城市軌道交通車輛預(yù)留擴(kuò)編條件的技術(shù)分析

肖 晨

（天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司，300222，天津∥工程師）

城市軌道交通車輛預(yù)留擴(kuò)編條件的技術(shù)分析

肖 晨

（天津市地下鐵道運(yùn)營(yíng)有限公司，300222，天津∥工程師）

不同編組的列車混合運(yùn)營(yíng)是可行的，在國(guó)內(nèi)外都有成熟的經(jīng)驗(yàn)。目前，部分城市也采用初近期小編組，遠(yuǎn)期再擴(kuò)編的車輛配置方式來滿足逐步增長(zhǎng)的客運(yùn)量，提升運(yùn)營(yíng)的服務(wù)質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。通過車輛相關(guān)設(shè)備系統(tǒng)在列車擴(kuò)編前后的技術(shù)對(duì)比分析，給出了擴(kuò)編需求車輛的技術(shù)規(guī)格建議。

城市軌道交通；車輛配置；技術(shù)規(guī)格；擴(kuò)編預(yù)留

Author'saddressTianjin Metro Co.，Ltd.，300222，Tianjin，China

鑒于部分城市的軌道交通系統(tǒng)建成初期的客運(yùn)量不大，不同編組的城市軌道交通（以下簡(jiǎn)稱“城軌”）列車混合運(yùn)營(yíng)在國(guó)內(nèi)外有先例和成熟的經(jīng)驗(yàn)，因此為了提高服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)效益，采取列車編組隨著客運(yùn)量的增長(zhǎng)逐漸擴(kuò)編的方式是可行的。北京地鐵1號(hào)線、2號(hào)線、13號(hào)線和八通線，以及天津?yàn)I海線等均采用初、近期列車4輛編組，遠(yuǎn)期為6輛編組。

為了保證初期小編組列車能安全、高效、經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)編成大編組列車，需要按照“總體把控，接口兼顧”的原則，制定明確的擴(kuò)編技術(shù)方案，做好提前籌劃與條件預(yù)留。

1 城軌車輛擴(kuò)編的主要技術(shù)分析對(duì)象

車輛遠(yuǎn)期的擴(kuò)編實(shí)現(xiàn)方式，目前主流有“4改6”和“6改8”兩種形式，從前期土建、設(shè)備投資和客流量預(yù)測(cè)值等綜合考慮，也有個(gè)別城市擬采用“6改7”的形式。無論是何種擴(kuò)編形式，從車輛自身系統(tǒng)來說，在車輛初期設(shè)計(jì)時(shí)必須明確預(yù)留相關(guān)接口條件。本文重點(diǎn)關(guān)注對(duì)車輛運(yùn)行性能產(chǎn)生直接影響的電氣牽引系統(tǒng)、輔助電源系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和車鉤緩沖裝置，并將其作為技術(shù)分析對(duì)象。針對(duì)車輛外部接口，本文重點(diǎn)關(guān)注屏蔽門系統(tǒng)與車輛客室門系統(tǒng)的位置關(guān)系。

2 車輛擴(kuò)編技術(shù)分析

2.1 電氣牽引系統(tǒng)

2.1.1 列車動(dòng)拖比的變化對(duì)運(yùn)行性能的影響

列車的動(dòng)拖比直接關(guān)系到其運(yùn)行性能，包括列車牽引/電制動(dòng)性能，以及列車故障運(yùn)行能力和故障救援能力的表現(xiàn)，因此車輛擴(kuò)編前后動(dòng)拖比的選擇十分關(guān)鍵。

根據(jù)表1所示，擴(kuò)編后列車的動(dòng)拖比如果不變，則保證列車的運(yùn)行性能基本不變。擴(kuò)編后列車的動(dòng)拖比如果下降，牽引性能會(huì)隨之降低，反之亦然。

2.1.2 牽引/電制動(dòng)性能變化對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的影響

一般情況下，信號(hào)系統(tǒng)對(duì)車輛的牽引/電制動(dòng)加減速度性能的要求基本滿足于對(duì)動(dòng)拖比1∶1的列車要求，且進(jìn)行包容性設(shè)計(jì)，以滿足擴(kuò)編后列車的運(yùn)行控制需要。結(jié)合《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，車輛方的牽引能力關(guān)鍵要滿足信號(hào)方在ATO（列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)）運(yùn)行模式時(shí)，列車最小行車間隔2 min的設(shè)計(jì)要求，在此原則下，結(jié)合理論計(jì)算，一般列車滿足速度0-40 km/h加速度≥0.8 m/s2即可。對(duì)于動(dòng)拖比提高的擴(kuò)編列車，完全滿足其ATO運(yùn)行模式，而如果擴(kuò)編一節(jié)拖車或者擴(kuò)編一動(dòng)一拖，結(jié)合表1計(jì)算，依然滿足信號(hào)方對(duì)牽引能力的要求。

表1 不同動(dòng)拖比列車加/減速度對(duì)比表

2.2 輔助電源系統(tǒng)

輔助電源系統(tǒng)為車輛交直流負(fù)載供電，并為蓄電池組進(jìn)行充電。根據(jù)現(xiàn)有主流牽引供貨商技術(shù)特點(diǎn)，6輛編組B型列車，一般設(shè)置2臺(tái)輔助電源（也有設(shè)置3臺(tái)和4臺(tái)）。以天津地鐵2、3號(hào)線為例，一列車設(shè)置2臺(tái)輔助電源，每臺(tái)容量為185 k W，擴(kuò)展供電模式，實(shí)際交流功率約為330 k W（夏季），DC 110 V功率約為20 k W，DC 24 V功率約為0.5 k W，完全滿足列車實(shí)際負(fù)載用電需要。

如果4（6）輛編組列車遠(yuǎn)期擴(kuò)編為6（8）輛編組，可采取初近期輔助電源容量按6（8）輛編組設(shè)計(jì)，采購(gòu)時(shí)每輛車的平均價(jià)格會(huì)增加，但大大減少擴(kuò)編時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)工作量，便于快速上線運(yùn)營(yíng)。目前北京地鐵13號(hào)線、八通線4輛編組的列車，按照上述方法設(shè)計(jì)預(yù)留；當(dāng)然也可考慮設(shè)置遠(yuǎn)期6（8）輛編組列車設(shè)置3（4）臺(tái)輔助電源，初近期安裝2（3）臺(tái)即可，天津地鐵1號(hào)線4改6擴(kuò)編即采用此種方式。

如果6（5）輛編組列車遠(yuǎn)期擴(kuò)編為7（6）輛編組，即增加車數(shù)不多于1輛，推薦初近期輔助電源容量按照遠(yuǎn)期配置，采購(gòu)費(fèi)用基本不增加，同時(shí)減少擴(kuò)編工作量以及運(yùn)營(yíng)維修的便利性。另外針對(duì)蓄電池的容量選擇，建議按照以上原則執(zhí)行，關(guān)鍵是校核應(yīng)急情況下的供電能力。以6輛編組擴(kuò)編7輛編組列車為例，車輛負(fù)載功率估算對(duì)比表詳見表2。

2.3 空氣制動(dòng)系統(tǒng)

2.3.1 空氣制動(dòng)系統(tǒng)控制方案

對(duì)于擴(kuò)編后增加車輛的制動(dòng)系統(tǒng)硬件配置，基本與既有車輛一致；重點(diǎn)關(guān)注控制單元的網(wǎng)絡(luò)接入接口、牽引控制接口等工作，保證擴(kuò)編后列車的軟件更新和制動(dòng)力分配等相關(guān)技術(shù)和性能的落實(shí)。

目前國(guó)內(nèi)部分城軌車輛采用架控的網(wǎng)關(guān)閥、智能閥空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)，則需要充分考慮擴(kuò)編前后列車編組的結(jié)構(gòu)形式以及擴(kuò)編前列車的CAN（控制器局域網(wǎng)）單元數(shù)量。如果按照一次性滿足擴(kuò)編后列車的需要進(jìn)行配置，則會(huì)增強(qiáng)實(shí)施擴(kuò)編工作的便捷性，但會(huì)相應(yīng)增加部分部件（例如網(wǎng)關(guān)閥）在既有車輛上的數(shù)量，增加一定成本。而對(duì)于采用車控形式的制動(dòng)系統(tǒng)，由于以單節(jié)車為一個(gè)獨(dú)立制動(dòng)單元，擴(kuò)編實(shí)施更加靈活、簡(jiǎn)易。

2.3.2 風(fēng)源系統(tǒng)配置方案

風(fēng)源系統(tǒng)直接為列車提供制動(dòng)和相關(guān)輔助系統(tǒng)的用風(fēng)，其容量必須滿足用風(fēng)要求。由于風(fēng)源系統(tǒng)一般均設(shè)置在Tc車，故風(fēng)源容量需提前考慮擴(kuò)編的需要，并留有一定余量。其在擴(kuò)編前后列車上的配置原則，類似輔助電源系統(tǒng)的用電配置方式。6輛編組與7輛編組列車的用風(fēng)情況對(duì)比見表3。

2.4 列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過信號(hào)采集模塊，采集司機(jī)的操作指令、列車各個(gè)工況下的狀態(tài)等信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算及邏輯處理，給出操作列車各部件的控制指令，通過列車總線、車輛總線實(shí)現(xiàn)與牽引控制系統(tǒng)、空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)、輔助供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、廣播和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等部件的數(shù)據(jù)交換。實(shí)現(xiàn)列車控制、監(jiān)視、診斷和檢測(cè)功能，以及車載信息共享功能，提高列車可靠性、可用性和可維護(hù)性。

表2 6、7輛編組列車負(fù)載功率對(duì)比表

表3 不同編組列車用風(fēng)情況對(duì)比表（2臺(tái)920L/min的空壓機(jī)）

為保證列車擴(kuò)編的可實(shí)施性，系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的容量和預(yù)留接口，整車的系統(tǒng)功能完整地實(shí)現(xiàn)，其中包括冗余的列車總線網(wǎng)絡(luò)、車輛總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。例如新增一節(jié)車輛，對(duì)于整車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)CCU（中央控制單元），無疑增加了15%左右的信息量，與之對(duì)應(yīng)，列車運(yùn)行跟蹤數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、司機(jī)界面都將有較大的變更，所以從硬件接口、軟件運(yùn)算能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量都必須做好充足的預(yù)留。此外，在通信網(wǎng)絡(luò)不能運(yùn)作時(shí)，具備硬線控制電路，以保證基本的牽引及制動(dòng)控制功能。6輛編組擴(kuò)編為7輛編組的列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的擴(kuò)編情況見圖1。

圖1 4M3T（7輛編組）列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)拓?fù)浜?jiǎn)圖

2.5 車鉤緩沖裝置

車鉤緩沖器是車鉤系統(tǒng)重要部件之一，其主要作用是緩和和吸收列車在正常運(yùn)行、正常聯(lián)掛時(shí)出現(xiàn)的縱向沖擊，提高列車運(yùn)行平穩(wěn)性和舒適性；吸收列車在非正常狀態(tài)下以較高速度撞擊時(shí)的沖擊能量，保護(hù)車底架不受損壞、乘客不受傷?！兜罔F車輛通用技術(shù)條件》明確要求：聯(lián)結(jié)裝置中應(yīng)有緩沖裝置，其特性應(yīng)能有效地吸收撞擊能量、緩和沖擊。該裝置能承受的完全復(fù)原的最大沖擊速度為5 km/h。與擴(kuò)編前列車相比，兩列擴(kuò)編后列車相撞，其車鉤相應(yīng)斷面最大車鉤力勢(shì)必增大，例如，某兩列以5 km/h速度連掛的列車，6輛編組的斷面最大車鉤力為420 kN，擴(kuò)編后7輛編組的斷面最大車鉤力為440 kN，所以應(yīng)充分考慮擴(kuò)編后列車車鉤緩沖裝置的性能要求和緩沖器的選型配置，滿足規(guī)范要求。

另外，針對(duì)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般考慮撞擊能量吸收區(qū)。以滿足列車以較高的速度撞擊后，在車鉤緩沖裝置、車鉤與車體連接部的過載保護(hù)裝置、車體防爬器和前端吸能區(qū)作用后，客室無損壞，因此車體吸能區(qū)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮擴(kuò)編后列車的性能需要。

2.6 屏蔽門系統(tǒng)對(duì)車輛擴(kuò)編的影響分析

由于遠(yuǎn)期列車的擴(kuò)編，必然造成運(yùn)營(yíng)期內(nèi)長(zhǎng)期采用小編組和大編組列車混跑方式運(yùn)行，如果使用站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)，屏蔽門門體應(yīng)與車輛客室門相互對(duì)應(yīng)。但一般情況下，車輛設(shè)計(jì)時(shí)，由于帶司機(jī)室車與中間車的客室門整體布置不一致，造成如圖2所示的C≠D（通常車輛設(shè)計(jì)中A=B）。例如天津地鐵1、2、3號(hào)線，C和D的尺寸差達(dá)到560 mm、1 100 mm、1 020 mm，必然造成大小編組列車客室門不能同時(shí)滿足與屏蔽門門體一一對(duì)應(yīng)的問題。但至少應(yīng)保證ATO模式下，混跑列車均能在站臺(tái)對(duì)門，并正常打開。所以車輛在初期采購(gòu)中在確保Tc

車的整體長(zhǎng)度不變情況下，考慮車站施工進(jìn)度原因，應(yīng)提前做好和屏蔽門專業(yè)的接口，并明確列車的車門布置，保證C=D，同時(shí)司機(jī)室門與客室門的間距E將減小，以滿足站臺(tái)聯(lián)動(dòng)開關(guān)門需要。

圖2 列車車門間距示意圖

目前，對(duì)于實(shí)現(xiàn)A=B=C=D的全列車客室門等間距布置，存在不同的專家意見，認(rèn)為實(shí)現(xiàn)此車門布置形式，必然造成帶司機(jī)室車輛的長(zhǎng)度增加（比較一般標(biāo)準(zhǔn)車型），縱向重心不均衡等問題。筆者認(rèn)為，是否可行需要慎重考慮；對(duì)于（A=B）≠（C=D）的布置方式，也會(huì)在一定程度上影響列車的整體美觀效果和客室布局。

3 有擴(kuò)編需求車輛的技術(shù)規(guī)格建議

為滿足遠(yuǎn)期列車擴(kuò)編工作的可實(shí)施性、安全性、可靠性以及便捷性要求，需要在車輛初期采購(gòu)過程中，技術(shù)規(guī)格書的編制應(yīng)該涵蓋由于擴(kuò)編帶來的相關(guān)技術(shù)要求。根據(jù)以上擴(kuò)編車輛的技術(shù)分析，總結(jié)概括如下技術(shù)規(guī)格建議內(nèi)容。

（1）牽引性能要求（見表4）。

（2）輔助電源系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)按照擴(kuò)編后列車容量需求進(jìn)行硬件配置。

表4 牽引性能要求表

（3）車鉤緩沖裝置的選型配置和車體吸能區(qū)的設(shè)計(jì)要以擴(kuò)編后列車的性能需求為準(zhǔn)。

（4）列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、列車廣播系統(tǒng)、乘客信息顯示系統(tǒng)，以及其他車輛子系統(tǒng)硬件配置、接口預(yù)留及技術(shù)性能充分考慮擴(kuò)編后列車的需要。

（5）車輛與其他外部系統(tǒng)（包括信號(hào)系統(tǒng)、通信、屏蔽門等）接口條件做好包容性設(shè)計(jì)，并在各自系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格書中明確擴(kuò)編需求。

（6）對(duì)于整車相關(guān)理論及仿真計(jì)算，應(yīng)對(duì)初期編組及擴(kuò)編后編組兩種形式均進(jìn)行核算，從理論上先予以驗(yàn)證，證明擴(kuò)編技術(shù)上可行。

（7）必要情況下，在初期采購(gòu)車輛項(xiàng)目中，車輛供貨商額外進(jìn)行一列擴(kuò)編后列車的型式試驗(yàn)，以在初期即可驗(yàn)證遠(yuǎn)期列車的性能，特別是動(dòng)拖比降低的牽引性能驗(yàn)證。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，圍繞著社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的兼顧并重，創(chuàng)新性地提出了一些有效的解決方案。車輛作為軌道交通重要的組成設(shè)備，其小編組高密度運(yùn)行、大小編組客流高低峰混合運(yùn)行和遠(yuǎn)期編組擴(kuò)容等建設(shè)和管理模式，均在研究探討或已實(shí)踐。本文針對(duì)有擴(kuò)編需求列車的前期預(yù)留技術(shù)條件進(jìn)行分析，力求有效地對(duì)技術(shù)重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行管理把控，以保證項(xiàng)目的順利實(shí)施。

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Technical Analysis of Expansion and Reservation Conditions for Urban Rail Transit

Xiao Chen

Mixed operation of different train marshallings is feasible，many experiences have been gained both at home and abroad.Currently，some cities have adopted the small marshalling at first，then gradually increase the vehicle configuration mode to meet the growing passenger volume needs，improve the service quality and economic benefits.In this paper，through a technical comparison and analysis of the train equipment systems before and after the expansion of train，the technical specifications to meet the requirements of expasion are suggested.

urban rail transit；vehicle configuration；technical specifications；expansion and reservation

U 292.3+8

2013-11-30）