王 黎，趙 娜，王 強

（成都地鐵運營有限公司，四川成都 610058）

1 引言

隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(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，逐步成為城市居民出行的重要公共交通方式。目前，我國城市軌道交通已處于高速發(fā)展階段，全面帶動了其電客車設計、制造的突飛猛進[1]。國內(nèi)各整車及部件生產(chǎn)廠家為占領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新高點、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，各城市軌道交通運營企業(yè)出于持續(xù)提升客服水平、維保效率、運營安全性等的考慮，向生產(chǎn)廠家及時進行產(chǎn)品及技術(shù)應用的效果反饋，這也成為電客車技術(shù)發(fā)展的強大內(nèi)生動力。

為推進我國城市軌道交通電客車技術(shù)的發(fā)展和應用，在《中國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)狀及應用需求，對城市軌道交通電客車技術(shù)的發(fā)展趨勢進行展望，尤為必要。

2 城市軌道交通電客車系統(tǒng)簡介

電客車是城市軌道交通行車系統(tǒng)的核心設備，是復雜的機電一體化系統(tǒng)，由車體、轉(zhuǎn)向架、列車控制與診斷、牽引電傳動、輔助供電、制動、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行的功能需求，還需安裝信號、通信等車載設備以實現(xiàn)接口功能。其需在經(jīng)過設計、部件生產(chǎn)、整車組裝、調(diào)試、空載、驗收等一系列流程后方可投入載客運營。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)不同線路的運輸需求進行選擇。其車輛系統(tǒng)組成如圖1所示。

3 技術(shù)發(fā)展歷程

我國城市軌道交通電客車技術(shù)發(fā)展可分為以下3個階段。

（1）初探期（20世紀80年代）。當時的電客車技術(shù)以碳鋼車體、直流供電、非網(wǎng)絡控制及完全人工駕駛為特征，受當時工業(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90年代—21世紀初）。在這個階段，通過引進吸收國外先進技術(shù)，我國逐步實現(xiàn)了車門、空調(diào)、牽引、制動及網(wǎng)絡控制等核心系統(tǒng)的國產(chǎn)化。

（3）高速發(fā)展期（21世紀初至今）。在這個時期，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，“標準化、模塊化、智能化、自主化、輕量化”的設計、制造、應用理念不斷強化，整車及部件的設計、制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈已在國內(nèi)成熟建立，特別是自主化牽引、制動等核心系統(tǒng)已實現(xiàn)了大批量應用。

4 技術(shù)發(fā)展趨勢展望

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、安全、智能化，展望其發(fā)展趨勢主要包括以下方面。

4.1 提升客服品質(zhì)技術(shù)

乘客是城市軌道交通的服務對象，提升客服品質(zhì)對于增強城市軌道交通的競爭力和吸引力至關(guān)重要，應主要從舒適性、智慧導乘等方面著手，改善乘客的乘車體驗。

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

（2）提高車輛氣密性。針對市域快線大規(guī)模建設的現(xiàn)狀，基于其對電客車壓力控制及氣密性的更高要求，建議通過壓力波控制技術(shù)，檢測車內(nèi)外壓力波動變化，控制新風和廢排壓力保護裝置動作，以維持車內(nèi)壓力穩(wěn)定。同時，對車門采用輔助鎖閉+雙層密封結(jié)構(gòu) +內(nèi)部填充的措施，進一步提升氣密性。

（3）充分利用客室空間，采用微孔送風的方式進行均衡送風，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，以避免因強光直射眼睛給乘客造成的不適感，提高乘坐舒適性，并同時降低空調(diào)能耗。

（5）在空調(diào)控制方面，引入人工智能自動學習和控制優(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)送到地面服務器，利用人工智能實現(xiàn)空調(diào)控制的優(yōu)化，從而達到精準動態(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。

（6）利用智能照明系統(tǒng)，根據(jù)季節(jié)、時間等信息對車內(nèi)照度及色溫進行全自動調(diào)節(jié)。

（7）利用智能導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，安裝有機電激光顯示屏（OLED）、曲面屏、透明薄膜顯示屏等，將乘客計數(shù)、智能清客、冷暖車設置等車內(nèi)信息通過車地傳輸通道在相關(guān)地面系統(tǒng)中呈現(xiàn)，使導乘信息針對性更強[4-5]。

4.2 輕量化技術(shù)

隨著列車智能化要求的不斷提高，車載設備種類越來越豐富，在車輛既要容納不斷增加的車載設備、軸重又不允許超過標準規(guī)范要求的技術(shù)背景下，對于列車減重的需求日益強烈。輕量化技術(shù)可在此發(fā)揮巨大作用，同時也符合節(jié)能減排的大趨勢[6]。輕量化技術(shù)主要從設計、新材料應用等方面著手，對車體、轉(zhuǎn)向架、內(nèi)裝等進行輕量化優(yōu)化設計。目前，對于電客車車體及內(nèi)裝系統(tǒng)，主要有車體設計優(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/復合材料鋁合金箱體、織物軟風道、預浸料、超薄門板、酚醛地板等輕量化材料應用[7-8]；對于轉(zhuǎn)向架，可采用鋁/陶制動盤、空心車軸、永磁同步電機車軸驅(qū)動（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)測技術(shù)

隨著智能運維技術(shù)的發(fā)展，以實時健康狀態(tài)診斷為依托的“狀態(tài)修”代替“計劃修”已成為未來城市軌道交通裝備運維的大趨勢?！盃顟B(tài)修”是指通過對設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，并在此基礎上結(jié)合故障機理建立退化模型、確定關(guān)鍵性能參數(shù)，以模型與數(shù)據(jù)組合驅(qū)動的方法實現(xiàn)設備故障預測與健康評估，指導維修決策優(yōu)化與方案制定[11-12]，其實現(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)、云計算等技術(shù)研究開發(fā)了車輛故障預警與健康管理（PHM）系統(tǒng)。該系統(tǒng)集列車運行狀態(tài)在途監(jiān)測、故障智能診斷、健康狀態(tài)評估、網(wǎng)絡化運維等功能于一體，主界面如圖3所示。專業(yè)維護人員可利用PHM系統(tǒng)實時掌握列車運行狀態(tài)及故障預警、設備健康管理（評估、檔案、壽命預測）等相關(guān)信息，為電客車運維提供輔助決策支持。該系統(tǒng)的廣泛應用可有效緩解城市軌道交通運營安全與運維效率、運維成本之間的矛盾，提高電客車的綜合運維效率和水平[13]。

4.4 安全保障技術(shù)

城市軌道交通作為運量較大的公共交通工具，安全性一直是其電客車及部件設計的根本出發(fā)點。隨著列車全自動駕駛技術(shù)的發(fā)展，主動安全技術(shù)在城市軌道交通電客車上逐步應用和推廣，如基于雷達、激光雷達及圖像識別技術(shù)的主動障礙物探測、脫軌檢測、火災探測等安全檢測系統(tǒng)?？紤]到主動安全技術(shù)的可靠性尚需進一步驗證，因此在車輛設計時可采用“主動為主、被動為輔”的過渡策略[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，隨著新材料應用成本的逐步降低，搭載碳化硅變流器和永磁同步電機的新一代牽引系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域開始了小規(guī)模的試裝驗證，為進一步節(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；可快速去除異味、臭味，殺滅各種細菌病毒，并有效去除總揮發(fā)性有機化合物（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）開始普及應用；車體和客室內(nèi)涂裝已全面應用水性涂料；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)的進步帶來了前所未有的機遇。第五代移動通信（5G）、高速轉(zhuǎn)儲、以太網(wǎng)控車、三網(wǎng)（控制網(wǎng)、維護網(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]，為增強列控系統(tǒng)集成度、提高數(shù)據(jù)傳輸速度提供了強有力的技術(shù)支撐。上述技術(shù)的批量落地應用是下一輪電客車設計制造的主要方向。同時，為順應多專業(yè)融合的需求，列車自主運行控制系統(tǒng)（TACS）的引入也取得了突破性進展，部分城市已開始應用該技術(shù)進行新車制造和老線改造工作，多個新造試驗平臺已啟動試驗線上的動車驗證工作。

5 結(jié)語

本文從客服品質(zhì)提升、輕量化、智能監(jiān)測、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。從安全性、成熟性、可靠性、經(jīng)濟性等方面對新技術(shù)進行綜合考量，是推進其應用的前提，因此各城市在城市軌道交通電客車車輛選型、設計階段，應充分結(jié)合自身的特點，參考技術(shù)應用效果，有針對性地選擇新技術(shù)進行應用，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維成本，助力城市軌道交通的高質(zhì)量、智慧化發(fā)展。