地鐵車輛的頂層設計指標分析*

孫梅玉 鐘元木 劉天賦

（1.中車工業研究院有限公司，100067，北京；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，266111，青島//第一作者，高級工程師）

地鐵車輛的頂層設計指標分析*

孫梅玉1鐘元木2劉天賦1

（1.中車工業研究院有限公司，100067，北京；2.中車青島四方機車車輛股份有限公司，266111，青島//第一作者，高級工程師）

以地鐵車輛為主要分析對象，總結了車輛全生命周期環節中的頂層設計指標。從適應性、安全性、舒適性、環保性、經濟性、可靠性等6個方面對頂層設計指標進行了分析，得出了影響車輛整體性能的關鍵因素。

地鐵車輛；頂層設計指標；安全性指標；舒適性指標；環保性指標

在地鐵車輛的設計過程中，首先需根據用戶招標技術條件、相關標準、設計經驗等提煉出車輛的頂層設計指標［1-2］，然后對頂層設計指標進行逐層分解，進而指導車輛的系統集成、車體、轉向架、牽引傳動、制動系統、網絡控制系統等關鍵系統和核心部件的設計（如圖1所示）。研究地鐵車輛頂層設計指標，開展正向設計，有助于提升地鐵裝備安全可靠、經濟適用、節能環保等整體性能，有利于地鐵的輕量化、標準化、模塊化、信息化、網絡化及智能化。

圖1 地鐵車輛設計流程示意圖

1 頂層設計指標分解

根據在地鐵全生命周期流程中的經驗和知識積累，本文將地鐵車輛頂層設計指標按適應性、安全性、舒適性、環保性、經濟性、可靠性6個方面進行歸類（如圖2所示），分析不同特性包含的指標內容，并依據已有文件對個別指標給出參考標準或參考數值范圍等。

2 頂層設計指標分析

2.1 適應性指標

適應性主要是地鐵車輛在車輛外的特定環境條件下正常運行的能力。車輛外界因素分為氣候等自然環境條件、車輛運行的線路條件及車輛運營條件，車輛的適應性也相應分為環境適應性、線路適應性、運營適應性。各項指標的影響因素如圖3所示。

圖2 地鐵車輛頂層設計指標影響因素

圖3 地鐵車輛適應性指標的影響因素

對北京、上海及廣州等城市的地鐵線路技術條件進行分析，可得出共性的環境條件要求。

（1）環境適應性指標。環境溫度范圍一般為-5～45℃，北方寒冷地區低溫限值可達-25℃，極限最低溫度為-40℃。環境濕度方面按GB/T 7928規定應≤90%，沿海地區一般按99%。北京、上海及廣州的城市最大風速為90 km/h。海拔高度一般≤1 200 m；當高度＞1 200 m時，電工電子產品及空壓機等部件需按系數進行海拔高度修正。其他氣候條件按產品應用地域的實際情況考慮。

（2）線路適應性指標。一般地鐵限界執行CJJ 96—2003標準，根據城市建設規劃，分別執行A型、B型或C型地鐵限界；設計過程進行動態包絡計算；該指標主要影響車輛外形尺寸、車輛定距等參數，也將影響車頂空調的安裝方式。軸重方面，A型軸重≤16 t，B型軸重≤14 t，軸重指標主要影響整車重量分配、轉向架懸掛系統設計等。線路最大坡度為40‰，特殊路段坡度有45‰或50‰；坡度指標主要影響牽引系統及制動系統能力的設計，特別是故障模式或救援模式下的電機牽引性能。曲線超高一般為120 mm，個別為150 mm；曲線超高會影響行車速度、旅客舒適度等。根據GB 50157—2013規定，正線的最小曲線半徑為300 m，輔助線最小曲線半徑為150 m；一般對影響曲線通過能力的部件主要有轉向架、車鉤及貫通道等。

（3）運營適應性指標。站臺高度一般為1 080 mm，地鐵地板面高度需與站臺高度協調，根據GB 50157—2013《地鐵設計規范》第 4.1.13條規定，車輛客室地板面高度在任何使用情況下均不應低于站臺面高度。為保證該要求，除了考慮車輪直徑的影響外，還需要考慮空氣彈簧與高度閥等的設置要求及正常工作要求。目前，國內地鐵軌道交通供電電壓主要有DC 1 500 V、DC 750 V兩種，多為接觸網供電或第三軌供電。運營需求決定了車輛的速度、運能、牽引能力等指標。車輛速度要基于線路的站間距和運行時間等進行合理選擇和設定。同時結合客流情況和站臺參數，選擇合適的車輛編組形式。在牽引能力方面，需要根據實際運輸要求選擇合適容量的牽引逆變器和牽引電機。而在制動能力方面，隨著制動初速的提高，也要由踏面制動更換為盤形制動。救援和重聯的要求主要影響車鉤、供電系統、制動管路及網絡控制等的設計。

2.2 安全性指標

安全性在RAMS（可靠性、可用性、可維護性及安全性）中定義為“產品所具有的不導致人員傷亡、系統損壞、重大財產損失、不危害員工健康與環境的能力”。

地鐵車輛的安全分為主動安全和被動安全。主動安全包括運行安全、制動安全、氣動安全、結構安全、預警系統、故障導向安全。被動安全包括防火安全［3］、碰撞安全及防脫軌安全保護等。地鐵車輛安全性指標如圖4所示。

地鐵設計過程中，常用的安全指標參數及要求包括：脫軌系數≤0.8；輪重減載率≤0.6；平均全常用制動減速度（包括響應時間）≥1.0 m/s2；平均全常用制動減速度（不包括響應時間）≥1.1 m/s2；平均緊急制動減速度（包括響應時間）≥1.2 m/s2或≥1.3 m/s2；平均快速制動減速度（包括響應時間）≥1.3 m/s2；沖擊極限為0.75 m/s3；速度更高的地鐵車輛，可參照動車組設定尾車升力系數接近于零；車體強度滿足EN 12663標準；動車構架強度滿足UIC 615標準，拖車構架強度滿足UIC 515（拖車）標準；車軸強度滿足EN 13104（動軸）/EN 13103（非動軸）標準；車輪強度滿足EN 13260、EN 13979-1標準；防火安全和碰撞安全分別遵循EN 45545、EN15227標準要求。

圖4 地鐵車輛安全性指標

2.3 舒適性指標

旅客在對交通工具提出更方便、更快捷要求的同時，對乘車環境及舒適度也提出了更高要求。影響舒適性指標的主要因素包括振動、噪聲、壓力、溫度、濕度及照度等。在人機工程方面的舒適性指標影響因素主要體現在可通過性、可到達性、可操作性、可接觸性等方面。具體舒適性指標內容見圖5。

地鐵車輛車內噪聲指標分解主要與司機室、客室端部及中部、貫通道等部位的結構相關。其中司機室內噪聲控制重點關注前窗玻璃、司機室門、地板、密封等；客室端部及中部降噪主要與玻璃窗、客室側門、結構密封、結構斷面等相關；貫通道部分的噪聲控制主要與風擋、外端墻相關。

提高地鐵車輛的舒適度，要以乘客為核心，根據不同的人文特點和需求，進行相應設置。同時，還要為司乘人員提供便捷的操作條件。具體實現途徑為：提高輔助供電系統的冗余度，采用環境舒適度綜合調控系統及智能光感應照明系統，提高信息傳輸速度，優化地鐵車輛內部空間等。

圖5 地鐵車輛舒適性指標

2.4 可靠性指標

可靠性在RAMS中定義為“產品在規定的條件下和規定的時間內，完成規定功能的能力”。可靠性指標包括故障可能性、可維修性及可用性等方面。影響地鐵的故障可能性指標包括清客下線故障指標、3 min以上延誤故障（晚點）指標及維修故障（碎修、列檢）指標。為了提高車輛的可靠性，還需對關鍵系統或設備進行冗余設計。為了滿足可靠性要求，需在設計過程中，可將相關指標分解到地鐵的結構疲勞、磨損磨耗及抗老化等方面。

可維修性是指產品在規定的條件下和規定的時間內，按規定的程序及方法進行維修時，保持或恢復到其規定狀態的能力，即產品是否易修的能力。地鐵產品的可維修性指標包括在線更換單元時間、修復性維修（不抬車）時間、修復性維修（抬車）時間、平均修復時間等。通過分析北京、上海及廣州等城市的地鐵線路統計結果，一般在線更換單元為0.5 h左右；修復性維修（不抬車）為3 h左右；修復性維修（抬車）在6 h左右。

可用性是反映可維修產品使用效率的可靠性指標，能綜合反映產品的可靠性與維修性。目前地鐵車輛可用性要求為96%（維修及檢修停用時間共計為15 d/a），隨著軌道交通技術的不斷進步，可用性指標將不斷提升。

地鐵車輛電磁兼容需滿足相關標準的要求。其中，地鐵車輛對外輻射的電磁兼容需滿足EN 50121標準；對客室電磁環境的要求來說，地鐵車輛靜態磁場需滿足標準BSEN 45502-2中對人體植入式醫療設備（心臟起搏器）的要求；時變磁場需滿足標準ICNIRP對300 GHz以下時變電場、磁場、電磁場暴露限值的要求。

列車行車密度的提高對車輛的可靠性、可維護性和可用性也提出了更高的要求。這就要不斷優化產品結構，采用合理的連接方式、模塊化的部件及高性能的材料，設計過程中還要通過優化設備布置等手段，為檢修和維護提供便利條件，縮短地鐵車輛檢修時間。

2.5 環保性指標

隨著人們環保意識的不斷提升，綠色出行理念逐漸深入人心。這對地鐵車輛的環保性提出更高要求。地鐵車輛的環保性指標可分為車外噪聲、環境振動、電磁輻射、材料環保、節能高效、可持續發展等，如圖6所示。

圖6 地鐵車輛環保性指標

地鐵車輛車外噪聲主要是在行車過程中，由軌道結構和列車各個部分的振動經由大氣和大地的傳播而產生的。根據噪聲發生源與發生機構，鐵路噪聲可以分為輪軌噪聲、空氣動力學噪聲、電弧噪聲、橋隧結構物噪聲、機器噪聲等。目前國內地鐵設計過程中，主要執行 GB 7928、VDV-154和 ISO 3095《鐵路應用-聲學-軌道車輛外部噪聲測量》標準的規定。車輛設計時應重點從輪軌關系、車載設備等方面控制和降低噪聲，盡量減少對沿線環境的影響［4］。

地鐵引起的環境振動主要是輪軌相互作用引起的軌道結構振動。可通過降低簧下質量、保持良好的輪軌表面狀態、采用減振軌道結構等措施來控制環境振動。地鐵車輛振動與沖擊的測量或試驗執行ISO 2631、UIC 513和IEC 61373標準要求。

地鐵車輛電磁輻射不止影響舒適度評價，還影響環保性評價。地鐵的電磁輻射指標要保證車輛與周圍基礎建設的電磁兼容，避免出現電磁危害。車輛電磁輻射的管理有兩種途徑：一種是從源頭控制，加強對電磁輻射的抑制能力；一種是降低或直接阻斷電磁波輻射的傳輸。電磁輻射相關設計要滿足EN 50121、GB 8702標準要求。

材料及部件的防火、耐火、防煙、防毒要求應符合DIN 5510標準規定。地鐵車輛應使用無鹵低煙阻燃或無鹵低煙耐火電線或電纜，不使用可燃材料或燃燒后會產生毒氣的材料。地鐵內裝材料的選擇按照標準TB/T 3139—2006《機車車輛內裝材料及室內空氣有害物質限量》的要求。

通過采用新型材料（如碳纖維）降低重量、合理優化車輛外形降低運行阻力、采用制動或振動能量回收、提高牽引傳動效率等途徑實現節能高效。

為提高資源的利用效率、降低環境負荷、實現可持續發展，在地鐵車輛設計過程中，要多關注車輛的可再利用率和可回收利用率，多采用可拆解性結構，優化材料選擇和利用，避免過度設計。在軌道交通領域，國外車輛制造廠商已經將材料的回收利用率作為重要的、先進的評價指標之一，如法國的AGV高速列車材料回收利用率可達90%。

2.6 經濟性指標

經濟性是指從設計、制造到整個使用壽命周期的成本控制能力。全壽命周期經濟性包括生產經濟性（包括設計、制造等）、運行經濟性、維護經濟性。經濟性指標如圖7所示。

圖7 地鐵車輛經濟性指標

在設計、制造過程中，可通過規范流程、優化配置資源、減少資源的重復投入、提升資源利用率等措施來降低生產成本。要實現降低能量消耗的目標，可通過選用新型材料、優化車輛布局、合理配置各部件等措施來實現整車的輕量化；通過優化車輛外形可減小氣動阻力；通過優化車輪與軌道間的接觸，可減小機械阻力；采用新型能量回收技術，可提升制動或振動能量回收利用率；提升空調節能水平等也是有效措施。

在維修階段，應優化修程修制，建立地鐵車輛在線監測［5］及綜合故障診斷系統，利用信息化和數字化手段，實現車輛由計劃修向狀態修轉變。

3 結語

本文從適應性、安全性、舒適性、可靠性/可維護性、環保性、經濟性等方面對地鐵車輛的頂層設計指標進行了分解和分析。

適應性方面綜合考慮了各種外界因素，如自然環境、線路特點、運營需求等。安全性方面，對車輛從災害故障識別、障礙物檢測、脫軌檢測、防碰撞監控、應急處置能力等提出要求。舒適性方面，重點從乘客、司機、維修人員角度出發，提出了振動、噪聲、壓力、溫度、濕度、照度、人機工程參數等指標。在可靠性/可用性方面，從列車運維角度出發，通過提高車輛的服務水平、降低車輛故障率、提升故障診斷和預測水平等途徑，以提升RAMS指標。環保性方面，主要從節能、減振降噪、材料綠色可回收等方面進行控制；經濟性方面，從生產、運行、維護三個階段分析了影響地鐵經濟性的因素。

在以后的研究過程中，還需要對地鐵車輛的頂層設計指標進一步分析和細化，并研究如何將頂層指標正確分解到車輛的各子系統或零部件上去。通過頂層指標到具體部位的循環反饋和不斷優化，提升車輛的整體性能。

［1］ 張衛華.高速列車頂層設計指標研究［J］.鐵道學報，2012，34（9）：15．

［2］ 李澤宇，周偉旭.城際動車組頂層技術指標分析［J］.大連交通大學學報，2014，35（1）：11.

［3］ 冷映麗，薛淑勝，張琳.地鐵車輛防火安全設計現狀及發展建議［J］.城市軌道交通研究，2012（12）：28.

［4］ 韓文娟，董曉鵬.城市軌道交通列車噪聲標準分析研究［J］.電力機車與城軌車輛，2017，40（3）：75.

［5］ 李球，朱士友，龍靜.地鐵車輛在線監測系統的設計和應用［J］.城市軌道交通研究，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

*國家科技支撐計劃項目（2015BAG12B01-01）

2017-07-01）