轨道交通国内技术水平现状分析_一起聊聊自动化_百度空间

1.国内技术水平现状
      从20 世纪90 年代建设的上海1 号线和广州1 号线开始,我国城市轨道交通建设广泛开展学习和采用各国{zx1}技术装备,建成具有世界{yl}技术水平的城轨交通系统,如具有综合监控能力的运营调度系统、自动售检票系统(AFC)、采用铝合金或不锈钢车体、VVVF 交流传动系统车辆、具有列车自动控制(ATC)功能的信号系统、广泛采用数字通信技术、车站屏蔽门(或安全门)系统、具有集中控制无人值守的供电系统、车站和隧道火灾自动报警系统以及车站各种先进设备等。
(1)
      根据2005 年日本地铁协会的统计,全世界有112 个城市拥有8227 公里地铁线路,地铁车辆共计64587 辆,其中90%以上线路在20 世纪90 年代以前建成,车辆的车体、转向架、传动系统、制动系统等较落后。我国近10 年城轨道车辆均采用了国际上近十几年来{zx1}技术。
      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 元件、IGBT 元件出现后,发达国家地铁开始采用直一交变频、变压调速交流电机的交流传动系统。我国20 世纪90 年xx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、线性电机线均采用IGBT 模块的交流传动系统。交流传动车与直流传动车相比,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,车轮更换周期延长;交流电机维修工作量很小。
       采用铝合金和不锈钢车体。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、单轨车及线性电机车的车体均采用铝合金结构车体;地铁B 型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:铝合金车体与不锈钢车体相比,其重量略轻(B 型铝合金车体自重约6~7t,不锈钢车体约重7~8t)。由于车辆自重达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,车辆发生火灾时,温度大于850℃时铝合金车体将发生自燃,而不锈钢熔点高,不会自燃;铝合金车体变形后难以修复,不锈钢车体可修复;铝合金车体表面必须涂装,且表面易出现点蚀,不锈钢车体表面可以不涂装;在国际和国内市场上,不锈钢材料比铝合金材料更便宜;铝合金车体寿命周期成本约是不锈钢车体的1.25 倍。综合比较,我国地铁A 型车应考虑采用不锈钢车体,以进一步降低采购和运营成本。
      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,并设有高度自动调整阀,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、线性电机车、单轨车、低地板轻轨车等所有不同类型车辆的转向架均在我国国内生产。
       列车自动控制及自动监控。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,我国新一代的地铁与城轨列车采用这些新技术。按照ATC 系统的发展要求,地铁列车、线性电机、单轨列车上均装有相应的车载设备,可实现自动驾驶模式(ATO)。
      在此模式下,列车启动、加速、运行、惰行、制动、xx停车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。列车也可在超速防护(ATP)模式(ATP 速度监控下的人工驾驶模式)下运行,使列车实时地按照车载信号给定的速度运行(由司机操作)。

(2)信号系统
      信号系统是保证列车高密度安全运行的关键设备系统。目前我国各城市已建成和在建的信号系统分别采用德国西门子、法国阿尔斯通和美国USSI 等具有ATC功能的信号系统。最近2 年,随着无线数字通信技术的{zx1}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{zx1}信号系统(CBTC)。该系统可实现移动自动闭塞,其特点是没有闭塞分区概念,列车之间的运行间隔是按照后续列车与前行列车之间的实际距离来计算,在保证安全运行的条件下,可以进一步提高列车区间运行的密度。
(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、模式识别技术一体,实现售检票、xx管理和财务清算的全过程自动化,系统软硬件设备复杂、要求高。21 世纪初开始,我国新建各条地铁线路均把AFC 系统纳入设计和建设范围。原来没有AFC 的线路,也在积极进行AFC 系统的补建,过去磁卡系统发展到非接触式IC 卡系统。一些城市的AFC 系统还与城市其他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。
(4)屏蔽门、安全门
      分析研究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时有旅客跌落到线路上造成人身伤亡的实际情况,新建线路的车站都增加了屏蔽门或安全门系统设计。目前,深圳、广州、上海、天津、重庆的地铁屏蔽门和安全门系统均已投入使用,效果良好。对于长江流域及其以南的大运量城市地铁车站均设置屏蔽门系统,北方城市不设空调的车站,一般设安全门系统。屏蔽门、安全门系统要与ATO 系统相接,以保证与列车门开闭的xx配合,同时要与线路中央调度、车站调度留有自动控制接口。在特定条件下设有手动开闭门机构。因此,屏蔽门系统也是一个自动控制、机电一体化较为复杂的系统。
(5)装备制造能力
      我国轨道交通运输装备的制造业经过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、城市轨道车辆机车制造业、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%以上均由我国制造。目前,我国轨道交通技术装备年生产能力:新造电力机车700 台、内燃机车1000 台、客车与动车组车辆4000 辆、货车50000 辆、城轨车辆近2000 辆、大型养路机械180 台、各型轨道工程机械780 台。牵引供电设备和信号设备产品能满足每年新建2000 公里的需要。而且,近几年我国轨道交通装备每年出口额达4 亿~5 亿美元。目前,轨道交通装备业具备的生产能力大于市场的需求。
      城轨交通装备产业的发展。近10 年城市轨道交通快速发展,政府制订政策,催生并加快了城市轨道交通装备产业的发展。20 世纪90 年代前,我国城市轨道交通基本处于停滞阶段,基本没有城市轨道交通装备产业。90 年xx始,上海1 号线、广州1 号线均采用了国际{zxj}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。上海、广州1 号线地铁平均造价约为6 亿~7 亿元/公里。地铁工程建设主要由各城市政府投资,造价格昂贵使政府财政能力难以承受,大大影响了城市轨道交通快速发展。
      自1999 年起,我国先后出台了一系列政策,鼓励采用先进技术装备的同时,大力推动技术装备国产化。政策的核心是,地铁系统所有机电设备总采购价的70%。必须是我国本土企业制造,其余30%的进口设备可以免税。其国产化的重点是车辆和信号系统。

     对于承担国产化重点企业,安排国债项目支持等优惠政策。由于具备干线铁路装备工业和机械、电气、电子工业的雄厚基础,经过努力,我国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,尤其是城轨车辆技术装备制造能力及其国产化率大大提高(下表)。原来,仅有长春客车厂一家生产B 型普通碳素钢车体的车辆,现在,我国已有5~6 个工厂生产地铁车辆,另有2 个合资组装生产企业。其中铝合金车生产能力为1100 辆,不锈钢车的生产部门能力为650 辆。
      我国南、北车集团公司是中{zj1}代表性的企业,其下属几个车辆制造厂均进行了改造,并采购国际上{zxj}的各种加工设备,引进欧洲和日本的制造技术,培养大批优秀工程技术人才和管理人才。目前,我国城轨车辆基本上停止整车进口,地铁B 型车由我国制造厂自行设计和制造;A 型车也具备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。车辆制造还带动材料工业,如大断面铝型材,从无到有,已有4 家企业可提供车辆制造用材;VVVF 交流传动系统技术已取得突破;具有我国自主知识产权的B 型车已载客运营,A 型车自主开发正在进行之中,城轨车辆国产化率可达70%以上。
2.国内外差距
      的发展得到了国家和各地方政府及相关主管部门的重视。有相当多的设计、施工、车辆、设备制造企业和科研单位、院校积极参与城市轨道交通的建设。国外的咨询公司和一些设计施工企业也开始参与和关注我国的城市轨道交通事业。大量国内外交流和国外技术考察推动了我国城市轨道交通的发展。国外先进的车辆设备和设计施工技术的引进,推动了城市轨道交通技术的不断提高。
(1)新型城市轨道交通系统开展研发
      直线电机系统。2003 年,随着广州地铁4 号线及北京首都机场线方案的论证,直线电机系统逐渐引起各方的关注。根据广州市城市轨道交通建设规划,其中4 号线已成功使用了直线电机系统;5 号线、6 号线、7 号线将采用直线电机系统,至2010 年,总长将达到107 公里。
      跨座式单轨系统。跨座式单轨系统最多应用于日本,目前马来西亚、澳大利亚、美国也有应用。在我国首次引进的跨座式单轨交通方式是重庆市。它具有占地面积小、爬坡能力强(60‰)、转弯半径小(R=100)等特点。可以因地制宜,穿遂道、爬高坡、沿着江岸翻山越岭运行,非常适应山城的特殊地形。单轨系统采用低噪声和低振动设备,车轮为充气体橡胶轮胎,运行时噪声远远低于城区交通干线噪声平均声级75.8 分贝。
直线电机系统和跨座式单轨系统都属于中运量系统(单向高峰小时2 万人),因其具有曲线半径小、爬坡大、噪音小、造价低的特点,在国内具有一定的推广应用前景。
     快速轮轨系统。因长三角、珠三角及京津塘地区快速交通网正在建设,则速度大于120 公里/小时的快速轮轨系统有大量需求。目前,我国虽然已研制开发了许多应用于轨道交通的动车技术,如:内燃动车系列、“中华之星”高速动车组、“先锋号”快速动车组、“中原之星”动车组等动车技术,但由于国外的许多先进动车技术是国内目前无法替代的,因此,我国目前基本实行的是“引进消化”之路,既主要进行合资生产。
对国外的轨道交通动车技术需求主要是:德国的动车技术系列、加拿大的动车技术系列、法国的动车技术系列等。这些系列动车技术目前都已与我国合资生产,合资企业有长春客车厂、四方机车车辆厂、株洲电力机车厂、唐山机车车辆厂等企业。

(2)建筑水平
       我国的发展虽然只有40 年的历史,与发达国家100 多年的历史相比较,设计、施工的许多方面并不落后,如明挖法、盖挖法、沉埋法、盾构法都已达到国际先进水平,大跨度暗挖法和平顶直墙暗挖法我国属国际{lx1}水平。但在综合交通规划与设计及一些关键技术设备和运营管理水平等方面尚有较大差距。城市轨道交通的机械施工与国际先进水平存在一定差距。地铁用的盾构机目前多靠进口。发达国家的暗挖有了新的进展,其中有大跨度的预制块法、预切槽法、微气压法等,在日本、法国、德国等国家已有应用。
(3)装备技术水平
      城市轨道交通用的设备技术水平需要进一步研制更新,尤其是通信及信号控制系统仍有差距。建设管理水平与发达国家比较存在差距,系统集成能力不强,缺乏具有对工程项目管理、设计咨询、施工、运行管理全过程管理的国际型工程公司。
(4)运营管理水平
      运营管理方面我国与发达国家比较差距较大,主要表现在人工较多,自动化、信息化水平较低,国外先进国家每公里地铁管理人员在50 人以下,而我国则要使用100~300人。受大铁路检修工艺思路的影响,使车辆段与检修工艺设计落后,车辆段工艺流程不合理、确定的工艺、设备往往不能满足要求,造成浪费。



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