市域車輛選型及應用的幾點分析

李耘蘢 徐紅星

（中鐵合肥新型交通產業投資有限公司，合肥 231600）

市域鐵路也被稱為市郊鐵路或者市域（郊）鐵路，主要服務于城市與郊區、中心城市與衛星城、重點城鎮間等，設計速度一般為100～160 km·h-1，具有快速、高密度、公交化運營的特點，承擔著市域范圍內“點到點”中短途客流運輸的任務。市域鐵路客流強度介于城際鐵路與城市軌道交通之間。目前，市域鐵路的建設呈增長趨勢。全面認識市域車輛的特點和定位顯得尤為重要，能夠避免選型和應用存在偏差。若采用與客流走廊不匹配的車輛，將會顯著降低線路的技術經濟性或犧牲項目的功能性[1]。在市域鐵路建設初期，多種形式的問題可能交叉呈現，但隨著建設經驗的豐富、車輛技術的成熟、設計標準的完善等一系列規范措施，市域鐵路的建設邊界越來越清晰。

1 市域車輛的類型

1.1 市域車輛的定義

2017年，國家發改委下發《關于促進市域（郊）鐵路發展的指導意見》后，國內市域鐵路進入了快速發展期。為了明確市域鐵路的建設邊界，各協會和地方都開始起草相關設計標準，以明確市域車輛的定義，具體定義如表1所示。

比較典型的市域鐵路項目如溫州S1/S2、臺州S1、寧滁城際（S4）、成都18號線、廣州18號線等，車輛遵從GB/T 37532和TCCES2標準的定義。從TCRSC0101和T_CAMET 01001標準的定義來看，市域范疇又有一定延伸，城際、城軌間等又存在一定的交叉情景。

1.1.1 往城軌領域的延伸

在傳統的地鐵車輛A型車或B型車基礎上，車輛速度由80 km·h-1提升至100～120 km·h-1，通常連接城市中心樞紐到郊區組團，如南京機場線（S1）、寧天城際（S8）、寧和城際（S3）、寧高城際（S9）、寧溧城際（S7）、寧句城際（S6）、杭州杭臨城際、杭海城際、杭富城際、杭紹城際以及上海16號線等。

1.1.2 往城際鐵路的延伸

城際鐵路采用由國家鐵路局頒發型號許可和制造許可的動車組，包括CRH6（中車四方和中車浦鎮）、CJ6（中車株機）、CJ5（中車長客）以及CJ3（中車唐山）等型號。城際鐵路均在高速動車組基礎上進行了適應性調整，建設和運營主體多為國家鐵路部門或納入國家鐵路部門管理的項目公司，線路通常由新線建設或既有國家鐵路改造，如上海金山線、長株潭城際以及廣珠城際等。

1.2 市域車輛的選型原則

根據國內外城市軌道交通車輛選型的經驗，結合中國市域鐵路的相關政策、發展理念以及現有的市域車輛技術標準，提出以下市域車輛選型的主要原則。

1.2.1 適應市域鐵路功能定位要求

《關于促進市域（郊）鐵路發展的指導意見》（發改基礎〔2017〕1173 號）中提出“要根據市域（郊）鐵路的需求特征、服務對象、服務范圍等，合理把握其功能定位”。因此，在選擇車型時，應使車型符合市域（郊）鐵路的技術定位[2]。同時，車輛的選型應以滿足客運量為前提，并以設計遠期單向高峰小時最大斷面客流量為最終擴容目標。

1.2.2 符合維修技術資源共享

市域車輛選型時，要統籌兼顧，控制車輛制式的類型，實現城市軌道交通網絡中車輛、維修設備以及人力資源等的資源共享[3-4]，同時兼顧遠期軌道交通網絡化運營需求，考慮車輛配套設施的兼容性。

1.2.3 兼顧成本因素

綜合功能需求、建設投資和運營成本，選擇壽命周期成本低的車輛。由于各種車型的特性不一樣，必須結合工程實踐，全面分析不同的影響因素，綜合比選車型、供電制式等。

1.2.4 適應多樣化的運營模式

市域鐵路有非常明顯的客流特征，如：在上下班高峰期客流很大，但平峰期客流較小；樞紐站點客流很大，但沿途站點客流較小。同時，其運營模式在不同時期也會存在一定不同，需要車輛性能既能滿足一站直達式的連續運營模式，又能滿足站站停的運營模式。

1.2.5 規避車輛選型和應用的潛在風險

在具體的產品選型和設計工作中呈現出的個別問題值得分析和探討，在實際應用項目中應盡量規避潛在風險。例如：針對GB/T 37532標準中定義的市域A型、B型及D型車輛，以及市域B型車的可實現性、市域D型車質量控制的可實現性、互聯互通的可實現性等問題。

2 基于交流25 kV供電的市域B型車輛的可實現性

根據GB/T 37532標準，市域B型車輛可以采用交流25 kV或直流1 500 V供電，定距為12 600 mm。 但是在具體的車輛設計工作中，如果是基于交流25 kV 供電制式，將會存在一些問題。

2.1 從車輛設備布置的角度

采用交流25 kV供電制式，相對直流1 500 V來說，多出了降壓、整流環節，也會相應地多出變壓器，且變流器箱體更大。市域B型車輛12 600 mm的定距較小，使得車下設備布置困難。圖1給出了帶變壓器、變流器的兩節車設備布置分析，顯然設備無法正常布置。

2.2 從國內車輛運用的角度

重慶市郊鐵路跳磴至江津線車輛采用交流25 kV和直流1 500 V的雙流制供電制式，在車輛選型時，并沒有采用市域B型車輛，而是只采用了B型車輛的長度，同時設計了13 400 mm的定距，稱之為As型車輛，滿足了車輛與交流25 kV供電制式的適應性。國內其他適應交流25 kV的軌道交通車輛定距均在 15 700 mm及以上。GB/T 37532標準中定義的基于交流25 kV供電制式的市域B型車輛因為存在適應性問題，尚未應用到實際項目中。

2.3 從國內標準定制的角度

GB/T 37532—2019、TCCES2—2017、DB33T1160—2018、T_CAMET 01001—2019等標準都定義了交流市域B型車，而中國鐵道學會發布的TCRSC 0101—2016市域鐵路設計規范中并未定義市域B型車，僅僅定義了市域A/D/CRH這3種車型，顯然該標準的定義已考慮了實際工程化的運用。

上述分析均是基于業內常規的車輛平臺和設備廠家提供的設備尺寸，很難在12 600 mm定距的B型車輛上安裝交流25 kV的電氣設備，可實現性較低。在不考慮經濟性的前提下，突破車輛及電氣部件的傳統平臺，可以考慮從以下幾個角度同時進行升級設計，最終布置效果如圖2所示。

（1）重新開發牽引設備，進一步縮小變流器、變壓器的尺寸，使設備高度集成化。

（2）取消高壓箱，犧牲設備維護性，使高壓設備不再安裝于車下，而是分散安裝在車頂。

（3）取消附加風缸，重新開發轉向架構架，將附加風缸集成于構架內部腔體。

（4）犧牲客室部分空間及乘車舒適性，將部分設備如輔助升弓設備、高壓安全互鎖等設備布置于車內。

通過上述分析，對車輛平臺進行了改動，在尚未考慮箱體周邊需要預留足夠通風散熱空間的情況下，理論上具備B型車輛與交流25 kV的電氣設備的兼容性，但需要付出較大的技術成本，且犧牲了很多設備的可維護和可操作性，因此在選擇基于交流25 kV供電制式的市域B型車輛時還需慎重評估考慮。

3 關于極端工況下市域D型車輛軸重控制的可實現性

基于GB/T 37532標準定義的市域D型車輛的軸重應控制在17 t以內，對市域D型車輛的質量控量提出了很高的要求。以行業中空鋁合金車體的質量控制為例，動車質量控制較好的在48 t，拖車質量控制較好的在46 t。因此，在極端工況下，市域D型車的軸重能否控制在標準范圍內值得分析和探討。極端工況包括：AW3載客工況對站席定義為每平米9人；車輛的門設置較多（如中間車設置6套雙開門）；車輛不設置衛生間和工具間；車輛端部設置縱排座椅；車輛配置齊全，包括壓力波探測、設備艙、智能監測設備等[5]。本文以4節編組（Mc+T+T+Mc）市域D型車設計為例，平面布置圖如圖3所示，對應的載客量如表2所示。完成車輛設計后，通過質量控制和質量計算，最終設計的軸重如表3所示。

表2 各種工況下的載客量

表3 各種工況下的最大軸重

通過上述車輛布置及軸重的設計，能夠滿足在極端工況下控制市域D型車輛的軸重小于等于17 t的要求，具有可實現性，但設計余量非常小。在以下更極端的情況下，軸重將很難控制：進一步減少橫排座椅，增加縱向座椅，從而增加站立面積；進一步增加車門數量，從而增加站立面積；進一步增加車輛設備，如帶水箱的高壓細水霧噴淋滅火系統等。

在項目執行過程中，極端工況下的市域D型車輛的質量控制非常重要，對設備的選型、材料的運用、座椅布置等方面都提出了一定要求。通過對市域D型車輛的設計，現提出以下幾點建議：第一，車輛非全隧道運營時，建議不增加設備艙及壓力波檢測設備等，以降低車輛自重；第二，在滿足上下車時間和乘客疏散需求的前提下，建議減少車門的數量，以減少門區站立面積；第三，市域車輛作為長距離通勤工具，超員載客不建議按照每平米9人，應兼顧舒適性，在客流預測及列車數量配置時，控制在每平米6人左右；第四，若線路有經過交通樞紐，可以考慮在車輛端部設置大件行李架，從而在提高車輛人性化的同時，減小站立面積；第五，在項目設計時，遇到市域D型車輛超軸重時，應從降低自重、調整設備布置及減少站立面積等維度進行設計。另外，若采取的方法是不斷壓縮站立面積，則采用D型車輛的選型決策已經失去意義，建議考慮市域A型車輛，從根本上解決問題。

4 互聯互通的可實現性

4.1 概述

在市域項目的前期規劃階段，有較多的客戶提到“互聯互通”或“三網融合”“四網融合”等概念，希望市域鐵路能與干線、城軌范圍的其他線路完全聯通，使市域車輛可以無障礙通行到其他線路上。對于市域鐵路而言，一種是與城際鐵路及其他干線鐵路互聯互通，另一種是與城市地鐵互聯互通。若這兩類互聯互通能夠實現，會使跨市域出行的便捷度大大提高，對于縮短乘客換乘接駁時間、提高直達率具有重要意義。但是，從供電制式、限界、信號等多個技術因素的角度來分析，這兩類互聯互通的實現存在困難。

4.2 供電制式

城市地鐵普遍采用直流1 500 V的供電制式，而城際及其他干線鐵路通常采用交流25 kV的供電制式。若要實現市域鐵路互聯互通，必須要使供電制式一致或者車輛兼容這兩種供電制式。隨著技術的發展，交直兩用的“雙流制”車輛解決了牽引供電兼容問題，如重慶市郊鐵路跳磴至江津線車輛就采用了交流 25 kV和直流1 500 V的雙流制。

一般情況下，市域車輛采用雙流制，除了要考慮更高水平的技術因素，還要考慮車輛適應更寬的運營速度范圍。同時，線路的速度目標值也會直接影響牽引供電系統選擇及供電能力設計。從車輛最佳功率配置、弓網受流質量和實際工程應用情況分析，供電制式與速度等級的匹配如表4所示。

表4 不同速度等級對牽引供電制式選擇的影響

從表4可以看出，雙流制車輛既要適應直流供電制式的低速范圍，又要適應交流供電的高速范圍，因此雙流制市域車輛的選型和設計往往要適應120～160 km·h-1甚至更寬的運營速度范圍。

4.3 限界條件

互聯互通線路首要的任務是統一建筑限界，以適應車輛等設備的尺寸差異。對于不同限界標準的線路，國外一般采用單向過軌的方式運營，即形體小的車輛可以跨線運行到形體大的車輛線路上。建筑限界方面，最容易實現互聯互通的是市域A型車輛。市域A型車輛可以與車寬相同的地鐵A型車輛互聯互通，也具備在城際鐵路上過軌運行的條件[6]。若采用市域D型車輛，由于其車體更寬（3.3 m），將無法與地鐵互聯互通，但具備與城際鐵路互聯互通條件。

4.4 信號模式

目前，城市地鐵采用的信號系統主要包括基于數字軌道電路的列車自動控制系統（Automatic Train Control，ATC）、環線通信列車自動控制系統（Communication Based Train Control System，CBTC）、無線CBTC系統、點式列車自動防護子系統（Automatic Train Protection，ATP）和列車自動運行系統（Automatic Train Operation，ATO）。國家鐵路線主要采用CTCS-0、CTCS-2、CTCS-3級列控系統，珠三角城際鐵路采用的系統為CTCS-2+ATO列控系統。

從互連互通性來看，城市地鐵的幾種信號制式均不能滿足完全的互聯互通，由于目前尚無通用的、完整的技術體系，以各系統提供商的技術體系為主，難以做到CBTC系統下完全互聯互通，市場開放度低。但隨著技術的發展，它們的互通性在一定的限定條件下存在可能性，如2019年重慶軌道交通5號線CBTC互聯互通系統示范項目正式進入試運行，表明我國城市軌道交通信號系統進入互聯互通時代。國鐵線CTCS系列信號系統建立在統一、標準的體系下，具備較好的系統兼容性，易于實現市域鐵路網內或者與國鐵交通線網的互聯互通[7]。

從工程的經濟性來看，城市地鐵的幾種制式明顯高于國鐵制式。同一項目的信號工程造價，城市地鐵制式一般高于國鐵制式2倍以上。從目前的維護實踐來看，城軌的維護量、維護成本均高于國鐵線，且CTCS系列具有完整的技術體系，能實現列車的互聯互通和資源共享，市場開放程度高[8]。因此，新建市域鐵路需要與城際鐵路互聯互通，必須采用CTCS系列，如CTCS-2+ATO。若市域鐵路與城市地鐵互聯互通，必須在設計規劃互聯互通線路時，做好不同系統提供商間CBTC信號系統的兼容性。

4.5 其他互通需求

要實現市域車輛運行到城際、城軌線路上的互聯互通，需要具備一定的過軌客流需求。只有當都市圈內的客流需求及特征滿足一定的條件時，才有實施互聯互通一體化運營的必要，才能發揮列車過軌運營的優勢。

市域鐵路與城際鐵路或城市地鐵線路互聯互通，涉及的其他兼容問題包括市域鐵路運輸組織（國鐵上線條件、輔畫運行圖技術條件、線路行車規定等）、運營管理（票務系統設計、站廳站臺設置方案、運營指揮調度、站臺門等）、系統能力（折返能力、區間通過能力、信號設備允許能力）、聯絡線修建方案以及車站布置方案等。其中，國鐵上線條件又包括城際列車編組輛數及到發線有效長度、運行時段、停站及越行方案、配線設置等。

4.6 實現互聯互通的要點

通過分析上述互聯互通的因素，要實現城際線路與城市軌道交通線路的互聯互通。理論上，市域A型車輛具備條件，滿足的要點包括：限界能夠滿足城軌A型車輛的限界條件；供電采用雙流制模式，在城軌線路上采用直流1 500 V， 在城際線路上采用交流25 kV；信號采用CTCS-2+ATO列控系統，能夠實現兩種信號模式的切換；車輛技術在城軌A型車輛的基礎上進行雙流制、多模信號控制的升級；運營管理上要有更多的統一管理機制，以確保統一和安全。

為實現以上各個條件下的互聯互通，顯然要付出較大的代價。若考慮廣義上的互聯互通，即通過換乘的方式來實現，則要劃算得多。現實項目中，可以在如何更加方便換乘方面不斷進行優化。

5 結語

隨著市域鐵路的功能更加明晰、建設更加規范，市域車輛的選型應充分考慮國家發改委等部門的指導意見，既要具備大載客量、快起快停、快速乘降等地鐵車輛的優點，又要擁有速度快、舒適性高等城際動車組的優勢，以滿足市域鐵路“快速、大運量、公交化、乘坐舒適”等運營需求。在項目規劃和執行過程中：實現基于交流25 kV供電制式的市域B型車輛較困難，應盡量避免；在存在極端工況的運營線路中，選擇市域D型車輛存在軸重控制困難的問題，可考慮選擇市域A型車輛；關于互聯互通，理論上市域A型車輛可以實現，實際應用中考慮以換乘的方式來實現互聯互通更具可行性。