跨坐式单轨列车扩编方案及其影响分析

胡亚军

(中车浦镇庞巴迪运输系统有限公司，241060，芜湖//工程师)

城市轨道交通线路的远期客流预测值如果比初、近期明显增加时，通常会采用调整列车编组数予以解决，即：初、近期采用较小的列车编组，远期则采用较大的列车编组[1]。远期可采用的运营组织方案有两种：一是大小编组列车混合运营；二是将初、近期列车扩编成较大的编组，以适应远期增长的客流需要。为此，在对初期列车进行设计时，应充分考虑预留列车扩编的条件。本文以芜湖市轨道交通2号线、泰国曼谷黄粉线列车为应用实例，针对PBTS跨坐式单轨车辆由4辆编组扩编至6辆编组，从列车的性能、功能、系统架构、子系统等方面，对扩编方案进行讨论与评估。

1 扩编对列车性能及主要功能的影响分析

跨坐式单轨车辆从4节编组扩展为6节编组，将对车辆的若干性能产生重要影响，具体如表1所示；对列车主要功能的影响如表2所示。

表1 扩编对列车性能的影响

2 扩编后系统架构方案分析

2. 1 列车总体布置图

4节编组跨坐式单轨列车的编组形式为A1-C1-D1-B1(考虑到扩编需求，一般需在车型A、C、D、B后面加数字“1”)，其中：A1、B1为头尾车，C1、D1为一对中间车,其平面布置如图1所示。若扩编至6节编组，则需要增加一对中间车，即一个C车和一个D车。为了与既有的C1车和D1车进行区分，新增的中间车命名为C2车和D2车。扩编后的6节编组列车编组形式为A1-C1-D1-C2-D2-B1,平面布置如图2所示。

表2 扩编对列车主要功能的影响

图1 4节编组列车平面布置图

图2 6节编组列车平面布置图

列车扩编后，需要对列车网络和子系统的软件进行调整，为子系统分配新的网络节点地址，以适应新的车辆编组要求。所有的硬件设备不需调整，车体机械结构等无需变化。

2. 2 列车网络架构

跨坐式单轨列车网络采用总线式通信网络(CAN)，分为列车级CAN总线和车辆级CAN总线。其中：列车级CAN总线贯穿整列车，连接列车管理系统(TMS)主机、信号系统主机、TMS显示屏和维护端口；车辆级CAN总线分布在每辆车，用于连接每辆车内的车载子系统设备。4节编组列车网络架构如图3所示。每辆车设置一台TMS主机，本车TMS主机和临车TMS主机互为冗余，即A1和C1车TMS主机冗余、D1和B1车TMS主机冗余。图3中TMS主机之间的虚线即为冗余通信总线。正常状况时默认以本车TMS主机为主，故障时则改为以临车TMS主机为主。

图3 4节编组列车网络架构

扩展为6节编组后，列车级CAN总线上的设备不变，但新增了2辆中间车的车辆级CAN网络，总线上的总节点数量增加，总线负载率也会有所增加。6节编组列车网络架构如图4所示。TMS主机仍然两两互为冗余：A1和C1车TMS主机冗余，D1和C2车TMS主机冗余，D2和B1车TMS主机冗余。图4中TMS主机之间的虚线即为冗余通信总线。

图4 6节编组列车网络架构

2. 3 辅助供电系统架构

跨坐式单轨列车每辆车均有一套完整的辅助供电系统，能够为所有的车载设备提供不同制式(AC 380 V三相交流供电、AC 220 V单相交流供电、DC 110 V直流供电、DC 24 V直流供电)的电源。辅助供电系统采用冗余配置，本车与临车的辅助供电系统互为冗余。4节编组辅助供电系统架构如图5所示。辅助供电系统主要设备包含辅助逆变器、蓄电池、电源分配箱(图5中已用灰色线框标记出)。AC 380 V、DC 110 V和DC 24 V采用并网供电(A1车和C1车并网，D1车和B1车并网)，当本车的辅助供电系统故障时，临车的辅助供电系统能够继续为本车负载供电，不会引起供电中断。

图5 4节编组辅助供电系统架构

扩编为6节编组后，在原有4节编组基础上增加了2辆中间车，每辆车均有一套辅助供电系统，本车辅助供电系统与临车依然互为冗余，AC 380 V、DC 110 V和DC 24 V等制式仍采用2车之间并网供电方式，但此时并网连接关系相比较4节编组车辆有所变化：A1车和C1车并网，D1车和C2车并网，D2车与B1车并网，如图6所示。

3 扩编后列车子系统方案分析

3. 1 车体

跨坐式单轨车体由车顶、端墙、底架、侧墙组成，4节编组列车扩展为6节编组后，仅增加C2和D2两节车的车体，但每个车的车体内部结构不发生变化。

图6 6节编组辅助供电系统架构

3. 2 转向架

跨坐式单轨转向架由构架、走行轮、导向轮、二系悬挂、牵引连杆等组成。4节编组列车扩展为6节编组后，仅增加C2和D2车转向架，转向架自身不发生变化。

3. 3 内装

4节编组列车扩展为6节编组后，每辆车的内装设备配置不变，车辆内装风格也不会发生变化。

3. 4 空调

跨坐式单轨车辆每辆车均设有一套顶置式空调系统。当4节编组列车扩展为6节编组后，增加了中间车空调系统。对空调系统自身而言，硬件无需变化，但软件上需要进行相应调整，比如车辆号、总线节点地址的变化等。

3. 5 车门

跨坐式单轨车辆每辆车设有4个(每侧2个)微动塞拉式车门。当4节编组列车扩展为6节编组后，增加了中间车车门，对车门系统自身而言，硬件无需变化，但软件需要进行相应调整，比如车辆号、总线节点地址的变化等。

3. 6 辅助供电系统

辅助供电系统为车辆负载提供电源，满足不同负载的用电需求。根据前文所述，当4节编组列车扩展为6节编组后，辅助供电系统架构会相应发生变化。辅助供电设备硬件无需变化，设备软件由此需要进行相应调整，比如车辆号、总线节点地址、扩展供电指令等。

3. 7 牵引系统

跨坐式单轨车辆每辆车有2套独立控制的牵引系统，为车辆提供牵引动力和电制动力。每套牵引系统包含1台电抗器、1台牵引逆变器和1台电机。2台电抗器集成在1个电抗器箱内，2个牵引逆变器集成在1个牵引逆变器箱内，电机安装在每个转向架的走行轮轮毂内部，如图7所示。4节编组列车扩展为6节编组后，对牵引系统自身而言，硬件无需变化，但软件需要进行相应调整，比如车辆号、总线节点地址的变化等。

图7 跨坐式单轨车辆牵引系统示意图

3. 8 制动系统

跨坐式单轨车辆每辆车均设有一套液压制动系统，采用故障导向安全的设计理念，满足车辆在不同负载情况下的制动力需求。制动系统提供常用制动、停放制动和紧急制动，其中：常用制动包含电制动和液压制动，常用制动优先采用电制动，当电制动力不足时由液压制动进行补充。当4节编组列车扩展为6节编组后，增加了中间车制动系统，对液压制动系统自身而言，硬件无需变化，但软件需要进行相应调整，比如车辆号、总线节点地址的变化等。

3. 9 车钩系统

跨坐式单轨车辆车钩系统由半自动车钩、防爬器、半永久牵引杆组成，其中：半自动车钩和防爬器位于列车头尾两端，半永久牵引杆用于列车内部车厢与车厢之间的连接。4节编组列车车钩系统组成如图8所示。

图8 4节编组车钩系统组成

6节编组在4节编组的基础上，增加了2辆中间车的半永久牵引杆。列车车钩系统组成如图9所示。

图9 6节编组车钩系统组成

3. 10 车载通信系统

跨坐式单轨车辆每辆车有一套车载通信系统，通过环形以太网络为列车提供广播、多媒体显示和视频监控等功能。车载通信系统设备主要包含车载通信主机、客室主机、交换机、监控触摸屏、功率放大器以及终端设备(摄像头、扬声器、多媒体屏、端部显示器、动态地图、车侧显示器等)。4节编组列车扩展为6节编组后，增加了2辆中间车的车载通信系统设备，列车环形以太网络接入新增中间车的交换机和客室主机。车载通信主机的软件也随之需要进行调整。此外，需要注意的是，如果原有4节编组方案中的视频监控存储设备位于头尾车，则扩编后由于列车的摄像头数量增加，存储设备容量要求也会随之增大。

3. 11 列车控制系统

跨坐式单轨车辆采用全自动无人驾驶。正常情况下列车为自动驾驶模式，由车载信号系统进行列车控制；紧急情况下(如信号系统故障、救援工况)改为由司机手动控制，通过手动控制系统设备发出主要控制指令。当4节编组列车扩展为6节编组后，车载信号系统和手动控制系统软件需要进行相应调整，用于列车控制的列车线(如车门使能、紧急制动、牵引使能列车线等)长度增加。

3. 12 列车网络

跨坐式单轨车辆TMS网络采用CAN总线式网络。TMS设备包含TMS主机(包括电源模块、通讯模块、处理器模块、输入/输出模块)和显示屏组成。4节编组列车扩展为6节编组后，TMS系统设备软件需要进行相应调整，比如:TMS主机总线管理和节点地址分配功能需要改变，以适用更多的总线节点设备;显示屏需显示6节编组车辆信息等。

4 结语

既有PBTS跨坐式单轨车辆列车扩编是可能的。列车扩编主要涉及列车总体布置、列车网络、辅助供电、车载通讯、列车控制，以及其它带有软件功能的部件和子系统。列车扩编应考虑列车在性能、功能、系统架构、子系统方案等方面的影响，并在设计初期提前预留的远期扩编条件。