吳慶波

摘 要：概述我國(guó)城市軌道交通行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，分析我國(guó)城市軌道交通技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化歷程，并對(duì)我國(guó)城市軌道交通技術(shù)裝備今后發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：城市軌道交通;技術(shù)裝備;國(guó)產(chǎn)化;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U12

近年來，我國(guó)城市軌道交通持續(xù)快速發(fā)展，截至2019年底，中國(guó)大陸地區(qū)（不含港澳臺(tái)）共有 40個(gè)城市開通城市軌道交通，運(yùn)營(yíng)線路 208 條，運(yùn)營(yíng)線路總長(zhǎng)度 6736.2 km。其中，有19 個(gè)城市擁有4條及以上運(yùn)營(yíng)線路，已形成城市軌道交通網(wǎng)。

隨著城市軌道交通網(wǎng)的日益完善，我國(guó)城市軌道交通技術(shù)裝備的發(fā)展也由引進(jìn)、消化吸收向國(guó)產(chǎn)化、自主化邁進(jìn)。自1999年起至2019年，屬于裝備國(guó)產(chǎn)化階段。歷經(jīng)20年國(guó)產(chǎn)化工作，我國(guó)城市軌道交通技術(shù)裝備水平目前在國(guó)際上處于并跑階段，有些技術(shù)處于領(lǐng)跑水平。

1 城市軌道交通技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化發(fā)展歷程

1.1 起步階段

1965年，原鐵道部決定由原長(zhǎng)春客車廠設(shè)計(jì)制造城市軌道交通車輛。湘潭電機(jī)廠配套研制牽引系統(tǒng)設(shè)備，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。生產(chǎn)車輛裝備所需的原材料和配件也需要國(guó)產(chǎn)，很多研究工作都是從零件、元器件開始。長(zhǎng)春客車廠和湘潭電機(jī)廠共同研制了我國(guó)第一代獨(dú)立自主的城市軌道交通車輛。其中北京地鐵1號(hào)線、天津地鐵等均采用DK2型地鐵電動(dòng)客車。

1.2 技術(shù)引進(jìn)階段

20世紀(jì)90年代，日益擁堵的城市交通狀況使許多大中城市紛紛開始建設(shè)地鐵、輕軌等城市軌道交通。上海市軌道交通1號(hào)、2號(hào)線和廣州地鐵1號(hào)線，引進(jìn)了包括車輛、信號(hào)、通信、供電等多種先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備。大量采用進(jìn)口設(shè)備和技術(shù)，致使地鐵造價(jià)過高，廣州地鐵1號(hào)線造價(jià)高達(dá)6.63億元/km，車輛購(gòu)置價(jià)格高達(dá)180萬美元/輛。高昂的地鐵建設(shè)成本引起國(guó)家有關(guān)部門高度重視，1995年中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)務(wù)院”）開始著手推進(jìn)城市軌道交通技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化工作，并組織相關(guān)部門開展地鐵國(guó)產(chǎn)化研究。

1.3 國(guó)產(chǎn)化階段

1999年2月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于城市軌道交通設(shè)備國(guó)產(chǎn)化實(shí)施意見》（國(guó)辦發(fā)[1999] 20號(hào)），標(biāo)志著我國(guó)城市軌道交通步入國(guó)產(chǎn)化階段。隨后國(guó)家先后發(fā)布了一系列城市軌道交通設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的政策文件，明確規(guī)定，所有地鐵建設(shè)必須保證國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到70%。國(guó)家鼓勵(lì)采取自主開發(fā)、聯(lián)合研制、消化吸收引進(jìn)技術(shù)、系統(tǒng)集成等多種方式實(shí)施國(guó)產(chǎn)化。國(guó)產(chǎn)化工作的重點(diǎn)是軌道車輛、牽引系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)。“國(guó)產(chǎn)化”的范疇主要包括3類：①在國(guó)內(nèi)制造生產(chǎn);②進(jìn)口國(guó)外零部件在國(guó)內(nèi)進(jìn)行組裝;③國(guó)外公司在國(guó)內(nèi)設(shè)立企業(yè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)組裝。我國(guó)城市軌道交通技術(shù)裝備國(guó)產(chǎn)化歷程見圖1。

2 城市軌道交通技術(shù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀

隨著城市軌道交通產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)城市軌道交通車輛系統(tǒng)的研發(fā)從占主流的B型地鐵車輛，逐步發(fā)展成包括A型地鐵車輛、市域列車、有軌電車、懸掛式和跨座式單軌車、磁懸浮列車、小型無人駕駛膠輪列車（APM）等多種制式車型。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2019 年底，全國(guó)城市軌道交通各種制式的車輛累計(jì)配屬6966 列。

2.1 地鐵整車國(guó)產(chǎn)化情況

經(jīng)過20年國(guó)產(chǎn)化政策的實(shí)施和推進(jìn)，車輛的大部分系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，整車國(guó)產(chǎn)化率超過70%。在車體方面，中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司、中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司、中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司3家公司生產(chǎn)的鋁合金和不銹鋼車體，中車株洲電力機(jī)車有限公司的鋁合金車體和大連機(jī)車車輛有限公司生產(chǎn)的不銹鋼車體，其車體靜強(qiáng)度計(jì)算及試驗(yàn)等均為自主或與國(guó)內(nèi)科研院校合作完成，已實(shí)現(xiàn)自主化。此外，鋁合金車體大、小斷面的板材和擠壓型材已實(shí)現(xiàn)100%國(guó)產(chǎn)化，不銹鋼型材國(guó)產(chǎn)化率達(dá)100%，且性能可靠性已達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn);轉(zhuǎn)向架方面，其部件除軸箱軸承外，均已完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化（不包含齒輪傳動(dòng)裝置及聯(lián)軸節(jié)），但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，國(guó)產(chǎn)一系、二系彈簧的性能及使用壽命還存在一定差距。

北京地鐵的車輛與機(jī)電設(shè)備平均國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到70%以上。從亦莊線開始，之后的地鐵設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率均在75%以上，燕房線的設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率首次突破90%，與2007年通車的5號(hào)線相比，國(guó)產(chǎn)化率提升了20%。此外，自主化的牽引系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率實(shí)際可達(dá)到80%以上。廣州地鐵2016年前動(dòng)工建設(shè)的線路確保車輛國(guó)產(chǎn)化率不低于70%，車輛和機(jī)電設(shè)備綜合國(guó)產(chǎn)化率不低于70%，2016年后動(dòng)工建設(shè)的線路確保機(jī)電系統(tǒng)（含車輛）設(shè)備整體國(guó)產(chǎn)化率不低于75%，其中車輛系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率不低于75%，車輛牽引系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率不低于50%，信號(hào)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率按不低于60%進(jìn)行指標(biāo)管控。

2.2 牽引系統(tǒng)

牽引傳動(dòng)系統(tǒng)作為軌道交通車輛裝備實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的“心臟”單元，其性能在某種程度上決定了軌道交通車輛的動(dòng)力品質(zhì)、能耗和控制特性。目前國(guó)內(nèi)城市軌道交通主流牽引傳動(dòng)系統(tǒng)為基于異步交流電機(jī)的牽引系統(tǒng)。城市軌道交通的車輛牽引控制技術(shù)自主化設(shè)計(jì)包括牽引系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、蓄電池應(yīng)急牽引設(shè)計(jì)、變流器機(jī)械電氣設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）軟件設(shè)計(jì)、牽引控制、RAMS（可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性）、全自動(dòng)無人駕駛方案設(shè)計(jì)等;實(shí)現(xiàn)了列車控制管理系統(tǒng)應(yīng)用程序的自主化設(shè)計(jì);主要大部件（如牽引主變壓器、牽引和輔助變流器、牽引高壓箱、輔助充電機(jī)箱、牽引電機(jī)）實(shí)現(xiàn)了自主化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

截至2019年底，自主化的牽引系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)城市軌道車輛牽引系統(tǒng)招標(biāo)中累計(jì)獲取逾24000輛訂單，市場(chǎng)訂單總金額近350億元，牽引系統(tǒng)的價(jià)格也從2001年的160萬元/輛降到110萬元/輛左右。國(guó)產(chǎn)化率招標(biāo)要求由2007年的不低于40%提升至2018年不低于50%。此外，城市軌道車輛牽引系統(tǒng)在關(guān)鍵技術(shù)及核心零部件的國(guó)產(chǎn)化及自主化方面取得了眾多創(chuàng)新突破。

隨著永磁材料的發(fā)展以及永磁電機(jī)的運(yùn)用，基于永磁同步電機(jī)的永磁牽引系統(tǒng)已逐步登上舞臺(tái)。永磁同步電機(jī)以其高效率、高功率密度、強(qiáng)過載能力等優(yōu)點(diǎn)受到了軌道交通車輛牽引系統(tǒng)研發(fā)人員的高度重視，以德國(guó)、法國(guó)和日本為代表的軌道交通裝備制造強(qiáng)國(guó)紛紛開展永磁同步牽引系統(tǒng)的研制，大多完成了樣機(jī)試制、線路試驗(yàn)考核階段，正逐步進(jìn)入到工程化和商業(yè)化推廣應(yīng)用階段。

經(jīng)過多年不斷的技術(shù)創(chuàng)新和積累，我國(guó)已完全掌握永磁同步牽引系統(tǒng)核心關(guān)鍵技術(shù)與裝備制造。2015年長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線列車裝載永磁牽引系統(tǒng)，自2016年載客運(yùn)營(yíng)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，性能可靠，獲得用戶肯定，第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行的能耗測(cè)試表明，節(jié)能率達(dá)30%以上。基于永磁牽引系統(tǒng)明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，北京、天津等城市同步開展永磁牽引系統(tǒng)裝車運(yùn)用，目前長(zhǎng)沙地鐵5號(hào)線、佛山地鐵3號(hào)線、天津地鐵4號(hào)線均已為全線車輛裝載永磁同步牽引系統(tǒng)。

2.3 信號(hào)系統(tǒng)

2010年12月底，交控科技股份有限公司自主研發(fā)的基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）在北京亦莊線投入使用，打破了國(guó)外廠商對(duì)信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)的壟斷。2015年12月，中國(guó)鐵路通信信號(hào)股份有限公司完成了北京地鐵8號(hào)線全線CBTC點(diǎn)式系統(tǒng)向CBTC系統(tǒng)的全功能升級(jí)。北京市華鐵信息技術(shù)開發(fā)總公司自主研發(fā)的CBTC系統(tǒng)應(yīng)用于廣州地鐵7號(hào)線，該線于2016年12月開通，是我國(guó)首條完全國(guó)產(chǎn)化信號(hào)系統(tǒng)線路;2017年7月，浙江眾合科技股份有限公司自主研發(fā)的BiTRACON型CBTC信號(hào)系統(tǒng)在杭州地鐵4號(hào)線正式試運(yùn)營(yíng)。2017年年底，卡斯柯信號(hào)有限公司自主研發(fā)的無人駕駛GoA3等級(jí)的TRANAVI型CBTC系統(tǒng)在上海地鐵17號(hào)線全功能開通。我國(guó)成功走上了一條趕超世界先進(jìn)列車運(yùn)行控制技術(shù)的自主化發(fā)展道路。

隨著城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)化和智能化需求不斷提高，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（FAO）成為城市軌道交通信號(hào)技術(shù)發(fā)展方向。2017年底，我國(guó)首條具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)運(yùn)行線路——北京地鐵燕房線正式開通運(yùn)營(yíng)。燕房線全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)（FAO）達(dá)到城市軌道交通領(lǐng)域最高自動(dòng)化等級(jí)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，被列為“國(guó)家發(fā)改委增強(qiáng)制造業(yè)三年行動(dòng)計(jì)劃（2015—2017）”的重大成果。2019年3月19日，國(guó)家發(fā)改委組織召開了北京地鐵燕房線示范工程現(xiàn)場(chǎng)會(huì)。燕房線示范工程取得的重要成果是推動(dòng)我國(guó)城市軌道交通裝備自主創(chuàng)新邁出的重要一步。燕房線的各項(xiàng)指標(biāo)說明，自主化全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)在總體技術(shù)性能上與國(guó)外同類產(chǎn)品處于同一水平，部分關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)于國(guó)外同類產(chǎn)品。燕房線的示范成功為我國(guó)城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行技術(shù)裝備的發(fā)展和應(yīng)用奠定了良好基礎(chǔ)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，“十四五”期間城市軌道交通規(guī)劃中采用FAO系統(tǒng)的線路達(dá)23條，超過520km。

2018年底，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)互聯(lián)互通信號(hào)系統(tǒng)的國(guó)家發(fā)改委重大示范工程 —— 重慶市軌道交通環(huán)線東北段正式開通運(yùn)營(yíng)，這是我國(guó)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通的首次應(yīng)用，解決了城市軌道交通領(lǐng)域世界級(jí)關(guān)鍵難題，形成中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的CBTC互聯(lián)互通產(chǎn)業(yè)鏈。同時(shí)，在中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)的帶領(lǐng)下，我國(guó)完成了信號(hào)系統(tǒng)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，共完成LTE-M的5 個(gè)系列19 個(gè)規(guī)范以及信號(hào)系統(tǒng)的系統(tǒng)、接口、測(cè)試和工程4個(gè)規(guī)范。

3 城市軌道交通技術(shù)裝備未來發(fā)展趨勢(shì)

3.1 城市軌道交通技術(shù)裝備自主化

我國(guó)城市軌道交通雖然規(guī)模大，產(chǎn)業(yè)鏈全，但自主技術(shù)及其品牌的核心競(jìng)爭(zhēng)力還比較薄弱，已成為我國(guó)由大國(guó)邁向強(qiáng)國(guó)所必須解決的“短板”。城市軌道交通裝備制造業(yè)作為創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、智能轉(zhuǎn)型、強(qiáng)化基礎(chǔ)、綠色發(fā)展的典型代表，是我國(guó)高端裝備制造領(lǐng)域自主創(chuàng)新程度高、國(guó)際創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)效應(yīng)最明顯的行業(yè)之一。目前，我國(guó)制造優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)已初步形成，但高端核心領(lǐng)域仍有不足，要求城市軌道交通行業(yè)在車輛、牽引、制動(dòng)、信號(hào)、供電等涉及安全的核心系統(tǒng)方面實(shí)現(xiàn)自主化、產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)刻不容緩。

3.2 城市軌道交通技術(shù)裝備智能化

中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)于2020年3月發(fā)布了《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，提出應(yīng)用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)，全面感知、深度互聯(lián)和智能融合乘客、設(shè)施、設(shè)備、環(huán)境等實(shí)體信息，通過自主化，創(chuàng)新服務(wù)、運(yùn)營(yíng)、建設(shè)管理模式，構(gòu)建安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的新一代中國(guó)智慧型城市軌道交通。

智能技術(shù)裝備是智慧城軌的重要組成部分，應(yīng)主動(dòng)引入新科技、新技術(shù)，以智能化、數(shù)字化為方向，研發(fā)并應(yīng)用擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)、產(chǎn)品、模式，掌握關(guān)鍵核心和知識(shí)軟件，形成具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的民族品牌和中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，逐步建立自主可控、安全高效、主導(dǎo)發(fā)展的城市軌道交通技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通裝備的智能化。

3.3 城市軌道交通技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)化

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市軌道裝備制造商中有7家整車制造廠、12家牽引系統(tǒng)供應(yīng)商、14家信號(hào)系統(tǒng)供應(yīng)商。既有的城市軌道車輛存在產(chǎn)品平臺(tái)多樣化、研發(fā)和試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)多樣化、車輛零部件互換性和模塊化程度不高、檢修水平和智能化水平較低等問題，造成研發(fā)投入重復(fù)，創(chuàng)新合力難以形成，增加了用戶的維護(hù)成本和全壽命周期成本，制約了城市軌道交通的健康快速發(fā)展。

因此，以用戶需求為主線，結(jié)合新產(chǎn)品、新技術(shù)、新材料的升級(jí)換代，構(gòu)建安全、可靠、智能、舒適、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的標(biāo)準(zhǔn)化城市軌道交通裝備，建立支撐城市軌道交通裝備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范，降低城市軌道交通裝備的差異性，才能持續(xù)提升國(guó)內(nèi)城市軌道交通裝備的發(fā)展水平，助力從交通大國(guó)向交通強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。

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收稿日期 2020-07-20

責(zé)任編輯 冒一平