城市轨道交通车辆实现双碳目标优化方向研究

城市轨道交通车辆实现双碳目标优化方向研究

廖庆辉

福州地铁集团有限公司运营事业部，福建 福州 350000

摘要：随着我国城市快速发展，现代城市建设对轨道交通需求不断增加；城市轨道交通发展速度加快，客流量不断增加，在交通领域的重要性持续提高。为响应党中央、国务院提出的双碳目标，文章分析城市轨道交通碳排放的结构特点，提出多种城市轨道交通实现双碳目标的优化方案，可为推动城市轨道车辆实现双碳目标而进行相关研究的从业人员提供参考。

关键词：城市轨道交通；双碳目标；碳应用；优化方案

引言

近年来，我国城轨行业发展十分迅速。据中国城市轨道交通协会统计，截至2021年12月31日，全国城轨运营里程已高达9192.62km，多数城市已经形成线网级规模，而且未来仍具有较大的发展空间。城轨的快速发展在一定程度上缓解了城市交通拥堵问题，同时也成为城市交通领域实现节能减排的重要途径，但是城轨的能源消耗问题也成为制约其绿色低碳发展的重要因素。在城轨全生命周期中，运营阶段是持续时间最长、能源消耗最大且产生碳排放最多的阶段。通过调研发现，当前对于城轨运营阶段节能降耗的研究主要集中在列车牵引能耗和车站（含车辆段）运行能耗2个方面，而对于伴随整个运营周期的基础设施运维环节的能耗问题尚无相关研究。

1概述

交通运输是社会经济发展的重要组成部分，也是我国用能的重要领域，其能源消耗和二氧化碳排放占有较大比重。在“碳达峰、碳中和”的国策下，“公交优先”上升为国家策略，“绿色出行”已成为行业共识，交通领域碳减排对全社会“碳达峰、碳中和”目标的实现至关重要。而车辆能耗是其核心组成部分，以1辆地铁A型车为例，每车公里的电能消耗约为2.5kW·h，每辆车每年运行12万～15万km，每辆车每年能耗为30万～37.5万kW·h。据统计，截止2021年底，我国城市轨道交通的运行里程达到8708km，“十四五”期间，城轨车辆总数将达到数十万辆，其电能消耗量巨大，因此，进一步研究降低城轨车辆碳排放具有重大意义。交通领域长期以来都是碳排放的重要领域之一，虽然全球各个国家和地区在减少交通领域碳排放、促进交通领域向绿色发展转型方面做出积极努力，也取得了一定的效果和成效，但节能减排之路依然任重道远。“双碳”背景和目标下，城市轨道交通绿色可持续发展需要不断推进。近来我国对交通领域的绿色发展十分重视，如2021年中共中央国务院印发的《国家综合立体交通网规划纲要》中特别指出“加快推进绿色低碳发展，交通领域二氧化碳排放尽早达峰，降低污染物及温室气体排放强度，注重生态环境保护修复，促进交通与自然和谐发展”。由此可见，从国家战略层面出发，要实现交通领域“双碳”目标，就必须加快形成绿色低碳交通运输方式，加快绿色基础设施建设，开发并广泛运用新能源、新材料以及高效、节能的交通装备，使交通出行更加环保、低碳。

2城市轨道交通车辆实现双碳目标优化方向研究

2.1在车辆空调、空压机系统采用变频控制

车辆空调系统用于满足车内客室温度调节需求。变频空调的原理为交-直-交变频，将辅助供电单元输出的AC380V电压通过三相整流桥整流为DC540V的直流电压，然后再通过逆变器变为空调压缩机、通风机需要的电压和频率。采用变频空调时车内温度变化幅度更小，舒适度更高。客室空调机组采用变频技术使空调通过变频控制器实现无级变频调节。这在实现节能的同时，解决了定速压缩机的频繁启停带来的不可靠性。无极变频调节还可根据实际需求调整空调压缩机转速，进一步提高节能效果和车内舒适度。

2.2运营维护阶段

高效的运营管理与养护维修是推动城轨绿色低碳发展的重要途径之一。在运营维护阶段可通过以下方式提高城轨能源利用效率，实现绿色低碳目标。（1）以智慧城轨关键技术为依托，实施网络化运营管理机制，实现运能和运量的精准匹配，形成节能高效的运营组织模式，提升出行效率及能源利用效率。（2）通过优化单列车节能驾驶策略、优化列车运行图、实施多车协同节能运行控制等，提高列车再生制动能量利用效率，达到减小牵引能耗的效果。目前，北京地铁亦庄线、昌平线和深圳地铁7号线等国内多条线路均进行了单列车节能优化控制试验，但尚无成熟的工程应用案例；列车运行图优化、多车协同节能运行控制等技术仍处于理论研究阶段。（3）引入绿色清洁能源。根据城轨占地与用能特点，分布式光伏发电技术已在城轨领域得到广泛应用，地源/空气源热泵、氢能源等技术也具有较好发展潜力。

2.3全自动驾驶技术

以地铁列车为例，全自动驾驶技术可以实施多列车的自动、实时、协调控制，如合理安排列车交会，避免列车交会中的启停，防止列车同时启动，避免负载集中等，实现列车、车站机电设备节能优化运行；通过列车运行策略的优化，可最大限度实现再生制动能量的吸收，从而达到节能目的。从法国地铁公司多年运营数据分析，全自动驾驶列车可降低系统整体能耗15%左右。列车运行策略主要有3种，即节时运行策略、定时节能运行策略以及节能运行策略。如列车在高峰期运行，此时运输需求量较大，最需要的是在较短的时间内将乘客进行转运，宜采用节时运行策略；列车在非高峰运行，对于运输的需求量不高，此时可以牺牲一部分时间，减少列车的能耗，可采取定时节能优化策略；节能运行策略一般是最大限度地减少制动操作，通过多次惰行+牵引交替的方式到达终点，这种方法会增加运行时间，难以满足运行时刻表的要求，实际运行过程中较少采用。这3种策略可根据实际运行需要进行选择。全自动驾驶技术可根据实际情况选择最佳的运行策略，从而达到节能的目的。通过国内某条地铁线路运行比较，经过数据分析比对，相比未作优化时的总牵引能耗，采取优化运行策略列车的节能效率达到11.74%。

2.4智能运维技术

传统城轨信号系统大多配置有监测维护系统，但数据获取、处理功能相对单一，维修模式大多仍局限于计划性检修和故障应急维修。在双碳目标驱动下，基于云平台、大数据及人工智能技术赋能的信号系统综合运维平台逐步得到应用，系统整合实现了设备监测自动化、数据分析智能化、应急处置网络化、生产管理综合化等核心功能。系统通过对运营环境，在线设备的状态、性能进行多层级（系统级、子系统级、设备级、模块及板卡级）的实时感知，将监测数据实时清洗、存储、解析，实时形成报警输出、健康趋势预测以及应急处置流程等运维指导建议，实现“数据驱动维保”。面向全系统模块、全业务流程、智能运维技术的广泛应用，推动信号系统维修模式由故障修向状态修转型升级，可在显著提升系统运维质量和故障处置效率的同时，持续降低系统全生命周期成本。

结语

本文以国家双碳战略为背景，为有效挖掘城轨节能减排潜力，从基础设施运维管理角度出发，开发了城轨基础设施运维管理平台。该平台从数据电子化资产管理、检测结果精准分析与智能决策和检修资源智能化调度等方面在一定程度上实现了基础设施运维过程中节能降耗的目标，这对于保证城轨绿色低碳发展、助力国家双碳战略具有十分重要的意义。

参考文献

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