城市轨道交通系统节能运行方法
作者 | 高自友，杨立兴
作者单位 | 北京交通大学
引用 | Ziyou GAO,Lixing YANG. Energy-saving operation approaches for urban railtransit systems[J]. Frontiers of Engineering Management, 2019, 6(2): 139-151.
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排版 | 李欣羽
随着我国城市化进程的推进，交通需求急剧增长，交通拥堵日益严重，给城市交通带来巨大的压力。轨道交通以其运量大、速度快、安全、准时、环保、节约用地等优点，逐步成为城市交通体系的骨干。然而，在运营里程增长、规模不断扩大、客流激增的背后，轨道交通运营能耗过大的问题也随之浮现。近些年，关于城市轨道交通能耗优化的研究受到了众多学者的关注。本文通过分析城市轨道交通系统能耗的构成，提炼了三种优化能耗的方法，即：（1）优化列车速度曲线以减少牵引能耗；（2）优化再生能量利用以减少牵引电网供电；（3）协同优化列车运行图和速度曲线以减少系统总能耗。鉴于此，本文从能效提升角度出发，对三种优化方法逐一梳理论述，以期读者能在城市轨道交通节能优化方面有所启发。
为了便于读者快速理解文章的整体思路，我们给出以下技术路线图。
图1 技术路线图
在列车速度曲线优化方面，本文详细介绍了通过组合各运行工况的方式来生成不同推荐速度曲线的模型构建方法，并指明了求解单车节能速度曲线的优化算法，即解析算法、数值算法和智能算法。针对再生能量的优化利用，本文基于再生能量的产生原理详细刻画了再生能量的直接利用过程。在此基础上，进一步引入储能装置，介绍了再生能量的间接利用过程及优化方法。此外，在满足客流需求的前提下，为实现协同优化列车运行图和速度曲线的目的，阐述了通过合理匹配列车发车时间以及选择速度曲线来提高再生能量利用率的过程，并给出了采用时空网络表示方法来构建相关模型的具体方法。相关方法为实现城市轨道交通安全、高效、节能运营提供了科学的理论支撑。
针对现有研究的不足，读者可在以下几个方面展开进一步的研究。
在实际运营中，客流需求的动态随机性会直接影响列车载重、加减速率等性能指标，从而导致牵引能耗及再生能量的随机波动。因此，可进一步考虑客流的动态性和随机性，研究列车节能速度曲线的鲁棒优化方法，以有效降低不确定因素导致的决策风险。
目前，针对基于再生能量存储利用的列车运行组织优化研究尚处于起步阶段。因此，可同时考虑再生能量的直接利用和间接利用过程，精确分析再生能量产生、传递、存储、利用的内在机理，进一步实现列车服务与再生能量利用的协同优化。
文献上针对列车节能运行的研究大多集中在站间和单条线路，而聚焦于轨道交通网络的研究并不多见。因此，从系统全局的角度将列车调度、列车运行控制和能量传递三者融合，实现轨道交通路网上列车、乘客和能耗的协同优化是未来重要的研究方向。
作者简介：
高自友，北京交通大学教授。现任Transportation Research Part B/C等国际权威学术期刊副主编及编委，管理科学学报（中英文版）等国内权威学术期刊副主编及编委等。其主要研究领域：城市交通系统工程、管理科学与工程及系统科学。在Nature comm.， PNAS, Operations Research、IEEE ITS及Transportation Research（A-E）等上发表SCI收录学术论文160余篇，SCI他引4000余次；获国家发明专利10余项，撰写学术专著9部。成果获国家自然科学奖二等奖、教育部自然科学奖一等奖(3次)、北京市科学技术奖、复旦管理学杰出贡献奖、首届全国创新争先奖等。
杨立兴，北京交通大学教授，博士生导师。长期从事轨道交通优化管理与控制方面的研究，现已发表SCI学术论文100余篇、出版学术专著1部。多篇论文入选“ESI高被引论文”(Top 1%)和“ESI热点论文”(Top 0.1%)；先后获教育部自然科学奖一等奖（2项）、“钟家庆运筹学奖”、“詹天佑铁道科学技术奖——青年奖” 、中国运筹学会“运筹新人奖”，并入选北京交通大学首批“卓越百人计划”。兼任交通运输顶级期刊Transportation Research PartB编委会编辑、Urban Rail Transit副主编等。