地铁车辆新技术新方案技术经济分析与应用研究

张海涛

（铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100000）

1 概述

当前，随着技术的不断进步、科技的不断创新，地铁车辆新技术、新方案不断推陈出新。为了更好地推进这些新技术、新方案在地铁车辆上的选配和应用，有必要系统性地对上述新技术、新方案进行归纳总结，通过技术经济性分析，为地铁车辆选型提供参考和借鉴。

本文整理和归纳了近几年具有成功实践经验且有可能成为未来发展趋势的地铁车辆新技术、新方案，并对其进行技术创新性和经济合理性分析，对比传统技术方案，提出未来应用前景。

2 地铁车辆新技术新方案的定义

考虑到新技术、新方案应用的时效性和创新性，本文对新技术、新方案的时间周期、技术特点进行约定。

（1）新技术：是指近几年（2016年至今）在部分地铁车辆已有一些成功运用实例，在技术先进、具有代表性且可以作为未来发展方向的主流技术趋势。

（2）新方案：是指近几年（2016年至今）为实现某一新功能（之前没有）的系统解决方案，也指实现某一新功能（之前没有）的新的解决方法。

3 地铁车辆新技术新方案统计及说明

结合第2节内容的约定，本文汇总地铁车辆新技术、新方案如下：

3.1 新技术

（1）无触点逻辑控制技术（LCU）。地铁列车通常采用继电器进行控制，存在以下问题：a.继电器本身卡滞、不吸合等故障；b.继电器触点老化、失效等现象严重；c.采用“与”“或”逻辑控制，冗余性较低，可靠性不高等。LCU采用数字化、无触点逻辑控制技术，从根本上解决继电器卡滞、失效、接触不良等缺陷。另外，热备冗余技术能有效提高车控制电路的可靠性。

（2）基于TD-LTE通信的CBTC系统。目前，地铁列车CBTC系统大多采用WLAN进行车地通信。虽然该系统应用较为广泛，技术相对成熟，但也存在与同频段其他产品产生干扰问题、时延长、AP切换频繁等问题。作为新一代无线通信技术TD-LTE在高速移动状态下接入性较好、带宽高，允许列车在80～200km/h的速度下实现信号切换。较之WLAN技术，具有抗干扰能力强、时延短、具有完善QoS保障机制、安全性高等优点，另外轨道沿线有源设备数量大幅减少，降低安装和维护成本。

（3）车辆健康管理系统（PHM）。故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM） 是指利用传感技术获取被管理系统的运行状态信息和故障信息，并借助神经网络、模糊逻辑等推理算法，根据历史数据和环境因素，对被管理系统进行状态监测和故障预测。同时，对被管理系统的健康状态进行评估，结合地面维修资源情况，给出维修决策，以实现关键部件的状态修[1]。

（4）永磁电机牵引系统。随着材料产业的发展，永磁体越来越多地应用于电机等设备。目前，地铁列车牵引系统永磁直驱技术有两种：一种是永磁电机+齿轮装置牵引系统；第二种是抱轴永磁电机直驱牵引系统。第一种方式，从技术先进性和方案的可实现性都具有较大优势。因此，本文重点介绍第一种牵引系统（即永磁电机+齿轮装置牵引系统）。

（5）受电弓动态检测技术。地铁列车一旦受电弓出现问题，则会直接导致车辆无法运行，甚至会出现严重事故。如果能在运行过程中实时对受电弓进行检测，不但可以及时发现故障并处理，还能通过算法优化检修流程，尽量避免故障的产生。因此，受电弓动态检测技术应运而生。可实时监测列车受电弓与接触网的跟随状态、燃弧状态、拉出值、接触网参数、受电弓状态、弓网接触点温度、接触网关键悬挂状态监测、接触磨耗、硬点、刮弓、刮网等故障，以及这些故障的位置信息，通过对这些信息进行处理，可实时报送影响车辆安全运行的故障。

（6）变频热泵空调技术。定频空调加室内加热装置的方案一直以来都是地铁列车调节温度的主流方式。随着技术的进步，从节能减排的角度出发，逐渐地用变频空调取代定频空调；室内加热装置也逐渐被空调热泵技术取代。变频热泵空调一体机的出现，大大降低了运行能耗，提高了能源的利用率，进一步提升了乘客的乘坐感受。

（7）主动障碍物探测系统。地铁列车ATP系统故障或降级时，司机仅凭调度命令来手动驾驶。运行过程中如有障碍物，万一司机未及时发现，存在较大安全隐患。另外，如遇弯道、上下坡等特殊路段，司机视线受限，存在列车追尾的隐患。主动障碍物探测系统采用视觉、二次雷达、激光等技术能较好地适应大雾、灰尘、雨雾等恶劣天气，实时监控列车前进方向的障碍物情况，并能通过运算识别，控制列车是否采取制动行为。

（8）走行部在线检测系统。可实时监测轴箱轴承、齿轮箱轴承、电机轴承、传动齿轮、车轮踏面等部件的冲击、振动、温度等情况。系统应采用冲击、振动、温度三个变量对轴箱轴承、齿轮箱轴承、电机轴承、传动齿轮、车轮踏面进行实时监测，实现被监测部件的自动实时故障诊断和分级报警，保障列车运营安全，指导状态维修。系统应具备报警信息通过网络（MVB或以太网）传输至TCMS的功能，以便TCMS将报警信息传输至OCC用于对严重故障实施调度控制，保障列车运营安全。

（9）被动障碍物探测系统。被动障碍物检测装置负责对轨面上的障碍物检测及清除，该装置由障碍物检测部分和电气箱两部分组成。障碍物检测部分安装于列车头车的第一个转向架前端构架上，包括左障碍物检测箱、右障碍物检测箱、检测横梁等。电气箱主要是将左右检测箱送出的信号进行汇合后送列车TMS、ATC或列车紧急制动回路。

（10）脱轨检测系统。在全部FAO列车每根轴两侧都加装脱轨检测传感器。实现方式：对同一条轴两端传感器信号同步连续采样的流式数据，采用步进式（每增加固定的采样点）进行一次脱轨诊断。系统应具备报警信息通过网络（MVB或以太网）传输至TCMS的功能，以便TCMS将报警信息传输至OCC用于对严重故障实施调度控制，保障列车运营安全。

（11）蓄电池状态在线监测系统。蓄电池作为辅助供电系统的一部分，是紧急情况下供电的唯一电源。如果其发生故障或电压等级不能满足工作要求，会直接导致车辆无法运营。蓄电池在线监测系统的出现刚好解决了这一问题。它能实时监视蓄电池组和单体的工作状态，并实时将状态信息反馈给有关方，既方便司机操作，也方便维保人员检修。

表1 无触点逻辑控制技术与继电器控制技术对比分析表

表2 基于WLAN与基于TD-LTE的CBTC系统对比分析表

（12）车下设备箱感温电缆技术。随着制度的不断完善，各行各业对防火要求越来越高。地铁车辆已经从单一加装烟感报警装置，逐渐演变成烟感报警+感温电缆等形式。车上电气柜装烟感探头、车下设备箱装感温电缆。加装车下设备箱感温电缆，能极大地提高设备箱防火灾风险的能力，对于提高整车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属膜技术。根据地铁车辆用户需求书范本，客室车窗玻璃对无线信号的衰减不得超过6DB。但是在实际执行过程中，采取通用防晒措施（即金属镀膜）后，根据GJB6190、GB/T12190标准对玻璃信号衰减进行电磁屏蔽检测，全部测点的无线信号衰减均超过6DB，最大的接近23DB。采用客室玻璃抗紫外金属膜技术是通过特殊的机床将金属膜除掉，不仅能实现电磁干扰要求，也不影响客室玻璃抗紫外光、保温等基本功能。

3.2 新方案

（1）GOA4等级的全自动无人驾驶系统。GOA4等级全自动无人驾驶系统的出现，不仅使列车实现了全自动化，减少了列车对人员的依赖，增强了列车调用灵活性，提高了整车自动化水平，也为智能化运维提供了平台，提高了运行可靠性。系统的多重冗余功能，全面确保全自动运行的安全性和可靠性，提升了列车运行品质。

（2）120km/h及以上速度等级转向架抗蛇形运动解决方案。近些年，随着高速地铁列车的不断出现，也遇到了部分线路高速行驶时出现晃车现象。通过分析研究，科研人员提出120km/h及以上速度等级转向架抗蛇形解决方案（车体与转向架间加装抗蛇形减振器）。这一方案有效解决了高速晃车问题。

表3 车辆健康管理系统应用分析

表6 变频热泵空调与传统定频空调对比分析表

表7 主动障碍物探测系统应用分析表

表8 走行部在线检测系统应用分析表

表9 被动障碍物探测系统应用分析表

（3）客室动态地图用LCD大屏。客室动态地图方案从最初的贴膜不显示，到贴膜LED灯珠，再到36.6吋普屏LCD，到目前的42.7吋大屏LCD。虽然中间也出现过马赛克等创意方案，最终还是走到了现在的大屏幕、多信息显示、方便查看、外形美观的42.7吋大屏方案。因为42.7吋LCD屏具有显示信息量大、方案随时可调、多媒体、界面丰富、站点数量不受限制等优点，因此在地铁车辆上正逐渐被采用。

（4）紧急呼叫装置CCTV屏的优先权选择。一般来讲，传统意义上的紧急呼叫装置，只能按顺序排队等待的方式呼叫。为更好地适应突发情况，从事件发生的紧急程度，通过软件编辑来实现多呼叫界面地实时显示，以方便司机和相关人员查看并判断几个报警事件优先级问题。这样做不仅体现了运营部门对客室紧急情况的把控力，也提高了对紧急事件处理的效率，降低了被投诉的风险。这也是一种人文关怀的体现。

表10 脱轨检测系统应用分析表

表11 蓄电池状态在线监测系统应用分析表

表12 车下设备箱感温电缆技术应用分析表

表13 客室玻璃除抗紫外金属膜技术与传统玻璃对比分析表

4 地铁车辆新技术新方案经济技术性分析

4.1 新技术

（1）无触点逻辑控制技术（LCU）（表1）。

（2）基于TD-LTE通信的CBTC系统（表2）。

（3）车辆健康管理系统（PHM）（表3）。

（4）永磁直驱电机牵引系统（表4）。

（5）受电弓动态检测技术（表5）。

（6）变频热泵空调技术（表6）。

表15 120km/h及以上速度等级转向架抗蛇形运动解决方案应用分析表

表16 客室动态地图用LCD大屏应用分析表

表17 紧急呼叫装置CCTV屏的优先权选择应用分析表

（7）主动障碍物探测系统（表7）。

（8）走行部在线检测系统（表8）。

（9）被动障碍物探测系统（表9）。

（10）脱轨检测系统（表10）。

（11）蓄电池状态在线监测系统（表11）。

（12）车下设备箱感温电缆技术（表12）。

（13）客室玻璃除抗紫外金属膜技术（表13）。

4.2 新方案

（1）GOA4等级的全自动无人驾驶系统（表14）。

（2）120km/h及以上速度等级转向架抗蛇形运动解决方案（表15）。

（3）客室动态地图用LCD大屏（表16）。

（4）紧急呼叫装置CCTV屏的优先权选择（表17）。

5 结束语

通过上述分析，我们不难发现新技术、新方案较之传统技术和方案，都有其技术优势和经济合理性，这也是新老交替，新技术、新方案替代老技术、老方案的结果。只是新技术、新方案在资金成本和技术复杂程度上还需要我们在选型时多加考虑，结合项目特点和资金情况，合理选型。另外，有些新技术、新方案不是替代，更是一种创新。这是顺应技术发展需求的结果。

本文通过对近几年应用于地铁列车的新技术、新方案进行全面梳理，并对其技术经济性进行分析，得出选型建议和意见，希望能为地铁车辆选型提供参考和借鉴。