我国城市轨道交通技术装备发展水平与制造能力
第10期
百家论坛
我国城市轨道交通技术装备发展水平与制造能力
周翊民
(中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会,100844,北京M副主任,教授级高级工程师)
摘 要 介绍了我国城市轨道交通技术装备的基础标准和城市轨道交通类型选择标准。论述了我国城市轨道交通在车辆、信号、检票和安全系统设备方面的最新技术,并说明我国现代城市轨道交通技术装备水平已有了质的飞跃。分析了我国目前城市轨道交通运输设备的制造体系和制造能力,指出城市轨道交通装备产业的未来发展方向。
关键词 城市轨道交通,技术装备,发展水平,制造能力中图分类号 U231;F503
TheDevelopmentLevelandManufactureCapacityofUMTE-quipmentinChinaZhouYanmin
Abstract Withanintroductiontothebasicstandardsfortech-nicalequipmentandUMTpatternsinChina,thispaperanaly-sesthelevelofUMTequipmentdevelopment.Accordingtothelatesttechnologyusedinvehicles,signal,ticketexaminationandsafetysystem,theauthorholdsthatUMTinChinahasbeengreatlyimproved.Then,themanufacturesystemandca-pacityforUMTequipmentisdiscussedandthefuturedevelop-mentofUMTequipmentindustryispredicted.
Keywords urbanmasstransit,technicalequipment,develop-mentlevel,manufacturecapacity
Author.saddress UrbanRailTransitCommissionofSUCT,100844,Beijing,China
基础上,吸纳了一系列新的技术系统,制订、颁布了基本技术规范。
1.1 修订地铁设计规范
20世纪60年代北京建成的我国第一条地铁,从土建设计、工程施工、车辆、供电、信号等设备均为国内设计和制造,自1969年运营至今已37年,实践证明是成功的。但是对于当今经济快速发展、人民生活水平迅速提高,以及当代一系列新技术的发展,采用旧的建设标准显然不能满足要求。为此,国家有关主管部门组织了设计院、大学和地铁运营公司的专家,对旧的地铁设计规范进行修订。在修订过程中,广泛调查、分析、总结了原规范执行情况,特别是近10年来我国地铁工程建设和运营管理方面的经验,并引入了诸多新的技术系统和积累的新经验,认真借鉴了国际当代新地铁系统有关成功的经验和先进技术。经反复多次修改,2003年5月发布了新的国家标准)))GB50157)20035地铁设计规范6。该规范为我国地铁技术系统设备选型打下了基础。1.2 制订地铁车辆技术标准
通过对我国大城市的客流分析,特别是每天上、下班时段高峰客流量的研究,提出了地铁车辆类型和列车编组方式,制订了国家标准(GB/T7928)20035地铁车辆通用技术条件6),明确了全国各城市在建设地铁系统时,只能选用国家标准规定的A型车或B型车。该国家标准规定的我国地铁车辆主要技术规格见表1。车辆国家标准的制订保证了我国地铁车辆发展的系列化、通用化和地铁建设的有序发展。
1.3 制订地铁限界标准
为做到地铁建设限界的通用化、系列化、标准化,在选用国家标准A型车或B型车的条件下,组织专家经过几年的努力制订了中华人民共和国行业标准)))CJJ96)20035地铁限界标准6。该标准适用于运行在隧道内、高架桥或地面上,车辆最高速度为80km/h的标准轨距(1435mm)系列的地铁A
城市轨道交通的技术装备是其技术水平的标志,涉及机械、电气、电子、自动化、材料科学等多个
领域。技术装备的种类繁多、涉及面广,既有移动设备,又有固定设备,涵盖了车辆、供电、信号、通信、自动售检票、通风、空调采暖、防灾与报警、环保、设备监控、行车综合监控等各种机电和自动化设备。这些设备的技术参数必须合理匹配,使城市轨道交通系统的建设和运营实现高速度、高效益、高效率。
1 城市轨道交通技术装备的基础标准
制订必要的基础标准是城市轨道交通技术装备发展的前提。在总结国内外地铁建设和运营经验的
城市轨道交通究
研
2006年
型和B型车辆。国家规定在新建地铁工程中,必须遵守该标准的各种限界的计算规定。该标准有车辆
的限界计算、设备限界计算和建筑限界计算。
表1 我国地铁车辆主要技术规格[1]
序号1
23456789
名 称车体基本长度/mm车体基本宽度/mm
受流器车辆最大高度/mm
受电弓车辆(落弓高度)最大高度/mm受电弓车辆(工作高度)最大高度/mm
车内净高/mm地板面高/mm
轴重/t车辆定距/mm固定轴距/mm每侧车门数/对
A型车(四轴车)
[**************]10~38903980~5410\21001130[[1**********]~2500
4~5
B型车(四轴车)
[**************]10~38903980~5410\21001100[[1**********]~2300
3~4
注:带司机室的车可加长。
1.4 城市轨道交通类型选择标准
由于城市规模、人口数量、地形地貌、社会需求等条件不同,各城市经济实力有较大差异。因此,对城市轨道交通类型的选择也不相同。目前大体上分为3种类型:
1)大运量快速地铁系统,最大客运量单向3万人次/h以上。如北京、上海、天津、广州、深圳、南京、武汉,以及正在建设中的成都、沈阳等城市均选择了地铁系统。
2)线路坡道大、曲线半径小的中运量跨坐式单轨系统和直线电机型系统,最大运量单向1万~3万人次/h。如重庆2号线、广州4号线和5号线,线路坡度均在50j以上,最小曲线半径在150m以
Ñ
系统类型
A型车
最大单向客运量/(万人次/h)
运营
列车编组数/辆列车最小运行间隔/s
车辆供电信号
车辆定员/人最大运行速度/(km/h)
额定电压/V受电方式列车控制方式
4.5~7.56~890~12031080~100(120)DC1500接触网ATC
下。
3)低运量轻轨系统(低地板现代有轨电车),最大客运量单向0.6万~1.0万人次/h。如大连、长春市城区范围改造旧有轨电车,采用低噪声、大载客量的低地板现代有轨电车。
3类城市轨道交通的技术等级与适应的运量见表2。
除上述3种城市轨道交通类型外,我国还正在发展连接城市中心区与卫星城镇、新的工业开发园区之间的郊区型快速轨道交通,如天津滨海线、广州3号线、大连3号线。其特点是线路长、最高运行速度达100~120km/h,车辆为B型车。
表2 城市轨道交通技术等级与适应的运量表
Ò
B型车3.0~5.5
690~12024080(100)DC750第三轨ATC
中运量单轨或
直线电机1.0~3.04~612022070~80DC750接触网/第三轨
ATC
Ó
低运量轻轨(现代有轨电车)
0.6~1.0
2300140~22045~60DC750(600)接触网ATP/ATS
大运量地铁
注:车辆定员中,站立以6人/m2计。
2 城市轨道交通技术装备发展水平
与20世纪60年代采用的地铁技术装备相比,现代地铁各项技术装备水平已有了质的飞跃。在改革开放政策的引导下,有充分条件学习和采用发达国家最新的技术装备,建成高水平的现代化地铁系统。从20世纪90年代建设的上海1号线和广州1号线地铁开始,我国城市轨道交通建设积极学习和采用各国最新技术装备,建成了具有世界一流技术水平的城市轨道交通系统,包括具有综合监控能力
第10期
百家论坛
合金车体表面必须涂装,且长期运用后表面出现点蚀;不锈钢表面可以不涂装。在国际、国内市场上,不锈钢材料比铝合金材料更便宜。综合上述各项指标的比较,铝合金车体寿命周期成本约是不锈钢车体的1.25倍。因此,我国A型地铁车辆应考虑采用不锈钢车体,以进一步降低采购和运营成本。2.1.3 转向架
A型车和B型车均全面采用国际上普遍应用的无摇枕转向架。这种转向架具有结构简单、零部件少、重量轻、维修工作量少等优点。转向架采用两系悬挂减振结构,一系采用金属橡胶叠层结构,二系采用空气弹簧;并有高度自动调整阀,通过排风和供风,自动调整车辆地板面高度,使之与站台面相匹配。目前,地铁A型车、B型车、直线电机车、单轨车、低地板轻轨车等所有不同类型车辆的转向架均在国内生产。
2.1.4 自动控制及列车自动监控
随着现代自动控制技术、计算机及网络技术、数字通信技术的发展,我国新一代的城市轨道交通列车均采用了上述新技术。按照ATC系统的发展要求,地铁列车、直线电机车、单轨列车上均装有相应的车载设备,可实现ATO(列车自动驾驶),列车起动、加速、运行、惰行、制动、精确行车、开门等均由车载信号设备控制,不需司机操作。关门控制可选择自动关门或人工关门。列车也可显现ATP(列车自动保护)模式。在此模式下,列车的速度、监控、运行及制动在车载信号设备的限制下由司机操作。列车上装有自动监控系统。该系统采用分布式总线技术,建立列车通信网络,对列车所有重要设备实现集散式监视、控制和管理,包括了所有的运行控制、旅客信息以及故障诊断系统。
列车还具有无线通信系统,车辆能与车站、行车调度中心及时通话与通讯。2.1.5 其它设备
车辆除具有上述几项现代化技术外,还有多项技术获得重要进步,如:制动系统已由过去简单的电控制动机,发展到采用数字模拟式电控制动系统,以实现自动精确制动的目标;地铁列车已采用自动和半自动、带有空气连接和电气联结的密接式车钩;列车具有到站显示和自动报站系统;为提高客容量和安全疏散需要,采用车辆间宽型贯通道装置。2.2 信号系统
城市轨道交通信号系统是城市轨道交通的主要
的运营调度系统、自动售检票系统(AFC)、铝合金或不锈钢车体、VVVF(变压-变频)交流传动系统车辆、具有自动闭塞功能和ATC(列车自动控制)功能的信号系统、数字通信技术、车站屏蔽门(或安全门)系统、集中控制无人值守的供电系统、车站和隧道自动灭火系统以及车站各种先进设备等。
2.1 车辆
根据2005年日本地铁协会的统计,全世界有142个城市拥有城市轨道交通系统。其中112个城市拥有8227km地铁线路,计有地铁车辆64587辆,其中90%以上线路均在20世纪90年代以前建成,车辆的车体、转向架、传动系统、制动系统等均较落后。而我国近10年来城市轨道交通车辆均采用了国际近十几年来的最新技术。2.1.1 采用交流传动技术
20世纪90年代前,世界各国均采用切换电阻的有级调压调速直流电机系统或采用电力电子控制的无级斩波调压调速直流电机系统。1990年,GTO(门极可关断晶闸管)元件、IGBT(绝缘栅门极晶闸管)元件出现后,发达国家地铁开始采用直-交变频、变压调速交流电机的交流传动系统。我国从20世纪90年代开始,除上海1号线地铁采用直流斩波调速系统外,所有新建地铁线、单轨线、轻轨线、直线电机线均采用IGBT模块的交流传动系统。与直流传动车相比,采用交流传动车的用电量能降低40%;由于采用再生制动,闸瓦用量减少一半以上;车轮磨耗小,延长了车轮更换周期;与直流电机相比,交流电机维修工作量很小。2.1.2 采用铝合金和不锈钢车体
为了降低自重和减少车体维修工作量,车辆大力采用铝合金和不锈钢车体。与世界各国一样,20世纪60年代北京地铁车辆车体结构采用普通碳素钢。我国新一代的地铁A型车辆、单轨车及直线电机车的车体均采用铝合金结构车体;B型地铁车辆大部分采用不锈钢车体,少部分采用铝合金车体。根据铁道科学研究院专家的研究:铝合金车体比不锈钢车体重量略轻(B型车铝合金车体自重约6~7t,不锈钢车体约重7~8t),由于列车自重达56t,在实际运行中,因车体重量差异带来的节能效果并不明显。但从安全性角度比较,车辆若发生火灾,温度大于850e时铝合金车体将发生自燃,会加重和扩大火灾的范围;而不锈钢熔点高,不会自燃。铝合金车体变形后难以修复;不锈钢车体是可修复的。铝
城市轨道交通究
研
2006年
组成部分之一,是保证列车安全、高密度运行的关键设备系统。我国新一代的信号系统已经采用先进的以ATC为代表的信号系统。它包括了ATP、ATS(列车自动监控)和ATO子系统。目前国内还没有国产的成熟、先进的信号系统,各城市已建成和在建的信号系统分别采用了进口的德国西门子、法国阿尔斯通和美国USSI等具有ATC功能的信号系统。最近两年,随着无线数字通信技术的最新发展,一些城市新建线路开始招标采购基于无线数字通信传输的最新的信号系统。该系统可实现移动自动闭塞,它的特点是没有闭塞分区概念,列车间的运行间隔是按后续列车与前行列车间的实际距离来计算,在保证安全运行的条件下,可进一步提高列车区间运行的密度。
2.3 自动售检票系统(AFC)
AFC系统的水平是城市轨道交通运营管理现代化的一项重要标志。该系统集计算机技术、机电一体化技术、模式识别技术于一体,实现售检验票全过程和票务管理、财务清算全过程的自动化,系统软、硬件的设备复杂、要求高。21世纪初开始,我国新建的各条地铁线均把AFC系统纳入设计和建设范围。原来没有AFC系统的线路,也在积极进行改造补建。采用的技术由磁卡系统发展到非接触式IC卡系统。一些城市的AFC系统还与城市其它公共交通系统实现一卡通或留有接口。目前,上海、广州、深圳、南京等城市已建有较完善的AFC系统。2.4 屏蔽门、安全门
分析研究了我国南方大城市车站空调通风的能耗情况,以及多年来地铁车站有旅客跌落到轨道上造成人身伤亡的实际情况,新建线路的车站都设计了车站屏蔽门或安全门系统。目前深圳、广州、上海、天津、重庆等地铁的屏蔽门和安全门系统均已投入使用,效果良好。对于大运量的地铁车站,长江流域及其以南的大城市车站均应设置屏蔽门系统;北方城市不设空调的车站,一般可设安全门系统。屏蔽门(安全门)系统要与ATO系统相接,保证与列车门开闭的精确配合;同时要与线路中央调度、车站调度留有自动控制接口,在特定条件下具有手动开闭门机构。因此,屏蔽门系统也是一个较为复杂的自动控制、机电一体化系统。2.5 其它
除上述4方面装备外,现代化的供电系统、通信系统、车站空调通风系统、防灾消防系统、给排水系统、自动扶梯与电梯系统等均在新建地铁系统中被采用。
3 我国轨道交通运输装备的制造能力
3.1 轨道交通运输装备的制造体系和制造能力我国轨道交通运输装备制造业经过50多年的
发展,已经形成自主研发、配套完整、设备先进、规模经营的制造体系。在这个体系中有电力机车制造业、内燃机车制造业、铁道客车与动车组制造业、铁道货车制造业、城市轨道车辆制造业、机车车辆关键部件制造业、铁道信号设备制造业、牵引供电设备制造业、轨道工程机械设备制造业及城市轨道交通综合机电专用设备制造业等10个专业制造系统。50年来,我国干线铁路运输装备95%以上均由国内制造。目前轨道交通技术装备总生产能力见表3。中国轨道交通装备制造业不仅能满足国内需要,而且近几年每年出口产值达4亿~5亿美元。目前我国轨道交通装备业具备的生产能力已大于市场的需求。
表3 我国轨道交通装备生产能力概况
产 品 名电力机车/台内燃机车/台客车与动车组车辆/辆
货车/辆
城市轨道交通车辆/辆大型养路机械/台各型轨道工程机械/台牵引供电设备、信号设备
年生产能力
[**************]0近2000180780
能满足每年新建2000km的需要
3.2 城市轨道交通装备产业的发展
3.2.1 城市轨道交通装备产业的迅速发展
20世纪90年代前,我国城市轨道交通发展基本处于停滞阶段,也没有专门的城市轨道交通装备产业。当时上海轨道交通1号线、广州地铁1号线均采用了国际最先进的技术系统,技术起点很高,但价格昂贵。进口地铁A型车的价格在150万~180万美元/辆。供电系统、信号系统等均很昂贵,使整个地铁造价大幅度提高。当时上海、广州地铁的平均造价约为6亿~7亿元/km。地铁工程建设是政府公共交通项目,是城市基础设施项目,主要由各城市政府投资,造价昂贵使政府财政难以承受,影响了城市轨道交通的快速发展。
自1999年开始,国家先后出台了一系列政策,既鼓励采用先进技术装备,又大力推动技术装备国
第10期
百家论坛
进行中,城市轨道交通车辆国产化率可达70%以上,VVVF交流传动系统技术也已取得突破。在信号方面,中国通信信号公司和大成公司,对采用数字轨道电路的信号系统技术已基本掌握;ATS系统和车站微机连锁系统已有较高水平,成为国外信号系统的重要分包商。信号系统的国产化率可达50%~60%。
国内已基本掌握了AFC系统设计和安装调试。深圳、重庆2条线的AFC系统均由国内公司进行系统软、硬件设计。
供电系统、通信系统、通风空调系统等国内技术和产品发展很快,国产化率均达到了80%以上。
屏蔽门系统核心技术已掌握,已有3个企业通过了产品鉴定,并将在地铁车站安装使用。3.2.2 城市轨道交通装备产业的未来发展方向
几年来,城市轨道交通设备国产化工作取得了显著效果。例如:广州地铁1号线平均造价达6.89亿元/km,2号线地铁平均造价已降至4.86亿元/km;1号线机电设备采购费为47.07亿元,2号线仅为30.35亿元。其中1号线每辆车为1769万元,2号线为988万元,价格下降了45%。
在推进技术装备国产化的同时,仍应积极推行对外开放政策。在中国城市轨道交通大发展的过程中,掌握新技术的国外大公司,如西门子、阿尔斯通、庞巴迪等,均在20世纪90年代就纷纷进入中国,得到了大批订单,并在中国寻找合作伙伴、建立合资企业。不仅如此,制造城市轨道交通设备重要关键部件的几十个国外中小企业也纷纷进入中国,与国内企业办合资企业、合作企业或独资企业。国外公司把先进设备和技术带进了中国,对国内建设先进的城市轨道交通系统起到了很好的作用,推动了中国城市轨道交通机电产业的发展。今后中国仍然欢迎和需要各国企业进入中国城市轨道交通设备市场,以期带来更新更高的技术,推动中国城市轨道交通不断采用新技术,实现可持续发展。
产化工作。国家政策的核心是,地铁系统所有机电设备总采购价的70%必须是国内本土企业制造,其余30%的进口设备可以免税。为此,成立了国产化办公室以及专家委员会。国产化的重点是车辆和信号系统,对于承担国产化的重点企业安排国债项目,以支持企业的技术产品国产化工作。由于有干线铁路装备工业的雄厚基础,经过这几年的努力,城市轨道交通技术装备的国产化取得了显著效果,催生并促使城市轨道交通产业的迅速发展。
原来仅有长春客车厂一家生产地铁B型普通碳素钢车体的车辆,现在国内已发展到6个工厂生产地铁车辆,另有2个合资组装生产企业。我国城市轨道交通车辆生产能力见表4。
表4 城市轨道交通车辆生产能力
制造商
车体材料铝合金不锈钢铝合金不锈钢铝合金铝合金不锈钢车辆总装车辆总装
车辆型号A、BA、BA、BA、BA、BA、BBA、BA、B
2006年最终
形成的生产能力(辆/年)
[***********]100300¹200º1100650500»1750¼
长客股份四方股份浦镇车辆厂株洲电力机车厂北京地铁车辆厂长春安达公司上海阿尔斯通交通设备有限公司
铝合金
全国合计总生产不锈钢
能力合资企业车辆总装
每年总生产能力
注:¹其车体由长客股份提供,不计入总生产能力;º总装车体来自浦镇车辆厂,不计入总生产能力;»车体来自长客股份和浦镇车辆厂,不计入总生产能力;¼未计普通碳素钢车的生产能力。
中国南、北车集团公司是我国轨道交通装备制造业中最具代表性的企业,其下属几个车辆制造厂均进行了改造,采购了国际上最先进的各种加工设备,引进了欧洲和日本的制造技术,培养了大批优秀的工程技术和管理人才。目前,国内城市轨道交通车辆基本上停止了整车进口,地铁B型车由国内制造厂自行设计和制造;A型车也具备了自行集成设计和制造能力;车辆设计与制造的关键部件和核心技术已经掌握,如铝合金和不锈钢车体的设计和制造工艺、转向架设计和制造工艺。车辆制造还带动了材料工业的发展。如大断面铝型材,从无到有,已有4个企业可提供车辆制造用材。目前具有自主知识产权的B型车已载客运营,A型车自主开发正在
参考文献
[1] GB50157)2003地铁设计规范[S].
[2] 周翊民.我国城市轨道交通多元化发展的新趋势[J].城市轨道
交通研究,2002(3):1.
[3] 朱军.我国城市轨道交通发展现状与对策建议[J].城市轨道交
通研究,2005(6):11.
(本文于2006年10年19日在/两岸四地城市轨道/捷运发展论坛0上演讲)