上海轨道交通15号线全自动驾驶列车设计概述

杨苑斐,申永勇,王子超

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 设计背景

上海轨道交通15号线是上海市轨道交通网络中一条重要的南北径向线,途经宝山区、普陀区、长宁区、徐汇区、闵行区等五个行政区,正线全长约42.3 km,均为地下线,设30座车站。

项目初期配置车辆54列,由中车长春轨道客车股份有限公司、上海轨道交通设备发展有限公司负责整车设计、生产及试验。上海轨道交通15号线列车作为设计方在上海的首个全自动驾驶列车项目,受到业界关注。笔者对上海轨道交通15号线全自动驾驶列车进行设计概述。

2 列车总体情况

上海轨道交通15号线列车为全自动驾驶列车,列车及子系统的功能和设计满足IEC 62290-1—2014《轨道交通 城市指导运输管理和命令/控制系统 第1部分:系统原则和基本原理》中最高等级GOA4等级的要求。列车设计成熟可靠,全自动驾驶的可靠性、安全性满足EN 50126《铁路应用 可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)规范和说明》、EN 50128《铁路应用 通信、信号和处理系统 统一铁路控制和防护系统软件》、EN 62267《铁路设施 都市自动化有轨运输 安全要求》。列车采用A型铝合金车体,每列车六节编组,如图1所示。每列车四动两拖,Tc1、Tc2为带司机室的拖车,Mp1、Mp2为带受电弓的动车,M1、M2为动车。列车最高运行速度为80 km/h,长140 m,宽3 m,最大载客量为2 670人。

列车车体采用模块化、轻量化、整体承载的大型中空挤压铝型材焊接而成,在既有A型车平台结构的基础上,优化结构以减少焊接量,优化型材断面以实现轻量化,满足强度及碰撞要求,成熟可靠,使用寿命不短于30 a。

列车内装基于现代美学观点及人机工程学要求,采用技术成熟的材料和工艺方法,本着轻量化、模块化、节能环保、便于维护的原则进行设计,设施功能完备,总体布局和装饰美观、时尚,颜色和质地协调。

图1 上海轨道交通15号线列车编组

列车前端结构设计从全自动驾驶功能与特点出发,取消司机室侧门与司机室隔断,增加司机室三角侧窗,使客室与司机室完美融合,视野开阔,简洁大气。司机室铝骨架与玻璃钢面罩安装方便,工艺成熟可靠。

列车车钩结构简单牢固,便于维护。使用新型气液缓冲器,减轻车钩受力时的冲击,技术成熟先进,部件安全可靠,满足车辆连挂、运行及碰撞过程中的车钩受力和能量吸收要求。

列车贯通道设计为一块板的柔性内饰板结构,采用内外双层折棚形式,成熟可靠,便于维修维护,且隔声隔热性能良好,满足各工况运行要求,为乘客提供安全舒适的乘车环境。

列车转向架为CW4000型为轴承外置无摇枕型式,是中车长客成熟可靠的平台产品,经过众多项目的多年应用考核,确认具有优异的运行平稳性、安全性和可靠性。基于全自动驾驶需求,增加列车走行部车载故障诊断系统、障碍物检测系统、脱轨检测系统等设备安装的接口。

列车牵引系统具有系统自检及故障复位、中央控制室远程监控、故障诊断及保护、硬件设备保护、蠕动和跳跃、牵引过压和过流保护、牵引系统轮径自动校准等功能,同时增设防火电缆,以提高安全性。

列车车门采用电动双开内藏式移门,是经过长期使用验证的成熟产品,具有高度可靠性和安全性,以及良好的密封性,能够实现双安全互锁回路、远程诊断、屏蔽门对位隔离等功能,完全满足全自动驾驶车门控制要求。

列车制动采用成熟的架控系统,电制动力和空气制动力在整列车内进行混合分配,最大限度利用电制动力,延长闸瓦使用寿命,降低维护成本。增设数据记录仪,实时记录制动系统状态和运行数据。

列车空调采用变频热泵系统,节能环保,温度控制精准。通过中顶、侧顶复合送风方式,提高乘客的舒适性。新增系统上电自检、远程温度调节、火灾与风门远程联动控制功能,以适应全自动驾驶要求。

列车乘客信息系统由车载广播系统、媒体播放系统、列车视频监控系统三个子系统组成,既可以独立完成各自功能,又能够通过通信接口进行互联互动,实现全车音视频同步播放显示,为乘客提供直观、准确、全面的信息服务。

3 列车设计亮点

上海轨道交通15号线列车技术先进,性能优异,简要概括具有五方面设计亮点,分别为智能化程度高、安全可靠性高、造型美观、舒适性与人性化水平高、轻量化水平高。

3.1 智能化程度高

上海轨道交通15号线列车具有自动实现列车唤醒、准备、自动自检、自动运行、自动停车、自动开关车门、休眠,以及在故障情况下自动恢复等功能,属于城市轨道交通系统自动化水平最高等级,代表了未来城市轨道交通技术的发展方向。全自动驾驶列车在正点率、设备故障率、人员调配、资源占用等方面相比有人驾驶列车均有明显优势,有效提高了运营效率。

(1) 根据列车自动控制指令,实现休眠、自动激活、启动等操作。

(2) 发车前自动完成系统自检,包括列车牵引与制动控制、车门控制、空调、照明、车载通信、风源系统等,向中央控制室发送自检结果和列车准备就绪状态报告。

(3) 根据车载自动控制系统接收到的地面信息,自动控制列车实现加速、减速、制动等。

(4) 到站后,自动控制列车安全、精准停车,并控制车门和屏蔽门开关,具有对位隔离功能。停站时间可事先设置。

(5) 车载故障诊断系统实时记录运行和维护数据,并通过车地间无线传输设备向中央控制室传送数据。

(6) 车辆段和停车场全自动运行区域内,列车运行由控制中心自动控制。必要时,调度员可进行人工控制。设备或通道发生故障时,可转为车场调度控制中心级功能,实现自动或人工控制。

(7) 出现故障不能正常运营时,可采用降级运行模式,由控制中心或邻近车站向列车发出远程蠕动指令,使故障列车以缓慢的速度运行至规定的停车位置。

列车采用基于逻辑控制单元的智能电气柜系统,取代传统电气柜中的时间继电器、中间继电器等低压电器和大量迂回电路,能够实现实时监控,故障可追溯,与列车控制和管理系统列车数据共享,使电气柜轻量化、模块化,且简化布线。

3.2 安全可靠性高

上海轨道交通15号线列车进行独立第三方安全评估认证,列车全自动驾驶的可靠性、安全性符合EN 50126、EN 50128、EN 62267等标准要求,独立第三方安全评估涵盖列车设计、生产、试验、调试和质保期运营全过程。

根据列车全自动驾驶的安全性等级要求,对主要系统进行了安全完整性等级定义,要求各系统严格执行,并进行独立第三方安全完整性等级认证。

弓网检测系统、脱轨检测系统、烟火报警系统、轴温检测系统、障碍物检测系统等多维度安全检测体系保证全自动驾驶列车的安全、可靠运行。

根据列车全自动驾驶场景,对主要系统进行危害性分析,增加列车控制电路可靠性冗余,保障列车在电路单节点故障情况下不受影响。

列车还进行了独立第三方防火评估认证,确保车辆及零部件材料防火等级满足EN 45545《材料及元件防火要求》,确保电气柜满足BS 6853《轨道车辆材料防火测试标准》中结构耐火30 min的要求,并确保底架地板结构满足ASTM E119《建筑物和建筑材料防火检测》中结构耐火45 min的要求。

3.3 造型美观

上海轨道交通15号线列车外观造型圆润饱满,简洁时尚,如图2所示。车身主体为白色,搭配黑色窗带与前脸,配色经典,整体分色流畅动感。在车头上增加椭圆形分色,活泼灵动。车身腰带及车头椭圆形分色采用具有金属质感的金色贴膜,亮丽动人。采用三角形司机室侧窗设计,使列车显得动感时尚,充满活力。一体式前照灯大气磅礴,充满科技感。

图2 上海轨道交通15号线列车外观

列车内装造型力求简洁大方,如图3～图9所示。列车内装颜色以经典的白色为主,搭配雅致的金色。一体式侧墙板搭配大尺寸车窗玻璃,使列车显得更加宽敞明亮。圆弧形铝合金扶手时尚美观,客室铝合金扶手突破以往表面氧化处理方式,创造性地使用银灰色金属漆,既稳重美观,又耐磨经用。客室氛围灯时尚美观,打破常规,充满个性化。独特的挡风板造型亮眼夺目,带有米色斑点的橡胶地板布十分考究,金色玻璃钢座椅贵气十足。点缀的米黄色吊环与座椅、地板布相得益彰,既呼应线路色,又为整个内装增添一抹光彩,使人眼前一亮。开放式司机室与客室完美融合,使车内空间、视野更加开阔。列车内部整体感觉简约大气,宽敞明亮,经典雅致。

3.4 舒适性与人性化水平高

上海轨道交通15号线列车从以下几个方面来提高乘客舒适性:

(1) 采用中顶、侧顶复合出风方式,减少吹风感,提高整车送风和温度均匀性,进一步提升乘客感受;

图3 上海轨道交通15号线列车内装整体

图4 司机室内装

图5 环形氛围灯

图6 带显示屏氛围灯

(2) 采用自动调光变温发光二极管客室照明,根据春夏秋冬季节变化自动调节光照色温,根据客室环境自动调节光照亮度,充分彰显人性化设计理念;

图7 挡风板

图8 充电台、腰靠与轮椅固定器

图9 扶手与吊环

(3) 客室扬声器、摄像头、动态地图、目的地显示器、多媒体显示器、可视化紧急报警装置等乘客信息设备布置合理,方便乘客出行;

(4) 座椅、扶手、吊环设置充分考虑人机工程学,轮椅区域合理设置腰靠、扶手、通用串行总线充电插座,以人为本,提高乘客舒适性;

(5) 开放式司机室通过司机台、座椅、紧急隔离带的合理设计,实现全自动驾驶与有人驾驶的自由切换,既保证运营安全,又使乘客尽情享受通透明亮的车内空间。

3.5 轻量化水平高

轻量化不但能减小列车的运行阻力,降低牵引能耗,而且能减小轨道压力,减少轮轨磨损。轻量化设计可以实现节能减排,产生较大的经济和社会效益。上海轨道交通15号线列车进行了轻量化工作,通过换材料、改结构、降厚度、优化设计、设备集成等多种手段,最终确定了合理的轻量化措施。在牵引辅助设备质量较大、参考项目质量较大的情况下,通过轻量化实现每节列车减轻质量近1 000 kg,最终满足了轻量化要求。

4 结束语

上海轨道交通15号线全自动驾驶列车是中车长春轨道客车股份有限公司、上海轨道交通设备发展有限公司从用户需求出发,融合最新行业技术,自主创新、正向设计的崭新成果,是当今行业先进、前沿技术的代表。这款列车将进一步改善乘客的乘坐体验,提高出行效率,为城市增添风采。