城市轨道交通车辆寿命周期后期一体化维护方案探讨
自1969年北京地铁1号线开通以来，中国城市轨道交通历经数十载的蓬勃发展，展现出强劲的增长势头。截至2023年底，大陆地区已有55个城市开通运营城市轨道交通线路，运营里程超过10000km，配属车辆数突破70000辆。然而，随着早期列车逐渐达到或超过30年的设计寿命，运营单位面临车辆结构性故障增多、状态监测手段不足、检修难度增加及核心部件停产断供等诸多问题，从而导致车辆故障率攀升、运营安全风险和运维成本难以控制。在此情况下需要更新寿命到限列车，但所需的资金规模庞大，给政府和运营单位带来沉重的经济负担。
车辆的设计寿命并不等同于其真实可用年限，在“修程修制优化”基础上实施“车辆延寿”的系统性维保策略可充分利用车辆实际剩余寿命，并在车辆寿命周期后期阶段保证足够的可用性和可靠性，有效应对日益严苛的运营标准和成本控制要求。因此，面对我国城市轨道交通新发展阶段的挑战，亟需深入探索以车辆延寿为核心的寿命周期后期一体化方案，并建立配套体系标准，开展工程实践，为行业开拓切实可行的管理策略和技术路径，进一步提升车辆寿命周期后期的安全性、可靠性和经济性。
2.1车辆修程修制优化
城市轨道交通车辆（以下简称“城轨车辆”）既有修程体系是一种以预防性维护为主、纠正性维护为辅的维护模式。该体系包括日检、定修或均衡修、架修和大修，其中架修一般为每5年或50万～75万运营公里进行关键系统和部件的维修或更换，恢复车辆性能。大修一般为每10年或100万～150万运营公里进行整车全面的检查、修复或更换，保证车辆安全性和可靠性。
2.2车辆全寿命周期可靠性分析
城轨车辆整体设计寿命通常为30年，但大部分电气设备设计寿命不超过20年，因此一旦车辆达到或超过半寿命期，电气部件进入加速老化阶段，故障率将明显增加，而且由于产品迭代升级、备件停产等原因，维修难度和成本也难以控制。将上海地铁不同投运年限的车型可靠性指标综合拟合成车辆30年使用周期内的可靠性曲线，如图1所示。
可以看出，多车型拟合车辆全寿命周期（30年）的平均无运营故障运营里程（MDBSF（R））总体呈现下降趋势，符合设备可靠性一般规律；但在每轮架修或大修后，MDBSF（R）值会有小幅上升，但在后半段寿命周期内（15年以后）总体水平较低，效果有限。表明传统的架、大修虽然能够在短期内提升车辆当前的可靠性，但无法解决后半寿命周期阶段可靠性下降的问题。因此，需要优化维护策略，增加纠正性维护比例，有计划地在车辆半寿命期之后进行更新延寿，显著提升车辆的可靠性，如图1中虚线所示。
2.3车辆延寿方案比选
城轨车辆的设计寿命要求为30年，但这并不代表真实使用寿命。对于状态良好、运营负荷较小的车辆，诸如车体、转向架等机械部件在设计上均具备足够的安全余量和剩余寿命，具备延寿的可行性。通过对国内外多个城市轨道交通运营单位的79个车型进行调研可知，共42个车型计划延寿，其中19个车型已实现延寿，已有延寿计划车型占比为53%。已有的延寿案例中，预期延寿年限普遍在40～50年之间，如法国里昂有轨电车、香港地铁观塘线、上海地铁3号线，可为本研究提供经验参考和数据支持，如表1所示。
需要说明的是，国内地铁A型车新车采购成本按800万元/辆计算，并平均算到30年寿命期内。维修改造成本包含架修、大修、延寿改造（如有）、日常维护成本，其中架修按110万元/辆、大修按250万元/辆、日常维护按4.5万元/（辆·年）计算，延寿改造按原修程增加200万元/辆计算。
通过经济性对比，得出如下结论。
（1）方案2和方案3不改变目前的维修标准，只进行延寿改造，车辆延寿改造的经济性一般，且方案2延寿年限较短反而不经济。
（2）方案4延长计划修周期，但不进行延寿改造，仅通过减少维修次数也可在一定程度降低运营成本，但车辆后寿命周期的可靠性与传统模式类似，难以恢复至较好水平。
（3）方案5结合车辆延寿和修程修制优化的方案，预计每节车的成本可降低14%，且可通过专项的延寿改造提升车辆后寿命周期的可靠性。
3.1车辆延寿策略和流程
在确保车辆安全性、可靠性及可用性的前提下，采用车辆延寿与修程修制优化相结合的车辆寿命周期后期综合维保方案，可实现全寿命周期运维成本的最小化，同时保证寿命周期后期的车辆可靠性，具体内容如下。
（1）设计制造阶段。对车辆进行修程和状态修的正向设计，以满足优化后的修程体系要求。
（2）运维检修阶段。对车辆轻度修和重度修进行优化，同时开展状态监测、故障分析和风险评估，确保符合运营可用性、可靠性以及检修成本率等指标。在半寿命阶段组织预评估，并根据评估结果确定延寿修的可行性。在延寿时进行全面的专项寿命评估和延寿试验，制定翻新改造方案。
（3）退运处置阶段。对于达到使用寿命的车辆，进行利旧或报废处置。其中运维检修阶段增加的延寿过程是城轨车辆寿命周期后期管理中的关键环节，为确保车辆在延长使用期间的安全性、可靠性和经济性，应遵循合理流程。参照现有经验，该流程应主要包括预评估、专项寿命评估、改造、检验与试验等步骤,并延伸至退运处置阶段，如图2所示。
3.2专项延寿评估
专项寿命评估也称为关键部件寿命评估，是车辆延寿策略中的一个重要环节，涉及对车辆关键部件的系统性检查和分析，以确定其剩余使用寿命和维修需求，常规的技术路线如图3所示。
对车体、转向架构架等关键结构部件的评估是延寿评估的基础，决定整车延寿使用的可行性和延寿年限，采用仿真模拟和试验验证相结合的方法预测结构部件的剩余使用寿命和维修需求，为制定维护计划和延寿策略提供依据。
3.3改造
改造方案依据专项寿命评估的结果制定，包括结构补强、子系统换新、部件翻新、故障修复等内容，以保证改造后车辆满足安全性、可靠性要求，同时兼顾智能化、舒适度等需求。此外，在车辆延寿改造完成后，应根据实际情况对车辆的维修计划和制度进行优化和保障，确保车辆在延长使用期间的安全性、可靠性及可用性。在此过程中，可根据车辆延寿改造后的实际故障趋势和影响持续跟踪分析，进而修正专项寿命评估中预测的剩余寿命结论，设定可靠度阈值，适时调整修程修制，如图4所示。
3.4检验与试验
针对更新改造后的延寿车辆，应制定相应的检验与试验规则，其通过检查与试验后方能投入使用。验证延寿车辆能否满足安全运营要求，可从整车级、子系统级、部件级分别提出要求。
3.5退运处置
（2）延寿实施需要通过实际工程案例经验积累，以及对延寿改造效果的验证，提高延寿策略的科学性和有效性，同时要综合考虑安全性、可靠性、经济性及服务水平等多个方面，确保延寿后的车辆能够满足运营要求和社会期待。
（3）车辆延寿应依据技术可行性和经济性进行决策，同时考虑客运强度、运能需求、社会影响、实施难度等客观条件。
为确保城轨车辆的安全运行和经济性，需要审慎决定车辆寿命周期后期的方向，即是否延长其使用寿命或选择报废。构建一套科学、完善的城轨车辆延寿标准体系显得尤为必要且紧迫。依托该标准体系，结合可靠性、可用性、可维修性和安全性（RAMS）管理，可实现对车辆系统、模块和部件的精准检修，进而优化修程修制，提高维修效率。在精准检修的基础上，应进一步推动自主维修能力的提升，从而有效控制运营成本，为城市轨道交通的可持续发展奠定坚实基础。