尚江傲，趙小軍，蔣百威

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

國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南株洲 412001）

1 概述

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

（1）是首個出口海外的120 km/h速度等級4節(jié)編組地鐵列車，頭車采用半動半拖（即一個轉(zhuǎn)向架為帶動力的動車轉(zhuǎn)向架，另一個轉(zhuǎn)向架為不帶動力的拖車轉(zhuǎn)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(shè)計和全自動車輛重聯(lián)技術(shù)，可適應(yīng)各種無人駕駛運(yùn)營場景的需求和機(jī)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(tǒng)，可使列車運(yùn)行更加安全。

（4）裝配適應(yīng)大坡道、高牽引特性的列車牽引系統(tǒng)，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(shù)，可滿足隧道內(nèi)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(yīng)用 鐵路車輛防火》系列標(biāo)準(zhǔn)要求的長站間距（平均4 km，最長10 km）防火技術(shù)。

2 車輛總體技術(shù)性能

2.1 列車編組及受流方式

列車采用4節(jié)編組，編組形式為= A - B - B - A =，其中A車為帶司機(jī)室的半動半拖車輛，B車為無司機(jī)室?guī)茈姽膭榆嚕?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(shù)

本車的主要尺寸及參數(shù)如表1所示。

表1 車輛主要尺寸及參數(shù)

2.3 列車載客能力

列車載客數(shù)量為有座乘客與站立乘客數(shù)量的總和。每節(jié)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(shù)為120個。對于站立乘客數(shù)量的計算，應(yīng)首先推算出站立區(qū)面積，再由此得出不同工況下的站立乘客數(shù)量。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15663-2017《鐵路應(yīng)用 車輛參考質(zhì)量的定義》中規(guī)定，在計算列車載客量時，乘客在車內(nèi)停留的區(qū)域中地板與天花板之間的高度不應(yīng)小于1 850 mm，站立區(qū)面積為車廂面積減去座位面積及座位前方為乘客腳部預(yù)留的300 mm寬空間面積。根據(jù)EN 15663-2017規(guī)定進(jìn)行計算可得，本車A車的站立區(qū)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(shù)

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

（2）特殊場景下的車輛限制速度。當(dāng)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(tǒng)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(jìn)行有人駕駛操作、后期開展全自動駕駛所需的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在既有線路和新線全自動無人駕駛、互聯(lián)互通運(yùn)營的要求。

在全自動無人駕駛模式下，列車可在運(yùn)營控制中心（OCC）的統(tǒng)一監(jiān)控下，實(shí)現(xiàn)自動喚醒、自動整備、自動自檢、自動運(yùn)行、自動故障診斷、遠(yuǎn)程控制及隔離、自動對位停車、自動休眠待機(jī)等功能。

2.6 全自動車輛重聯(lián)運(yùn)營

本車車頭最前方的車鉤采用全自動車鉤，并配置重聯(lián)模塊，可實(shí)現(xiàn)2列4輛編組列車重聯(lián)運(yùn)營。配置列車級網(wǎng)關(guān)的車輛支持動態(tài)重聯(lián)（無需斷電）。車輛內(nèi)部所有數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，連接采用標(biāo)準(zhǔn)D-sub連接器。WTB具備如下特點(diǎn)：

（1）介質(zhì)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(jié)點(diǎn)；

（5）過程數(shù)據(jù)基本周期為25 ms；

（6）為雙通道冗余。

3 關(guān)鍵系統(tǒng)和部件設(shè)計

3.1 主電路及牽引系統(tǒng)

4節(jié)編組列車設(shè)置有2臺受電弓。正常運(yùn)行時，2臺受電弓升起，受電弓母線隔離裝置斷開，接觸網(wǎng)中的DC1500V電壓經(jīng)過受電弓接入車輛，并各自通過相應(yīng)高壓設(shè)備箱中的三位置選擇開關(guān)接入高速斷路器與輔助逆變器熔斷器，再經(jīng)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(dāng)單個受電弓故障時，列車向OCC發(fā)送報警，此時列車可以利用1/2牽引動力繼續(xù)運(yùn)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(shí)現(xiàn)全動力運(yùn)行。

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

圖2 牽引系統(tǒng)主電路圖

為適應(yīng)本線路坡道大、所需牽引力強(qiáng)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(tǒng)還負(fù)責(zé)實(shí)施列車的電制動并對電制動過程中產(chǎn)生的再生能量進(jìn)行回收?；厥盏哪芰客ㄟ^高速斷路器、三位置選擇開關(guān)及受電弓優(yōu)先反饋給電網(wǎng)，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(tǒng)

輔助變流系統(tǒng)的功能是為列車各電氣設(shè)備提供AC380V、DC110V電源。其中，輔助逆變器將接觸網(wǎng)DC1500V電壓通過DC/AC隔離轉(zhuǎn)換為AC380V電壓，為列車的空氣壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等負(fù)載供電；充電機(jī)將輔助逆變器轉(zhuǎn)換的部分AC380V電壓轉(zhuǎn)換成DC110V電壓，為列車照明、控制等系統(tǒng)供電。

輔助變流系統(tǒng)設(shè)備配置如表3所示。

表3 輔助變流系統(tǒng)設(shè)備配置表 套

3.3 列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）

TCMS分為列車控制級系統(tǒng)和車輛控制級系統(tǒng)2部分。

列車控制級系統(tǒng)采用WTB控制，具備動態(tài)重聯(lián)功能，可實(shí)現(xiàn)編組與編組之間的數(shù)據(jù)交換。車輛控制級系統(tǒng)采用多功能車輛總線（MVB），4節(jié)車輛為1個編組（= A - B - B - A=），每個編組內(nèi)的各車載系統(tǒng)，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(jī)接口（HMI）、能耗記錄儀等，均通過MVB進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

單編組列車（= A - B - B - A=）的TCMS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。其TCMS采用雙通道冗余設(shè)計。

3.4 制動系統(tǒng)

本車的制動系統(tǒng)采用在世界范圍內(nèi)有良好運(yùn)行業(yè)績及成熟運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)的EP2002架控制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)可滿足120 km/h速度等級下的制動性能要求。該系統(tǒng)由VV120型活塞壓縮機(jī)、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(tǒng)為模擬式制動系統(tǒng)。

此外，牽引系統(tǒng)還可實(shí)施電制動（包括再生制動與電阻制動），并將再生制動產(chǎn)生的能量優(yōu)先反饋給電網(wǎng)。

3.5 轉(zhuǎn)向架

列車的每節(jié)車配有2個新開發(fā)的、適用于B 型車、最大軸重為15 t的轉(zhuǎn)向架，動車轉(zhuǎn)向架和拖車轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)基本相同，轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 轉(zhuǎn)向架的主要技術(shù)參數(shù)

列車端部第1個轉(zhuǎn)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(jī)2 部分組成，負(fù)責(zé)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(shù)據(jù)發(fā)送給TCMS，并由TCMS將數(shù)據(jù)上傳至OCC，然后OCC將結(jié)合其他系統(tǒng)獲得的信息確定列車是否繼續(xù)運(yùn)營或者是否派人到現(xiàn)場進(jìn)行處理。若碰撞的障礙物尺寸小于設(shè)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(shè)定閾值，則斷開列車制動安全回路，觸發(fā)列車緊急制動。

每個轉(zhuǎn)向架上設(shè)置1套非接觸式脫軌檢測系統(tǒng)（包含2個傳感器），用于檢測列車車輪是否緊貼軌道運(yùn)行。若同一轉(zhuǎn)向架上的2個傳感器同時被觸發(fā)，則可判斷該轉(zhuǎn)向架脫軌，然后該系統(tǒng)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(tǒng)、控制系統(tǒng)、壓潰管、過載保護(hù)裝置和緩沖系統(tǒng)等組成，如圖5所示。

圖5 全自動車鉤

貫通道由折棚、側(cè)護(hù)板、頂板、渡板、踏板及其支撐等組成，其主要技術(shù)參數(shù)如下：（1）通過寬度為1 300（0，+15） mm；

（2）通過高度（即頂板與內(nèi)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(jī)室

司機(jī)室操縱臺安裝在列車兩端，為全封閉結(jié)構(gòu)，設(shè)置可拆卸蓋板，下部做成柜式，左右安裝設(shè)備，中部留藏座椅及司機(jī)腿部活動空間。司機(jī)座椅為隱藏式座椅，無人駕駛時可收進(jìn)操縱臺內(nèi)。

司機(jī)室區(qū)域設(shè)置隔離帶，用于緊急情況下與乘客隔開，車輛正常運(yùn)營狀態(tài)下隔離帶藏于邊柜中。

3.8 空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)

列車空調(diào)機(jī)組安裝在車廂頂部，風(fēng)道布置于中頂板上方，空調(diào)控制單元安裝于低壓柜中。司機(jī)室采用風(fēng)道送風(fēng)，司機(jī)室足部取暖器安裝在司機(jī)室操縱臺下方，每種車型的空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)配置清單如表5所示。

表5 空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)配置清單 套

空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計可保證客室內(nèi)空氣的均勻分配、客室內(nèi)氣流流動路線的合理性，以及送入客室的冷/暖風(fēng)與客室內(nèi)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(jī)室中各設(shè)1套壓力波控制裝置（含壓力波探測器和控制器），每個新風(fēng)口設(shè)置1套新風(fēng)壓力保護(hù)閥，每臺廢排裝置內(nèi)設(shè)置1套廢排壓力保護(hù)閥。當(dāng)車內(nèi)外壓差變化超過200 Pa/s、1 000 Pa/10 s時，列車壓力保護(hù)系統(tǒng)啟動，安裝在司機(jī)室中的壓力波控制裝置驅(qū)動各車空調(diào)控制盤動作，關(guān)閉各車的新風(fēng)/廢排壓力保護(hù)閥，阻止車外壓力波傳入車內(nèi)。

3.9 車門系統(tǒng)

每節(jié)車每側(cè)設(shè)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(guān)閉：全自動駕駛模式下，由車載ATC系統(tǒng)發(fā)出開/關(guān)門的指令，車門系統(tǒng)執(zhí)行自動開/關(guān)門操作；在列車自動駕駛（ATO）或自動防護(hù)（ATP）模式下，車門系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)ATC系統(tǒng)控制的自動開/關(guān)門、ATC系統(tǒng)控制的自動開門/手動關(guān)門、手動開/關(guān)門3種功能間的切換；在車載ATC系統(tǒng)被切除后，列車開/關(guān)門不受ATC系統(tǒng)控制，可進(jìn)行手動開/關(guān)門。

為適應(yīng)無人駕駛場景，每扇車門均設(shè)置了具有遠(yuǎn)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(jī)的監(jiān)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(fā)出解鎖請求；在獲得OCC或司機(jī)許可（此時緊急解鎖裝置自帶的指示燈會點(diǎn)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(tǒng)

列車乘客信息系統(tǒng)（PIS）包含列車以太網(wǎng)總線、備用音頻總線。其廣播、顯示、視頻監(jiān)控等功能由以太網(wǎng)總線實(shí)現(xiàn)，若以太網(wǎng)總線發(fā)生故障，則啟動備用音頻總線，用于實(shí)現(xiàn)OCC對列車的廣播。列車配置的車載廣播電視系統(tǒng)可用于播放廣告、新聞等視頻。此外，每節(jié)車配置6塊獨(dú)立于PIS組網(wǎng)的18.5寸高清顯示器；每列車配置1臺數(shù)字信息播放設(shè)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 PIS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D（半列車）

4 列車防火安全設(shè)計

火災(zāi)是威脅地鐵列車運(yùn)行安全的重要風(fēng)險因素之一，包括意外疏忽引起的火災(zāi)和技術(shù)缺陷引起的火災(zāi)2類。地鐵列車防火是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，貫穿于其全壽命周期內(nèi)。防火安全設(shè)計的目的是降低列車起火的概率，并在火災(zāi)發(fā)生后迅速控制住火勢蔓延，保護(hù)乘客及工作人員的人身安全。列車防火安全設(shè)計應(yīng)從火災(zāi)預(yù)防和火災(zāi)控制2方面展開，如圖7所示。

圖7 列車防火安全設(shè)計

4.1 防火設(shè)計及其依據(jù)

土耳其伊斯坦布爾新機(jī)場線地鐵列車設(shè)計人員依據(jù)各種相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行了如下防火安全設(shè)計。

（1）防火措施操作類別（OC）。根據(jù)EN 45545-1-2013《鐵路應(yīng)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(zāi)危害等級。根據(jù)EN 45545-2-2020《鐵路應(yīng)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(zāi)危害等級為HL2。

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

（4）耐火結(jié)構(gòu)性能。本車車輛結(jié)構(gòu)滿足EN 45545-3-2013《鐵路應(yīng)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(nèi)大功率電氣柜（功率大于20 k W）、地板結(jié)構(gòu)等的耐火性能達(dá)到E15、I15等級要求。

（5）火災(zāi)初期車輛防火安全性。本車符合EN 45545-4-2013《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛防火 第4部分：鐵路車輛設(shè)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(shè)備防火安全性。本車符合EN 45545-5-2013+A1-2015《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛的防火保護(hù) 第5部分：無軌電車、有軌電車和磁懸浮列車電子電氣設(shè)備的防火安全要求》中對于車輛電氣設(shè)備防火安全性的要求。

（7）滅火措施。本車司機(jī)室、客室內(nèi)均配置ABC干粉滅火器。

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

（9）應(yīng)急設(shè)備及其功能維持性。根據(jù)EN 45545《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛防火》標(biāo)準(zhǔn)系列和EN 50553-2012+A1-2016《鐵路應(yīng)用 鐵路車輛火災(zāi)條件下的運(yùn)行能力要求》，對本車與疏散安全和應(yīng)急處置相關(guān)的系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行完整性設(shè)計，包括通信（含乘客緊急報警裝置、客室廣播系統(tǒng)，以及與ATC或OCC通信的設(shè)施等）、牽引、制動、車門、列車總線、緊急照明、火災(zāi)探測、應(yīng)急供電（蓄電池在壽命期限內(nèi)應(yīng)滿足45 min緊急負(fù)載供電要求）等系統(tǒng)，以保證其具有足夠的耐火完整性或冗余度。

4.2 火災(zāi)報警系統(tǒng)

本車的火災(zāi)報警系統(tǒng)可滿足無人駕駛要求：火災(zāi)報警控制器支持控制器局域網(wǎng)（CAN）及MVB通信，客室安裝煙溫復(fù)合探測器，車下輔助逆變器箱、牽引逆變器箱等高壓箱內(nèi)配置感溫電纜。當(dāng)探測到火情或者溫度超過閾值時，各傳感器可通過通信網(wǎng)絡(luò)向火災(zāi)報警控制器傳送信號，火災(zāi)報警控制器在開啟本地信號燈進(jìn)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(zāi)報警系統(tǒng)運(yùn)行過程包括系統(tǒng)自檢、設(shè)備故障檢測和火災(zāi)報警3部分。

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

（2）設(shè)備故障檢測。當(dāng)系統(tǒng)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(zāi)報警控制器MVB接口與TCMS進(jìn)行通信，上報設(shè)備具體故障狀態(tài)及故障發(fā)生位置。

（3）火災(zāi)報警。探測器在檢測到火災(zāi)隱患后會通過CAN總線環(huán)路將火災(zāi)報警信號傳送給火災(zāi)報警控制器。若為第一次報警，火災(zāi)報警控制器會先記錄該信號，然后繼續(xù)輪詢其他探測器的狀態(tài)；若該信號持續(xù)存在，則火災(zāi)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(zāi)信息（包括火災(zāi)位置、類型、發(fā)生時間），此時“火警”指示燈常亮，火警輸出觸點(diǎn)導(dǎo)通。

5 結(jié)語

土耳其伊斯坦布爾新機(jī)場線地鐵列車采用多種先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，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(yùn)行速度達(dá)到120.75 km/h，在運(yùn)行過程中展現(xiàn)出安全、高速、舒適的優(yōu)異性能，獲得土耳其交通部長及當(dāng)?shù)厣鐣母叨荣澴u(yù)。在未來30年內(nèi)，這條地鐵線路將在道路維護(hù)、節(jié)能減排等方面為土耳其節(jié)省約301萬美元（2 920萬土耳其里拉）的費(fèi)用支出。