文：上海羿鵬交通科技集團有限公司

本文介紹了國內外懸掛式單軌交通系統的類型特點、技術發(fā)展路線以及運營線路情況，重點介紹了輕型懸掛式單軌從技術引進到國產化的研發(fā)階段和各子系統的技術特點、系統應用場景等，以及羿鵬空鐵試驗線的建設情況與功能定位，并對城市軌道交通低運能系統發(fā)展前景進行展望。

城市軌道交通中低運能系統——懸掛式單軌系統具有占地面積小、工程造價低、轉彎半徑小、爬坡能力強、建設周期短等特點，是發(fā)展多層次、優(yōu)銜接、高品質的立體化軌道交通系統的重要組成部分之一。在此背景下，通過技術引進、消化吸收，進而實現全系統國產化，走出了一條適用于國內公共交通應用場景的新一代輕型懸掛式單軌系統的技術實踐道路。

一、國內外懸掛式單軌系統發(fā)展現狀

懸掛式單軌系統最早起源于德國，由德國土木工程師Eugen Langen 于1893 年發(fā)明，作為其位于科隆的煉糖廠的貨運單軌使用，隨之開始構思應用于客運線路，采用雙法蘭車輪的轉向架設計，車廂懸掛于轉向架下方，而第一個實踐的就是德國西部城市伍珀塔爾（Wuppertal），于1901年開通運營，這也是世界上第一條應用于客運的懸掛式單軌線路。

19 世紀末，伍珀塔爾的工業(yè)化程度達到頂峰，人口增至40 萬并且呈繼續(xù)增長的趨勢，面積超過科隆。人口和車輛數量的增加對路面交通帶來更大的壓力，因此需補充新的公共交通系統，以緩解路面擁堵狀況。然而，伍珀塔爾沒有更多的路面空間敷設有軌電車運行所需的軌道，而且地下巖石眾多、存在大量地下水的地質條件，在當時的技術條件下建造地鐵尚無法實現。因此，打造空中線路成為德國工程師的唯一選擇，在建筑大師Wilhem Feldmann 的指導下，伍珀塔爾的懸掛式單軌線路建設完成并投入運營，經歷一個多世紀后，該線路仍在持續(xù)運營，每日載客量逾7 萬人次。

（一）技術發(fā)展路線

在伍珀塔爾懸掛式單軌線路運行50 年后，逐漸演化發(fā)展出2 條技術路線，分別是法國的SAFEGE 技術路線和德國西門子的SIPEM 技術路線。

法國Safege 聯盟公司由包括米其林和雷諾汽車在內的25 家公司于1919 年共同組建，與跨座式單軌的技術起源——德國Alweg 公司并稱為世界單軌系統的兩大技術平臺。Safege 懸掛式單軌系統沿用了伍珀塔爾中大運量的特點，最大的改動就是將運行軌道由原先的暴露形式優(yōu)化到了封閉形式，尤其在緯度較高的地區(qū)，能完全在任何的冰雪雨條件下安全可靠運行。

相較于1901 年的伍珀塔爾原型和法國SAFEGE 技術，該技術路線在年代上晚于兩者，是由德國的西門子公司在德國科技部的主導下于上世紀70 年代末開始進行研究，基于當時德國二戰(zhàn)后的經濟發(fā)展以及人口結構，所以此技術的主要特點的是走的全系統輕量化路線，于1984 年在多特蒙德開始正式投入運營使用。

（二）運營的懸掛式單軌線路

目前世界上已投入商業(yè)化運營的懸掛式單軌線路主要分布在德國和日本，國內已正式投入商業(yè)化運營的僅有武漢光谷旅游線，各運營線路主要情況見表1。

表1 運營的懸掛式單軌線路

（三）國內懸掛式單軌技術發(fā)展現狀

截至目前，國內已開展懸掛式單軌系統研究的單位包括中唐懸掛式單軌集團有限公司、中車青島四方機車車輛股份有限公司、北京中建空列集團有限公司、中鐵科工集團有限公司、上海羿鵬交通科技集團有限公司等，試驗線路分布在成都、上海、贛州、開封、青島等地，部分市政運營線路也已啟動線網規(guī)劃等工作。

目前國內投入研發(fā)和運營的懸掛式單軌系統包括兩條技術路線，即德國西門子SIPEM 技術路線和法國SAFEGE 技術路線。

二、輕型懸掛式單軌系統

羿鵬公司通過引進德國輕型懸掛式單軌系統技術，歷時5 年時間，通過開展七大技術專題的研發(fā)工作，以及31 個子專題的分項實施，在原有SIPEM 平臺基礎上進行技術迭代升級，結合國內公共交通應用場景，聯合中德專家共同研發(fā)，形成了具有獨立自主知識產權的新一代輕型懸掛式單軌系統，包括應用于市政公共立體交通的系統產品，以及適用于旅游景區(qū)、商業(yè)園區(qū)的空中智慧樂享系統產品，為客戶提供一站式交通出行綜合解決方案（圖1）。

圖1 德國伍珀塔爾懸掛式單軌線路

三、技術特點、商業(yè)模式及應用場景

（一）系統技術特點

1.車輛系統

一是車輛靈活編組。車輛靈活編組是輕型懸掛式單軌系統最大的亮點和創(chuàng)新點，其主要源于車輛的非貫通道設計，車輛之間僅通過轉向架端面的全自動車鉤連接。常見的地鐵、高鐵車輛，通常是以貫通道形式出現的，這樣的設計能有效地將客流量在車內進行再平衡，是大運量交通的重要設計。而懸掛式單軌本身主要應用在中低運能系統的軌道交通線路，并非主干線。輕型懸掛式單軌可以通過全自動車鉤，進行車輛在線解編和聯掛，應對高峰和平峰時段的客流波動。在平峰時段通過減小車輛編組，實現動態(tài)的靈活編組策略，而不是延長發(fā)車間隔，這是軌道交通線路運營降本增效的重要方式。另外，通過非貫通道的車輛設計，車輛可以實現非常小的轉彎半徑，輕型懸掛式單軌的最小轉彎半徑可達到30 米，在線路選線時可減少非必要的拆遷區(qū)域，有效降低建設成本。

二是車體輕量化。不同于傳統軌道交通的車體材料以鋁合金為主，輕型懸掛式單軌的車體使用碳鋼材料?；诘聡S碳鋼激光焊接技術進行適配性國產化研制，該激光焊接技術憑借其全自動、高精密作業(yè)，整個生產線基本無需矯正、返工，可以極大地降低車輛生產成本、提升生產效率和產品性能，尤其是對于大型部件的激光焊接，可實現碳鋼材料不同尺寸部件的高精焊接，有效解決碳鋼薄板焊接的變形問題，從而替代傳統的鋁合金材料，車體輕量化程度與鋁合金相當，同時降低60%的生產成本，提升30%的生產效率。

三是車輛外觀設計。目前西門子SIPEM 平臺應用的懸掛式單軌線路為德國多特蒙德線與杜塞爾多夫機場線，在技術引進過程中，對原有車輛重新進行了工業(yè)化設計，車輛外觀更具現代感。

2.軌道系統

軌道系統包含樁基、立柱、軌道梁、道岔四個子系統。建設過程中，輕型懸掛式單軌的立柱、軌道梁、道岔均為工廠預制件，可直接運抵現場進行安裝，現場建設周期短，對周邊環(huán)境干擾小。

一是立柱。立柱有單線立柱、雙線立柱和門型立柱三種類型（圖2）。立柱的一大特點為細梁、細柱，僅為0.8 米*0.8 米，占地面積小，可在路中綠化帶敷設，環(huán)境適應性更強。

圖2 立柱布置形式

二是軌道梁。軌道梁截面尺寸：1100 毫米*780 毫米，截面下開口寬度為180 毫米，下翼緣鋼板厚度 30 毫米，兼做軌道。為增加開口截面剛度，軌道梁外側四周以及底板開口處采用鋼板肋加筋。同時，運營過程中，由于輕型懸掛式單軌采用內嵌式的“軌包輪”，且采用膠輪，對周圍居民的噪聲影響很小。

三是道岔。軌道系統中還有一項優(yōu)勢就是輕量化道岔。道岔的轉岔時間是影響發(fā)車間隔的重要因素，將直接計算到發(fā)車間隔中。傳統軌道交通道岔需要多個轉轍機控制多個分步動作才能實現一次完整的轉岔，輕型懸掛式單軌系統的道岔只需要一個轉轍機就可以實現轉岔，轉岔時間為3.8 秒。因此，輕型懸掛式單軌系統可實現最短45 秒的發(fā)車間隔。

3.運控系統

一是通信。通信系統的核心思路是通過算法模型的規(guī)范搭建、軟件架構的優(yōu)化設計以及硬件模組的深度集成等一系列系統化手段，將4G 和5G 通信技術進行有機融合，實現兩者優(yōu)劣勢的動態(tài)互補，既能完全兼容現有的標準框架體系，又能達到定制化開發(fā)應用的目的。盡可能復用幾大運營商既有的網絡基礎設施資源，以代替“自建私有網絡+ 申請專用頻段”的傳統建設模式，從而實現“公網私用”的目標。

二是信號。GOA4 全自動駕駛采用“車車通信”信號系統。信號系統的效率、準確度、響應時間將很大程度的影響到發(fā)車間隔。輕型懸掛式單軌使用的最先進的車車通信信號系統（TACS）在基于現有的CBTC 系統上，很大程度的減少軌旁設備、減少子系統接口、精簡了繁冗的系統（圖3）。在滿足功能的情況下，系統越簡單、穩(wěn)定性越高，造價也相應降低。

圖3 傳統CBTC 和車車通信系統邏輯架構對比

4.供電系統

輕型懸掛式單軌系統可采用接觸軌和新能源電池兩種供電方式。

一是接觸軌供電方式。其接觸軌布設在軌道梁內，受流器在轉向架上。接觸軌的電流來自于軌道梁上的電纜輸入，電壓為DC750V。系統主電路的設計應滿足能夠給牽引變流器、輔助電源系統及空調系統提供DC750V 直流電源；當車輛在維保車間時，需要通過車間電源進行供電，主電路的設計需要滿足車輛受流器供電和車間電源供電的切換要求。

二是新能源電池供電方式。對于接觸軌供電方式，供電量大、建設成本高、維護成本高是其主要特點。而針對中低運能軌道交通而使用的懸掛式單軌本身在用電需求量不大的情況下，使用新能源電池供電一方面大大的降低了建設和維護成本，另一方面也提升了整體的安全性，真正做到的因地制宜的要求。

（二）“系統化集成+ 供應鏈管理”的商業(yè)管理模式

羿鵬公司通過與德國軌道工業(yè)協會開展深度合作，不僅完成了對德國擁有近40 年成熟運營經驗的輕型懸掛式單軌系統技術的引進和消化吸收，還作為系統集成方，共同集成德國和中國全系統產業(yè)鏈上的各設計單位、供應商、服務商等，在西門子原有SIPEM 平臺基礎上進行技術迭代升級，研發(fā)出新一代輕型懸掛式單軌系統。目前的國產化率已達90% 以上，近期目標將會全面實現100% 國產化升級替代。

從當年“三天建一層樓”的“深圳速度”，到今天破舊立新的自貿區(qū)探索，都是“一個汗珠摔八瓣”拼出來的。不做光說不練的“假把式”，爭當腳踏實地的“實干家”，“擼起袖子加油干”就是成就改革事業(yè)的“硬道理”。

輕型懸掛式單軌系統包括車輛、軌道、運控、供電、維保工裝五大子系統，通過采用“系統化集成+供應鏈管理”的軌交行業(yè)輕資產商業(yè)模式，逐漸形成全新一代輕型懸掛式單軌產業(yè)生態(tài)圈。

（三）系統應用場景

輕型懸掛式單軌系統根據產品是否應用于市政道路或旅游觀光的場景分類，一類是針對市政道路的輕型懸掛式單軌，另一類是針對旅游景區(qū)和產業(yè)園區(qū)的“空中樂享車輛系統”（SEPM，Sky Enjoying People Mover）。針對不同的客戶群體，主要包括地方業(yè)主單位、工業(yè)園區(qū)管委會、景區(qū)樂園主管部門等。

四、輕型懸掛式單軌應用案例

輕型懸掛式單軌羿鵬空鐵試驗線由羿鵬公司自主投資建設，位于上海市寶山區(qū)顧村工業(yè)園，為南北走向的呈“L”型敷設線路，北起友誼西路、富勝路交叉口東南角，沿富勝路東側走行，南至富勝路、富聯一路交叉口，后沿富聯一路南側往東敷設。線路全長約0.94 公里，均采用高架敷設，沿途共設置2 座車站，站間距約0.74 公里，含一組輕量化道岔（圖4）。

圖4 輕型懸掛式單軌羿鵬空鐵試驗線

項目于2021 年開工建設，2023 年8 月完成全部主體結構施工、機電設備安裝工作，并已順利完成車輛冷滑試驗。2023 年下半年全系統調通進入試運行階段。

空鐵試驗線項目一方面用于輕型懸掛式單軌的系統研發(fā)、調試、人員培訓、展示等功能，另一方面也可作為未來寶山區(qū)規(guī)劃中低運能市政線路的運行控制中心、入庫線和車輛維保基地使用。

五、低運能系統發(fā)展的合理化建議

目前國內已有20 多個城市開展中低運能線網規(guī)劃，規(guī)劃里程超過3000 公里。尤其在《“十四五”城市軌道交通規(guī)劃建設實施方案》（發(fā)改基礎〔2021〕1302 號）發(fā)布以后，各地明顯加快線網規(guī)劃編制和審批。以上海市場為例，根據各區(qū)已出臺的軌交中低運能系統發(fā)展規(guī)劃，整個線路規(guī)劃長度約為1000 公里，目前已完成建設的長度約為100 公里，尚有900 公里的軌交中低運能線路待建。由此可見，低運能系統在未來擁有較大的發(fā)展前景，但同時應該充分認識到低運能系統發(fā)展過程中還面臨一些問題。

一是加強低運能系統技術標準制定與優(yōu)化。建議針對低運能系統繼續(xù)制定與優(yōu)化相關技術標準，在建設方面盡可能采用適合低運能系統的極簡化、集約化理念，突破傳統軌交設計標準，如站點、車輛段等，實現更好的土地節(jié)約、與城市建設更加匹配的特點和優(yōu)勢；在運營方面通過優(yōu)化運營組織，在方案設計角度有效降低運營維保設備一次性投入與運營成本。

二是統籌交通整體規(guī)劃，做好線網功能銜接。與大中運能系統動輒5-8 年的建設周期不同，低運能系統最大的特點之一就是建設周期短，一般2-3 年即可投入運營，這一特點決定了低運能系統很難在建設階段培育足夠的客流。因此在規(guī)劃、設計階段，做好低運能系統與不同制式線網的銜接，統籌規(guī)劃地鐵、低運能系統、公交的一體化建設，提升乘客的換乘便捷性，發(fā)揮低運能系統服務中短距離通勤的優(yōu)勢，對于提升客流具有顯著效果。

三是加強適用于低運能系統的投融資模式研究與應用。大運能系統工程造價高、周期長，資金需求量巨大，投資主體多元化的軌道交通投融資市場運作模式應運而生。低運能系統建設成本、運營成本較低，在實施過程中大大減輕了政府的財政負擔，建議通過政策指導，不增加政府隱性債務的前提下，加強適用于低運能系統的投融資模式研究，鼓勵民營資本進入，并輔以包括專項債券、企業(yè)債券、ABS、REITs 等多元化的融資方式，推動低運能項目的可持續(xù)發(fā)展。

可以預見，軌道交通中低運能是特大城市、超大城市未來的建設重點，也是二線、三線城市主干軌道交通線路鼓勵的發(fā)展方向，社會對軌道交通提出更加多元化的功能需求，軌道交通中低運能制式必將呈現百花齊放的多元化形態(tài)。