基于能耗优化的城市轨道交通运行图调整研究

城市化进程不断加快，让轨道交通在缓解拥堵状况、提升公共出行效能上扮演着愈发关键的角色，高频运行模式所引发的电能消耗问题愈发凸显。鉴于现有设备与线路条件相对稳定，提升系统能效的切入点渐渐朝着运行组织层面转移，运行图作为列车运行时间安排和节奏把控的关键载体，其合理性既影响运输能力和乘客体验，还直接影响整体能耗水平，探寻一种着眼于能耗优化的运行图调整方式，成了当下城市轨道交通节能减排的关键研究领域。

一、城市轨道交通系统能耗构成与影响因素分析

（一）列车运行能耗的构成

城市轨道交通系统的能耗主要聚焦在列车运行环节，有加速阶段产生的牵引能耗、匀速运行所需的维持功耗、制动过程造成的能量损耗，以及空调、照明等附属系统的能耗，加速阶段的能耗占比最大，占据比例超 40% ；匀速运行情况受线路坡度和阻力的影响，占比在 20% - 30%之间；制动期间虽可进行再生回馈，然而受系统容量约束，损耗依旧存在。辅助设备能耗占比约达 15% ，在用电高峰或高温状况下更为明显，多数城市的列车已配备再生制动功能，不过能量回收效果依旧受列车间隔和供电系统的约束，优化运行图，合理安排牵引与制动的时序，是提高整体能效的关键办法。

（二）运行图参数对能耗的影响

运行图中的发车间隔、运行时间、停站安排与换乘设置等参数，直接影响列车的加速频率和制动模式，从而影响能耗水平[1]。发车间隔不匀会使列车于同一区段频繁加减速，提升系统负载，合理调整列车发车节奏，使其分布更均衡可明显降低能耗，部分线路高峰期节能率达 10%. 。运行速度曲线设计意义重大，通过平缓加速与减少突变可有效削减牵引能耗，比如将加速度由1.0 米每二次方秒减至0.8 米每二次方秒，在保证准点的情况下能耗显著降低，采用高峰短交路、快慢车分流等交路设计方式，可削减列车空驶现象，提高列车的使用效能，从而进一步降低能耗。

（三）线路与基础设施因素

线路坡度、站点设置与供电系统是影响能耗的关键基础要素，上坡时需加大牵引力，下坡宜进行回馈制动，优化列车于坡段的运行排序，像使下坡制动列车和上坡加速列车交替运行，可增强能量回收效能，站点设置过密会造成车辆频繁启停，提升单位距离的能耗。采取跳停策略让低客流站点列车不停靠，部分城市于深夜时段尝试关停部分低利用率站点，收获不错成效，对于供电系统，需规避多列列车同时进行牵引或制动而造成电网负荷集中现象，借助合理安排时序，达成回馈电能的就地消纳，提升整体能源利用效率。

二、基于能耗优化的运行图调整模型构

（一）运行图优化目标与约束条件

运行图调整的核心目标是在满足运输能力、服务质量和运营安全的前提下，尽可能降低列车运行过程中的综合能耗[2]。优化重点在于恰当安排列车运行的时刻与节奏，使系统在局部和整体维度实现负荷的均衡，防止多个列车同时进入高功耗状态，一定要遵循一系列现实的约束，像最小发车间距、最大车站驻留时间、车站客流处理效能、信号系统控制规则等。

（二）建模方法与优化思路

在建模方法上，采用以能耗为核心的优化策略，通过采集实际运行参数，建立列车运行状态与能耗间的函数关系模型，运用分段解析的形式呈现不同阶段的能耗特性，像对加速、匀速和制动阶段分别构建模型，以体现车辆不同运行状态下的能耗差异。

为应对模型求解的复杂难题，可运用启发式算法，像遗传算法、模拟退火或者粒子群优化等，选用启发式算法对多变量、多目标的优化问题开展高效搜索，运行图优化时，除能耗因素外，又要综合兼顾列车正点率以及乘客换乘时间等指标，故而在求解时引入服务质量加权因子，来达成多目标的协同。

（三）运行图调整具体策略

优化策略包括以下几个方面：调整发车时间：依据线路区段的供电能力和车流密度，重新编排列车的始发时间，让不同列车在供电区段达成牵引与制动时序的互补，优化速度曲线：为列车配置能效更佳的运行速度规划，规避高能耗的急启与急停，同时管控高峰时段速度的波动区间，降低系统峰值负荷，优化换乘衔接流程：优化枢纽站点多线路列车的到发时刻衔接，削减站台等待及启动的次数，降低重复加速能耗，列车跳停及短交路实施策略：特定时段或车站采用选择性停站和部分列车折返运行方式，降低低客流区域的能源消耗。

（四）节能与运营效率的协同优化

能耗优化不可通过牺牲准点率与服务水平来达成，故而需在节能与运营效率方面建立协调机制，运用双目标优化理念，在调整运行图时兼顾列车总能耗与运行误差，让列车运行兼具经济性与可靠性[3]。部分城市已实施“分段优化+峰谷分离”的运行图配置方案，既能让高峰期运输能力得到充分保障，又于低谷时段采用节能运行模式，实现整体节能目的。

三、模型应用验证与仿真分析

（一）案例选取与数据基础

本研究把某地铁环线选定为研究对象，该线路属于典型的高客流闭合线路，列车启动与停车频繁、运行频次高，对能耗变化敏感，所采用的数据涉及列车时刻表、站间距离、车辆相关参数、牵引和制动能耗、回馈电量、供电区段能力及信号系统约束等内容，来自地铁公司智能调度与能耗监测平台，且经过历史数据校验，保障建模精准度，为提高模型的适配性，数据包含高峰与平峰时的客流特点、不同时间段发车间隔以及列车实际能耗曲线，用于后续的仿真和验证。

（二）仿真平台与测试方法

研究借助OpenTrack 仿真平台搭建真实线路模型，该平台具备精准的车辆动力学仿真效能，能够精准模拟不同运行图策略下，列车速度曲线、牵引能耗以及回馈能量的变化情况，测试流程由两个步骤构成：先引入现行运行图，对运行能耗做基准测量和数据核对；当服务质量和乘客等候时间维持不变时，采用优化运行图策略再次进行仿真，细致分析能耗、发车间隔波动、回馈电能利用率等关键指标的变化走向，仿真覆盖工作日高峰、平峰以及节假日低客流这三种典型运行场景，以此检验优化策略在多种场景下的普遍适用性。

（三）仿真结果与分析

模拟实验结果证实，优化运行图可有效削减能耗，系统整体能耗平均降幅约达 9%-10% ，其中高峰时段的节能成效格外突出，部分线路在设备负荷大、制动频次高的区段节能效果更佳，针对供电能力匮乏的瓶颈路段，优化后能耗降低幅度能达到 15% 以上，有力缓解变电所的过载状况。能量回馈效率得到明显改善，再生制动能量实际利用率提升约 13% ，反映出牵引负载接续优化引发的协同效应，从运营角度而言，优化并未延长乘客候车时长，反倒因为列车间隔变得更均衡，让平均换乘等待时长缩减约 4% ，列车在车站停留时间的波动比率同样有所下降，有利于提升整体运营稳定性。

总结：本文针对城市轨道交通系统能耗优化问题展开研究，剖析运行图影响能耗的关键要素，建立以节能为目的的运行图调整模型，同时提出切实可行的优化策略，经实际线路仿真测试，优化运行图可显著削减系统总能耗，增强能源利用效率，还能兼顾运营稳定性与乘客服务质量，研究成果为轨道交通的节能运行给予了理论支撑与实践办法。

参考文献

[1]庞家治.一种城市轨道交通的能耗管理系统设计[J].中国科技信息,2023,(05):66-68.

[2]张戬.轨道交通牵引供电系统的设计与优化运行研究[D].西南交通大学,2022.003360.

[3]于晓杰.城市轨道交通列车节能运行优化研究[J].电气化铁道,2020,31(S1):128-132.