1、城市軌道交通系統能耗控制體系及方法研究主要研究單位：上海軌道交通技術研究中心同濟大學主要研究人員：王曉保、朱大緩、楊超華、鄭 欣、周 悅、梁賀程、謝維達、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、劉錫良、萬賢勝1、研究背景現代社會，軌道交通系統在城市交通運輸中發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上較一般交通工具有明顯優勢，但在提高能源利用率、降低污染、科學管理、優化運行等方面仍有待進一步的提高。2006年9月國家發改委和科技部聯合公布的中國節能技術政策大綱（征求意見稿）明確指出，節能技術是指“提高能源

2、開發利用效率和效益、減少對環境影響、遏制能源資源浪費的技術。應包括能源資源優化開發利用技術，單項節能改造技術與節能技術的系統集成，以及節約能源、提高用能效率的管理技術等。”，大綱要求“應考慮中長期節能技術的研發”；在大綱的第4章“交通節能”中，提出了“建設我國節能型綜合交通運輸體系”的設想。當前，各種節能技術在我國城市軌道交通領域不斷應用，但在實際工作中這些節能技術是單獨評價和實施的，當一個軌道交通系統中應用的節能技術和設備發展到一定程度的時候，這些技術和設備可能彼此影響，導致節能效果的下降或者整個系統某些功能的變化。因此，我們需要從整個軌道交通系統的層面對節能技術進行評價和管理，以使得整個軌

3、道交通系統的節能效果達到較好的狀態。在城市軌道交通系統的節能研究方面，當前國內外只是對單項軌道交通節能技術進行了一些研究和工程實踐，如，設計中的節能技術（節能坡、建筑節能等）、環控和機電設備（空調、風機、電扶梯等）節能技術、節能照明設備、供電系統節能技術（提高功率因數、使用高效率設備等）、牽引系統節能技術、節能運行管理技術（列車節能運行模擬、設備節能管理辦法）等。缺乏從整個系統層面對軌道交通節能理論和方法的研究。這樣不僅不能統籌整個軌道交通系統節能技術的實施，導致不同節能技術之間的不匹配，致使節能效果下降；同時，鑒于城市軌道交通系統是一個龐大的復雜系統，因此如果僅僅從該系統的某一個層面、某一個

4、子系統的角度去研究其節能問題顯然是不全面的。還會忽視系統節能技術的研究、發現和運用。因此，要想全面科學地認識軌道交通系統的能耗和節能問題，就必須從系統的層面出發，有必要用系統分析和系統綜合的方法，從整個軌道交通系統的角度出發，對軌道交通系統節能的理論依據、評價方法、控制方法和節能措施及相應的標準化體系進行理論分析和研究，為軌道交通系統節能技術的研究和發展提供方法論和系統理論的指導。本項目將從系統理論出發，對不同層次的設備、功能系統、管理手段和方法進行分析，找出影響軌道交通能源消耗的基本因素、構建相應的管理和控制體系，為軌道交通系統的節能設計、節能技術應用和節能技術改造、節能管理規范的制定提供理

5、論和方法指導。本項目研究目標的實現，將在更高層面上為我國軌道交通系統節能技術的研究提供方法論和理論依據，它將為軌道交通系統各種節能技術的綜合應用提供科學的指導，這對于提升我國城市軌道交通的科學管理水平、促進中國節能技術政策大綱（征求意見稿）提出的“節能型綜合交通運輸體系”的建設具有重要的指導意義。2、主要研究內容1） 主要研究內容（1） 軌道交通系統的能量利用與能耗分類在了解軌道交通系統結構和運行特點的基礎上，對軌道交通系統用能結構、特點等進行分析，進而分析影響軌道交通能耗的主要因素。（2） 建立軌道交通系統能源利用與節能分析理論從組成軌道交通系統的各個子系統出發，對軌道交通系統的能耗情況進行

6、研究，分析各個子系統的能耗情況，提出其節能的途徑，揭示軌道交通系統節能的機理。（3） 提出城市軌道交通能耗的系統控制理論從城市軌道交通系統的能耗狀態出發，構建軌道交通系統能耗多層狀態空間模型，提出基于控制能耗狀態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能耗服務關系、能耗系統控制原則和能耗系統控制體系特性的分析，構建軌道交通能耗系統控制體系總體結構，提出基于狀態控制的能耗控制措施和方法，最后構建軌道交通節能標準體系。（5） 軌道交通系統能耗的評價方法與過程根據軌道交通系統的不同功能模塊，構建基于能耗的軌道交通系統評價過程及方法。（6） 城市軌道交通系

7、統能耗評估和經濟性分析對軌道交通能耗系統評估方法、評估內容和指標、評估流程進行研究；提出軌道交通系統節能經濟性分析原則、節能經濟效果計算方法。2） 項目的關鍵技術、技術難點和創新點本項目的關鍵技術、技術難點和創新點主要有如下的幾個方面：（1） 軌道交通系統能耗理論體系的構建如何將軌道交通系統提供的服務和能耗相結合構建科學合理的理論體系是本項目的一個關鍵技術。通過相關參數有效能量輸出系數、能耗裕度的定義和相關概念目標服務、輔助服務、有服務能耗、無服務能耗的提出，為關鍵軌道交通系統能耗理論體系奠定了基礎。（2） 軌道交通能耗控制體系的建立通過對軌道交通系統能量流涇的分析和系統控制理論的應用，提出了

8、軌道交通系統能耗控制體系的原則、總體結構及該系統的特性，進而提出了軌道交通系統節能的方法和途徑。（3） 軌道交通系統能耗的評價和預測技術提出了軌道交通系統能耗評價和預測的模型，通過該模型可以對新建和既有的軌道交通系統能耗進行評估和預測。同時還給出了相應的評估和預測流程。上述關鍵技術、技術難點和創新點的研究，解決了從系統角度審視和研究軌道交通系統能耗的方法，對軌道交通系統能量控制和評估提供了理論指導，對軌道交通系統節能工作的具體實時、評價、控制和相應的標準化體系的研究提供了支撐，具有很強的指導意義。3、主要研究成果、指標符合性，成果獲獎與專利1） 主要研究成果完成了項目任務書規定的研究內容，在軌

9、道交通系統能耗理論研究、控制體系和評估預測等方面都取得了一定的突破，達到了預期的目標。（1） 軌道交通系統的能源利用與能耗分類研究 軌道交通系統結構和運行特點的研究從軌道交通系統層面出發，對軌道交通的各個組成部分，包括線路、車站、供電系統、通信信號、車輛等系統進行了分析，提出了軌道交通系統的運行特點。 軌道交通系統的能量來源探討結合軌道交通系統對能源的需求特點，對軌道交通系統的能量來源進行了分類，提出了外供能源和自供能源的概念。從能源轉化模式的角度分析了軌道交通系統的用能特點。 全面分析影響軌道交通系統能耗的主要因素從系統設計、設備的能耗及用能特點、運行管理、服務質量等方面出發，全面系統地梳理

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

11、別分析提出了軌道交通系統的目標服務、輔助服務、有服務能耗、無服務能耗和能量流涇的概念，為軌道交通系統能耗控制的理論分析提供了基礎。 有服務能耗和服務水平的關系的系統研究對列車運行、照明系統、通風空調系統、電梯系統、弱電系統等的服務、能耗關系進行了系統研究，結果表明，軌道交通系統能耗與系統的輸入乘客的數量、環境的因素等。 軌道交通系統能耗系統控制原則的研究在從事軌道交通節能工作、進行節能降耗工作方案設計和開展能耗控制時，應遵循標準、有服務能耗比例最大化、系統能耗最小等原則，要實現軌道交通系統節能，必須從管理和技術等多個方面進行努力，實施綜合治理。同時還要時刻關注相關技術的進步，及時將先進的能耗控

12、制技術和節能設備用于軌道交通系統中。 軌道交通系統能耗裕度與節能途徑研究以軌道交通系統能耗裕度定義為基礎，根據軌道交通系統的特點及有服務能耗、無服務能耗、系統能量流涇和能耗裕度的概念，提出了實現軌道交通系統節能的主要途經及方法。 軌道交通能耗控制系統總體結構研究軌道交通的能耗控制系統是一個硬件與軟件相結合的系統，該系統通過對軌道交通系統能耗的監控，提出相應的管理策略、措施和方案。軌道交通能耗控制系統是一個典型的反饋控制系統。其主要組成部分包括能耗控制決策系統、節能執行系統和能耗測量系統等，這些系統相互協作，在保證所提供的服務滿足相關標準的前提下，實現一定的節能指標。 軌道交通能耗控制系統特性的

13、系統研究軌道交通能耗控制系統與一般控制系統一樣應該具有能耗可觀測性、能耗可控制性和系統柔性。軌道交通系統能耗的可觀測性是指系統應該具備對設備、子系統、系統等不同層面的能量消耗進行測量的功能。這需要相應的硬件系統、軟件和管理等系統。能耗的可控制性要求系統操作和管理人員可以對系統的能量消耗進行有效的控制。根據軌道交通系統不同的工況條件，工作人員應該可以自主操作以改變系統能量的消耗。實現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。系統柔性是基于節能技術不斷進步的要求提出的。技術的進步必然導致新的節能技術和設備的產生，如果軌道交通系統具有良好的柔性，則這些新技術、新設備就能夠比較容易的

14、應用于實際的軌道交通系統。同時，具體的軌道交通系統都有其近期、中期和遠期的工況條件，不同的工況條件必然對應著不同的能耗水平。 軌道交通系統節能標準體系的研究軌道交通標準體系以軌道交通系統的能耗指標體系為核心，如圖所示。圖包括軌道交通系統節能規劃標準、系統節能設計標準和設備節能設計標準；在系統運行層面還要有軌道交通系統節能運行標準和節能管理標準；系統節能運行標準還包括列車節能運行標準和設備節能運行標準等。（4） 軌道交通系統能耗的評價和預測的研究以能耗模塊為基礎，提出了一整套軌道交通系統能耗的評價和預測方法和流程，實現了對設計系統、現有系統的能耗和經濟評價。 以能耗模塊為基礎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的設備和系統。每一個能耗模塊同時也具有其獨特的服務功能，對這個能耗模塊，人們可以研究其有服務能耗、無服務能耗、目標服務能耗、輔助服務能耗以及能耗裕度等。對軌道交通系統能耗的評價必須從系統或設備的能耗特性入手，通過對不同層面能耗模塊能耗特性的分析，找出系統能耗的現狀和優缺點，最后給出對系統能耗的總體評價。 軌道交通系統能耗評價方法的研究在完善軌道交通能耗評價指標體系的基礎上，根據能耗模塊和能耗評價總體思路，提出了軌道交通系統能耗評價方法。該方法主要包括如下的幾個步驟：構建能耗模型、選定合適參數和能耗評價指標、定量分析和預測，最后還給出

16、了評價和預測結果的內容格式。（5） 軌道交通系統能耗評價和預測工作流程研究研究提出了軌道交通系統能耗評價方法，并給出了進行軌道交通系統能耗評價和能耗預測的具體的工作內容和工作流程，如圖所示。軌道交通系統能耗評價和預測的工作流程，主要包括系統和任務分析、構建系統的能量流涇圖、構建系統能耗模塊圖、選取參數和能耗評價指標、建立系統能耗物理模型、計算分析、數據分析、提出評價報告，圖（6） 結論項目研究通過采用系統分析和系統綜合的方法，從整個軌道交通系統的角度出發，對軌道交通系統節能的理論依據、評價方法、控制方法和相應的標準化體系進行理論分析和研究，為軌道交通系統節能技術的研究和發展提供方法論和系統理論

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