城市軌道交通車輛預留擴編條件的技術分析

肖 晨

（天津市地下鐵道運營有限公司，300222，天津∥工程師）

城市軌道交通車輛預留擴編條件的技術分析

肖 晨

（天津市地下鐵道運營有限公司，300222，天津∥工程師）

不同編組的列車混合運營是可行的，在國內外都有成熟的經驗。目前，部分城市也采用初近期小編組，遠期再擴編的車輛配置方式來滿足逐步增長的客運量，提升運營的服務質量和經濟效益。通過車輛相關設備系統在列車擴編前后的技術對比分析，給出了擴編需求車輛的技術規格建議。

城市軌道交通；車輛配置；技術規格；擴編預留

Author'saddressTianjin Metro Co.，Ltd.，300222，Tianjin，China

鑒于部分城市的軌道交通系統建成初期的客運量不大，不同編組的城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）列車混合運營在國內外有先例和成熟的經驗，因此為了提高服務質量和運營效益，采取列車編組隨著客運量的增長逐漸擴編的方式是可行的。北京地鐵1號線、2號線、13號線和八通線，以及天津濱海線等均采用初、近期列車4輛編組，遠期為6輛編組。

為了保證初期小編組列車能安全、高效、經濟地擴編成大編組列車，需要按照“總體把控，接口兼顧”的原則，制定明確的擴編技術方案，做好提前籌劃與條件預留。

1 城軌車輛擴編的主要技術分析對象

車輛遠期的擴編實現方式，目前主流有“4改6”和“6改8”兩種形式，從前期土建、設備投資和客流量預測值等綜合考慮，也有個別城市擬采用“6改7”的形式。無論是何種擴編形式，從車輛自身系統來說，在車輛初期設計時必須明確預留相關接口條件。本文重點關注對車輛運行性能產生直接影響的電氣牽引系統、輔助電源系統、空氣制動系統、網絡控制系統和車鉤緩沖裝置，并將其作為技術分析對象。針對車輛外部接口，本文重點關注屏蔽門系統與車輛客室門系統的位置關系。

2 車輛擴編技術分析

2.1 電氣牽引系統

2.1.1 列車動拖比的變化對運行性能的影響

列車的動拖比直接關系到其運行性能，包括列車牽引/電制動性能，以及列車故障運行能力和故障救援能力的表現，因此車輛擴編前后動拖比的選擇十分關鍵。

根據表1所示，擴編后列車的動拖比如果不變，則保證列車的運行性能基本不變。擴編后列車的動拖比如果下降，牽引性能會隨之降低，反之亦然。

2.1.2 牽引/電制動性能變化對信號系統的影響

一般情況下，信號系統對車輛的牽引/電制動加減速度性能的要求基本滿足于對動拖比1∶1的列車要求，且進行包容性設計，以滿足擴編后列車的運行控制需要。結合《地鐵設計規范》要求，車輛方的牽引能力關鍵要滿足信號方在ATO（列車自動運行系統）運行模式時，列車最小行車間隔2 min的設計要求，在此原則下，結合理論計算，一般列車滿足速度0-40 km/h加速度≥0.8 m/s2即可。對于動拖比提高的擴編列車，完全滿足其ATO運行模式，而如果擴編一節拖車或者擴編一動一拖，結合表1計算，依然滿足信號方對牽引能力的要求。

表1 不同動拖比列車加/減速度對比表

2.2 輔助電源系統

輔助電源系統為車輛交直流負載供電，并為蓄電池組進行充電。根據現有主流牽引供貨商技術特點，6輛編組B型列車，一般設置2臺輔助電源（也有設置3臺和4臺）。以天津地鐵2、3號線為例，一列車設置2臺輔助電源，每臺容量為185 k W，擴展供電模式，實際交流功率約為330 k W（夏季），DC 110 V功率約為20 k W，DC 24 V功率約為0.5 k W，完全滿足列車實際負載用電需要。

如果4（6）輛編組列車遠期擴編為6（8）輛編組，可采取初近期輔助電源容量按6（8）輛編組設計，采購時每輛車的平均價格會增加，但大大減少擴編時的現場工作量，便于快速上線運營。目前北京地鐵13號線、八通線4輛編組的列車，按照上述方法設計預留；當然也可考慮設置遠期6（8）輛編組列車設置3（4）臺輔助電源，初近期安裝2（3）臺即可，天津地鐵1號線4改6擴編即采用此種方式。

如果6（5）輛編組列車遠期擴編為7（6）輛編組，即增加車數不多于1輛，推薦初近期輔助電源容量按照遠期配置，采購費用基本不增加，同時減少擴編工作量以及運營維修的便利性。另外針對蓄電池的容量選擇，建議按照以上原則執行，關鍵是校核應急情況下的供電能力。以6輛編組擴編7輛編組列車為例，車輛負載功率估算對比表詳見表2。

2.3 空氣制動系統

2.3.1 空氣制動系統控制方案

對于擴編后增加車輛的制動系統硬件配置，基本與既有車輛一致；重點關注控制單元的網絡接入接口、牽引控制接口等工作，保證擴編后列車的軟件更新和制動力分配等相關技術和性能的落實。

目前國內部分城軌車輛采用架控的網關閥、智能閥空氣制動控制系統，則需要充分考慮擴編前后列車編組的結構形式以及擴編前列車的CAN（控制器局域網）單元數量。如果按照一次性滿足擴編后列車的需要進行配置，則會增強實施擴編工作的便捷性，但會相應增加部分部件（例如網關閥）在既有車輛上的數量，增加一定成本。而對于采用車控形式的制動系統，由于以單節車為一個獨立制動單元，擴編實施更加靈活、簡易。

2.3.2 風源系統配置方案

風源系統直接為列車提供制動和相關輔助系統的用風，其容量必須滿足用風要求。由于風源系統一般均設置在Tc車，故風源容量需提前考慮擴編的需要，并留有一定余量。其在擴編前后列車上的配置原則，類似輔助電源系統的用電配置方式。6輛編組與7輛編組列車的用風情況對比見表3。

2.4 列車網絡控制系統

網絡控制系統通過信號采集模塊，采集司機的操作指令、列車各個工況下的狀態等信號，經過運算及邏輯處理，給出操作列車各部件的控制指令，通過列車總線、車輛總線實現與牽引控制系統、空氣制動控制系統、輔助供電系統、信號系統、車門系統、廣播和視頻監控系統等部件的數據交換。實現列車控制、監視、診斷和檢測功能，以及車載信息共享功能，提高列車可靠性、可用性和可維護性。

表2 6、7輛編組列車負載功率對比表

表3 不同編組列車用風情況對比表（2臺920L/min的空壓機）

為保證列車擴編的可實施性，系統應具有足夠的容量和預留接口，整車的系統功能完整地實現，其中包括冗余的列車總線網絡、車輛總線網絡系統。例如新增一節車輛，對于整車網絡系統CCU（中央控制單元），無疑增加了15%左右的信息量，與之對應，列車運行跟蹤數據、實時傳輸數據、故障數據、司機界面都將有較大的變更，所以從硬件接口、軟件運算能力、數據存儲容量都必須做好充足的預留。此外，在通信網絡不能運作時，具備硬線控制電路，以保證基本的牽引及制動控制功能。6輛編組擴編為7輛編組的列車網絡控制系統的擴編情況見圖1。

圖1 4M3T（7輛編組）列車網絡控制系統拓撲簡圖

2.5 車鉤緩沖裝置

車鉤緩沖器是車鉤系統重要部件之一，其主要作用是緩和和吸收列車在正常運行、正常聯掛時出現的縱向沖擊，提高列車運行平穩性和舒適性；吸收列車在非正常狀態下以較高速度撞擊時的沖擊能量，保護車底架不受損壞、乘客不受傷。《地鐵車輛通用技術條件》明確要求：聯結裝置中應有緩沖裝置，其特性應能有效地吸收撞擊能量、緩和沖擊。該裝置能承受的完全復原的最大沖擊速度為5 km/h。與擴編前列車相比，兩列擴編后列車相撞，其車鉤相應斷面最大車鉤力勢必增大，例如，某兩列以5 km/h速度連掛的列車，6輛編組的斷面最大車鉤力為420 kN，擴編后7輛編組的斷面最大車鉤力為440 kN，所以應充分考慮擴編后列車車鉤緩沖裝置的性能要求和緩沖器的選型配置，滿足規范要求。

另外，針對車體結構設計，一般考慮撞擊能量吸收區。以滿足列車以較高的速度撞擊后，在車鉤緩沖裝置、車鉤與車體連接部的過載保護裝置、車體防爬器和前端吸能區作用后，客室無損壞，因此車體吸能區的設計應考慮擴編后列車的性能需要。

2.6 屏蔽門系統對車輛擴編的影響分析

由于遠期列車的擴編，必然造成運營期內長期采用小編組和大編組列車混跑方式運行，如果使用站臺屏蔽門系統，屏蔽門門體應與車輛客室門相互對應。但一般情況下，車輛設計時，由于帶司機室車與中間車的客室門整體布置不一致，造成如圖2所示的C≠D（通常車輛設計中A=B）。例如天津地鐵1、2、3號線，C和D的尺寸差達到560 mm、1 100 mm、1 020 mm，必然造成大小編組列車客室門不能同時滿足與屏蔽門門體一一對應的問題。但至少應保證ATO模式下，混跑列車均能在站臺對門，并正常打開。所以車輛在初期采購中在確保Tc

車的整體長度不變情況下，考慮車站施工進度原因，應提前做好和屏蔽門專業的接口，并明確列車的車門布置，保證C=D，同時司機室門與客室門的間距E將減小，以滿足站臺聯動開關門需要。

圖2 列車車門間距示意圖

目前，對于實現A=B=C=D的全列車客室門等間距布置，存在不同的專家意見，認為實現此車門布置形式，必然造成帶司機室車輛的長度增加（比較一般標準車型），縱向重心不均衡等問題。筆者認為，是否可行需要慎重考慮；對于（A=B）≠（C=D）的布置方式，也會在一定程度上影響列車的整體美觀效果和客室布局。

3 有擴編需求車輛的技術規格建議

為滿足遠期列車擴編工作的可實施性、安全性、可靠性以及便捷性要求，需要在車輛初期采購過程中，技術規格書的編制應該涵蓋由于擴編帶來的相關技術要求。根據以上擴編車輛的技術分析，總結概括如下技術規格建議內容。

（1）牽引性能要求（見表4）。

（2）輔助電源系統、空氣制動系統按照擴編后列車容量需求進行硬件配置。

表4 牽引性能要求表

（3）車鉤緩沖裝置的選型配置和車體吸能區的設計要以擴編后列車的性能需求為準。

（4）列車網絡控制系統、列車廣播系統、乘客信息顯示系統，以及其他車輛子系統硬件配置、接口預留及技術性能充分考慮擴編后列車的需要。

（5）車輛與其他外部系統（包括信號系統、通信、屏蔽門等）接口條件做好包容性設計，并在各自系統技術規格書中明確擴編需求。

（6）對于整車相關理論及仿真計算，應對初期編組及擴編后編組兩種形式均進行核算，從理論上先予以驗證，證明擴編技術上可行。

（7）必要情況下，在初期采購車輛項目中，車輛供貨商額外進行一列擴編后列車的型式試驗，以在初期即可驗證遠期列車的性能，特別是動拖比降低的牽引性能驗證。

4 結語

隨著城市軌道交通的快速發展，圍繞著社會效益和經濟效益的兼顧并重，創新性地提出了一些有效的解決方案。車輛作為軌道交通重要的組成設備，其小編組高密度運行、大小編組客流高低峰混合運行和遠期編組擴容等建設和管理模式，均在研究探討或已實踐。本文針對有擴編需求列車的前期預留技術條件進行分析，力求有效地對技術重點環節進行管理把控，以保證項目的順利實施。

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Technical Analysis of Expansion and Reservation Conditions for Urban Rail Transit

Xiao Chen

Mixed operation of different train marshallings is feasible，many experiences have been gained both at home and abroad.Currently，some cities have adopted the small marshalling at first，then gradually increase the vehicle configuration mode to meet the growing passenger volume needs，improve the service quality and economic benefits.In this paper，through a technical comparison and analysis of the train equipment systems before and after the expansion of train，the technical specifications to meet the requirements of expasion are suggested.

urban rail transit；vehicle configuration；technical specifications；expansion and reservation

U 292.3+8

2013-11-30）