下一代地鐵列車關(guān)鍵技術(shù)方案設(shè)計(jì)*

崔霆銳 李 熙 張勇慧 張 驕

(1.北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，102208，北京；2.北京市地鐵運(yùn)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(jí)工程師)

目前,我國城市軌道交通在智能控制、信息服務(wù)及節(jié)能環(huán)保技術(shù)等領(lǐng)域還處于發(fā)展時(shí)期，與國際先進(jìn)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(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)，對(duì)提升軌道交通裝備制造業(yè)在國際上的競(jìng)爭(zhēng)力，引領(lǐng)城市軌道交通列車的技術(shù)發(fā)展具有重要意義。

下一代地鐵列車采用模塊化設(shè)計(jì)，探索地鐵車輛新架構(gòu)、新結(jié)構(gòu)、新材料及新能源的技術(shù)應(yīng)用，同時(shí)在智能控制、節(jié)能環(huán)保、監(jiān)控一體化、工業(yè)以太網(wǎng)及在途信息智能服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)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(dòng)、制動(dòng)及列車控制等關(guān)鍵子系統(tǒng)，開發(fā)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(wù)品質(zhì)。

1 地鐵列車新能源牽引傳動(dòng)及輔助供電技術(shù)

為解決制動(dòng)能量的回收利用和應(yīng)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(shí)施的可行性等方面開展研究，設(shè)計(jì)和配置適合下一代地鐵列車的供電及車載儲(chǔ)能系統(tǒng)(見圖1)。儲(chǔ)能技術(shù)現(xiàn)已成為城市軌道交通領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-2]。下一代地鐵車輛輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用基于高頻隔離技術(shù)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(shù)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(huán)壽命及功率特性等優(yōu)勢(shì)，采用以鈦酸鋰電池作為儲(chǔ)能元件的備用輔助電源電池組。

1.1 牽引傳動(dòng)技術(shù)

為符合我國新型城鎮(zhèn)化和城市現(xiàn)代化的發(fā)展需求，下一代地鐵車輛要適應(yīng)多種供電制式，既可滿足城區(qū)地鐵交通DC 1 500 V/DC 750 V等直流供電條件，又能適應(yīng)城郊AC 25 000 V的供電制式，還可依靠車載儲(chǔ)能系統(tǒng)等備用動(dòng)力在無供電網(wǎng)的條件下短時(shí)運(yùn)行[3]，通過優(yōu)化牽引傳動(dòng)系統(tǒng)工作模式的切換控制策略，實(shí)現(xiàn)下一代地鐵車輛同時(shí)具備雙源制供電與備用動(dòng)力運(yùn)行的能力。

圖1 應(yīng)用車載儲(chǔ)能技術(shù)的地鐵列車供電系統(tǒng)

1.1.1 基于永磁直驅(qū)同步電機(jī)的牽引系統(tǒng)集成技術(shù)

永磁直驅(qū)同步電機(jī)具備重量輕、功率密度大、低速輸出轉(zhuǎn)矩大及效率高等優(yōu)點(diǎn)[4-5]，其輸出特性適用于直驅(qū)模式，可減少傳動(dòng)級(jí)別和效率損失。永磁直驅(qū)同步電機(jī)替代傳統(tǒng)異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)升級(jí)正在成為技術(shù)趨勢(shì)。其關(guān)鍵技術(shù)包括：①基于軸控牽引系統(tǒng)供電轉(zhuǎn)換的集成控制設(shè)計(jì)；②電機(jī)在空間和質(zhì)量受限的高溫振動(dòng)環(huán)境下的絕緣技術(shù)與防失磁技術(shù)；③優(yōu)化的電制動(dòng)控制策略，配合車載和地面儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)全能饋動(dòng)力制動(dòng)功能。

1.1.2 全能饋動(dòng)力制動(dòng)技術(shù)

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(dòng)停車能力。而采用的下一代地鐵列車制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化控制策略，可直接采集減速度信號(hào)作為摩擦制動(dòng)控制的反饋值。因此，開發(fā)基于閉環(huán)魯棒減速度邏輯的控制策略，提高車輛減速度控制的實(shí)時(shí)性，配合可提升制動(dòng)回饋能量吸收率的車載儲(chǔ)能設(shè)備，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)控制方式的不足,以及實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)制停功能。

1.2 輔助供電技術(shù)

相比于現(xiàn)行的地鐵列車輔助逆變器單臺(tái)擴(kuò)展供電模式，并網(wǎng)供電技術(shù)具有冗余度高、可靠性高、運(yùn)行過程動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能良好等優(yōu)勢(shì)[6]。實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電技術(shù)需要研究新型輔助逆變器控制技術(shù)。基于下垂法的改進(jìn)輔助逆變器控制技術(shù)如圖2所示。無互聯(lián)線的新型下垂控制技術(shù)可以避免逆變器間復(fù)雜的互聯(lián)線和長距離通信帶來的干擾，而輔助逆變器負(fù)載投切頻繁，對(duì)控制的動(dòng)態(tài)性能要求很高，因此需要研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、穩(wěn)定性高的下垂控制方法。

圖2 改進(jìn)的輔助逆變器控制技術(shù)

考慮到輔助逆變器的實(shí)際功率因數(shù)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(guī)定范圍內(nèi)，有功下垂系數(shù)將非常小，這將會(huì)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(tǒng)阻抗配置為阻性，因此在下垂控制技術(shù)中引入了主動(dòng)輸出阻抗控制技術(shù)。

2 新一代地鐵列車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

以太網(wǎng)作為一種局域網(wǎng)基本介質(zhì)接入技術(shù)，由于其通信速率和靈活性較高，且實(shí)現(xiàn)亦較為簡單要，故近年來得到迅猛發(fā)展。與傳統(tǒng)的TCN(列車通信網(wǎng)絡(luò))相比，以太網(wǎng)設(shè)備成本更低、性能更高。目前正在研討的新版IEC 61375標(biāo)準(zhǔn)包含工業(yè)以太網(wǎng)，且該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)交互等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。

2.1 監(jiān)控一體化的工業(yè)以太網(wǎng)

列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為整車的“神經(jīng)中樞”，對(duì)各部件及通信的安全性、可靠性和實(shí)時(shí)性有較高的要求，而工業(yè)以太網(wǎng)在傳輸機(jī)制上的特點(diǎn)，無法滿足通信實(shí)時(shí)性的要求。因此需要從以太網(wǎng)硬件、以太網(wǎng)路由協(xié)議及軟件協(xié)議等方面進(jìn)行優(yōu)化處理[7]，研究適合車輛通信形式的以太網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以提高通信的可靠性和實(shí)時(shí)性。

2.2 多網(wǎng)融合技術(shù)

多網(wǎng)融合技術(shù)是對(duì)車輛通信技術(shù)優(yōu)化升級(jí)的優(yōu)選方法。該技術(shù)研究應(yīng)用于列車控制、監(jiān)視及診斷的小容量實(shí)時(shí)信息與應(yīng)用于旅客服務(wù)和視頻傳輸?shù)拇笕萘糠菍?shí)時(shí)信息的并網(wǎng)傳輸技術(shù)，以及研究帶寬介質(zhì)有效分配和端口調(diào)度優(yōu)化算法的多網(wǎng)融合技術(shù)。多網(wǎng)融合對(duì)以太網(wǎng)通信方式、控制方法及傳輸機(jī)制等方面提出了較高的要求，通過對(duì)通信形式的分類、優(yōu)先級(jí)劃分及優(yōu)化調(diào)度算法等方法實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合，從而建立可靠、安全的車輛網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。

2.3 列車黑匣子

列車黑匣子存儲(chǔ)技術(shù)具備三防(防水、抗沖擊、防火)功能，可以保障與列車安全相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。列車黑匣子存儲(chǔ)記錄的數(shù)據(jù)不僅包括列車運(yùn)行中的視頻、語音，以及列車運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵數(shù)據(jù)等信息，還包括部分快速變化的控制信號(hào)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)以及事后檢索是列車黑匣子存儲(chǔ)技術(shù)的關(guān)鍵。另外，黑匣子數(shù)據(jù)記錄是列車事故發(fā)生后，分析和追查事故原因的重要依據(jù)，同時(shí)考慮到防止事后人為修改的可能，因此引入關(guān)鍵數(shù)據(jù)的加密和簽名技術(shù)也尤為重要。

3 地鐵列車減振降噪技術(shù)

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(jī)噪聲、空調(diào)噪聲和輔助設(shè)備噪聲[8-10]。地鐵列車輪軌噪聲機(jī)理如圖3所示。通過研究輪軌、電氣設(shè)備及空調(diào)系統(tǒng)的噪聲機(jī)理及控制技術(shù)，采用粘貼自由阻尼和約束阻尼，安裝調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)和彈性車輪等，達(dá)到減振降噪目的，同時(shí)還要兼顧低噪聲車輪對(duì)車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的影響。

圖3 地鐵列車輪軌噪聲機(jī)理

在轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)傳聲技術(shù)方面，通過對(duì)輪軌激勵(lì)下懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的傳聲路徑和各懸掛部件的能量傳遞貢獻(xiàn)量排序，確定影響轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳聲的關(guān)鍵懸掛部件。同時(shí)分析總結(jié)懸掛部件參數(shù)對(duì)懸掛系統(tǒng)隔振特性及轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)特性、振動(dòng)能量傳播與衰減的影響規(guī)律，確定關(guān)鍵懸掛部件結(jié)構(gòu)傳聲的敏感參數(shù)。

4 地鐵列車智能維保技術(shù)

現(xiàn)有的靜態(tài)檢測(cè)維保技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足城市軌道交通的安全保障需求，因此需要運(yùn)用系統(tǒng)的觀點(diǎn)，從城市軌道交通體系的簡潔高效維保、在途狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警及專家診斷等方面開展技術(shù)研究。

下一代地鐵在途智能監(jiān)測(cè)預(yù)警與運(yùn)維保障技術(shù)上將采用嵌入式RTOS(實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))、多核計(jì)算、扁平網(wǎng)絡(luò)及冗余備份設(shè)計(jì)，以構(gòu)建系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。采用基于實(shí)時(shí)狀態(tài)融合的列車安全狀態(tài)故障特征因子提煉提取方法，研究列車安全狀態(tài)典型故障的關(guān)鍵因子和關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成具有可重復(fù)性和驗(yàn)證性的列車安全狀態(tài)故障成因推演技術(shù)，從而建立基于大數(shù)據(jù)隱患挖掘和安全預(yù)警的方法。結(jié)合歷史故障鏈中的故障關(guān)鍵特征和實(shí)時(shí)狀態(tài)的故障現(xiàn)場(chǎng)特征狀態(tài)提取方法，建立基于時(shí)間窗融合與分析的現(xiàn)場(chǎng)特征狀態(tài)的故障診斷數(shù)據(jù)模型，形成具有完備性和自主學(xué)習(xí)能力的故障診斷專家系統(tǒng)。

5 地鐵線路試驗(yàn)驗(yàn)證及評(píng)估

下一代地鐵列車的試驗(yàn)驗(yàn)證及評(píng)估包括常規(guī)地鐵車輛性能，以及針對(duì)下一代地鐵列車的主要技術(shù)特征，如全自動(dòng)列車控制、新型制動(dòng)技術(shù)、基于新能源應(yīng)用的節(jié)能型牽引傳動(dòng)、智能化旅客信息服務(wù)等開展的新型試驗(yàn)。新型試驗(yàn)需要全面驗(yàn)證下一代地鐵列車的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，從而形成相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

5.1 無人駕駛系統(tǒng)試驗(yàn)評(píng)估

智能無人駕駛系統(tǒng)的一般需求測(cè)試，包括自動(dòng)投入運(yùn)行、自動(dòng)退出運(yùn)行、自動(dòng)停站、自動(dòng)發(fā)車、自動(dòng)折返以及自動(dòng)運(yùn)行時(shí)刻調(diào)整等自動(dòng)駕駛功能以及相關(guān)的安全防護(hù)功能。此外，智能無人駕駛系統(tǒng)還包括無人駕駛條件下的侵入障礙物檢測(cè)、防護(hù)檢測(cè)、地面及車上侵入人員檢測(cè)和防護(hù)檢測(cè)試、列車啟動(dòng)安全測(cè)試、車門智能監(jiān)控與乘客防夾傷測(cè)試等。

5.2 雙流制受電動(dòng)態(tài)自偵測(cè)試驗(yàn)評(píng)估

該評(píng)估需要研究高壓模塊對(duì)交直流的通用性和適應(yīng)性的影響、分析主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵電氣設(shè)備、電壓自診斷方式和切換方式以及牽引系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)等，并且需要分析相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)和測(cè)試方法。

5.3 制動(dòng)能量回饋存儲(chǔ)率試驗(yàn)

針對(duì)地鐵列車制動(dòng)能量的回收和利用技術(shù)，采用針對(duì)回饋-儲(chǔ)能型能量回收方法的效率試驗(yàn)技術(shù)，以及地鐵列車制動(dòng)能量的回饋率、存儲(chǔ)率試驗(yàn)及分析評(píng)價(jià)方法。

6 結(jié)語

當(dāng)前城市軌道交通快速發(fā)展形勢(shì)下，傳統(tǒng)車輛已無法滿足軌道交通裝備對(duì)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能環(huán)保的實(shí)際運(yùn)營需求。因此，開展下一代地鐵車輛的研發(fā)和示范應(yīng)用，對(duì)提升我國軌道交通裝備自主創(chuàng)新能力，提高城市軌道交通車輛安全性和可用性，增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。