城市軌道交通電客車技術發展趨勢展望

王 黎，趙 娜，王 強

（成都地鐵運營有限公司，四川成都 610058）

1 引言

隨著我國社會經濟的快速發展及城鎮化率的逐步提高，人們更加注重追求生活品質，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保、快捷、便利等諸多優點，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展階段，全面帶動了其電客車設計、制造的突飛猛進[1]。國內各整車及部件生產廠家為占領技術創新高點、引領行業發展，陸續推出相關新產品、新技術；同時，各城市軌道交通運營企業出于持續提升客服水平、維保效率、運營安全性等的考慮，向生產廠家及時進行產品及技術應用的效果反饋，這也成為電客車技術發展的強大內生動力。

為推進我國城市軌道交通電客車技術的發展和應用，在《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》[2]的引領下，基于新材料、新工藝、新方法、新技術的發展現狀及應用需求，對城市軌道交通電客車技術的發展趨勢進行展望，尤為必要。

2 城市軌道交通電客車系統簡介

電客車是城市軌道交通行車系統的核心設備，是復雜的機電一體化系統，由車體、轉向架、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、空調與采暖、乘客信息等系統構成；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接口功能。其需在經過設計、部件生產、整車組裝、調試、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），用戶可根據不同線路的運輸需求進行選擇。其車輛系統組成如圖1所示。

3 技術發展歷程

我國城市軌道交通電客車技術發展可分為以下3個階段。

（1）初探期（20世紀80年代）。當時的電客車技術以碳鋼車體、直流供電、非網絡控制及完全人工駕駛為特征，受當時工業水平限制，在安全、節能、環保、舒適性方面都較為落后。

（2）快速發展期（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，我國逐步實現了車門、空調、牽引、制動及網絡控制等核心系統的國產化。

（3）高速發展期（21世紀初至今）。在這個時期，產品譜系日趨完善，隨著智能化、數字化、系統融合技術的全面發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、制造產業生態圈已在國內成熟建立，特別是自主化牽引、制動等核心系統已實現了大批量應用。

4 技術發展趨勢展望

現階段，城市軌道交通電客車技術的發展更加注重高效、節能、環保、經濟、安全、智能化，展望其發展趨勢主要包括以下方面。

4.1 提升客服品質技術

乘客是城市軌道交通的服務對象，提升客服品質對于增強城市軌道交通的競爭力和吸引力至關重要，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（ANC）等。通過現車試裝驗證，這些措施可有效降低噪聲2～3 dB[3]。

（2）提高車輛氣密性。針對市域快線大規模建設的現狀，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，檢測車內外壓力波動變化，控制新風和廢排壓力保護裝置動作，以維持車內壓力穩定。同時，對車門采用輔助鎖閉+雙層密封結構 +內部填充的措施，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，以優化客室內氣流組織，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，并同時降低空調能耗。

（5）在空調控制方面，引入人工智能自動學習和控制優化功能，將車內溫度、濕度及乘車率等車上數據發送到地面服務器，利用人工智能實現空調控制的優化，從而達到精準動態調節客室溫濕度、使其始終保持在適宜范圍內的目標。

（6）利用智能照明系統，根據季節、時間等信息對車內照度及色溫進行全自動調節。

（7）利用智能導乘及多媒體顯示等技術，使信息呈現更加全面、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、智能清客、冷暖車設置等車內信息通過車地傳輸通道在相關地面系統中呈現，使導乘信息針對性更強[4-5]。

4.2 輕量化技術

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范要求的技術背景下，對于列車減重的需求日益強烈。輕量化技術可在此發揮巨大作用，同時也符合節能減排的大趨勢[6]。輕量化技術主要從設計、新材料應用等方面著手，對車體、轉向架、內裝等進行輕量化優化設計。目前，對于電客車車體及內裝系統，主要有車體設計優化（骨架優化）、超塑成型、整體成型等輕量化技術，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]；對于轉向架，可采用鋁/陶制動盤、空心車軸、永磁同步電機車軸驅動（省去變速箱及聯軸節）等輕量化技術[9-10]。

4.3 智能監測技術

隨著智能運維技術的發展，以實時健康狀態診斷為依托的“狀態修”代替“計劃修”已成為未來城市軌道交通裝備運維的大趨勢。“狀態修”是指通過對設備運行狀態數據進行監測，并在此基礎上結合故障機理建立退化模型、確定關鍵性能參數，以模型與數據組合驅動的方法實現設備故障預測與健康評估，指導維修決策優化與方案制定[11-12]，其實現的基本原理如圖2所示。

目前，研究人員基于電客車列車控制和管理系統（TCMS）及走行部、弓網、蓄電池、牽引、車門等關鍵子系統的控制機理，利用數字化感知、智能傳感、智能診斷、多鏈路傳輸、大數據、云計算等技術研究開發了車輛故障預警與健康管理（PHM）系統。該系統集列車運行狀態在途監測、故障智能診斷、健康狀態評估、網絡化運維等功能于一體，主界面如圖3所示。專業維護人員可利用PHM系統實時掌握列車運行狀態及故障預警、設備健康管理（評估、檔案、壽命預測）等相關信息，為電客車運維提供輔助決策支持。該系統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

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點。隨著列車全自動駕駛技術的發展，主動安全技術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的主動障礙物探測、脫軌檢測、火災探測等安全檢測系統。考慮到主動安全技術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 節能環保技術

提高城市軌道交通電客車的節能環保性是城市軌道交通綠色發展和居民健康舒適出行的根本需求。在節能方面，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在城市軌道交通領域開始了小規模的試裝驗證，為進一步節能降耗提供了新方向。在環保方面，使用環保制冷劑的二氧化碳空調（含熱泵技術）是發展趨勢；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；車體和客室內涂裝已全面應用水性涂料；新型車底防火涂料、電氣柜區塊式滅火材料開始小規模或試裝應用。

4.6 通信及控制技術

通信及控制技術的快速迭代發展為城市軌道交通電客車相關系統技術的進步帶來了前所未有的機遇。第五代移動通信（5G）、高速轉儲、以太網控車、三網（控制網、維護網、子系統網）深度融合、可編程邏輯控制單元（LCU）等技術[15-16]，為增強列控系統集成度、提高數據傳輸速度提供了強有力的技術支撐。上述技術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，為順應多專業融合的需求，列車自主運行控制系統（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 結語

本文從客服品質提升、輕量化、智能監測、安全保障、節能環保、通信及控制等多方面展望了城市軌道交通電客車技術發展趨勢。從安全性、成熟性、可靠性、經濟性等方面對新技術進行綜合考量，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，應充分結合自身的特點，參考技術應用效果，有針對性地選擇新技術進行應用，力求在提升客服品質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量、智慧化發展。