城市軌道交通系統(tǒng)能耗控制體系及方法研究-成果匯編

1、城市軌道交通系統(tǒng)能耗控制體系及方法研究主要研究單位：上海軌道交通技術(shù)研究中心同濟(jì)大學(xué)主要研究人員：王曉保、朱大緩、楊超華、鄭 欣、周 悅、梁賀程、謝維達(dá)、王效俐、史黎明、雷震宇、蒲琪、錢存元、吳雄文、姚金斌、穆廣友、黃海界、馬曄、陳滿達(dá)、劉錫良、萬賢勝1、研究背景現(xiàn)代社會，軌道交通系統(tǒng)在城市交通運輸中發(fā)揮的作用越來越得到人們的重視。雖然軌道交通在容量、速度、土地利用、污染排放和能耗等指標(biāo)上較一般交通工具有明顯優(yōu)勢，但在提高能源利用率、降低污染、科學(xué)管理、優(yōu)化運行等方面仍有待進(jìn)一步的提高。2006年9月國家發(fā)改委和科技部聯(lián)合公布的中國節(jié)能技術(shù)政策大綱（征求意見稿）明確指出，節(jié)能技術(shù)是指“提高能源

2、開發(fā)利用效率和效益、減少對環(huán)境影響、遏制能源資源浪費的技術(shù)。應(yīng)包括能源資源優(yōu)化開發(fā)利用技術(shù)，單項節(jié)能改造技術(shù)與節(jié)能技術(shù)的系統(tǒng)集成，以及節(jié)約能源、提高用能效率的管理技術(shù)等?！?，大綱要求“應(yīng)考慮中長期節(jié)能技術(shù)的研發(fā)”；在大綱的第4章“交通節(jié)能”中，提出了“建設(shè)我國節(jié)能型綜合交通運輸體系”的設(shè)想。當(dāng)前，各種節(jié)能技術(shù)在我國城市軌道交通領(lǐng)域不斷應(yīng)用，但在實際工作中這些節(jié)能技術(shù)是單獨評價和實施的，當(dāng)一個軌道交通系統(tǒng)中應(yīng)用的節(jié)能技術(shù)和設(shè)備發(fā)展到一定程度的時候，這些技術(shù)和設(shè)備可能彼此影響，導(dǎo)致節(jié)能效果的下降或者整個系統(tǒng)某些功能的變化。因此，我們需要從整個軌道交通系統(tǒng)的層面對節(jié)能技術(shù)進(jìn)行評價和管理，以使得整個軌

3、道交通系統(tǒng)的節(jié)能效果達(dá)到較好的狀態(tài)。在城市軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能研究方面，當(dāng)前國內(nèi)外只是對單項軌道交通節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了一些研究和工程實踐，如，設(shè)計中的節(jié)能技術(shù)（節(jié)能坡、建筑節(jié)能等）、環(huán)控和機(jī)電設(shè)備（空調(diào)、風(fēng)機(jī)、電扶梯等）節(jié)能技術(shù)、節(jié)能照明設(shè)備、供電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)（提高功率因數(shù)、使用高效率設(shè)備等）、牽引系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)、節(jié)能運行管理技術(shù)（列車節(jié)能運行模擬、設(shè)備節(jié)能管理辦法）等。缺乏從整個系統(tǒng)層面對軌道交通節(jié)能理論和方法的研究。這樣不僅不能統(tǒng)籌整個軌道交通系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的實施，導(dǎo)致不同節(jié)能技術(shù)之間的不匹配，致使節(jié)能效果下降；同時，鑒于城市軌道交通系統(tǒng)是一個龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，因此如果僅僅從該系統(tǒng)的某一個層面、某一個

4、子系統(tǒng)的角度去研究其節(jié)能問題顯然是不全面的。還會忽視系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究、發(fā)現(xiàn)和運用。因此，要想全面科學(xué)地認(rèn)識軌道交通系統(tǒng)的能耗和節(jié)能問題，就必須從系統(tǒng)的層面出發(fā)，有必要用系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合的方法，從整個軌道交通系統(tǒng)的角度出發(fā)，對軌道交通系統(tǒng)節(jié)能的理論依據(jù)、評價方法、控制方法和節(jié)能措施及相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化體系進(jìn)行理論分析和研究，為軌道交通系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究和發(fā)展提供方法論和系統(tǒng)理論的指導(dǎo)。本項目將從系統(tǒng)理論出發(fā)，對不同層次的設(shè)備、功能系統(tǒng)、管理手段和方法進(jìn)行分析，找出影響軌道交通能源消耗的基本因素、構(gòu)建相應(yīng)的管理和控制體系，為軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計、節(jié)能技術(shù)應(yīng)用和節(jié)能技術(shù)改造、節(jié)能管理規(guī)范的制定提供理

5、論和方法指導(dǎo)。本項目研究目標(biāo)的實現(xiàn)，將在更高層面上為我國軌道交通系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究提供方法論和理論依據(jù)，它將為軌道交通系統(tǒng)各種節(jié)能技術(shù)的綜合應(yīng)用提供科學(xué)的指導(dǎo)，這對于提升我國城市軌道交通的科學(xué)管理水平、促進(jìn)中國節(jié)能技術(shù)政策大綱（征求意見稿）提出的“節(jié)能型綜合交通運輸體系”的建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義。2、主要研究內(nèi)容1） 主要研究內(nèi)容（1） 軌道交通系統(tǒng)的能量利用與能耗分類在了解軌道交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行特點的基礎(chǔ)上，對軌道交通系統(tǒng)用能結(jié)構(gòu)、特點等進(jìn)行分析，進(jìn)而分析影響軌道交通能耗的主要因素。（2） 建立軌道交通系統(tǒng)能源利用與節(jié)能分析理論從組成軌道交通系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)出發(fā)，對軌道交通系統(tǒng)的能耗情況進(jìn)行

6、研究，分析各個子系統(tǒng)的能耗情況，提出其節(jié)能的途徑，揭示軌道交通系統(tǒng)節(jié)能的機(jī)理。（3） 提出城市軌道交通能耗的系統(tǒng)控制理論從城市軌道交通系統(tǒng)的能耗狀態(tài)出發(fā)，構(gòu)建軌道交通系統(tǒng)能耗多層狀態(tài)空間模型，提出基于控制能耗狀態(tài)的軌道交通能耗控制理論。（4） 提出城市軌道交通能耗控制的措施和方法通過對軌道交通系統(tǒng)能耗服務(wù)關(guān)系、能耗系統(tǒng)控制原則和能耗系統(tǒng)控制體系特性的分析，構(gòu)建軌道交通能耗系統(tǒng)控制體系總體結(jié)構(gòu)，提出基于狀態(tài)控制的能耗控制措施和方法，最后構(gòu)建軌道交通節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系。（5） 軌道交通系統(tǒng)能耗的評價方法與過程根據(jù)軌道交通系統(tǒng)的不同功能模塊，構(gòu)建基于能耗的軌道交通系統(tǒng)評價過程及方法。（6） 城市軌道交通系

7、統(tǒng)能耗評估和經(jīng)濟(jì)性分析對軌道交通能耗系統(tǒng)評估方法、評估內(nèi)容和指標(biāo)、評估流程進(jìn)行研究；提出軌道交通系統(tǒng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析原則、節(jié)能經(jīng)濟(jì)效果計算方法。2） 項目的關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)難點和創(chuàng)新點本項目的關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)難點和創(chuàng)新點主要有如下的幾個方面：（1） 軌道交通系統(tǒng)能耗理論體系的構(gòu)建如何將軌道交通系統(tǒng)提供的服務(wù)和能耗相結(jié)合構(gòu)建科學(xué)合理的理論體系是本項目的一個關(guān)鍵技術(shù)。通過相關(guān)參數(shù)有效能量輸出系數(shù)、能耗裕度的定義和相關(guān)概念目標(biāo)服務(wù)、輔助服務(wù)、有服務(wù)能耗、無服務(wù)能耗的提出，為關(guān)鍵軌道交通系統(tǒng)能耗理論體系奠定了基礎(chǔ)。（2） 軌道交通能耗控制體系的建立通過對軌道交通系統(tǒng)能量流涇的分析和系統(tǒng)控制理論的應(yīng)用，提出了

8、軌道交通系統(tǒng)能耗控制體系的原則、總體結(jié)構(gòu)及該系統(tǒng)的特性，進(jìn)而提出了軌道交通系統(tǒng)節(jié)能的方法和途徑。（3） 軌道交通系統(tǒng)能耗的評價和預(yù)測技術(shù)提出了軌道交通系統(tǒng)能耗評價和預(yù)測的模型，通過該模型可以對新建和既有的軌道交通系統(tǒng)能耗進(jìn)行評估和預(yù)測。同時還給出了相應(yīng)的評估和預(yù)測流程。上述關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)難點和創(chuàng)新點的研究，解決了從系統(tǒng)角度審視和研究軌道交通系統(tǒng)能耗的方法，對軌道交通系統(tǒng)能量控制和評估提供了理論指導(dǎo)，對軌道交通系統(tǒng)節(jié)能工作的具體實時、評價、控制和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化體系的研究提供了支撐，具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。3、主要研究成果、指標(biāo)符合性，成果獲獎與專利1） 主要研究成果完成了項目任務(wù)書規(guī)定的研究內(nèi)容，在軌

9、道交通系統(tǒng)能耗理論研究、控制體系和評估預(yù)測等方面都取得了一定的突破，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。（1） 軌道交通系統(tǒng)的能源利用與能耗分類研究 軌道交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行特點的研究從軌道交通系統(tǒng)層面出發(fā)，對軌道交通的各個組成部分，包括線路、車站、供電系統(tǒng)、通信信號、車輛等系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了軌道交通系統(tǒng)的運行特點。 軌道交通系統(tǒng)的能量來源探討結(jié)合軌道交通系統(tǒng)對能源的需求特點，對軌道交通系統(tǒng)的能量來源進(jìn)行了分類，提出了外供能源和自供能源的概念。從能源轉(zhuǎn)化模式的角度分析了軌道交通系統(tǒng)的用能特點。 全面分析影響軌道交通系統(tǒng)能耗的主要因素從系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備的能耗及用能特點、運行管理、服務(wù)質(zhì)量等方面出發(fā)，全面系統(tǒng)地梳理

10、的影響軌道交通系統(tǒng)能耗的因素。首次提出了有效能量輸出系數(shù)（）和能耗裕度（）的概念，為從理論上分析軌道交通系統(tǒng)能耗提供了基礎(chǔ)。（2） 對軌道交通系統(tǒng)能耗進(jìn)行了系統(tǒng)分析結(jié)合能量在軌道交通系統(tǒng)中流經(jīng)途徑上的損耗，對電能在軌道交通各個子系統(tǒng)，包括供電系統(tǒng)、列車運行、車站動力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、車輛基地、控制中心的能耗進(jìn)行了系統(tǒng)性分析。并結(jié)合有效能量輸出系數(shù)和能耗裕度的概念對這些子系統(tǒng)的節(jié)能可行性進(jìn)行了深入研究。（3） 軌道交通系統(tǒng)能耗控制途徑研究以軌道交通系統(tǒng)服務(wù)為出發(fā)點，結(jié)合系統(tǒng)控制理論，對軌道交通系統(tǒng)的能耗控制理論、控制方法、實現(xiàn)途徑和管理制度進(jìn)行了研究。 軌道交通系統(tǒng)提供的服務(wù)和能耗類

11、別分析提出了軌道交通系統(tǒng)的目標(biāo)服務(wù)、輔助服務(wù)、有服務(wù)能耗、無服務(wù)能耗和能量流涇的概念，為軌道交通系統(tǒng)能耗控制的理論分析提供了基礎(chǔ)。 有服務(wù)能耗和服務(wù)水平的關(guān)系的系統(tǒng)研究對列車運行、照明系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、弱電系統(tǒng)等的服務(wù)、能耗關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)研究，結(jié)果表明，軌道交通系統(tǒng)能耗與系統(tǒng)的輸入乘客的數(shù)量、環(huán)境的因素等。 軌道交通系統(tǒng)能耗系統(tǒng)控制原則的研究在從事軌道交通節(jié)能工作、進(jìn)行節(jié)能降耗工作方案設(shè)計和開展能耗控制時，應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)、有服務(wù)能耗比例最大化、系統(tǒng)能耗最小等原則，要實現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)節(jié)能，必須從管理和技術(shù)等多個方面進(jìn)行努力，實施綜合治理。同時還要時刻關(guān)注相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，及時將先進(jìn)的能耗控

12、制技術(shù)和節(jié)能設(shè)備用于軌道交通系統(tǒng)中。 軌道交通系統(tǒng)能耗裕度與節(jié)能途徑研究以軌道交通系統(tǒng)能耗裕度定義為基礎(chǔ)，根據(jù)軌道交通系統(tǒng)的特點及有服務(wù)能耗、無服務(wù)能耗、系統(tǒng)能量流涇和能耗裕度的概念，提出了實現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)節(jié)能的主要途經(jīng)及方法。 軌道交通能耗控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)研究軌道交通的能耗控制系統(tǒng)是一個硬件與軟件相結(jié)合的系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過對軌道交通系統(tǒng)能耗的監(jiān)控，提出相應(yīng)的管理策略、措施和方案。軌道交通能耗控制系統(tǒng)是一個典型的反饋控制系統(tǒng)。其主要組成部分包括能耗控制決策系統(tǒng)、節(jié)能執(zhí)行系統(tǒng)和能耗測量系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)相互協(xié)作，在保證所提供的服務(wù)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，實現(xiàn)一定的節(jié)能指標(biāo)。 軌道交通能耗控制系統(tǒng)特性的

13、系統(tǒng)研究軌道交通能耗控制系統(tǒng)與一般控制系統(tǒng)一樣應(yīng)該具有能耗可觀測性、能耗可控制性和系統(tǒng)柔性。軌道交通系統(tǒng)能耗的可觀測性是指系統(tǒng)應(yīng)該具備對設(shè)備、子系統(tǒng)、系統(tǒng)等不同層面的能量消耗進(jìn)行測量的功能。這需要相應(yīng)的硬件系統(tǒng)、軟件和管理等系統(tǒng)。能耗的可控制性要求系統(tǒng)操作和管理人員可以對系統(tǒng)的能量消耗進(jìn)行有效的控制。根據(jù)軌道交通系統(tǒng)不同的工況條件，工作人員應(yīng)該可以自主操作以改變系統(tǒng)能量的消耗。實現(xiàn)能耗的可控制性需要有硬件和管理制度（包括獎懲制度等）的支持。系統(tǒng)柔性是基于節(jié)能技術(shù)不斷進(jìn)步的要求提出的。技術(shù)的進(jìn)步必然導(dǎo)致新的節(jié)能技術(shù)和設(shè)備的產(chǎn)生，如果軌道交通系統(tǒng)具有良好的柔性，則這些新技術(shù)、新設(shè)備就能夠比較容易的

14、應(yīng)用于實際的軌道交通系統(tǒng)。同時，具體的軌道交通系統(tǒng)都有其近期、中期和遠(yuǎn)期的工況條件，不同的工況條件必然對應(yīng)著不同的能耗水平。 軌道交通系統(tǒng)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系的研究軌道交通標(biāo)準(zhǔn)體系以軌道交通系統(tǒng)的能耗指標(biāo)體系為核心，如圖所示。圖包括軌道交通系統(tǒng)節(jié)能規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)；在系統(tǒng)運行層面還要有軌道交通系統(tǒng)節(jié)能運行標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能管理標(biāo)準(zhǔn)；系統(tǒng)節(jié)能運行標(biāo)準(zhǔn)還包括列車節(jié)能運行標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備節(jié)能運行標(biāo)準(zhǔn)等。（4） 軌道交通系統(tǒng)能耗的評價和預(yù)測的研究以能耗模塊為基礎(chǔ)，提出了一整套軌道交通系統(tǒng)能耗的評價和預(yù)測方法和流程，實現(xiàn)了對設(shè)計系統(tǒng)、現(xiàn)有系統(tǒng)的能耗和經(jīng)濟(jì)評價。 以能耗模塊為基礎(chǔ)的能耗評價總體思路的

15、研究能耗模塊是一個有能量輸入和輸出，消耗一定能量并提供一定服務(wù)的設(shè)備和系統(tǒng)。每一個能耗模塊同時也具有其獨特的服務(wù)功能，對這個能耗模塊，人們可以研究其有服務(wù)能耗、無服務(wù)能耗、目標(biāo)服務(wù)能耗、輔助服務(wù)能耗以及能耗裕度等。對軌道交通系統(tǒng)能耗的評價必須從系統(tǒng)或設(shè)備的能耗特性入手，通過對不同層面能耗模塊能耗特性的分析，找出系統(tǒng)能耗的現(xiàn)狀和優(yōu)缺點，最后給出對系統(tǒng)能耗的總體評價。 軌道交通系統(tǒng)能耗評價方法的研究在完善軌道交通能耗評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)能耗模塊和能耗評價總體思路，提出了軌道交通系統(tǒng)能耗評價方法。該方法主要包括如下的幾個步驟：構(gòu)建能耗模型、選定合適參數(shù)和能耗評價指標(biāo)、定量分析和預(yù)測，最后還給出

16、了評價和預(yù)測結(jié)果的內(nèi)容格式。（5） 軌道交通系統(tǒng)能耗評價和預(yù)測工作流程研究研究提出了軌道交通系統(tǒng)能耗評價方法，并給出了進(jìn)行軌道交通系統(tǒng)能耗評價和能耗預(yù)測的具體的工作內(nèi)容和工作流程，如圖所示。軌道交通系統(tǒng)能耗評價和預(yù)測的工作流程，主要包括系統(tǒng)和任務(wù)分析、構(gòu)建系統(tǒng)的能量流涇圖、構(gòu)建系統(tǒng)能耗模塊圖、選取參數(shù)和能耗評價指標(biāo)、建立系統(tǒng)能耗物理模型、計算分析、數(shù)據(jù)分析、提出評價報告，圖（6） 結(jié)論項目研究通過采用系統(tǒng)分析和系統(tǒng)綜合的方法，從整個軌道交通系統(tǒng)的角度出發(fā)，對軌道交通系統(tǒng)節(jié)能的理論依據(jù)、評價方法、控制方法和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化體系進(jìn)行理論分析和研究，為軌道交通系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)的研究和發(fā)展提供方法論和系統(tǒng)理論

17、的指導(dǎo)。a) 項目研究首先對軌道交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運行特點、能量來源以及影響能耗的主要因素進(jìn)行了分析和研究，提出了有效能量輸出系數(shù)、能耗裕度的概念。b) 對軌道交通各個子系統(tǒng)能耗進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出了有效能量輸出系數(shù)的概念。c) 對軌道交通系統(tǒng)的能耗控制途徑和控制方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。在這個過程中，提出了目標(biāo)服務(wù)、輔助服務(wù)以及有服務(wù)能耗、無服務(wù)能耗的概念，并對相應(yīng)能耗進(jìn)行了深入的分析，得到了一些重要的結(jié)論。d) 通過對軌道交通系統(tǒng)能耗控制方法和途徑的研究，提出了軌道交通系統(tǒng)能耗控制的原則、控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)以及節(jié)能途徑等，進(jìn)而提出了軌道交通系統(tǒng)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。e) 提出了軌道交通系統(tǒng)能耗的評價方法，該方法不僅可以對既有的軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行能耗評價，還適用于對擬建系統(tǒng)的能耗預(yù)測。f) 在研究過程中，創(chuàng)新性地提出了能耗模塊、多種能耗評價指標(biāo)、能量流涇圖、系統(tǒng)能耗模塊圖、系統(tǒng)能耗物理模型等新概念。g) 通過構(gòu)建軌道交通系統(tǒng)能耗物理模型對系統(tǒng)的能耗進(jìn)行評價不僅科學(xué)合理，還可以利用相關(guān)的計算機(jī)軟件進(jìn)行方便地計算。同時利用不同詳細(xì)程度的模型，還可以對系統(tǒng)的能耗進(jìn)行多層次的分析。本研究在國內(nèi)首次對軌道交通系統(tǒng)能耗、能耗控制和能耗評價進(jìn)行系統(tǒng)性研究，提出了相關(guān)的理論。成果對軌道交通系統(tǒng)節(jié)能途徑和方法的探索提供了理論指導(dǎo)，具有一定的現(xiàn)實和理論意義。2） 完成城市軌道交通系統(tǒng)能耗控制體系及方法研