土耳其伊斯坦布爾新機場線地鐵列車總體設計

尚江傲，趙小軍，蔣百威

（1. 中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412001；2. 大功率交流傳動電力機車系統集成

國家重點實驗室，湖南株洲 412001）

1 概述

土耳其伊斯坦布爾新機場線地鐵列車由中車株洲電力機車有限公司自主研發，屬于中國首個交付伊斯坦布爾的地鐵列車項目。該車為重載高強度的全自動駕駛地鐵列車，能夠適應各種無人駕駛運行場景和機場線路不同時段高峰客流量的需求。其總體性能特點如下。

（1）是首個出口海外的120 km/h速度等級4節編組地鐵列車，頭車采用半動半拖（即一個轉向架為帶動力的動車轉向架，另一個轉向架為不帶動力的拖車轉向架）B型車輛，中間車采用全動力B型車輛，滿足15 t大軸重要求。

（2）列車采用全自動駕駛設計和全自動車輛重聯技術，可適應各種無人駕駛運營場景的需求和機場線路不同時段高峰客流量的需求。

（3）首次采用滿足安全完整性等級2級（SIL2）的全新地鐵列車控制系統，可使列車運行更加安全。

（4）裝配適應大坡道、高牽引特性的列車牽引系統，滿足長距離、大坡道、高加速度條件下的性能要求。

（5）采用高速條件下的低噪聲技術，可滿足隧道內客室最大噪聲不超過78 dB（A）的要求。

（6）采用可滿足歐洲最新EN 45545《鐵路應用 鐵路車輛防火》系列標準要求的長站間距（平均4 km，最長10 km）防火技術。

2 車輛總體技術性能

2.1 列車編組及受流方式

列車采用4節編組，編組形式為= A - B - B - A =，其中A車為帶司機室的半動半拖車輛，B車為無司機室帶受電弓的動車，=為全自動車鉤，-為半永久式牽引桿，如圖1所示。

圖1 列車編組示意圖（半列車）

車體采用鋁合金V型斷面，受流方式為DC1500V受電弓受流。

2.2 車輛主要尺寸及參數

本車的主要尺寸及參數如表1所示。

表1 車輛主要尺寸及參數

2.3 列車載客能力

列車載客數量為有座乘客與站立乘客數量的總和。每節A車與B車的額定座位均為30個，因此4輛編組列車的總座位數為120個。對于站立乘客數量的計算，應首先推算出站立區面積，再由此得出不同工況下的站立乘客數量。歐洲標準EN 15663-2017《鐵路應用 車輛參考質量的定義》中規定，在計算列車載客量時，乘客在車內停留的區域中地板與天花板之間的高度不應小于1 850 mm，站立區面積為車廂面積減去座位面積及座位前方為乘客腳部預留的300 mm寬空間面積。根據EN 15663-2017規定進行計算可得，本車A車的站立區面積為28.5 m2，B車為32.4 m2，整列車為121.8 m2。由此可知，整列車在各工況下的載客能力如表2所示。

表2 列車在各工況下的載客能力 人

2.4 列車動力性能參數

（1）列車運行速度。列車最高運行速度為120 km/h，車輛構造速度為132 km/h。

（2）特殊場景下的車輛限制速度。當車輛反向行駛時，車輛速度自動限制為不高于5 km/h；在洗車模式下，車輛速度限制為不高于3 km/h。

（3）車輛加速度。在平直干燥軌道上，車輛在AW3載荷下從靜止加速到40 km/h的加速度為1.1 m/s2，從靜止加速到100 km/h的加速度為0.5 m/s2。

（4）制動減速度。車輛最大常用等效制動減速度為1.1 m/s2，緊急制動等效減速度為1.3 m/s2。

2.5 全自動無人駕駛

列車各系統及控制功能滿足自動化等級4級（GoA4）的全自動無人駕駛要求，而且列車兼容開通初期進行有人駕駛操作、后期開展全自動駕駛所需的技術，可以實現在既有線路和新線全自動無人駕駛、互聯互通運營的要求。

在全自動無人駕駛模式下，列車可在運營控制中心（OCC）的統一監控下，實現自動喚醒、自動整備、自動自檢、自動運行、自動故障診斷、遠程控制及隔離、自動對位停車、自動休眠待機等功能。

2.6 全自動車輛重聯運營

本車車頭最前方的車鉤采用全自動車鉤，并配置重聯模塊，可實現2列4輛編組列車重聯運營。配置列車級網關的車輛支持動態重聯（無需斷電）。車輛內部所有數據通過車輛總線傳輸，車輛與車輛之間利用絞線式列車總線（WTB）交互數據，連接采用標準D-sub連接器。WTB具備如下特點：

（1）介質為屏蔽雙絞線；

（2）波特率為1 Mbps；

（3）跨距860 m；

（4）最多掛接22輛車或32個節點；

（5）過程數據基本周期為25 ms；

（6）為雙通道冗余。

3 關鍵系統和部件設計

3.1 主電路及牽引系統

4節編組列車設置有2臺受電弓。正常運行時，2臺受電弓升起，受電弓母線隔離裝置斷開，接觸網中的DC1500V電壓經過受電弓接入車輛，并各自通過相應高壓設備箱中的三位置選擇開關接入高速斷路器與輔助逆變器熔斷器，再經過高速斷路器接入牽引逆變器。受電弓可在列車電壓過低時自動升弓，為列車取電。在GoA4全自動無人駕駛模式中，當單個受電弓故障時，列車向OCC發送報警，此時列車可以利用1/2牽引動力繼續運行；若需要維持全部牽引動力，則由OCC控制列車停車，此時列車將自動隔離故障受電弓，并自動閉合母線隔離裝置，使母線貫通，從而實現全動力運行。

列車牽引系統包括高壓電器設備、高速斷路器、牽引電機、牽引逆變器、避雷器、制動電阻等部件。列車的每個動力轉向架均配備牽引逆變器和單獨的控制系統。牽引系統主電路如圖2所示。

圖2 牽引系統主電路圖

為適應本線路坡道大、所需牽引力強的特性，列車牽引動力配置為頭車采用半動半拖車輛、中間車采用全動力車輛，可滿足長距離、大坡道、高加速度條件下的性能要求。

此外，牽引系統還負責實施列車的電制動并對電制動過程中產生的再生能量進行回收。回收的能量通過高速斷路器、三位置選擇開關及受電弓優先反饋給電網，剩余的輸入制動電阻。

列車牽引/電制動特性曲線如圖3所示。

圖3 列車牽引/電制動特性曲線圖

3.2 輔助變流系統

輔助變流系統的功能是為列車各電氣設備提供AC380V、DC110V電源。其中，輔助逆變器將接觸網DC1500V電壓通過DC/AC隔離轉換為AC380V電壓，為列車的空氣壓縮機、風機等負載供電；充電機將輔助逆變器轉換的部分AC380V電壓轉換成DC110V電壓，為列車照明、控制等系統供電。

輔助變流系統設備配置如表3所示。

表3 輔助變流系統設備配置表 套

3.3 列車控制與管理系統（TCMS）

TCMS分為列車控制級系統和車輛控制級系統2部分。

列車控制級系統采用WTB控制，具備動態重聯功能，可實現編組與編組之間的數據交換。車輛控制級系統采用多功能車輛總線（MVB），4節車輛為1個編組（= A - B - B - A=），每個編組內的各車載系統，如中央控制單元（CCU）、事件記錄儀（ER）、中繼器（REPs）、輸入輸出單元（IOM）、人機接口（HMI）、能耗記錄儀等，均通過MVB進行數據交互。

單編組列車（= A - B - B - A=）的TCMS網絡拓撲結構如圖4所示。其TCMS采用雙通道冗余設計。

3.4 制動系統

本車的制動系統采用在世界范圍內有良好運行業績及成熟運營經驗的EP2002架控制動系統，該系統可滿足120 km/h速度等級下的制動性能要求。該系統由VV120型活塞壓縮機、EP2002制動控制閥及輪式盤形制動器、輔助控制模塊、空簧控制裝置、升弓控制裝置等組成。其電空制動系統為模擬式制動系統。

此外，牽引系統還可實施電制動（包括再生制動與電阻制動），并將再生制動產生的能量優先反饋給電網。

3.5 轉向架

列車的每節車配有2個新開發的、適用于B 型車、最大軸重為15 t的轉向架，動車轉向架和拖車轉向架結構基本相同，轉向架的主要技術參數如表4所示。

表4 轉向架的主要技術參數

列車端部第1個轉向架前端安裝障礙物檢測裝置。該裝置由車下障礙物檢測裝置和車上障礙物檢測主機2 部分組成，負責檢測和清除軌面上的障礙物。在檢測到障礙物碰撞后，該裝置會將檢測數據發送給TCMS，并由TCMS將數據上傳至OCC，然后OCC將結合其他系統獲得的信息確定列車是否繼續運營或者是否派人到現場進行處理。若碰撞的障礙物尺寸小于設定閾值，由檢測裝置的檢測橫梁將障礙物清掃出軌道路面；若大于設定閾值，則斷開列車制動安全回路，觸發列車緊急制動。

每個轉向架上設置1套非接觸式脫軌檢測系統（包含2個傳感器），用于檢測列車車輪是否緊貼軌道運行。若同一轉向架上的2個傳感器同時被觸發，則可判斷該轉向架脫軌，然后該系統將通過聲光報警通知OCC。

3.6 車鉤及貫通道

列車車鉤采用全自動車鉤，由連掛系統、控制系統、壓潰管、過載保護裝置和緩沖系統等組成，如圖5所示。

圖5 全自動車鉤

貫通道由折棚、側護板、頂板、渡板、踏板及其支撐等組成，其主要技術參數如下：（1）通過寬度為1 300（0，+15） mm；

（2）通過高度（即頂板與內裝地板面距離）為

1 920 （ - 10，+10）mm；

（3）隔聲量為36 dB；

（4）可通過曲線為半徑不小于110 m的單曲線以及150 m - 10 m - 150 m的S形曲線。

3.7 司機室

司機室操縱臺安裝在列車兩端，為全封閉結構，設置可拆卸蓋板，下部做成柜式，左右安裝設備，中部留藏座椅及司機腿部活動空間。司機座椅為隱藏式座椅，無人駕駛時可收進操縱臺內。

司機室區域設置隔離帶，用于緊急情況下與乘客隔開，車輛正常運營狀態下隔離帶藏于邊柜中。

3.8 空調及通風系統

列車空調機組安裝在車廂頂部，風道布置于中頂板上方，空調控制單元安裝于低壓柜中。司機室采用風道送風，司機室足部取暖器安裝在司機室操縱臺下方，每種車型的空調及通風系統配置清單如表5所示。

表5 空調及通風系統配置清單 套

空調及通風系統的設計可保證客室內空氣的均勻分配、客室內氣流流動路線的合理性，以及送入客室的冷/暖風與客室內空氣的充分混合，以形成均勻的溫度場和速度場。

列車兩端司機室中各設1套壓力波控制裝置（含壓力波探測器和控制器），每個新風口設置1套新風壓力保護閥，每臺廢排裝置內設置1套廢排壓力保護閥。當車內外壓差變化超過200 Pa/s、1 000 Pa/10 s時，列車壓力保護系統啟動，安裝在司機室中的壓力波控制裝置驅動各車空調控制盤動作，關閉各車的新風/廢排壓力保護閥，阻止車外壓力波傳入車內。

3.9 車門系統

每節車每側設置4扇雙開電動塞拉門，同車車門間距為4 560 mm，相鄰車輛車門間距為6 300 mm。其功能是在各種駕駛模式下控制列車車門的打開和關閉：全自動駕駛模式下，由車載ATC系統發出開/關門的指令，車門系統執行自動開/關門操作；在列車自動駕駛（ATO）或自動防護（ATP）模式下，車門系統可實現ATC系統控制的自動開/關門、ATC系統控制的自動開門/手動關門、手動開/關門3種功能間的切換；在車載ATC系統被切除后，列車開/關門不受ATC系統控制，可進行手動開/關門。

為適應無人駕駛場景，每扇車門均設置了具有遠程解鎖請求功能的緊急解鎖裝置，以便在緊急情況下開啟車門。其操作受到OCC和司機的監控。具體操作步驟如下：先拆下緊急解鎖裝置罩板，拉下手柄，發出解鎖請求；在獲得OCC或司機許可（此時緊急解鎖裝置自帶的指示燈會點亮）且車速為0時，再次拉下手柄，解鎖車門，手動開門。

3.1 0 乘客信息系統

列車乘客信息系統（PIS）包含列車以太網總線、備用音頻總線。其廣播、顯示、視頻監控等功能由以太網總線實現，若以太網總線發生故障，則啟動備用音頻總線，用于實現OCC對列車的廣播。列車配置的車載廣播電視系統可用于播放廣告、新聞等視頻。此外，每節車配置6塊獨立于PIS組網的18.5寸高清顯示器；每列車配置1臺數字信息播放設備及天線，其可輸出M12接口形式的視頻流信息，以便顯示屏接入并流暢播放。PIS的網絡拓撲如圖6所示。

圖6 PIS網絡拓撲圖（半列車）

4 列車防火安全設計

火災是威脅地鐵列車運行安全的重要風險因素之一，包括意外疏忽引起的火災和技術缺陷引起的火災2類。地鐵列車防火是一項系統工程，貫穿于其全壽命周期內。防火安全設計的目的是降低列車起火的概率，并在火災發生后迅速控制住火勢蔓延，保護乘客及工作人員的人身安全。列車防火安全設計應從火災預防和火災控制2方面展開，如圖7所示。

圖7 列車防火安全設計

4.1 防火設計及其依據

土耳其伊斯坦布爾新機場線地鐵列車設計人員依據各種相關的國際標準和規范進行了如下防火安全設計。

（1）防火措施操作類別（OC）。根據EN 45545-1-2013《鐵路應用 鐵路車輛防火 第1部分：總則》將本車的OC定義為OC2。

（2）車輛材料火災危害等級。根據EN 45545-2-2020《鐵路應用 鐵路車輛防火 第2部分：材料和零件的防火性能要求》確定本車材料火災危害等級為HL2。

（3）非金屬材料防火等級。根據所應用材料的不同，分別對各個部件進行防火性能設定，各種材料均須滿足EN 45545-2-2020中 HL2等級的要求。

（4）耐火結構性能。本車車輛結構滿足EN 45545-3-2013《鐵路應用 鐵路車輛防火 第3部分：防火隔板的耐火要求》中表1防火隔板的要求，車內大功率電氣柜（功率大于20 k W）、地板結構等的耐火性能達到E15、I15等級要求。

（5）火災初期車輛防火安全性。本車符合EN 45545-4-2013《鐵路應用 鐵路車輛防火 第4部分：鐵路車輛設計防火安全性要求》中對于車輛防火安全性的要求。

（6）電氣設備防火安全性。本車符合EN 45545-5-2013+A1-2015《鐵路應用 鐵路車輛的防火保護 第5部分：無軌電車、有軌電車和磁懸浮列車電子電氣設備的防火安全要求》中對于車輛電氣設備防火安全性的要求。

（7）滅火措施。本車司機室、客室內均配置ABC干粉滅火器。

（8）火災控制和管理系統。本車符合EN 45545-6-2013《鐵路應用 鐵路車輛防火 第6部分：火焰控制和管理系統》中對于車輛火災控制和管理系統要求。

（9）應急設備及其功能維持性。根據EN 45545《鐵路應用 鐵路車輛防火》標準系列和EN 50553-2012+A1-2016《鐵路應用 鐵路車輛火災條件下的運行能力要求》，對本車與疏散安全和應急處置相關的系統和設備進行完整性設計，包括通信（含乘客緊急報警裝置、客室廣播系統，以及與ATC或OCC通信的設施等）、牽引、制動、車門、列車總線、緊急照明、火災探測、應急供電（蓄電池在壽命期限內應滿足45 min緊急負載供電要求）等系統，以保證其具有足夠的耐火完整性或冗余度。

4.2 火災報警系統

本車的火災報警系統可滿足無人駕駛要求：火災報警控制器支持控制器局域網（CAN）及MVB通信，客室安裝煙溫復合探測器，車下輔助逆變器箱、牽引逆變器箱等高壓箱內配置感溫電纜。當探測到火情或者溫度超過閾值時，各傳感器可通過通信網絡向火災報警控制器傳送信號，火災報警控制器在開啟本地信號燈進行提示的同時，通過MVB將信號傳送給TCMS。

在列車全自動無人駕駛模式下，火災報警系統運行過程包括系統自檢、設備故障檢測和火災報警3部分。

（1）系統自檢。系統上電后進行自檢操作，在LCD顯示屏上顯示“正在自檢”。系統可自動檢測火災報警控制器本身及各探測器的運行狀態，并顯示其詳細狀態信息。對于檢測到的故障信息進行本地報警，同時將故障信息傳送給列車網絡系統。火災報警控制器能夠手動檢查其面板指示燈等顯示功能。

（2）設備故障檢測。當系統檢測出探測器通信故障、感煙故障、感溫故障、感溫線纜故障、本底值故障、CAN通信故障、RS485總線故障時，則通過火災報警控制器MVB接口與TCMS進行通信，上報設備具體故障狀態及故障發生位置。

（3）火災報警。探測器在檢測到火災隱患后會通過CAN總線環路將火災報警信號傳送給火災報警控制器。若為第一次報警，火災報警控制器會先記錄該信號，然后繼續輪詢其他探測器的狀態；若該信號持續存在，則火災報警控制器會自動開啟其液晶顯示屏，并在顯示屏中顯示火災信息（包括火災位置、類型、發生時間），此時“火警”指示燈常亮，火警輸出觸點導通。

5 結語

土耳其伊斯坦布爾新機場線地鐵列車采用多種先進的關鍵技術，可滿足長距離、大坡道、高加速度條件下的性能要求。列車已于2021年11月投入使用，最高運行速度達到120.75 km/h，在運行過程中展現出安全、高速、舒適的優異性能，獲得土耳其交通部長及當地社會的高度贊譽。在未來30年內，這條地鐵線路將在道路維護、節能減排等方面為土耳其節省約301萬美元（2 920萬土耳其里拉）的費用支出。