城市轨道交通牵引能耗机理与节能方法研究

Efficient utilization of traction energy consumption is the critical point of urban rail energy saving, since traction system accounts for more than half of the total energy consumption in urban rail systems. This project aims to build the energy flow diagram from the traction power supply to the energy consumption of train traction motor, and analyzes the inter-actions among the subsystems referred in the diagram. Then a traction energy consumption model will be developed based on the law of energy conservation and power consumption analysis. Fuzzy rules will be applied to describe train behaviors in complicated rail line and dynamical speed limits and then a coordinated train operation model will be developed and solved by predictive control and intelligent searching. On urban rail system planning and design, Genetic Algorithm will be adopted to find the energy-efficient design scheme of track profiles and stations location. Optimization models on selection and formation of urban rail train will be built up taking into account the life cycle cost and mathematical programming method will be applied to solve the above models. On rail transportation operation and organization, the models on energy-efficient timetabling and real-time rescheduling upon service disruptions will be presented. Hybrid Genetic algorithm and Branch & Bound algorithm will be designed to find the optimal solutions of the timetabling and rescheduling models, respectively. The results of this project provide theoretical foundation and energy saving methods on track design and mode selection of trains for new rail lines, and operation of existing rail lines.

由于列车牵引用能占城市轨道交通系统总能源消耗的一半，牵引节能研究是城市轨道交通系统节能工作的重点。本项目将建立自牵引供电输入端至列车牵引电机消耗终端全过程的能量流向图，分析牵引供电和列车运行等子系统的相互作用关系，基于功耗分析和能量守恒建立城市轨道交通系统牵引能耗模型。采用模糊理论和专家规则描述复杂线路和任意动态限速下的列车群运行行为，提出基于预测控制和智能搜索算法的多列车协同操纵节能优化方法。规划设计层面，提出基于遗传算法的城市轨道交通线路节能设计和车站选址优化方法；建立基于全生命周期的列车选型优化模型和列车编组优化模型，并采用数学规划方法进行求解。运营组织层面，提出节能型运行图编制双层优化模型和以列车服务均衡与节能为目标的运行调整模型，并设计混合遗传算法和分支定界算法进行求解。研究成果可以为新线规划设计和列车选型以及既有线的运营组织提供节能方法与理论依据。

由于列车牵引用能占城市轨道交通系统总能源消耗的一半，牵引节能研究是城市轨道交通系统节能工作的重点。本项目在构建地铁列车牵引能耗模型的基础上，从规划设计和运营组织两方面提出了较为系统的牵引节能方法。首先，搭建了列车运行仿真系统，基于仿真结果揭示了对牵引能耗有显著影响的关键要素，包括列车性能、线路条件、运行图和列车操纵方案等。在理论建模分析的基础上，基于实证数据刻画了牵引能耗与其影响因素之间的相关关系，建立了包含物理模型和支持向量机的城市轨道交通列车牵引能耗模型，可以用于地铁新线设计方案的比选。在规划设计层面，分析了列车重量、阻力参数、牵引电机效率对牵引能耗的影响，提出了列车用能效率评价模型；考虑地铁设计规范要求与沿线地质条件，构建了城市轨道交通线路纵断面节能优化模型，并设计定制遗传算法和动态规划算法进行求解；分别以站站停模式和快慢车模式的地铁实际线路为案例对上述模型算法的效果进行了验证，结果表明通过优化纵断面设计方案可以节约牵引能耗6%；通过模型参数灵敏度分析，总结归纳了节能坡的设计规律，刻画了站间距和车站高程位置等对牵引能耗的影响。在运营组织层面，研究了考虑长大下坡的单列车节能操纵优化方法，并以列车运行净能耗（牵引能耗减去利用的再生制动能）最低为优化目标，构建了城市轨道交通列车运行图与节能操纵协同优化模型；提出了可考虑列车出站延误的地铁多列车协同控制框架，构建了多列车协同操纵节能优化模型，并采用协同进化算法进行求解。案例分析表明，协同优化后的列车操纵和时刻表方案可以节约超过5%的总能耗，多列车协同控制优化方法可以进一步节能5%。本项目研究成果可以为城市轨道交通新线规划设计和列车选型以及既有线的运营组织提供节能方法与理论依据。