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1、城市轨道交通系统能耗控制体系及方法研究主要研究单位：上海轨道交通技术研究中心同济大学主要研究人员：王晓保、朱大缓、杨超华、郑 欣、周 悦、梁贺程、谢维达、王效俐、史黎明、雷震宇、蒲琪、钱存元、吴雄文、姚金斌、穆广友、黄海界、马晔、陈满达、刘锡良、万贤胜1、研究背景现代社会，轨道交通系统在城市交通运输中发挥的作用越来越得到人们的重视。虽然轨道交通在容量、速度、土地利用、污染排放和能耗等指标上较一般交通工具有明显优势，但在提高能源利用率、降低污染、科学管理、优化运行等方面仍有待进一步的提高。2006年9月国家发改委和科技部联合公布的中国节能技术政策大纲（征求意见稿）明确指出，节能技术是指“提高能源
2、开发利用效率和效益、减少对环境影响、遏制能源资源浪费的技术。应包括能源资源优化开发利用技术，单项节能改造技术与节能技术的系统集成，以及节约能源、提高用能效率的管理技术等。”，大纲要求“应考虑中长期节能技术的研发”；在大纲的第4章“交通节能”中，提出了“建设我国节能型综合交通运输体系”的设想。当前，各种节能技术在我国城市轨道交通领域不断应用，但在实际工作中这些节能技术是单独评价和实施的，当一个轨道交通系统中应用的节能技术和设备发展到一定程度的时候，这些技术和设备可能彼此影响，导致节能效果的下降或者整个系统某些功能的变化。因此，我们需要从整个轨道交通系统的层面对节能技术进行评价和管理，以使得整个轨
3、道交通系统的节能效果达到较好的状态。在城市轨道交通系统的节能研究方面，当前国内外只是对单项轨道交通节能技术进行了一些研究和工程实践，如，设计中的节能技术（节能坡、建筑节能等）、环控和机电设备（空调、风机、电扶梯等）节能技术、节能照明设备、供电系统节能技术（提高功率因数、使用高效率设备等）、牵引系统节能技术、节能运行管理技术（列车节能运行模拟、设备节能管理办法）等。缺乏从整个系统层面对轨道交通节能理论和方法的研究。这样不仅不能统筹整个轨道交通系统节能技术的实施，导致不同节能技术之间的不匹配，致使节能效果下降；同时，鉴于城市轨道交通系统是一个庞大的复杂系统，因此如果仅仅从该系统的某一个层面、某一个
4、子系统的角度去研究其节能问题显然是不全面的。还会忽视系统节能技术的研究、发现和运用。因此，要想全面科学地认识轨道交通系统的能耗和节能问题，就必须从系统的层面出发，有必要用系统分析和系统综合的方法，从整个轨道交通系统的角度出发，对轨道交通系统节能的理论依据、评价方法、控制方法和节能措施及相应的标准化体系进行理论分析和研究，为轨道交通系统节能技术的研究和发展提供方法论和系统理论的指导。本项目将从系统理论出发，对不同层次的设备、功能系统、管理手段和方法进行分析，找出影响轨道交通能源消耗的基本因素、构建相应的管理和控制体系，为轨道交通系统的节能设计、节能技术应用和节能技术改造、节能管理规范的制定提供理
5、论和方法指导。本项目研究目标的实现，将在更高层面上为我国轨道交通系统节能技术的研究提供方法论和理论依据，它将为轨道交通系统各种节能技术的综合应用提供科学的指导，这对于提升我国城市轨道交通的科学管理水平、促进中国节能技术政策大纲（征求意见稿）提出的“节能型综合交通运输体系”的建设具有重要的指导意义。2、主要研究内容1） 主要研究内容（1） 轨道交通系统的能量利用与能耗分类在了解轨道交通系统结构和运行特点的基础上，对轨道交通系统用能结构、特点等进行分析，进而分析影响轨道交通能耗的主要因素。（2） 建立轨道交通系统能源利用与节能分析理论从组成轨道交通系统的各个子系统出发，对轨道交通系统的能耗情况进行
6、研究，分析各个子系统的能耗情况，提出其节能的途径，揭示轨道交通系统节能的机理。（3） 提出城市轨道交通能耗的系统控制理论从城市轨道交通系统的能耗状态出发，构建轨道交通系统能耗多层状态空间模型，提出基于控制能耗状态的轨道交通能耗控制理论。（4） 提出城市轨道交通能耗控制的措施和方法通过对轨道交通系统能耗服务关系、能耗系统控制原则和能耗系统控制体系特性的分析，构建轨道交通能耗系统控制体系总体结构，提出基于状态控制的能耗控制措施和方法，最后构建轨道交通节能标准体系。（5） 轨道交通系统能耗的评价方法与过程根据轨道交通系统的不同功能模块，构建基于能耗的轨道交通系统评价过程及方法。（6） 城市轨道交通系
7、统能耗评估和经济性分析对轨道交通能耗系统评估方法、评估内容和指标、评估流程进行研究；提出轨道交通系统节能经济性分析原则、节能经济效果计算方法。2） 项目的关键技术、技术难点和创新点本项目的关键技术、技术难点和创新点主要有如下的几个方面：（1） 轨道交通系统能耗理论体系的构建如何将轨道交通系统提供的服务和能耗相结合构建科学合理的理论体系是本项目的一个关键技术。通过相关参数有效能量输出系数、能耗裕度的定义和相关概念目标服务、辅助服务、有服务能耗、无服务能耗的提出，为关键轨道交通系统能耗理论体系奠定了基础。（2） 轨道交通能耗控制体系的建立通过对轨道交通系统能量流泾的分析和系统控制理论的应用，提出了
8、轨道交通系统能耗控制体系的原则、总体结构及该系统的特性，进而提出了轨道交通系统节能的方法和途径。（3） 轨道交通系统能耗的评价和预测技术提出了轨道交通系统能耗评价和预测的模型，通过该模型可以对新建和既有的轨道交通系统能耗进行评估和预测。同时还给出了相应的评估和预测流程。上述关键技术、技术难点和创新点的研究，解决了从系统角度审视和研究轨道交通系统能耗的方法，对轨道交通系统能量控制和评估提供了理论指导，对轨道交通系统节能工作的具体实时、评价、控制和相应的标准化体系的研究提供了支撑，具有很强的指导意义。3、主要研究成果、指标符合性，成果获奖与专利1） 主要研究成果完成了项目任务书规定的研究内容，在轨
9、道交通系统能耗理论研究、控制体系和评估预测等方面都取得了一定的突破，达到了预期的目标。（1） 轨道交通系统的能源利用与能耗分类研究 轨道交通系统结构和运行特点的研究从轨道交通系统层面出发，对轨道交通的各个组成部分，包括线路、车站、供电系统、通信信号、车辆等系统进行了分析，提出了轨道交通系统的运行特点。 轨道交通系统的能量来源探讨结合轨道交通系统对能源的需求特点，对轨道交通系统的能量来源进行了分类，提出了外供能源和自供能源的概念。从能源转化模式的角度分析了轨道交通系统的用能特点。 全面分析影响轨道交通系统能耗的主要因素从系统设计、设备的能耗及用能特点、运行管理、服务质量等方面出发，全面系统地梳理
10、的影响轨道交通系统能耗的因素。首次提出了有效能量输出系数（）和能耗裕度（）的概念，为从理论上分析轨道交通系统能耗提供了基础。（2） 对轨道交通系统能耗进行了系统分析结合能量在轨道交通系统中流经途径上的损耗，对电能在轨道交通各个子系统，包括供电系统、列车运行、车站动力系统、照明系统、通风空调系统、车辆基地、控制中心的能耗进行了系统性分析。并结合有效能量输出系数和能耗裕度的概念对这些子系统的节能可行性进行了深入研究。（3） 轨道交通系统能耗控制途径研究以轨道交通系统服务为出发点，结合系统控制理论，对轨道交通系统的能耗控制理论、控制方法、实现途径和管理制度进行了研究。 轨道交通系统提供的服务和能耗类
11、别分析提出了轨道交通系统的目标服务、辅助服务、有服务能耗、无服务能耗和能量流泾的概念，为轨道交通系统能耗控制的理论分析提供了基础。 有服务能耗和服务水平的关系的系统研究对列车运行、照明系统、通风空调系统、电梯系统、弱电系统等的服务、能耗关系进行了系统研究，结果表明，轨道交通系统能耗与系统的输入乘客的数量、环境的因素等。 轨道交通系统能耗系统控制原则的研究在从事轨道交通节能工作、进行节能降耗工作方案设计和开展能耗控制时，应遵循标准、有服务能耗比例最大化、系统能耗最小等原则，要实现轨道交通系统节能，必须从管理和技术等多个方面进行努力，实施综合治理。同时还要时刻关注相关技术的进步，及时将先进的能耗控
12、制技术和节能设备用于轨道交通系统中。 轨道交通系统能耗裕度与节能途径研究以轨道交通系统能耗裕度定义为基础，根据轨道交通系统的特点及有服务能耗、无服务能耗、系统能量流泾和能耗裕度的概念，提出了实现轨道交通系统节能的主要途经及方法。 轨道交通能耗控制系统总体结构研究轨道交通的能耗控制系统是一个硬件与软件相结合的系统，该系统通过对轨道交通系统能耗的监控，提出相应的管理策略、措施和方案。轨道交通能耗控制系统是一个典型的反馈控制系统。其主要组成部分包括能耗控制决策系统、节能执行系统和能耗测量系统等，这些系统相互协作，在保证所提供的服务满足相关标准的前提下，实现一定的节能指标。 轨道交通能耗控制系统特性的
13、系统研究轨道交通能耗控制系统与一般控制系统一样应该具有能耗可观测性、能耗可控制性和系统柔性。轨道交通系统能耗的可观测性是指系统应该具备对设备、子系统、系统等不同层面的能量消耗进行测量的功能。这需要相应的硬件系统、软件和管理等系统。能耗的可控制性要求系统操作和管理人员可以对系统的能量消耗进行有效的控制。根据轨道交通系统不同的工况条件，工作人员应该可以自主操作以改变系统能量的消耗。实现能耗的可控制性需要有硬件和管理制度（包括奖惩制度等）的支持。系统柔性是基于节能技术不断进步的要求提出的。技术的进步必然导致新的节能技术和设备的产生，如果轨道交通系统具有良好的柔性，则这些新技术、新设备就能够比较容易的
14、应用于实际的轨道交通系统。同时，具体的轨道交通系统都有其近期、中期和远期的工况条件，不同的工况条件必然对应着不同的能耗水平。 轨道交通系统节能标准体系的研究轨道交通标准体系以轨道交通系统的能耗指标体系为核心，如图所示。图包括轨道交通系统节能规划标准、系统节能设计标准和设备节能设计标准；在系统运行层面还要有轨道交通系统节能运行标准和节能管理标准；系统节能运行标准还包括列车节能运行标准和设备节能运行标准等。（4） 轨道交通系统能耗的评价和预测的研究以能耗模块为基础，提出了一整套轨道交通系统能耗的评价和预测方法和流程，实现了对设计系统、现有系统的能耗和经济评价。 以能耗模块为基础的能耗评价总体思路的
15、研究能耗模块是一个有能量输入和输出，消耗一定能量并提供一定服务的设备和系统。每一个能耗模块同时也具有其独特的服务功能，对这个能耗模块，人们可以研究其有服务能耗、无服务能耗、目标服务能耗、辅助服务能耗以及能耗裕度等。对轨道交通系统能耗的评价必须从系统或设备的能耗特性入手，通过对不同层面能耗模块能耗特性的分析，找出系统能耗的现状和优缺点，最后给出对系统能耗的总体评价。 轨道交通系统能耗评价方法的研究在完善轨道交通能耗评价指标体系的基础上，根据能耗模块和能耗评价总体思路，提出了轨道交通系统能耗评价方法。该方法主要包括如下的几个步骤：构建能耗模型、选定合适参数和能耗评价指标、定量分析和预测，最后还给出了评价和预测结果的内容格式。（5） 轨道交通系统能耗评价和预测工作流程研究研究提出了轨道交通系统能耗评价方法，并给出了进行轨道交通系统能耗评价和能耗预测的具体的工作内容和工作流程，如图所示。轨道交通系统能耗评价和预测的工作流程，主要包括系统和任务分析、构建系统的能量流泾图、构建系统能耗模块图、选取参数和能耗评价指标、建立系统能耗物理模型、计算分析、数据分析、提出评价报告，图（6） 结论项目研究通过采用系统分析和系统综合的方法，从整个轨道交通系统的角度出发，对轨道交通系统节能的理论依据、评价方法
