地铁车辆的顶层设计指标分析*

孙梅玉 钟元木 刘天赋

（1.中车工业研究院有限公司，100067，北京；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛//第一作者，高级工程师）

地铁车辆的顶层设计指标分析*

孙梅玉1钟元木2刘天赋1

（1.中车工业研究院有限公司，100067，北京；2.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，266111，青岛//第一作者，高级工程师）

以地铁车辆为主要分析对象，总结了车辆全生命周期环节中的顶层设计指标。从适应性、安全性、舒适性、环保性、经济性、可靠性等6个方面对顶层设计指标进行了分析，得出了影响车辆整体性能的关键因素。

地铁车辆；顶层设计指标；安全性指标；舒适性指标；环保性指标

在地铁车辆的设计过程中，首先需根据用户招标技术条件、相关标准、设计经验等提炼出车辆的顶层设计指标［1-2］，然后对顶层设计指标进行逐层分解，进而指导车辆的系统集成、车体、转向架、牵引传动、制动系统、网络控制系统等关键系统和核心部件的设计（如图1所示）。研究地铁车辆顶层设计指标，开展正向设计，有助于提升地铁装备安全可靠、经济适用、节能环保等整体性能，有利于地铁的轻量化、标准化、模块化、信息化、网络化及智能化。

图1 地铁车辆设计流程示意图

1 顶层设计指标分解

根据在地铁全生命周期流程中的经验和知识积累，本文将地铁车辆顶层设计指标按适应性、安全性、舒适性、环保性、经济性、可靠性6个方面进行归类（如图2所示），分析不同特性包含的指标内容，并依据已有文件对个别指标给出参考标准或参考数值范围等。

2 顶层设计指标分析

2.1 适应性指标

适应性主要是地铁车辆在车辆外的特定环境条件下正常运行的能力。车辆外界因素分为气候等自然环境条件、车辆运行的线路条件及车辆运营条件，车辆的适应性也相应分为环境适应性、线路适应性、运营适应性。各项指标的影响因素如图3所示。

图2 地铁车辆顶层设计指标影响因素

图3 地铁车辆适应性指标的影响因素

对北京、上海及广州等城市的地铁线路技术条件进行分析，可得出共性的环境条件要求。

（1）环境适应性指标。环境温度范围一般为-5～45℃，北方寒冷地区低温限值可达-25℃，极限最低温度为-40℃。环境湿度方面按GB/T 7928规定应≤90%，沿海地区一般按99%。北京、上海及广州的城市最大风速为90 km/h。海拔高度一般≤1 200 m；当高度＞1 200 m时，电工电子产品及空压机等部件需按系数进行海拔高度修正。其他气候条件按产品应用地域的实际情况考虑。

（2）线路适应性指标。一般地铁限界执行CJJ 96—2003标准，根据城市建设规划，分别执行A型、B型或C型地铁限界；设计过程进行动态包络计算；该指标主要影响车辆外形尺寸、车辆定距等参数，也将影响车顶空调的安装方式。轴重方面，A型轴重≤16 t，B型轴重≤14 t，轴重指标主要影响整车重量分配、转向架悬挂系统设计等。线路最大坡度为40‰，特殊路段坡度有45‰或50‰；坡度指标主要影响牵引系统及制动系统能力的设计，特别是故障模式或救援模式下的电机牵引性能。曲线超高一般为120 mm，个别为150 mm；曲线超高会影响行车速度、旅客舒适度等。根据GB 50157—2013规定，正线的最小曲线半径为300 m，辅助线最小曲线半径为150 m；一般对影响曲线通过能力的部件主要有转向架、车钩及贯通道等。

（3）运营适应性指标。站台高度一般为1 080 mm，地铁地板面高度需与站台高度协调，根据GB 50157—2013《地铁设计规范》第 4.1.13条规定，车辆客室地板面高度在任何使用情况下均不应低于站台面高度。为保证该要求，除了考虑车轮直径的影响外，还需要考虑空气弹簧与高度阀等的设置要求及正常工作要求。目前，国内地铁轨道交通供电电压主要有DC 1 500 V、DC 750 V两种，多为接触网供电或第三轨供电。运营需求决定了车辆的速度、运能、牵引能力等指标。车辆速度要基于线路的站间距和运行时间等进行合理选择和设定。同时结合客流情况和站台参数，选择合适的车辆编组形式。在牵引能力方面，需要根据实际运输要求选择合适容量的牵引逆变器和牵引电机。而在制动能力方面，随着制动初速的提高，也要由踏面制动更换为盘形制动。救援和重联的要求主要影响车钩、供电系统、制动管路及网络控制等的设计。

2.2 安全性指标

安全性在RAMS（可靠性、可用性、可维护性及安全性）中定义为“产品所具有的不导致人员伤亡、系统损坏、重大财产损失、不危害员工健康与环境的能力”。

地铁车辆的安全分为主动安全和被动安全。主动安全包括运行安全、制动安全、气动安全、结构安全、预警系统、故障导向安全。被动安全包括防火安全［3］、碰撞安全及防脱轨安全保护等。地铁车辆安全性指标如图4所示。

地铁设计过程中，常用的安全指标参数及要求包括：脱轨系数≤0.8；轮重减载率≤0.6；平均全常用制动减速度（包括响应时间）≥1.0 m/s2；平均全常用制动减速度（不包括响应时间）≥1.1 m/s2；平均紧急制动减速度（包括响应时间）≥1.2 m/s2或≥1.3 m/s2；平均快速制动减速度（包括响应时间）≥1.3 m/s2；冲击极限为0.75 m/s3；速度更高的地铁车辆，可参照动车组设定尾车升力系数接近于零；车体强度满足EN 12663标准；动车构架强度满足UIC 615标准，拖车构架强度满足UIC 515（拖车）标准；车轴强度满足EN 13104（动轴）/EN 13103（非动轴）标准；车轮强度满足EN 13260、EN 13979-1标准；防火安全和碰撞安全分别遵循EN 45545、EN15227标准要求。

图4 地铁车辆安全性指标

2.3 舒适性指标

旅客在对交通工具提出更方便、更快捷要求的同时，对乘车环境及舒适度也提出了更高要求。影响舒适性指标的主要因素包括振动、噪声、压力、温度、湿度及照度等。在人机工程方面的舒适性指标影响因素主要体现在可通过性、可到达性、可操作性、可接触性等方面。具体舒适性指标内容见图5。

地铁车辆车内噪声指标分解主要与司机室、客室端部及中部、贯通道等部位的结构相关。其中司机室内噪声控制重点关注前窗玻璃、司机室门、地板、密封等；客室端部及中部降噪主要与玻璃窗、客室侧门、结构密封、结构断面等相关；贯通道部分的噪声控制主要与风挡、外端墙相关。

提高地铁车辆的舒适度，要以乘客为核心，根据不同的人文特点和需求，进行相应设置。同时，还要为司乘人员提供便捷的操作条件。具体实现途径为：提高辅助供电系统的冗余度，采用环境舒适度综合调控系统及智能光感应照明系统，提高信息传输速度，优化地铁车辆内部空间等。

图5 地铁车辆舒适性指标

2.4 可靠性指标

可靠性在RAMS中定义为“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力”。可靠性指标包括故障可能性、可维修性及可用性等方面。影响地铁的故障可能性指标包括清客下线故障指标、3 min以上延误故障（晚点）指标及维修故障（碎修、列检）指标。为了提高车辆的可靠性，还需对关键系统或设备进行冗余设计。为了满足可靠性要求，需在设计过程中，可将相关指标分解到地铁的结构疲劳、磨损磨耗及抗老化等方面。

可维修性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序及方法进行维修时，保持或恢复到其规定状态的能力，即产品是否易修的能力。地铁产品的可维修性指标包括在线更换单元时间、修复性维修（不抬车）时间、修复性维修（抬车）时间、平均修复时间等。通过分析北京、上海及广州等城市的地铁线路统计结果，一般在线更换单元为0.5 h左右；修复性维修（不抬车）为3 h左右；修复性维修（抬车）在6 h左右。

可用性是反映可维修产品使用效率的可靠性指标，能综合反映产品的可靠性与维修性。目前地铁车辆可用性要求为96%（维修及检修停用时间共计为15 d/a），随着轨道交通技术的不断进步，可用性指标将不断提升。

地铁车辆电磁兼容需满足相关标准的要求。其中，地铁车辆对外辐射的电磁兼容需满足EN 50121标准；对客室电磁环境的要求来说，地铁车辆静态磁场需满足标准BSEN 45502-2中对人体植入式医疗设备（心脏起搏器）的要求；时变磁场需满足标准ICNIRP对300 GHz以下时变电场、磁场、电磁场暴露限值的要求。

列车行车密度的提高对车辆的可靠性、可维护性和可用性也提出了更高的要求。这就要不断优化产品结构，采用合理的连接方式、模块化的部件及高性能的材料，设计过程中还要通过优化设备布置等手段，为检修和维护提供便利条件，缩短地铁车辆检修时间。

2.5 环保性指标

随着人们环保意识的不断提升，绿色出行理念逐渐深入人心。这对地铁车辆的环保性提出更高要求。地铁车辆的环保性指标可分为车外噪声、环境振动、电磁辐射、材料环保、节能高效、可持续发展等，如图6所示。

图6 地铁车辆环保性指标

地铁车辆车外噪声主要是在行车过程中，由轨道结构和列车各个部分的振动经由大气和大地的传播而产生的。根据噪声发生源与发生机构，铁路噪声可以分为轮轨噪声、空气动力学噪声、电弧噪声、桥隧结构物噪声、机器噪声等。目前国内地铁设计过程中，主要执行 GB 7928、VDV-154和 ISO 3095《铁路应用-声学-轨道车辆外部噪声测量》标准的规定。车辆设计时应重点从轮轨关系、车载设备等方面控制和降低噪声，尽量减少对沿线环境的影响［4］。

地铁引起的环境振动主要是轮轨相互作用引起的轨道结构振动。可通过降低簧下质量、保持良好的轮轨表面状态、采用减振轨道结构等措施来控制环境振动。地铁车辆振动与冲击的测量或试验执行ISO 2631、UIC 513和IEC 61373标准要求。

地铁车辆电磁辐射不止影响舒适度评价，还影响环保性评价。地铁的电磁辐射指标要保证车辆与周围基础建设的电磁兼容，避免出现电磁危害。车辆电磁辐射的管理有两种途径：一种是从源头控制，加强对电磁辐射的抑制能力；一种是降低或直接阻断电磁波辐射的传输。电磁辐射相关设计要满足EN 50121、GB 8702标准要求。

材料及部件的防火、耐火、防烟、防毒要求应符合DIN 5510标准规定。地铁车辆应使用无卤低烟阻燃或无卤低烟耐火电线或电缆，不使用可燃材料或燃烧后会产生毒气的材料。地铁内装材料的选择按照标准TB/T 3139—2006《机车车辆内装材料及室内空气有害物质限量》的要求。

通过采用新型材料（如碳纤维）降低重量、合理优化车辆外形降低运行阻力、采用制动或振动能量回收、提高牵引传动效率等途径实现节能高效。

为提高资源的利用效率、降低环境负荷、实现可持续发展，在地铁车辆设计过程中，要多关注车辆的可再利用率和可回收利用率，多采用可拆解性结构，优化材料选择和利用，避免过度设计。在轨道交通领域，国外车辆制造厂商已经将材料的回收利用率作为重要的、先进的评价指标之一，如法国的AGV高速列车材料回收利用率可达90%。

2.6 经济性指标

经济性是指从设计、制造到整个使用寿命周期的成本控制能力。全寿命周期经济性包括生产经济性（包括设计、制造等）、运行经济性、维护经济性。经济性指标如图7所示。

图7 地铁车辆经济性指标

在设计、制造过程中，可通过规范流程、优化配置资源、减少资源的重复投入、提升资源利用率等措施来降低生产成本。要实现降低能量消耗的目标，可通过选用新型材料、优化车辆布局、合理配置各部件等措施来实现整车的轻量化；通过优化车辆外形可减小气动阻力；通过优化车轮与轨道间的接触，可减小机械阻力；采用新型能量回收技术，可提升制动或振动能量回收利用率；提升空调节能水平等也是有效措施。

在维修阶段，应优化修程修制，建立地铁车辆在线监测［5］及综合故障诊断系统，利用信息化和数字化手段，实现车辆由计划修向状态修转变。

3 结语

本文从适应性、安全性、舒适性、可靠性/可维护性、环保性、经济性等方面对地铁车辆的顶层设计指标进行了分解和分析。

适应性方面综合考虑了各种外界因素，如自然环境、线路特点、运营需求等。安全性方面，对车辆从灾害故障识别、障碍物检测、脱轨检测、防碰撞监控、应急处置能力等提出要求。舒适性方面，重点从乘客、司机、维修人员角度出发，提出了振动、噪声、压力、温度、湿度、照度、人机工程参数等指标。在可靠性/可用性方面，从列车运维角度出发，通过提高车辆的服务水平、降低车辆故障率、提升故障诊断和预测水平等途径，以提升RAMS指标。环保性方面，主要从节能、减振降噪、材料绿色可回收等方面进行控制；经济性方面，从生产、运行、维护三个阶段分析了影响地铁经济性的因素。

在以后的研究过程中，还需要对地铁车辆的顶层设计指标进一步分析和细化，并研究如何将顶层指标正确分解到车辆的各子系统或零部件上去。通过顶层指标到具体部位的循环反馈和不断优化，提升车辆的整体性能。

［1］ 张卫华.高速列车顶层设计指标研究［J］.铁道学报，2012，34（9）：15．

［2］ 李泽宇，周伟旭.城际动车组顶层技术指标分析［J］.大连交通大学学报，2014，35（1）：11.

［3］ 冷映丽，薛淑胜，张琳.地铁车辆防火安全设计现状及发展建议［J］.城市轨道交通研究，2012（12）：28.

［4］ 韩文娟，董晓鹏.城市轨道交通列车噪声标准分析研究［J］.电力机车与城轨车辆，2017，40（3）：75.

［5］ 李球，朱士友，龙静.地铁车辆在线监测系统的设计和应用［J］.城市轨道交通研究，2013（11）：45.

Analysis of Top-level Design Specifications for Metro Vehicle

SUN Meiyu，ZHONG Yuanmu，LIU Tianfu

Taking metro vehicle as the analysis object，toplevel design specifications in the life cycle of metro vehicle aresummarized from 6 aspects，including theadaptable index，safety index，comfort index，environmental protection index，economy and reliability index.The key factors that affect the overall performance of the metro vehicle are detected.

metro vehicle；top-level design specification；safety index；comfort index；environmental protection index

First-author′s address CRRC Institute，100067，Beijing，China

U270.2

10.16037/j.1007-869x.2017.12.001

*国家科技支撑计划项目（2015BAG12B01-01）

2017-07-01）