地鐵車輛新技術(shù)新方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與應(yīng)用研究

張海濤

（鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100000）

1 概述

當(dāng)前，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步、科技的不斷創(chuàng)新，地鐵車輛新技術(shù)、新方案不斷推陳出新。為了更好地推進(jìn)這些新技術(shù)、新方案在地鐵車輛上的選配和應(yīng)用，有必要系統(tǒng)性地對上述新技術(shù)、新方案進(jìn)行歸納總結(jié)，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析，為地鐵車輛選型提供參考和借鑒。

本文整理和歸納了近幾年具有成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)且有可能成為未來發(fā)展趨勢的地鐵車輛新技術(shù)、新方案，并對其進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新性和經(jīng)濟(jì)合理性分析，對比傳統(tǒng)技術(shù)方案，提出未來應(yīng)用前景。

2 地鐵車輛新技術(shù)新方案的定義

考慮到新技術(shù)、新方案應(yīng)用的時(shí)效性和創(chuàng)新性，本文對新技術(shù)、新方案的時(shí)間周期、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行約定。

（1）新技術(shù)：是指近幾年（2016年至今）在部分地鐵車輛已有一些成功運(yùn)用實(shí)例，在技術(shù)先進(jìn)、具有代表性且可以作為未來發(fā)展方向的主流技術(shù)趨勢。

（2）新方案：是指近幾年（2016年至今）為實(shí)現(xiàn)某一新功能（之前沒有）的系統(tǒng)解決方案，也指實(shí)現(xiàn)某一新功能（之前沒有）的新的解決方法。

3 地鐵車輛新技術(shù)新方案統(tǒng)計(jì)及說明

結(jié)合第2節(jié)內(nèi)容的約定，本文匯總地鐵車輛新技術(shù)、新方案如下：

3.1 新技術(shù)

（1）無觸點(diǎn)邏輯控制技術(shù)（LCU）。地鐵列車通常采用繼電器進(jìn)行控制，存在以下問題：a.繼電器本身卡滯、不吸合等故障；b.繼電器觸點(diǎn)老化、失效等現(xiàn)象嚴(yán)重；c.采用“與”“或”邏輯控制，冗余性較低，可靠性不高等。LCU采用數(shù)字化、無觸點(diǎn)邏輯控制技術(shù)，從根本上解決繼電器卡滯、失效、接觸不良等缺陷。另外，熱備冗余技術(shù)能有效提高車控制電路的可靠性。

（2）基于TD-LTE通信的CBTC系統(tǒng)。目前，地鐵列車CBTC系統(tǒng)大多采用WLAN進(jìn)行車地通信。雖然該系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)相對成熟，但也存在與同頻段其他產(chǎn)品產(chǎn)生干擾問題、時(shí)延長、AP切換頻繁等問題。作為新一代無線通信技術(shù)TD-LTE在高速移動狀態(tài)下接入性較好、帶寬高，允許列車在80～200km/h的速度下實(shí)現(xiàn)信號切換。較之WLAN技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、時(shí)延短、具有完善QoS保障機(jī)制、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，另外軌道沿線有源設(shè)備數(shù)量大幅減少，降低安裝和維護(hù)成本。

（3）車輛健康管理系統(tǒng)（PHM）。故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM） 是指利用傳感技術(shù)獲取被管理系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)信息和故障信息，并借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等推理算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和環(huán)境因素，對被管理系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測。同時(shí)，對被管理系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，結(jié)合地面維修資源情況，給出維修決策，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的狀態(tài)修[1]。

（4）永磁電機(jī)牽引系統(tǒng)。隨著材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，永磁體越來越多地應(yīng)用于電機(jī)等設(shè)備。目前，地鐵列車牽引系統(tǒng)永磁直驅(qū)技術(shù)有兩種：一種是永磁電機(jī)+齒輪裝置牽引系統(tǒng)；第二種是抱軸永磁電機(jī)直驅(qū)牽引系統(tǒng)。第一種方式，從技術(shù)先進(jìn)性和方案的可實(shí)現(xiàn)性都具有較大優(yōu)勢。因此，本文重點(diǎn)介紹第一種牽引系統(tǒng)（即永磁電機(jī)+齒輪裝置牽引系統(tǒng)）。

（5）受電弓動態(tài)檢測技術(shù)。地鐵列車一旦受電弓出現(xiàn)問題，則會直接導(dǎo)致車輛無法運(yùn)行，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重事故。如果能在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)對受電弓進(jìn)行檢測，不但可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并處理，還能通過算法優(yōu)化檢修流程，盡量避免故障的產(chǎn)生。因此，受電弓動態(tài)檢測技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)測列車受電弓與接觸網(wǎng)的跟隨狀態(tài)、燃弧狀態(tài)、拉出值、接觸網(wǎng)參數(shù)、受電弓狀態(tài)、弓網(wǎng)接觸點(diǎn)溫度、接觸網(wǎng)關(guān)鍵懸掛狀態(tài)監(jiān)測、接觸磨耗、硬點(diǎn)、刮弓、刮網(wǎng)等故障，以及這些故障的位置信息，通過對這些信息進(jìn)行處理，可實(shí)時(shí)報(bào)送影響車輛安全運(yùn)行的故障。

（6）變頻熱泵空調(diào)技術(shù)。定頻空調(diào)加室內(nèi)加熱裝置的方案一直以來都是地鐵列車調(diào)節(jié)溫度的主流方式。隨著技術(shù)的進(jìn)步，從節(jié)能減排的角度出發(fā)，逐漸地用變頻空調(diào)取代定頻空調(diào)；室內(nèi)加熱裝置也逐漸被空調(diào)熱泵技術(shù)取代。變頻熱泵空調(diào)一體機(jī)的出現(xiàn)，大大降低了運(yùn)行能耗，提高了能源的利用率，進(jìn)一步提升了乘客的乘坐感受。

（7）主動障礙物探測系統(tǒng)。地鐵列車ATP系統(tǒng)故障或降級時(shí)，司機(jī)僅憑調(diào)度命令來手動駕駛。運(yùn)行過程中如有障礙物，萬一司機(jī)未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，存在較大安全隱患。另外，如遇彎道、上下坡等特殊路段，司機(jī)視線受限，存在列車追尾的隱患。主動障礙物探測系統(tǒng)采用視覺、二次雷達(dá)、激光等技術(shù)能較好地適應(yīng)大霧、灰塵、雨霧等惡劣天氣，實(shí)時(shí)監(jiān)控列車前進(jìn)方向的障礙物情況，并能通過運(yùn)算識別，控制列車是否采取制動行為。

（8）走行部在線檢測系統(tǒng)。可實(shí)時(shí)監(jiān)測軸箱軸承、齒輪箱軸承、電機(jī)軸承、傳動齒輪、車輪踏面等部件的沖擊、振動、溫度等情況。系統(tǒng)應(yīng)采用沖擊、振動、溫度三個(gè)變量對軸箱軸承、齒輪箱軸承、電機(jī)軸承、傳動齒輪、車輪踏面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)被監(jiān)測部件的自動實(shí)時(shí)故障診斷和分級報(bào)警，保障列車運(yùn)營安全，指導(dǎo)狀態(tài)維修。系統(tǒng)應(yīng)具備報(bào)警信息通過網(wǎng)絡(luò)（MVB或以太網(wǎng)）傳輸至TCMS的功能，以便TCMS將報(bào)警信息傳輸至OCC用于對嚴(yán)重故障實(shí)施調(diào)度控制，保障列車運(yùn)營安全。

（9）被動障礙物探測系統(tǒng)。被動障礙物檢測裝置負(fù)責(zé)對軌面上的障礙物檢測及清除，該裝置由障礙物檢測部分和電氣箱兩部分組成。障礙物檢測部分安裝于列車頭車的第一個(gè)轉(zhuǎn)向架前端構(gòu)架上，包括左障礙物檢測箱、右障礙物檢測箱、檢測橫梁等。電氣箱主要是將左右檢測箱送出的信號進(jìn)行匯合后送列車TMS、ATC或列車緊急制動回路。

（10）脫軌檢測系統(tǒng)。在全部FAO列車每根軸兩側(cè)都加裝脫軌檢測傳感器。實(shí)現(xiàn)方式：對同一條軸兩端傳感器信號同步連續(xù)采樣的流式數(shù)據(jù)，采用步進(jìn)式（每增加固定的采樣點(diǎn)）進(jìn)行一次脫軌診斷。系統(tǒng)應(yīng)具備報(bào)警信息通過網(wǎng)絡(luò)（MVB或以太網(wǎng)）傳輸至TCMS的功能，以便TCMS將報(bào)警信息傳輸至OCC用于對嚴(yán)重故障實(shí)施調(diào)度控制，保障列車運(yùn)營安全。

（11）蓄電池狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)。蓄電池作為輔助供電系統(tǒng)的一部分，是緊急情況下供電的唯一電源。如果其發(fā)生故障或電壓等級不能滿足工作要求，會直接導(dǎo)致車輛無法運(yùn)營。蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的出現(xiàn)剛好解決了這一問題。它能實(shí)時(shí)監(jiān)視蓄電池組和單體的工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)將狀態(tài)信息反饋給有關(guān)方，既方便司機(jī)操作，也方便維保人員檢修。

表1 無觸點(diǎn)邏輯控制技術(shù)與繼電器控制技術(shù)對比分析表

表2 基于WLAN與基于TD-LTE的CBTC系統(tǒng)對比分析表

（12）車下設(shè)備箱感溫電纜技術(shù)。隨著制度的不斷完善，各行各業(yè)對防火要求越來越高。地鐵車輛已經(jīng)從單一加裝煙感報(bào)警裝置，逐漸演變成煙感報(bào)警+感溫電纜等形式。車上電氣柜裝煙感探頭、車下設(shè)備箱裝感溫電纜。加裝車下設(shè)備箱感溫電纜，能極大地提高設(shè)備箱防火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的能力，對于提高整車防火性能及安全性都是不必可少的。

（13）客室玻璃除抗紫外金屬膜技術(shù)。根據(jù)地鐵車輛用戶需求書范本，客室車窗玻璃對無線信號的衰減不得超過6DB。但是在實(shí)際執(zhí)行過程中，采取通用防曬措施（即金屬鍍膜）后，根據(jù)GJB6190、GB/T12190標(biāo)準(zhǔn)對玻璃信號衰減進(jìn)行電磁屏蔽檢測，全部測點(diǎn)的無線信號衰減均超過6DB，最大的接近23DB。采用客室玻璃抗紫外金屬膜技術(shù)是通過特殊的機(jī)床將金屬膜除掉，不僅能實(shí)現(xiàn)電磁干擾要求，也不影響客室玻璃抗紫外光、保溫等基本功能。

3.2 新方案

（1）GOA4等級的全自動無人駕駛系統(tǒng)。GOA4等級全自動無人駕駛系統(tǒng)的出現(xiàn)，不僅使列車實(shí)現(xiàn)了全自動化，減少了列車對人員的依賴，增強(qiáng)了列車調(diào)用靈活性，提高了整車自動化水平，也為智能化運(yùn)維提供了平臺，提高了運(yùn)行可靠性。系統(tǒng)的多重冗余功能，全面確保全自動運(yùn)行的安全性和可靠性，提升了列車運(yùn)行品質(zhì)。

（2）120km/h及以上速度等級轉(zhuǎn)向架抗蛇形運(yùn)動解決方案。近些年，隨著高速地鐵列車的不斷出現(xiàn)，也遇到了部分線路高速行駛時(shí)出現(xiàn)晃車現(xiàn)象。通過分析研究，科研人員提出120km/h及以上速度等級轉(zhuǎn)向架抗蛇形解決方案（車體與轉(zhuǎn)向架間加裝抗蛇形減振器）。這一方案有效解決了高速晃車問題。

表3 車輛健康管理系統(tǒng)應(yīng)用分析

表6 變頻熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)定頻空調(diào)對比分析表

表7 主動障礙物探測系統(tǒng)應(yīng)用分析表

表8 走行部在線檢測系統(tǒng)應(yīng)用分析表

表9 被動障礙物探測系統(tǒng)應(yīng)用分析表

（3）客室動態(tài)地圖用LCD大屏。客室動態(tài)地圖方案從最初的貼膜不顯示，到貼膜LED燈珠，再到36.6吋普屏LCD，到目前的42.7吋大屏LCD。雖然中間也出現(xiàn)過馬賽克等創(chuàng)意方案，最終還是走到了現(xiàn)在的大屏幕、多信息顯示、方便查看、外形美觀的42.7吋大屏方案。因?yàn)?2.7吋LCD屏具有顯示信息量大、方案隨時(shí)可調(diào)、多媒體、界面豐富、站點(diǎn)數(shù)量不受限制等優(yōu)點(diǎn)，因此在地鐵車輛上正逐漸被采用。

（4）緊急呼叫裝置CCTV屏的優(yōu)先權(quán)選擇。一般來講，傳統(tǒng)意義上的緊急呼叫裝置，只能按順序排隊(duì)等待的方式呼叫。為更好地適應(yīng)突發(fā)情況，從事件發(fā)生的緊急程度，通過軟件編輯來實(shí)現(xiàn)多呼叫界面地實(shí)時(shí)顯示，以方便司機(jī)和相關(guān)人員查看并判斷幾個(gè)報(bào)警事件優(yōu)先級問題。這樣做不僅體現(xiàn)了運(yùn)營部門對客室緊急情況的把控力，也提高了對緊急事件處理的效率，降低了被投訴的風(fēng)險(xiǎn)。這也是一種人文關(guān)懷的體現(xiàn)。

表10 脫軌檢測系統(tǒng)應(yīng)用分析表

表11 蓄電池狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用分析表

表12 車下設(shè)備箱感溫電纜技術(shù)應(yīng)用分析表

表13 客室玻璃除抗紫外金屬膜技術(shù)與傳統(tǒng)玻璃對比分析表

4 地鐵車輛新技術(shù)新方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)性分析

4.1 新技術(shù)

（1）無觸點(diǎn)邏輯控制技術(shù)（LCU）（表1）。

（2）基于TD-LTE通信的CBTC系統(tǒng)（表2）。

（3）車輛健康管理系統(tǒng)（PHM）（表3）。

（4）永磁直驅(qū)電機(jī)牽引系統(tǒng)（表4）。

（5）受電弓動態(tài)檢測技術(shù)（表5）。

（6）變頻熱泵空調(diào)技術(shù)（表6）。

表15 120km/h及以上速度等級轉(zhuǎn)向架抗蛇形運(yùn)動解決方案應(yīng)用分析表

表16 客室動態(tài)地圖用LCD大屏應(yīng)用分析表

表17 緊急呼叫裝置CCTV屏的優(yōu)先權(quán)選擇應(yīng)用分析表

（7）主動障礙物探測系統(tǒng)（表7）。

（8）走行部在線檢測系統(tǒng)（表8）。

（9）被動障礙物探測系統(tǒng)（表9）。

（10）脫軌檢測系統(tǒng)（表10）。

（11）蓄電池狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)（表11）。

（12）車下設(shè)備箱感溫電纜技術(shù)（表12）。

（13）客室玻璃除抗紫外金屬膜技術(shù)（表13）。

4.2 新方案

（1）GOA4等級的全自動無人駕駛系統(tǒng)（表14）。

（2）120km/h及以上速度等級轉(zhuǎn)向架抗蛇形運(yùn)動解決方案（表15）。

（3）客室動態(tài)地圖用LCD大屏（表16）。

（4）緊急呼叫裝置CCTV屏的優(yōu)先權(quán)選擇（表17）。

5 結(jié)束語

通過上述分析，我們不難發(fā)現(xiàn)新技術(shù)、新方案較之傳統(tǒng)技術(shù)和方案，都有其技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)合理性，這也是新老交替，新技術(shù)、新方案替代老技術(shù)、老方案的結(jié)果。只是新技術(shù)、新方案在資金成本和技術(shù)復(fù)雜程度上還需要我們在選型時(shí)多加考慮，結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和資金情況，合理選型。另外，有些新技術(shù)、新方案不是替代，更是一種創(chuàng)新。這是順應(yīng)技術(shù)發(fā)展需求的結(jié)果。

本文通過對近幾年應(yīng)用于地鐵列車的新技術(shù)、新方案進(jìn)行全面梳理，并對其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，得出選型建議和意見，希望能為地鐵車輛選型提供參考和借鑒。