上海軌道交通15號線全自動駕駛列車設計概述

楊苑斐,申永勇,王子超

上海軌道交通設備發展有限公司 上海 200245

1 設計背景

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

項目初期配置車輛54列,由中車長春軌道客車股份有限公司、上海軌道交通設備發展有限公司負責整車設計、生產及試驗。上海軌道交通15號線列車作為設計方在上海的首個全自動駕駛列車項目,受到業界關注。筆者對上海軌道交通15號線全自動駕駛列車進行設計概述。

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,列車及子系統的功能和設計滿足IEC 62290-1—2014《軌道交通 城市指導運輸管理和命令/控制系統 第1部分:系統原則和基本原理》中最高等級GOA4等級的要求。列車設計成熟可靠,全自動駕駛的可靠性、安全性滿足EN 50126《鐵路應用 可靠性、可用性、可維護性和安全性(RAMS)規范和說明》、EN 50128《鐵路應用 通信、信號和處理系統 統一鐵路控制和防護系統軟件》、EN 62267《鐵路設施 都市自動化有軌運輸 安全要求》。列車采用A型鋁合金車體,每列車六節編組,如圖1所示。每列車四動兩拖,Tc1、Tc2為帶司機室的拖車,Mp1、Mp2為帶受電弓的動車,M1、M2為動車。列車最高運行速度為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型車平臺結構的基礎上,優化結構以減少焊接量,優化型材斷面以實現輕量化,滿足強度及碰撞要求,成熟可靠,使用壽命不短于30 a。

列車內裝基于現代美學觀點及人機工程學要求,采用技術成熟的材料和工藝方法,本著輕量化、模塊化、節能環保、便于維護的原則進行設計,設施功能完備,總體布局和裝飾美觀、時尚,顏色和質地協調。

圖1 上海軌道交通15號線列車編組

列車前端結構設計從全自動駕駛功能與特點出發,取消司機室側門與司機室隔斷,增加司機室三角側窗,使客室與司機室完美融合,視野開闊,簡潔大氣。司機室鋁骨架與玻璃鋼面罩安裝方便,工藝成熟可靠。

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

列車貫通道設計為一塊板的柔性內飾板結構,采用內外雙層折棚形式,成熟可靠,便于維修維護,且隔聲隔熱性能良好,滿足各工況運行要求,為乘客提供安全舒適的乘車環境。

列車轉向架為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品,經過眾多項目的多年應用考核,確認具有優異的運行平穩性、安全性和可靠性。基于全自動駕駛需求,增加列車走行部車載故障診斷系統、障礙物檢測系統、脫軌檢測系統等設備安裝的接口。

列車牽引系統具有系統自檢及故障復位、中央控制室遠程監控、故障診斷及保護、硬件設備保護、蠕動和跳躍、牽引過壓和過流保護、牽引系統輪徑自動校準等功能,同時增設防火電纜,以提高安全性。

列車車門采用電動雙開內藏式移門,是經過長期使用驗證的成熟產品,具有高度可靠性和安全性,以及良好的密封性,能夠實現雙安全互鎖回路、遠程診斷、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,電制動力和空氣制動力在整列車內進行混合分配,最大限度利用電制動力,延長閘瓦使用壽命,降低維護成本。增設數據記錄儀,實時記錄制動系統狀態和運行數據。

列車空調采用變頻熱泵系統,節能環保,溫度控制精準。通過中頂、側頂復合送風方式,提高乘客的舒適性。新增系統上電自檢、遠程溫度調節、火災與風門遠程聯動控制功能,以適應全自動駕駛要求。

列車乘客信息系統由車載廣播系統、媒體播放系統、列車視頻監控系統三個子系統組成,既可以獨立完成各自功能,又能夠通過通信接口進行互聯互動,實現全車音視頻同步播放顯示,為乘客提供直觀、準確、全面的信息服務。

3 列車設計亮點

上海軌道交通15號線列車技術先進,性能優異,簡要概括具有五方面設計亮點,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現列車喚醒、準備、自動自檢、自動運行、自動停車、自動開關車門、休眠,以及在故障情況下自動恢復等功能,屬于城市軌道交通系統自動化水平最高等級,代表了未來城市軌道交通技術的發展方向。全自動駕駛列車在正點率、設備故障率、人員調配、資源占用等方面相比有人駕駛列車均有明顯優勢,有效提高了運營效率。

(1) 根據列車自動控制指令,實現休眠、自動激活、啟動等操作。

(2) 發車前自動完成系統自檢,包括列車牽引與制動控制、車門控制、空調、照明、車載通信、風源系統等,向中央控制室發送自檢結果和列車準備就緒狀態報告。

(3) 根據車載自動控制系統接收到的地面信息,自動控制列車實現加速、減速、制動等。

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

(5) 車載故障診斷系統實時記錄運行和維護數據,并通過車地間無線傳輸設備向中央控制室傳送數據。

(6) 車輛段和停車場全自動運行區域內,列車運行由控制中心自動控制。必要時,調度員可進行人工控制。設備或通道發生故障時,可轉為車場調度控制中心級功能,實現自動或人工控制。

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

列車采用基于邏輯控制單元的智能電氣柜系統,取代傳統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,能夠實現實時監控,故障可追溯,與列車控制和管理系統列車數據共享,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號線列車進行獨立第三方安全評估認證,列車全自動駕駛的可靠性、安全性符合EN 50126、EN 50128、EN 62267等標準要求,獨立第三方安全評估涵蓋列車設計、生產、試驗、調試和質保期運營全過程。

根據列車全自動駕駛的安全性等級要求,對主要系統進行了安全完整性等級定義,要求各系統嚴格執行,并進行獨立第三方安全完整性等級認證。

弓網檢測系統、脫軌檢測系統、煙火報警系統、軸溫檢測系統、障礙物檢測系統等多維度安全檢測體系保證全自動駕駛列車的安全、可靠運行。

根據列車全自動駕駛場景,對主要系統進行危害性分析,增加列車控制電路可靠性冗余,保障列車在電路單節點故障情況下不受影響。

列車還進行了獨立第三方防火評估認證,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準》中結構耐火30 min的要求,并確保底架地板結構滿足ASTM E119《建筑物和建筑材料防火檢測》中結構耐火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感的金色貼膜,亮麗動人。采用三角形司機室側窗設計,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

列車內裝造型力求簡潔大方,如圖3～圖9所示。列車內裝顏色以經典的白色為主,搭配雅致的金色。一體式側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,創造性地使用銀灰色金屬漆,既穩重美觀,又耐磨經用。客室氛圍燈時尚美觀,打破常規,充滿個性化。獨特的擋風板造型亮眼奪目,帶有米色斑點的橡膠地板布十分考究,金色玻璃鋼座椅貴氣十足。點綴的米黃色吊環與座椅、地板布相得益彰,既呼應線路色,又為整個內裝增添一抹光彩,使人眼前一亮。開放式司機室與客室完美融合,使車內空間、視野更加開闊。列車內部整體感覺簡約大氣,寬敞明亮,經典雅致。

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、側頂復合出風方式,減少吹風感,提高整車送風和溫度均勻性,進一步提升乘客感受;

圖3 上海軌道交通15號線列車內裝整體

圖4 司機室內裝

圖5 環形氛圍燈

圖6 帶顯示屏氛圍燈

(2) 采用自動調光變溫發光二極管客室照明,根據春夏秋冬季節變化自動調節光照色溫,根據客室環境自動調節光照亮度,充分彰顯人性化設計理念;

圖7 擋風板

圖8 充電臺、腰靠與輪椅固定器

圖9 扶手與吊環

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

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

(5) 開放式司機室通過司機臺、座椅、緊急隔離帶的合理設計,實現全自動駕駛與有人駕駛的自由切換,既保證運營安全,又使乘客盡情享受通透明亮的車內空間。

3.5 輕量化水平高

輕量化不但能減小列車的運行阻力,降低牽引能耗,而且能減小軌道壓力,減少輪軌磨損。輕量化設計可以實現節能減排,產生較大的經濟和社會效益。上海軌道交通15號線列車進行了輕量化工作,通過換材料、改結構、降厚度、優化設計、設備集成等多種手段,最終確定了合理的輕量化措施。在牽引輔助設備質量較大、參考項目質量較大的情況下,通過輕量化實現每節列車減輕質量近1 000 kg,最終滿足了輕量化要求。

4 結束語

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、上海軌道交通設備發展有限公司從用戶需求出發,融合最新行業技術,自主創新、正向設計的嶄新成果,是當今行業先進、前沿技術的代表。這款列車將進一步改善乘客的乘坐體驗,提高出行效率,為城市增添風采。