饶 东 北京市轨道交通建设管理有限公司设备管理总部二部室主任
“双碳”战略目标下轨道交通列车绿色发展-智能列车规划
人类自第一次工业革命开始，逐步进入工业化时代。随着生产力的提高，人类对自然资源的开采和使用呈加速趋势，其结果是向大气排放的二氧化碳逐年升高，造成了温室效应日益加剧，尽快减缓排碳的增量，使之逐步趋近于零，实现“碳达峰”，再通过逐年递减最终实现排碳与固碳的平衡达到“碳中和”已成为人类共识。
据中国城市轨道交通协会统计，截至2021年12月31日，我国大陆地区(不含港澳台)共有 50 个城市开通城市轨道交通(其中包括超大城市7个，特大城市14个，大城市19个)，投运线路总长度9192.62 km，其中地铁线路长度7253.73 km，占比78.9%。
交通运输行业的碳排放量占全国碳排放总量的比例在不断升高，2017—2019 年占比从 9%升至 12%。全国城轨交通总能耗也呈增长态势，不同城市碳排放量差异大。在牵引能耗和设备能耗方面仍有进一步节能降耗的空间，存在列车制动能量利用不完全，绿色可再生能源开发率低等问题。
能效提升：全自动驾驶、灵活编组新型列车、轻量化材料（如碳纤维、一体成型材料）、高效电力设备（SiC器件、永磁电机、LED照明、变频空调）
新能源及储能应用：氢能：氢能制备与储运、燃料电池、氢能列车；物理储能：飞轮储能、超级电容、相变蓄热；化学储能：锂电池、固态电池；
智能化应用：智能列车：智能列车运行、车内环境智能控制、智能运维；智能驾驶：节能运行方式—供电分区内综合列车数据的网压趋势预测节能列车运行控制。
碳利用和环保：碳利用与存储配套技术；CO2 冷媒变频空调；无涂装、轻量化铝合金车体；部件的环保涂料应用。
1、列车智能运行：列车自主控制、轨道运行环境感知、列车编组灵活调整、基于互联互通的跨线运营；通过地面视频监控等方式主动感知轨道运行环境，采用基于车车通信的列车自主控制、列车编组灵活调整以及基于互联互通的跨线运营，实现列车智能运行。
2、车内环境智能控制：照明、温/湿度、新风等智能调控；基于客流、车内温湿度等信息，进行客室设备的智能调控，实现车厢舒适度的自动调节，例如对广播音量、空调、照明等智能调节，提升乘客的乘坐舒适度。
3、列车智能运维：根据故障描述与历史维修经验的匹配，实现维修知识共享及移动端智能维修辅助，远程运维支持。基于数据在线检测及诊断技术，建设列车智能运维系统，实现列车关键设备状态实时监测诊断及预警，提升列车可靠性，提高检修效率，降低列车运维成本。
“碳达峰、碳中和”是城市轨道交通绿色发展的主要挑战和机遇，国务院《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，国务院《2030年前碳达峰行动方案》，《中国城市轨道交通绿色低碳发展行动方案》，《深圳碳普惠体系建设工作方案》，《深圳市低碳公共出行碳普惠方法学》。
深圳地铁成立集团绿色低碳发展研究工作组，编制《深圳地铁绿色低碳发展实施方案》，加入深圳市碳普惠联盟。
（1）应用情况：深圳地铁10号线10列车采用永磁同步牵引系统，车辆为8节编组A型车，最高速度为90km/h，2019年至今运行良好。
（2）永磁同步牵引系统技术特点：永磁电机无需励磁，即定子线圈产生的旋转磁场直接带动永磁体转子转动，减少铜线圈使用，降低重量；电机采用永磁同步电机，控制架构为轴控，即每个电机由一个逆变单元控制；转子结构采用全封闭结构，即转子内部无散热通风孔，其噪音更低。
（3）永磁同步牵引系统技术优势：转子中采用永磁体，消除了异步电机中转子线圈中的损耗，实现永磁同步电机高效区（效率≥90%）较异步电机提升25%，额定效率提升5%。
（4）节能率测算：永磁同步牵引系统较异步系统，整列车节能约20%。
（1）硅基IGBT应用情况：地铁列车牵引逆变器为列车运行提供动力，IGBT是牵引逆变器的核心功率半导体器件，传统IGBT芯片采用硅材料制作，目前硅基IGBT元件的发展已经接近极限，硅基IGBT牵引系统仍存在以下不足：开关频率较低（500Hz）；功率密度较低；体积相对较大，重量相对较重；电机轴电压、电机温升及运行噪声高；系统效率提升空间不大。
（2）全碳化硅开关器件技术特点及优势：碳化硅是电力电子装备的关键部件，将带来革命性变化；不传统硅基器件之相比SiC器件的技术优势显著，具备：高频低损、高功率密度、高允许结温的特性。
（3）碳化硅基开关元件器变流器优势：开关频率较既有系统提升4倍（500Hz提升至2000Hz），开关损耗降低10%以上；相变散热系统优化设计，散热性能提升30%，重量降低15%、体积减少10%，同比IGBT散热器温度降低8k；变流器模块集成了6个半桥全SiC器件，构建双路三相逆变输出，模块实现高功率密度设计，重量降低35%，体积减少50%。
（4）装车考核情况：首台全碳化硅牵引逆变器装车达到考核指标。
（5）开展全列车全碳化硅牵引逆变器系统装车试验载客运营，进一步研究全碳化硅系统应用。
除全碳化硅牵引系统、永磁电机外，在其他部件选型用材上研究质量更轻，性能更优，更环保的材料设备，降低车辆整体质量。
多专业协作，通过优化降低平峰期列车旅行速度、降低列车最大速度、优化运行图等方式，开展节能运行模式研究，降低牵引能耗。
2011年-2015年车辆专业选取1号线试点研究，从优化运输组织方面研究列车节能运行模式。
2019年-2021年信号专业选取7号线试点研究，完成了单车运行图、多车运行图技术研究及测试，结果表明单车能耗优化降低1.7%，多车能耗优化降低5.78%。
因社会活动特性引起的潮汐客流特点，地铁类车存在平峰期间列车满载率低的特点，造成运力和能耗浪费；现在新线上研究，计划在应用成熟后推广评估既有线路改造可行性及效益。
1、 水性涂料：
全面推广采用水性涂料，从源头上降低污染物的含量。
水性涂料涂装工艺：创新开发从底漆到面漆全套水性低VOCs涂料体系；
喷漆库结构优化：优化喷漆库结构，提升污染物捕集效率，降低运行能耗；
污染物净化效果：设计、研发水性涂装作业VOCs治理成套设备，提升环保净化效率获中华环保联合会科学技术奖二等奖。
为降低喷漆对环境的污染，完成1号线2列车、3号线25列车车体贴膜测试应用。
在新车项目管理中对车辆内装材料提高环保要求，采购合同明确车体内装墙板、隔音、隔热、防腐、辅助材料等需采用符合环保检测标准的材料：
环保性能符合TB/T3139-2006《机车车辆内装材料及室内空气有害物质限量》相关标准要求。
新车到段时对客室及司机室空气有害物质进行第三方检测，符合GBT18883-2002《室内空气质量标准》标准。
5、环保型制冷剂的全面应用：全面推广采用新型空调环保制冷剂。
6、地板漆膜养护技术：试点开展地板、车体漆膜养护，延长使用寿命，降低维保成本。
1、以列车安全运营为根本，稳定节能环保技术研究。在节能环保技术应用前，从设备安全性进行全面评估，选用成熟可靠的技术材料及产品，持续跟踪设备状态，保障列车正点及乘客安全。
2、推节能环保技术有序推广，打造绿色地铁。有序开展整列碳化硅牵引系统的科研研制，推广永磁电机、铝合金空调机组等新技术的实际应用，并结合列车整改、中大修等项目开展既有车的技术改造，在既有线上落实新技术应用。
3、加强行业信息互通，共同落实“双碳”政策。在行业内部的节能环保技术信息及时互通，围绕“强安提质、降本增效、务实创新”，多维度发掘掌握行业新技术，开展技术研究及试验，降低地铁用能。
李文涛 苏州市轨道交通集团有限公司建设分公司车辆工程师
2030年实现碳达峰，2060年达到碳中和，是国家战略。《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》于2020年3月12日正式发布实施，智能能源系统体系建设正式提出，全力建立轨道交通行业智慧能源系统，全面提升节能降碳技术。城市轨道交通运营商符合碳控排企业标准，探索碳减排路径迫在眉睫。
“双碳”目标下，绿色电力必然是我国能源发展的大方向，风机、太阳能光伏等将风能、太阳能等可再生的能源转化成电能的技术势必是未来的发展趋势。
能源传输：主变电所→牵引变电所→受电弓/受流靴→高压/中压/低压负载；主变电所采用集中供电方式时，接受城市电网高压等级的电源，经其降压后以中压供给牵引变电所和降压变电所的一种地铁变电所，是专为城市轨道交通系统提供能源的枢纽；牵引变电所从主变电所(电源开闭所)获得电能，经过降压和整流变成电动列车牵引所需要的直流电。电能传输方式的发展与变革，需要不断优化并持续降低电能在传输过程中的无效损耗。
能源使用：在整个城市轨道交通运行系统中，车辆属于用电大户，尤其是列车牵引系统，能耗占线路总能耗的1/2。目前国内外关于列车牵引系统节能的研究中，主流有3类：
（1）惰行节能。根据线路运行条件，选择合适的惰行点，充分利用势能通过惰性方式实现列车节能运行。
（2）列车电制动再生能利用。列车牵引逆变器在列车电制动时，将多余的动能部分转化为电能反馈给接触网，供相同供电区段内其他列车牵引使用。
（3）基于客流需求的牵引节能。根据动态客流变化趋势，排列最低牵引能耗的运行图。
能量回收/储存：（1）城市轨道交通站间距小，运行密度较高，列车在区间运行时频繁制动会产生相当可观的再生能量；（2）如果能够将这部分能量会后再利用，可以有效节约能源的同时也可以降低抑制网压保障行车安全；（3）后续能量回收的趋势是大力发展并应用回馈利用型技术，即通过回馈装置将再生制动能量返送至城市轨道交通系统中其他电压等级的供电网、电动汽车充电站或其他用电系统。
将从轻量化、功能融合、新技术/工艺、修制规程四个维度详细介绍轨交列车绿色发展的研究与应用方向。
（1）轻量化方面，标准化地铁车体断面与传统结构相比差异明显，车体重量有望进一步降低；碳纤维复合材料属于轻量化的优良材料，密度小，相比传统玻璃钢材质的司控台，碳纤维司控台重量更轻；高强度阻燃PC复合材料密度较低，对比玻璃钢和不锈钢座椅大幅度降低座椅重量，满足新一代地铁轻量化需求，且PC材料可回收。
（2）功能融合方面，采用LCU替代继电器，实现由中间继电器逻辑电路向数字化逻辑控制的转变，减少继电器的数量，从而降低能耗和重量；采用人机界面的融合，可以减少显示屏及开关按钮等终端的数量，降低功耗的同时提高器件利用率，同时紧跟技术融合发展需求。
（3）新技术/工艺方面，采用高效混合磁阻电机牵引系统、永磁直驱技术、变频热泵空调系统、智能照明控制技术。车内、外照明采用高亮度、长寿命的LED作为光源，采用铝覆板复合材料风道，比铝合金风道重量轻。优化客室电器柜布线工艺、降低电缆用量、降低传输过程能量损耗、降低整车质量、降低生产过程碳排放。秉承“创新、协调、绿色、开放、共享”的设计理念，构建车辆智能运维系统。
（4）修制规程方面，发展城市轨道交通车辆均衡修，发展冷暖车厢。
（1）地铁本身是一种绿色低碳环保的交通工具，肩负着“减碳”重任。城市轨道交通车站间距短，列车频繁启动、制动，在运营过程中可以说是“用电大户”。列车在制动过程中会产生数量可观的能量，具有回收利用价值。据统计，轨道交通列车制动产生的能量可达到牵引系统耗能的 20%-40%左右，若被充分利用，将显著降低轨道交通运营能耗。比如：超级电容、飞轮等。
（2）光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术，是国家近年来鼓励发展的新能源产业。地铁公司可充分利用场段面积大以及高架站的优势，大力发展应用分布式光伏发电项目。车辆段光伏项目充分考虑项目的经济性，所发电量将首先被用到场段的生产、生活用电。地铁光伏发电项目的落地，每年可为地铁运营与维护提供可观的清洁电力供应，进而达到节能减排的目的，具有显著的生态和经济效益。
（3）灵活编组。即高峰时段采用多车编组高密度运行，平峰时段再将其在线快速拆解成小编组列车进行低密度运行。该运营模式可结合不同客流情况对列车进行灵活的编组调整，从而大幅降低列车空载率，进一步节约能耗，提升运营效率。
“碳达峰、碳中和”目标不仅是一个应对气候变化的目标，更是加快生态文明建设和实现高质量发展的重要抓手，体现了我国未来发展的价值方向。国内轨道交通行业将始终致力于以列车运营服务为核心，以智能、环保的产品为载体，共创低碳发展、企业绿色运营新路径。
3M贴膜产品在轨道车辆市场的应用
近年来, 随着我国的城市规模和经济建设的飞速发展，城市化进程在逐步加快，轨道交通的建设也在迅猛发展.人们对轨道车辆的环保性能及美学要求也越来越高.传统的油漆涂装工艺已经难以满足现代车身设计的个性化需求,同时,油漆的环保问题也未得到很好的解决.在这种情况下,以色彩丰富,画面制作精良,专业快捷的施工,环保为特点的贴膜开始在轨道车辆装饰上逐步推广应用开来。目前应用于轨道车辆表面装饰的贴膜主要为PVC贴膜，厚度在0.08mm左右,如果实际使用环境对抗涂鸦性及耐磨性有较高要求,可以配套使用对应的保护膜。贴膜的主要结构由上到下依次为透明保护膜层、PVC贴膜层、背胶层、衬纸层。
图一:贴膜结构示意图
3M轨道车辆外部装饰贴膜，使用期通常可以达到10年以上，完全可以满足轨道车辆外部装饰的需求。这些高品质贴膜还会应用一些专利技术在背胶上作一些特殊处理，比如涂布上一层玻璃微珠以方便贴膜施工时的预定位，带导气槽的背胶以加快施工速度，提高施工质量。使用铸造法制造的皮膜，通常具有高达140%的延展率和小于0.4mm的收缩率，为施工于车身复杂表面提供了可能性。
图二：背胶上的导气槽与玻璃微珠
在轨道车辆制造业比较发达的欧洲和日本,大概从20多年前已经开始了贴膜替代油漆涂装应用于轨道车辆表面装饰的应用研究开发. 而在国内，贴膜替代油漆涂装工艺应用于轨道车辆外部装饰最早始于2001年，当时的长春客车厂与3M公司合作，在其新开发的不锈钢地铁车辆腰线和盲窗上使用了彩色贴膜，解决了不锈钢车身表面装饰的难题.在2006年之后，随着动车、高铁的兴起，贴膜又开始应用于高速列车市场.而且,随着人们审美观的变化,造型多变,色彩丰富的彩色喷绘画面也开始应用在车身表面或车内,随着车轮的奔驰,成为一道亮丽的城市风景线。
图四：喷绘画面在轨道车辆上的应用
轨道交通行业的发展必将伴随着对轨道交通车辆制造及其日后翻新保养市场的快速增长, 目前轨道车辆表面装饰普遍采用油漆涂装的传统工艺,具有高能耗、高污染、施工速度慢的缺陷。而相对较新的贴膜工艺则因其固有的施工灵活快速,无VOC排放，绿色环保等优势逐渐被市场所接受.目前,广州,深圳、南京、北京以及上海等城市的地铁公司都先后使用过贴膜代替油漆进行旧车的翻新的尝试。根据实际的施工过程中统计的数据，贴膜的施工速度比较理想，通常3个比较熟练的施工工人可以在12-16个小时内施工一辆地铁车辆，而且施工工位相对喷漆灵活很多，可以与其他翻新工作同时进行。同时，相对于传统的喷漆涂装工艺，贴膜包覆工艺可以大幅减少挥发性有机物的排放，对环境保护有着很大的积极意义。在很多城市地铁交通集团将资源开发经营作为集团持续发展的重大战略和经济增长点，把地铁上盖开发作为集团经营开发的重点，构建“轨道+物业”资源开发经营新模式的今天，贴膜工艺替代传统喷漆涂装工艺也一定会对这些用户的开发经营产生有利的影响。
作为一种相对比较新的工艺，贴膜替代油漆涂装装饰轨道车辆表面的工艺还有一些地方有待完善，需要我们做更多的工作。比如对施工标准工艺流程的规范、贴膜车辆日常维护方法的规范、贴膜施工验收标准的建立等等，相信随着贴膜应用在行业内的不断推广，这些问题很快会得到解决。
文章来源：RT轨道交通
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