城市轨道交通电客车技术发展趋势展望

王 黎，赵 娜，王 强

（成都地铁运营有限公司，四川成都 610058）

1 引言

随着我国社会经济的快速发展及城镇化率的逐步提高，人们更加注重追求生活品质，特别是对出行便利性的要求不断提高。城市轨道交通因其环保、快捷、便利等诸多优点，逐步成为城市居民出行的重要公共交通方式。目前，我国城市轨道交通已处于高速发展阶段，全面带动了其电客车设计、制造的突飞猛进[1]。国内各整车及部件生产厂家为占领技术创新高点、引领行业发展，陆续推出相关新产品、新技术；同时，各城市轨道交通运营企业出于持续提升客服水平、维保效率、运营安全性等的考虑，向生产厂家及时进行产品及技术应用的效果反馈，这也成为电客车技术发展的强大内生动力。

为推进我国城市轨道交通电客车技术的发展和应用，在《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》[2]的引领下，基于新材料、新工艺、新方法、新技术的发展现状及应用需求，对城市轨道交通电客车技术的发展趋势进行展望，尤为必要。

2 城市轨道交通电客车系统简介

电客车是城市轨道交通行车系统的核心设备，是复杂的机电一体化系统，由车体、转向架、列车控制与诊断、牵引电传动、辅助供电、制动、车门、车钩与缓冲器、照明、贯通道、空调与采暖、乘客信息等系统构成；此外，为满足城市轨道交通安全运行的功能需求，还需安装信号、通信等车载设备以实现接口功能。其需在经过设计、部件生产、整车组装、调试、空载、验收等一系列流程后方可投入载客运营。城市轨道交通电客车具有多种车型（A/B/C/市域等）及编组形式（4/6/8辆编组等），用户可根据不同线路的运输需求进行选择。其车辆系统组成如图1所示。

3 技术发展历程

我国城市轨道交通电客车技术发展可分为以下3个阶段。

（1）初探期（20世纪80年代）。当时的电客车技术以碳钢车体、直流供电、非网络控制及完全人工驾驶为特征，受当时工业水平限制，在安全、节能、环保、舒适性方面都较为落后。

（2）快速发展期（20世纪90年代—21世纪初）。在这个阶段，通过引进吸收国外先进技术，我国逐步实现了车门、空调、牵引、制动及网络控制等核心系统的国产化。

（3）高速发展期（21世纪初至今）。在这个时期，产品谱系日趋完善，随着智能化、数字化、系统融合技术的全面发展及乘客出行需求的不断增长，“标准化、模块化、智能化、自主化、轻量化”的设计、制造、应用理念不断强化，整车及部件的设计、制造产业生态圈已在国内成熟建立，特别是自主化牵引、制动等核心系统已实现了大批量应用。

4 技术发展趋势展望

现阶段，城市轨道交通电客车技术的发展更加注重高效、节能、环保、经济、安全、智能化，展望其发展趋势主要包括以下方面。

4.1 提升客服品质技术

乘客是城市轨道交通的服务对象，提升客服品质对于增强城市轨道交通的竞争力和吸引力至关重要，应主要从舒适性、智慧导乘等方面着手，改善乘客的乘车体验。

（1）采取更有效的隔声降噪措施，如采用型腔隔音棉（由纳米/超细纤维材料制成）、复合/浮动静音地板及主动降噪技术（ANC）等。通过现车试装验证，这些措施可有效降低噪声2～3 dB[3]。

（2）提高车辆气密性。针对市域快线大规模建设的现状，基于其对电客车压力控制及气密性的更高要求，建议通过压力波控制技术，检测车内外压力波动变化，控制新风和废排压力保护装置动作，以维持车内压力稳定。同时，对车门采用辅助锁闭+双层密封结构 +内部填充的措施，进一步提升气密性。

（3）充分利用客室空间，采用微孔送风的方式进行均衡送风，以优化客室内气流组织，提升乘坐舒适性。

（4）采用可阻挡99%红外线和紫外线的隔热遮光玻璃，以避免因强光直射眼睛给乘客造成的不适感，提高乘坐舒适性，并同时降低空调能耗。

（5）在空调控制方面，引入人工智能自动学习和控制优化功能，将车内温度、湿度及乘车率等车上数据发送到地面服务器，利用人工智能实现空调控制的优化，从而达到精准动态调节客室温湿度、使其始终保持在适宜范围内的目标。

（6）利用智能照明系统，根据季节、时间等信息对车内照度及色温进行全自动调节。

（7）利用智能导乘及多媒体显示等技术，使信息呈现更加全面、多样化。例如，安装有机电激光显示屏（OLED）、曲面屏、透明薄膜显示屏等，将乘客计数、智能清客、冷暖车设置等车内信息通过车地传输通道在相关地面系统中呈现，使导乘信息针对性更强[4-5]。

4.2 轻量化技术

随着列车智能化要求的不断提高，车载设备种类越来越丰富，在车辆既要容纳不断增加的车载设备、轴重又不允许超过标准规范要求的技术背景下，对于列车减重的需求日益强烈。轻量化技术可在此发挥巨大作用，同时也符合节能减排的大趋势[6]。轻量化技术主要从设计、新材料应用等方面着手，对车体、转向架、内装等进行轻量化优化设计。目前，对于电客车车体及内装系统，主要有车体设计优化（骨架优化）、超塑成型、整体成型等轻量化技术，以及碳纤维/复合材料铝合金箱体、织物软风道、预浸料、超薄门板、酚醛地板等轻量化材料应用[7-8]；对于转向架，可采用铝/陶制动盘、空心车轴、永磁同步电机车轴驱动（省去变速箱及联轴节）等轻量化技术[9-10]。

4.3 智能监测技术

随着智能运维技术的发展，以实时健康状态诊断为依托的“状态修”代替“计划修”已成为未来城市轨道交通装备运维的大趋势。“状态修”是指通过对设备运行状态数据进行监测，并在此基础上结合故障机理建立退化模型、确定关键性能参数，以模型与数据组合驱动的方法实现设备故障预测与健康评估，指导维修决策优化与方案制定[11-12]，其实现的基本原理如图2所示。

目前，研究人员基于电客车列车控制和管理系统（TCMS）及走行部、弓网、蓄电池、牵引、车门等关键子系统的控制机理，利用数字化感知、智能传感、智能诊断、多链路传输、大数据、云计算等技术研究开发了车辆故障预警与健康管理（PHM）系统。该系统集列车运行状态在途监测、故障智能诊断、健康状态评估、网络化运维等功能于一体，主界面如图3所示。专业维护人员可利用PHM系统实时掌握列车运行状态及故障预警、设备健康管理（评估、档案、寿命预测）等相关信息，为电客车运维提供辅助决策支持。该系统的广泛应用可有效缓解城市轨道交通运营安全与运维效率、运维成本之间的矛盾，提高电客车的综合运维效率和水平[13]。

4.4 安全保障技术

城市轨道交通作为运量较大的公共交通工具，安全性一直是其电客车及部件设计的根本出发点。随着列车全自动驾驶技术的发展，主动安全技术在城市轨道交通电客车上逐步应用和推广，如基于雷达、激光雷达及图像识别技术的主动障碍物探测、脱轨检测、火灾探测等安全检测系统。考虑到主动安全技术的可靠性尚需进一步验证，因此在车辆设计时可采用“主动为主、被动为辅”的过渡策略[14]。

4.5 节能环保技术

提高城市轨道交通电客车的节能环保性是城市轨道交通绿色发展和居民健康舒适出行的根本需求。在节能方面，随着新材料应用成本的逐步降低，搭载碳化硅变流器和永磁同步电机的新一代牵引系统在城市轨道交通领域开始了小规模的试装验证，为进一步节能降耗提供了新方向。在环保方面，使用环保制冷剂的二氧化碳空调（含热泵技术）是发展趋势；可快速去除异味、臭味，杀灭各种细菌病毒，并有效去除总挥发性有机化合物（TVOC）、甲醛、苯等有毒有害气体的空气净化装置（等离子、紫外线等）开始普及应用；车体和客室内涂装已全面应用水性涂料；新型车底防火涂料、电气柜区块式灭火材料开始小规模或试装应用。

4.6 通信及控制技术

通信及控制技术的快速迭代发展为城市轨道交通电客车相关系统技术的进步带来了前所未有的机遇。第五代移动通信（5G）、高速转储、以太网控车、三网（控制网、维护网、子系统网）深度融合、可编程逻辑控制单元（LCU）等技术[15-16]，为增强列控系统集成度、提高数据传输速度提供了强有力的技术支撑。上述技术的批量落地应用是下一轮电客车设计制造的主要方向。同时，为顺应多专业融合的需求，列车自主运行控制系统（TACS）的引入也取得了突破性进展，部分城市已开始应用该技术进行新车制造和老线改造工作，多个新造试验平台已启动试验线上的动车验证工作。

5 结语

本文从客服品质提升、轻量化、智能监测、安全保障、节能环保、通信及控制等多方面展望了城市轨道交通电客车技术发展趋势。从安全性、成熟性、可靠性、经济性等方面对新技术进行综合考量，是推进其应用的前提，因此各城市在城市轨道交通电客车车辆选型、设计阶段，应充分结合自身的特点，参考技术应用效果，有针对性地选择新技术进行应用，力求在提升客服品质和维保效率的前提下，合理控制电客车的全寿命周期运维成本，助力城市轨道交通的高质量、智慧化发展。