魏慶朝， 潘姿華， 臧傳臻

(北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044)

城市軌道交通制式分類及適用性

魏慶朝， 潘姿華， 臧傳臻

(北京交通大學土木建筑工程學院， 北京 100044)

多制式軌道交通協(xié)同發(fā)展已成為城市軌道交通系統(tǒng)發(fā)展的大趨勢。在介紹既有制式分類和各種制式城市軌道交通的基礎上，從概念、特征、優(yōu)缺點、適用性等方面對不同城市軌道交通制式進行對比，明確我國目前軌道交通是以地鐵為主的多樣性發(fā)展結(jié)構(gòu)，指出在制式選擇過程中存在制式分類標準不統(tǒng)一、選擇過程考慮不周等問題。建議對制式進行準確分類，完善不同制式技術標準，基于城市發(fā)展,合理、科學地選擇軌道交通制式，實現(xiàn)多制式軌道交通優(yōu)勢互補、互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)發(fā)展。

城市軌道交通； 制式分類； 標準； 適用性

優(yōu)先發(fā)展以軌道交通為骨干的城市公共交通系統(tǒng)已成為根本解決城市交通問題的國際共識。截至2015年12月31日，中國內(nèi)地共有25個城市擁有城市軌道交通，運營線路總長3 293 km，預計到“十三五”結(jié)束時，我國城市軌道交通總里程將達6 000 km[1]。我國各城市地理環(huán)境、經(jīng)濟水平、公共交通現(xiàn)狀各有不同，軌道交通制式需根據(jù)各城市具體情況進行選擇。

1 分類及特征

1.1 我國既有制式分類及特征

目前，《城市公共交通分類標準》將城市軌道交通分為地鐵系統(tǒng)、輕軌系統(tǒng)、單軌系統(tǒng)、有軌電車系統(tǒng)、磁浮系統(tǒng)、自動導向軌道系統(tǒng)、市域快速軌道系統(tǒng)共7類[2]，各系統(tǒng)概念和特征及地區(qū)適用條件如表1所示。

不同制式的軌道交通在車型特點、供電制式、受流方式等方面也各有不同。

1) 在車型方面，受運量的影響，地鐵鋼輪鋼軌系統(tǒng)可選用的基本車型有A型車、B型車等，一般適合大、中運量的旅客輸送，高峰小時單向運輸能力可達到2.5萬～7萬人次。此外，地鐵系統(tǒng)還包括直線電機驅(qū)動的LB型車輛，高峰小時單向運輸能力可達到2.5萬～4萬人次。輕軌系統(tǒng)采用C型車和LC型車，單軌、磁浮和有軌電車等制式各采用專用車輛。

表1 城市軌道交通系統(tǒng)介紹

2) 在供電制式方面，城市軌道交通一般采用中壓供電系統(tǒng)，分為集中式、分散式和混合式。一般以集中式供電為主，以分散式供電為輔。我國國家標準規(guī)定直流供電電壓等級為750 V、1 500 V兩種，通常根據(jù)車輛、線路結(jié)構(gòu)、電氣設備水平等因素來決定采用何種電壓等級。我國的市域快軌列車適合于雙供電制式，可在AC 25 kV的高速動車組供電系統(tǒng)和DC1 500 V的地鐵列車接觸網(wǎng)之間切換，實現(xiàn)在高速動車組軌道上和地鐵線路共軌運營。

3) 在受流方式方面，包括架空接觸網(wǎng)、接觸軌和感應式3種。架空接觸網(wǎng)是指沿走行軌頂部架設由承力索、接觸線以及支持裝置構(gòu)成的“之”字形接觸網(wǎng)。列車通過安裝在頂部的受電弓受電，供給車輛電氣設備。接觸軌供電則是沿走行軌敷設一條與線路平行的附加軌道，列車集電靴與其接觸摩擦取電。接觸軌又稱為第三軌，此結(jié)構(gòu)較簡單，易于安裝。感應式供電體現(xiàn)在采用長定子直線電機的磁浮線路上，對安裝在軌道上的定子供電，安裝在車輛上的轉(zhuǎn)子不供電，車輛受力和電器設備供電則依靠電磁感應發(fā)電提供列車驅(qū)動力。

1.2 新型城市軌道交通分類及特征

在現(xiàn)有的眾多城市軌道交通制式中，地鐵和輕軌建設歷史長，技術更成熟，應用范圍廣泛，是傳統(tǒng)軌道交通的代表。其他制式的軌道交通相較于前兩者均有不同程度的創(chuàng)新和變化，一般稱作新型城市軌道交通系統(tǒng)以示區(qū)分，筆者按照新型軌道交通在驅(qū)動、支承和導向方式上的差別，分類介紹如下。

1.2.1 直線電機軌道交通

直線電機驅(qū)動的軌道交通具有爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、軸重輕、噪聲小等優(yōu)點，可降低隧道截面積和橋梁荷載，使選線更靈活，進而降低工程造價。

直線電機將電動機定子和轉(zhuǎn)子分別設在車輛和軌道上，分為長定子直線同步電機、短定子直線感應電機和分段長定子直線感應電機。長定子直線同步電機的定子設在軌道上，轉(zhuǎn)子設在車輛上，定子和轉(zhuǎn)子同時供電，由兩通電磁場相互作用提供驅(qū)動力；短定子直線感應電機的定子設在車輛上，轉(zhuǎn)子設在軌道上，稱為感應板，定子供電而轉(zhuǎn)子不供電，由通電磁場和感應磁場相互作用提供驅(qū)動力；分段長定子直線感應電機的定子分段設在軌道上，轉(zhuǎn)子設在車輛上，定子只在列車行駛區(qū)域附近段供電，轉(zhuǎn)子不供電，由通電磁場和感應磁場相互作用驅(qū)動[3]。國內(nèi)外直線電機軌道交通應用廣泛，不同線路的驅(qū)動、支承、導向方式介紹見表2，短定子直線感應電機原理如圖1所示。

表2 直線電機軌道交通線路特征

圖1 短定子直線感應電機原理Fig.1 Principle diagram of the short stator linear induction motor

1) 磁浮鐵路。磁浮鐵路采用直線電機牽引、電磁導向、電磁懸浮或電動懸浮技術使列車沿著軌道無接觸運行(見圖2)，目前主要包括超高速磁浮和中低速磁浮交通兩類。超高速磁浮交通一般采用長定子直線同步電機牽引，有日本超導磁浮技術ML(電動懸浮)和德國常導磁浮技術TR(電磁懸浮)，主要用在長大干線和城際軌道交通。中低速磁浮交通采用短定子直線感應電機牽引，有日本常導中低速磁浮技術HSST，主要用在城市軌道交通和機場交通。

圖2 磁浮交通懸浮導向原理Fig.2 Guiding and suspension principle of maglev

電磁懸浮依靠安裝在車體上的電磁鐵和軌道鐵軌(或電磁鐵)之間的吸引力使車輛懸浮，軌道不平順影響垂向電磁力，需主動控制系統(tǒng)調(diào)整氣隙和懸浮力。電動懸浮在車體上安裝電磁鐵，在軌道上安裝懸浮感應線圈，依靠感應磁場和車上電磁鐵同性相斥原理產(chǎn)生懸浮力，列車需達到120～150 km/h以后才能得到足夠懸浮力，在低速范圍內(nèi)需車輪支承。電動懸浮是自穩(wěn)系統(tǒng)，不需復雜氣隙主動控制系統(tǒng)[4]。

2) 直線電機輪軌交通。該系統(tǒng)采用直線電機牽引、鋼輪-鋼軌系統(tǒng)支承導向，一般采用短定子直線感應電機牽引，主要有加拿大和日本兩國技術。美國正在研究分段長定子直線感應電機驅(qū)動技術，定子間隔1.5～3 m，運量較小。

3) 直線電機單軌交通。莫斯科一單軌系統(tǒng)采用直線感應電機驅(qū)動，橡膠輪胎支承，側(cè)向?qū)蜉唽?。莫斯科地處嚴寒地區(qū)且單軌線路全為高架形式，冬天軌道落雪嚴重，車輪易打滑，而直線電機驅(qū)動力不易受此影響[5]。

4) 直線電機氣浮軌道交通。采用直線電機驅(qū)動、氣墊支承、導向輪導向。氣墊懸浮是用壓縮機把空氣吹向地面獲得浮力，但這種懸浮方式不如磁浮方式容易控制。

1.2.2 單軌交通

單軌交通是車輛跨座或懸掛于帶形梁體軌道的交通系統(tǒng)(見圖3)。具有占用空間少、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小、噪聲低、舒適環(huán)保等優(yōu)點。但是道岔結(jié)構(gòu)復雜，限制了列車的最短運行間隔；速度及載客量通常小于地鐵系統(tǒng)。

圖3 單軌交通原理Fig.3 Principle of monorail transportation

1.2.3 自動導向軌道系統(tǒng)

自動導向軌道交通系統(tǒng)的車輛采用橡膠輪胎承載、驅(qū)動和導向，其中包括走行輪和導向輪，且走行輪胎內(nèi)側(cè)設有鋼輪。這種系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強、運行噪聲低、振動小等技術優(yōu)點。按照導向輪的安裝位置可分為外側(cè)導向式、內(nèi)側(cè)導向式兩大類(見圖4)。

圖4 自動導向示意Fig.4 Diagram of automatic guide

自動導向軌道系統(tǒng)可采用專用路權，也可與一般道路混行并具備優(yōu)先通行權，適用于高架或地面線，適合于地貌起伏較大、環(huán)境條件復雜的城市，與地鐵相比工程量小，建設成本低。

1.2.4 現(xiàn)代有軌電車

現(xiàn)代有軌電車在傳統(tǒng)有軌電車的基礎上全面改造升級，根據(jù)車輪及軌道形式分為鋼輪鋼軌和膠輪路軌兩類，客運能力0.5萬～1.2萬人次/h，設計速度70～80 km/h，市中心運行速度約為20 km/h，郊區(qū)運行速度可達30 km/h[6]?，F(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)既可承擔大城市骨干公共交通網(wǎng)絡的補充、延伸、聯(lián)絡、過渡等輔助功能，也可作為中小城市的骨干公共交通網(wǎng)絡，兼具與城市景觀協(xié)調(diào)、環(huán)保等特點。該制式列車采用模塊化設計，便于養(yǎng)護維修；供電制式多樣，包括架空線供電、第三軌供電(僅限鋼輪鋼軌)和蓄電池供電(僅限部分路段)?，F(xiàn)代低地板有軌電車車輛入口與站臺齊平，方便乘客上下車。

圖5 沈陽100%低地板有軌電車示意Fig.5 100% low-floor trams in Shenyang

1.2.5 纜索牽引氣墊交通

車輛像電梯一樣用纜繩縱向驅(qū)動，由氣墊支承，無支承車輪，導軌斷面為槽形，導軌側(cè)壁可作為導向軌道。導向裝置安裝在驅(qū)動纜索附近并安在單側(cè)，即使不使用道岔也能實現(xiàn)上下行車輛在單一導軌內(nèi)走行，在線路區(qū)間中部加寬導軌寬度可實現(xiàn)車輛對向通行。日本成田機場擺渡系統(tǒng)采用該系統(tǒng)(見圖6)。

圖6 纜索牽引氣墊交通原理Fig.6 Principle of cable-driven air-cushion transportation

2 制式發(fā)展特點及存在問題

2.1 發(fā)展特點

1) 制式結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣性。從全國范圍上看，我國城市軌道交通各種制式均有發(fā)展。至2015年12月31日，廣州已有5種制式，北京、上海已有4種制式。對全國25座已開通城市軌道交通運營線路制式統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。

表3 我國城市軌道交通運營線路制式統(tǒng)計

2) 地鐵所占比重大，其他制式所占比重較小。截至2015年12月31日，從全國范圍內(nèi)看，在已運營的城市軌道交通系統(tǒng)中，地鐵系統(tǒng)(含直線電機驅(qū)動、快軌、城際快軌)總長2 959.9 km，占總里程的89.89%；輕軌48.29 km，占總里程的1.47%；單軌交通87.46 km，占2.66%；現(xiàn)代有軌電車171.02 km，占5.19%；磁浮交通29.9 km，占0.91%[1]。地鐵仍占據(jù)城市軌道交通較大比例，而輕軌、單軌、有軌電車、中低速磁浮交通線路所占比例較小。

2.2 存在問題

2.2.1 軌道交通分類標準不統(tǒng)一

城市軌道交通分類方式眾多，將《城市公共交通分類標準》(CJJ/T114-2007)和《城市軌道交通工程項目建設標準》的分類方法歸納如下：

1) 按軌道空間位置，分為地下線、地面線和高架線。2) 按軌道形式，分為重軌、輕軌和單軌交通。3) 按支承導向制式，分為鋼輪支承雙軌導向、膠輪支承單軌導向、膠輪支承雙軌導向和磁力懸浮電磁導向系統(tǒng)。4) 按單向小時運能，分為大運量、中運量和小運量系統(tǒng)。5) 按路權專用程度，分為線路全封閉型、線路半封閉型和線路不封閉型系統(tǒng)。6) 按服務區(qū)域，分為市郊鐵路、市內(nèi)鐵路和區(qū)域快速鐵路。7) 按驅(qū)動方式，分為旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動系統(tǒng)和直線電機驅(qū)動系統(tǒng)。8) 按編組類型，分為小、大、長大編組系統(tǒng)。9) 按運行速度，分為中低速、快速、高速軌道交通。

以上分類、命名方法雖能夠詳細地表征出某線路的某一突出特點，但無法準確表現(xiàn)出其綜合屬性且重復性高，會為線網(wǎng)的規(guī)劃、設計和后期統(tǒng)計分析工作帶來一定困難。

在《城市公共交通分類標準》(CJJ/T114-2007)的分類方法中，地鐵與輕軌是按照運量來劃分的，單軌、有軌電車、磁浮、自動導軌系統(tǒng)等是按照驅(qū)動方式或?qū)蚍绞絼澐值?，而市域快速軌道系統(tǒng)則是按照地域范圍劃分的。這種分類方法把運量、速度、驅(qū)動方式、導向、地域等夾雜在一起，難以從根本上區(qū)分這幾大系統(tǒng)的差別。而在《城市軌道交通工程項目建設標準》中，僅從運量方面對軌道交通進行了分類，也不能全面體現(xiàn)不同制式軌道交通的特點(見表4)。由于劃分因素很多，致使目前多個城市眾多線路的命名五花八門，種類繁多，混亂不堪，這種現(xiàn)象需盡快糾正。

表4 《城市軌道交通工程項目建設標準》各級線路相關技術特征[7]

2.2.2 選擇過程考慮不周

城市軌道交通制式的選擇需要考慮運輸能力、工程經(jīng)濟性、技術合理性、城市交通特征和環(huán)境(見表5)等眾多因素，與客流運量、投資規(guī)模、建設周期、地理條件、線路適應性、氣候適應性、實施難度、環(huán)境保護措施息息相關。然而從全國范圍看，軌道交通制式選擇仍較為單一，多種制式的軌道交通協(xié)調(diào)發(fā)展仍有待加強。

表5 城市交通特征分類

此外，目前研究采用的諸如層次分析法、模糊數(shù)學法、神經(jīng)網(wǎng)絡法等決策方法未考慮主要因素的相互耦合作用關系。如軌道交通運輸能力與城市人口規(guī)模之間，交通方式的運輸能力應當適應城市人口規(guī)模，同時運輸能力的提高也會給城市人口流動及規(guī)模的改變帶來影響。此外，環(huán)境因素與城市交通特征、軌道交通工程經(jīng)濟性之間也有相互影響：地區(qū)資源和城市地貌等影響交通線路流量和交通模式，同時也影響施工的方式和工期[8]。

目前，軌道交通制式的選擇中欠缺長遠意識，未充分考慮城市遠期規(guī)劃發(fā)展，軌道制式選擇及規(guī)劃建設決策對相關專家的意見考慮較少，有時會忽略不同制式軌道交通系統(tǒng)技術特點與城市需要的匹配，在制式選擇上存在一定的從眾性和盲目性，使得城軌交通形式過于單一，尚未形成科學、先進、合理、綜合的城市軌道交通規(guī)劃與制式合理匹配。

3 建議

3.1 復合制式分類標準的探討

城市軌道交通制式發(fā)展越來越多樣化，不同的評價角度帶來不同的分類標準。但驅(qū)動、支承和導向方式是區(qū)分城市軌道交通不同制式的3個主要因素?？蓢L試從這3項指標出發(fā)，將既有的城市軌道交通系統(tǒng)進行分類，建立特征鮮明、直觀的命名方法。建議盡快修訂《城市公共交通分類標準》或制定《城市軌道交通分類標準》，盡快糾正命名混亂的局面。

3.2 夯實基礎，完善不同制式技術標準

我國已開始建設或投入運營的不同城市的軌道交通制式大多具有配套的設計規(guī)范，但成熟水平不盡相同。我國地鐵、輕軌、有軌電車和跨座式單軌系統(tǒng)具備較完善的行業(yè)技術標準和產(chǎn)業(yè)體系。但中低速磁浮、直線電機輪軌等新型城市的軌道交通系統(tǒng)應用數(shù)量少，線路設計參數(shù)研究、系統(tǒng)動力學分析等方面有待深入研究，設計標準和規(guī)范仍需完善。建議由政府引導開展“標準先行”戰(zhàn)略，完善城市軌道交通行業(yè)各類系統(tǒng)的技術標準和知識產(chǎn)權體系。

3.3 統(tǒng)籌兼顧，促進多制式軌道交通網(wǎng)絡互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)發(fā)展

多制式軌道交通協(xié)同發(fā)展已成為城市軌道交通發(fā)展的主流趨勢。城市發(fā)展需求與客觀條件同城市軌道交通制式的選擇彼此間相互作用，影響選擇的因素存在多樣性，且選擇的主要因素相互耦合而非獨立。因此，堅持“因地制宜”、“統(tǒng)籌兼顧”、“協(xié)調(diào)、可持續(xù)”的發(fā)展理念，根據(jù)不同的城市情況科學匹配制式種類和數(shù)量，將會更好地發(fā)揮城市軌道交通對城市、地區(qū)發(fā)展的引領作用，幫助我國更快、更好地建立和完善城市軌道交通系統(tǒng)行業(yè)規(guī)范、技術標準和產(chǎn)業(yè)體系。

此外，互聯(lián)互通性能也是多制式城市軌道交通網(wǎng)的規(guī)劃和設計重點，是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)性的重要體現(xiàn)。在利用不同制式軌道交通優(yōu)點的同時，加強基礎設施、車輛、信號、調(diào)度系統(tǒng)的統(tǒng)一標準化建設和管理，嘗試實現(xiàn)跨線運營的運營模式，提高網(wǎng)絡應急能力，減少樞紐換乘次數(shù)，提高運輸能力和效率。

[1] 樊佳慧,張琛,盧愷,等.2015年中國城市軌道交通運營線路統(tǒng)計與分析[J].都市快軌交通,2016,29(1):1-3.

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(編輯：曹雪明)

Classification and Applicability of Urban Rail Transit

WEI Qingchao, PAN Zihua, ZANG Chuanzhen

(School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044)

Coordinated development of multifarious rail transit system has become a major trend in the development of urban rail transit. In this paper, existing standards of classification of rail transit systems are introduced and compared in terms of concepts, characteristics, merits and demerits and applicability. The multifarious development structure of urban rail transit systems in China, which mainly consist of subways, are highlighted. The problems such as inconsistency in classification standards, poor consideration of selection process and the weakness of long-term consciousness are elaborated. It is suggested that the classification standard for rail transit systems should be accurate, the technical specification for different classification standards should be specified and improved. Finally, it is proposed that the classification standards should be scientific and in line with the urban development so as to achieve coordinated, complementary and rational development of multifarious rail transit systems.

rail transit; system classification; standard; applicability

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.01.008

2016-06-24

2016-12-13

魏慶朝，男，教授，主要研究方向為鐵路線路設計、新型軌道交通、線路-列車動力響應分析，qcwei@bjtu.edu.cn

北京市自然科學基金項目(8172040)

U231

A

1672-6073(2017)01-0034-07