城市轨道交通技术装备发展现状及发展趋势分析

2020-10-13吴庆波

现代城市轨道交通 2020年9期

吴庆波

摘要：概述我国城市轨道交通行业发展现状，分析我国城市轨道交通技术装备国产化历程，并对我国城市轨道交通技术装备今后发展趋势进行探讨。

关键词：城市轨道交通;技术装备;国产化;发展趋势

中图分类号：U12

近年来，我国城市轨道交通持续快速发展，截至2019年底，中国大陆地区（不含港澳台）共有 40个城市开通城市轨道交通，运营线路 208 条，运营线路总长度 6736.2 km。其中，有19 个城市拥有4条及以上运营线路，已形成城市轨道交通网。

随着城市轨道交通网的日益完善，我国城市轨道交通技术装备的发展也由引进、消化吸收向国产化、自主化迈进。自1999年起至2019年，属于装备国产化阶段。历经20年国产化工作，我国城市轨道交通技术装备水平目前在国际上处于并跑阶段，有些技术处于领跑水平。

1 城市轨道交通技术装备国产化发展历程

1.1 起步阶段

1965年，原铁道部决定由原长春客车厂设计制造城市轨道交通车辆。湘潭电机厂配套研制牵引系统设备，并进行验证试验。生产车辆装备所需的原材料和配件也需要国产，很多研究工作都是从零件、元器件开始。长春客车厂和湘潭电机厂共同研制了我国第一代独立自主的城市轨道交通车辆。其中北京地铁1号线、天津地铁等均采用DK2型地铁电动客车。

1.2 技术引进阶段

20世纪90年代，日益拥堵的城市交通状况使许多大中城市纷纷开始建设地铁、轻轨等城市轨道交通。上海市轨道交通1号、2号线和广州地铁1号线，引进了包括车辆、信号、通信、供电等多种先进的技术设备。大量采用进口设备和技术，致使地铁造价过高，广州地铁1号线造价高达6.63亿元/km，车辆购置价格高达180万美元/辆。高昂的地铁建设成本引起国家有关部门高度重视，1995年中华人民共和国国务院（以下简称“国务院”）开始着手推进城市轨道交通技术装备国产化工作，并组织相关部门开展地铁国产化研究。

1.3 国产化阶段

1999年2月，国务院发布《关于城市轨道交通设备国产化实施意见》（国办发[1999] 20号），标志着我国城市轨道交通步入国产化阶段。随后国家先后发布了一系列城市轨道交通设备国产化的政策文件，明确规定，所有地铁建设必须保证国产化率达到70%。国家鼓励采取自主开发、联合研制、消化吸收引进技术、系统集成等多种方式实施国产化。国产化工作的重点是轨道车辆、牵引系统、信号系统。“国产化”的范畴主要包括3类：①在国内制造生产;②进口国外零部件在国内进行组装;③国外公司在国内设立企业对设备进行生产组装。我国城市轨道交通技术装备国产化历程见图1。

2 城市轨道交通技术装备发展现状

随着城市轨道交通产业的发展，我国城市轨道交通车辆系统的研发从占主流的B型地铁车辆，逐步发展成包括A型地铁车辆、市域列车、有轨电车、悬挂式和跨座式单轨车、磁悬浮列车、小型无人驾驶胶轮列车（APM）等多种制式车型。据不完全统计，截至2019 年底，全国城市轨道交通各种制式的车辆累计配属6966 列。

2.1 地铁整车国产化情况

经过20年国产化政策的实施和推进，车辆的大部分系统和设备实现了国产化，整车国产化率超过70%。在车体方面，中车长春轨道客车股份有限公司、中车南京浦镇车辆有限公司、中车青岛四方机车车辆股份有限公司3家公司生产的铝合金和不锈钢车体，中车株洲电力机车有限公司的铝合金车体和大连机车车辆有限公司生产的不锈钢车体，其车体静强度计算及试验等均为自主或与国内科研院校合作完成，已实现自主化。此外，铝合金车体大、小断面的板材和挤压型材已实现100%国产化，不锈钢型材国产化率达100%，且性能可靠性已达到国际标准;转向架方面，其部件除軸箱轴承外，均已完全实现国产化（不包含齿轮传动装置及联轴节），但与国外同类产品相比，国产一系、二系弹簧的性能及使用寿命还存在一定差距。

北京地铁的车辆与机电设备平均国产化率达到70%以上。从亦庄线开始，之后的地铁设备国产化率均在75%以上，燕房线的设备国产化率首次突破90%，与2007年通车的5号线相比，国产化率提升了20%。此外，自主化的牵引系统国产化率实际可达到80%以上。广州地铁2016年前动工建设的线路确保车辆国产化率不低于70%，车辆和机电设备综合国产化率不低于70%，2016年后动工建设的线路确保机电系统（含车辆）设备整体国产化率不低于75%，其中车辆系统国产化率不低于75%，车辆牵引系统国产化率不低于50%，信号系统国产化率按不低于60%进行指标管控。

2.2 牵引系统

牵引传动系统作为轨道交通车辆装备实现机电能量转换的“心脏”单元，其性能在某种程度上决定了轨道交通车辆的动力品质、能耗和控制特性。目前国内城市轨道交通主流牵引传动系统为基于异步交流电机的牵引系统。城市轨道交通的车辆牵引控制技术自主化设计包括牵引系统集成设计、蓄电池应急牵引设计、变流器机械电气设计、驱动系统设计、列车控制与管理系统（TCMS）软件设计、牵引控制、RAMS（可靠性、可用性、可维护性和安全性）、全自动无人驾驶方案设计等;实现了列车控制管理系统应用程序的自主化设计;主要大部件（如牵引主变压器、牵引和辅助变流器、牵引高压箱、辅助充电机箱、牵引电机）实现了自主化设计和生产。

截至2019年底，自主化的牵引系统在国内城市轨道车辆牵引系统招标中累计获取逾24000辆订单，市场订单总金额近350亿元，牵引系统的价格也从2001年的160万元/辆降到110万元/辆左右。国产化率招标要求由2007年的不低于40%提升至2018年不低于50%。此外，城市轨道车辆牵引系统在关键技术及核心零部件的国产化及自主化方面取得了众多创新突破。

随着永磁材料的发展以及永磁电机的运用，基于永磁同步电机的永磁牵引系统已逐步登上舞台。永磁同步电机以其高效率、高功率密度、强过载能力等优点受到了轨道交通车辆牵引系统研发人员的高度重视，以德国、法国和日本为代表的轨道交通装备制造强国纷纷开展永磁同步牵引系统的研制，大多完成了样机试制、线路试验考核阶段，正逐步进入到工程化和商业化推广应用阶段。

经过多年不断的技术创新和积累，我国已完全掌握永磁同步牵引系统核心关键技术与装备制造。2015年长沙地铁1号线列车装载永磁牵引系统，自2016年载客运营以来，系统运行稳定，性能可靠，获得用户肯定，第三方认证机构对其进行的能耗测试表明，节能率达30%以上。基于永磁牵引系统明显的节能优势，北京、天津等城市同步开展永磁牵引系统装车运用，目前长沙地铁5号线、佛山地铁3号线、天津地铁4号线均已为全线车辆装载永磁同步牵引系统。

2.3 信号系统

2010年12月底，交控科技股份有限公司自主研发的基于通信的列车控制系统（CBTC）在北京亦庄线投入使用，打破了国外厂商对信号系统技术的垄断。2015年12月，中国铁路通信信号股份有限公司完成了北京地铁8号线全线CBTC点式系统向CBTC系统的全功能升级。北京市华铁信息技术开发总公司自主研发的CBTC系统应用于广州地铁7号线，该线于2016年12月开通，是我国首条完全国产化信号系统线路;2017年7月，浙江众合科技股份有限公司自主研发的BiTRACON型CBTC信号系统在杭州地铁4号线正式试运营。2017年年底，卡斯柯信号有限公司自主研发的无人驾驶GoA3等级的TRANAVI型CBTC系统在上海地铁17号线全功能开通。我国成功走上了一条赶超世界先进列车运行控制技术的自主化发展道路。

随着城市轨道交通行业的快速发展，自动化和智能化需求不断提高，全自动运行系统（FAO）成为城市轨道交通信号技术发展方向。2017年底，我国首条具有自主知识产权的全自动运行线路——北京地铁燕房线正式开通运营。燕房线全自动运行系统（FAO）达到城市轨道交通领域最高自动化等级，填补了国内空白，被列为“国家发改委增强制造业三年行动计划（2015—2017）”的重大成果。2019年3月19日，国家发改委组织召开了北京地铁燕房线示范工程现场会。燕房线示范工程取得的重要成果是推动我国城市轨道交通装备自主创新迈出的重要一步。燕房线的各项指标说明，自主化全自动运行系统在总体技术性能上与国外同类产品处于同一水平，部分关键指标优于国外同类产品。燕房线的示范成功为我国城市轨道交通全自动运行技术装备的发展和应用奠定了良好基础。据不完全统计，“十四五”期间城市轨道交通规划中采用FAO系统的线路达23条，超过520km。

2018年底，具有自主知识产权互联互通信号系统的国家发改委重大示范工程 —— 重庆市轨道交通环线东北段正式开通运营，这是我国城市轨道交通信号系统互联互通的首次应用，解决了城市轨道交通领域世界级关键难题，形成中国标准的CBTC互联互通产业链。同时，在中国城市轨道交通协会的带领下，我国完成了信号系统互联互通标准的制定工作，共完成LTE-M的5 个系列19 个规范以及信号系统的系统、接口、测试和工程4个规范。

3 城市轨道交通技术装备未来发展趋势

3.1 城市轨道交通技术装备自主化

我国城市轨道交通虽然规模大，产业链全，但自主技术及其品牌的核心竞争力还比较薄弱，已成为我国由大国迈向强国所必须解决的“短板”。城市轨道交通装备制造业作为创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展的典型代表，是我国高端装备制造领域自主创新程度高、国际创新竞争力强、产业带动效应最明显的行业之一。目前，我国制造优势产业已初步形成，但高端核心领域仍有不足，要求城市轨道交通行业在车辆、牵引、制动、信号、供电等涉及安全的核心系统方面实现自主化、产业化已经刻不容缓。

3.2 城市轨道交通技术装备智能化

中国城市轨道交通协会于2020年3月发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，提出应用云计算、大数据、物联网、人工智能、5G、卫星通信、区块链等新兴信息技术，全面感知、深度互联和智能融合乘客、设施、设备、环境等实体信息，通过自主化，创新服务、运营、建设管理模式，构建安全、便捷、高效、绿色、经济的新一代中国智慧型城市轨道交通。

智能技术装备是智慧城轨的重要组成部分，应主动引入新科技、新技术，以智能化、数字化为方向，研发并应用拥有自主知识产权的技术、产品、模式，掌握关键核心和知识软件，形成具有市场竞争力的民族品牌和中国标准，逐步建立自主可控、安全高效、主导发展的城市轨道交通技术链和产业链，实现城市轨道交通装备的智能化。

3.3 城市轨道交通技术装备标准化

据不完全统计，我国城市轨道装备制造商中有7家整车制造厂、12家牵引系统供应商、14家信号系统供应商。既有的城市轨道车辆存在产品平台多样化、研发和试验检测平台多样化、车辆零部件互換性和模块化程度不高、检修水平和智能化水平较低等问题，造成研发投入重复，创新合力难以形成，增加了用户的维护成本和全寿命周期成本，制约了城市轨道交通的健康快速发展。

因此，以用户需求为主线，结合新产品、新技术、新材料的升级换代，构建安全、可靠、智能、舒适、经济、环保的标准化城市轨道交通装备，建立支撑城市轨道交通装备的技术标准、技术规范，降低城市轨道交通装备的差异性，才能持续提升国内城市轨道交通装备的发展水平，助力从交通大国向交通强国的转变。

参考文献

[1]中国城市轨道交通协会. 城市轨道交通2019年统计和分析报告[R]. 2019.

[2]中国城市轨道交通协会. 中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要[R]. 2020.

[3]李中浩. 城市轨道交通 CBTC 互联互通发展趋势及建议[J]. 城市轨道交通研究，2018（5）：12-15，33.

[4]仲建华，梁青槐. 城市轨道交通互联互通网络化运营的思考[J]. 都市快轨交通，2015，28（5）：10-12，56.

[5]丁树奎，王燕凯，房霄虹. 区域快轨网需求特征及主要技术参数研究[J]. 都市快轨交通，2016，29（2）：7-12.

[6]杨旅. 宁波轨道交通资源多元化经营模式选择研究[D]. 浙江宁波：宁波大学，2017.

[7]李耀宗. 关于我国城市轨道交通规划与规模的反思[J]. 都市快轨交通，2005，18（4）：83-85.

[8]李得伟，张天宇，周玮腾，等. 轨道交通大数据运用现状及发展趋势研究[J]. 都市快轨交通，2016，29（6）：1-7.

[9]李昌涛 . 城市轨道交通行业发展现状与趋势 [J]. 交通世界，2019（19）：8-9.

[10] 汪鸣 . 中国轨道交通未来发展趋势 [J]. 现代城市轨道交通，2019（7）：1-4.