下一代地鐵列車關鍵技術方案設計*

崔霆銳 李 熙 張勇慧 張 驕

(1.北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心，102208，北京；2.北京市地鐵運營有限公司，100044，北京；3.北京京城地鐵有限公司，101312，北京//第一作者，高級工程師)

目前,我國城市軌道交通在智能控制、信息服務及節能環保技術等領域還處于發展時期，與國際先進水平還存在一定的差距。因此，突破和掌握下一代地鐵車輛的核心設計和試驗驗證技術，對提升軌道交通裝備制造業在國際上的競爭力，引領城市軌道交通列車的技術發展具有重要意義。

下一代地鐵列車采用模塊化設計，探索地鐵車輛新架構、新結構、新材料及新能源的技術應用，同時在智能控制、節能環保、監控一體化、工業以太網及在途信息智能服務等關鍵技術方面要有一定突破。因此，研制下一代地鐵車輛新型牽引傳動、制動及列車控制等關鍵子系統，開發具備低噪聲、低能耗、高可用性及高適用性特征的地鐵車輛，可全面提升城市軌道交通裝備水平及服務品質。

1 地鐵列車新能源牽引傳動及輔助供電技術

為解決制動能量的回收利用和應急條件下的自牽引，地鐵車輛需要從能量密度、功率密度及工程實施的可行性等方面開展研究，設計和配置適合下一代地鐵列車的供電及車載儲能系統(見圖1)。儲能技術現已成為城市軌道交通領域的研究熱點[1-2]。下一代地鐵車輛輔助系統設計采用基于高頻隔離技術的高功率密度輔助逆變器；采用基于銅銦鎵硒柔性襯底技術的車頂輔助太陽能供電，其柔性薄膜光伏電池厚度小于3 mm；綜合考慮安全性、循環壽命及功率特性等優勢，采用以鈦酸鋰電池作為儲能元件的備用輔助電源電池組。

1.1 牽引傳動技術

為符合我國新型城鎮化和城市現代化的發展需求，下一代地鐵車輛要適應多種供電制式，既可滿足城區地鐵交通DC 1 500 V/DC 750 V等直流供電條件，又能適應城郊AC 25 000 V的供電制式，還可依靠車載儲能系統等備用動力在無供電網的條件下短時運行[3]，通過優化牽引傳動系統工作模式的切換控制策略，實現下一代地鐵車輛同時具備雙源制供電與備用動力運行的能力。

圖1 應用車載儲能技術的地鐵列車供電系統

1.1.1 基于永磁直驅同步電機的牽引系統集成技術

永磁直驅同步電機具備重量輕、功率密度大、低速輸出轉矩大及效率高等優點[4-5]，其輸出特性適用于直驅模式，可減少傳動級別和效率損失。永磁直驅同步電機替代傳統異步電機實現傳動系統升級正在成為技術趨勢。其關鍵技術包括：①基于軸控牽引系統供電轉換的集成控制設計；②電機在空間和質量受限的高溫振動環境下的絕緣技術與防失磁技術；③優化的電制動控制策略，配合車載和地面儲能設備，實現全能饋動力制動功能。

1.1.2 全能饋動力制動技術

受控制算法、吸收能力等限制，既有地鐵車輛不具備全電制動停車能力。而采用的下一代地鐵列車制動系統優化控制策略，可直接采集減速度信號作為摩擦制動控制的反饋值。因此，開發基于閉環魯棒減速度邏輯的控制策略，提高車輛減速度控制的實時性，配合可提升制動回饋能量吸收率的車載儲能設備，可彌補傳統控制方式的不足,以及實現電制動制停功能。

1.2 輔助供電技術

相比于現行的地鐵列車輔助逆變器單臺擴展供電模式，并網供電技術具有冗余度高、可靠性高、運行過程動態和靜態性能良好等優勢[6]。實現并網供電技術需要研究新型輔助逆變器控制技術。基于下垂法的改進輔助逆變器控制技術如圖2所示。無互聯線的新型下垂控制技術可以避免逆變器間復雜的互聯線和長距離通信帶來的干擾，而輔助逆變器負載投切頻繁，對控制的動態性能要求很高，因此需要研究動態響應快、穩定性高的下垂控制方法。

圖2 改進的輔助逆變器控制技術

考慮到輔助逆變器的實際功率因數大于85%，有功功率為其主要成分，若使額定功率下頻率偏差控制在規定范圍內，有功下垂系數將非常小，這將會影響輔助逆變器的均流性能；而采用無功功率下垂頻率的方法可以在一定程度上提升均流性能，由于該方法需先將系統阻抗配置為阻性，因此在下垂控制技術中引入了主動輸出阻抗控制技術。

2 新一代地鐵列車網絡控制技術

以太網作為一種局域網基本介質接入技術，由于其通信速率和靈活性較高，且實現亦較為簡單要，故近年來得到迅猛發展。與傳統的TCN(列車通信網絡)相比，以太網設備成本更低、性能更高。目前正在研討的新版IEC 61375標準包含工業以太網，且該標準對以太網的實時交互等相關內容進行了規定。

2.1 監控一體化的工業以太網

列車網絡控制系統作為整車的“神經中樞”，對各部件及通信的安全性、可靠性和實時性有較高的要求，而工業以太網在傳輸機制上的特點，無法滿足通信實時性的要求。因此需要從以太網硬件、以太網路由協議及軟件協議等方面進行優化處理[7]，研究適合車輛通信形式的以太網拓撲結構，以提高通信的可靠性和實時性。

2.2 多網融合技術

多網融合技術是對車輛通信技術優化升級的優選方法。該技術研究應用于列車控制、監視及診斷的小容量實時信息與應用于旅客服務和視頻傳輸的大容量非實時信息的并網傳輸技術，以及研究帶寬介質有效分配和端口調度優化算法的多網融合技術。多網融合對以太網通信方式、控制方法及傳輸機制等方面提出了較高的要求，通過對通信形式的分類、優先級劃分及優化調度算法等方法實現多網融合，從而建立可靠、安全的車輛網絡通信技術。

2.3 列車黑匣子

列車黑匣子存儲技術具備三防(防水、抗沖擊、防火)功能，可以保障與列車安全相關的關鍵數據的可靠存儲。列車黑匣子存儲記錄的數據不僅包括列車運行中的視頻、語音，以及列車運行狀態關鍵數據等信息，還包括部分快速變化的控制信號數據，這些數據的分類存儲以及事后檢索是列車黑匣子存儲技術的關鍵。另外，黑匣子數據記錄是列車事故發生后，分析和追查事故原因的重要依據，同時考慮到防止事后人為修改的可能，因此引入關鍵數據的加密和簽名技術也尤為重要。

3 地鐵列車減振降噪技術

目前，城市軌道交通列車的噪聲主要包括輪軌噪聲、牽引電機噪聲、空調噪聲和輔助設備噪聲[8-10]。地鐵列車輪軌噪聲機理如圖3所示。通過研究輪軌、電氣設備及空調系統的噪聲機理及控制技術，采用粘貼自由阻尼和約束阻尼，安裝調諧質量阻尼器(TMD)和彈性車輪等，達到減振降噪目的，同時還要兼顧低噪聲車輪對車輛系統動力學性能的影響。

圖3 地鐵列車輪軌噪聲機理

在轉向架結構傳聲技術方面，通過對輪軌激勵下懸掛系統結構的傳聲路徑和各懸掛部件的能量傳遞貢獻量排序，確定影響轉向架系統結構傳聲的關鍵懸掛部件。同時分析總結懸掛部件參數對懸掛系統隔振特性及轉向架系統特性、振動能量傳播與衰減的影響規律，確定關鍵懸掛部件結構傳聲的敏感參數。

4 地鐵列車智能維保技術

現有的靜態檢測維保技術遠遠不能滿足城市軌道交通的安全保障需求，因此需要運用系統的觀點，從城市軌道交通體系的簡潔高效維保、在途狀態監測預警及專家診斷等方面開展技術研究。

下一代地鐵在途智能監測預警與運維保障技術上將采用嵌入式RTOS(實時操作系統)、多核計算、扁平網絡及冗余備份設計，以構建系統的硬件平臺和網絡架構。采用基于實時狀態融合的列車安全狀態故障特征因子提煉提取方法，研究列車安全狀態典型故障的關鍵因子和關聯關系，形成具有可重復性和驗證性的列車安全狀態故障成因推演技術，從而建立基于大數據隱患挖掘和安全預警的方法。結合歷史故障鏈中的故障關鍵特征和實時狀態的故障現場特征狀態提取方法，建立基于時間窗融合與分析的現場特征狀態的故障診斷數據模型，形成具有完備性和自主學習能力的故障診斷專家系統。

5 地鐵線路試驗驗證及評估

下一代地鐵列車的試驗驗證及評估包括常規地鐵車輛性能，以及針對下一代地鐵列車的主要技術特征，如全自動列車控制、新型制動技術、基于新能源應用的節能型牽引傳動、智能化旅客信息服務等開展的新型試驗。新型試驗需要全面驗證下一代地鐵列車的相關技術指標，從而形成相應的技術標準和規范。

5.1 無人駕駛系統試驗評估

智能無人駕駛系統的一般需求測試，包括自動投入運行、自動退出運行、自動停站、自動發車、自動折返以及自動運行時刻調整等自動駕駛功能以及相關的安全防護功能。此外，智能無人駕駛系統還包括無人駕駛條件下的侵入障礙物檢測、防護檢測、地面及車上侵入人員檢測和防護檢測試、列車啟動安全測試、車門智能監控與乘客防夾傷測試等。

5.2 雙流制受電動態自偵測試驗評估

該評估需要研究高壓模塊對交直流的通用性和適應性的影響、分析主電路的拓撲結構設計和關鍵電氣設備、電壓自診斷方式和切換方式以及牽引系統自適應調整技術等，并且需要分析相關評價指標和測試方法。

5.3 制動能量回饋存儲率試驗

針對地鐵列車制動能量的回收和利用技術，采用針對回饋-儲能型能量回收方法的效率試驗技術，以及地鐵列車制動能量的回饋率、存儲率試驗及分析評價方法。

6 結語

當前城市軌道交通快速發展形勢下，傳統車輛已無法滿足軌道交通裝備對技術先進、安全可靠、經濟適用、節能環保的實際運營需求。因此，開展下一代地鐵車輛的研發和示范應用，對提升我國軌道交通裝備自主創新能力，提高城市軌道交通車輛安全性和可用性，增強核心競爭力具有重要意義。