节约能耗约400万度，年可节省电费约300万元。
鉴于第一阶段仅有2列车的抽样数据，为了更真实的反映数据的有效性，第二阶段加大了能耗采样列车数量，全天运营所有列车均使用了“ATO+惰行”模式。详见表3： 可见全天使用“ATO+惰行”模式运营的列车，车*公里能耗同样较低。如图6所示。 依据阶段二测试结果，按照时刻表日运营收益公里数及时刻表的年投用天数，推算年节省电量约为400万度；当采用“ATO+惰行”时，车*公里能耗节约为0.5元，则HZL1年可节约电费约300万元（如表4）。
四、总结
HZL1采用“ATO+惰行”方式一定程度实现了牵引节能，并为公司节约了一定运营成本。由于运营条件限制，本次节能调研对HZL1信号系统的功能依赖性较大。本次牵引节能的调研和分析发现，信号与车辆接口件缺乏能耗交互信息，且目前国内外使用的主流信号系统，牵引节能只考虑了单列车惰行节能情形，仍没能建立复杂运营工况牵引节能模型，更谈不上完成设计、试验以及运营应用了。从实际运营角度看，如何通过自动调整时刻表，增加或减少上线列车，自动调整列车旅行速度或折返时间等方式，到达牵引节能最终目标，是非常必要和必须的。从轨道交通发展，节能减排，运营成本效益以及功能需求等方面来看，列车的牵引节能技术仍可进一步深入探讨和研究，随着牵引节能技术提升和应用，这对于运营线路费用支出的影响是巨大而深远的。
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