地铁车辆现代化升级改造的发展趋势与问题探讨

徐 帅，王景振，黄强邦，杨 飞，付鹤翔

（1.克诺尔车辆设备（苏州）有限公司，江苏苏州 215151；2.天津轨道交通运营集团有限公司，天津 300392）

北京、上海、广州是国内较早开通地铁的城市。伴随着城市建设进程的加快，城市轨道交通市场运营时间和里程不断的增长，新技术不断的创新和应用，早期开通地铁的城市已面临更加严苛的运营要求。同时，人们对出行的方式、效率及舒适度都有了更高要求，使车辆的性能与运营舒适性、智能化之间的矛盾越来越突出，并且车辆也逐步接近设计寿命。因此，延长车辆使用寿命或是报废将是运营方需要考虑的重要问题。

1 国内城市地铁发展概况

截至2019年底，中国内地共有40个城市开通城市轨道交通运营线路，运营线路共计208条，线路总长度为6 736.2 km。其中，地铁运营线路为5 180.6 km，共计150条线路，占比76.9%；全国城市轨道交通累计配属车辆6 966列，比2018年增长18.1%，其中地铁车辆总计6 178列，占比88.7%。国内地铁交通正持续保持快速发展的趋势，其建设规模、运营里程、客运量、车辆配置逐年增长。国内大城市地铁线路和配属列车数量见图 1（至2019年）。

图1 国内大城市地铁线路和配属列车数量（至2019年）

2000年以前，国内有4个城市开通地铁，分别为北京、天津、上海、广州，其开通年限、车体材料及使用年限见表1。早期部分车辆采用碳钢材质车体，现地铁车辆多采用不锈钢或铝合金车体，根据设计要求，车辆设计使用寿命多为30年；另外，部分车辆虽未达到设计寿命，但随着新技术的不断应用，车辆难以满足日益提高的运营服务要求。

2 国外地铁车辆升级改造情况

欧洲一些国家、美国和日本的城市轨道交通发展起步早，例如，英国伦敦于1863年建成世界上第一条地铁，波士顿于1897年建成美国第一条地铁，莫斯科于1935年建成俄罗斯第一条地铁。这些城市轨道交通发展较早的城市，早已面临车辆设计寿命到限的问题。

根据国际公共运输联盟的数据统计，2010年欧洲大约有21 500辆地铁车辆，各生产年限区间的概况见图2。从图中数据可以看出，截至2010年约54%的运营车辆已超过设计寿命30年，部分车辆经过升级改造后仍在服役。其中升级改造的项目有：

（1）华盛顿城市运输管理局对364辆地铁车辆的主要系统进行了升级改造；

（2）伦敦对地铁12号线的车辆与线路进行了改造；

（3）俄罗斯对E、EM、81系列电动车辆的使用寿命进行了延长；

（4）科隆对LRV B00车辆的制动系统进行了升级改造，将其升级为克诺尔公司的铁路应用电子控制系统（ESRA），并增加了轮对滑行保护功能（WSP）；

（5）德国对VT642 Desiro Classic车辆进行了升级改造，将其制动系统升级为基于ESRA EVO平台的架控制动系统；

（6）开罗对地铁2号线的制动系统进行了升级改造，将其升级为ESRA控制系统等。

3 国内地铁车辆升级改造情况

上海、广州、深圳等城市车辆基数大，开通时间早，部分线路的车辆已面临设计寿命到限的问题；但是上述城市运营和维修经验丰富，前期已开展车辆延长使用寿命或系统升级改造的研究，部分线路已经开始执行。

3.1 上海地铁 1号线案例

上海地铁1号线于1993年开通运营，是上海市开通的第一条地铁线路，列车由西门子公司设计制造，前期共计16列列车，采用4动2拖的编组形式，车体为铝合金焊接型式，车辆设计寿命为30年。

随着上海城市建设进程的加快，原6辆编组的1号、2号线列车日渐难以满足快速增长的客流量，运量的增长与运能不足的问题逐渐凸显。为提高线路的运能，一方面追加列车配置数量，另一方面于2007年开始对原6辆编组的列车进行改造，将列车由6辆编组改扩为8辆编组。同时，上海地铁于2017年前后开展对原1号线车辆延长使用寿命可行性的评估。目前，原1号线早期车辆的运行时间已接近27年，逐渐接近30年的设计使用寿命。自2015年开始，车辆牵引梁加强筋、车钩安装座、转向架构架等部分位置的焊缝出现裂纹，经研究发现其主要原因为焊接缺陷产生的疲劳裂纹，因此工作人员对缺陷部位进行了修复工作。但这些疲劳裂纹将成为车辆是否能够延长使用寿命的重要制约因素。

表1 国内较早开通的城市地铁信息

图2 欧洲车辆生产年限区间

3.2 广州地铁 1号线案例

广州地铁1号线于1997年开通运营，列车由西门子公司生产制造，前期共计21列列车，采用4动2拖的编组形式，目前车辆已运营近23年，为国内较早使用铝合金车体的项目之一。

广州地铁于2016年开始研究探索铝合金车体的服役寿命，为后续车辆的维护和采购策略提供重要的技术支撑。广州地铁首先对车体进行了结构状态检查、结构件探伤、基于有限元的疲劳分析、强度和应力试验、基于线路试验的疲劳寿命分析等，并对铝合金车体服役寿命进行了评估；在确认车辆服役方案后，根据新的技术和运营需求，研究并确定了整车改造范围和寿命延长方案。

广州地铁1号线的车辆将进行整体的升级改造，改造范围包括牵引系统、制动系统、列车控制与管理系统（TCMS）、乘客信息系统（PIS）、车门等重要子系统部件。升级改造后车辆的整体服役寿命将延长至40年。

3.3 深圳地铁 3号线案例

深圳地铁3号线于2010年开通运营，列车的牵引系统和TCMS系统由韩国现代集团（Hyundai Rotem）生产制造，列车共计43列，采用4动2拖编组的不锈钢车体。

由于牵引系统性能和相关服务因素的影响，该项目的部分车辆将进行升级改造，改造的范围涉及牵引系统、TCMS系统、制动系统等。其中，原牵引系统将被替换为由国内供应商提供的先进牵引系统；电机仍沿用原项目产品；列车网络将取消绞线式列车总线（WTB）网络，而采用整车多功能车辆总线（MVB）网络；车辆的升级改造将结合车辆的大修同时进行。

3.4 其他案例

国内其他正在研究或执行的较大地铁车辆部件升级改造项目有：广州地铁3号线空调国产化改造、广州地铁1号线车辆客室气动门改造、深圳地铁1号线牵引系统改造、上海地铁2号线基于通信的列车自动控制系统（CBTC）改造等。

4 车辆升级改造中的问题探讨

受运行舒适度要求的提高、车辆寿命的延长、节能环保的要求、智能运维的需求等因素影响，越来越多的地铁车辆逐步进入现代化改造阶段，同时新技术的不断应用推广，如无人驾驶、智能运维、大数据、5G技术、以太网应用、人工智能等，将是后续车辆升级改造的重要考虑因素和方向。

同时，车辆升级改造过程中将面临诸多问题，如车辆寿命延长的评估无成熟的规范和准则、部分系统改造时与其他系统的接口匹配问题、升级改造项目执行过程中的质量管控与验证问题等。结合项目执行过程的相关问题，本文提出以下建议。

（1）车辆的升级改造应以乘客和运营需求为目标，确定存在的问题以及技术需求；同时以性能可靠为基本原则，并结合本地的具体情况，确定改造的目标、方向和范围。

（2）在前期，应做好调研与准备工作，如重要部件（车体和转向架）的寿命评估、功能需求等；在实施时，应做好过程管控，如相关的试验和认证；在后期，应做好调试、认证、运营的准备工作。

（3）升级改造应寻找合适的时间窗口，如结合车辆大修进行，避免不必要的资源浪费。

（4）应尽可能采用成熟的技术保证升级后系统的稳定性，减少与旧系统的接口，并确定新旧接口的关系；同时应少变动硬件，仅保留必须的接口。

5 结语

早期开通地铁的城市已面临车辆逐步接近设计寿命的问题，以及更加严苛的运营要求，根据国内外城市地铁车辆的发展和管理经验，随着国内地铁市场的不断创新和发展，延长车辆使用寿命、功能升级改造将成为地铁车辆市场长期健康发展的必然趋势。无人驾驶、智能运维、大数据、5G技术等将是未来车辆改造的重要方向，因此应尽早建立地铁车辆升级改造和延长使用寿命的管理规范和准则、有效的技术标准体系和审核管理机制，以及车辆改造后的认证管理规范。