中国轨道交通核心设备国产化之路

xiaoxiao 2月前 28

 
中国轨道交通核心设备国产化之路 
    1. “十二五”我国轨道交通市场将快速发展     1.1“十二五”我国将优先发展公共交通 
    “十二五”时期(2011 年至2015 年),是加快转变经济发展方式的攻坚时期。在国家和各地方的“十二五”规划中,对公共交通系统予以了高度关注,要求优先发展。要求在充分利用既有铁路资源的基础上,结合铁路新线建设和枢纽功能调整,鼓励有条件的大城市发展高效铁路,以解决中心城区与郊区、郊区与郊区、卫星城镇、城市带及城市圈内大运量城市交通需求问题。根据规划,城市市区人口超过1000 万的城市逐步完善轨道交通网络,公共交通占机动化出行比例达到60%以上。人口超过300 万的城市初步形成轨道交通网络主骨架,公共交通占机动化出行比例达到40%以上。人口超过100 万的城市,建设轻轨、现代有轨电车、磁浮等多种形式大容量公共交通。随着“十二五”规划的落实,到2015 年城市轨道交通营运里程3000 公里,五年增长率达114.3%。  
    1.2 我国主要城市均已上报轨交建设规划 
    截至目前,我国已有36 个城市上报了城市轨道交通建设规划,其中28个城市的轨道交通建设规划获得国务院审批,其他8 个城市也已经制定了轨道交通建设计划。这些城市主要集中在环渤海、长三角、
珠三角等经济发达区域,其中,北京、上海、广州、深圳、南京等城市增量相对较大。 
    “十二五”时期,我国城市轨道交通重点工程包括:建设北京、上海、广州、深圳等城市轨道交通网络化系统;建成天津、重庆、成都、西安、南京、武汉、杭州、哈尔滨、沈阳、长春、苏州、宁波、无锡、长沙、郑州、福州、东莞、昆明、南昌、大连、青岛、南宁等城市轨道交通主骨架干线;合肥、贵阳、常州、佛山、兰州、石家庄、太原、厦门、济南、乌鲁木齐等城市规划建设的轨道交通线路。  
    2. 国家城轨规划及建设规模不断增加     2.1 我国城市轨道交通客运量占比依旧较低 
    从城市轨道交通密度和城市轨道交通客运量占整个公共交通客运量比例来看,我国城市城市轨道交通的建设还远远不够。  
    2.2 我国城市轨道交通建设迎来高速发展期 
    在优先发展公共交通的指导思想之下,城市轨道交通发展将成为“十二五”的新贵,我国的城市轨道交通建设将迎来高速发展期,这意味着中国将要进行新一轮的大规模投资,将进一步刺激中国经济增长。从产业链上看,城市轨道交通建设将拉动通信信号等设备专业的相关需求。城市轨道交通建设通信信号领域准入门槛较高,对技术、产品质量要求较高,市场竞争格局相对稳定。因此,随着城市轨道交通步
入黄金发展期,相关上市公司将很大程度上受益。 
    截至目前,根据统计的36 个计划建设城市轨道交通项目城市的规划,2009-2020 年,城市轨道交通新增营业里程将达到6560 公里,截至2020 年,我国城市轨道交通累计营业里程将达到7395 公里。以每公里5 亿元造价计算,2009-2020 年共将投入3.3 万亿元,年均达2700 亿元,我国城市轨道交通建设将迎来黄金十年。按照通信信号业务在城市轨道交通项目中的占比,每年约100 亿元的投入。     从区域分布上看,截至2020 年,新增营业里程中,长三角占比25%,环渤海占比24%,珠三角占比16%,三者之和占据新增营业里程的65%。目前,已有28 个城市的轨道交通建设规划获得国务院审批,另外有8 个城市已经制定了轨道交通建设计划,从未来10 年的增量上来看,北京、上海、广州、深圳、南京等城市位居前列。     我国城市轨道交通处于快速发展时期,“十二五”期间将有80 余个轨道交通项目处于建设期,截止2020 年,全国还将有超过100 条新线建设。其次,随着时间的发展,目前部分城市较早时期建设的地铁,设备系统已到设备寿命周期,进入设备更新时代,例如北京地铁1 号线。另外由于较早时期建设的地铁信号系统设计运行间隔一般较大,但随着目前客流的迅猛增长,部分城市地铁线路需要提前进行更新改造,以缩短运行间隔,提高运营能力,例如北京地铁八通线。  
    3. 轨道交通装备国产化是迫切之需 
    3.1 城轨装备的国产化率是制约城轨建设的重要因素 
    城轨装备的国产化率是制约城轨建设的重要因素。1999 年开始,为降低城市轨道交通建设投资,提高设备技术水平,促进轨道交通产业发展,国家先后发布了一系列有关城市轨道交通设备国产化文件,提出城市轨道交通设备国产化的目标、方针、政策以及组织和管理办法。 
    1999 年和2001 年,国务院办公厅转发国家计划委员会《关于城市轨道交通设备国产化实施意见》〔国办发(1999)20 号〕和《关于城市轨道交通设备国产化实施方案》〔计产业(1999)428 号和计产业(2001)564 号〕,提出要确保城市轨道交通车辆和机电设备平均国产化率不低于70%。 
    然而截至目前,在城轨交通车辆与机电设备十大系统中,信号系统国产化率只有50%-60%,自动售检票系统的国产化率为60%-70%。深圳地铁1号线信号系统国产化率为53.91%,通信系统国产化率为54.6%,屏蔽门为54.4%,防灾报警系统(FAS)为66%,车辆段设备为72.9%。广州地铁2 号线车辆国产化率为61.83%,自动售检票为62.5%,屏蔽门为77.2%。由于这些设备系统国产化率偏低,直接影响设备综合国产化率只能徘徊在70%左右。这在很大程度上增加了国内城市轨道交通建设的投入成本,虽然已经实施装备国产化计划多年,但是由于装备平均国产化率仍然偏低,所以城轨装备成本始终降不下来。    所以,加快关键装备国产化是降低城轨建设成本的一个重要因素,加快装备国产化的关键在于核心技术的研发。 
 
    3.2 核心技术市场巨大,国产化足以对抗垄断和地方保护主义     核心技术市场巨大,国产化足以对抗垄断和地方保护主义。在城市轨道交通装备制造行业,包括车辆装备、通信信号系统、电力及电气化厂商3类。由于装备制造具有很强的技术壁垒和一定的资金壁垒,信号系统与机车是轨道交通各项招标中仅有的需要发改委审批的两个系统,进入壁垒很高,所以市场中的竞争并不是非常充分。     不过由于轨道交通建设的周期较长,且前期一般都是搞土建工程,对装备制造业的需要一般较为滞后,从短期内,装备制造业不会看到实质利好。但长期来看,对相关装备制造业的发展会产生有利影响,最直接的受益行业是信号系统机车车辆等设备制造业。其中,具有自主知识产权的城市轨道交通运行与控制系统获益尤多。 
    另外,由于在各城市轨道交通建设招标过程中,各省市政府将会优先考虑本省市企业,所以在我国大规模城市轨道工程建设当中,只有拥有行业技术壁垒和知识产权的企业才能在全国轨道建设中破除地方保护主义,拿到更多订单。  
    4. 城市轨道交通信号系统国产化之解     4.1 我国城市轨道交通信号系统国产化率较低 
    我国城市轨道交通处于蓬勃发展阶段,但是国内有关信号厂商对城市轨道交通信号系统的研究、开发起步较晚,市场投入有限,信号技术与国际先进的信号公司具有较大的差距。目前国内尚不具备提供整套

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ATC 系统的能力,尤其是不具备提供基于通信的ATC 系统的能力。为了满足轨道交通系统的建设要求,绝大多数轨道交通线路的信号系统,尤其是采用基于无线通信的移动闭塞信号系统,其核心子系统均采用进口设备,其核心技术由外国公司掌控,其他子系统和辅助设备采用国产设备。这导致了在设备价格方面处于被动局面,备品备件难以到位,维修周期长,运营成本高。按照以上的系统建设方案,国产化率一般能够达到50%"60%。  
    4.2 城市轨交信号系统的发展阶段—CBTC 渐为主流 
    城市轨道交通信号系统技术发展趋势信号系统是保障行车安全、提高运输能力的关键技术装备。城市轨道交通信号系统随着微电子技术、计算机技术、通信技术的发展而不断发展。信号系统中,地面与车载设备的安全信息传输方式,大致经历了模拟轨道电路、数字轨道电路和无线通信3 个阶段。  
    4.2.1 基于模拟轨道电路的ATC 系统 
    轨道电路是将区间线路划分为若干固定的区段,进行列车占用检查和向车载ATC 设备传送信息的载体。列车定位是以固定的轨道电路区段为单位,采用模拟轨道电路方式由地面向车载设备传送10"20 种信息,列车采用阶梯式速度控制,称之为固定闭塞。如图1 所示。模拟轨道电路在我国应用的代表产品有:从英国西屋引进的FS-2500 无绝
缘轨道电路(北京地铁1 号线、13 号线);从美国GRS 公司引进的无绝缘数字调幅轨道电路(上海地铁1号线);大连轻轨采用国产WG-21 A 轨道电路。 
    从系统整体角度来看,基于模拟轨道电路的ATC 系统中各子系统处于分立状态,技术水平明显落后,维修工作量大,制约了列车运行速度和密度的进一步提高,将逐步退出历史舞台。  
    4.2.2 基于数字轨道电路的ATC 系统 
    数字轨道电路采用数字编码方式,地面向车载设备传送数十位数字编码信息,列车可实现一次模式曲线式安全防护,缩短了列车运行间隔,提高了舒适度。数字轨道电路列车速度控制曲线。 
    采用数字轨道电路的ATC 系统,列车可实现一次模式曲线式安全防护,因此称之为准移动闭塞。数字轨道电路在我国应用的代表产品有美国USSI公司的AF-904 无绝缘数字轨道电路(上海地铁2 号线、津滨轻轨等);德国西门子公司的FTGS 无绝缘数字轨道电路(广州地铁1、2 号线,南京地铁1号线等)。数字轨道电路的ATC 系统采用微电子技术、计算机技术和数字通信技术,延续了轨道电路故障-安全的特点,目前在我国和世界范围内开通运用较多,系统的可靠性和稳定性得到了充分的验证。但数字轨道电路存在以下缺点。 
    ⑴.必须具备很强的抗干扰能力。轨道电路中ATC 信息电流一般在几十毫安至几百毫安,而列车牵引回流最大可达4000 A。     ⑵.受轨道电路特性限制,只能实现地面向列车的单项信息传输,信
息量也只能到数十比特,限制了ATC 系统的性能。 
    ⑶.与牵引供电专业的设备安装相互影响。信号设备和牵引供电设备都需要安装在轨道上,2个专业设备的安装必须相互协调,否则会相互影响对方系统的性能。 
    ⑷.无法进行列车精确定位。只能按轨道电路区段对列车进行定位,一般区段长度为30 -300 m,对缩短列车运行间隔有一定的限制。     4.2.3 基于通信的列车运行控制系统(CBTC) 
    CBTC 的特点是前、后列车都采用移动定位方式,通过安全数据传输,将前行列车的位置信息安全地传递给后续列车,可实现一次模式曲线式安全防护,并且其防护点能够随前车的移动而实时更新,有利于进一步缩小行车间隔,提高运输效率,称之为移动闭塞。CBTC 系统列车速度控制。 
    在我国已经开通使用的武汉轻轨和广州地铁3 号线是采用加拿大阿尔卡特公司的SelTracMB 系统,用感应环线实现车-地信息双向传输;北京地铁10 号线和奥运支线、广州地铁4 号线采用德国西门子公司的TrainguardMT,用点式AP 实现无线信息传输;北京地铁2 号线改造、机场线采用法国阿尔斯通公司的URBALISTM,用波导管和点式AP 实现无线信息传输。现在正在建设的项目(广州地铁5 号线、广佛线,上海地铁6、7、8、9 号线,北京地铁4 号线,沈阳地铁1、2 号线,成都地铁1 号线等),都选择了基于点式AP 无线通信的CBTC 系统,它已经成为我国城市轨道交通信号系统选型的主流制式。     CBTC 系统采用当前先进的计算机技术和信息传输技术,不与牵
引供电争轨道,有利于牵引供电专业合理布置设备;不需要在轨道上安装设备,易形成疏散通道。采用CBTC 技术,具有多方面优势 (提高效率、易于延伸线建设和改造升级),可以充分利用国内现有的信号产品和资源,易于实现国产化。其中具有完全自主知识产权的计算机联锁设备和ATS 子系统已经成功在现场开通使用。 
    目前国内已经初具规模,并且具有完全自主知识产权的轨道交通信号系统包括通号公司的基于数字轨道电路的FZL 准移动闭塞系统和北京交通大学的LCF-300 型CBTC(基于无线通信的列车控制)移动闭塞系统。两种系统的列车自动运行 (Automatic Train Operation,简为ATO)子系统设备均在研制和试验中。FZL 准移动闭塞系统已成功应用于长春轻轨一期、二期工程,以及大连轻轨工程。LCF-300 型CBTC 系统应用于北京轨道交通亦庄线工程,全部采用国产设备,并同时进行独立第三方安全认证。  
n  4.3 信号系统自主化之路—CBTC 将为首选制式 
    我国城市轨道交通已经进入发展的高峰时期,部分城市已进入网络化运营阶段,通车里程接近发达国家城市水平。2012 年—2018 年,城市轨道交通总建设里程将超过3600 公里,其中:已在建为1840 公里、2012 年将开工400 公里、近期规划建设1360 公里;总投资需求将超过1.6 万亿元。我国业已成为当今世界最大的城轨市场,因此,以信号、车辆为代表的核心装备技术自主化对于支撑行业未来的健康可持续发展尤为关键。信号系统主要由 ATS( 列车自动监视) 、
ATP( 列车自动保护) 、ATO( 列车自动运行) 、CI( 计算机联锁) 、DCS( 数据通信) 、信号基础设备等多个子系统组成,其设备遍布于全线各处和所有列车,是城轨列车安全运行的控制中枢,具有数字化、一体化、网络化的技术特点。  
    4.3.1 信号系统国产化方案     ⑴准移动闭塞方案 
    由中国铁路通信信号集团公司研制开发的FZL 型准移动闭塞系统是由国家计委和铁道部立项,由国家计委、铁道部和中国铁路通信信号总公司联合投资开发,具有自主知识产权的国产信号系统。它主要由以下几个部分组成:列车自动监督 (Automatic Train Supervision,简为ATS)子系统区域控制中心,数字轨道电路,车载设备等。 n  ⑵移动闭塞方案 
    由北京交通大学开发研制的LCF-300 型CBTC 系统,具有完全自主知识产权。该系统是保证行车安全、提高区间和车站通过能力,以及实现行车指挥和列车自动化、提高运输效率的关键设备。它由中央控制列车监督系统ATS、ATP、ATO、计算机联锁CI 系统、数据通信系统( DataCommunicationSystem,简为DCS)等五个部分组成。其中最核心的ATP 系统采用了CBTC,可以实现移动闭塞;同时为了提高信号系统的可靠性与可用性,将基于点式的ATP 系统作为CBTC 系统的后备模式。 
    ATS 子系统负责列车运行的集中监控与管理,实现进路自动设置,

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按时刻表控制列车运行,与其他系统接口等功能。ATP 的主要功能是监督及控制列车安全地运行,包括列车位置检测、列车间隔控制和超速防护、车门及屏蔽门的安全监控、站台紧急停车、列车非正常移动控制等。ATO 实现自动控制列车运行,根据ATS 的指令实现列车的自动驾驶,能够自动完成对列车的起动、牵引、巡航、惰行和制动的控制。联锁子系统实现信号机、道岔、轨道区段的正确的联锁关系,控制进路安全,以及控制屏蔽门和紧急停车按钮。DCS 的主要作用是在各个子系统之间传输ATC 报文。 
    装备CBTC 设备的列车(包括轨旁设备)可以以多种模式驾驶。驾驶模式与列车是在CBTC 区域还是非CBTC 区域行驶,以及车载或轨旁设备的操作状态有关。在CBTC 系统中有自动驾驶模式、ATP 监督下的人工驾驶模式、ATP允许速度下的人工驾驶模式、无限制人工驾驶、自动折返驾驶模式。在CBTC区域,可以实现移动闭塞控制方式。 
    基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC 系统具有20 世纪90 年代的世界先进水平,是目前已经相当成熟的ATC 系统,在国内外已经得到广泛的应用,具有较为丰富的运用和运营经验,这使得FZL 准移动闭塞系统的应用有现成的经验可循。由于采用准移动闭塞方式,全线设置轨道电路等地面设备,其系统故障转向备用模式或系统复原处理较为容易。但它利用钢轨作为信息传输媒介,因而带来了先天的不足:容易受电气化干扰,数据传输速度和容量受到限制,室内及轨旁设备较多,维护量相应增大,专用的设备、复杂的调试及安装导致较高的生命
周期成本;与此同时,随着列车追踪间隔的缩短,轨旁设备增多,维护工作量增大。FZL 准移动ATC 系统在国内的应用经验,为轨道交通信号系统的全部国产化提供了宝贵经验及可行方案,但只能实现中等技术水平的列车自动控制系统。 
    基于无线通信的移动闭塞ATC 系统,是采用当今先进的通信和信息技术的技术领先型系统,代表了城市轨道交通领域信号系统的发展趋势。 
    LCF-300 型CBTC 系统可以满足现代轨道交通信号系统的性能要求,国产化率可达到100%。LCF-300 型CBTC 移动闭塞系统中,轨旁无线通信设备多为免维护设备,与钢轨或道床没有直接关系,减少了各系统之间与土建工种的相互干扰,增加了系统可维护性。较少的轨旁设备、通用的商业现货、简单的设备安装和较少的设备维护等,使其生命周期成本降低。特别是基于无线通信的移动闭塞ATC 系统的采用,将使轨道交通路网中多条线路实现互联互通成为可能。     综上所述,基于数字轨道电路的准移动闭塞ATC 系统的国产化率也可以做到100%,而其自身的特点及实现的功能最终导致其被更加先进的基于通信的列车控制系统所代替。而对于基于通信的ATC 系统而言,比传统系统在技术上更具有优势,成为当前轨道交通信号系统的主流产品。LCF-300 型CBTC 移动闭塞系统的应用,将使基于通信的ATC 系统全部国产化成为可能。  
    4.3.2 CBTC 系统主流化趋势为城轨信号技术自主化提供黄金机遇
期 
    CBTC( 基于无线通信的列车控制) 系统摒弃了传统的轨道电路,以无线网络通信平台作为车地通信媒介,实现车对地高精度列车位置报告以及地对车 LMA( 移动授权) 安全数据通信。它具有灵活的系统分级控制架构、运营效率高、便于维修、易于延伸和改造升级等众多技术优势,日渐成为城轨信号技术的发展方向及城轨信号系统的首选制式。 
    选择 CBTC 做为城轨信号系统自主化突破口,可最大限度地节约资源,实现我国城轨信号技术的跨越式发展。 
    ⑴CBTC 系统大量采用了目前先进、成熟的COTS( 商务现货供应) 信息技术,而近年来我国在无线通信、网络通信技术方面的飞跃发展为方案选型提供了多样选择。 
    ⑵CBTC 技术在国内外建设中已有了成功的工程实例,主流厂商的CBTC 系统在国内均有在建项目实施,为自主创新创造了有利条件。 
    ⑶采用 CBTC 技术,能够破除轨道电路复杂的数学模型、有限的数据流量、受环境影响的不确定性等不利因素局限。特别是近年来我国在信号理论研究、CTCS( 中国列车运行控制系统) 体系、基础性设备研制( 如欧标应答器、计轴、安全计算机平台、计算机联锁、列车调度指挥等) 等方面成果显著,构成 CBTC 系统的设备除 ATP 和 ATO 子系统外,其他均可利用既有成熟设备加以适应性开发完成。   
 
    5. 投资轨交新材料和先进装备领域     5.1 短期城市轨道交通建设更有保障 
    高铁去年出现了一些影响较大的事故,而且高铁建设的负债也开始显露,另外对高铁建设经济性的质疑声音也较多。目前来看,国家也会理性地适当放慢高铁建设的进度。但总体来看,高铁的建设只是短期放缓,而不是停滞,这是本质上的区别。暂时放慢步伐,有利于行业去除浮躁,实现理性回归,但发展的方向不会改变。有时候蹲下是为了跳得更高。在我国进一步提高高铁的可靠性、稳定性和经济性之后,高铁的建设速度还是会上去的。而且高铁作为拉动国家经济发展的引擎,长期依然会继续保持一个比较高速的发展。据统计,未来十年,我国铁路建设运营里程将新增1万公里,达到12 万公里以上,年均投资额依然保持4000 亿以上的投资规模。 
    短期来看,城市轨道交通建设领域更有保障。目前我国各地城市化进程迅速,交通拥堵现象日益严重,而加快城市轨道交通建设是目前来看唯一行之有效、立竿见影的解决方法。因此该领域的步伐不仅不会放慢,反而会进一步加快。目前,国务院批准地铁建设有3 项指标——城市人口超300 万、GDP 超1000 亿元、地方财政一般预算收入超100 亿元。据发改委基础产业司统计,目前全国有近50 个城市达标,随着经济水平的飞速发展,满足这一条件的城市或地区会日益增多。预计未来十年,城市轨道交通将新增超过5500 公里的城
市轨道交通里程,以4.2 亿元/公里的平均造价计算,总投入达2.31 万亿元。  
    5.2 更看好技术含量和进入门槛较高的行业 
    高铁投资增速放缓不仅不会带来负面影响,反而是难得的投资机会。通过高铁投资放缓,给持续高温的轨道交通业及时降温,在淘汰一些不具备竞争力的企业的同时,有利于优势企业脱颖而出。同时企业也可以适度喘息,回归关注核心竞争力的建设。第三,在理性回归的大潮下,企业会摒弃一些不理性的预期,一些好的企业投资价值会凸显。 
    轨道交通行业产业链长,涉及领域众多。从产业链分布看,包括上游的规划设计,中游的工程建设、施工和下游的运营管理。关注重点主要是中游的工程建设和施工。这部分又分为工程施工、整车总装、供变电、风水电、通信信号和智能化管理等多个环节,涉及的相关产业包括建筑施工、材料、装备制造、电子信息等,每部分均有较好的投资机会。 
    综上,从价值链分布来看,更看好建设施工中的新材料和先进装备应用领域,例如整车装备中的牵引制动系统、供变电、信号系统、智能化管理中的综合监控、综合安防和售检票系统等是较为关注的领域。这些环节或细分领域基本都具备技术含量高、进入门槛高和投资需求大、利润空间大的特点。 

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    5.3 信号系统国产化设备投资要素分析 
    提供完整信号系统方案是平等参与市场竞争的立足点实现真正意义的自主化,就必须培育和发展若干家能提供完整城轨信号系统解决方案的国内企业,参与市场竞争。 
    信号项目的实施贯穿于系统设计、设备生产、软件编制、接口协调、安装调试、使用操作、维修维护、更新扩能改造等系统的全生命周期过程中,客观上要求供方主体提供产品和服务全程覆盖。国外信号厂商都能够提供完整的信号系统技术解决方案,除了实现利润最大化外,还能够保障系统的完整性和安全性。因此,只有国内信号厂商也能够提供完整的信号系统,才能和国外厂商平等参与项目竞争,具有话语权,否则信号系统自主化就只能依附于外国人,难以聚集合力实现突破。  
    提供完整方案的优势还在于: 
    ⑴可精简各子系统间的接口。随着信号技术向一体化、数字化、网络化方向发展,各子系统和设备间的接口复杂,难以拆分,如果无法实现一家单位或固定组合提供完整的信号系统,则在系统设计和不同项目执行过程中势必存在大量重复性的开发工作,也很难实现接口设计的标准化和规范化,甚至有可能影响系统 RAMS( 可靠性、可用性、可维护性、安全性)指标。 
  ⑵采用同一技术平台,技术优势明显。从国外成熟经验看,城轨
信号系统包括多个子系统,如果能由一家单位或固定组合提供,就可以有条件实现多项设备,如轨旁 CI 和 ZC( 区域控制器) 子系统,车载 ATP 与ATO 子系统等,采用统一技术平台,从而有效缩短开发周期、减少开发成本、提高系统安全性和可靠性,并减少未来用户备品备件的数量和种类,降低系统的运营维护成本。    

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