中国城市轨道交通技术装备发展动态

2020-02-28 12:29:18 caoyu 38


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中国城市轨道交通技术装备发展动态

总报告

第一章 中国城市轨道交通技术装备发展回顾及展望

一、中国城市轨道交通发展历程及现状

(一)中国城市轨道交通发展历史

自1969年10月1日北京开通中国内地第一条地铁线路以来,中国内地城市轨道(简称城轨)交通经历了50余年的曲折发展,总结其发展过程,大致经历以下几个阶段。

1.起步阶段

从20世纪50年代,中国开始筹备地铁建设,规划了北京地铁网络。1965~1976年建设了北京地铁一期工程(54公里)。当时地铁建设的指导思想更注重人防功能。随后建设了天津地铁(7.1公里,现已拆除重建)、哈尔滨人防隧道等工程。

2.开始建设阶段

20世纪80年代末至90年代初,由于城市规模限制及道路等基础设施比较薄弱,北京、上海、广州等特大城市的交通问题非常突出。以上海轨道交通1号线(21公里)、北京地铁复八线(13.6公里)和地铁一期工程改造、广州地铁1号线(18.5公里)等建设项目为标志,我国内地真正以城市交通为目的的地铁项目开始建设。进入20世纪90年代,随着上海、广州地铁项目的建设,国内一批城市如沈阳、天津、南京、重庆、武汉、深圳、成都、青岛等均开始计划建设轨道交通,并进行了大量的前期工作。

3.调整阶段

由于各大城市要求建设的地铁项目较多,且在建地铁项目的工程造价较高,1995年12月国务院发布国办60号文,暂停了地铁项目的审批,并要求做好发展规划和国产化工作。同时,原国家计委开始研究制定城市轨道交通设备国产化政策。至1997年底,提出以深圳地铁1号线(19.5公里)、上海轨道交通3号线(24.5公里)和广州地铁2号线(23公里)作为国产化依托项目,并于1998年批复了上述3个项目的立项,从此城市轨道交通建设项目重新开始启动。

4.建设高潮阶段

随着积极财政政策的实施以进一步扩大内需,国家于1999年开始陆续批准一批城市轨道交通项目开工建设。1999年以后,国家先后审批了深圳、上海、广州、重庆、武汉等10个城市的轨道交通项目开工建设,并投入40亿元国债资金予以支持。

预计至2020年,规划建设国内城市轨道交通的城市总数将达到80座,全国规划建设的城市轨道交通网通车总长度将在6600公里以上。

5.持续健康发展阶段

为防范地方系统性债务风险,确保城市轨道交通建设运营可持续健康发展,2018年国务院和国家发改委接连发布有关加强城市轨道交通建设管理的文件,分别从城市申报标准、城轨车辆产能管理和城轨安全运行等方面提出了新的要求。2018年3月初,国家发改委就《关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见(草案)》广泛征求意见,该草案拟将申建地铁城市的财政收入、GDP、人口等门槛重新优化,以适应各类城市的不同需求环境与财力支撑条件。2018年3月19日,国家发改委发布《加强城市轨道交通车辆投资项目监管有关事项的通知》称,加强城市轨道交通车辆投资项目监管,有效预防和化解产能过剩,并明确城轨车辆产能利用率低于80%的地区,不得新增城轨车辆产能;企业申请建设扩大城轨车辆产能项目,上两个年度产能利用率应均高于80%。2018年3月23日,国务院发布《关于保障城市轨道交通安全运行的意见》强调,城市轨道交通发展要与城市经济社会发展阶段、发展水平、发展方向相匹配、相协调。2018年7月13日,国务院办公厅印发《关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见》(国办发〔2018〕52号)(简称“52号文”),对新形势下我国城市轨道交通规划建设工作作出部署,提出了申报建设轨道交通城市的GDP、财政、市区常住人口等硬性指标,以保障城市轨道交通建设运营可持续健康发展。

随着中国城市轨道建设进入持续健康的发展阶段,“十三五”期间,我国城轨将由一线城市有序向二线甚至少数发达三线城市逐步渗透,未来城轨发展的主要驱动力也来自多点崛起的城市群。2016年5月,国家发改委与交通运输部联合印发的《交通基础设施重大工程建设三年行动计划》指出,2016~2018年国家将在城市交通领域重点推进103个项目前期工作,新建城市轨道交通2000公里以上,共涉及资金1.65万亿元。未来,城市轨道建设速度将进一步加快,全国范围内城轨装备需求量将进一步扩大。

(二)中国城市轨道交通发展现状

伴随经济发展,中国城市交通拥堵问题日趋严重,城市轨道交通以其运量大、全天候、安全等特点,成为缓解城市交通压力的重要方式。近年来,国内城市轨道交通行业快速发展,新运营里程持续扩大。截至2018年12月31日,我国已建成并投入运营的城市轨道交通线路为5761.4公里(不含港澳台,包含地铁、轻轨、单轨、市域快轨、现代有轨电车、磁(悬)浮交通、APM)。其中,地铁4354.3公里,占线路总长的75.6%;轻轨255.4公里,占线路总长的4.4%;单轨98.5公里,占线路总长的1.7%;市域快轨656.5公里,占线路总长的11.4%;现代有轨电车328.7公里,占线路总长的5.7%;磁浮交通57.9公里,占线路总长的1.00%;APM 10.2公里,占线路总长的0.2%。2018年中国各城市轨道交通运营线路规模统计如表1.1所示。

1.1 2018年各城市城轨交通运营线路规模统计汇总


序号

城市

线路长度

(公里)

各系统制式线路长度(公里)

各敷设方式线路长度(公里)

场站(座)

地铁

轻轨

单轨

市域快轨

现代有轨电车

磁浮交通

APM

地下线

地面线

高架线

车站

换乘站

停车场/车辆段

1

北京

713.0

617.0

/

/

77.0

8.9

10.2

/

434.7

132.8

145.5

347

59

31

2

上海

784.6

669.5

/

/

56.0

23.7

29.1

6.3

430.5

96.1

258.1

386

59

31

3

天津

226.8

166.7

52.3

/

/

7.9

/

/

149.5

15.9

61.5

163

7

13

4

重庆

313.4

214.9

/

98.5

/

/

/

/

183.2

2.1

128.1

160

19

16

5

广州

463.9

452.3

/

/

/

7.7

/

3.9

383.9

11.4

68.5

227

28

17

6

深圳

297.6

285.9

/

/

/

11.7

/

/

240.6

17.4

39.6

186

29

16

7

武汉

348.0

263.7

37.8

/

/

46.4

/

/

229.1

41.8

77.1

233

27

22

8

南京

394.3

176.8

/

/

200.8

16.7

/

/

198.2

28.0

168.2

187

13

15

9

沈阳

128.4

59.0

/

/

/

69.4

/

/

59.0

69.4

/

119

4

4

10

长春

117.7

38.6

61.5

/

/

17.5

/

/

42.9

55.0

19.8

119

8

7

11

大连

181.3

54.1

103.8

/

/

23.4

/

/

55.2

55.3

70.8

106

3

7

12

成都

329.8

222.1

/

/

94.2

13.5

/

/

204.3

111.0

14.5

190

14

11

13

西安

123.4

123.4

/

/

/

/

/

/

112.0

/

11.4

89

6

8

14

哈尔滨

21.8

21.8

/

/

/

/

/

/

21.8

/

/

22

1

1

15

苏州

164.9

120.7

/

/

/

44.2

/

/

112.8

45.0

7.1

120

6

8

16

郑州

136.6

93.6

/

/

43.0

/

/

/

76.3

44.3

16.0

64

2

4

17

昆明

88.7

88.7

/

/

/

/

/

/

63.7

3.3

21.7

57

4

6

18

杭州

114.7

114.7

/

/

/

/

/

/

108.1

0.5

6.1

80

5

5

19

佛山

21.5

21.5

/

/

/

/

/

/

21.5

/

/

15

/

1

20

长沙

67.3

48.8

/

/

/

/

18.6

/

47.8

/

19.5

45

1

3

21

宁波

74.5

74.5

/

/

/

/

/

/

39.5

/

35.0

50

1

5

22

无锡

55.7

55.7

/

/

/

/

/

/

41.5

0.3

13.9

45

1

4

23

南昌

48.5

48.5

/

/

/

/

/

/

48.5

/

/

40

1

3

24

兰州

61.0

/

/

/

61.0

/

/

/

/

61.0

/

6

/

1

25

青岛

178.2

44.9

/

/

124.5

8.8

/

/

70.8

10.7

96.7

92

3

6

26

淮安

20.1

/

/

/

/

20.1

/

/

/

20.1

/

23

/

1

27

福州

24.6

24.6

/

/

/

/

/

/

24.6

/

/

21

/

2

28

东莞

37.8

37.8

/

/

/

/

/

/

33.7

0.4

3.6

15

/

1

29

南宁

53.1

53.1

/

/

/

/

/

/

53.1

/

/

41

2

3

30

合肥

52.3

52.3

/

/

/

/


/

52.3

/

/

46

1

2

31

石家庄

28.4

28.4

/

/

/

/

/

/

28.4

/

/

26

1

3

32

贵阳

33.7

33.7

/

/

/

/

/

/

29.7

1.6

2.4

24

/

2

33

厦门

30.3

30.3

/

/

/

/

/

/

25.9

1.6

2.8

24

/

2

34

珠海

8.8

/

/

/

/

8.8

/

/

/

8.8

/

14

/

1

35

乌鲁木齐

16.7

16.7

/

/

/

/

/

/

16.7

/

/

12

/

1

总计

5761.4

4354.3

255.4

98.5

656.5

328.7

57.9

10.2

3639.8

833.6

1288.0

3394

305

263

由以上的统计数据可知,中国内地的城轨交通已经进入持续健康发展的新阶段,运营规模创历史新高,城轨交通发展日渐网络化、差异化,制式结构多元化,网络化运营逐步实现。

(三)中国城市轨道交通发展规划

截至2018年底,据不完全统计,共有63个城市的城轨交通线网规划获批(含国家发改委批复的44个城市和地方政府批复的19个城市),其中,城轨交通线网建设规划在实施的城市共计61个,线路总长7611.0公里(不含已开通运营线路),包含地铁、轻轨、单轨、市域快轨、现代有轨电车和APM 6种制式。其中,地铁6118.8公里,占比80.4%;轻轨28.8公里,占比0.4%;单轨101.9公里,占比1.3%;市域快轨665.0公里,占比8.7%;现代有轨电车691.6公里,占比9.1%;APM 4.9公里,占比0.1%;无磁浮交通规划线路。同时,建设规划线路3条及以上的城市有38个,27个城市扣除已运营线路后的建设规划规模均超100公里。规划车站总计5129座(按线路累计计算),其中换乘站1372座,换乘站占比约为26.8%(见表1.2)。

1.2 2018年各城市城轨交通规划线路规模统计汇总

单位:公里,座

序号

城市

规划建设线路长度

各系统制式线路长度

车站数

地铁

轻轨

单轨

市域快轨

现代有

轨电车

磁浮交通

APM

车站

换乘站

1

北京

438.9

401.1

/

/

/

32.9

/

4.9

206

81

2

上海

413.1

311.3

/

/

86.2

15.6

/

/

518

157

3

天津

295.7

295.7

/

/

/

/

/

/

153

36

4

重庆

267.5

239.5

/

/

28.0

/

/

/

156

57

5

广州

271.2

256.8

/

/

/

14.4

/

/

134

/

6

深圳

263.5

263.5

/

/

/

/

/

/

168

73

7

武汉

291.0

260.8

/

/

30.2

/

/

/

151

35

8

南京

240.3

194.1

/

/

46.2

/

/

/

81

33

9

沈阳

123.8

123.8

/

/

/

/

/

/

62

27

10

长春

162.5

105.6

28.8

/

28.2

/

/

/

183

62

11

大连

144.3

101.5

/

/

42.8

/

/

/

80

24

12

成都

347.5

279.5

/

/

/

68.0

/

/

244

64

13

西安

224.3

224.3

/

/

/

/

/

/

153

44

14

哈尔滨

72.1

72.1

/

/

/

/

/

/

53

17

15

苏州

312.7

229.6

/

/

41.0

42.1

/

/

247

57

16

郑州

106.1

106.1

/

/

/

/

/

/

85

39

17

昆明

110.0

110.0

/

/

/

/

/

/

72

32

18

杭州

399.7

339.0

/

/

60.7

/

/

/

279

92

19

佛山

116.8

102.5

/

/

/

14.3

/

/

66

19

20

长沙

213.1

213.1

/

/

/

/

/

/

145

43

21

宁波

124.0

100.1

/

/

23.9

/

/

/

76

23

22

无锡

59.1

59.1

/

/

/

/

/

/

42

7

23

合肥

123.3

123.3

/

/

/

/

/

/

100

30

24

南昌

96.4

96.4

/

/

/

/

/

/

78

20

25

青岛

211.3

150.6

/

/

60.7

/

/

/

125

48

26

福州

150.9

150.9

/

/

/

/

/

/

109

31

27

南宁

100.2

100.2

/

/

/

/

/

/

82

24

28

石家庄

56.5

56.5

/

/

/

/

/

/

45

13

29

济南

84.4

84.4

/

/

/

/

/

/

43

19

30

太原

49.2

49.2

/

/

/

/

/

/

23

7

31

兰州

36.0

36.0

/

/

/

/

/

/

29

10

32

贵阳

140.9

80.3

/

/

60.6

/

/

/

90

24

33

乌鲁木齐

89.7

89.7

/

/

/

/

/

/

72

20

34

呼和浩特

49.0

49.0

/

/

/

/

/

/

42

1

35

厦门

227.5

227.5

/

/

/

/

/

/

96

33

36

徐州

67.0

67.0

/

/

/

/

/

/

52

15

37

常州

61.3

54.0

/

/

/

7.3

/

/

54

3

38

东莞

126.9

126.9

/

/

/

/

/

/

47

5

39

南通

59.6

59.6

/

/

/

/

/

/

31

6

40

温州

156.5

/

/

/

156.5

/

/

/

35

4

41

芜湖

46.9

/

/

46.9

/

/

/

/

36

6

42

包头

42.1

42.1

/

/

/

/

/

/

32

1

43

洛阳

41.3

41.3

/

/

/

/

/

/

33

6

44

绍兴

44.9

44.9

/

/

/

/

/

/

29

2

45

南平

26.2

/

/

/

/

26.2

/

/

9

/

46

三亚

8.7

/

/

/

/

8.7

/

/

15

/

47

泉州

53.7

/

/

/

/

53.7

/

/

56

/

48

台州

70.5

/

/

/

/

70.5

/

/

73

/

49

黄石

27.0

/

/

/

/

27.0

/

/

26

/

50

渭南

55.0

/

/

55.0

/

/

/

/

5

/

51

安顺

26.9

/

/

/

/

26.9

/

/

32

/

52

红河州

62.3

/

/

/

/

62.3

/

/

83

18

53

文山

17.2

/

/

/

/

17.2

/

/

18

/

54

德令哈

14.8

/

/

/

/

14.8

/

/

20

/

55

天水

20.1

/

/

/

/

20.1

/

/

17

/

56

毕节

28.1

/

/

/

/

28.1

/

/

18

/

57

泸州

44.2

/

/

/

/

44.2

/

/

21

/

58

黔南州

22.0

/

/

/

/

22.0

/

/

18

/

59

弥勒

18.9

/

/

/

/

18.9

/

/

19

/

60

瑞丽

35.5

/

/

/

/

35.5

/

/

39

/

61

保山

21.0

/

/

/

/

21.0

/

/

23

4

总计

7611.0

6118.8

28.8

101.9

665.0

691.6

/

4.9

5129

1372

注:①表中1~44项中的地铁、轻轨、单轨、市域快轨、APM线路为国家发改委审批项目,1~44项中的现代有轨电车、磁浮交通线路和44项以后项目均为地方政府审批项目,国家发改委审批项目总计6864.4公里,占比90.2%,地方政府审批项目总计746.6公里,占比9.8%;②已开通运营的线路不再计入此统计表内;③截至统计期末,获批情况未公示的项目不计入在内;④景区内旅游线路、工业园区内仅供员工使用的通勤线路、科研试验线等不承担城市公共交通职能的线路不计入在内。

截至2018年底,国家发改委批复的44个城市规划线路总投资达38911.1亿元。其中上海、北京、广州、杭州、深圳、武汉6市的投资计划均超过2000亿元,6市规划线路投资总额为15438.8亿元,占全国已批复规划线路投资的37.1%;成都、重庆、青岛、天津、西安、苏州、福州、厦门、长沙9市规划线路投资总额均在1000亿元以上。城市轨道交通计划总投资额稳步增长,各城市线路规模持续扩大,并逐渐成网,城市轨道交通已从单一线路化发展逐步迈入网络化发展时代。

二、中国城市轨道交通关键技术、核心产品及装备研发现状

近年来,为全面提升我国轨道交通装备技术水平和核心竞争力,进一步提高轨道交通装备自主研发产品质量保障能力、试验验证能力,实现从“中国制造”向“中国创造”转型并推进我国轨道交通装备“走出去”,我国通过统筹安排系列自主化产品研制与产业化应用项目等措施,围绕城市轨道交通车辆、轨道交通控制系统等重点领域的主要任务,进行了一系列科研探索和创新实践,极大地推动了我国城市轨道交通装备产业向中高端迈进取得突破性进展,进一步健全完善了轨道交通装备产品体系,并在智能化城市轨道交通关键装备工程化应用方面取得了初步成效,城市轨道交通全产业链配套与服务能力、产品质量保障能力得到明显提升。

对中国城市轨道交通关键技术、核心产品及典型装备研发现状以及未来技术发展趋势进行概括梳理如下。

(一)城轨车辆技术

《城市公共交通分类标准》(CJJ/T 114-2007)明确了城市轨道交通系统包括地铁系统、单轨系统、有轨电车、磁浮系统、自动导向轨道系统、市域快速轨道系统等,一般不同的轨道交通系统对应着不同的车辆形式。

1.地铁车辆

我国地铁车型分为A型、B型以及L型(采用直线电机牵引)。A型地铁列车长度一般在21~24米,宽度为3米;B型地铁列车长度一般在19~21米,宽度为2.8米;L型地铁列车长度一般在16~19米,宽度为2.8米,目前国内使用较少,仅有早期的北京机场线、广州地铁4、5、6号线在使用。近年来,地铁车辆技术的发展逐渐表现出车辆高速化、车辆结构轻量化及安全舒适性要求提高、列车智能化、牵引变流技术SiC代替IGBT、永磁直驱牵引技术、以太网列车通信网络技术以及变频制冷和热泵采暖空调节能技术等趋势。

2.单轨车辆

单轨车辆按照走行模式和结构,主要分为悬挂式和跨座式两类。其中,中运量跨座式单轨交通系统特色鲜明,其单向客运能力为每小时1万~3万人次,且在编组方式、能源利用、系统整合、车辆轻量化、维修保养、建设成本以及运营安全等方面具有一定的优势。中运量跨座式单轨车辆采用动力电池+地面储能电站+车辆智能电源管理系统的组合,可以充分吸收制动回馈能量,能量利用效率大大提高。此外,车辆设计有智能化控制系统,信号系统、通信系统及储能电站等数据均与车辆系统进行实时交互,实现功能高度整合。新型中运量跨座式单轨通过云系统把车辆的控制与线路信号紧密结合,并且通过云平台的大数据智能化管理,把车辆运营、维保、乘客服务等无缝对接,提高了系统效率,降低了运营风险。

3.现代有轨电车

现代有轨电车从制式方面可以分为钢轮钢轨车辆和胶轮导轨车辆。胶轮导轨车辆仅有法国劳尔公司生产,且胶轮车辆造价高昂,国内仅有天津泰达和上海张江两条线路使用;钢轮钢轨车辆因技术成熟且造价低廉,正逐渐成为国内新建有轨电车线路的首选。目前,国内有能力生产有轨电车并具备交付业绩的厂商有南京浦镇、大连机车、青岛四方、长春客车、株洲机车和唐山客车等。

4.中低速磁浮车辆

在需求和新技术的推动下,中低速磁浮车辆技术发展显示出智能化“中低速磁浮车辆+”的新形势,全自动运行系统(FAO)将车辆控制与列车控制系统深度融合,从而实现控制的便捷、高效,减少了车载基础设备的资源浪费。此外,随着维护检修智能化技术的提高(如检修机器人的投入使用),中低速磁浮车辆车载设备标准模块化趋势也逐渐显现。应用方面,2016年5月,长沙磁浮快线实现商业载客试运营,最高运行速度达100km/h;2017年12月,北京S1磁浮线实现商业载客试运营,最高运营速度达100km/h,更高等级速度的中速磁浮列车已生产下线;2018年6月,在株机下线商用磁浮2.0版中速磁浮列车,设计时速为160km/h;2018年11月,新一代中低速磁浮车在中车大连下线,最高运行时速达160km/h。

5.APM车辆

由于APM车辆只适用于小区域范围内的客流旅客疏运,国内开通的APM线路只有广州、北京、上海3条。目前,我国APM车辆核心设备产业化已具备了良好的技术能力储备,在引进新技术的同时,不断对车辆一些关键部件进行结构及性能优化,逐步具备产品升级改造能力,设备采购和维护成本不断降低。随着我国APM车辆、信号、牵引系统等核心机电设备国产化、产业化进程的推进,APM捷运系统将有望更多地融入我国大城市的轨道交通网络中。

6.市域快轨车辆

市域快轨车辆采用更大功率的牵引动力,最高运行时速可达160km,速度等级较普通地铁车辆提高近一倍。市域快轨在交通制式上、线路敷设方式上呈现多样化特点,因此在系统技术与设备标准上也进行了适当调整。目前,国内一些城市在开展中心城区城市轨道交通建设的同时,已着手开展市域快轨线网规划的编制工作,个别城市已启动了市域快轨建设。以北京为例,目前已至少规划3条R线、6条S线,以及新机场线与其他各市郊专线等,要求车辆运营时速在120~160km,皆属于市域快轨交通。

7.城际列车

为满足区域经济快速发展和城市群崛起对城际轨道交通的需求,我国成功研制CRH6型城际动车组。CRH6型城际动车组在保持和谐号高速动车安全、可靠等优点的基础上,吸收了传统地铁车辆轻型、载客多等优点,兼具高速列车和地铁列车的部分优势,完善和补充了我国轨道交通车辆的层次架构。该系列动车组分为时速200km/h的CRH6A、时速160km/h的CRH6F和时速140km/h的CRH6S三种速度级别类型。

(二)车辆牵引和控制技术

城市轨道交通车辆电气牵引和控制系统包括交流电传动系统、网络控制和诊断系统、辅助电源系统三大车载电气子系统。随着电力电子技术、信息技术、新型材料等新技术的发展和现代控制技术的进步,城市轨道交通车辆电气牵引和控制系统也在向更高效、安全、绿色、智能方向发展。近年来,在高能效永磁同步电机驱动、以太网列车控制和诊断、高频辅助变流器、智能运维等方面,已取得技术突破和阶段性成果,相关成果开始应用于实践并逐步批量应用。

1.高能效永磁同步电机驱动系统

我国中车株洲电力机车研究所有限公司(简称中车株洲所)等机构从2000年以后便开始进行永磁同步牵引电动机的研究,自2010年在沈阳地铁2号线装车应用研究以来,先后在地铁车辆和有轨电车上得到应用。目前典型的应用项目有长沙地铁、北京地铁、天津地铁、浦镇低地板、佛山高明低地板、青海德令哈低地板、韩城空轨车辆等。永磁同步电机驱动系统的关键技术如系统设计、永磁同步电机设计、永磁材料可靠性及其应用、变流及其控制策略等获得突破,并通过数个项目的实践和应用验证,不但日趋成熟,而且在向无位置传感器控制、电机不解体维护新型结构、轻量化等方向发展。此外,满足轨道交通特定线路及车辆需求条件的低地板车、城轨地铁等,也逐渐在应用或研究永磁直驱系统以实现其特殊需求。

2.以太网列车控制和诊断系统

中车株洲所等单位在2012年就已经完成了基于实时以太网技术的网络控制平台研发,DTECS-2是完全符合即将颁布的IEC 61375国际标准的最新版本,其网络架构分为两级:以太骨干网,采用骨干网交换机,链路汇聚方式进行冗余;编组网,采用编组网交换机,环网方式进行冗余。目前,相关成果已实现装车应用,如长沙地铁1号线和3号线、红河低地板车、洛杉矶地铁、北京新机场线等。

3.高频辅助变流器

隔离变压器工作频率为18~20kHz,重量轻;效率达92%~94%;电路技术串联或并联设计,适应DC1500V/750V电网;前级Boost/Buck预稳定变换器;IGBT零电压开通,小电流关断,损耗低;整流二极管零电流关断,损耗低无反向恢复问题。目前,高频辅助变压器不仅在城轨地铁中有应用,而且在有轨电车、空轨实现了装车考核。

4.智能运维系统

国内相关单位如中车株洲所等已研发出成熟的牵引、辅变、网络、制动等成型产品并已批量应用于机车、动车、城轨等轨道交通领域,行业内产品应用经验丰富,能为整车设备的智能化管理研究提供技术支撑,可以提供针对列车关键部件的检测、诊断和预测等服务。现有的车载信息化与智能化平台CMD、WTDS、OCS已经在机车、动车、城轨领域批量运用,具备采集车载所有数据的功能,为城市轨道交通领域智能化系统的设计、测试以及模型训练提供数据支撑。

(三)车辆制动技术

制动系统作为城市轨道交通车辆的重要组成部分,承担车辆运行的调速、停车控制等功能,其性能直接影响车辆的运行组织和运营安全。模块化、小型化、轻量化是制动系统产品的主要发展方向,而网络化和智能化将是未来的控制技术发展方向,对产品的安全性、可靠性、可维护(修)性也会有更高的要求,同时生命周期成本要逐步降低。

1.系统协同

基于目前制动系统的制动力管理、停车控制、防滑控制性能,以车辆整体运行要求为目标,制动系统是制动力控制的执行机构,而整列车的制动车控制需在减少制动磨耗、管理制动力、提高运行效率等方面进行协同。

2.网络化和智能化发展

就制动系统而言,网络化主要是需要采用统一的以太网,实现从设备到列车再到地面通信协议和数据的一致。目前,国内的主要设备生产商都可以提供以太网连接设备,完全使用以太网控制的城轨列车已开始进行设计和生产。关于智能诊断,制动系统自身的智能化发展目前还处于起步阶段。制动智能诊断技术主要发展方向为把目前广泛使用的固定判定条件的诊断方式发展为具有历史数据及趋势分析的智能诊断和预测诊断,以更好地支撑智能化的预防性维修。

3.轻量节能

基础制动装置多数部件均使用铸造成型的工艺方法,为避免各种因素对结构强度的影响,在设计时结构冗余度较高,带来的负面效果就是重量偏大。通过采用强度更高的材料,使结构能够更加简洁,能够以较小的截面来满足强度要求,从而达到减重的目的。

4.无油空气压缩机

无油空气压缩机面临的最大问题是润滑油乳化、装置的轻量化和节能环保。目前,由车辆耗风低引起的工作率低和乳化问题,会引起压缩空气含油量过高;若液态油进入车辆管路,对车辆造成的影响非常大,甚至引起制动系统故障,严重时需对部件进行返厂大修。不仅如此,有油空气压缩机漏油会带来环境污染等诸多问题。考虑无油空气压缩机对于空气质量的高要求,其是否完全适用还有待观察,与此同时无油空气压缩机的价格高昂,也将是延缓其在国内市场进一步推广的重要影响因素。因此,无油空气压缩机应用也会得到广泛关注。

(四)牵引供电和配电技术

城市轨道交通系统中,牵引供电和配电系统相关设备的选择及新技术、新产品、新工艺、新材料等的应用,始终遵循“技术先进、安全可靠、节能环保、投资经济、运营方便”的原则。为了使供电系统可靠地运行,应选用具有一定运行经验的、成熟的、可靠的节能型产品,并应充分考虑运营维护的安全、便利性。

1.主变电所或开闭所

主变压器采用有载调压三相双绕组(或加平衡绕组)交流电力变压器,具有损耗低、噪声低、局放小、抗短路能力强、可靠性高、寿命长、现场安装维护方便的特点。近年来,在主变电所采用静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)进行无功补偿,该技术代表了无功补偿技术的发展已在轨道交通供电系统主变电所实现了广泛应用。

2.接触网

近年来接触网方面新技术、新产品、新工艺、新材料等获得了较大的发展和应用,主要体现在接触网承力索铜铬锆合金绞线、接触网地下区段纳米导电精、接触网防雷技术、专用回流轨回流系统、双重绝缘技术以及全自动驾驶城市轨道交通无人区接触网系统方案的应用等领域。

3.电力监控系统

目前国内北京、上海、南京等早期开通过的轨道交通线路电力监控系统采用以线路为单元单独构建电力监控系统,但是随着综合监控系统在轨道交通中应用的成熟和广泛,电力监控系统的中央级和车站级基本都会采用集成于综合监控系统中,电力监控系统的变电所综合自动化系统则单独设置。未来,基于云技术架构的综合监控系统以及基于IEC61850的数字化变电站综合自动化系统将得到更为广泛的应用。

4.再生电能利用

储能介质(超级电容、电池、飞轮等)技术不断发展,超级电容储能方案已在广州、东莞、青岛、北京等地挂网试验,在北京8号线四期2座牵引变电所正式运行。目前,国内供货商逐渐掌握了相关核心原材料的生产技术,采用国内生产设备替代进口生产设备,使超级电容器大幅度降低成本成为可能,为电容储能装置在轨道交通推广应用提供了有利条件。但电容的寿命受充放电次数(温度在25℃时,电容充放电寿命为100万次)和环境温度影响较大,性能还需进一步提升。

5.能源管理系统

线路级能源管理系统智能表计技术成熟,已广泛应用在轨道交通供电系统、动力照明系统供电回路的智能计量。同时,给排水系统设置远传水表和通风系统设置智能热力表计技术成熟,已被广泛应用在国内轨道交通车站和车辆基地,为能源管理系统提供数据支撑。

(五)信号技术(含FAO)

城市轨道交通信号系统是指挥列车运行,保证列车安全,提高运输效率的关键设备,通常由各类信号显示、轨道电路、道岔转辙机等设备及其他附属设施构成。2000年以来,在技术和市场的推动下,出现了基于通信的列车控制系统(Communication Based Train Control,CBTC)。CBTC应用初期,其核心技术掌握在西门子、泰雷兹、阿尔斯通等少数国际巨头手中,不同核心技术提供方的技术封闭性导致了不同厂家的信号系统之间无法进行接口,增加了运营管理的成本和难度。近年来,各家掌握CBTC核心技术的厂商有意愿为线网级运营提供更加适用的信号系统,同时,为推进互联互通工作,中国城市轨道交通协会组织相关单位讨论明确了互联互通的具体需求,并已完成全部12个规范的编制和发布工作。重庆市轨道交通4号线、5号线、10号线及环线作为国家级示范工程,首先应用互联互通信号系统;北京地铁5号线是纵向互联互通需求的典型代表。

网络化、自主化、智能化、云计算化是轨道交通发展的重要方向,面对行业的发展,信号系统的重要发展方向主要表现为以下三方面。

1.互联互通全自动运行

互联互通FAO(I-FAO)是指轨道交通路网内,装载不同厂商信号设备的全自动运行列车跨线和共线运行,从而实现轨道交通路网间的联通、联运。互联互通全自动运行的关键技术及创新点涉及:统一适用于全自动运行的轨道交通互联互通的信号系统需求和系统架构、统一适用于全自动运行互联互通的子系统需求分析和功能分配、适用于全自动运行互联互通的一系列接口规范、满足全自动运行高可靠性的互联互通设备的优化以及优化基于全自动运行的轨道交通互联互通信号系统的LTE综合承载数据流。

2.基于车车通信的全自动运行

基于车车通信的全自动运行突破了目前所有轨道交通列车控制系统均依赖于车站和轨旁设备实现列车运行控制的固有模式,完全依靠车载实现列车控制,列车之间可通过无线通信完成信息交互,从而直接获知前行列车的位置和速度,并控制列车运行。

3.基于云平台的大数据应用及调度

基于云平台的大数据应用及调度可以满足行车调度指挥智能化和集成化的需要,满足网络化运营、应急管理发展以及全自动运行的需要,采用云平台的大数据应用及调度的新一代信息化体系是城轨信息化建设的发展趋势。

(六)通信技术

通信系统设备是城市轨道交通主要的组成部分,一般由专用通信系统、民用通信引入系统、公安通信系统组成。在以“互联网+大数据+人工智能”三位一体解决方案为核心的新兴产业融合基础技术在国内迅速兴起的环境下,在轨道交通自动化、信息化、智能化的运营管理和调度指挥理念的推动下,轨道交通通信系统技术装备也在向着IP化、集中化、综合化方向发展。

1.传输系统

目前可应用于轨道交通的传输技术主要包括:OTN(开放式传输网络)、MSTP(多业务传送平台)、纯IP技术以及PTN(分组传送网络)。随着以视频、云计算、物联网为代表的新兴业务对带宽需求剧增,加之传输系统呈现高速率、高容量的发展趋势,现有的骨干光传输系统迫切要求进一步提升传输容量,光传输复用维度也从单纯的时分复用发展到时间、波长、频率、偏振态、传输模式的多维复用、多管齐下。

2.无线通信系统

LTE技术在城市轨道交通正在得到广泛应用,部分城市正在开展建设宽窄带融合,是涵盖无线调度、车地数据传输等业务的综合无线通信系统的有益尝试。未来,LTE技术将进一步拓展在城市轨道交通运营管理中的应用领域,提供承载语音、视频、数据等业务的综合无线业务平台将成为未来一段时间的发展趋势。

(七)综合监控

城市轨道交通综合监控系统是一个功能强大的、开放的、模块化的、可扩展的分布式控制系统,是一个集成和互连了多个子系统的综合系统。综合监控系统的发展以城市轨道交通运营为目标,作为面向轨道交通运营的数字化信息共享平台,超越了独立系统的局限性,将各个系统的信息进行采集、集中处理、集中调度、联动控制,并适当提供统计、分析、辅助决策功能,为调度、维护人员提供最简便、直接的手段,做出快速、高效的响应。近年来,以ISCS为核心的线路生产信息集成平台逐渐发展和成熟,在轨道交通的系统集成上,借助以云计算、物联网、智能传感和大数据技术为代表的新一代信息技术开始有效地应用,轨道交通系统逐步集成并呈现智能化、网联化、协同化趋势,开始注重智能巡检、节能等领域技术的发展。

(八)车站设备

目前,人工智能、大数据、毫米波、太赫兹、CT技术等新兴技术逐渐应用到安检防爆领域,如基于智能识别算法的X光安检机智能识别机,是对X光安检机生成的图像进行智能判别的专用设备,目前已经在北京地铁、厦门BRT、重庆地铁、成都地铁得到应用;采用安全的主动式毫米波技术的毫米波人体安检门,以非接触的方式对人体体表进行快速查验,已在深圳地铁等展开试点应用;太赫兹安检设备在北京等地地铁有试点应用。未来,随着AI技术、大数据等技术的进一步发展,以及与安检技术的不断融合、转化,为适应轨道交通的行业特点,未来安检设备的发展将呈现集成化、智能化、大数据、服务标准化等趋势。

(九)云平台

云计算是一种新兴的共享基础架构的方法。建立在云计算技术发展基础之上的城市轨道交通云平台技术,充分利用云计算技术对城市轨道交通企业的资源进行整合,打通各专业系统数据壁垒,以提升整体信息化系统的弹性、动态性、整体性。目前,城市轨道交通云平台技术发展处于IaaS阶段,随着云计算、大数据、物联网等新技术与城市轨道交通的深度融合,新一代信息化体系架构将助推基于IaaS架构的城市轨道交通云平台的建设与发展。针对城市轨道交通云平台的技术应用,国内相关单位从两个方面展开了深入研究:一是业务系统云化部署,二是运用云计算技术有效提升城市轨道交通信息化发展水平。

针对城市轨道交通安全与既有线路改造困难的问题,深圳、温州、武汉等城市在新建线路中针对部分业务系统在不改变系统原有架构基础上使用云化部署方案。此方案可解决单系统的资源弹性扩展与动态部署问题,但是没有打破系统与系统之间的信息传递壁垒,目前温州S1线一期工程西段开通试运行。呼和浩特、太原等城市则充分利用新建城市的后发优势,在建设之初就搭建基于车站、线网中心两级架构的线网级融合云平台,将传统模式下的车站、线路中心、线网中心三级架构进行优化升级,后续新线接入线网中心云平台,而且根据城市轨道交通业务系统安全等级、生产调度响应及时性等要求配置不同的资源池。此外,在推动城市轨道交通云平台技术的创新实践中,中国城市轨道交通协会牵头编制了《新一代智慧城轨体系的信息技术系统的IT架构及信息安全规范》,在此基础上,正在推进云平台架构、网络架构、安全保护、线网指挥调度、大数据平台五个方面相关技术标准、设计标准的编制工作。规范的编制、发布对城市轨道交通云平台的推广发展将起到引领作用。

未来,随着云计算与人工智能、BIM技术的不断结合,以及私有云与公有云共存的融合云模式的逐步应用,IaaS层服务向PaaS、SaaS层深入发展,城市轨道交通云平台技术将迎来新一轮的发展。

(十)BIM技术

自2000年以来,国内外相关学者开展了很多关于BIM技术的理论研究。从2010年起,BIM技术开始在实践项目中应用。我国BIM标准研究起步较晚,主要因为我国工程项目组织结构复杂、组织管理模式较难满足基于BIM的项目全生命周期管理需要等,以运营为导向的建设项目全生命周期集成管理还处于探索阶段。

目前,BIM技术已逐渐在城市轨道交通项目中普及,从以设计和施工阶段的应用为主逐渐过渡到运营阶段的应用,同时由以单一的设计和施工企业应用为主转变为业主方在项目设计、施工以及运维阶段全面应用。根据最新的行业调查结果,截至2018年12月,全国已有29个城市107条轨道交通线路使用了BIM技术。在北京、上海、广州、深圳、无锡、南京等城市的轨道交通工程中,业主在合同中明确规定需要使用BIM技术指导设计与施工,主要应用于建设期,部分应用于运营期,设计阶段仍是目前国内城市轨道交通BIM技术应用最广泛、最成熟的阶段。未来,BIM技术凭借其可视化、集成化等优势,或将进一步应用于城市轨道交通资产管理等领域。

需要指出的是,一直以来,缺乏统一的BIM技术标准是制约BIM技术在我国建筑行业落地应用与发展的主要障碍之一。目前,国内城市轨道交通工程BIM技术数据标准正处于研究制定和不断完善的过程中,行为标准方面主要以交付标准为主,行业标准与地方标准方面都在开展研究,且多集中于企业标准层次,面向数据标准制定的工作较少,影响力小。

(十一)基础设施检测技术

1.综合检测列车

我国北京、上海、重庆、广州、深圳等城市的轨道交通已运用专业的轨检和弓网检测车,近年逐渐出现了检测功能集成的趋势。针对我国城市轨道交通基础设施规模大、运量大、线路繁忙的特点,基础设施检测工作对于智能化、综合性的检测设备的需求愈发突出,以提高检测效率和检测质量为目标,研发适用于城市轨道交通基础设施检测的综合检测技术将成为下一阶段的重要发展趋势。

2.轨道检测车

国内地铁应用的轨道几何测量系统均以惯性测量原理和结构光测量技术为主,检测系统主要由激光摄像组件、惯性测量组件、信号处理单元、数据处理单元几个部分组成。轨道检测车在轨道的动态安全检查和指导养护维修方面起到了很重要的作用,解决了人工测量效率低、检测准确度不高的问题。随着嵌入式技术和图像技术的发展,轨道检测设备将向小型化、智能化的方向进一步发展。

3.接触网检测车

随着国铁领域高速铁路供电安全检测监测系统(6C系统)投入运行,覆盖动态检测、静态监测、专业检测车、运营车在线监测等的供电安全现代化检测监测技术手段和装备体系已经形成,初步实现了对牵引供电设备全方位、全覆盖、周期性的检测和实时在线监测。国内各地铁公司目前也在借鉴高速铁路6C系统的建设经验,探索为地铁快速建立高质量的供电安全检测监测技术和装备体系。但其设备运营维护一般以供电车间为主,这对于6C系统各检测监测装置的部署、各检测项目的配置及检测精度、检测数据的分析应用都提出了新的问题。

 三、中国城市轨道交通技术装备制造企业市场竞争力及出口情况

(一)中国城轨装备制造企业市场竞争力分析

在国家利好政策引导和市场强劲需求拉动下,我国轨道交通装备制造业正进入高速成长期。2017年,中国轨道交通装备制造业销售收入达到6109亿元,2018年中国轨道交通装备制造业销售收入超过6560亿元,预计2018~2022年的年均复合增长率约为7.43%,到2022年中国轨道交通装备制造业销售收入将达到8738亿元,展现了轨道交通装备持续快速发展的广阔前景。

我国共有7家装备制造企业具备城市轨道交通车辆投标资质,年产能约为9200辆,城市轨道交通车辆逐渐呈现产能过剩趋势。此外,具有投标资质的牵引企业有12家,信号企业有11家,市场基本呈现饱和状态。

1.3 我国部分关键装备企业

序号

企业名称

主系统产品

大类

1

中车长春轨道客车股份有限公司

城市轨道交通车辆

车辆制造企业

2

中车青岛四方机车车辆股份有限公司

城市轨道交通车辆

3

中车株洲电力机车研究所有限公司

城市轨道交通车辆

4

中车南京浦镇车辆有限公司

城市轨道交通车辆

5

中车大连机车车辆有限公司

城市轨道交通车辆

6

中车唐山机车车辆有限公司

城市轨道交通车辆

7

北京地铁车辆装备有限公司

城市轨道交通车辆

8

北京控股磁悬浮技术发展有限公司

磁浮

9

株洲中车时代电气股份有限公司

牵引、制动、车钩

核心关键系统企业

10

中车青岛四方车辆研究所有限公司

牵引、制动、车钩

11

北京纵横机电技术开发公司

制动、牵引

12

新誉集团有限公司

牵引

13

中车永济电机有限公司

牵引

14

中车大连电力牵引研发中心有限公司

牵引

15

上海阿尔斯通交通电气有限公司

牵引

16

江苏经纬轨道交通设备有限公司

牵引

17

深圳市英威腾交通技术有限公司

牵引

18

湘潭电机股份有限公司

牵引

19

南京华士电子科技有限公司

牵引

20

嘉善华瑞赛晶变流技术有限公司(浙江)

牵引

21

交控科技股份有限公司

信号

22

北京通号国铁城市轨道技术有限公司

信号

23

北京市华铁信息技术开发总公司

信号

24

卡斯柯信号有限公司

信号

25

上海电气泰雷兹交通自动化系统有限公司

信号

26

浙江众合科技股份有限公司

信号

27

上海富欣智能交通控制有限公司

信号

28

南京恩瑞特实业有限公司

信号

29

北京和利时系统工程有限公司

综合监控、信号

30

北京交大微联科技有限公司

信号

31

南京中车浦镇海泰制动设备有限公司

制动

32

南京康尼机电股份有限公司

车门

33

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司

车钩

城市轨道交通车辆方面,随着新型整车及其部件的生产设备和制造基地建设的加快推进,轨道交通装备制造新的增长极逐步形成,市场竞争态势逐渐增强。2017年,国内最大的城轨车辆供应商中国中车在国内共交付车辆约5400辆,京车装备公司国内交付车辆292辆。中车长客轨道车辆有限公司依托现代跨座式单轨交通车辆关键技术自主开发及整车集成应用项目,开展400米中小运量车辆调试线建设,新增铝合金车体生产设备,产能建设持续推进。成都轨道交通产业园建设取得阶段性成果,各业务板块全部投入生产。围绕整车及关键部件开展生产线建设,取得了良好的产销业绩。中车株洲电力机车有限公司年产50列(250辆,4模块或6模块编组)储能式现代有轨电车项目完成批量生产。中车株洲时代新材料科技股份有限公司开发的城市轨道交通车辆用减振降噪产品得到广泛应用,其中,轴箱弹簧在国内外大量装车运用,总数量超10万件,国内总销售额超过1.4亿元、市场占有率达80%以上,海外业务实现总销售收入超过1.1亿元;抗侧滚扭杆和空气弹簧在全世界范围内广泛应用,抗侧滚扭杆年销售额达0.8亿元以上,空气弹簧年销售额达1亿元以上。数据显示,2015~2017年,长客股份、青岛四方、南京浦镇位居中国地铁车辆市场前三,合计中标金额超过1030亿元,市场占比接近74%。此外,受行业利好形势及招投标政策变动影响,部分央企、地方国企以及民营企业也纷纷投资布局城轨交通车辆市场,如中国铁建、中国中铁、中国通号、比亚迪等,原车辆供应商京车装备公司拟在保定满城进行扩建,市场同质化竞争激烈,城轨车辆市场面临产能过剩风险,只有结合供给侧结构性改革,鼓励差异化创新,才能继续保持城轨车辆产业竞争力。

通信、信号系统领域,目前国内分别有十余家供货商,竞争相对比较充分。信号系统方面,目前有多家厂商掌握了CBTC信号系统核心技术,自主化产品替代工作正逐步展开。截至2019年4月18日,对国内(大陆)CBTC市场情况进行统计可知,卡斯柯占据总路线的30%(65条线),位居首位;泰雷兹、交控以及合众科技分别占据总线路的15%(33条)、15%(32条)和11%(25条),列第二、三、四位,具体市场占有情况如图1.1所示。

图片关键词


1.1 中国大陆CBTC市场分布

LTE-M技术方面,作为我国拥有核心自主知识产权的国际通信标准技术,自行业协会力推使用LTE制式综合承载城轨交通生产业务以来,截至2017年11月,已有108条(含已开通和在建项目)拟采用或已采用LTE承载相关应用,其中92条拟采用或已采用LTE替代CBTC。预计“十三五”期间城轨交通信号系统的市场空间为548.24亿元,年均复合增速高达20%。城市轨道交通信号系统是用于列车进路控制、列车间隔控制、调度指挥、信息管理、设备工况监测及维护管理的高效综合自动化系统,通常由列车运行自动控制系统和车辆段信号控制系统两大部分组成。城轨交通信号系统是保证列车安全、高效运行的关键设备,而CBTC是当前主流的信号系统。城轨交通信号系统是保证列车运行安全、实现行车指挥和列车运行现代化、提高运输效率的关键系统设备,其主要功能在于进行列车进路控制及调度、信息管理、工况监测、维护管理。

轨道交通控制系统方面,随着创新能力的提升,我国在城轨全自动运行系统等方面的技术优势逐渐凸显,带动产品的应用范围不断扩大。依托北京燕房线开展研发和示范应用的城市轨道交通全自动运行系统,将提升我国在轨道交通领域的技术优势,培育多元化市场环境,推动轨道交通高端装备的产业化,为后续在全国乃至全球的运用打下基础。

牵引系统方面,目前国内共有十余家牵引系统供货商,竞争相对比较充分,其中中车时代电气市场占有率比较高。近两年,民营牵引系统供货商逐渐崭露头角,如江苏经纬和深圳威腾等都已开始获得市场订单,受行业形势影响,还有部分国企与民营企业欲涉足牵引市场,但仍面临投资规模大、研发周期长、应用风险大等诸多挑战。自2017年开始,将进一步扩大市场开放度,取消外资企业投标限制,增加市场的竞争性。

(二)中国城市轨道交通技术装备出口情况

近年来,我国轨道交通装备企业在国际产业链分工中的地位进一步提高,整车及车轴等相关技术对外输出或产品出口规模持续扩大,成为国际城轨交通市场重要产品、重要领域的有力竞争者。凭借关键技术自主突破和产业化能力的不断增强,我国轨道交通装备制造企业如中国中车、中国通信等的国际化经营步伐明显加快,在海外市场的竞争力不断增强,海外业务成效显著,目前,我国城市轨道交通技术装备已出口至亚、非、拉、美等十多个国家和地区。

1.中国中车

目前,中国中车的产品已经出口至全球六大洲100多个国家和地区,出口产品实现了从中低端到高端的升级,出口市场实现了从亚非拉到欧美的飞跃,出口形式实现了从产品出口到产品、资本、技术、服务等多种形式组合的出口。近年来,中国中车陆续获得沙特麦加朝觐地铁、以色列特拉维夫轻轨维保项目,获得马来西亚42列无人驾驶轻轨车辆机电总包项目,“产品+服务”模式稳步推进。截至2017年10月底,中国中车城轨车辆出口签约数为825辆。

(1)美国波士顿地铁车辆项目

美国波士顿地铁车辆项目由中车长春轨道客车股份有限公司(简称中车长客)承担。已于2014年11月19日与业主正式完成合同签约,2014年12月18日业主正式下达了开工通知。本项目招标标的为284辆地铁车(其中包括152辆橙线地铁车和132辆红线地铁车),以及备件、手册、检测试验设备和培训、司机模拟驾驶仪等备选设备。项目资金来自马萨诸塞州州政府资金预算。在6个月的投标时间内,中车长客第一时间成立了中美两国的专业化联合团队,制定了明确的竞标策略,编制了合格的投标方案文件,最终成功中标。

该项目是整个中车集团、中国轨道交通装备企业,乃至整个中国高端交通装备企业首次登陆美国高端市场的关键一步,同时是轨道交通装备企业进行欧美跨国投资/经营并进入美国市场的重要一步,进一步开拓了中国中车轨道交通装备全球业务板块。

(2)印度加尔各答地铁车辆项目

2015年6月8日,中国中车旗下大连机车公司收到了由印度铁道部发来的加尔各答南北线14列112节地铁车辆合同文本。此批列车车型为宽轨,4动4拖8辆编组,最大载客量达2500人,最高运行时速为80公里。首列车于2017年初交付。

这是南北车合并为中国中车后,首次对外宣布斩获海外订单。加尔各答是印度第三大城市。为缓解城市公交运输压力,印度铁道部决定招标采购加尔各答地铁车辆,更换加尔各答长达23.45公里的地铁南北线已使用30多年的老旧车辆。2015年2月,大连机车公司中标该项目。这是大连机车研制的城轨车辆继出口中东与东南亚之后,首次进入南亚市场。

(3)以色列特拉维夫市轻轨车辆项目

2015年12月,以色列特拉维夫都会区公共运输有限公司(NTA)宣布,将向中车长客采购120列100%低地板轻轨车辆,装备特拉维夫市第一条城市轨道交通线路。这是中国轨道交通装备企业在以色列面向全球的招标中首次胜出,对中国轨道交通产品进入国际城市轨道交通高端市场具有重要战略意义。

这次中标的以色列项目的全部标的,除120列100%低地板轻轨车辆,还包括16年的车辆检修维护,这也是中车长客检修维护服务出口年限最长的项目。

(4)印度那格浦尔地铁车辆项目

2016年1月,那格浦尔69辆地铁车辆项目由马哈拉施特拉邦地铁公司全球公开招标,同年10月,中车大连机车车辆有限公司(简称中车大连公司)收到马哈拉施特拉邦地铁公司全球公开招标地铁项目69辆地铁车辆的设计、生产、供货、调试、试运行和培训,以及主要系统部件的10年维护保养的中标通知书,2017年3月29日完成合同签订工作。在合同签订后,中车大连公司快速推进项目实施,完成了设计、物料采购及首列车生产等工作。

2018年11月,由中车大连公司设计制造的中国首列出口印度那格浦尔地铁车辆正式下线。该车采用不锈钢车体,最大设计速度为80km/h,各项技术指标居于世界先进水平。那格浦尔项目是中车大连公司继加尔各答项目之后在印度市场获得的第二个大订单。

(5)印度德里地铁车辆项目

2016年3月,中国中车旗下南京浦镇车辆有限公司(简称中车浦镇)与德里地铁公司签订诺伊达地区地铁线车辆采购合同,合同总额达1.09亿美元(约合人民币7.25亿元)。

诺伊达是印度的名胜地区,此次来自全球的3家国际性大公司参与竞标,中车浦镇公司以其完善的技术、优良的品质和优质的服务一举夺魁。此次签订的订单共涉及19列车76辆。列车采用不锈钢车体,两动两拖4节编组,整列载客1034人。诺伊达地铁线路全长29km,2017年7月开始交付,2018年4月交付完毕。此前在2008年时,南京浦镇就在印度孟买获得108辆地铁车辆订单,这也是当时中国地铁类首个整车出口海外的项目。2015年6月,中车浦镇制造的列车在孟买地铁一号线全面投入运营。

(6)美国洛杉矶地铁车辆项目

2017年3月,中国中车与洛杉矶市的大都会交通局签订协议,要为洛杉矶新造64辆地铁车辆,整个订单价值6.47亿美元(约合人民币44.7亿元),全部列车将在2021年9月交付完成。此外,价值1.375亿美元(约合人民币9.45亿元)的费城45列新造通勤列车订单同样由中国中车获得。

(7)马来西亚42列无人驾驶轻轨车辆

2017年8月,由中车株洲电力机车有限公司(简称中车株机公司)牵头组成的联合体与马来西亚国家基建公司签订供货合同,将在未来两年内为吉隆坡轻轨三号线提供42列车辆。订单中的40列车辆将在中车株机公司旗下马来西亚中车轨道交通装备有限公司制造。这是首个由中国企业牵头主导的海外全自动无人驾驶轻轨车辆项目,对于中国轨道交通装备“出海”具有里程碑意义。

2.中国通号

中国通号是轨道交通通信信号领域技术、产品和服务供应商,是全球最大的轨道交通控制系统解决方案提供商,拥有轨道交通控制系统设计研发、设备制造及工程服务等完整产业链,是中国城市轨道交通“走出去”的重要成员企业。

近年来,中国通号推进海外工程项目建设,积极推进巴基斯坦拉合尔橙线,巴基斯坦铁路改造项目(7+24站),阿根廷Sarminto、Miter线,伊朗德黑兰1、2、3、4号线,伊朗库姆单轨线等项目;陆续签订了德黑兰地铁四号线电力电缆、库姆单轨道岔、埃塞道口等涉外销售合同。

(1)沙特麦加轻轨项目系统工程

沙特麦加轻轨南线全线长17.6km,沿线设9座车站,1座车辆段,其中信号系统由系统管理中心、列车控制中心、车站控制中心、车载控制中心组成,通信系统由传输、无线、时钟、电话、广播、门禁、乘客信息、电视监控、宽带无线接入平台、综合维修、综合监控组成。项目范围包括信号系统、通信系统和综合监控系统的维保工作。项目合同于2013年4月签订。

(2)阿根廷M&S线基础信号项目

M和S铁路为阿根廷的市郊通勤铁路。M线全长70km,共38个车站;S线全长38km,共17个车站。项目范围包括信号系统的升级改造,含设计、供货、安装、安装督导、调试、开通及质保期服务等内容,主要系统包括车载和地面配套设备。项目合同于2013年7月签订。

四、 未来三年中国城市轨道交通技术装备发展展望

(一)城轨交通网络快速发展将带动城轨交通技术装备需求持续增长

作为现代城市公共客运交通体系的骨干,城市轨道交通在促进城市经济发展、优化城市结构布局以及改善城市生态环境等方面可以发挥基础性和先导性作用,世界主要大城市大多具有完善成熟的轨道交通系统,城市轨道交通线网密度较大。而放眼国内,由于城轨交通地域分布不均,两极分化严重,供给远远不足,大部分一、二线城市的城轨交通发展水平仍低于主要国际城市,城轨占公共交通出行比例、人均地铁里程以及地铁密度均远低于国际水平,我国城市轨道交通建设仍有巨大的发展空间和潜力。

进入21世纪以来,在新型城镇化快速推进和城市优先发展公共交通的大形势下,中国城市轨道交通的发展呈现世界罕见的速度和规模,发生了翻天覆地的变化。随着我国城市轨道交通的快速发展,轨道交通投资额也逐年快速提高,2008年我国城市轨道交通完成投资金额1144亿元,至2017年已增长到4739亿元,复合年均增长率达17.11%。目前,我国城市轨道交通发展任务仍十分繁重,2016年以来,全国城市轨道交通继续保持快速增长、良性发展的态势,城轨投运线路规模、投资规模以及在建规模均创历史新高。

我国城市轨道交通建设规模仍将保持快速增长态势。据相关预测,到“十三五”期末,我国运营线路成网规模超过400km的城市将超过10个,其中,北京、上海将成为千公里级的城轨交通“巨网”城市,广州、深圳、重庆、天津、南京、成都、武汉、郑州等将成为线网规模400km以上的城轨交通“大网”城市。因此,未来一段时间内,各城市中城轨新线的持续开建与通车,将使包括地铁、轻轨、有轨电车等在内的城轨交通技术装备市场的巨大需求逐步释放,在此背景下,轨道交通装备行业仍将呈现强劲的增长态势。

(二)制造业转型升级将促进城轨交通技术装备自主化水平进一步提升

制造业是立国之本、兴国之器、强国之基,是国民经济的主体;打造具有国际竞争力的制造业,是我国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。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最高、国际创新竞争力最强、产业带动效应最明显的行业之一。目前,我国制造业优势产业已初步形成,但高端核心领域仍有不足,要求城轨行业在一些关键领域抢占先机、取得突破,推动制造业转型升级。

为适应日益增长的城市轨道交通建设、运营发展,我国通过加快构建形成产学研用相结合的城轨交通创新体系,不断深化城轨关键装备及核心零部件的自主研发和产业化,城轨交通装备产业也实现了长足发展。我国城市轨道交通装备产业的创新发展,已逐步扭转了大量关键核心技术受制于人的被动局面,为满足国内外市场需求的标准化、谱系化、多样化技术产品的进一步研发奠定了坚实的产业基础。各类关键技术的产业化对国民经济、社会民生、环境可持续等产生了积极影响,有效带动了上下游相关企业协同发展,进一步提高了城轨技术装备在国际市场的影响力和竞争力,为国家重大战略和重大工程的实施提供了有力支撑。

未来三年,我国将继续深入推进城市轨道交通关键技术产业化发展,重点围绕智能化、系列化、高效化以及与安全有关的城市轨道交通关键系统及装备,适应城市轨道交通网络化运营、一体化管理发展趋势,重点开展智能化关键系统及装备、适应新型城镇化发展的新型车辆装备、安全保障系统及装备的自主研发和工程化应用,持续提升城市轨道交通智能化管理水平和安全保障能力,增强我国城市轨道交通装备的技术水平和核心竞争力。

(三)新技术革命将推动城轨交通技术装备智能化发展

当今世界,在移动互联网、大数据、超级计算、传感网、脑科学等新理论、新技术的驱动下,一些重大颠覆性技术创新正在催生新产业新业态,信息技术、生物技术、制造技术、新材料技术、新能源技术广泛渗透到几乎所有领域,带动了以智能、绿色、泛在为特征的群体性重大技术变革,科技创新链条愈发灵巧,技术更新和成果转化更加快捷,产业更新换代也逐渐加快。大数据、云计算、人工智能、物联网等智能技术的快速发展和相互融合,不断促进社会生产和消费从工业化向自动化、智能化转变,社会生产力持续提高,劳动生产率不断飞跃,新技术与制造业的深度融合正在世界范围内掀起一场全新的科技革命和产业变革。

随着世界主要轨道交通强国积极推进新技术、新材料、新工艺与轨道交通的融合发展,国内的新一轮产业技术革命也正与加快转变经济发展方式发生历史性交汇。把握住新技术革命带来的机遇,推动城轨交通技术装备智能化发展,是我们赢得全球轨道交通科技竞争主动权的重要战略抓手,也是推动我国轨道交通装备制造业跨越发展、相关产业优化升级、生产力整体跃升的重要战略资源。面对新技术革命带来的新机遇、新挑战、新要求,我国相继制定了《中国制造2025》《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等政策指导文件,为我国今后一段时间的轨道交通装备发展指明了方向。

未来三年,我国应准确把握城市轨道交通智能化发展趋势,围绕先进适用智能化城市轨道交通装备、新型技术装备研发试验检测平台等领域,组织实施一批产业基础好、掌握一定核心技术、市场潜力大、带动能力强的关键技术研发及产业化项目,进一步完善多样化、系列化的城市轨道交通装备体系,推进城市轨道交通技术装备的智能化发展。

(四)适应互联互通需求将促进城轨交通技术装备加快标准化步伐

多年以来,我国城市轨道无论是技术装备,还是工程建设标准,由于种种原因,都未能实现统一的接口标准,各装备供货商之间的系统也无法互联互通,因此,城市轨道交通线路长期以来大多采用独立运营、跨线降级的方式运行。近年来,互联互通已成为国内城市轨道交通技术装备新的发展方向,以信号系统为例,其正逐步通过系统总体架构、通信协议、工程设计标准等的统一,在系统层面实现CBTC及降级模式下的互通互换及联通联运。互联互通已成为城市轨道交通的重要发展趋势,作为当前城市轨道交通尤其是城轨装备制造领域亟须解决的核心瓶颈问题之一,城轨交通技术装备的互联互通及互操作相关系列标准的建立,将极大地推动行业的可持续发展。

由于我国城市轨道交通需求多样,运营制式及运输产品种类丰富,有必要对城市轨道交通规划、建设、运营、维修、养护全生命周期制定全覆盖、全过程的标准体系。城市轨道交通标准体系的建立,有利于解决城市轨道交通工程建设、运营和管理中具有全局性和共性的突出问题,有利于加快建设进程和提高建设质量,有利于实现装备制造业的标准化和模块化,并最终实现网络运营与维修养护。今后的城市轨道路网建设过程中,在网络规划阶段就应把运营互联互通作为重要考虑因素,并在招投标阶段对各专业提出优先考虑满足互联互通标准的要求。

未来一段时间,在国内外市场需求旺盛的背景下,我国应适应城市轨道交通装备的互联互通需求,积极开展城轨交通技术装备互联互通及互操作标准的研究,推动建立标准体系及架构,形成标准化、模块化、智能化的自主知识产权车辆,满足互联互通和统型要求,建立城市轨道交通标准车辆技术平台,形成协会团体标准并开展标准全过程试验验证,不断推动中国城市轨道交通装备标准化工作,实现标准与技术、标准与创新、标准与认证的相辅相成,最终建立与国际接轨的中国城市轨道交通标准体系,更好地助力中国城市轨道装备制造“走出去”。

(五)国际竞争将催生领先的城市轨道交通技术装备制造企业

目前,国际轨道交通装备特别是机车车辆市场的总体形势是供大于求,西方企业垄断大部分的国际市场,不断拓展中国市场,中国企业开拓国际市场时,不仅要面对庞巴迪(Bombardier)、阿尔斯通(Alston)、西门子(Siemens)、通用电气(GE)以及GM/EMD等世界知名企业的竞争,而且要迎接印度、韩国等产品技术水平相当国家的铁路装备企业的挑战,特别是在目前国内产能过剩的情况下,国内企业在海外项目的竞争显得更加复杂、激烈。

在全球范围内,轨道交通装备供应体系主要分为机车车辆和基础设施装备两大类。机车车辆方面,传统的国际市场结构主要由欧系、日系两大机车车辆制造阵营构成。欧系以加拿大庞巴迪、法国阿尔斯通、德国西门子、瑞士施塔德勒等为代表,其产品销往世界多个国家,2015年欧洲供应商约占据了全球68%的市场份额,居主导地位。日本是欧洲之外的传统轨道交通装备强国,其在国内市场表现优异,在国际市场上也占有较大份额。近年来,已占据国内绝大部分市场的中国企业正积极推进轨道交通装备“走出去”,逐渐成为国际寡头市场新兴的竞争者。基础设施装备方面,奥地利Voestalpine集团、德国Vossloh集团、俄罗斯BetEltrans公司和Elteza公司、印度钢铁管理局等是轨道结构部件的主要制造商,占有较大市场份额,但俄罗斯和印度公司主要以区域市场或本国市场为主。德国西门子公司、法国泰雷兹集团(Thales)、意大利安萨尔多公司(Ansaldo STS)等为国际性的通信信号系统装备制造商,在全球市场占据主导地位。综合来看,世界轨道交通装备市场呈现寡头竞争格局,国外少数知名轨道装备及系统供应商依托长期技术积累、雄厚的资金支持,积极推进技术创新、产品升级,以有效巩固、扩大独占性市场利益。但是,只有激烈的市场竞争,才能催生领先的城市轨道交通技术装备制造企业。作为全球轨道交通装备市场的新兴参与者,中国企业正面临巨大的市场机遇,必须持续推进关键技术的研发和产业化,提高全产业链核心竞争力,努力在“走出去”中实现新突破。

未来一段时间,面对国外尤其欧美发达国家市场在技术、标准等方面激烈的竞争和严苛的准入壁垒,中国将继续提高城市轨道交通装备产品关键技术装备的自主化率和国产化率,巩固在国内市场的主导地位,发展高端技术装备产品,建立能够适应多样化需求的产品系列,推动行业检测试验等平台建设,提高试验检验等技术基础能力,不断推升我国城市轨道交通研发、设计、制造、检验等整体实力,进一步扩大城市轨道交通装备产品关键技术装备在境外市场的份额,增强中国城市轨道交通技术装备的国际竞争力和影响力。


专题报告

第二章 城市轨道交通车辆发展水平

一、概述

根据行业标准《城市公共交通分类标准》(CJJ/T 114-2007),城市轨道交通系统包括地铁系统、单轨系统、有轨电车、磁浮系统、自动导向轨道系统、市域快速轨道系统等。一般不同的轨道交通系统对应着不同的车辆形式。

(一)地铁车辆

地铁车辆是一种由电力牵引、轮轨支持与导向,运行在地下隧道、地面或高架线路上的大运量轨道交通工具。自1863年世界上第一条地铁在伦敦建成通车以来,地铁车辆经历了早期的蒸汽机车牵引、后来的内燃机车牵引、现在的电力牵引三个发展阶段。从车辆类型的划分来看,世界各地地铁车型没有统一的标准,往往是按照建设需要量身定制,比如纽约地铁的A系统和B系统。在我国,地铁车型分为A、B型以及L型(采用直线电机牵引)。A型地铁车辆长度一般在21~24米,宽度为3米;B型地铁车辆长度一般在19~21米,宽度为2.8米;L型地铁车辆长度一般在16~19米,宽度为2.8米,目前已有北京机场线、广州地铁4、5、6号线在使用。地铁车辆主要技术参数如表2.1所示。

2.1 地铁车辆主要技术参数


车辆类型

A型车

B型车

L型车

车辆长度(mm)

22000

19000

17080

车辆宽度(mm)

3000

2800

2800

车辆编组(辆)

4~8

4~8

4~6

车辆定员(站6人/m2

310

230~245

218~243

速度等级(km/h)

80~120

80~120

80~100

额定电压(v)

DC1500

DC1500(750)

DC1500

截至2018年末,国内城市轨道交通车辆制式分布(按开通线路条数):A型车制式39条,B型车制式89条。在已运营城市中,地铁车辆仍以80km/h速度等级的车辆为主,按线路条数占比约为71%,按里程占比约67.4%。2015~2018年从中国地铁车辆制造企业市场订单来看,中车长客股份、中车四方股份、中车浦镇股份位居中国地铁车辆市场前三,市场占比接近74%。

近年来,由于城市轨道交通建设由城市中心向外围发展,对列车旅行速度要求较高,100~120km/h速度等级的地铁车辆也越来越多,大连3号线,天津9号线,上海11号、17号线,昆明6号线,成都10号线等地铁车辆最高运行速度都达到100km/h,广州3号、9号线,上海16号线,东莞2号线,深圳11号线等地铁车辆最高运行速度都达到120km/h。

随着列车速度等级越来越高,列车各种智能化检测设备逐步增加,但这些车辆的设计制造沿用了现有的地铁车辆标准,可能会出现轴重超标,气密性较差,噪声加大、制动闸瓦热容量不满足,列车速度与站间距不匹配等问题。适应较高速度等级的地铁车辆的相关技术标准亟待制定。

根据国内城市轨道交通地铁车辆的发展情况和运用经验,地铁车辆技术的发展趋势主要有以下几点。

1.车辆结构轻量化及安全舒适性要求提高

采用先进的优化设计理论,使车体结构、转向架结构以及电气设备等,在满足相关标准要求下,实现车辆的轻量化目标。研究新型轻质合金材料(如镁铝合金)和复合材料(如碳纤维)在车体及转向架结构部件上的应用,研究车辆被动吸能技术,当列车发生意外碰撞时,将事故损失降到最低。通过车体结构的优化设计和设备安装方式的变化,提高整备状态下车体的固有频率,并采用高性能减震降噪材料,吸收噪声并降低噪声的传播,减少车辆的振动,提高乘坐舒适性。

2.列车智能化

车辆健康自诊断及维护大数据处理技术,如列车专家分析系统,实现了关键部件在线实时诊断,对故障实现早期预警及分级预警,准确指导列车的运用和维修。

非电气系统的智能感知技术,通过安装在转向架走行部关键部件上的复合传感器,检测冲击、振动、温度,并通过基于广义共振与共振解调的故障诊断技术,实时监控关键部件的安全运行。

3.牵引变流技术SiC代替IGBT

SiC电力电子器件较IGBT具有更低的导通电阻,具有更高的击穿电压,工作频率更高,开关损耗更低,散热性更好,能够在更高的温度下工作,同时SiC电力电子器件抗辐射能力极强,辐射不会导致SiC的电气性能出现明显的衰减。因此SiC代替IGBT具有更优异的牵引、电制动性能。

4.永磁同步直驱牵引技术的应用增长

以前采用的交流传动需要一个变速齿轮机构来将电机的转矩传递到轮轴上,而采用永磁同步电机可以将电机整体地安装在轮轴上,形成整体直驱系统,即一个轮轴就是一个驱动单元,省去了一个齿轮箱。永磁同步直驱牵引系统和交流传动牵引系统相比,有优异特性。

5.以太网列车通信网络技术

轨道交通车辆的发展对列车网络技术提出新的要求。如更大的传输带宽:能够更大量、更快速地传输数据。更加智能化:需要传输更多的数据用于网络融合、数据挖掘,要能够智能化诊断、辅助决策。更强的集成能力:要提供控制、媒体、诊断、维护、监测等功能,集成TCMS、CCTV、PIS、列车维保等系统。更加的开放:要能够与无线网络、地面IT网络的无缝集成。以太网列车通信网络技术能满足上述的诸多要求。

6.变频制冷和热泵采暖空调节能技术

我国地铁空调机组90%以上采用单冷空调,根据目前运营线路的能耗统计分析,地铁车辆用电量为总用电量的50%~60%,而以空调为主的辅助系统能耗较大。伴随着我国城市发展逐渐以节约能源与环境保护为可持续发展为主题,地铁车辆是节能减排的重点之一。变频机组可防止压缩机频繁的启动,降低压缩机启动能耗;可根据实时的载客量及环境温度,调节机组的冷量、热量的输出,降低机组的能耗;在冬季环境温度高于-5℃时,采用变频热泵系统,热泵系统在环境温度-5℃以上时能效比约为2,高于普通定频空调的能效比。

7.辅助雷达防护系统的应用

辅助雷达防护系统利用航天领域二次雷达技术转化,高精度、高实时测量前后车距,实现列车的实时防护;系统独立于信号系统,能在隧道高架等复杂电磁环境中对探测范围内的前方同轨列车或指定点进行探测和预警,尤其为无人驾驶列车在ATP失效或人工驾驶模式下的列车运营,提供安全防护和运营保障,避免列车追尾事故的发生。

8.可编程逻辑控制单元(LCU)

LCU装置采用热备冗余模块化(模块A、模块B)设计,主要由IO、主控制和网络模块构成。它能采集控制器、开关、按键、接触器辅助触点等电气信号,经逻辑计算后驱动各类负载,完成指定的时序控制功能。采用先进的LCU技术,取代原有部分继电器的功能,利用软件实现逻辑控制、故障诊断和运行记录;利用高可靠性电路和器件,实现双系统热备冗余,减少列车运行故障,降低安全风险,提高运营保障能力。

(二)单轨车辆

单轨车辆是通过在轨道梁运行的橡胶轮胎走行轮支持车体,并借助转向架的导向轮和稳定轮起到引导和稳定作用,是在高架线路上行驶的中运量轨道交通工具。单轨车辆按照走行模式和结构,主要分成两类:悬挂式单轨车辆和跨坐式单轨车辆。单轨车辆的主要技术参数如表2.2所示,主要特点有如下几点。

2.2 单轨车辆主要技术参数

名称

跨坐式单轨

悬挂式单轨

中运量

小运量

中运量

小运量

车辆长度(mm)

15000

12000

12000

10000

车辆宽度(mm)

3100

3165

2880

2300

车辆编组(辆)

2~8

单节车载客量(6人/m2

150

120

120

100

1.编组灵活

单轨车辆编组灵活,可按实际需求实现2~8节编组,实现不同组合。

2.能源利用

采用“接触轨+动力电池+地面储能电站+车辆智能电源管理系统”的组合,充分吸收制动回馈能量。回馈的多余电能由储能电站反馈给车辆用于起动和加速,能量利用效率大大提高。

3.系统整合

新型单轨采用高度整合的设计理念,车辆设计有智能化控制系统、信号系统、通信系统及储能电站等,且数据均与车辆系统进行实时交互,高度整合。新型单轨通过云系统把车辆的控制与线路信号紧密结合,并且通过云平台的大数据智能化管理,把车辆运营、维保、乘客服务等无缝对接,提高了系统效率,降低了运营风险。

单轨车辆生产厂家根据各地规划的线路情况,有针对性地推出合适的单轨车辆系统。如中车长客股份为重庆轨道交通生产的6节编组和8节编组单轨车辆;中车四方股份生产的永磁跨座式单轨列车,最高运行时速达到80km,生产的悬挂式单轨列车,最高运行时速达到70km;比亚迪根据客流量不同,生产不同型号的A、C型跨座式单轨车等。

我国已建成的单轨系统主要有重庆市轨道交通2号线和3号线,银川市旅游单轨线、西安市曲江旅游单轨线和深圳连接几个旅游度假区的欢乐干线等。单轨系统由于本身的技术特点,吻合了部分城市的设计规划,目前有多个城市拟计划建设单轨系统。如辽宁省沈阳市,吉林省吉林市,安徽省芜湖市、淮南市,河南省郑州市的郑东新区以及桂林市与比亚迪合作建设旅游示范线等。

单轨系统通常为高架,高架单轨具有成本低,工期短,占地少,污染小,能有效利用道路中央隔离带,适于建筑物密度大的狭窄街区的优点。因而单轨也为大城市中等客流的交通线路和中等城市主要交通线路提供了选择。特别是在地形条件复杂、利用其他交通工具比较困难的情况下,能体现其优越性。

(三)现代有轨电车

现代有轨电车是在传统有轨电车基础上改造发展起来的现代低地板有轨电车,是使用电力牵引,用于城市客运的轨道交通工具。相比传统有轨电车,现代有轨电车具有运量大、换乘快捷、运行速度快、低噪声等优点。作为现代有轨电车的主流,100%低地板有轨电车已成为首选,其最大优势在于便利性强,乘客可以无须通过站台上下车,且对残障人士和儿童上下车更为有利,因此可大幅缩短车辆停站时间,减少高峰时段客流量巨大产生的交通隐患和客流压力。

在我国,2013年8月沈阳浑南有轨电车成网运营以来,苏州、南京、广州、青岛、淮安等城市也已建成现代有轨电车并投入商业运营。预计到2020年,将规划、建设有轨电车线路超过150条,里程超过2500km,工程总投资超过3000亿元。

有轨电车车辆从制式方面可以分为钢轮钢轨车辆和胶轮导轨车辆。现代有轨电车多采用100%低地板型式,按车辆结构形式基本可分为三类:单车型、浮车型及铰接型,主要车辆参数如表2.3所示。

2.3 现代有轨电车主要技术参数


车辆类型

单车型

浮车型

铰接型

列车编组(辆)

4

5

3

车辆长度(mm)

36600

32230

36210

车辆宽度(mm)

2650

2650

2650

速度等级(km/h)

70

70

70

目前,国内有能力生产有轨电车并具备交付业绩的厂商有中车浦镇城轨有限责任公司(简称中车浦镇)、中车大连机车、中车四方股份、中车长客股份、中车株机公司和中车唐山公司等公司。

2012年7月,中车浦镇与庞巴迪签订技术引进协议,引进庞巴迪Flexity 100%低地板有轨电车生产平台,生产车辆已交付苏州有轨电车1号线、南京河西线和南京麒麟线等3个项目。车辆模块化组装,车辆的各模块通过铰接结构和贯通道装置相连,由一个拖车转向架模块、两个动车转向架模块和两个悬浮模块铰接组成。车辆最高设计速度80km/h,最高运行速度70km/h。

2012年10月,中车大连机车引进安萨尔多百瑞达SIRIO系列100%低地板有轨电车生产平台,现已完成珠海1号线和北京西郊线的交付。地面牵引供电系统是SIRIO系列有轨电车的一大技术亮点。

2013年,中车四方股份通过完全技术转让形式引进捷克斯柯达有轨电车,并已完成青岛城阳有轨电车线和佛山有轨电车线的交付。

中车长客股份2005年开始自主研发70%和100%低地板有轨电车,自主生产的低地板有轨电车在沈阳浑南线路、长春轻轨4号线、成都有轨电车蓉2号线等线路正式载客运营。

2012年6月西门子向中车株洲电机转让了Combino Plus有轨电车全套技术。随后中标广州海珠区试验线、宁波鄞州区示范线、淮安市有轨电车一期等项目。中车株机公司有轨电车为储能式有轨电车,其储能器件采用国内领先的7500F双电层超级电容,寿命长达10年或100万次。

中车唐山公司与德国LogoMotive公司联合设计出祥龙号100%低地板现代有轨电车,泉州有轨电车示范线、南平市武夷新区旅游专线等均采用该型号有轨电车。

现代有轨电车经过多年的发展,技术上已经非常成熟,最新一代的车辆采用模块化、轻量化和人性化的理念设计,广泛应用在世界各地。下一代低地板有轨电车将在智能化、节能环保、舒适性方面有进一步提升。

1.自动驾驶

2018年柏林国际轨道交通技术展上,西门子公司展示了世界首列自动驾驶的有轨电车。该车辆将用于认识现实条件下自动驾驶有轨电车所遇到的挑战和可改进之处。这辆测试有轨电车具有多激光雷达、无线电探测器和摄像头等传感器,可实时监测周围的交通环境。此外,它还通过运行复杂的算法功能来解释此数据并提供适当的响应。自动驾驶的有轨电车能够响应有轨电车交通信号,在到站时自动停车,并在轨道区域出现其他车辆行驶和行人时立即响应。

2.轻量化

轻量化是轨道交通车辆行业永远的主题,减重降耗一直是其追求的目标,体现在通过新材料、新工艺的运用减重,通过车辆集成设计减重等方面。

(1)复合车体技术。不锈钢、铝合金、碳钢和复合材料的大面积运用,在保证车辆性能的前提下,运用粘结技术,使用骨架、承载式三明治车顶结构、蒙皮模块化结构减少车体自重。

(2)复合新型材料车辆设备件的运用。车辆设计过程中,各种安装支架、骨架、扶手现在通常采用不锈钢材料和铝合金材料。新型材料的运用,如碳纤维、7系铝合金等材料的运用,将有效减少车辆设备件的重量。

(3)车辆设备的集成设计。车辆设计过程中,通过模块化设计、集成设计、减少单独使用的设备件。

(4)车辆其他设备优化减重。车辆设计过程中,除车体、转向架等关键部件外,从大部件开始,通过车辆部件的有限元分析(FEA),优化结构,减少设计重量。

3.无接触网技术

国内用户对无接触网供电技术的喜好程度,远远超过了国外用户的预期。以阿尔斯通的APS技术、安塞尔多的TRAMWAVE技术为代表的第三轨供电技术,技术水平高、造价高、技术壁垒大;以庞巴迪为首的PRIMOVE技术,一直未能在正线运用,且旅客对此类技术的效率问题、电磁辐射问题一直难以接受;基于超级电容和蓄电池技术的储能技术,难度较低,更适合于国内用户。但是储能装置的生命周期成本问题一直是用户关注的焦点。适时开展一些新技术如燃料电池技术的研究和运用。类似这样的新技术,国内几乎与国外同步,与国外厂家开发难度相当。

与技术引进相比,自主开发的产品还处于起步阶段,需要通过不断试验、优化设计和改进设计,对储能装置的控制策略和能量利用策略进行优化,对储能装置的LCC成本进行评估。开发基于信号控制的全自动化无接触网解决方案必然需要提上日程。

4.交叉学科技术运用

国内汽车行业随着中国制造业的崛起,正在逐步展开开发设计工作。汽车设计的专用技术,相对于轨道车辆行业,成本更低,技术更加成熟,如NHV(噪声、振动和不平顺)技术等一类专用技术。用户对舒适度的关注,必然会逐步渗透到轨道车辆设计行业,交叉学科的运用也必将成为一大趋势。

(四)中低速磁悬浮车辆

磁悬浮列车与传统轮轨列车不同,用电磁力将列车浮起、导向和驱动,按照速度等级,通常分为高速和中低速两种类型。

20世纪80年代,我国的国防科技大学、西南交通大学开始磁悬浮技术研究,研究短定子直线电机和长定子直线电机形式的驱动系统。为了推进中低速磁悬浮列车技术工程化研发,科技部将其列入了“十一五”科技支撑计划重点项目,此举得到了从事磁浮交通研发的产学研团队的积极响应。2005年在上海建成临港中低速磁悬浮试验线和三节编组的磁浮列车,2008年在唐山建成1.5km中低速磁悬浮试验线,2012年在株洲建成1.5km的试验线。2016年5月,长沙磁浮快线实现商业载客试运营,最高运行速度达100km/h。2017年12月,北京S1磁浮线实现商业载客试运营,最高运营速度达100km/h。更高等级速度的中速磁悬浮列车已生产下线。2018年6月在中车株机下线商用磁浮2.0版中速磁悬浮列车,设计时速为160km/h。2018年11月新一代中低速磁浮车在中车大连下线,最高运行时速达160km/h。

中低速磁浮列车具有高运行速度、低噪声振动、抱轨运行安全可靠、小曲线大坡道、低建设成本、建设周期短等特点,更接近商业运行的经济性、实用性目标,其车辆主要技术参数如表2.4所示。

2.4 中低速磁悬浮车辆主要技术参数

名称

中低速磁浮

技术路线

常导短定子

列车编组(辆)

3

车辆长度(mm)

15000

车辆宽度(mm)

2800

受流方式

DC 1500 V

速度等级(km/h)

100~160

发展中低速磁悬浮技术,摆在人们面前的主要问题是磁悬浮的安全距离和电磁辐射对人体的具体影响。中国科学院电工研究所、北京市环境保护科学研究院、北京市环境保护监测中心和云南省环境科学研究院4家机构对北京S1线中低速磁浮列车电磁辐射进行测试检测,其检测结果一致说明:中低速磁浮列车系统没有额外的高频电磁辐射。

中低速磁悬浮列车具有爬坡能力强、转弯半径小、噪声小、安全等特点,是新型城市轨道交通工具,具有一定发展前景;中低速磁悬浮列车应用范围广泛,在城区、旅游景区、城际线路、枢纽之间均有较好的适用性。

天津滨海新区正在进行中低速磁悬浮系统的选线工作,济南、洛阳、重庆、常州等城市也表达了建设中低速磁浮系统的意向。

(五)旅客自动输送系统(APM)

APM是“旅客自动输送系统”(Automatic People Mover)的简称。这种轨道交通的最大特点是全自动运营,不需要司机的值守。

APM车辆系统由车体、转向架(包括走行导向系统、驱动系统、摩擦系统和悬挂系统)、电传动系统、制动系统、空调与通风、列车控制诊断系统、乘客信息系统等几大部分组成。APM车辆主要技术参数如表2.5所示。

2.5 APM车辆主要技术参数


车辆类型

导向方式:中央导向或侧导向

车辆长度(mm)

11750~12750

车辆宽度(mm)

2650~2850

速度等级(km/h)

80

APM系统以胶轮作为走行轮和水平导向轮。APM系统的车辆具有运行噪声低、振动小、维护成本低、运行转弯半径小、爬坡能力强、加(减)速度大等优势,适应临近大客流、社区区域运行。

APM系统采用较短的车身、灵活编组的形式,能够满足断面客流0.8万~3万人/h的运输需求,可以实现较大的客流适应范围,适应性较好,尤其适合在轨道交通骨干线网基本建设成型的条件下,进一步建设断面客流需求低于3万人/h的中运量线路,主要为线网延伸以及商业区、核心区、建筑密集区的短途接驳线路等。

APM系统采用胶轮,设计时速可达80km/h。其发车间隔可缩短至1.5分钟,运输效率高,可以实现“小编组、高密度”运营组织。

目前,适用于小区域范围内客流旅客疏运的APM线路已有广州、北京、上海3条。广州APM线全长3.94km,共设置9座车站,全部为地下车站,采用胶轮2节编组列车,满足旅游观光购物的出行需要。北京首都机场T3航站楼的APM,全程2km,2~4节编组。车辆长12m,每节车厢可乘载80~83名乘客。上海浦江线线路全长6.644km,全部为高架线,采用APM300型4节编组列车,额定载客量566人,超员载客726人,用于改善沿线社区居民的出行条件,发挥了轨道交通“方便、快捷、安全、准时”的优势。

(六)市域快轨车辆

市域快轨交通是大城市市域范围内的客运轨道交通线路,服务于城市与郊区、中心城市与卫星城、重点城镇间等,服务范围一般在100km之内。

轨道交通是支撑都市圈内部交通的基础,但是在都市圈尺度范围内,尤其是市中心向外30~40km范围,轨道交通系统选型有城际铁路、市域快速轨道交通或地铁等多种方案,每种方案有其特殊的行政体制与行业技术背景,这也导致我国市域快轨交通的发展比较滞后。

市域快轨的型式可根据当地的预测客流量、环境条件、线路条件、运营需求等因素综合比较选定。《市域快速轨道交通设计规范》(T/CCES2-2017)推荐了市域快轨车辆主要技术参数,如表2.6所示。

2.6 市域快轨车辆主要技术参数

名称

市域A型

市域B型

市域D型(暂定)

供电制式

AC 25kV

DC 1500V

AC 25kV

DC 1500V

AC 25kV

车体基本长度(mm)

22000

19000

22000

车体基本宽度(mm)

3000

2800

3300

每侧车门数(对)

2~5

2~4

2~4

最高运行速度(km/h)

120~160

120~140

120~140

120~160

市域快轨采用更大功率的牵引动力,最高运行时速可达160km/h,速度等级较普通地铁车辆提高近一倍,极大地方便了周边卫星城以及城镇和市区的联系。另外,可根据不同区域情况配备时速为140~160km/h、不同车辆断面与供电制式的市域快轨车辆。与城际列车相比,市域快轨车辆更具有地铁列车快速启动和快速制动的功能,列车运行线路在100km以内,车内不设卫生间和给水系统,这样维修和维护更加简单。市域快轨车辆可采用双供电制式的受电弓,并且具有动态自动切换功能,受电弓能在铁路AC 25kV和城轨DC 1500V的接触网中自由切换,既可运营在高速动车组轨道上,亦可与地铁线路共轨运营或换乘。2014年4月24日,我国首列市域快轨车辆在中车长客股份的试乘线路上运行,该款列车采用双供电制式的受电弓,并可自动切换,此款快轨车辆最高运行时速为160km/h。作为我国首列市域快轨车辆,在制造材料上首次采用了碳纤维、铝镁合金等新材料,列车节能环保性更强,同时成功应用了高速动车组上的一系列先进的减震降噪技术,并在转向架上特别增设减震器,确保列车快速运行中的稳定性,有效提高乘客的乘坐舒适度。

温州轨道交通S1线市域动车组由中车四方股份完全自主研发,采用4节编组市域动车组(2动2拖),设计时速为140km/h,车体宽度3.3m,采用ATO(有人监控下的列车自动驾驶)模式、AC 25kV同相供电制式;车厢内座椅以纵向和横向相结合的方式布局,最大载客量达1328人,未来预留6节编组,整车的国产化率达到了98%以上,具有持续运行速度高、平均旅行速度快、载客量大等优势。2018年10月1日,一期工程开通试运行。

北京新机场线作为服务于新机场航空客流的专用线路,最高运行速度160km/h,并采用全自动驾驶技术。该市域快轨列车以CRH6F城际动车组技术平台为基础,采用4动4拖8节编组。在结构设计上,车辆长度参照地铁A型车,中间车为22.8m,宽度参照高速动车组列车,为3.3m;同时借鉴高速动车组的座椅设计模式,每节车厢设64个横排座椅,列车最大载客量为1538人,兼容了地铁A型车载客量大和高速动车组舒适性好的优点,列车将专设一节车厢作为行李车,乘客在始发站可办理值机和行李托运业务,实现人与行李提前分离。

二、地铁车辆

(一)A型地铁车辆

A型地铁属于城市轨道交通的一种,其特点是运输能力大、准时快捷、舒适安全、节省空间、节能环保等。第一,最大运量的城市轨道交通系统。A型地铁每辆车额定载客量(AW2)310人/辆(客室内自由站立面积载客按6人/m2计算),按行车间隔2min和列车额定载客量计算,A型地铁单向高峰小时输送能力为高运量4.5万~7万人/h。A型地铁的运输能力要比地面公共汽车大7~10倍,是任何城市交通工具所不能比拟的。地铁车辆的列车编组、定员与运能如表2.7所示。第二,技术成熟、国产化程度高。在我国,对比其他6种城市轨道交通系统(轻轨、单轨、有轨电车、磁浮、自动导向轨道交通、市域快速轨道交通),地铁占比最高、起步最早、技术最成熟。目前,地铁车辆的国产化率最高可接近100%。

2.7 地铁车辆的列车编组、定员与运能

车型

列车编组(辆/列)

运量级

(万人/h)

2辆

3辆

4辆

5辆

6辆

7辆

8辆

A

长度(m)


69.2

92.0

114.8

137.60

160.4

183.2

高运量4.5~7

定员(人)


930

1240

1550

1860

2170

2480

运能(人/h)


27900

37200

46500

55800

65100

74400

B

长度(m)


58.10

77.65

97.20

116.75

136.30

155.85

定员(人)


710

960

1210

1460

1710

1960

运能(人/h)


21300

28200

36300

43800

51300

58800

Lb

长度(m)

34.04

50.88

67.72

84.56

101.40



大运量2.5~5

定员(人)

459

701

943

1185

1427



运能(人/h)

13770

21030

28290

35550

42810



1.总体参数

A型地铁车辆的总体参数如表2.8所示。

2.8 A型地铁车辆的总体参数

序号

项点

参数

1

线路条件

①正线最大坡度30‰~35‰

②正线平面曲线最小曲线半径:300m

③站台高度:1080mm

2

车辆材质

不锈钢/铝合金

3

受电方式

受电弓/受流器

4

车辆尺寸

车辆长度(车钩连接面):中间车为22800mm 头车:24400mm

5

车辆最大宽度:约3091mm(鼓形)、3000mm

6

客室地板面高度:1130mm

7

车内净高:≥2100mm

8

轴重

轴重≤17t(不锈钢车)16t(铝合金车)

9

载客量

AW2 定员载荷(6人/m2):310人

AW3 超员载荷(9人/m2):465人

乘客人均重量按60千克/人

10

编组形式

8辆编组方案:6M2T

6辆编组方案:4M2T

11

速度等级

80~120km/h

12

车门数量

单侧5套

2.适用范围

2018年7月13日,国务院办公厅发布《关于进一步加强城市轨道交通规划建设管理的意见》,要求申报建设地铁的城市一般公共财政预算收入在300亿元以上,GDP在3000亿元以上,市区常住人口在300万人以上,单向高峰小时客流量3万人以上。而达不到以上要求的城市(多为三、四线城市)可以考虑修建轻轨、有轨电车或者BRT等。

按照圈层理论,在城市的不同功能区形成了对轨道交通不同的需求,在城市主城区,主要由大中运量的轨道交通系统提供服务(如地铁)。主城区大运量、中速的轨道交通系统(如地铁)是解决该类交通的最佳选择,最高速度为80~100km/h,旅行速度一般在30~40km/h,运量大、发车密度高,基本为地下全封闭系统,能解决20km半径圈内的通勤出行问题。

3.发展情况

截至2018年12月31日,中国大陆建成投运城市轨道交通的城市已达32个,运营里程5582km,运营线路174条。其中,A型地铁里程1360.6km,占比26.6%,A型地铁线路39条,占比25.2%。

近10年来,随着自主创新技术的不断提升,在轨道交通装备和基础设施建设方面,都有了日新月异的变化。逐渐突破了牵引、制动、网络、信号、通信等方面制约轨道交通发展的核心技术难题,国产化率持续提高,完全掌握了车辆自主设计、制造、试验和验证技术。同时逐步制定了部分国家标准、行业标准。

城轨车辆经过近50年的发展,从无到有,从落后到先进,从进口到出口,经历了第一代、第二代的更新换代,即将迎来第三代城轨列车。第三代城轨列车将在车辆综合技术性能方面逐步升级,在互联互通、高度智能、节能环保、人性化、安全可靠、新材料、新工艺等方面有所突破。

4.新技术、新产品、新工艺、新材料应用

随着城轨车辆技术的发展,A型地铁车辆在互联互通、高度智能、节能环保、人性化、安全可靠、新材料、新工艺等方面已经开展了一系列的技术研究和应用,部分城轨车辆技术已经得到了充分验证,具备批量使用条件,具体见表2.9所示。

2.9 新技术、新产品、新工艺、新材料应用现状及推广前景

序号

发展方向

项点

性能提升

应用情况

推广前景

近期(5年)

可推广

远期(10年)

可推广

1

标准、规范

标准规范和车辆统型

降低成本;提高劳动生产率

城轨车辆标准体系制定工作已经开始;标准A型不锈钢地铁车已经依托深圳地铁10号线设计完成


2

高度智能

2.1 全自动驾驶

减少人为失误,提升可靠性;提升10%的旅行速度;平峰时少发车,需要时可自动加车;减少操作人员,优化列车运行,降低成本

国产化的全自动驾驶系统已经在北京燕房线上完成了示范运行。国内已经有超过10个城市规划了近1000km的全自动运行线路


2.2 以太网控车

更高的传输速率;信号传输实时性好;更大的带宽;协议和接口开放性好,软硬件支持厂家多

北京新机场线、苏州地铁1号线延伸线、苏州地铁3号线、无锡地铁3号线


2.3 大容量车地通信

提升车地通信(带宽6倍以上提升),有效推动实时在途检测、车载WIFI、智能运维、车载视频功能

科技部下一代地铁项目上运用


2.4 智能运维

提升检修效率;降低了车辆全寿命周期内运维成本;实现车辆检修模式由计划修向状态修的转变

深圳地铁智慧运维项目已完成系统原型开发与上线;
上海地铁18号线智能运维项目正在研发阶段


2.5 高频辅逆

重量减少40%;效率提升2%;系统对网压适应能力提升

科技部下一代地铁,成都地铁10号线,深圳地铁2、5、8线,宁波地铁4号线,杭州地铁5号线等项目示范应用;马来西亚安邦项目有5年运用业绩


2.6 蓄电池牵引

库内短距离调车;断电自救援至就近站台,提升疏散安全性

北京、上海、天津等城市已经批量应用


2.7 锂电池技术

循环使用寿命长;能量密度高;输出功率大;集成后体积较小;电池管理系统安全性强

科技部下一代地铁项目示范应用


2.8 LCU逻辑控制单元

免维护;可靠性高;可通过软件编程的方式实现控制功能

上海、广州、深圳等多个城市的十余条线路上已批量应用


2.9 多网融合

简化了各系统的网络模块设计;实时性好;可维护性好;智能应用可拓展性强

科技部下一代地铁、长沙地铁1号线、长沙地铁3号线、无锡地铁1号线南延项目示范应用


3

节能环保

3.1 永磁电机

额定效率高,节能;体积小;噪声小;允许的过载电流大

佛山地铁3号线、厦门地铁2号线、深圳地铁10号线、长沙地铁5号线批量应用


3.2 智能照明

人性化,自动调整色温;自动调整发光强度,节能

批量应用


3.3 变频空调

节能;车内温度波动小;启动电流低;耐高温性

批量应用


3.4 节能运营技术

优化控车曲线,节能

广泛应用


3.5 灵活编组

对不同区域、不同时段运力不平衡的线路,同一列车灵活增减车辆数量,提高车辆的运用效率,降低能耗

国外有,国内北京地铁公司正在研究


3.6 铝合金制动盘

重量轻;导热性好

香港地铁、上海地铁、深圳地铁批量应用


3.7 碳化硅逆变器

低损耗、效率高;体积小,重量轻

研制开发中


3.8 永磁直驱技术

取消了传统的齿轮箱和联轴节,传动效率高,转向架重量轻;电机噪声低,节能

科技部下一代地铁项目示范应用


3.9 线路储能

提高线网电压稳定性;减少能源消耗

广州地铁6号线浔峰岗站投入运营


3.10 专用轨回流

解决杂散电流泄漏至道床造成道床设备及管线腐蚀的问题

国内正在研制的采用专用轨回流技术的具体项目:宁波市轨道交通4号线;马来西亚LRT3项目


4

人性化

4.1 高速WIFI

网络速度提升6~10倍;费用相对较低

批量应用


4.2 空气净化技术

杀菌;除异味

批量应用


4.3 多角度送风

车厢内风速场和温度场更均匀

上海、武汉部分项目使用


4.4 主动降噪技术

对频率范围在1000Hz以下的中低频噪声能够实现良好的低频噪声控制效果,是传统无源噪声控制措施的补充

研究应用阶段


4.5 智慧侧窗技术

智慧车窗既可以极大地为乘客提供信息及娱乐服务,又可以播放广告替业主和广告厂家增收

科技部下一代地铁项目示范应用


4.6 径向转向架

曲线轮轨冲击小、磨耗小,延长车轮寿命

北京机场线


4.7 转向架变刚度转臂节点

曲线轮轨冲击小、磨耗小,延长车轮寿命

科技部下一代地铁项目示范应用


5

安全可靠

5.1 高可靠性

降低运营成本;提高运营效率

北京、上海等多项目陆续提升车辆可靠性要求


5.2 防火要求

加强车辆防火安全

北京、上海等多项目陆续提升车辆防火要求


5.3 主动防撞技术

障碍物提前预警,提升车辆安全

科技部下一代地铁项目示范应用


5.4 轨检技术

缩短工人轨检时间,提升车辆安全

北京、上海、南宁、青岛等城市进行装车试验


5.5 雷达防护系统

探测相邻列车,信号系统故障时避免追尾

青岛、济南等城市进行科研装车试验


6

新材料

6.1 碳纤维

重量轻;强度高

科技部下一代地铁项目示范应用


6.2 高强度钢板

重量轻;强度高

科技部下一代地铁项目座椅骨架示范应用;多项目车钩安装座应用


6.3 高强度铝板

重量轻;强度高

多项目司机室骨架应用


6.4 轻量化材料应用

轻量化铝型材、铝蜂窝吸能结构;贯通道轻量化铝踏板;转向架轻量化材料应用(铝材);玻纤维预浸料+酚醛发泡板;玻纤维预浸料+纸蜂窝

多项目应用



7

新工艺

7.1 激光焊接

效率高;施工后外观质量高

波士顿地铁


7.2 摩擦搅拌焊

效率高;强度及疲劳强度高

多项目车体结构应用


7.3 铝板真空吸附成型

效率高;成型效果好

部分项目立罩板、窗口使用


新技术、新产品、新工艺、新材料的应用,一方面提升车辆的性能、优化乘客的乘坐体验,另一方面也会有一部分项点会增加地铁公司的车辆采购成本。所以,在一个项目中,最终采用多少项新技术、新产品、新工艺、新材料要视需求适当选配。

5.未来技术发展方向(近期3~5年)和储备情况

(1)标准规范和车辆统型

未来城轨车辆应有标准化、系列化的特征,同时应具备互联互通的功能,以实现车辆的跨线运营,提高车辆的综合使用效益,从而提高中国城轨产品的竞争力。由于我国城市轨道交通建设起步较晚,目前城轨车辆标准远未达到标准化要求,中国城市轨道交通协会适时提出构建城轨产品技术标准体系、标准城轨车辆的研制可从根本上解决上述问题,对于规范行业的健康发展具有深远意义。

通过对典型研制项目和技术引进项目所采用的标准进行系统的分析和总结,提出分类标准清单。开展对ISO、IEC、UIC、EN、JIS、DIN、NF等与轨道交通相关的国际先进标准的对比分析与研究工作,梳理标准差异,形成城轨产品标准体系构架。结合科研项目,对开展的基础设计理论、设计规范、试验方法、产品零部件的科研攻关与研究项目,逐步制定和提升具有自主知识产权的设计类、产品类、检验类等技术标准,注重技术标准的完整配套,完成城市轨道交通车辆技术标准体系的搭建。优化及统一产品平台,引导产品设计向系列化、通用化、谱系化、模块化方向发展。

(2)高度智能

a.全自动运行

全自动运行项目已经遍布北京、上海、成都、香港、新加坡、武汉等城市共20个项目。2008年北京机场线是国内首条引入全自动驾驶技术的线路,上海地铁10号线是国内首条按照GOA4等级建设的全自动驾驶线路。这两条地铁线分别采用庞巴迪和阿尔斯通的车辆控制系统。北京燕房线是国内第一条完全自主知识产权的全自动运行线路,已于2017年底开通运营。

全自动运行技术是将车辆、信号、通信、供电、屏蔽门等几大核心专业之间的系统协调与运营,应急事件的处理,由以往的人工处理变成系统或远程控制完成,避免了人为失误造成的损失和人工检车造成的效率低下,提高了系统的可靠性和效率。

全自动运行优点如下:①更可靠——降低人为失误,可靠性提升;②更高效——缩短发车间隔和出库时间,提升旅行速度;③更灵活——平峰时少发车,应对重大事件时自动加车;④更低的运营成本——大幅减少操作人员,优化列车运行,降低运营能耗。

目前国产化的全自动驾驶系统已经在北京燕房线上完成了示范运行。据不完全统计,国内超过10个城市已经规划了近1000公里的全自动运行线路,这将给相关专业带来近千亿元的市场订单,对国内轨道交通系统的自动化技术提升及振兴国内轨道交通行业带来积极的促进作用。

b.以太网控车

目前列车控制网络主要基于MVB技术,具有强实时性、高可靠性等特点。近年来,工业以太网技术在工业自动化和过程控制领域发展迅速,随着铁路行业基于网络的远程诊断与维护、旅客对信息与舒适性等需求的提出,以太网作为列车网络被广泛应用,且被列入IEC 61375标准,成为列车网络的主要发展方向。

基于IEC 61375标准,以太网控车采用列车总线(ETB)+车辆总线(ECN)的总线技术,利用实时安全传输协议和安全控制技术构建控制、监控和维护一体化网络,实现高可靠、高带宽、高质量的网络系统。通过高性能的以太网总线交换机技术、以太网组网技术、实时以太网通信协议(TRTP),实现对网络严格的实时性要求,其主要技术优点如下:①接口开放性好,总线传输速率达100Mb/s,传统MVB网仅1.5Mb/s;②采用实时协议,信号传输实时性能好,更大的带宽可实现更小的传输延时;③软硬件支持厂家多,用户有较多的选择。

以太网列车网络技术是今后列车网络技术的主要发展方向,目前已经在北京新机场线、苏州1号线延伸线、低地板车项目批量装车应用,苏州3号线地铁车、无锡3号线地铁车装车验证。

c.智能运维

国内外城轨车辆运营商越来越重视运维体系的智能化水平,以期实现提升车辆运营安全性和效率,降低车辆全寿命周期运维成本的目标。

智能运维基于物联网、大数据、人工智能、云计算及下一代通信技术的综合运用,在对车辆故障预测与健康管理深入研究的基础上,实现对现有运维体系的升级和革新,实现被动维护到主动预防的转变,最终目的是实现基于状态维修和综合规划管理。其主要优点包括以下四方面。第一,实现了城轨车辆的在途安全监测。通过组建全面的车载诊断网,准确获取车辆各部件的状态,并且应用大数据分析方法和工具实现对失效和故障的预测,从而降低正线故障率,减少安全事故。第二,实现了车辆检修模式由计划修向状态修的转变。通过故障预测与健康管理,能够掌握列车关键零部件的剩余寿命,进而减少部分均衡修或计划性维修,采用依据剩余寿命的状态修。第三,通过优化配件库存、减少维修人员,降低维护成本和培训费用等,有效降低了车辆全寿命周期内运维成本。第四,日均检修效率、故障处置效率和应急故障处理效率都得到了显著提升,实现大幅提升检修效率的目标,从而提升城轨交通运营效率。

目前深圳地铁智慧运维项目已完成系统原型开发与上线,上海地铁18号线智能运维项目正在研发阶段。

d.蓄电池牵引

国内外城轨车辆的供电方式主要有接触网和第三轨。当接触网或第三轨或车辆高压供电出现故障时,列车无法自救,只能依靠救援车辆,对运营组织影响较大。在第三轨受流的段场内,存在操作人员意外触电的安全隐患。为解决此类问题,蓄电池牵引技术被应用到城轨车辆中。

蓄电池紧急牵引基本原理是由蓄电池提供能量,达到列车低速短距离运行的目的。列车牵引系统采用双电源供电方式。在正常牵引模式下由供电网给列车提供能源,在电网故障或无电网时使用车载蓄电池为列车提供牵引能源。可实现段场内自牵引,提高作业人员安全性,降低调车机使用率。

目前国内北京、上海、沈阳等地铁及有轨电车线路均有所应用,但受限于采用的电池功率小、能量密度小等问题,只用于库内短距离调车。也可实现断电自救援至就近站台,提高运营效率,提升疏散安全性。但要实现恶劣工况的牵引救援,需要增加蓄电池容量及相关设备,给整车轴重带来较大压力。蓄电池紧急牵引在北京、上海、天津等城市已经进行批量推广。目前北京4号线已运营10年。

e.逻辑控制单元(LCU)

目前在地铁列车的功能控制方面,继电器发挥着重要作用,其触点卡滞、过热、磨损、表面氧化或不清洁等会导致继电器失效。根据有关部门对列车控制回路故障原因的分析统计,有60%~80%以上的故障是由继电器引起,严重地影响了旅客服务质量。

LCU是采用光电耦合器代替电磁式继电器的机械触点,通过内部软件运算实现逻辑功能的一种微机控制器,输入/输出采用了A/B路热备冗余机制。主要优点包括:① LCU避免了机械触点的各种失效情形,在寿命内不需要维护;②其热备冗余机制,能无缝切换,在出现任意模块单点故障的情况下,LCU功能不受影响,整个系统的可靠性得到了有力保障;③通过软件编程方式实现控制功能,能够实现继电器实现不了的状态检测、故障上传,便利了用户在后期对车辆功能的调整;④ LCU初次装车的成本比继电器高,但可有效降低维修维护成本,产生长期的经济效益,每列车全寿命周期内可降低约50%的费用。

目前,LCU技术已经从单独的替换继电器发展到联网协同工作、融入列车控制网络,以及实现更高的冗余技术阶段。目前在上海、广州、深圳等多个城市的十余条线路上已批量推广。随着无人驾驶技术和智能运维系统的推广,列车的功能更加复杂,传统的继电器控制更加满足不了系统的容量要求,LCU技术表现出良好的适用性。

(3)节能环保

a.永磁电机

国内城轨牵引电机普遍采用三相异步电机,特点为体积较大、功率密度较小、低速输出的扭矩较小、效率较低。永磁电机相对三相异步电机在以上方面更具优势,受到了城轨行业的高度重视,已成为城轨牵引系统的发展方向。

电机转子由以往的硅钢片和线圈变更为永磁体,永磁电机具有重量轻、体积小、效率高、发热小、可靠性高等优势。永磁电机本身的效率高、功率因数高,额定效率提升,功率密度提升,更节能;永磁电机发热小,因此电机冷却系统结构简单、体积小、噪声小;永磁电机允许的过载电流大,可靠性提高。

永磁电机在北京、天津、青岛、沈阳、长沙、佛山等城市各装一列(或一辆)示范列车,最早的沈阳2号线装车试验已经运营7年。永磁电机在佛山3号线、厦门地铁2号线、深圳地铁10号线、长沙地铁5号线等地铁项目已经进行批量推广。

b.智能照明

智能人性化、高效节能的LED光源照明。根据车内空间与外界自然光的情况对灯具的亮度进行动态调节,实现车厢照度平衡。根据车厢外界自然光对车内照度补偿的变化调整照明灯具的发光强度,达到车厢照明平衡,从而节约能源;在早晚人流低谷时段,车厢人少时可以降低车厢照明等级,比如降低到额定的50%左右,以节约能源。

故障预警:照明系统供电模组设计了一个控制模块,通过以太网可以与车辆通信系统连接,上报照明系统的工作状态、故障情况;通过故障提醒,尽早知道故障类型和故障位置,便于系统故障排除。

c.变频空调

城市轨道交通系统耗电量大,运行成本高。其中空调系统是轨道交通车辆主要的耗能系统之一。根据目前运营线路的能耗统计数据分析,轨道交通车辆用电量为总用电量的50%~60%,其中以空调为主的辅助系统能耗最高约占车辆能耗的50%。节能型变频空调已经被越来越多业主选用。

定频空调机组频率恒定,靠不断地开停压缩机来维持客室温度,压缩机每次开机停机周期为7分钟,开停一次,增加一次开关损耗。变频空调开机后避免频繁开停,减少开关损耗,高频降温,低频连续运转维持恒温,同时,比定频频率更低的低频运转更节能。优点如下:①根据节能实验数据,变频空调节能约20%~30%;②定频空调起停时车内温度波动大,变频空调持续运转,车内温度波动小,乘客体感更舒适;③启动电流低,变频空调启动时压缩机工作在低频状态,起动电流小;④耐高温性能强,变频空调机组可以在高温工况下,压缩机以较低的频率工作,空调机组不停机,保证车内有适当的冷空气。

重庆单轨、长春轻轨、沈阳地铁1号线等项目应用变频空调较早。2013年,在深圳地铁2、5号线全部使用变频空调后,其他一些城市的地铁项目也开始使用变频空调,包括广州地铁、上海地铁、成都地铁等。现在的地铁新项目多数有节能要求,因此空调节能技术的使用将成为地铁车辆的主题。

d.铝合金制动盘

目前,城市轨道交通列车最高运行速度为80km/h的部分车辆采用盘型制动,100~160km/h的列车均采用盘型制动。按照制动盘材料一般可以分为铸铁制动盘、铸钢制动盘、铝合金制动盘、锻钢制动盘等多种。随着车辆人性化和智能化的发展,车辆加装的设备越来越多,车辆越来越重,轻量化设计压力越来越大,同时节能环保也要求轻量化设计,采用轻质铝基复合材料制动盘是车辆制动系统在近年来的一个非常明显的变化趋势。

铝基制动盘比铁或钢制动盘轻60%以上;铝基制动盘采用碳化硅颗粒增强铝基复合材料,具有导热性能好,可减少热疲劳、热裂纹的发生;耐磨性好,可延长制动盘使用寿命。

铝基制动盘已逐步推广应用,在香港地铁、上海地铁、深圳地铁11号线等车辆均有运用业绩。

(4)人性化

a. WiFi技术

智能终端性能和功能的快速发展,催生了大量的新的互联网应用,WiFi以其高性价比、高带宽优势,已经成为人们日常生活中必不可少的上网方式。交通工具可通过专业设备将以太网网络的连接转换为WiFi信号提供终端接入,来完成车载WiFi网络的部署。

地铁WiFi是面向地铁这类公共交通工具推出的WiFi上网设备,是WiFi终端通过车地无线信号转换成WiFi信号供乘客接入互联网获取信息、娱乐或移动办公的业务模式。地铁车地通信采用“轨旁热点+车载车地热点”方案,使用802.11ac技术、快速漫游切换等技术,达到300~500Mbps带宽,在列车移动过程中,车载热点与轨旁热点进行通信,轨旁热点将用户上网数据通过车站交换机回传至控制中心,控制中心连接运营商出口,实现用户终端与互联网的连通。该技术已应用在北京、上海、广州、重庆等数十条地铁线路。

b.多角度送风

目前地铁内部主要采用沿车长方向车顶两侧送风,随着舒适性要求的提升,需要对空调的送风方式进行优化。参考动车、高铁利用行李架和窗帘盒设置出风口的方式,在地铁侧顶板或中顶板增加出风口,在风道内设置更多的导流板,实现多角度送风,并进行仿真及实物验证,确保流场及风速场的均匀性,进而获得更均匀的风速场和温度场,进一步提升车厢内的舒适性。但风道结构复杂,维护及清洁工作量增加。

目前在上海14号线项目中已经批量应用了该结构,下一步将通过试验来验证车厢内风速场和温度场的均匀性。

(5)安全可靠

a.高可靠性

目前,车辆关键子系统通过采用技术成熟方案,选用高可靠性部件,采用可靠性专业工具(如可靠性建模与预计、故障模式影响分析FMEA、故障闭环管理系统FRACAS、故障树分析FTA等)对车辆及关键子系统进行分析,并强化供应商管理等手段,来提高车辆的可靠性及安全性。

未来将进一步应用大数据,建立可靠性数据平台,对车辆运营数据进行深入分析,发现并消除车辆薄弱环节;深入开展维修性分析,使车辆部件易接近、易维修;对供应商工作体系及工作内容严格约束。从技术上、管理上全面把控,从而实现车辆可靠性的进一步提高。把车辆安全性能放在首位,尽最大可能消除车辆的运营与维护产生的危险。

b.防火

目前国内车辆材料执行的防火标准为德国DIN 5510、英国BS 6853、法国NFF 16-101、国际铁路联盟UIC 564、欧盟EN 45545等。防火标准要求不统一,部分防火标准要求也并不全面。车辆结构耐火,只有部分业主对地板结构和司机室客室间壁门结构进行了防火屏障要求,但是测试标准和隔火时间也不统一。

欧盟2016年3月开始统一执行EN 45545标准,目前越来越多的国内业主在车辆材料和结构耐火方面执行EN 45545防火标准。和其他防火标准相比,EN 45545防火标准更系统和全面,对材料从易燃性、产烟性、烟气毒性、发热速率等方面都进行了规定,车辆结构耐火规定更全面。未来城轨车辆执行EN 45545防火标准,能够跟国际主流车辆防火标准接轨,从而使车辆防火设计与国际接轨,达到国际先进水平。

6.未来技术发展方向(远期5~10年)

除近期城轨车辆技术外,A型地铁车辆还在互联互通、高速智能、节能环保、乘客舒适、列车安全等方面开展了一系列前瞻性的技术研究,部分技术已完成原型产品验证,还需要进行科研车试验验证。部分技术还需要进行科研立项研究,进行先进技术的储备,列为远期发展方向(5~10年,详见表2.10)。

2.10 未来技术发展方向(远期5~10年)

序号

发展方向

项点

1

互联互通

灵活编组

大容量车地通信

2

高度智能

多网融合

锂电池技术

车车通信技术

雷达防护系统

主动防撞系统

3

节能环保

碳化硅逆变器

永磁直驱技术

高频辅逆

线路储能

专用轨回流

节能运营技术

4

人性化

主动降噪技术

智慧侧窗技术

5

安全可靠

轨检技术

(二)B型地铁车辆

自2013年以来,国内35个城市共有128个B型地铁车辆项目招标,车辆总数达到18063辆,对以上项目车辆总体技术方案、指标进行统计,主要包括列车编组、编组形式、车体材料、车体断面形式、速度等级、受流形式、受电电压、牵引控制方式、制动控制方式、空调形式等,具体参见表2.11。

2.11 近五年国内B型地铁车辆主要特点

列车编组

列车编组

3编组

4编组

5编组

6编组

8编组

项目数量

1

16

1

109

1

占比(%)

0.78

12.50

0.78

85.16

0.78

编组形式

编组形式

2M1T

3M1T

2M2T

3M2T

3M3T

4M2T

6M2T

项目数量

1

8

8

1

6

103

1

占比(%)

0.78

6.25

6.25

0.78

4.69

80.47

0.78

车体材料

车体断面形式

车体材料

不锈钢

铝合金

车体断面形式

梯形

鼓形

项目数量

43

85

项目数量

66

62

占比(%)

33.59

66.41

占比(%)

51.56

48.44

速度等级

辅助系统

速度等级

80

100

120

辅助供电方式

扩展

并网

项目数量

97

21

10

项目数量

112

16

占比(%)

75.78

16.41

7.81

占比(%)

87.50

12.50

受流形式

受电电压

受流形式

受电弓

受流器

受电弓+受流器

受电电压

DC1500V

DC750

项目数量

99

28

1

项目数量

110

18

占比(%)

77.34

21.88

0.78

占比(%)

85.94

14.06

牵引系统

制动系统

牵引控制方式

车控

架控

制动控制方式

架控

车控

项目数量

105

23

项目数量

91

37

占比(%)

82.03

17.97

占比(%)

71.09

28.91

车门形式

空调形式

车门形式

塞拉门

内藏门

外挂门

空调形式

变频

定频

项目数量

87

40

1

项目数量

32

96

占比(%)

67.97

31.25

0.78

占比(%)

25.00

75.00 

通过对以上型谱统计分析,总结B型地铁车辆存在如下特点。①列车编组:基本为6辆编组,编组型式有4M2T、3M3T,其中4M2T车辆居多。②车体材料、断面:铝合金、不锈钢两种材质,鼓形和梯形两种断面共存,其中车体材质以铝合金居多。③速度等级:分80km/h、100km/h、120km/h速度等级,其中80km/h速度等级车辆居多。④受流形式:主要有DC1500V受电弓、DC750V受流器、DC1500V受流器三种,其中以DC1500V受电弓车辆居多。⑤系统配置:牵引系统以车控模式为主,制动系统以架控模式为主;辅助系统较多采用扩展供电方式;受电弓多为气囊弓;受流器多为下部受流。⑥车门有内藏门、塞拉门、外挂门,其中塞拉门及内藏门居多。⑦车钩以车辆端部半自动、中间半永久车钩居多。⑧空调以定频空调居多。⑨运营模式基本均采用ATO。

1.总体技术要求

B型地铁车辆基本技术条件是根据所在城市的自然环境、使用要求、线路主要参数、供电条件、车辆限界、行车条件等,对车辆种类、列车编组、车辆轮廓尺寸、载客能力、车辆自重、列车速度、起动平均加速度、制动平均减速度等主要技术参数和技术指标提出要求。

除维修手册中指出的易损易耗件以外,车辆及主要结构部件使用寿命为30年。所有安装在车辆上的设备均能在使用环境中良好工作,且能耐强风、沙尘、高温、高湿、振动、噪声、盐蚀、腐蚀、雪、雾、冰雹及清洁剂污染等。

B型地铁车辆分布在北京、武汉、天津、成都、大连、杭州、西安、青岛、南京、苏州、郑州、宁波、沈阳、重庆、长沙、南宁、昆明、无锡、南昌、福州、徐州、厦门、合肥、哈尔滨、深圳、济南、呼和浩特、贵阳、常州、东莞、佛山、嘉兴、长春和绍兴,共34个城市。跨度非常大,地域非常广泛,包括了中国各地的典型气候条件。各城市使用的B型地铁车辆必须适应当地的气候条件,比如哈尔滨地铁车辆必须具备抗高寒的气候条件,乌鲁木齐的地铁车辆必须具备抗风沙能力,广州、青岛等沿海地区的地铁车辆必须具备耐盐雾腐蚀性能,贵州的地铁车辆必须具备走大坡度、常年湿滑线路的条件。

(1)车辆使用条件

车辆运行需-25℃~+45℃的环境温度(哈尔滨、乌鲁木齐等极端气候条件的城市除外)、95%的相对湿度、38m/s的最大风速要求。列车可在地面、高架和隧道内、过海隧道的线路上安全行驶。车辆在地面库内检修和存放,应考虑停放库内夏季不设空调,冬季不设采暖的条件,列车能在常温下正常启动。车辆经地面铁路线运送或公路运输方式运送至车辆段。列车运行采用ATO自动驾驶和人工手动驾驶方式。列车采用无人ATO自动折返方式、有人ATO自动折返方式和司机手动驾驶折返方式。值乘方式采用单司机制。在进行机械洗刷时,车内不漏水、渗水,可经受清洗剂的作用。正线铺设双线,列车运行在右车道。

最高运行速度:80km/h、100km/h、120km/h

正线及辅助线采用9号道岔,车场线采用7号道岔

站台高度:1050mm

站台边缘至线路中心线:1500mm

(2)供电额定电压:DC1500V/DC750V

其他特殊要求:蓄电池牵引方式,车辆具备蓄电池牵引功能,满足AW0载荷列车依靠蓄电池动力(无接触轨、车间电源和滑触线)在车辆段内进出库及转轨作业需求。

(3)车辆主要尺寸及限界

车体长度:         19000mm(Tc车适当加长Δ)

车体最大宽度:       2890(鼓形车体)/2800mm

客室地板面距走行轨顶面高度:1100mm

车钩高度:         660mm

客室内净高:        ≥2100mm

(4)车辆载客能力

站立乘客占用面积:额定载客按6人/m2计算,超员载客按8人/m2计算,结构强度按9人/m2计算,乘客人均重量按60千克/人,具体载客能力如表2.12所示。

2.12 B型地铁车辆载客人数

单位:人

项目

单车

头车

中间车

座席

36

44

定员

226

258

超员

290

329

(5)车辆自重与轴重

车辆自重:拖车≤33t,动车≤35t,对于120km/h速度等级列车,车重≤37.5t。

轴重:车辆最大轴重≤14t,对于120km/h速度等级列车,车辆最大轴重≤14.5t。

(6)速度

最高运行速度为80km/h、100km/h、120km/h。

2.新材料、新技术的发展现状及应用情况

(1)碳纤维复合材料的应用

碳纤维复合材料结构是将碳纤维与树脂结合的复合材料,以其轻量化、高强度、高耐候的优异综合性能,成为解决地铁车辆轻量化问题的绝佳选择。国内外轨道交通车辆大量采用碳纤维复合材料,用于非承载结构和次承载结构的技术已经非常成熟,目前均研究用于主承载结构。中车四方股份已经从材料、工艺、结构设计、标准及验证各环节大量尝试,积累经验,为城轨车辆应用奠定基础。

(2)铝合金制动盘

铝合金制动盘已逐步推广应用,在香港地铁、上海地铁、深圳地铁等车辆均有运用业绩。

(3)铝合金齿轮箱

铝合金齿轮箱箱体比铸铁齿轮箱箱体轻45%以上;铝合金齿轮箱箱体还具有耐腐蚀性好、散热好等优点。铝合金齿轮箱在上海地铁1号线增购车、广州地铁2号线国产化车、时速350km/h标准动车组等项目上均有应用业绩。

(4)预浸料

预浸料制作的产品质量高,通过合理的铺层设计,基本上解决了原玻璃钢开裂、变形等问题,适合用于轨道交通内外饰件的制作。

预浸料产品与原玻璃钢产品相比,尺寸稳定性也有很大提高,而且使各表面均具有良好的加工质量,同时工艺可重复性高,产品质量的提升也相对减少了后期的维护成本。

应用业绩:成都17、18号线窗口墙板,下一代地铁列车。

(5)复合地板

地板芯材选用实木胶合板,其正面和底面复合防火酚醛膜或铝板,边缘用防水涂料封边,结构防火可满足Bs 6853 Ia级,隔音性能达到RW31dB(A),比传统铝蜂窝地板高2dB(A)。环保性能满足TB3139要求。

在成都地铁17、18号线,成都1号线三期应用。

(6)铝蜂窝司机室

焊接铝蜂窝板是以焊接铝蜂窝为芯材,两面敷铝面板,组合后整体在近600℃的温度场中一次性钎焊焊接,材料所有节点均为金属。

该结构具有强度高、耐高温、优良的抗冲击性且冲击无飞溅物,隔音性好、可焊接、易加工、可二维和三维成型、重量轻、无烟无毒、环保可回收,可内部探伤。

在成都地铁17、18号线应用。

(7)镁铝合金

镁铝合金主要成分是金属镁与铝,还包含很多其他金属元素。其特点是:密度小(1.8g/cm3),强度高,弹性模量大,散热好,消震性好,承受冲击载荷能力比铝合金大,耐有机物和碱的腐蚀。目前,镁铝合金主要用于航空航天、运输、化工、火箭等工业部门。可在车下线槽选用。

(8)激光焊接不锈钢车体

激光焊接是一种新型的焊接技术,具有焊缝窄、焊接速度快、变形小等优点,为进一步改进不锈钢车体结构,改善外观效果,中车四方股份积极开展激光焊接不锈钢车体的研制,开发在不锈钢车体上应用激光焊接技术的结构设计方法和制造工艺流程。

激光焊接不锈钢车体具有如下优点:焊接热输入量少,结构变形小,表面平整,外观效果好;端部底架采用厚板奥氏体不锈钢材料,彻底解决端部底架的腐蚀问题,无须喷涂防护油漆,延长车体使用寿命,减少维护费用;利用不锈钢强度高的特性进行轻量化设计,进一步实现车体的轻量化。端部底架采用奥氏体不锈钢材料后,车体重量可以比传统的采用碳钢端部底架的车体重量减轻400~500kg。

(9)走行部在线监测系统

在线监测系统是一种走行部安全监测装备,通过安装在走行部关键部件上的复合传感器,同时监测冲击、振动、温度3个物理量,并通过基于广义共振与共振解调的故障诊断技术,实现走行部关键部件的车载在线实时诊断,对于故障实现早期预警和分级报警,准确指导车辆的运用和维修。目前青岛地铁1、8、11、13号线都安装了在线监测系统。

(10)永磁电机

永磁电机与异步电机相比,体积和质量都可以大幅度减小,功率密度可大幅度提升,而且更易实现多极低速大扭矩传动,各发达国家均在积极开展采用永磁电机的牵引传动系统的研究。全封闭式结构有效降低电磁噪声及内部空气动力噪声,转子采用永磁体励磁,无转子铜耗,永磁电机功率因数高,定子电流较小,降低定子铜耗,永磁电机总损耗较异步电机减少40%~50%。

(11)转向架新技术—永磁直驱转向架

采用永磁电机直接驱动转向架,取消齿轮箱传动装置,能耗降低,噪声、维护量大幅降低,效率明显提升。适用于各种速度级的转向架。

采用轮对直接驱动、电机全封闭液冷技术,实现了高效低能耗、低噪声、易维护的性能。与现有结构相比,牵引传动总效率提高约5%,能耗降低约15%,车下噪声降低约10db。适用于最高速度80km/h的地铁车辆。

(12)变频空调

客室安装2台变频空调机组,机组可根据要求实现空调制冷、制热调节,处理车内空气的温度和湿度。冬季采用热泵制热,客室舒适性更高,与定速空调相比,变频空调机组具有优良的节能能力。空调机组自带紧急通风模块,取消外部独立紧急通风逆变器,有利于整车减重,三相电故障后,空调机组可以智能检测,自动转换到紧急通风模式,三相电恢复后,自动转至正常模式。

(13)变频椭圆管换热器空调

变频椭圆管换热器空调能耗小,上海地铁5号线改装变频热泵空调,统计表明:每台空调年制冷节能达29.8%,每辆车制热节能达69.3%。

椭圆管换热器:空气侧阻力低,风机功耗较低;换热面积大,能效比可提升18.6%,实现空调节能。

(14)空气净化装置

空气净化装置利用深频紫外光与空气中水分子和氧分子反应,释放大量的光等离子体。这些光等离子体可杀灭空气中及物体表面的细菌、病毒等微生物,同时降解空气中的有害化合物,从而起到杀菌、消毒、防霉、分解化学气体、去除异味、沉降颗粒、清新空气的作用。

(15)节能降耗新技术—纳米陶瓷膜车窗

纳米陶瓷膜由多层结构组成,其中纳米陶瓷层可选择性地隔绝红外线热源;UV隔绝层可阻隔阳光中99%以上的紫外线。

车窗玻璃夹层粘贴纳米陶瓷膜,可提高30%隔音量,隔绝99%以上的紫外线和95%以上的红外线辐射,节能效果好。

(16)水性油漆

水性油漆是绿色环保涂料,在欧洲和新加坡等发达国家的地铁车辆上被大量使用,国内地铁车辆首次使用。水性油漆是以水作为稀释剂、不含有机溶剂的涂料,不含苯、甲苯、二甲苯、甲醛、游离TDI有毒重金属,无毒无刺激气味,对人体无害,不污染环境。

水性油漆表面张力大,浸润性能差,在金属材料表面容易形成圆形油滴,导致油漆附着力差。所以,水性油漆喷涂工艺要求高、施工难度大,只有环保要求较高的地铁车辆才选用。

(17)LED平面光源照明系统

客室照明采用LED平面光源,光源颗粒采用串、并联的接线方式,实现均匀点亮照明;LED灯无汞污染,也不含铅,是绿色环保产品;与荧光灯比较,在同等亮度下,LED灯能耗低,可节约用电40%以上。

(18)雷达辅助防护系统

雷达辅助防护系统利用航天领域二次雷达技术转化,高精度、高实时测量前后车距,实现列车的实时防护;系统独立于信号系统,能在隧道高架等复杂电磁环境中对探测范围内的前方同轨列车或指定点进行探测和预警,避免列车追尾事故的发生。

(19)可编程逻辑控制单元(LCU)

LCU装置采用热备冗余模块化(模块A、模块B)设计,主要由IO、主控制和网络模块构成。它能采集控制器、开关、按键、接触器辅助触点等电气信号,经逻辑计算后驱动各类负载,实现指定的时序控制功能。采用先进的LCU技术,取代原有部分继电器的功能,利用软件实现逻辑控制、故障诊断和运行记录。

利用高可靠性电路和器件,实现双系统热备冗余,降低列车运行故障和风险,提高运营保障能力。

(20)碳化硅逆变器技术

碳化硅(SiC)是一种具有优异性能的新型半导体材料,在相同的电压电流规格下,SiC器件的封装尺寸更小。混合碳化硅器件由硅-IGBT和SiC二极管组成。SiC二极管使恢复电流减少,从而减少二极管恢复损耗、减少IGBT打开损耗。相比普通硅器件逆变器减少损耗26%。

(21)基于体感舒适度的空调控制技术

以人体热舒适度评价体系(PMV/PPD理论)为基础,从人体的热感觉出发,结合实测的客观参数,综合分析不同乘客对现行热环境的主观感受,研究多工况下最佳的中性调节温度及范围,总结出车辆空调设计的“标准人”模型,并结合变频空调系统,实现客室环境控制的合理性,满足绝大多数乘客(90%以上)的要求。

(22)智能照明系统

智能照明系统采用集中电源供电,并设置光感传感器,可根据外部环境的变化自动调节输出功率;根据季节变化,自动调节色温,提供更为舒适的乘车环境,降低车辆的能耗。同时智能照明系统可自动调节照度、色温,上报系统故障等。

(三)直线电机车辆

直线电机车辆运载技术目前已在加拿大温哥华空中列车线、多伦多Scarborough线,马来西亚吉隆坡PUTRA Ⅱ 线,日本大阪七号线(鹤见绿地线)、东京十二号线(大江户线)、福冈3号线、神户海岸线,美国纽约肯尼迪机场线、底特律DPM系统以及我国广州地铁4、5、6号线,北京机场线等5个国家12条轨道交通线中得到应用,运用线路超过300km。目前,国内广州地铁4、5、6号线共运行208列(956辆),北京地铁机场线运行10列(40辆)。

1.车辆总体技术指标

直线电机车辆的主要技术参数如表2.13所示。车辆最高运行速度不应低于70km/h。直线电机车辆通常采用4、6辆编组型式,全动车配置。轴重:Lb型车≤13t;Lc型车≤11t。

2.13 直线电机车辆主要技术参数

序号

参数

Lb型车

Lc型车

1

车体基本长度a(mm)

16800

15500

2

车体基本宽度(mm)

2800

2600

3

车内净高(mm)

≥2100

4

地板面高(mm)

930

850

5

轴重(t)

≤13

≤11

6

通过最小曲线半径(m)

60

7

轮径(mm)

730

660

8

每侧车门数(对)

3

2或3

注:a为带司机室的车辆,可加长。

直线电机车辆的牵引特性曲线设计可以分为恒转矩区、恒功区和特性区。起动加速度需要满足顶层目标对于牵引性能及舒适性指标中冲击极限等值的规定。在定员载荷下,列车运行于平直干燥轨道上,车轮为半磨耗状态,额定供电电压时,直线电机车辆加速度性能如表2.14所示。

 表2.14 直线电机车辆加速性能要求

最高运行速度

启动加速度

平均加速度

100km/h

0~35km/h,≥1.0m/s2

0~70km/h,≥0.55m/s2

采用微机控制的直通式电空制动系统,并基于网络及硬线冗余控制方式;全列车设两套空气压缩机单元;列车制动力管理采用全列制动力分配控制方式;每辆车都配有一套电空制动控制装置。在达到要求的制动性能的同时尽量节能环保,改善空气制动装置,充分利用电制动;优化电空制动控制,提高再生制动利用率。直线电机车辆制动减速性能如表2.15所示。

2.15 直线电机车辆减速性能要求

最高运行速度

制动减速度(m/s2

常用制动

紧急制动

100km/h

1.0

1.3

2.车辆关键部件系统

(1)牵引系统

牵引控制系统采用一台VVVF逆变器向两台直线感应电动机供电的交流传动系统;采用DC1500V(或DC750V)供电制式,牵引系统包括VVVF逆变器、直线感应电动机,牵引系统主电路采用逆变器—直线感应电动机构成的直—交电传动系统,采用车控或架控方式。

在牵引工况时,DC1500V(或DC750V)经线路电抗器提供给中间回路,再由逆变器变换成频率、电压均可调的三相交流电,向直线感应电动机供电。当车辆处于再生制动工况时,逆变器将直线感应电动机输出的三相交流电整流成直流电,反馈回电网或者由制动电阻消耗。

采用受电弓受电的列车应设避雷装置。设置快速断路器和隔离开关。

(2)制动系统

直线电机车辆制动系统具有快速停车、节能环保、安全可靠等特点,采用“电气再生制动+电空直通式制动系统”的复合制动方式,必要时可设置磁轨制动,尽可能提高制动响应能力和制动减速度,具有实时载荷补偿功能和较高的电制动能力,采用模拟式连续可控的制动控制方式,采用低磨耗环保技术并具有较高的防滑效率措施,采用盘形制动器,不使用踏面制动。

(3)转向架

直线电机转向架主要包括构架组成、轮对轴箱定位装置、直线电机悬挂装置、二系悬挂及中央牵引装置、基础制动装置、转向架管路、附件安装等,一系轴箱定位装置采用轴箱外置式布置。

直线电机转向架主要特点如下:整体设计紧凑,模块化;最大设计速度100km/h,最小通过曲线半径60m;适应160mm超高及1∶300的缓和曲线顺坡率;转向架使用寿命不少于30年;轴箱、一系悬挂外置布置;直线电机以5点悬挂方式吊挂在独立的支撑箱上,保证运行过程中气隙的稳定;直线电机间隙调整采用加垫片方式的高度调整装置,结构简单可靠、操作简便易行;采用空心车轴,降低簧下重量;采用整体辗钢车轮;采用LM磨耗形踏面,提高通过半径小曲线性能;采用轮装盘形基础制动,易于更换闸片,制动盘和闸片散热性能好;二系悬挂采用空气弹簧、无摇枕结构;牵引装置采用弹性无磨耗Z字形牵引装置;转向架设有整体吊装装置。

3.发展趋势

随着城市轨道交通的快速发展,城区线网日益密集,受城市特殊地质结构、地形地貌、既有建筑物、历史文化古迹保护等诸多因素的制约,大坡道、小半径的城市轨道交通工程选线在构建多层次、立体化城市轨道交通系统中难以避免,而直线电机驱动的地铁车辆技术由于爬坡能力强、转弯半径小、噪声低以及隧道断面小和建设成本低等显著优势,成为突破上述制约的技术选择。

三、单轨车辆

(一)跨座式单轨车辆

单轨交通系统因其具有安全、便捷、美观、投资省、占地少、运量适中、适应性强、建设周期短、转弯半径小、爬坡能力强、环保性能优、更易于实施等优势,日益受到各方的关注和重视,成为中等城市骨干线路与大城市加密和延伸线的一个全新的多样化选择,有利于完善国内城市交通结构,促进中国城市轨道交通持续健康、多制式协调发展。

跨座式单轨交通系统主要由车辆、轨道结构、设备系统和车站建筑等组成。跨座式单轨交通车辆通过单根轨道来支撑、稳定和导向,车辆骑跨在梁轨合一的轨道梁上运行,一般采用高架线路,必要时辅以地面或地下敷设。

跨座式单轨交通属于中小运量城市轨道交通系统,按其运量大小可分为大型单轨和轻型单轨:大型单轨单向高峰小时输送能力为1.5万~3.1万人/h,轻型单轨单向高峰小时输送能力为0.7万~2.6万人/h。

跨座式单轨系统属于城市轨道交通的一种,具有城市轨道交通共性的特点:运输能力大、准时快捷、舒适安全、节省空间、节约能源、绿色环保等。

1.总体技术参数

重庆跨座式单轨车辆总体技术参数如表2.16所示,比亚迪跨座式单轨车辆总体技术参数如表2.17所示。

表2.16 重庆跨座式单轨车辆总体技术参数

车型

跨座式单轨车辆

编组

4/6/8编组

列车长度

60200mm/89400mm/118600mm

车体长度(Mc车)

14800mm

车体长度(M车)

13900mm

车体宽度

2900mm

车辆最大宽度(门口踏板处)

2980mm

车体最大外部高度

5300mm

设计速度

80km/h

最小水平曲线半径

50m

最小垂直曲线半径

1000m

轴重

11t

供电条件

DC1500V

受电方式

轨道梁两侧刚性接触网

转向架

跨座式双轴转向架

最大坡度

60‰

最大载客能力

882人/1342人/1802人

2.17 比亚迪跨座式单轨车辆总体技术参数

名称

车辆类型

备注

Mc车

M车

轨道梁断面尺寸(mm)