地鐵車輛現(xiàn)代化升級改造的發(fā)展趨勢與問題探討

徐 帥，王景振，黃強邦，楊 飛，付鶴翔

（1.克諾爾車輛設(shè)備（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215151；2.天津軌道交通運營集團(tuán)有限公司，天津 300392）

北京、上海、廣州是國內(nèi)較早開通地鐵的城市。伴隨著城市建設(shè)進(jìn)程的加快，城市軌道交通市場運營時間和里程不斷的增長，新技術(shù)不斷的創(chuàng)新和應(yīng)用，早期開通地鐵的城市已面臨更加嚴(yán)苛的運營要求。同時，人們對出行的方式、效率及舒適度都有了更高要求，使車輛的性能與運營舒適性、智能化之間的矛盾越來越突出，并且車輛也逐步接近設(shè)計壽命。因此，延長車輛使用壽命或是報廢將是運營方需要考慮的重要問題。

1 國內(nèi)城市地鐵發(fā)展概況

截至2019年底，中國內(nèi)地共有40個城市開通城市軌道交通運營線路，運營線路共計208條，線路總長度為6 736.2 km。其中，地鐵運營線路為5 180.6 km，共計150條線路，占比76.9%；全國城市軌道交通累計配屬車輛6 966列，比2018年增長18.1%，其中地鐵車輛總計6 178列，占比88.7%。國內(nèi)地鐵交通正持續(xù)保持快速發(fā)展的趨勢，其建設(shè)規(guī)模、運營里程、客運量、車輛配置逐年增長。國內(nèi)大城市地鐵線路和配屬列車數(shù)量見圖 1（至2019年）。

圖1 國內(nèi)大城市地鐵線路和配屬列車數(shù)量（至2019年）

2000年以前，國內(nèi)有4個城市開通地鐵，分別為北京、天津、上海、廣州，其開通年限、車體材料及使用年限見表1。早期部分車輛采用碳鋼材質(zhì)車體，現(xiàn)地鐵車輛多采用不銹鋼或鋁合金車體，根據(jù)設(shè)計要求，車輛設(shè)計使用壽命多為30年；另外，部分車輛雖未達(dá)到設(shè)計壽命，但隨著新技術(shù)的不斷應(yīng)用，車輛難以滿足日益提高的運營服務(wù)要求。

2 國外地鐵車輛升級改造情況

歐洲一些國家、美國和日本的城市軌道交通發(fā)展起步早，例如，英國倫敦于1863年建成世界上第一條地鐵，波士頓于1897年建成美國第一條地鐵，莫斯科于1935年建成俄羅斯第一條地鐵。這些城市軌道交通發(fā)展較早的城市，早已面臨車輛設(shè)計壽命到限的問題。

根據(jù)國際公共運輸聯(lián)盟的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2010年歐洲大約有21 500輛地鐵車輛，各生產(chǎn)年限區(qū)間的概況見圖2。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，截至2010年約54%的運營車輛已超過設(shè)計壽命30年，部分車輛經(jīng)過升級改造后仍在服役。其中升級改造的項目有：

（1）華盛頓城市運輸管理局對364輛地鐵車輛的主要系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造；

（2）倫敦對地鐵12號線的車輛與線路進(jìn)行了改造；

（3）俄羅斯對E、EM、81系列電動車輛的使用壽命進(jìn)行了延長；

（4）科隆對LRV B00車輛的制動系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，將其升級為克諾爾公司的鐵路應(yīng)用電子控制系統(tǒng)（ESRA），并增加了輪對滑行保護(hù)功能（WSP）；

（5）德國對VT642 Desiro Classic車輛進(jìn)行了升級改造，將其制動系統(tǒng)升級為基于ESRA EVO平臺的架控制動系統(tǒng)；

（6）開羅對地鐵2號線的制動系統(tǒng)進(jìn)行了升級改造，將其升級為ESRA控制系統(tǒng)等。

3 國內(nèi)地鐵車輛升級改造情況

上海、廣州、深圳等城市車輛基數(shù)大，開通時間早，部分線路的車輛已面臨設(shè)計壽命到限的問題；但是上述城市運營和維修經(jīng)驗豐富，前期已開展車輛延長使用壽命或系統(tǒng)升級改造的研究，部分線路已經(jīng)開始執(zhí)行。

3.1 上海地鐵 1號線案例

上海地鐵1號線于1993年開通運營，是上海市開通的第一條地鐵線路，列車由西門子公司設(shè)計制造，前期共計16列列車，采用4動2拖的編組形式，車體為鋁合金焊接型式，車輛設(shè)計壽命為30年。

隨著上海城市建設(shè)進(jìn)程的加快，原6輛編組的1號、2號線列車日漸難以滿足快速增長的客流量，運量的增長與運能不足的問題逐漸凸顯。為提高線路的運能，一方面追加列車配置數(shù)量，另一方面于2007年開始對原6輛編組的列車進(jìn)行改造，將列車由6輛編組改擴為8輛編組。同時，上海地鐵于2017年前后開展對原1號線車輛延長使用壽命可行性的評估。目前，原1號線早期車輛的運行時間已接近27年，逐漸接近30年的設(shè)計使用壽命。自2015年開始，車輛牽引梁加強筋、車鉤安裝座、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架等部分位置的焊縫出現(xiàn)裂紋，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)其主要原因為焊接缺陷產(chǎn)生的疲勞裂紋，因此工作人員對缺陷部位進(jìn)行了修復(fù)工作。但這些疲勞裂紋將成為車輛是否能夠延長使用壽命的重要制約因素。

表1 國內(nèi)較早開通的城市地鐵信息

圖2 歐洲車輛生產(chǎn)年限區(qū)間

3.2 廣州地鐵 1號線案例

廣州地鐵1號線于1997年開通運營，列車由西門子公司生產(chǎn)制造，前期共計21列列車，采用4動2拖的編組形式，目前車輛已運營近23年，為國內(nèi)較早使用鋁合金車體的項目之一。

廣州地鐵于2016年開始研究探索鋁合金車體的服役壽命，為后續(xù)車輛的維護(hù)和采購策略提供重要的技術(shù)支撐。廣州地鐵首先對車體進(jìn)行了結(jié)構(gòu)狀態(tài)檢查、結(jié)構(gòu)件探傷、基于有限元的疲勞分析、強度和應(yīng)力試驗、基于線路試驗的疲勞壽命分析等，并對鋁合金車體服役壽命進(jìn)行了評估；在確認(rèn)車輛服役方案后，根據(jù)新的技術(shù)和運營需求，研究并確定了整車改造范圍和壽命延長方案。

廣州地鐵1號線的車輛將進(jìn)行整體的升級改造，改造范圍包括牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、車門等重要子系統(tǒng)部件。升級改造后車輛的整體服役壽命將延長至40年。

3.3 深圳地鐵 3號線案例

深圳地鐵3號線于2010年開通運營，列車的牽引系統(tǒng)和TCMS系統(tǒng)由韓國現(xiàn)代集團(tuán)（Hyundai Rotem）生產(chǎn)制造，列車共計43列，采用4動2拖編組的不銹鋼車體。

由于牽引系統(tǒng)性能和相關(guān)服務(wù)因素的影響，該項目的部分車輛將進(jìn)行升級改造，改造的范圍涉及牽引系統(tǒng)、TCMS系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等。其中，原牽引系統(tǒng)將被替換為由國內(nèi)供應(yīng)商提供的先進(jìn)牽引系統(tǒng)；電機仍沿用原項目產(chǎn)品；列車網(wǎng)絡(luò)將取消絞線式列車總線（WTB）網(wǎng)絡(luò)，而采用整車多功能車輛總線（MVB）網(wǎng)絡(luò)；車輛的升級改造將結(jié)合車輛的大修同時進(jìn)行。

3.4 其他案例

國內(nèi)其他正在研究或執(zhí)行的較大地鐵車輛部件升級改造項目有：廣州地鐵3號線空調(diào)國產(chǎn)化改造、廣州地鐵1號線車輛客室氣動門改造、深圳地鐵1號線牽引系統(tǒng)改造、上海地鐵2號線基于通信的列車自動控制系統(tǒng)（CBTC）改造等。

4 車輛升級改造中的問題探討

受運行舒適度要求的提高、車輛壽命的延長、節(jié)能環(huán)保的要求、智能運維的需求等因素影響，越來越多的地鐵車輛逐步進(jìn)入現(xiàn)代化改造階段，同時新技術(shù)的不斷應(yīng)用推廣，如無人駕駛、智能運維、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)、以太網(wǎng)應(yīng)用、人工智能等，將是后續(xù)車輛升級改造的重要考慮因素和方向。

同時，車輛升級改造過程中將面臨諸多問題，如車輛壽命延長的評估無成熟的規(guī)范和準(zhǔn)則、部分系統(tǒng)改造時與其他系統(tǒng)的接口匹配問題、升級改造項目執(zhí)行過程中的質(zhì)量管控與驗證問題等。結(jié)合項目執(zhí)行過程的相關(guān)問題，本文提出以下建議。

（1）車輛的升級改造應(yīng)以乘客和運營需求為目標(biāo)，確定存在的問題以及技術(shù)需求；同時以性能可靠為基本原則，并結(jié)合本地的具體情況，確定改造的目標(biāo)、方向和范圍。

（2）在前期，應(yīng)做好調(diào)研與準(zhǔn)備工作，如重要部件（車體和轉(zhuǎn)向架）的壽命評估、功能需求等；在實施時，應(yīng)做好過程管控，如相關(guān)的試驗和認(rèn)證；在后期，應(yīng)做好調(diào)試、認(rèn)證、運營的準(zhǔn)備工作。

（3）升級改造應(yīng)尋找合適的時間窗口，如結(jié)合車輛大修進(jìn)行，避免不必要的資源浪費。

（4）應(yīng)盡可能采用成熟的技術(shù)保證升級后系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少與舊系統(tǒng)的接口，并確定新舊接口的關(guān)系；同時應(yīng)少變動硬件，僅保留必須的接口。

5 結(jié)語

早期開通地鐵的城市已面臨車輛逐步接近設(shè)計壽命的問題，以及更加嚴(yán)苛的運營要求，根據(jù)國內(nèi)外城市地鐵車輛的發(fā)展和管理經(jīng)驗，隨著國內(nèi)地鐵市場的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，延長車輛使用壽命、功能升級改造將成為地鐵車輛市場長期健康發(fā)展的必然趨勢。無人駕駛、智能運維、大數(shù)據(jù)、5G技術(shù)等將是未來車輛改造的重要方向，因此應(yīng)盡早建立地鐵車輛升級改造和延長使用壽命的管理規(guī)范和準(zhǔn)則、有效的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和審核管理機制，以及車輛改造后的認(rèn)證管理規(guī)范。