关于上海城市轨道交通能耗指标体系的建立与分析图文.docx

1、关于上海城市轨道交通能耗指标体系的建立与分析图文同济大学电子与信息工程学院硕士学位论文关于上海城市轨道交通能耗指标体系的建立与分析姓名：石静雅申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：苏永清20090301摘要摘要目前随着城市规模的急剧发展，带动了城市轨道交通路网规模的扩大及客运量的剧增，同时轨道交通能源消耗总量也在逐步攀升，节能减排是社会各界面临的共同问题，正确的分析和认识轨道交通能耗改变的原因，对轨道系统的运行和节能有至关重要的影响。本文采纳上海市地铁一号线五号线的运营数据为研究根本，在总结研究国内外关于能耗评价及轨道交通现有各种评价体系的研究，从调查研究轨道交通能耗的影响因素着

2、手，逐层研究并归纳总结，选取合适的指标建立能耗评价体系结构。按照轨道交通能耗指标特征的要求，针对轨道交通能耗指标问题，本文首先从线性角度出发，对调查所得各项影响因素进行相关性分析，然后确定对轨道交通能耗影响最大的六个因素：月份、运营里程、载客里程、客运周转量、平均运距和平均气温。随后对原始运营数据及影响因素进行因子分析及线性回归分析，根据分析结果初步选取能耗指标因素，并以此为基础建立对应的标准能耗车，进而建立三级能耗指标体系。基于上述线性分析及能耗初步预测结果，可知运营数据有典型的非线性特点，本文接下来以上述六大因素为输入，牵引能耗为输出，再次利用自适应神经网络模糊推理系统（）和层神经网络系统

3、分别对运营数据及影响因素进行非线性建模分析并进一步实现能耗预测，所建模型及预测以年度总能耗为衡量标准，最终用于预测分析的三条线路的牵引能耗预测误差均不超过，满足分析及研究要求。关键词：城市轨道交通；模型；预测；能耗体系；神经网络，：；学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利

4、为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位论文作者签名：石荷秸铆年弓月日经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。指导教师签名：学位论文作者签名：年月日年月日同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。签名：石前雅彻年乡月第一章绪论第章绪论轨道交通是城市交通运输的重

5、要工具之一，是世界发达国家在城市化进程中建立的一种重要公共交通基础设施。大城市机动化进展快，简单的扩路增车方法已无法解决城市交通问题，而公交专用道的潜在利用能力又有限，因此利用开发宝贵的地下空间（隧道与地铁）和高空（高架公路和高架轻轨）资源，提供新的交通供给，以缓解地面空间资源紧张状况，支持城市的持续发展成为改善城市公共交通的重要途径。研究背景我国轨道交通发展的特点地铁、轻轨和市郊铁路等轨道交通方式在单通道宽度、容量、运送速度、单位动态占地面积等指标上，都较一般交通工具至少有以下几点明显优势心引。（）有效改善城市环境。由于轨道交通快速、准时，用轨道交通替代公共电、汽车已逐渐成为大众通勤工具的首

6、选，因此减少在市中心运行的轿车和公交汽车的数量，从而很大程度上减少城区汽车尾气的排放，改善空气质量。另一方面根据国外研究表明，轨道交通单位运输量的二氧化碳排放量仅为小汽车的和公共汽车的。（）运输能力较大。同常规道路交通系统不同，轨道交通的运载工具一般实行编组运行，可以达到辆编组，加上先进信号装置的采用，轨道交通系统的列车间隔时间通常都很短。因此，轨道交通系统的运输能力较大，能满足大城市大客流的需要。由于列车编组辆数及行车问隔可以根据需要调整，不但能满足高峰期大客流量需要，也可以适应平峰期较小客流量的需要，满足城市近期和远期发展需要，使系统能经济运行，具有可持续发展能力。（）大大地缓解交通拥挤。

7、轨道交通还是一种运量大的交通工具，许多大城市轨道交通承担的客运量占全部客运量的一半甚至以上。由表可以看出，对于伦敦和巴黎两个传统的欧洲大城市而言，其市区超过的全日出行都是第一章绪论利用小汽车完成的，说明在这两个都市的市区范围内，平常仍然是以小汽车交通为主，而高峰时段中绝大多数出行（超过）则由公共交通承担。从运载能力来看，地铁每小时单向运送能力为万人次，轻轨为万人次，而公共电汽车为人次，因此在交通高峰期，轨道交通可以很好的缓解交通拥挤情况。表交通方式构成表交通方式构成表小汽车地铁及地域轨道公共汽车其他全同伦敦高峰全同巴黎高峰（）节省能源。不同性能车辆对能源有不同消耗，优质车辆的能耗比普通车辆要低

8、。根据研究，小汽车主导，机动化水平很高的美国交通能耗最高，机动化水平很低，慢行交通方式为主的中国城市交通能耗较低。通过对世界各地城市不同交通方式能耗的比较，可以看出轨道交通是耗能最小的交通方式。（）有利于出行安全。小汽车的交通事故率为公共汽车的倍，地铁、轻轨等公共交通工具的事故率最低，据统计，每年有的小汽车会发生不同程度的交通事故。公共汽车、地铁、轻轨等都是城市内比较安全的交通工具，都市驾车族如果能够在合理范围内尽量多乘坐公共交通，可以大大提高安全性。截止到年月日，我国已经丌通运行轨道交通的城市个（含香港、台湾地区），其中大陆个城市通车线路总计达条（含有轨电车和磁悬浮线路），通车总里程公罩（含

9、磁悬浮）。根据各城市近期轨道交通发展规划，到年，北京轨道交通线网将全部覆盖中心城，运营罩程将达到公里；上海轨道交通将形成条线路、多座车站、运营总长度超过公里的轨道交通基本网络。预计全国“十一五”期间将会建设公里左右轨道交通，总投资额在亿左右。其中，北京、广州的投资均将超过亿元，上海更是高达多亿元。可见，城市轨道交通站满足城市居民出新需求的过程中发挥着越来越大的作用。与其他交通方式相比，轨道交通运输能力大、快速、准时、节约能源、安全性及舒适性高、引导城市结构合理发展等优点，极大地缓解了城市的交通压力，是目前各大城市解决交通拥挤问题的首选。轨道交通能源消耗现状当前，能源短缺和环境污染问题越来越成为

10、全球性的问题，随着国民经济的持续高速增长及能源资源的同趋紧张，节能和环保已成为全社会同益关注的问题。资料显示，美国的交通运输能耗一直略低于工业能耗，居第二位，并处于持续缓慢增长念势。在年至年的三十年间，交通运输能耗消费年均增长，其中年至年的年间，交通运输能源消耗年均增长。日本交通运输的能耗低于产业部门和民生部门，居第三位，同样处于持续缓慢增长态势。在年至年的四十年间，交通运输能源消费年均增长，其中年至年的二十年间，交通运输能源消费年均增长高达。欧盟（国）交通运输的能耗占能源消费总量的；交通运输的能耗占能源消费总量的。根据有关专家测算，目前，我国交通能耗约占全社会总能耗的，若不加以控制，将很快上

11、升至总能耗的，将超过工业能耗。若不采取有力措施，预计到年交通油耗将会达到亿吨，占总油耗亿吨的。根据年月同国务院下发的关于加强节能工作的决定规定，节能降耗的主要目标：到“十一五”期木，万元国内生产总值（按年价格计算）能耗下降到吨标准煤，比“十五”期木降低左右，平均年节能率为。”上海国际化大都市的发展定位对城市轨道交通的功能和建设管理水平提出了更高的要求，轨道交通建设进入了跨越式发展和网络化建设的关键时期。国内外研究现状随着产业结构的优化和经济发展趋于稳定增长，国内外对于轨道交通能耗节约问题的研究越来越广泛。首先，国内外对于列车运行节能问题有较多研究】【】【】【】，世纪年代以来，澳大利亚、英国、德

12、国、同本、美国等许多国家在列车节能操纵方面进行研究和试验，总结节能的列车操纵方式，并应用微机技术研制开发列车优化操纵的微机指导系统、微机模拟系统等，然而由于列车运行环境的复杂性，节能算法模型及其求解技术是一项十分困难的工作。其次，国际上对于城市轨道交通的经济社会评价也做了多方面的研究，其中比较成熟的是美国，美国运输部联邦公共交通管理局于年发布了联邦公共交通工程噪声、震动环境影响评价指南。日本对轨道交通的经济社会评价称为费用效益分析，年开始采用，年进行了修改，其目的是从社会经济效率的角度来分析项目必要的建设费用等所产生的效益、效果。目前，我国的城市轨道交通评价主要集中于项目的经济评价。城市轨道交

13、通投资项目经济评价还没有统一的标准，在实际操作中一般都参照铁路行业标准。与其他交通运输方式相比，轨道交通在能耗方面有明显的优越性，因此国内外对此的研究都处于起步状态，随着轨道交通在城市交通中比例的不断加大，对其能耗的研究将成为日后的新趋势。研究的意义国际上关于轨道交通的评价体系多集中于环境影响、费用效益分析、列车运行节能和项目的经济评价等方面，其主要用于对规划期及建设中的城市轨道系统提供建设参考。鉴于目前轨道交通发展的强劲势头，建立一套完善的运营中能耗分析体系势在必行，该体系的建立对已建成的城市轨道系统以及根据规划建设好的系统有统一的评价能力，对轨道系统的运行和节能都会有很大的理论及实际指导意

14、义。论文的章节结构及主要研究内容本文从理论、方法与应用着手，较为系统的研究城市轨道交通能源消耗评价体系的理论、方法及应用体系，并结合运营数据进行实例研究。轨道交通系统中影响因素涉及面广，各因素问又存在交互关系，鉴于系统参数的特点，本文采用线性及非线性方法对其进行分析及建模，可以更全面的研究数据间的关系，使模型的适用性大大提高。论文内容结构如下：第一章绪论，简要介绍了轨道交通及能源消耗发展现状、国内外差距和课题研究的重要性等。第二章分析了能耗体系建立所需研究的影响因素，及其对能耗影响的方式和程度，初步建立了轨道交通能源消耗评价体系。第三章详细介绍了线性分析轨道交通运营数据的分析方法，并作了仿真分

15、析，是非线性分析和处理工作的理论基础及研究依据。第四章论述了非线性分析方法，给出了更为合理的能耗评价指标选择依据，并对轨道交通能耗进行了合理的预测分析。第五章对全文作了总结，并提出了下一步的工作方向。第章能耗评价指标的建立第章能耗指标评价体系的建立能耗指标评价体系的初步分析建立能耗评价指标体系的意义本文中研究的轨道交通能耗是以总用电量为基础依据，以完成输送乘客为主要任务而必需的能耗。运行过程中的能耗涉及到轨道交通网络类型、线路类型、子系统类型、专业类型、客流类型、服务水平等多方面的因素，为使不同运营线路之间、不同子系统之间、不同专业之问等指标的评价具有可比性，首先需定义基本评价术语，以此为依据

16、，从不同层面对不同系统进行研究，并通过对若干选定的典型能耗指标的考核，科学合理的建立能耗评价指标体系，达到综合评价上海轨道交通能耗的目的。能耗指标评价的特征上海轨道交通能耗指标特征应符合【】：）综合性：能耗指标应具有高度概括性，足以体现全网运营能耗，同时实现在全网通用；）行业性：能耗指标应体现轨道交通特点，体现与铁路大交通的区别，并能逐步与国际接轨；）准确性：能耗指标应充分考虑多种影响因素以及多元性，确保评价考核时的合理性；）统一性：能耗指标应体现网线对应、站站统一、段场统一、方便考核的特点使各线路之间、各车、站之间能够横、纵向比较；）简明性：能耗指标应做到标准简单、便于同常使用及同后维护。构

17、建能耗指标评价体系的建立依据构建能耗指标评价体系的思路建立上海轨道交通能耗指标评价体系思路是：在充分认识上海轨道交通特点的基础上，按能耗性质和能耗主体分别分析与综合研究相结合；通过运营线路历第章能耗评价指标的建立年能耗统计数据寻找规律，建立上海轨道交通能耗指标考评体系（如图所示）。建立上海轨道交通能耗指标评价体系，是以现有运营的线路统计数据为基础，通过对数据的归类、分析以及挖掘找出能耗特征以及可能发挥的潜力，把握轨道交通能耗总体发展趋势，为引导新老线路的节能、科学管理和技术改造提供规划、建设和运营管理等方面的依据。图构建能耗指标评价体系思路示意交通能耗指标评价体系的建立原则（）公共交通指标评价

18、体系应遵循的一般性原则：整体完备性原则：应该从不同侧面反映公共交通的特征和状况；客观性原则：保证评价指标体系的客观公正，保证数据来源的可靠性、准确性和评估方法的科学性；科学性原则：指标的选择与指标权重的确定、数据的选取、计算与合成必须以公认的科学理论为依据；非线性原则：公共交通是一个复杂的系统，评价指标选取应遵循非线性原则，实现指标体系的结构最优化；实用性原则：公共交通指标评价体系应能够分析现状，认清所处阶段和发展中存在的问题，更好地指导实际工作，因此，尽量选取常统计指标或容易获得的指标，以便直观、简便地说明问题。（）上海轨道交通能耗指标评价体系原则按照上海轨道交通能耗指标评价体系思路和公共交

19、通指标评价体系应遵循的一般性原则，确立上海轨道交通能耗指标考评体系的原则如下【】：）以上海轨道交通运营统计的能耗数据为基础，以保证上海轨道交通指标评价体系建立的基础性和客观性。）以网络、线路、系统、车站等不同层次的能耗为主线，选择尽量少的代表性指标，反映最主要和最全面的能耗信息。每项指标应具有独立性、可量化性和通用性。）充分考虑网络、线路内部设备条件（各线路土建工程节能措施差异、各线机电设备节能措施差异）与运营环境（线路的地理环境差异、乘客分布差异、管理措施差异）的复杂性，引入标准单元（标准能耗车、标准能耗站）作为基准，以保证体系的公正性。）建立轨道交通能耗系统的数学模型，对多种相关因素、不确

20、定因素进行分析和预测其影响度，按加权平均的要求，确定各能耗指标之间的权重系数与分值，以保证体系的科学性。）明确上海轨道交通指标评价体系的动态性，充分考虑各线路的时间类别（如施工期、调试期、初期、近期、远期）对能耗指标的影响，在不同时期、不同条件能够使用不同的轨道交通指标评价体系。能耗指标评价体系中需考虑的要素在制定能耗指标评价体系的过程中，应考虑到各种相关要素对能耗指标的影响。为此，需要在分析、整理现有轨道交通运营线路能耗数据的基础上，分析各要素的影响度。由于每条线路的建设和运营都不是对现有线路的复制，因此，各单元的评价结果会产生很大的差距。只有从最基本的要素单元进行细致分析和综合评价，才能够

21、制定出科学、合理的评价指标体系。在轨道交通能耗评价指标体系中需考虑的要素，按时间、线路、车辆、专业、车站类别等划分如下【】：）时、日类别：施工期、调试期、初期、近期、远期）线路类别：地下、地面、高架线路节能坡采用比例：高、中、低）区域类别：市区、郊区）车站类别：高架站、地面站、地下站）换乘类别：换乘站、非换乘站车辆类别：型车、型车、型车等）设备类别：牵引供电系统、通风与空调、屏蔽门、照明、给排水、自动扶梯、弱电系统、车辆基地设备）服务质量：高、普通）乘客类别：长乘距、中乘距、短乘距）客流量：高、中、低）季节因素：春、夏、秋、冬基于三级能耗指标评价体系的建立根据上海轨道交通变配电系统的用电关系，

22、以及交通行业内能耗评价通用的标准，可初步构建三级能耗指标评价体系框架如下：（）车、站动力照明运营能耗指标根据节中分析的影响因素，可按线路发展阶段（时间类型）、线路类型、客流水平以及服务质量等不同因素对初始运营数据进行加权平均统计，制定各线路车、站动力照明系统能耗的单位评价指标，该指标为第一层指标，最直观的反应运营状况，跟运营数据的相关性最强。（）线路运营能耗指标以分析得出的每条运营线路的牵引系统能耗指标、动力照明系统能耗指标为基础，同时按线路运营系统类别能耗进行加权平均统计，制定各线路能耗的单位评价指标，该指标处于车展动力招聘运营能耗指标的上层，从线路的角度反映能耗状况，更具备全局性。（）网络

23、运营能耗指标最后，以各运营线路的能耗指标为基础，按线型类别能耗进行加权平均统计，制定出网络能耗的单位评价指标，该指标为整个能耗指标评价体系最上层的指标，用以反映整个系统的能耗状况，直观的反映能量消耗结果。上海轨道交通能耗指标的比选过程与确立根据以上分析，初步选择以下能耗指标作为轨道交通能耗指标【】：）客流量能耗指标年（月）“总耗电量客流总量”单位度人次该指标反应了区域及季节影响因素，区域不同，客流量变化明显，季节不同，客流量的大小将间接影响总耗电量。）车辆周转量指标年（月）“总耗电量车辆运行总里程”单位度车公里该指标反应了时间、车辆类别及线路节能坡采用的因素，不同的运营期能耗表现明显不同，据研

24、究采用节能坡的线路显然也是对节省能耗有帮助的，车型不同则能耗不同，该指标则能体现不同车型能耗的比较。）客运周转量指标年（月）“总耗电量客运周转总量”单位度人公里该指标考虑人的因素的同时也考虑了运营罩程，综合反应了季节、车型、节能坡、设备类别及区域的影响，体现力更强，集合度更高。）车站动力照明指标年（月）“总耗电量（站天）”单位度站天上述指标多集中于对线路及网络的影响描述，该指标则将重点放在了车站，更多的反应站内各个设备的考察。）运输重量指标年（月）“总耗电量车辆运行重量罩程总量”单位度吨公里该指标强调与国家大铁路的参照性，并将人和车按重量标准统一起来，使牵引能耗指标随着人数的变化具有可调整空间。）票务总收入指标年（