地鐵車輛現代化升級改造的發展趨勢與問題探討

徐 帥，王景振，黃強邦，楊 飛，付鶴翔

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

北京、上海、廣州是國內較早開通地鐵的城市。伴隨著城市建設進程的加快，城市軌道交通市場運營時間和里程不斷的增長，新技術不斷的創新和應用，早期開通地鐵的城市已面臨更加嚴苛的運營要求。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 國內城市地鐵發展概況

截至2019年底，中國內地共有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%。國內地鐵交通正持續保持快速發展的趨勢，其建設規模、運營里程、客運量、車輛配置逐年增長。國內大城市地鐵線路和配屬列車數量見圖 1（至2019年）。

圖1 國內大城市地鐵線路和配屬列車數量（至2019年）

2000年以前，國內有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車體，現地鐵車輛多采用不銹鋼或鋁合金車體，根據設計要求，車輛設計使用壽命多為30年；另外，部分車輛雖未達到設計壽命，但隨著新技術的不斷應用，車輛難以滿足日益提高的運營服務要求。

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展較早的城市，早已面臨車輛設計壽命到限的問題。

根據國際公共運輸聯盟的數據統計，2010年歐洲大約有21 500輛地鐵車輛，各生產年限區間的概況見圖2。從圖中數據可以看出，截至2010年約54%的運營車輛已超過設計壽命30年，部分車輛經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進行了升級改造；

（2）倫敦對地鐵12號線的車輛與線路進行了改造；

（3）俄羅斯對E、EM、81系列電動車輛的使用壽命進行了延長；

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

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

（6）開羅對地鐵2號線的制動系統進行了升級改造，將其升級為ESRA控制系統等。

3 國內地鐵車輛升級改造情況

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

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，車輛設計壽命為30年。

隨著上海城市建設進程的加快，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量，另一方面于2007年開始對原6輛編組的列車進行改造，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年的設計使用壽命。自2015年開始，車輛牽引梁加強筋、車鉤安裝座、轉向架構架等部分位置的焊縫出現裂紋，經研究發現其主要原因為焊接缺陷產生的疲勞裂紋，因此工作人員對缺陷部位進行了修復工作。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 國內較早開通的城市地鐵信息

圖2 歐洲車輛生產年限區間

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，為后續車輛的維護和采購策略提供重要的技術支撐。廣州地鐵首先對車體進行了結構狀態檢查、結構件探傷、基于有限元的疲勞分析、強度和應力試驗、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行了評估；在確認車輛服役方案后，根據新的技術和運營需求，研究并確定了整車改造范圍和壽命延長方案。

廣州地鐵1號線的車輛將進行整體的升級改造，改造范圍包括牽引系統、制動系統、列車控制與管理系統（TCMS）、乘客信息系統（PIS）、車門等重要子系統部件。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，列車的牽引系統和TCMS系統由韓國現代集團（Hyundai Rotem）生產制造，列車共計43列，采用4動2拖編組的不銹鋼車體。

由于牽引系統性能和相關服務因素的影響，該項目的部分車輛將進行升級改造，改造的范圍涉及牽引系統、TCMS系統、制動系統等。其中，原牽引系統將被替換為由國內供應商提供的先進牽引系統；電機仍沿用原項目產品；列車網絡將取消絞線式列車總線（WTB）網絡，而采用整車多功能車輛總線（MVB）網絡；車輛的升級改造將結合車輛的大修同時進行。

3.4 其他案例

國內其他正在研究或執行的較大地鐵車輛部件升級改造項目有：廣州地鐵3號線空調國產化改造、廣州地鐵1號線車輛客室氣動門改造、深圳地鐵1號線牽引系統改造、上海地鐵2號線基于通信的列車自動控制系統（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、節能環保的要求、智能運維的需求等因素影響，越來越多的地鐵車輛逐步進入現代化改造階段，同時新技術的不斷應用推廣，如無人駕駛、智能運維、大數據、5G技術、以太網應用、人工智能等，將是后續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范和準則、部分系統改造時與其他系統的接口匹配問題、升級改造項目執行過程中的質量管控與驗證問題等。結合項目執行過程的相關問題，本文提出以下建議。

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

（2）在前期，應做好調研與準備工作，如重要部件（車體和轉向架）的壽命評估、功能需求等；在實施時，應做好過程管控，如相關的試驗和認證；在后期，應做好調試、認證、運營的準備工作。

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

（4）應盡可能采用成熟的技術保證升級后系統的穩定性，減少與舊系統的接口，并確定新舊接口的關系；同時應少變動硬件，僅保留必須的接口。

5 結語

早期開通地鐵的城市已面臨車輛逐步接近設計壽命的問題，以及更加嚴苛的運營要求，根據國內外城市地鐵車輛的發展和管理經驗，隨著國內地鐵市場的不斷創新和發展，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展的必然趨勢。無人駕駛、智能運維、大數據、5G技術等將是未來車輛改造的重要方向，因此應盡早建立地鐵車輛升級改造和延長使用壽命的管理規范和準則、有效的技術標準體系和審核管理機制，以及車輛改造后的認證管理規范。