地鐵車輛新技術新方案技術經濟分析與應用研究

張海濤

（鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100000）

1 概述

當前，隨著技術的不斷進步、科技的不斷創新，地鐵車輛新技術、新方案不斷推陳出新。為了更好地推進這些新技術、新方案在地鐵車輛上的選配和應用，有必要系統性地對上述新技術、新方案進行歸納總結，通過技術經濟性分析，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踐經驗且有可能成為未來發展趨勢的地鐵車輛新技術、新方案，并對其進行技術創新性和經濟合理性分析，對比傳統技術方案，提出未來應用前景。

2 地鐵車輛新技術新方案的定義

考慮到新技術、新方案應用的時效性和創新性，本文對新技術、新方案的時間周期、技術特點進行約定。

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

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

3 地鐵車輛新技術新方案統計及說明

結合第2節內容的約定，本文匯總地鐵車輛新技術、新方案如下：

3.1 新技術

（1）無觸點邏輯控制技術（LCU）。地鐵列車通常采用繼電器進行控制，存在以下問題：a.繼電器本身卡滯、不吸合等故障；b.繼電器觸點老化、失效等現象嚴重；c.采用“與”“或”邏輯控制，冗余性較低，可靠性不高等。LCU采用數字化、無觸點邏輯控制技術，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。目前，地鐵列車CBTC系統大多采用WLAN進行車地通信。雖然該系統應用較為廣泛，技術相對成熟，但也存在與同頻段其他產品產生干擾問題、時延長、AP切換頻繁等問題。作為新一代無線通信技術TD-LTE在高速移動狀態下接入性較好、帶寬高，允許列車在80～200km/h的速度下實現信號切換。較之WLAN技術，具有抗干擾能力強、時延短、具有完善QoS保障機制、安全性高等優點，另外軌道沿線有源設備數量大幅減少，降低安裝和維護成本。

（3）車輛健康管理系統（PHM）。故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM） 是指利用傳感技術獲取被管理系統的運行狀態信息和故障信息，并借助神經網絡、模糊邏輯等推理算法，根據歷史數據和環境因素，對被管理系統進行狀態監測和故障預測。同時，對被管理系統的健康狀態進行評估，結合地面維修資源情況，給出維修決策，以實現關鍵部件的狀態修[1]。

（4）永磁電機牽引系統。隨著材料產業的發展，永磁體越來越多地應用于電機等設備。目前，地鐵列車牽引系統永磁直驅技術有兩種：一種是永磁電機+齒輪裝置牽引系統；第二種是抱軸永磁電機直驅牽引系統。第一種方式，從技術先進性和方案的可實現性都具有較大優勢。因此，本文重點介紹第一種牽引系統（即永磁電機+齒輪裝置牽引系統）。

（5）受電弓動態檢測技術。地鐵列車一旦受電弓出現問題，則會直接導致車輛無法運行，甚至會出現嚴重事故。如果能在運行過程中實時對受電弓進行檢測，不但可以及時發現故障并處理，還能通過算法優化檢修流程，盡量避免故障的產生。因此，受電弓動態檢測技術應運而生。可實時監測列車受電弓與接觸網的跟隨狀態、燃弧狀態、拉出值、接觸網參數、受電弓狀態、弓網接觸點溫度、接觸網關鍵懸掛狀態監測、接觸磨耗、硬點、刮弓、刮網等故障，以及這些故障的位置信息，通過對這些信息進行處理，可實時報送影響車輛安全運行的故障。

（6）變頻熱泵空調技術。定頻空調加室內加熱裝置的方案一直以來都是地鐵列車調節溫度的主流方式。隨著技術的進步，從節能減排的角度出發，逐漸地用變頻空調取代定頻空調；室內加熱裝置也逐漸被空調熱泵技術取代。變頻熱泵空調一體機的出現，大大降低了運行能耗，提高了能源的利用率，進一步提升了乘客的乘坐感受。

（7）主動障礙物探測系統。地鐵列車ATP系統故障或降級時，司機僅憑調度命令來手動駕駛。運行過程中如有障礙物，萬一司機未及時發現，存在較大安全隱患。另外，如遇彎道、上下坡等特殊路段，司機視線受限，存在列車追尾的隱患。主動障礙物探測系統采用視覺、二次雷達、激光等技術能較好地適應大霧、灰塵、雨霧等惡劣天氣，實時監控列車前進方向的障礙物情況，并能通過運算識別，控制列車是否采取制動行為。

（8）走行部在線檢測系統。可實時監測軸箱軸承、齒輪箱軸承、電機軸承、傳動齒輪、車輪踏面等部件的沖擊、振動、溫度等情況。系統應采用沖擊、振動、溫度三個變量對軸箱軸承、齒輪箱軸承、電機軸承、傳動齒輪、車輪踏面進行實時監測，實現被監測部件的自動實時故障診斷和分級報警，保障列車運營安全，指導狀態維修。系統應具備報警信息通過網絡（MVB或以太網）傳輸至TCMS的功能，以便TCMS將報警信息傳輸至OCC用于對嚴重故障實施調度控制，保障列車運營安全。

（9）被動障礙物探測系統。被動障礙物檢測裝置負責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轉向架前端構架上，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。在全部FAO列車每根軸兩側都加裝脫軌檢測傳感器。實現方式：對同一條軸兩端傳感器信號同步連續采樣的流式數據，采用步進式（每增加固定的采樣點）進行一次脫軌診斷。系統應具備報警信息通過網絡（MVB或以太網）傳輸至TCMS的功能，以便TCMS將報警信息傳輸至OCC用于對嚴重故障實施調度控制，保障列車運營安全。

（11）蓄電池狀態在線監測系統。蓄電池作為輔助供電系統的一部分，是緊急情況下供電的唯一電源。如果其發生故障或電壓等級不能滿足工作要求，會直接導致車輛無法運營。蓄電池在線監測系統的出現剛好解決了這一問題。它能實時監視蓄電池組和單體的工作狀態，并實時將狀態信息反饋給有關方，既方便司機操作，也方便維保人員檢修。

表1 無觸點邏輯控制技術與繼電器控制技術對比分析表

表2 基于WLAN與基于TD-LTE的CBTC系統對比分析表

（12）車下設備箱感溫電纜技術。隨著制度的不斷完善，各行各業對防火要求越來越高。地鐵車輛已經從單一加裝煙感報警裝置，逐漸演變成煙感報警+感溫電纜等形式。車上電氣柜裝煙感探頭、車下設備箱裝感溫電纜。加裝車下設備箱感溫電纜，能極大地提高設備箱防火災風險的能力，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。根據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。但是在實際執行過程中，采取通用防曬措施（即金屬鍍膜）后，根據GJB6190、GB/T12190標準對玻璃信號衰減進行電磁屏蔽檢測，全部測點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是通過特殊的機床將金屬膜除掉，不僅能實現電磁干擾要求，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。GOA4等級全自動無人駕駛系統的出現，不僅使列車實現了全自動化，減少了列車對人員的依賴，增強了列車調用靈活性，提高了整車自動化水平，也為智能化運維提供了平臺，提高了運行可靠性。系統的多重冗余功能，全面確保全自動運行的安全性和可靠性，提升了列車運行品質。

（2）120km/h及以上速度等級轉向架抗蛇形運動解決方案。近些年，隨著高速地鐵列車的不斷出現，也遇到了部分線路高速行駛時出現晃車現象。通過分析研究，科研人員提出120km/h及以上速度等級轉向架抗蛇形解決方案（車體與轉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 車輛健康管理系統應用分析

表6 變頻熱泵空調與傳統定頻空調對比分析表

表7 主動障礙物探測系統應用分析表

表8 走行部在線檢測系統應用分析表

表9 被動障礙物探測系統應用分析表

（3）客室動態地圖用LCD大屏。客室動態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。雖然中間也出現過馬賽克等創意方案，最終還是走到了現在的大屏幕、多信息顯示、方便查看、外形美觀的42.7吋大屏方案。因為42.7吋LCD屏具有顯示信息量大、方案隨時可調、多媒體、界面豐富、站點數量不受限制等優點，因此在地鐵車輛上正逐漸被采用。

（4）緊急呼叫裝置CCTV屏的優先權選擇。一般來講，傳統意義上的緊急呼叫裝置，只能按順序排隊等待的方式呼叫。為更好地適應突發情況，從事件發生的緊急程度，通過軟件編輯來實現多呼叫界面地實時顯示，以方便司機和相關人員查看并判斷幾個報警事件優先級問題。這樣做不僅體現了運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，降低了被投訴的風險。這也是一種人文關懷的體現。

表10 脫軌檢測系統應用分析表

表11 蓄電池狀態在線監測系統應用分析表

表12 車下設備箱感溫電纜技術應用分析表

表13 客室玻璃除抗紫外金屬膜技術與傳統玻璃對比分析表

4 地鐵車輛新技術新方案經濟技術性分析

4.1 新技術

（1）無觸點邏輯控制技術（LCU）（表1）。

（2）基于TD-LTE通信的CBTC系統（表2）。

（3）車輛健康管理系統（PHM）（表3）。

（4）永磁直驅電機牽引系統（表4）。

（5）受電弓動態檢測技術（表5）。

（6）變頻熱泵空調技術（表6）。

表15 120km/h及以上速度等級轉向架抗蛇形運動解決方案應用分析表

表16 客室動態地圖用LCD大屏應用分析表

表17 緊急呼叫裝置CCTV屏的優先權選擇應用分析表

（7）主動障礙物探測系統（表7）。

（8）走行部在線檢測系統（表8）。

（9）被動障礙物探測系統（表9）。

（10）脫軌檢測系統（表10）。

（11）蓄電池狀態在線監測系統（表11）。

（12）車下設備箱感溫電纜技術（表12）。

（13）客室玻璃除抗紫外金屬膜技術（表13）。

4.2 新方案

（1）GOA4等級的全自動無人駕駛系統（表14）。

（2）120km/h及以上速度等級轉向架抗蛇形運動解決方案（表15）。

（3）客室動態地圖用LCD大屏（表16）。

（4）緊急呼叫裝置CCTV屏的優先權選擇（表17）。

5 結束語

通過上述分析，我們不難發現新技術、新方案較之傳統技術和方案，都有其技術優勢和經濟合理性，這也是新老交替，新技術、新方案替代老技術、老方案的結果。只是新技術、新方案在資金成本和技術復雜程度上還需要我們在選型時多加考慮，結合項目特點和資金情況，合理選型。另外，有些新技術、新方案不是替代，更是一種創新。這是順應技術發展需求的結果。

本文通過對近幾年應用于地鐵列車的新技術、新方案進行全面梳理，并對其技術經濟性進行分析，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。