任利惠 同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院 (200331)

0 引 言

城市軌道交通是指列車或車輛以電力為動(dòng)力、在鋼軌上或沿導(dǎo)向軌運(yùn)行的城市公共交通方式。根據(jù)基本技術(shù)特征，城市軌道交通可以分為傳統(tǒng)軌道交通和新型軌道交通兩大類。傳統(tǒng)軌道交通的基本特征是鋼輪車輛在鋼軌上利用傳統(tǒng)輪對(duì)的自導(dǎo)向性導(dǎo)向并采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)牽引，它們以地鐵和輕軌為代表；而新型軌道交通體現(xiàn)出與之不同的特征，目前國(guó)內(nèi)主要有以下三大類：

(1)膠輪車輛沿導(dǎo)向軌自動(dòng)控制導(dǎo)向運(yùn)行的系統(tǒng)，有單軌系統(tǒng)、膠輪路軌系統(tǒng)兩種；

(2)采用獨(dú)立輪對(duì)（車輪）或采用橡膠輪和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制導(dǎo)向運(yùn)行的多模塊組合的現(xiàn)代化低地板有軌電車系統(tǒng)；

(3)采用直線電機(jī)牽引、利用磁力懸浮和導(dǎo)向的中低速磁浮系統(tǒng)。

1 單軌系統(tǒng)

單軌系統(tǒng)是指單一軌梁支撐車輛并提供導(dǎo)引作用而運(yùn)行的軌道交通系統(tǒng)。

1.1 單軌系統(tǒng)的技術(shù)特征

單軌系統(tǒng)一般具有如下技術(shù)特征：

(1)列車轉(zhuǎn)彎半徑小，最小曲線半徑為100 m(困難情況下60 m)；列車采用橡膠輪胎，爬坡能力強(qiáng)，最大縱坡可達(dá)60‰。

(2)列車運(yùn)行噪聲低、振動(dòng)小。

(3)線路軌道梁體輕盈，曲線優(yōu)美，景觀性好，透光性好。

(4)車輛的輕重量和軌道梁的狹窄，減少了土建建造材料，與地鐵系統(tǒng)相比工程量小，建設(shè)成本低。

(5)最高運(yùn)行速度可達(dá)80 km/h，平均旅行速度為20～35 km/h。

另外該系統(tǒng)存在輪胎摩擦及能源消耗較大，運(yùn)營(yíng)中有粉塵、逃生和救援復(fù)雜、難以成網(wǎng)、無法與傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)銜接等問題。

1.2 單軌系統(tǒng)的型式

依據(jù)支撐方式的不同，單軌系統(tǒng)可分為跨座式和懸掛式單軌系統(tǒng)。

(1)跨坐式單軌交通車輛以高強(qiáng)度混凝土或者鋼制箱形梁作為軌道（軌道梁），車體安裝在輪胎走行部之上，整個(gè)車輛跨坐在軌道梁上方運(yùn)行，其車輛主要設(shè)備的布置如圖1所示。

圖1 跨坐式單軌車輛主要設(shè)備的布置

(2)懸掛式單軌車輛使用下部開口的鋼制軌道梁，車體懸掛在安裝有橡膠輪胎的走行部下方，整個(gè)車輛吊掛在軌道下方運(yùn)行，其車輛主要設(shè)備的布置如圖2所示。

圖2 懸掛式單軌車輛主要設(shè)備的布置

由于跨坐式單軌車輛有穩(wěn)定輪的作用，在強(qiáng)風(fēng)情況下，跨坐式單軌系統(tǒng)比懸掛式單軌系統(tǒng)更加穩(wěn)定與安全，因此跨坐式單軌系統(tǒng)比懸掛式單軌系統(tǒng)得到了更為廣泛的運(yùn)用。

1.3 單軌系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

跨座式單軌交通系統(tǒng)具有的爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)行噪聲低等特點(diǎn)，主要依靠三大關(guān)鍵技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的：軌道梁系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)。

(1)軌道梁系統(tǒng)

生產(chǎn)軌道梁可任意調(diào)節(jié)曲線活動(dòng)模板，生產(chǎn)的軌道梁誤差以及現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)校工藝要求高。

(2)道岔系統(tǒng)

單軌系統(tǒng)的道岔為多段鋼箱梁結(jié)構(gòu)，道岔梁上帶有供電、信號(hào)等系統(tǒng)，制造精度、機(jī)電控制要求和安全可靠性要求極高，生產(chǎn)安裝難度極大。

(3)車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)設(shè)有走行輪和導(dǎo)向輪，走行輪承擔(dān)車體重量，擔(dān)負(fù)牽引、制動(dòng)等功能，導(dǎo)向利用導(dǎo)向輪胎的徑向力引導(dǎo)車輛沿著軌道行駛。

1.4 單軌系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外運(yùn)用概況

目前國(guó)際上單軌系統(tǒng)技術(shù)基本上由龐巴迪公司、日立公、斯科米司所主導(dǎo)，在國(guó)外有較廣泛的應(yīng)用。

運(yùn)用在日本的有：奈良線、東京羽田機(jī)場(chǎng)線、大阪萬(wàn)國(guó)博覽會(huì)線、北九州線、多摩線、沖繩那霸線；

運(yùn)用在美國(guó)的有：加州的迪士尼樂園觀光線、佛羅里達(dá)州的華特迪士尼世界度假區(qū)線、杰克遜威爾市、坦帕機(jī)場(chǎng)線、拉斯維加斯市、西雅圖市、新澤西州Newark機(jī)場(chǎng)線；

單軌系統(tǒng)還運(yùn)用在馬來西亞的吉隆坡市、澳大利亞的悉尼市、新加坡圣淘沙島的觀光旅游線、泰國(guó)曼谷市、巴西巴拉市等。

國(guó)內(nèi)已運(yùn)用單軌系統(tǒng)的只有重慶軌道交通2號(hào)線，另外在建的有重慶軌道交通2號(hào)線延伸線、3號(hào)線一期工程及沈陽(yáng)地鐵一號(hào)線東延線 （旅游專線部分）。

1.5 單軌系統(tǒng)的應(yīng)用定位

(1)運(yùn)輸能力

單軌系統(tǒng)的運(yùn)輸能力主要受限于信號(hào)系統(tǒng)的配置、單軌特殊道岔梁的轉(zhuǎn)轍時(shí)間等因素，因此最大設(shè)計(jì)能力不大于24對(duì)/h，即最大運(yùn)輸能力3.1萬(wàn)人次/h 。另外，為盡量減小系統(tǒng)高架對(duì)景觀的影響，列車長(zhǎng)度宜控制在100 m以內(nèi)，該系統(tǒng)最大運(yùn)輸能力不宜超過2.3萬(wàn)人次/h。因此，系統(tǒng)適用于中小運(yùn)量的城市軌道交通。

(2)適用線路

適用于高架線為主體的線路，對(duì)城市地貌起伏較大、環(huán)境條件復(fù)雜等選線條件受限制的線路尤為適合，也適用于對(duì)環(huán)境等有特殊要求的機(jī)場(chǎng)線、旅游線等。

2 膠輪路軌系統(tǒng)

膠輪路軌系統(tǒng)軌道通常采用混凝土整體道床，在軌道的中央或兩側(cè)安裝導(dǎo)向軌，車輛通常采用橡膠輪胎，系統(tǒng)典型的技術(shù)特征是膠輪+導(dǎo)軌、全自動(dòng)無人駕駛運(yùn)行技術(shù)等。

2.1 膠輪路軌系統(tǒng)的技術(shù)特征

膠輪路軌系統(tǒng)一般具有如下技術(shù)特征：

(1)列車轉(zhuǎn)彎半徑小，最小曲線半徑為25 m；列車采用橡膠輪胎，爬坡能力強(qiáng)，最大縱坡可達(dá)60‰。

(2)列車運(yùn)行噪聲低、振動(dòng)小。

(3)膠輪路軌系統(tǒng)一般可地面或高架敷設(shè)，可以專用路權(quán)，也可與一般道路混行并具備優(yōu)先通行權(quán)，與地鐵相比工程量小，建設(shè)成本低。

(4)最高運(yùn)行速度可達(dá)80 km/h，平均旅行速度為20～35 km/h。

另外系統(tǒng)存在摩擦及能源消耗較大，運(yùn)營(yíng)中有粉塵，無法與傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)銜接等問題。

2.2 膠輪路軌系統(tǒng)的型式

按照導(dǎo)向輪的安裝位置，采用橡膠輪胎走行的膠輪路軌系統(tǒng)可分為外側(cè)導(dǎo)向式、內(nèi)側(cè)導(dǎo)向式兩大類。

(1)外側(cè)導(dǎo)向式膠輪路軌系統(tǒng)

在軌道的兩側(cè)安裝導(dǎo)向軌，導(dǎo)向輪沿著兩側(cè)導(dǎo)向軌導(dǎo)向的膠輪路軌系統(tǒng)。其導(dǎo)向示意如圖3所示，主要設(shè)備布置如圖4所示。

圖3 膠輪路軌系統(tǒng)外側(cè)導(dǎo)向示意

圖4 膠輪路軌系統(tǒng)的主要設(shè)備布置

(2)內(nèi)側(cè)導(dǎo)向式膠輪路軌系統(tǒng)

在軌道的中央安裝導(dǎo)向軌，導(dǎo)向輪沿著中央導(dǎo)向軌導(dǎo)向的膠輪路軌系統(tǒng)。其導(dǎo)向示意如圖5所示。

圖5 膠輪路軌系統(tǒng)內(nèi)側(cè)導(dǎo)向示意

2.3 膠輪路軌系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

膠輪路軌系統(tǒng)具有爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)行噪聲低等特點(diǎn)，主要依靠車輛走行部系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。走行部設(shè)有走行輪和導(dǎo)向輪，走行輪承擔(dān)車體重量，擔(dān)負(fù)牽引、制動(dòng)等功能，導(dǎo)向利用導(dǎo)向輪胎的徑向力引導(dǎo)車輛沿著軌道行駛。

2.4 膠輪路軌系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外運(yùn)用概況

目前國(guó)際上膠輪路軌系統(tǒng)技術(shù)基本上由龐巴迪公司、三菱重工等為數(shù)不多的公司所主導(dǎo)，在國(guó)外及臺(tái)港地區(qū)有較廣泛的使用，如運(yùn)用在巴黎地鐵、里昂地鐵、馬賽地鐵、蒙特利爾地鐵、都靈地鐵、臺(tái)灣捷運(yùn)快線、香港機(jī)場(chǎng)輕軌、新加坡輕軌等。

國(guó)內(nèi)采用膠輪路軌系統(tǒng)的有首都機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)系統(tǒng)和廣州珠江新城捷運(yùn)系統(tǒng)兩條線路。

2.5 膠輪路軌系統(tǒng)應(yīng)用定位

(1)運(yùn)輸能力

根據(jù)客流運(yùn)能需要選擇列車編組，可滿足高峰小時(shí)運(yùn)能0.5～3萬(wàn)人次/h的要求。

(2)適用線路

適用于高架或地面線為主體的線路，對(duì)城市地貌起伏較大、環(huán)境條件復(fù)雜等選線條件受限制的線路尤為適合。

3 現(xiàn)代有軌電車

現(xiàn)代有軌電車在傳統(tǒng)的有軌電車基礎(chǔ)上在車輛設(shè)計(jì)、線路結(jié)構(gòu)和控制等方面都引進(jìn)了現(xiàn)代技術(shù)，尤其是全低地板有軌電車得到了廣泛運(yùn)用。其根據(jù)車輪及運(yùn)行的軌道型式可分為鋼輪鋼軌有軌電車系統(tǒng)和膠輪路軌有軌電車系統(tǒng)。

3.1 低地板有軌電車技術(shù)特點(diǎn)

鋼輪鋼軌低地板有軌電車具有如下特點(diǎn):

(1)車輛入口與站臺(tái)齊平，乘客上下車方便。

(2)車輛轉(zhuǎn)彎半徑小，最小曲線半徑為25 m。

(3)可設(shè)置很低的站臺(tái)且適宜于運(yùn)行在城區(qū)街道與其他車輛混運(yùn)或綠化帶的路面上，充分展示了現(xiàn)代有軌電車與城市環(huán)境的和諧統(tǒng)一。

(4)投資低、見效快，建設(shè)速度快，可利用現(xiàn)有街道分期建設(shè)，適應(yīng)了城市發(fā)展的迫切需要。

(5)最高運(yùn)行速度可達(dá)70 km/h，平均旅行速度為20～25 km/h。

膠輪路軌有軌電車系統(tǒng)除具有上述特點(diǎn)外，還存在爬坡能力強(qiáng)（最大縱坡可達(dá)130‰）、車輛轉(zhuǎn)彎半徑更?。ㄗ钚∏€半徑為10.5 m）、運(yùn)行噪聲低、振動(dòng)小等特點(diǎn)。

另外鋼輪鋼軌低地板有軌電車系統(tǒng)存在獨(dú)立車輪的導(dǎo)向困難、輪軌磨損大、噪聲高等問題；而膠輪路軌低地板有軌電車系統(tǒng)存在摩擦及能源消耗較大、運(yùn)營(yíng)中有粉塵、無法與傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)銜接等問題。

3.2 現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的型式

現(xiàn)代低地板有軌電車的車內(nèi)低地板面距軌面高度一般在300～400 mm間，按低地板面占整個(gè)車輛地板面的比例區(qū)分，有分段式低地板（15%～20%低地板）、中間貫通式低地板（70%低地板）、全低地板（100%低地板）三種型式，而100%低地板車輛是最受乘客歡迎的，是現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的典型代表。

3.3 現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

采用獨(dú)立車輪（輪對(duì)），實(shí)現(xiàn)全低地板鋼輪鋼軌有軌電車的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

(1)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架獨(dú)立車輪的驅(qū)動(dòng)控制，特別是同步控制技術(shù)，即使同一車軸上的左、右車輪轉(zhuǎn)速相同，這時(shí)獨(dú)立輪對(duì)就相當(dāng)于剛體輪對(duì)，具有剛性輪對(duì)一樣的導(dǎo)向能力。

(2)由于獨(dú)立車輪沒有縱向蠕滑力矩，所以要采取相應(yīng)的措施來提高獨(dú)立車輪的導(dǎo)向能力，主要有對(duì)設(shè)計(jì)特殊的車輪踏面、采用槽形軌、左、右車輪轉(zhuǎn)動(dòng)耦合、采用徑向轉(zhuǎn)向架、主動(dòng)導(dǎo)向等幾種措施。

膠輪路軌低地板有軌電車系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要是走行部系統(tǒng)：膠輪路軌有軌電車系統(tǒng)具有的爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)行噪聲低等特點(diǎn)，主要是依靠車輛走行部系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，走行部設(shè)有橡膠走行輪和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

3.4 現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外運(yùn)用概況

目前國(guó)際上鋼輪鋼軌全低地板有軌電車基本由西門子、阿爾斯通、龐巴迪和AnsaldoBreda所壟斷，并且形成了各自的品牌，如Combino（西門子）、Citadis（阿爾斯通）、Flexity Outlook（龐巴迪）、Sirio（AnsaldoBreda）等，廣泛地運(yùn)用在歐洲的一些城市。而膠輪路軌低地板有軌電車系統(tǒng)主要是法國(guó)勞爾公司的Translohr系列。

低地板有軌電車在我國(guó)還處在初期發(fā)展階段：

(1)大連市輕軌及長(zhǎng)春市快軌交通運(yùn)用了低地板有軌電車，其中間車輛為獨(dú)立輪對(duì)，兩端動(dòng)車轉(zhuǎn)向架采用傳統(tǒng)輪對(duì)，都屬于第二代的70%低地板輕軌輕軌車輛。

(2)100%低地板車輛已于2010年底通過科技部驗(yàn)收，正在長(zhǎng)春輕軌線路上進(jìn)行試驗(yàn)。

(3)引進(jìn)法國(guó)勞爾公司運(yùn)用在天津?yàn)I海和上海張江的100%低地板有軌電車是膠輪路軌低地板有軌電車系統(tǒng)，其具備膠輪+導(dǎo)向的膠輪路軌系統(tǒng)的技術(shù)特征。

3.5 系統(tǒng)應(yīng)用定位

(1)對(duì)于大城市：承擔(dān)地鐵等骨干公共交通網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充、延伸、聯(lián)絡(luò)、過渡等輔助功能；

(2)對(duì)于中小城市：規(guī)劃構(gòu)建以有軌電車為主骨架的公共交通網(wǎng)絡(luò)；

(3)在旅游城市、歷史文化名城：利用有軌電車環(huán)保特性，保護(hù)景區(qū)和古跡環(huán)境。

4 中低速磁浮系統(tǒng)

磁浮列車基于電磁鐵同性相斥、異性相吸的原理，實(shí)現(xiàn)列車的浮起、推進(jìn)和導(dǎo)向。它與輪軌鐵路的根本區(qū)別在于列車懸浮在軌道之上，運(yùn)行時(shí)沒有輪軌接觸，不存在黏著極限速度。磁浮列車分為常導(dǎo)型和超導(dǎo)型兩大類，常導(dǎo)磁浮又分高速和中低速磁浮。

4.1 中低速磁浮系統(tǒng)的技術(shù)特征

中低速磁浮系統(tǒng)一般具有如下技術(shù)特征：

(1)列車爬坡能力強(qiáng)，最大縱坡可達(dá)70‰，轉(zhuǎn)彎半徑小，可小至75 m。

(2)列車運(yùn)行時(shí)無輪軌摩擦，噪聲低，振動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn)、舒適。

(3)最高運(yùn)行速度可達(dá)100 km/h，平均旅行速度為30～45 km/h。

(4)列車騎跨在軌道上運(yùn)行，無脫軌危險(xiǎn)；采用電制動(dòng)、機(jī)械制動(dòng)、緊急情況下“落車”輔助制動(dòng)三重制動(dòng)方式確保安全。

(5)軌道的維護(hù)費(fèi)用低，列車載荷平均分布，車身較輕，相應(yīng)減少了橋梁等土建費(fèi)用。

另外系統(tǒng)存在效率低、能耗高，運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較高、逃生和救援復(fù)雜、難以成網(wǎng)、無法與傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)銜接等問題。

4.2 中低速磁浮系統(tǒng)的原理

中低速磁懸浮列車采用無接觸的電磁懸浮、導(dǎo)向和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，依靠電磁吸力將列車懸浮并進(jìn)行導(dǎo)向，列車與地面軌道間無接觸，并且利用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行，其懸浮導(dǎo)向原理如圖6所示。

圖6 懸浮導(dǎo)向原理

(1)中低速磁浮系統(tǒng)的核心技術(shù)是懸浮導(dǎo)向控制技術(shù)。

(2)中低速磁浮系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)有車輛輕量化技術(shù)、轉(zhuǎn)向架技術(shù)、車輛總裝集成技術(shù)、軌道軋制、軌排加工和鋪設(shè)安裝技術(shù)、道岔制造和安裝技術(shù)等。

4.4 中低速磁浮系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外運(yùn)用概況

中低速磁浮系統(tǒng)技術(shù)國(guó)外只有日本掌握，并建有1.5 km試驗(yàn)線和9.2 km的運(yùn)營(yíng)線——名古屋東部丘陵線。

中低速磁浮系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還處于研發(fā)與試驗(yàn)階段，相繼建成或在建了長(zhǎng)沙試驗(yàn)線、唐山試驗(yàn)線、上海試驗(yàn)線和北京S1示范線，其中北京S1示范線將是國(guó)內(nèi)首條應(yīng)用中低速磁懸浮技術(shù)的示范線，北控磁浮公司生產(chǎn)的低速磁浮車輛將在該線上運(yùn)用。

總體上，中低速磁懸浮技術(shù)在國(guó)內(nèi)還未實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟性和應(yīng)用可靠性，其運(yùn)用與推廣存在著不確定性。

4.5 中低速磁浮系統(tǒng)應(yīng)用定位

(1)運(yùn)輸能力

該系統(tǒng)最大運(yùn)輸能力不宜超過3.0萬(wàn)人次/h，系統(tǒng)適用于中小運(yùn)量的城市軌道交通。

(2)適用線路

適用于高架線為主體的線路，對(duì)城市地貌起伏較大、環(huán)境條件復(fù)雜等選線條件受限制的線路尤為適合。

(3)隨著技術(shù)發(fā)展成熟，中低速磁浮系統(tǒng)將來有可能作為高架輕軌線路的技術(shù)升級(jí)和替代。

5 新型軌道交通系統(tǒng)制式性能特征比較

單軌系統(tǒng)、膠輪路軌系統(tǒng)、現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)和低速磁懸浮系統(tǒng)制式的性能特征如附表所示。

附表 四種系統(tǒng)制式性能特征

6 結(jié) 語(yǔ)

由上述分析可知，單軌系統(tǒng)、膠輪路軌系統(tǒng)、現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)和低速磁懸浮系統(tǒng)四種新型軌道交通系統(tǒng)制式在技術(shù)特征、作用原理、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用定位等方面均存在較大差異。在針對(duì)具體某城市某條線路的制式研究時(shí)，應(yīng)根據(jù)線路的功能定位、所需運(yùn)能、線路特征、環(huán)保景觀等要求，結(jié)合系統(tǒng)的工程成本、資源共享度、技術(shù)成熟度等因素進(jìn)行系統(tǒng)制式的選取。