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周瀟，重慶市軌道交通（集團）有限公司

馬志鵬，中國鐵道科學(xué)研究院研究生部

李明航，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司城市軌道交通中心

宋天浩，中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司城市軌道交通中心

0 引言

近年來，國家對城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）行業(yè)的發(fā)展特別是運營安全問題高度重視。隨著網(wǎng)絡(luò)化運營的深入推進及智慧城軌的不斷發(fā)展，采用綜合檢測技術(shù)實現(xiàn)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施健康狀態(tài)的高效感知，是城軌基礎(chǔ)設(shè)施運維的迫切需求。

城軌領(lǐng)域目前應(yīng)用的車載綜合檢測技術(shù)裝備包括工程車搭載檢測系統(tǒng)、運營電客車搭載檢測系統(tǒng)以及城市軌道交通綜合檢測車（以下簡稱“城軌綜檢車”）。相比其余?2?種檢測方式，城軌綜檢車集成多種智能化感知系統(tǒng)，有利于集中統(tǒng)一維護管理、設(shè)備維修以及開展線網(wǎng)級基礎(chǔ)設(shè)施統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)評價，能夠有效彌補當(dāng)前城軌行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)感知能力不足、檢測手段單一的缺陷。目前，由中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司（以下簡稱“鐵科院”）研制的國內(nèi)首列?3B?型城軌綜檢車已在北京地鐵某線路開展周期性的動態(tài)檢測，并發(fā)現(xiàn)了軌道動態(tài)幾何超限、鋼軌扣件缺失等一系列病害問題，切實保障了線路的運營安全。鑒于城軌線路里程短、運營速度慢、運營主體分散等客觀因素，城軌綜檢車的研發(fā)相對高速鐵路綜合檢測車啟動較晚，實際應(yīng)用線路也較少，隨著城軌綜檢車應(yīng)用的進一步推廣，開展城軌綜檢車的選型研究工作十分必要。

1?選型思路及原則

重慶市軌道交通（集團）有限公司在?4?號、5?號、10?號線及環(huán)線等第二輪城軌線路規(guī)劃建設(shè)之初提出了基于通信的列車運行控制系統(tǒng)（CBTC）互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)化運營理念，截至?2022?年底，重慶市軌道交通已經(jīng)實現(xiàn)地鐵?4?號、5?號、環(huán)線三線的互聯(lián)互通，為城軌綜檢車實現(xiàn)線網(wǎng)級的應(yīng)用創(chuàng)造良好的條件。

城軌綜檢車的選型應(yīng)該在滿足城軌檢測需求的條件下充分考慮重慶市軌道交通的線路條件，依據(jù)如下原則展開選型分析：①車輛性能應(yīng)滿足先進性、造型美觀、舒適安全、技術(shù)成熟、運用可靠、維護方便、安全節(jié)能、經(jīng)濟高效的要求，符合國家關(guān)于城市軌道交通設(shè)備國產(chǎn)化有關(guān)政策和規(guī)定；②充分考慮重慶地區(qū)氣候條件及使用環(huán)境，車輛限界完全符合《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 96-2018）和《重慶市地鐵設(shè)計規(guī)范》（DBJ 50-244-2016）中車輛限界規(guī)定；③最高運行速度應(yīng)選擇合理，具有良好的牽引性能、制動性能和動力學(xué)性能；④檢測車軸重滿足線路條件要求，動力學(xué)性能滿足故障運行及救援需求；⑤車輛編組、車載設(shè)備布置應(yīng)滿足檢測系統(tǒng)方案的需要等。

2?面向功能需求的列車編組方案分析

2.1 檢測系統(tǒng)配置方案

城軌綜檢車的選型首先應(yīng)符合實際線路的檢測需求，依據(jù)不同的城軌綜檢車搭載檢測系統(tǒng)選擇合理的配置方案。

檢測系統(tǒng)配置方案主要取決于搭載檢測系統(tǒng)的數(shù)量及檢測系統(tǒng)（如鋼軌探傷系統(tǒng)、車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)）的布置情況。例如：鋼軌探傷系統(tǒng)安裝需要預(yù)留較多空間，應(yīng)盡可能將鋼軌探傷系統(tǒng)集成于列車的拖車轉(zhuǎn)向架；車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)為更好滿足線路的檢測要求，一般需要在首尾兩車的拖車轉(zhuǎn)向架上分別進行配置。綜合來看，城軌綜檢車檢測系統(tǒng)的配置方案如下。

（1）配置方案?1。

該方案為搭載鋼軌探傷與車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)的?3?節(jié)車配置方案，如表?1?所示，檢測功能較為完善，能夠?qū)崿F(xiàn)“線?-?網(wǎng)?-?隧”全斷面關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施運行狀態(tài)的高質(zhì)量同步檢測。在該種配置方案中，鋼軌探傷系統(tǒng)安裝于中間車拖車轉(zhuǎn)向架，車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)分別安裝于首尾?2?節(jié)車的拖車轉(zhuǎn)向架。

（2）配置方案?2。

該方案為不安裝鋼軌探傷系統(tǒng)的3?節(jié)車配置方案，車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)分別集成于首尾?2?節(jié)車的拖車轉(zhuǎn)向架上，其余轉(zhuǎn)向架為動力轉(zhuǎn)向架，同時軌道動態(tài)幾何狀態(tài)檢測等系統(tǒng)與方案一配置情況保持一致。

（3）配置方案?3。

該方案為不安裝鋼軌探傷系統(tǒng)的3?節(jié)車配置方案，將車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)集成于首車或尾車，只占用?1?個拖車轉(zhuǎn)向架，其余轉(zhuǎn)向架均為動力轉(zhuǎn)向架，以保證列車在復(fù)雜工況下的牽引制動性能。

（4）配置方案?4。

該方案為搭載鋼軌探傷與單側(cè)車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)的?2?節(jié)車配置方案，如表?2?所示，鋼軌探傷系統(tǒng)與車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)分別集成于兩車的拖車轉(zhuǎn)向架上，各節(jié)車均為半動車配置情況。

（5）配置方案?5。

該方案為不安裝鋼軌探傷系統(tǒng)的2?節(jié)車配置方案，車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)集成于?A?車的拖車轉(zhuǎn)向架上，剩余轉(zhuǎn)向架均為動力轉(zhuǎn)向架，其余檢測系統(tǒng)配置情況同方案?4?一致。

（6）配置方案?6。

該方案為不集成鋼軌探傷系統(tǒng)與車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)的?2?節(jié)車配置方案，兩車均采用全動力配置。

2.2 檢測系統(tǒng)編組方案

為探究不同配置方案的適用性，需進一步將上述檢測系統(tǒng)配置方案轉(zhuǎn)化為編組方案展開研究，如表?3?所示。

2.3 列車動力學(xué)性能要求
在表?3?的基礎(chǔ)上需要進行不同編組方案下動力學(xué)性能的核驗，以驗證其能否滿足實際線路的運行需求。本部分的計算主要依據(jù)重慶市軌道交通線路條件規(guī)定的動力學(xué)性能指標(biāo)，同時也參考了已投入實際應(yīng)用的鐵科院?3B?城軌綜檢車的動力學(xué)性能要求，以保證本文對于城軌綜檢車編組方案分析的普遍適用性。其性能要求如表?4?所示。

2.4 列車動力學(xué)性能計算

依據(jù)上文給出的動力學(xué)性能要求，以方案?2?為例，依次對表?3?中規(guī)定的?6?種編組方案進行動力學(xué)性能核算，其計算條件如下。

（1）車載人員質(zhì)量按?60 kg /?人計算。

（2）車輛自重：考慮實際搭載檢測設(shè)備及司機室等實際質(zhì)量影響，3?編組列車自重依次為?36、35、36 t。

（3）載荷：AW0，即空車（含檢測設(shè)備）；AW2，即額定載荷，每輛車荷載?10?人；AW3，即超員載荷，每輛車荷載?30?人。

2.4.1 牽引性能計算

牽引計算公式如下：

式（1）、?式（2）?中，F(xiàn)T?為列車的起動牽引力；f?為列車的起動阻力；a?為列車起動加速度；m?為列車的換算質(zhì)量；μ為摩擦系數(shù)；g?為重力加速度，通常取?9.81 m/s2?；mm?為動車換算質(zhì)量。在額定載荷工況下，列車的換算質(zhì)量、起動阻力公式（按49×10-3kN/t?計算）如下：

式（3）、式（4）中，mm0、mh0、mt0?分別為動車、半動車、拖車的空車質(zhì)量，3?節(jié)編組列車空車質(zhì)量依次為m10、m20、m30，在額定載荷（AW2）下?3?節(jié)編組列車質(zhì)量依次為?m1、m2、m3。

如式（3）所示，列車的換算質(zhì)量等于列車的慣性質(zhì)量與考慮載荷下列車質(zhì)量的總和。結(jié)合式（1）和式（2）可知，在確定各部分質(zhì)量的前提下，牽引黏著系數(shù)與加速度大致呈正相關(guān)，為驗證其列車動力學(xué)性能，可以根據(jù)經(jīng)驗公式代入最小黏著系數(shù)（牽引工況為?0.16）得到平均起動加速度的最小值，觀察其能否滿足大于0.9 m/s2?的要求。

通過計算可知，三編組動拖比?2 : 1?列車的換算質(zhì)量為?117.7 t，黏著牽引力為?124.47 kN，平均起動加速度a?= 1.012?＞0.9 m/s2，滿足牽引性能要求。

2.4.2 制動性能計算

制動計算公式如下：

式（5）、式（6）中，F(xiàn)B?為黏著制動力，取黏著系數(shù)為0.14，其余參數(shù)的計算同牽引工況一致，可算得在額定工況下黏著制動力為?108.91 kN，制動加速度?a?= 0.92?＜1.00 m/s2。由此可得，當(dāng)黏著系數(shù)較小時，列車的制動加速度略微不能滿足要求。

2.4.3列車故障運行能力計算

對于列車故障運行能力，應(yīng)重點檢驗列車在故障情況下的起動能力。在損失?2?臺動力轉(zhuǎn)向架的情況下，動拖比為?2 : 1?的?3?節(jié)編組列車牽引力為正常情況下的一半。列車坡道起動加速度?a?與坡道附加阻力?fi?計算公式如下：

式（8）中，i?為坡度。上文所得的牽引力為考慮允許范圍內(nèi)選擇較小的黏著系數(shù)得到的數(shù)值，以此來獲取最小的加速度限值，判斷其能否滿足動力學(xué)性能的要求。在考慮故障運行能力時，應(yīng)考慮其在損失動力情況下最大的黏著牽引力，該最大牽引力由公式（2）計算為140 kN，由此可得列車在損失動力后的牽引力為?70 kN，起動加速度?a?= 0.096 1?＞?0.083 3 m/s2。因此，動拖比為2:1?的?3?節(jié)編組列車在損失?2?個動力轉(zhuǎn)向架的動力時，在定員載荷下能夠正常起動。

同方案?2?的計算過程，可得各編組方案下列車的動力學(xué)性能計算結(jié)果如表?5?所示。

需注意的是，上述計算基于允許最小黏著系數(shù)算得的加速度限值，若最終計算得到的加速度過大，可以等效為正常加速度情況下得到的黏著系數(shù)較?。ǜ鶕?jù)公式得到該結(jié)論），因此各編組方案下算得的加速度值不宜過大。
根據(jù)上述計算結(jié)果可知，編組方案?1?難以滿足牽引制動及故障運行條件下的動力學(xué)性能要求；方案?2?算得的制動減速度略小；在方案?3?中，列車具有足夠的故障運行能力，但其牽引制動平均加速度較大；方案?4?算得列車牽引制動性能及故障運行能力均不能滿足動力學(xué)性能要求；方案?5?在損失?2?臺動力轉(zhuǎn)向架后其動力配置情況不具有在重慶線路最大坡度?5%?情況下的起動能力；方案?6?采用全動的?2?節(jié)編組城軌綜檢車能夠滿足故障情況下的起動能力，但平均加速度較大，在不當(dāng)?shù)男旭偣r中容易造成車輪與鋼軌之間的打滑。

2.5小結(jié)

從功能需求的角度將城軌綜檢車分為?6?種編組配置方案。根據(jù)結(jié)果，方案?1、4、5?不滿足列車的動力學(xué)性能要求，方案6?不能滿足鋼軌探傷和車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)的搭載需求。方案?2?為目前常用的城軌綜檢車模式，但應(yīng)對重慶復(fù)雜的線路條件適應(yīng)性較差，在集成鋼軌探傷系統(tǒng)后會極大增大拖車質(zhì)量，進一步制約列車的起動、制動加速度。如果需要安裝車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)，綜合考慮可選擇方案?2?和方案?3，但由于方案?3?為車輛動力學(xué)響應(yīng)檢測系統(tǒng)單側(cè)布置，影響動力學(xué)性能檢測的準(zhǔn)確性，方案?2?為最優(yōu)配置方案，在實際選型中，應(yīng)依據(jù)搭載的多個檢測系統(tǒng)進行編組方案的綜合選擇，而?2?節(jié)編組方案受限于動力學(xué)性能要求及搭載空間，不能完全適用于重慶市軌道交通線路的實際工況。

3?基于互聯(lián)互通的選型關(guān)鍵因素分析

3.1 車輛型式分析

城市軌道交通包括地鐵系統(tǒng)、輕軌系統(tǒng)、單軌系統(tǒng)、有軌電車、磁浮系統(tǒng)、自動導(dǎo)向軌道系統(tǒng)和市域快速軌道系統(tǒng)。目前，國內(nèi)運行的軌道交通車型主要分為?A?型、B?型、C?型、L?型以及其他類型的車輛，各車型的主要特點如表?6?所示。

城軌綜檢車致力于實現(xiàn)線網(wǎng)級的多線綜合檢測功能，由于城軌線路間各系統(tǒng)制式的差別較大，跨線運行存在一定的難度，城軌綜檢車的選型應(yīng)考慮車輛的應(yīng)用范圍及車輛制式，根據(jù)實際調(diào)研，重慶市軌道交通?1號、6?號線為?B?型車，曾家—兩江影視城等快線使用城軌快線車輛，而重慶特有的?As?型車是介于?A、B?型車輛之間的新車型，具有爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、載客量大等特點，被廣泛應(yīng)用于重慶市軌道交通?4?號、5號、9?號、10?號線等線路，并作為互聯(lián)互通線路的統(tǒng)一車型。

城軌綜檢車以電客車為載體，目前重慶市軌道交通運營電客車的車型包括?As?型、城軌快線車及?B?型車（不考慮重慶單軌系統(tǒng)），選擇車型時需要考慮的關(guān)鍵因素如下。

3.1.1 限界條件

選擇車型應(yīng)符合《地鐵限界標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ/T 96-2018）規(guī)定的限界條件。重慶?As?型車車體的最大寬度為?3 m，結(jié)合表?5?可知，城軌快線所屬的市域快軌列車以及?B?型車車體寬度在?2.8 m?以上，為實現(xiàn)線網(wǎng)級的應(yīng)用，所選車型的寬度須控制在2.8 m?以內(nèi)。

3.1.2 線路條件

列車應(yīng)適應(yīng)實際線路條件，包括曲線半徑及坡度。應(yīng)用于重慶市軌道交通的城軌綜檢車需適應(yīng)于?1?號、6?號線的?B?型車線路，4?號、5?號、10?號線的?As?型車線路，15?號線市域快軌線路及后續(xù)開通的運營線路，其中As?型、B?型車的線路適應(yīng)性對比如表?7?所示。

若城軌綜檢車選擇?As?型車，為實現(xiàn)互聯(lián)互通，需要考慮改造轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)或懸掛參數(shù)、地板面高度等，以適應(yīng)?B?車型線路的最小曲線半徑和站臺高度。若采用?B型車，則需要增大動力配置、增大牽引功率來適應(yīng)?As型大坡度線路。

3.1.3 車輛成本

城軌綜檢車在滿足以上限界及空間布置的條件下，需要盡可能降低設(shè)備購置成本及維護成本。依據(jù)目前國內(nèi)城軌市場情況，As?型車定價約為?800?萬元?/?輛，A?型車費用約為?750?萬元?/?輛，B?型車約為?600?萬元?/?輛。從維護保養(yǎng)角度分析，As?型車全壽命周期成本大于?B?型車，能耗與車輛自重及檢測設(shè)備重量有關(guān)，從能耗角度分析，As?型車綜合能耗大于?B?型車。因此，結(jié)合重慶市軌道交通實際線路狀況，通過對比不同線路條件、限界條件及車輛成本，選擇?B?型車作為城軌綜檢車的載體可以兼顧線路的互聯(lián)互通性以及檢測系統(tǒng)的集成化。

3.2 車輛速度目標(biāo)分析

城軌綜檢車速度目標(biāo)的選取需要考慮實際運營電客車的線路運營速度及城軌綜檢車搭載的檢測設(shè)備對于速度目標(biāo)的要求。

3.2.1 線路運營速度

根據(jù)調(diào)研，重慶市軌道交通?B?型車線路設(shè)計速度為?80?～?120 km/h，As?型車線路為?100 km/h，城軌綜檢車的速度取決于運營電客車的實際運行速度且最高速度不應(yīng)超過對應(yīng)線路的最大設(shè)計速度。

3.2.2 檢測系統(tǒng)精度及速度要求

目前城軌綜檢車搭載檢測設(shè)備的速度要求如表?8?所示，為滿足精度需要，鋼軌探傷系統(tǒng)、隧道移動三維激光檢測系統(tǒng)檢測速度不宜超過?80 km/h，其余檢測系統(tǒng)的適應(yīng)速度較高，可以滿足城軌線路最高運營速度的要求。

綜上所述，城軌綜檢車在進行隧道移動三維激光檢測及鋼軌探傷檢測作業(yè)時，檢測速度不宜超過80 km/h，在其余檢測系統(tǒng)開展作業(yè)時，城軌綜檢車可以完全實現(xiàn)真實運營條件下的等速檢測。

3.3 車輛供電制式分析

城軌綜檢車欲實現(xiàn)線網(wǎng)級的跨線運行檢測，其供電制式應(yīng)與互聯(lián)互通的重慶市軌道交通線路相統(tǒng)一。根據(jù)調(diào)研，重慶市在建的?15?號、26?號、27?號、28?號城軌快線所用的城軌快線列車采用?AC25kV?的供電制式，且該?4?條城軌快線并不屬于重慶市互聯(lián)互通項目建設(shè)范圍，其余線路都采用?DC1500V?供電制式，全市沒有采用?DC750V?電壓等級的供電線路，綜合考慮經(jīng)濟性和線路兼容性，城軌綜檢車應(yīng)采用?DC1500V?供電制式，同時依據(jù)重慶市軌道交通線路全部采用架空接觸網(wǎng)受流方式，城軌綜檢車應(yīng)選擇架空接觸網(wǎng)。

3.4 車輛通信信號系統(tǒng)分析

搭載列車超速防護系統(tǒng)（ATP）及列車自動駕駛系統(tǒng)（ATO）的城軌綜檢車可在?ATP?子系統(tǒng)的防護下，開展與運營電客車相同運行工況下的等速檢測，實現(xiàn)城軌綜檢車線網(wǎng)級的應(yīng)用及線路的資源共享。參考重慶市軌道交通線路互聯(lián)互通的實踐經(jīng)驗，城軌綜檢車也應(yīng)該選擇基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通通信系統(tǒng)并遵守《城市軌道交通車地綜合通信系統(tǒng)（LTE-M）規(guī)范》以及《?LTE-M系統(tǒng)總體架構(gòu)及系統(tǒng)功能規(guī)范》（CZJS/T 0062-2016）的相關(guān)規(guī)定。在?ATP、ATO?模式下基于統(tǒng)一?CBTC?標(biāo)準(zhǔn)的城軌綜檢車將更好地滿足線路通信信號的檢測需求。

4?結(jié)論

從功能需求角度對城軌綜檢車開展編組方案對比研究，在重慶市軌道交通建設(shè)互聯(lián)互通線路的基礎(chǔ)上進行選型關(guān)鍵因素分析，得到如下結(jié)論。

（1）面向?qū)嶋H檢測需求提出城軌綜檢車?6?種配置方案，方案?1、4、5、6?不能完全適應(yīng)于重慶市軌道交通實際線路工況，可根據(jù)實際搭載檢測系統(tǒng)的需要將方案2?或方案?3?作為基礎(chǔ)的配置方案。

（2）為實現(xiàn)線路互聯(lián)互通，車輛型式的選擇應(yīng)充分考慮線路及限界條件，在兼顧線路、限界、車輛成本等因素的基礎(chǔ)上，選擇?B?型車作為城軌綜檢車的基本車型較為合適。

（3）城軌綜檢車在進行鋼軌探傷及隧道綜合檢測時最高運行速度不宜超過?80 km/h，在其余檢測工況下可以實現(xiàn)真實運營條件下的等速檢測。

（4）城軌綜檢車應(yīng)采用?DC1500V?供電制式，受流方式為架空接觸網(wǎng)。

（5）城軌綜檢車應(yīng)選擇結(jié)合?ATO、ATP?車載信號系統(tǒng)的統(tǒng)一?CBTC?標(biāo)準(zhǔn)的通信信號系統(tǒng)。

來源：《現(xiàn)代城市軌道交通》編輯部