饒 東 北京市軌道交通建設管理有限公司設備管理總部二部室主任
“雙碳”戰略目標下軌道交通列車綠色發展-智能列車規劃
人類自第一次工業革命開始，逐步進入工業化時代。隨著生產力的提高，人類對自然資源的開采和使用呈加速趨勢，其結果是向大氣排放的二氧化碳逐年升高，造成了溫室效應日益加劇，盡快減緩排碳的增量，使之逐步趨近于零，實現“碳達峰”，再通過逐年遞減最終實現排碳與固碳的平衡達到“碳中和”已成為人類共識。
據中國城市軌道交通協會統計，截至2021年12月31日，我國大陸地區(不含港澳臺)共有 50 個城市開通城市軌道交通(其中包括超大城市7個，特大城市14個，大城市19個)，投運線路總長度9192.62 km，其中地鐵線路長度7253.73 km，占比78.9%。
交通運輸行業的碳排放量占全國碳排放總量的比例在不斷升高，2017—2019 年占比從 9%升至 12%。全國城軌交通總能耗也呈增長態勢，不同城市碳排放量差異大。在牽引能耗和設備能耗方面仍有進一步節能降耗的空間，存在列車制動能量利用不完全，綠色可再生能源開發率低等問題。
能效提升：全自動駕駛、靈活編組新型列車、輕量化材料（如碳纖維、一體成型材料）、高效電力設備（SiC器件、永磁電機、LED照明、變頻空調）
新能源及儲能應用：氫能：氫能制備與儲運、燃料電池、氫能列車；物理儲能：飛輪儲能、超級電容、相變蓄熱；化學儲能：鋰電池、固態電池；
智能化應用：智能列車：智能列車運行、車內環境智能控制、智能運維；智能駕駛：節能運行方式—供電分區內綜合列車數據的網壓趨勢預測節能列車運行控制。
碳利用和環保：碳利用與存儲配套技術；CO2 冷媒變頻空調；無涂裝、輕量化鋁合金車體；部件的環保涂料應用。
1、列車智能運行：列車自主控制、軌道運行環境感知、列車編組靈活調整、基于互聯互通的跨線運營；通過地面視頻監控等方式主動感知軌道運行環境，采用基于車車通信的列車自主控制、列車編組靈活調整以及基于互聯互通的跨線運營，實現列車智能運行。
2、車內環境智能控制：照明、溫/濕度、新風等智能調控；基于客流、車內溫濕度等信息，進行客室設備的智能調控，實現車廂舒適度的自動調節，例如對廣播音量、空調、照明等智能調節，提升乘客的乘坐舒適度。
3、列車智能運維：根據故障描述與歷史維修經驗的匹配，實現維修知識共享及移動端智能維修輔助，遠程運維支持。基于數據在線檢測及診斷技術，建設列車智能運維系統，實現列車關鍵設備狀態實時監測診斷及預警，提升列車可靠性，提高檢修效率，降低列車運維成本。
“碳達峰、碳中和”是城市軌道交通綠色發展的主要挑戰和機遇，國務院《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，國務院《2030年前碳達峰行動方案》，《中國城市軌道交通綠色低碳發展行動方案》，《深圳碳普惠體系建設工作方案》，《深圳市低碳公共出行碳普惠方法學》。
深圳地鐵成立集團綠色低碳發展研究工作組，編制《深圳地鐵綠色低碳發展實施方案》，加入深圳市碳普惠聯盟。
（1）應用情況：深圳地鐵10號線10列車采用永磁同步牽引系統，車輛為8節編組A型車，最高速度為90km/h，2019年至今運行良好。
（2）永磁同步牽引系統技術特點：永磁電機無需勵磁，即定子線圈產生的旋轉磁場直接帶動永磁體轉子轉動，減少銅線圈使用，降低重量；電機采用永磁同步電機，控制架構為軸控，即每個電機由一個逆變單元控制；轉子結構采用全封閉結構，即轉子內部無散熱通風孔，其噪音更低。
（3）永磁同步牽引系統技術優勢：轉子中采用永磁體，消除了異步電機中轉子線圈中的損耗，實現永磁同步電機高效區（效率≥90%）較異步電機提升25%，額定效率提升5%。
（4）節能率測算：永磁同步牽引系統較異步系統，整列車節能約20%。
（1）硅基IGBT應用情況：地鐵列車牽引逆變器為列車運行提供動力，IGBT是牽引逆變器的核心功率半導體器件，傳統IGBT芯片采用硅材料制作，目前硅基IGBT元件的發展已經接近極限，硅基IGBT牽引系統仍存在以下不足：開關頻率較低（500Hz）；功率密度較低；體積相對較大，重量相對較重；電機軸電壓、電機溫升及運行噪聲高；系統效率提升空間不大。
（2）全碳化硅開關器件技術特點及優勢：碳化硅是電力電子裝備的關鍵部件，將帶來革命性變化；不傳統硅基器件之相比SiC器件的技術優勢顯著，具備：高頻低損、高功率密度、高允許結溫的特性。
（3）碳化硅基開關元件器變流器優勢：開關頻率較既有系統提升4倍（500Hz提升至2000Hz），開關損耗降低10%以上；相變散熱系統優化設計，散熱性能提升30%，重量降低15%、體積減少10%，同比IGBT散熱器溫度降低8k；變流器模塊集成了6個半橋全SiC器件，構建雙路三相逆變輸出，模塊實現高功率密度設計，重量降低35%，體積減少50%。
（4）裝車考核情況：首臺全碳化硅牽引逆變器裝車達到考核指標。
（5）開展全列車全碳化硅牽引逆變器系統裝車試驗載客運營，進一步研究全碳化硅系統應用。
除全碳化硅牽引系統、永磁電機外，在其他部件選型用材上研究質量更輕，性能更優，更環保的材料設備，降低車輛整體質量。
多專業協作，通過優化降低平峰期列車旅行速度、降低列車最大速度、優化運行圖等方式，開展節能運行模式研究，降低牽引能耗。
2011年-2015年車輛專業選取1號線試點研究，從優化運輸組織方面研究列車節能運行模式。
2019年-2021年信號專業選取7號線試點研究，完成了單車運行圖、多車運行圖技術研究及測試，結果表明單車能耗優化降低1.7%，多車能耗優化降低5.78%。
因社會活動特性引起的潮汐客流特點，地鐵類車存在平峰期間列車滿載率低的特點，造成運力和能耗浪費；現在新線上研究，計劃在應用成熟后推廣評估既有線路改造可行性及效益。
1、 水性涂料：
全面推廣采用水性涂料，從源頭上降低污染物的含量。
水性涂料涂裝工藝：創新開發從底漆到面漆全套水性低VOCs涂料體系；
噴漆庫結構優化：優化噴漆庫結構，提升污染物捕集效率，降低運行能耗；
污染物凈化效果：設計、研發水性涂裝作業VOCs治理成套設備，提升環保凈化效率獲中華環保聯合會科學技術獎二等獎。
為降低噴漆對環境的污染，完成1號線2列車、3號線25列車車體貼膜測試應用。
在新車項目管理中對車輛內裝材料提高環保要求，采購合同明確車體內裝墻板、隔音、隔熱、防腐、輔助材料等需采用符合環保檢測標準的材料：
環保性能符合TB/T3139-2006《機車車輛內裝材料及室內空氣有害物質限量》相關標準要求。
新車到段時對客室及司機室空氣有害物質進行第三方檢測，符合GBT18883-2002《室內空氣質量標準》標準。
5、環保型制冷劑的全面應用：全面推廣采用新型空調環保制冷劑。
6、地板漆膜養護技術：試點開展地板、車體漆膜養護，延長使用壽命，降低維保成本。
1、以列車安全運營為根本，穩定節能環保技術研究。在節能環保技術應用前，從設備安全性進行全面評估，選用成熟可靠的技術材料及產品，持續跟蹤設備狀態，保障列車正點及乘客安全。
2、推節能環保技術有序推廣，打造綠色地鐵。有序開展整列碳化硅牽引系統的科研研制，推廣永磁電機、鋁合金空調機組等新技術的實際應用，并結合列車整改、中大修等項目開展既有車的技術改造，在既有線上落實新技術應用。
3、加強行業信息互通，共同落實“雙碳”政策。在行業內部的節能環保技術信息及時互通，圍繞“強安提質、降本增效、務實創新”，多維度發掘掌握行業新技術，開展技術研究及試驗，降低地鐵用能。
李文濤 蘇州市軌道交通集團有限公司建設分公司車輛工程師
2030年實現碳達峰，2060年達到碳中和，是國家戰略。《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》于2020年3月12日正式發布實施，智能能源系統體系建設正式提出，全力建立軌道交通行業智慧能源系統，全面提升節能降碳技術。城市軌道交通運營商符合碳控排企業標準，探索碳減排路徑迫在眉睫。
“雙碳”目標下，綠色電力必然是我國能源發展的大方向，風機、太陽能光伏等將風能、太陽能等可再生的能源轉化成電能的技術勢必是未來的發展趨勢。
能源傳輸：主變電所→牽引變電所→受電弓/受流靴→高壓/中壓/低壓負載；主變電所采用集中供電方式時，接受城市電網高壓等級的電源，經其降壓后以中壓供給牽引變電所和降壓變電所的一種地鐵變電所，是專為城市軌道交通系統提供能源的樞紐；牽引變電所從主變電所(電源開閉所)獲得電能，經過降壓和整流變成電動列車牽引所需要的直流電。電能傳輸方式的發展與變革，需要不斷優化并持續降低電能在傳輸過程中的無效損耗。
能源使用：在整個城市軌道交通運行系統中，車輛屬于用電大戶，尤其是列車牽引系統，能耗占線路總能耗的1/2。目前國內外關于列車牽引系統節能的研究中，主流有3類：
（1）惰行節能。根據線路運行條件，選擇合適的惰行點，充分利用勢能通過惰性方式實現列車節能運行。
（2）列車電制動再生能利用。列車牽引逆變器在列車電制動時，將多余的動能部分轉化為電能反饋給接觸網，供相同供電區段內其他列車牽引使用。
（3）基于客流需求的牽引節能。根據動態客流變化趨勢，排列最低牽引能耗的運行圖。
能量回收/儲存：（1）城市軌道交通站間距小，運行密度較高，列車在區間運行時頻繁制動會產生相當可觀的再生能量；（2）如果能夠將這部分能量會后再利用，可以有效節約能源的同時也可以降低抑制網壓保障行車安全；（3）后續能量回收的趨勢是大力發展并應用回饋利用型技術，即通過回饋裝置將再生制動能量返送至城市軌道交通系統中其他電壓等級的供電網、電動汽車充電站或其他用電系統。
將從輕量化、功能融合、新技術/工藝、修制規程四個維度詳細介紹軌交列車綠色發展的研究與應用方向。
（1）輕量化方面，標準化地鐵車體斷面與傳統結構相比差異明顯，車體重量有望進一步降低；碳纖維復合材料屬于輕量化的優良材料，密度小，相比傳統玻璃鋼材質的司控臺，碳纖維司控臺重量更輕；高強度阻燃PC復合材料密度較低，對比玻璃鋼和不銹鋼座椅大幅度降低座椅重量，滿足新一代地鐵輕量化需求，且PC材料可回收。
（2）功能融合方面，采用LCU替代繼電器，實現由中間繼電器邏輯電路向數字化邏輯控制的轉變，減少繼電器的數量，從而降低能耗和重量；采用人機界面的融合，可以減少顯示屏及開關按鈕等終端的數量，降低功耗的同時提高器件利用率，同時緊跟技術融合發展需求。
（3）新技術/工藝方面，采用高效混合磁阻電機牽引系統、永磁直驅技術、變頻熱泵空調系統、智能照明控制技術。車內、外照明采用高亮度、長壽命的LED作為光源，采用鋁覆板復合材料風道，比鋁合金風道重量輕。優化客室電器柜布線工藝、降低電纜用量、降低傳輸過程能量損耗、降低整車質量、降低生產過程碳排放。秉承“創新、協調、綠色、開放、共享”的設計理念，構建車輛智能運維系統。
（4）修制規程方面，發展城市軌道交通車輛均衡修，發展冷暖車廂。
（1）地鐵本身是一種綠色低碳環保的交通工具，肩負著“減碳”重任。城市軌道交通車站間距短，列車頻繁啟動、制動，在運營過程中可以說是“用電大戶”。列車在制動過程中會產生數量可觀的能量，具有回收利用價值。據統計，軌道交通列車制動產生的能量可達到牽引系統耗能的 20%-40%左右，若被充分利用，將顯著降低軌道交通運營能耗。比如：超級電容、飛輪等。
（2）光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術，是國家近年來鼓勵發展的新能源產業。地鐵公司可充分利用場段面積大以及高架站的優勢，大力發展應用分布式光伏發電項目。車輛段光伏項目充分考慮項目的經濟性，所發電量將首先被用到場段的生產、生活用電。地鐵光伏發電項目的落地，每年可為地鐵運營與維護提供可觀的清潔電力供應，進而達到節能減排的目的，具有顯著的生態和經濟效益。
（3）靈活編組。即高峰時段采用多車編組高密度運行，平峰時段再將其在線快速拆解成小編組列車進行低密度運行。該運營模式可結合不同客流情況對列車進行靈活的編組調整，從而大幅降低列車空載率，進一步節約能耗，提升運營效率。
“碳達峰、碳中和”目標不僅是一個應對氣候變化的目標，更是加快生態文明建設和實現高質量發展的重要抓手，體現了我國未來發展的價值方向。國內軌道交通行業將始終致力于以列車運營服務為核心，以智能、環保的產品為載體，共創低碳發展、企業綠色運營新路徑。
3M貼膜產品在軌道車輛市場的應用
近年來, 隨著我國的城市規模和經濟建設的飛速發展，城市化進程在逐步加快，軌道交通的建設也在迅猛發展.人們對軌道車輛的環保性能及美學要求也越來越高.傳統的油漆涂裝工藝已經難以滿足現代車身設計的個性化需求,同時,油漆的環保問題也未得到很好的解決.在這種情況下,以色彩豐富,畫面制作精良,專業快捷的施工,環保為特點的貼膜開始在軌道車輛裝飾上逐步推廣應用開來。目前應用于軌道車輛表面裝飾的貼膜主要為PVC貼膜，厚度在0.08mm左右,如果實際使用環境對抗涂鴉性及耐磨性有較高要求,可以配套使用對應的保護膜。貼膜的主要結構由上到下依次為透明保護膜層、PVC貼膜層、背膠層、襯紙層。
圖一:貼膜結構示意圖
3M軌道車輛外部裝飾貼膜，使用期通常可以達到10年以上，完全可以滿足軌道車輛外部裝飾的需求。這些高品質貼膜還會應用一些專利技術在背膠上作一些特殊處理，比如涂布上一層玻璃微珠以方便貼膜施工時的預定位，帶導氣槽的背膠以加快施工速度，提高施工質量。使用鑄造法制造的皮膜，通常具有高達140%的延展率和小于0.4mm的收縮率，為施工于車身復雜表面提供了可能性。
圖二：背膠上的導氣槽與玻璃微珠
在軌道車輛制造業比較發達的歐洲和日本,大概從20多年前已經開始了貼膜替代油漆涂裝應用于軌道車輛表面裝飾的應用研究開發. 而在國內，貼膜替代油漆涂裝工藝應用于軌道車輛外部裝飾最早始于2001年，當時的長春客車廠與3M公司合作，在其新開發的不銹鋼地鐵車輛腰線和盲窗上使用了彩色貼膜，解決了不銹鋼車身表面裝飾的難題.在2006年之后，隨著動車、高鐵的興起，貼膜又開始應用于高速列車市場.而且,隨著人們審美觀的變化,造型多變,色彩豐富的彩色噴繪畫面也開始應用在車身表面或車內,隨著車輪的奔馳,成為一道亮麗的城市風景線。
圖四：噴繪畫面在軌道車輛上的應用
軌道交通行業的發展必將伴隨著對軌道交通車輛制造及其日后翻新保養市場的快速增長, 目前軌道車輛表面裝飾普遍采用油漆涂裝的傳統工藝,具有高能耗、高污染、施工速度慢的缺陷。而相對較新的貼膜工藝則因其固有的施工靈活快速,無VOC排放，綠色環保等優勢逐漸被市場所接受.目前,廣州,深圳、南京、北京以及上海等城市的地鐵公司都先后使用過貼膜代替油漆進行舊車的翻新的嘗試。根據實際的施工過程中統計的數據，貼膜的施工速度比較理想，通常3個比較熟練的施工工人可以在12-16個小時內施工一輛地鐵車輛，而且施工工位相對噴漆靈活很多，可以與其他翻新工作同時進行。同時，相對于傳統的噴漆涂裝工藝，貼膜包覆工藝可以大幅減少揮發性有機物的排放，對環境保護有著很大的積極意義。在很多城市地鐵交通集團將資源開發經營作為集團持續發展的重大戰略和經濟增長點，把地鐵上蓋開發作為集團經營開發的重點，構建“軌道+物業”資源開發經營新模式的今天，貼膜工藝替代傳統噴漆涂裝工藝也一定會對這些用戶的開發經營產生有利的影響。
作為一種相對比較新的工藝，貼膜替代油漆涂裝裝飾軌道車輛表面的工藝還有一些地方有待完善，需要我們做更多的工作。比如對施工標準工藝流程的規范、貼膜車輛日常維護方法的規范、貼膜施工驗收標準的建立等等，相信隨著貼膜應用在行業內的不斷推廣，這些問題很快會得到解決。
文章來源：RT軌道交通
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