城市軌道交通電客車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望

王 黎，趙 娜，王 強(qiáng)

（成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，四川成都 610058）

1 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及城鎮(zhèn)化率的逐步提高，人們更加注重追求生活品質(zhì)，特別是對(duì)出行便利性的要求不斷提高。城市軌道交通因其環(huán)保、快捷、便利等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐步成為城市居民出行的重要公共交通方式。目前，我國(guó)城市軌道交通已處于高速發(fā)展階段，全面帶動(dòng)了其電客車設(shè)計(jì)、制造的突飛猛進(jìn)[1]。國(guó)內(nèi)各整車及部件生產(chǎn)廠家為占領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新高點(diǎn)、引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展，陸續(xù)推出相關(guān)新產(chǎn)品、新技術(shù)；同時(shí)，各城市軌道交通運(yùn)營(yíng)企業(yè)出于持續(xù)提升客服水平、維保效率、運(yùn)營(yíng)安全性等的考慮，向生產(chǎn)廠家及時(shí)進(jìn)行產(chǎn)品及技術(shù)應(yīng)用的效果反饋，這也成為電客車技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大內(nèi)生動(dòng)力。

為推進(jìn)我國(guó)城市軌道交通電客車技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[2]的引領(lǐng)下，基于新材料、新工藝、新方法、新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用需求，對(duì)城市軌道交通電客車技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，尤為必要。

2 城市軌道交通電客車系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電客車是城市軌道交通行車系統(tǒng)的核心設(shè)備，是復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，由車體、轉(zhuǎn)向架、列車控制與診斷、牽引電傳動(dòng)、輔助供電、制動(dòng)、車門、車鉤與緩沖器、照明、貫通道、空調(diào)與采暖、乘客信息等系統(tǒng)構(gòu)成；此外，為滿足城市軌道交通安全運(yùn)行的功能需求，還需安裝信號(hào)、通信等車載設(shè)備以實(shí)現(xiàn)接口功能。其需在經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、部件生產(chǎn)、整車組裝、調(diào)試、空載、驗(yàn)收等一系列流程后方可投入載客運(yùn)營(yíng)。城市軌道交通電客車具有多種車型（A/B/C/市域等）及編組形式（4/6/8輛編組等），用戶可根據(jù)不同線路的運(yùn)輸需求進(jìn)行選擇。其車輛系統(tǒng)組成如圖1所示。

3 技術(shù)發(fā)展歷程

我國(guó)城市軌道交通電客車技術(shù)發(fā)展可分為以下3個(gè)階段。

（1）初探期（20世紀(jì)80年代）。當(dāng)時(shí)的電客車技術(shù)以碳鋼車體、直流供電、非網(wǎng)絡(luò)控制及完全人工駕駛為特征，受當(dāng)時(shí)工業(yè)水平限制，在安全、節(jié)能、環(huán)保、舒適性方面都較為落后。

（2）快速發(fā)展期（20世紀(jì)90年代—21世紀(jì)初）。在這個(gè)階段，通過(guò)引進(jìn)吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，我國(guó)逐步實(shí)現(xiàn)了車門、空調(diào)、牽引、制動(dòng)及網(wǎng)絡(luò)控制等核心系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化。

（3）高速發(fā)展期（21世紀(jì)初至今）。在這個(gè)時(shí)期，產(chǎn)品譜系日趨完善，隨著智能化、數(shù)字化、系統(tǒng)融合技術(shù)的全面發(fā)展及乘客出行需求的不斷增長(zhǎng)，“標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、智能化、自主化、輕量化”的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用理念不斷強(qiáng)化，整車及部件的設(shè)計(jì)、制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈已在國(guó)內(nèi)成熟建立，特別是自主化牽引、制動(dòng)等核心系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了大批量應(yīng)用。

4 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)展望

現(xiàn)階段，城市軌道交通電客車技術(shù)的發(fā)展更加注重高效、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、安全、智能化，展望其發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下方面。

4.1 提升客服品質(zhì)技術(shù)

乘客是城市軌道交通的服務(wù)對(duì)象，提升客服品質(zhì)對(duì)于增強(qiáng)城市軌道交通的競(jìng)爭(zhēng)力和吸引力至關(guān)重要，應(yīng)主要從舒適性、智慧導(dǎo)乘等方面著手，改善乘客的乘車體驗(yàn)。

（1）采取更有效的隔聲降噪措施，如采用型腔隔音棉（由納米/超細(xì)纖維材料制成）、復(fù)合/浮動(dòng)靜音地板及主動(dòng)降噪技術(shù)（ANC）等。通過(guò)現(xiàn)車試裝驗(yàn)證，這些措施可有效降低噪聲2～3 dB[3]。

（2）提高車輛氣密性。針對(duì)市域快線大規(guī)模建設(shè)的現(xiàn)狀，基于其對(duì)電客車壓力控制及氣密性的更高要求，建議通過(guò)壓力波控制技術(shù)，檢測(cè)車內(nèi)外壓力波動(dòng)變化，控制新風(fēng)和廢排壓力保護(hù)裝置動(dòng)作，以維持車內(nèi)壓力穩(wěn)定。同時(shí)，對(duì)車門采用輔助鎖閉+雙層密封結(jié)構(gòu) +內(nèi)部填充的措施，進(jìn)一步提升氣密性。

（3）充分利用客室空間，采用微孔送風(fēng)的方式進(jìn)行均衡送風(fēng)，以優(yōu)化客室內(nèi)氣流組織，提升乘坐舒適性。

（4）采用可阻擋99%紅外線和紫外線的隔熱遮光玻璃，以避免因強(qiáng)光直射眼睛給乘客造成的不適感，提高乘坐舒適性，并同時(shí)降低空調(diào)能耗。

（5）在空調(diào)控制方面，引入人工智能自動(dòng)學(xué)習(xí)和控制優(yōu)化功能，將車內(nèi)溫度、濕度及乘車率等車上數(shù)據(jù)發(fā)送到地面服務(wù)器，利用人工智能實(shí)現(xiàn)空調(diào)控制的優(yōu)化，從而達(dá)到精準(zhǔn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)客室溫濕度、使其始終保持在適宜范圍內(nèi)的目標(biāo)。

（6）利用智能照明系統(tǒng)，根據(jù)季節(jié)、時(shí)間等信息對(duì)車內(nèi)照度及色溫進(jìn)行全自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（7）利用智能導(dǎo)乘及多媒體顯示等技術(shù)，使信息呈現(xiàn)更加全面、多樣化。例如，安裝有機(jī)電激光顯示屏（OLED）、曲面屏、透明薄膜顯示屏等，將乘客計(jì)數(shù)、智能清客、冷暖車設(shè)置等車內(nèi)信息通過(guò)車地傳輸通道在相關(guān)地面系統(tǒng)中呈現(xiàn)，使導(dǎo)乘信息針對(duì)性更強(qiáng)[4-5]。

4.2 輕量化技術(shù)

隨著列車智能化要求的不斷提高，車載設(shè)備種類越來(lái)越豐富，在車輛既要容納不斷增加的車載設(shè)備、軸重又不允許超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的技術(shù)背景下，對(duì)于列車減重的需求日益強(qiáng)烈。輕量化技術(shù)可在此發(fā)揮巨大作用，同時(shí)也符合節(jié)能減排的大趨勢(shì)[6]。輕量化技術(shù)主要從設(shè)計(jì)、新材料應(yīng)用等方面著手，對(duì)車體、轉(zhuǎn)向架、內(nèi)裝等進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，對(duì)于電客車車體及內(nèi)裝系統(tǒng)，主要有車體設(shè)計(jì)優(yōu)化（骨架優(yōu)化）、超塑成型、整體成型等輕量化技術(shù)，以及碳纖維/復(fù)合材料鋁合金箱體、織物軟風(fēng)道、預(yù)浸料、超薄門板、酚醛地板等輕量化材料應(yīng)用[7-8]；對(duì)于轉(zhuǎn)向架，可采用鋁/陶制動(dòng)盤、空心車軸、永磁同步電機(jī)車軸驅(qū)動(dòng)（省去變速箱及聯(lián)軸節(jié)）等輕量化技術(shù)[9-10]。

4.3 智能監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著智能運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展，以實(shí)時(shí)健康狀態(tài)診斷為依托的“狀態(tài)修”代替“計(jì)劃修”已成為未來(lái)城市軌道交通裝備運(yùn)維的大趨勢(shì)?！盃顟B(tài)修”是指通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合故障機(jī)理建立退化模型、確定關(guān)鍵性能參數(shù)，以模型與數(shù)據(jù)組合驅(qū)動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康評(píng)估，指導(dǎo)維修決策優(yōu)化與方案制定[11-12]，其實(shí)現(xiàn)的基本原理如圖2所示。

目前，研究人員基于電客車列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）及走行部、弓網(wǎng)、蓄電池、牽引、車門等關(guān)鍵子系統(tǒng)的控制機(jī)理，利用數(shù)字化感知、智能傳感、智能診斷、多鏈路傳輸、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)研究開發(fā)了車輛故障預(yù)警與健康管理（PHM）系統(tǒng)。該系統(tǒng)集列車運(yùn)行狀態(tài)在途監(jiān)測(cè)、故障智能診斷、健康狀態(tài)評(píng)估、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維等功能于一體，主界面如圖3所示。專業(yè)維護(hù)人員可利用PHM系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握列車運(yùn)行狀態(tài)及故障預(yù)警、設(shè)備健康管理（評(píng)估、檔案、壽命預(yù)測(cè)）等相關(guān)信息，為電客車運(yùn)維提供輔助決策支持。該系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用可有效緩解城市軌道交通運(yùn)營(yíng)安全與運(yùn)維效率、運(yùn)維成本之間的矛盾，提高電客車的綜合運(yùn)維效率和水平[13]。

4.4 安全保障技術(shù)

城市軌道交通作為運(yùn)量較大的公共交通工具，安全性一直是其電客車及部件設(shè)計(jì)的根本出發(fā)點(diǎn)。隨著列車全自動(dòng)駕駛技術(shù)的發(fā)展，主動(dòng)安全技術(shù)在城市軌道交通電客車上逐步應(yīng)用和推廣，如基于雷達(dá)、激光雷達(dá)及圖像識(shí)別技術(shù)的主動(dòng)障礙物探測(cè)、脫軌檢測(cè)、火災(zāi)探測(cè)等安全檢測(cè)系統(tǒng)?？紤]到主動(dòng)安全技術(shù)的可靠性尚需進(jìn)一步驗(yàn)證，因此在車輛設(shè)計(jì)時(shí)可采用“主動(dòng)為主、被動(dòng)為輔”的過(guò)渡策略[14]。

4.5 節(jié)能環(huán)保技術(shù)

提高城市軌道交通電客車的節(jié)能環(huán)保性是城市軌道交通綠色發(fā)展和居民健康舒適出行的根本需求。在節(jié)能方面，隨著新材料應(yīng)用成本的逐步降低，搭載碳化硅變流器和永磁同步電機(jī)的新一代牽引系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域開始了小規(guī)模的試裝驗(yàn)證，為進(jìn)一步節(jié)能降耗提供了新方向。在環(huán)保方面，使用環(huán)保制冷劑的二氧化碳空調(diào)（含熱泵技術(shù)）是發(fā)展趨勢(shì)；可快速去除異味、臭味，殺滅各種細(xì)菌病毒，并有效去除總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）、甲醛、苯等有毒有害氣體的空氣凈化裝置（等離子、紫外線等）開始普及應(yīng)用；車體和客室內(nèi)涂裝已全面應(yīng)用水性涂料；新型車底防火涂料、電氣柜區(qū)塊式滅火材料開始小規(guī)?；蛟囇b應(yīng)用。

4.6 通信及控制技術(shù)

通信及控制技術(shù)的快速迭代發(fā)展為城市軌道交通電客車相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。第五代移動(dòng)通信（5G）、高速轉(zhuǎn)儲(chǔ)、以太網(wǎng)控車、三網(wǎng)（控制網(wǎng)、維護(hù)網(wǎng)、子系統(tǒng)網(wǎng)）深度融合、可編程邏輯控制單元（LCU）等技術(shù)[15-16]，為增強(qiáng)列控系統(tǒng)集成度、提高數(shù)據(jù)傳輸速度提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。上述技術(shù)的批量落地應(yīng)用是下一輪電客車設(shè)計(jì)制造的主要方向。同時(shí)，為順應(yīng)多專業(yè)融合的需求，列車自主運(yùn)行控制系統(tǒng)（TACS）的引入也取得了突破性進(jìn)展，部分城市已開始應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行新車制造和老線改造工作，多個(gè)新造試驗(yàn)平臺(tái)已啟動(dòng)試驗(yàn)線上的動(dòng)車驗(yàn)證工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從客服品質(zhì)提升、輕量化、智能監(jiān)測(cè)、安全保障、節(jié)能環(huán)保、通信及控制等多方面展望了城市軌道交通電客車技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。從安全性、成熟性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)新技術(shù)進(jìn)行綜合考量，是推進(jìn)其應(yīng)用的前提，因此各城市在城市軌道交通電客車車輛選型、設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分結(jié)合自身的特點(diǎn)，參考技術(shù)應(yīng)用效果，有針對(duì)性地選擇新技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，力求在提升客服品質(zhì)和維保效率的前提下，合理控制電客車的全壽命周期運(yùn)維成本，助力城市軌道交通的高質(zhì)量、智慧化發(fā)展。