上海軌道交通15號線全自動駕駛列車設(shè)計(jì)概述

楊苑斐,申永勇,王子超

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 設(shè)計(jì)背景

上海軌道交通15號線是上海市軌道交通網(wǎng)絡(luò)中一條重要的南北徑向線,途經(jīng)寶山區(qū)、普陀區(qū)、長寧區(qū)、徐匯區(qū)、閔行區(qū)等五個行政區(qū),正線全長約42.3 km,均為地下線,設(shè)30座車站。

項(xiàng)目初期配置車輛54列,由中車長春軌道客車股份有限公司、上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司負(fù)責(zé)整車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及試驗(yàn)。上海軌道交通15號線列車作為設(shè)計(jì)方在上海的首個全自動駕駛列車項(xiàng)目,受到業(yè)界關(guān)注。筆者對上海軌道交通15號線全自動駕駛列車進(jìn)行設(shè)計(jì)概述。

2 列車總體情況

上海軌道交通15號線列車為全自動駕駛列車,列車及子系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)滿足IEC 62290-1—2014《軌道交通 城市指導(dǎo)運(yùn)輸管理和命令/控制系統(tǒng) 第1部分:系統(tǒng)原則和基本原理》中最高等級GOA4等級的要求。列車設(shè)計(jì)成熟可靠,全自動駕駛的可靠性、安全性滿足EN 50126《鐵路應(yīng)用 可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性(RAMS)規(guī)范和說明》、EN 50128《鐵路應(yīng)用 通信、信號和處理系統(tǒng) 統(tǒng)一鐵路控制和防護(hù)系統(tǒng)軟件》、EN 62267《鐵路設(shè)施 都市自動化有軌運(yùn)輸 安全要求》。列車采用A型鋁合金車體,每列車六節(jié)編組,如圖1所示。每列車四動兩拖,Tc1、Tc2為帶司機(jī)室的拖車,Mp1、Mp2為帶受電弓的動車,M1、M2為動車。列車最高運(yùn)行速度為80 km/h,長140 m,寬3 m,最大載客量為2 670人。

列車車體采用模塊化、輕量化、整體承載的大型中空擠壓鋁型材焊接而成,在既有A型車平臺結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,優(yōu)化結(jié)構(gòu)以減少焊接量,優(yōu)化型材斷面以實(shí)現(xiàn)輕量化,滿足強(qiáng)度及碰撞要求,成熟可靠,使用壽命不短于30 a。

列車內(nèi)裝基于現(xiàn)代美學(xué)觀點(diǎn)及人機(jī)工程學(xué)要求,采用技術(shù)成熟的材料和工藝方法,本著輕量化、模塊化、節(jié)能環(huán)保、便于維護(hù)的原則進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)施功能完備,總體布局和裝飾美觀、時尚,顏色和質(zhì)地協(xié)調(diào)。

圖1 上海軌道交通15號線列車編組

列車前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從全自動駕駛功能與特點(diǎn)出發(fā),取消司機(jī)室側(cè)門與司機(jī)室隔斷,增加司機(jī)室三角側(cè)窗,使客室與司機(jī)室完美融合,視野開闊,簡潔大氣。司機(jī)室鋁骨架與玻璃鋼面罩安裝方便,工藝成熟可靠。

列車車鉤結(jié)構(gòu)簡單牢固,便于維護(hù)。使用新型氣液緩沖器,減輕車鉤受力時的沖擊,技術(shù)成熟先進(jìn),部件安全可靠,滿足車輛連掛、運(yùn)行及碰撞過程中的車鉤受力和能量吸收要求。

列車貫通道設(shè)計(jì)為一塊板的柔性內(nèi)飾板結(jié)構(gòu),采用內(nèi)外雙層折棚形式,成熟可靠,便于維修維護(hù),且隔聲隔熱性能良好,滿足各工況運(yùn)行要求,為乘客提供安全舒適的乘車環(huán)境。

列車轉(zhuǎn)向架為CW4000型為軸承外置無搖枕型式,是中車長客成熟可靠的平臺產(chǎn)品,經(jīng)過眾多項(xiàng)目的多年應(yīng)用考核,確認(rèn)具有優(yōu)異的運(yùn)行平穩(wěn)性、安全性和可靠性?；谌詣玉{駛需求,增加列車走行部車載故障診斷系統(tǒng)、障礙物檢測系統(tǒng)、脫軌檢測系統(tǒng)等設(shè)備安裝的接口。

列車牽引系統(tǒng)具有系統(tǒng)自檢及故障復(fù)位、中央控制室遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷及保護(hù)、硬件設(shè)備保護(hù)、蠕動和跳躍、牽引過壓和過流保護(hù)、牽引系統(tǒng)輪徑自動校準(zhǔn)等功能,同時增設(shè)防火電纜,以提高安全性。

列車車門采用電動雙開內(nèi)藏式移門,是經(jīng)過長期使用驗(yàn)證的成熟產(chǎn)品,具有高度可靠性和安全性,以及良好的密封性,能夠?qū)崿F(xiàn)雙安全互鎖回路、遠(yuǎn)程診斷、屏蔽門對位隔離等功能,完全滿足全自動駕駛車門控制要求。

列車制動采用成熟的架控系統(tǒng),電制動力和空氣制動力在整列車內(nèi)進(jìn)行混合分配,最大限度利用電制動力,延長閘瓦使用壽命,降低維護(hù)成本。增設(shè)數(shù)據(jù)記錄儀,實(shí)時記錄制動系統(tǒng)狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)。

列車空調(diào)采用變頻熱泵系統(tǒng),節(jié)能環(huán)保,溫度控制精準(zhǔn)。通過中頂、側(cè)頂復(fù)合送風(fēng)方式,提高乘客的舒適性。新增系統(tǒng)上電自檢、遠(yuǎn)程溫度調(diào)節(jié)、火災(zāi)與風(fēng)門遠(yuǎn)程聯(lián)動控制功能,以適應(yīng)全自動駕駛要求。

列車乘客信息系統(tǒng)由車載廣播系統(tǒng)、媒體播放系統(tǒng)、列車視頻監(jiān)控系統(tǒng)三個子系統(tǒng)組成,既可以獨(dú)立完成各自功能,又能夠通過通信接口進(jìn)行互聯(lián)互動,實(shí)現(xiàn)全車音視頻同步播放顯示,為乘客提供直觀、準(zhǔn)確、全面的信息服務(wù)。

3 列車設(shè)計(jì)亮點(diǎn)

上海軌道交通15號線列車技術(shù)先進(jìn),性能優(yōu)異,簡要概括具有五方面設(shè)計(jì)亮點(diǎn),分別為智能化程度高、安全可靠性高、造型美觀、舒適性與人性化水平高、輕量化水平高。

3.1 智能化程度高

上海軌道交通15號線列車具有自動實(shí)現(xiàn)列車喚醒、準(zhǔn)備、自動自檢、自動運(yùn)行、自動停車、自動開關(guān)車門、休眠,以及在故障情況下自動恢復(fù)等功能,屬于城市軌道交通系統(tǒng)自動化水平最高等級,代表了未來城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展方向。全自動駕駛列車在正點(diǎn)率、設(shè)備故障率、人員調(diào)配、資源占用等方面相比有人駕駛列車均有明顯優(yōu)勢,有效提高了運(yùn)營效率。

(1) 根據(jù)列車自動控制指令,實(shí)現(xiàn)休眠、自動激活、啟動等操作。

(2) 發(fā)車前自動完成系統(tǒng)自檢,包括列車牽引與制動控制、車門控制、空調(diào)、照明、車載通信、風(fēng)源系統(tǒng)等,向中央控制室發(fā)送自檢結(jié)果和列車準(zhǔn)備就緒狀態(tài)報(bào)告。

(3) 根據(jù)車載自動控制系統(tǒng)接收到的地面信息,自動控制列車實(shí)現(xiàn)加速、減速、制動等。

(4) 到站后,自動控制列車安全、精準(zhǔn)停車,并控制車門和屏蔽門開關(guān),具有對位隔離功能。停站時間可事先設(shè)置。

(5) 車載故障診斷系統(tǒng)實(shí)時記錄運(yùn)行和維護(hù)數(shù)據(jù),并通過車地間無線傳輸設(shè)備向中央控制室傳送數(shù)據(jù)。

(6) 車輛段和停車場全自動運(yùn)行區(qū)域內(nèi),列車運(yùn)行由控制中心自動控制。必要時,調(diào)度員可進(jìn)行人工控制。設(shè)備或通道發(fā)生故障時,可轉(zhuǎn)為車場調(diào)度控制中心級功能,實(shí)現(xiàn)自動或人工控制。

(7) 出現(xiàn)故障不能正常運(yùn)營時,可采用降級運(yùn)行模式,由控制中心或鄰近車站向列車發(fā)出遠(yuǎn)程蠕動指令,使故障列車以緩慢的速度運(yùn)行至規(guī)定的停車位置。

列車采用基于邏輯控制單元的智能電氣柜系統(tǒng),取代傳統(tǒng)電氣柜中的時間繼電器、中間繼電器等低壓電器和大量迂回電路,能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時監(jiān)控,故障可追溯,與列車控制和管理系統(tǒng)列車數(shù)據(jù)共享,使電氣柜輕量化、模塊化,且簡化布線。

3.2 安全可靠性高

上海軌道交通15號線列車進(jìn)行獨(dú)立第三方安全評估認(rèn)證,列車全自動駕駛的可靠性、安全性符合EN 50126、EN 50128、EN 62267等標(biāo)準(zhǔn)要求,獨(dú)立第三方安全評估涵蓋列車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、調(diào)試和質(zhì)保期運(yùn)營全過程。

根據(jù)列車全自動駕駛的安全性等級要求,對主要系統(tǒng)進(jìn)行了安全完整性等級定義,要求各系統(tǒng)嚴(yán)格執(zhí)行,并進(jìn)行獨(dú)立第三方安全完整性等級認(rèn)證。

弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)、脫軌檢測系統(tǒng)、煙火報(bào)警系統(tǒng)、軸溫檢測系統(tǒng)、障礙物檢測系統(tǒng)等多維度安全檢測體系保證全自動駕駛列車的安全、可靠運(yùn)行。

根據(jù)列車全自動駕駛場景,對主要系統(tǒng)進(jìn)行危害性分析,增加列車控制電路可靠性冗余,保障列車在電路單節(jié)點(diǎn)故障情況下不受影響。

列車還進(jìn)行了獨(dú)立第三方防火評估認(rèn)證,確保車輛及零部件材料防火等級滿足EN 45545《材料及元件防火要求》,確保電氣柜滿足BS 6853《軌道車輛材料防火測試標(biāo)準(zhǔn)》中結(jié)構(gòu)耐火30 min的要求,并確保底架地板結(jié)構(gòu)滿足ASTM E119《建筑物和建筑材料防火檢測》中結(jié)構(gòu)耐火45 min的要求。

3.3 造型美觀

上海軌道交通15號線列車外觀造型圓潤飽滿,簡潔時尚,如圖2所示。車身主體為白色,搭配黑色窗帶與前臉,配色經(jīng)典,整體分色流暢動感。在車頭上增加橢圓形分色,活潑靈動。車身腰帶及車頭橢圓形分色采用具有金屬質(zhì)感的金色貼膜,亮麗動人。采用三角形司機(jī)室側(cè)窗設(shè)計(jì),使列車顯得動感時尚,充滿活力。一體式前照燈大氣磅礴,充滿科技感。

圖2 上海軌道交通15號線列車外觀

列車內(nèi)裝造型力求簡潔大方,如圖3～圖9所示。列車內(nèi)裝顏色以經(jīng)典的白色為主,搭配雅致的金色。一體式側(cè)墻板搭配大尺寸車窗玻璃,使列車顯得更加寬敞明亮。圓弧形鋁合金扶手時尚美觀,客室鋁合金扶手突破以往表面氧化處理方式,創(chuàng)造性地使用銀灰色金屬漆,既穩(wěn)重美觀,又耐磨經(jīng)用。客室氛圍燈時尚美觀,打破常規(guī),充滿個性化。獨(dú)特的擋風(fēng)板造型亮眼奪目,帶有米色斑點(diǎn)的橡膠地板布十分考究,金色玻璃鋼座椅貴氣十足。點(diǎn)綴的米黃色吊環(huán)與座椅、地板布相得益彰,既呼應(yīng)線路色,又為整個內(nèi)裝增添一抹光彩,使人眼前一亮。開放式司機(jī)室與客室完美融合,使車內(nèi)空間、視野更加開闊。列車內(nèi)部整體感覺簡約大氣,寬敞明亮,經(jīng)典雅致。

3.4 舒適性與人性化水平高

上海軌道交通15號線列車從以下幾個方面來提高乘客舒適性:

(1) 采用中頂、側(cè)頂復(fù)合出風(fēng)方式,減少吹風(fēng)感,提高整車送風(fēng)和溫度均勻性,進(jìn)一步提升乘客感受;

圖3 上海軌道交通15號線列車內(nèi)裝整體

圖4 司機(jī)室內(nèi)裝

圖5 環(huán)形氛圍燈

圖6 帶顯示屏氛圍燈

(2) 采用自動調(diào)光變溫發(fā)光二極管客室照明,根據(jù)春夏秋冬季節(jié)變化自動調(diào)節(jié)光照色溫,根據(jù)客室環(huán)境自動調(diào)節(jié)光照亮度,充分彰顯人性化設(shè)計(jì)理念;

圖7 擋風(fēng)板

圖8 充電臺、腰靠與輪椅固定器

圖9 扶手與吊環(huán)

(3) 客室揚(yáng)聲器、攝像頭、動態(tài)地圖、目的地顯示器、多媒體顯示器、可視化緊急報(bào)警裝置等乘客信息設(shè)備布置合理,方便乘客出行;

(4) 座椅、扶手、吊環(huán)設(shè)置充分考慮人機(jī)工程學(xué),輪椅區(qū)域合理設(shè)置腰靠、扶手、通用串行總線充電插座,以人為本,提高乘客舒適性;

(5) 開放式司機(jī)室通過司機(jī)臺、座椅、緊急隔離帶的合理設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)全自動駕駛與有人駕駛的自由切換,既保證運(yùn)營安全,又使乘客盡情享受通透明亮的車內(nèi)空間。

3.5 輕量化水平高

輕量化不但能減小列車的運(yùn)行阻力,降低牽引能耗,而且能減小軌道壓力,減少輪軌磨損。輕量化設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排,產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。上海軌道交通15號線列車進(jìn)行了輕量化工作,通過換材料、改結(jié)構(gòu)、降厚度、優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)備集成等多種手段,最終確定了合理的輕量化措施。在牽引輔助設(shè)備質(zhì)量較大、參考項(xiàng)目質(zhì)量較大的情況下,通過輕量化實(shí)現(xiàn)每節(jié)列車減輕質(zhì)量近1 000 kg,最終滿足了輕量化要求。

4 結(jié)束語

上海軌道交通15號線全自動駕駛列車是中車長春軌道客車股份有限公司、上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司從用戶需求出發(fā),融合最新行業(yè)技術(shù),自主創(chuàng)新、正向設(shè)計(jì)的嶄新成果,是當(dāng)今行業(yè)先進(jìn)、前沿技術(shù)的代表。這款列車將進(jìn)一步改善乘客的乘坐體驗(yàn),提高出行效率,為城市增添風(fēng)采。