新型城市軌道交通系統及其性能特征

任利惠 同濟大學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力、在鋼軌上或沿導向軌運行的城市公共交通方式。根據基本技術特征，城市軌道交通可以分為傳統軌道交通和新型軌道交通兩大類。傳統軌道交通的基本特征是鋼輪車輛在鋼軌上利用傳統輪對的自導向性導向并采用旋轉電機牽引，它們以地鐵和輕軌為代表；而新型軌道交通體現出與之不同的特征，目前國內主要有以下三大類：

(1)膠輪車輛沿導向軌自動控制導向運行的系統，有單軌系統、膠輪路軌系統兩種；

(2)采用獨立輪對（車輪）或采用橡膠輪和導向機構自動控制導向運行的多模塊組合的現代化低地板有軌電車系統；

(3)采用直線電機牽引、利用磁力懸浮和導向的中低速磁浮系統。

1 單軌系統

單軌系統是指單一軌梁支撐車輛并提供導引作用而運行的軌道交通系統。

1.1 單軌系統的技術特征

單軌系統一般具有如下技術特征：

(1)列車轉彎半徑小，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，最大縱坡可達60‰。

(2)列車運行噪聲低、振動小。

(3)線路軌道梁體輕盈，曲線優美，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，與地鐵系統相比工程量小，建設成本低。

(5)最高運行速度可達80 km/h，平均旅行速度為20～35 km/h。

另外該系統存在輪胎摩擦及能源消耗較大，運營中有粉塵、逃生和救援復雜、難以成網、無法與傳統軌道交通系統銜接等問題。

1.2 單軌系統的型式

依據支撐方式的不同，單軌系統可分為跨座式和懸掛式單軌系統。

(1)跨坐式單軌交通車輛以高強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，整個車輛跨坐在軌道梁上方運行，其車輛主要設備的布置如圖1所示。

圖1 跨坐式單軌車輛主要設備的布置

(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，整個車輛吊掛在軌道下方運行，其車輛主要設備的布置如圖2所示。

圖2 懸掛式單軌車輛主要設備的布置

由于跨坐式單軌車輛有穩定輪的作用，在強風情況下，跨坐式單軌系統比懸掛式單軌系統更加穩定與安全，因此跨坐式單軌系統比懸掛式單軌系統得到了更為廣泛的運用。

1.3 單軌系統的關鍵技術

跨座式單軌交通系統具有的爬坡能力強、轉彎半徑小、運行噪聲低等特點，主要依靠三大關鍵技術來實現的：軌道梁系統、道岔系統、車輛轉向架系統。

(1)軌道梁系統

生產軌道梁可任意調節曲線活動模板，生產的軌道梁誤差以及現場安裝、調校工藝要求高。

(2)道岔系統

單軌系統的道岔為多段鋼箱梁結構，道岔梁上帶有供電、信號等系統，制造精度、機電控制要求和安全可靠性要求極高，生產安裝難度極大。

(3)車輛轉向架系統

轉向架系統設有走行輪和導向輪，走行輪承擔車體重量，擔負牽引、制動等功能，導向利用導向輪胎的徑向力引導車輛沿著軌道行駛。

1.4 單軌系統在國內外運用概況

目前國際上單軌系統技術基本上由龐巴迪公司、日立公、斯科米司所主導，在國外有較廣泛的應用。

運用在日本的有：奈良線、東京羽田機場線、大阪萬國博覽會線、北九州線、多摩線、沖繩那霸線；

運用在美國的有：加州的迪士尼樂園觀光線、佛羅里達州的華特迪士尼世界度假區線、杰克遜威爾市、坦帕機場線、拉斯維加斯市、西雅圖市、新澤西州Newark機場線；

單軌系統還運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、泰國曼谷市、巴西巴拉市等。

國內已運用單軌系統的只有重慶軌道交通2號線，另外在建的有重慶軌道交通2號線延伸線、3號線一期工程及沈陽地鐵一號線東延線 （旅游專線部分）。

1.5 單軌系統的應用定位

(1)運輸能力

單軌系統的運輸能力主要受限于信號系統的配置、單軌特殊道岔梁的轉轍時間等因素，因此最大設計能力不大于24對/h，即最大運輸能力3.1萬人次/h 。另外，為盡量減小系統高架對景觀的影響，列車長度宜控制在100 m以內，該系統最大運輸能力不宜超過2.3萬人次/h。因此，系統適用于中小運量的城市軌道交通。

(2)適用線路

適用于高架線為主體的線路，對城市地貌起伏較大、環境條件復雜等選線條件受限制的線路尤為適合，也適用于對環境等有特殊要求的機場線、旅游線等。

2 膠輪路軌系統

膠輪路軌系統軌道通常采用混凝土整體道床，在軌道的中央或兩側安裝導向軌，車輛通常采用橡膠輪胎，系統典型的技術特征是膠輪+導軌、全自動無人駕駛運行技術等。

2.1 膠輪路軌系統的技術特征

膠輪路軌系統一般具有如下技術特征：

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

(2)列車運行噪聲低、振動小。

(3)膠輪路軌系統一般可地面或高架敷設，可以專用路權，也可與一般道路混行并具備優先通行權，與地鐵相比工程量小，建設成本低。

(4)最高運行速度可達80 km/h，平均旅行速度為20～35 km/h。

另外系統存在摩擦及能源消耗較大，運營中有粉塵，無法與傳統軌道交通系統銜接等問題。

2.2 膠輪路軌系統的型式

按照導向輪的安裝位置，采用橡膠輪胎走行的膠輪路軌系統可分為外側導向式、內側導向式兩大類。

(1)外側導向式膠輪路軌系統

在軌道的兩側安裝導向軌，導向輪沿著兩側導向軌導向的膠輪路軌系統。其導向示意如圖3所示，主要設備布置如圖4所示。

圖3 膠輪路軌系統外側導向示意

圖4 膠輪路軌系統的主要設備布置

(2)內側導向式膠輪路軌系統

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

圖5 膠輪路軌系統內側導向示意

2.3 膠輪路軌系統的關鍵技術

膠輪路軌系統具有爬坡能力強、轉彎半徑小、運行噪聲低等特點，主要依靠車輛走行部系統來實現的。走行部設有走行輪和導向輪，走行輪承擔車體重量，擔負牽引、制動等功能，導向利用導向輪胎的徑向力引導車輛沿著軌道行駛。

2.4 膠輪路軌系統在國內外運用概況

目前國際上膠輪路軌系統技術基本上由龐巴迪公司、三菱重工等為數不多的公司所主導，在國外及臺港地區有較廣泛的使用，如運用在巴黎地鐵、里昂地鐵、馬賽地鐵、蒙特利爾地鐵、都靈地鐵、臺灣捷運快線、香港機場輕軌、新加坡輕軌等。

國內采用膠輪路軌系統的有首都機場捷運系統和廣州珠江新城捷運系統兩條線路。

2.5 膠輪路軌系統應用定位

(1)運輸能力

根據客流運能需要選擇列車編組，可滿足高峰小時運能0.5～3萬人次/h的要求。

(2)適用線路

適用于高架或地面線為主體的線路，對城市地貌起伏較大、環境條件復雜等選線條件受限制的線路尤為適合。

3 現代有軌電車

現代有軌電車在傳統的有軌電車基礎上在車輛設計、線路結構和控制等方面都引進了現代技術，尤其是全低地板有軌電車得到了廣泛運用。其根據車輪及運行的軌道型式可分為鋼輪鋼軌有軌電車系統和膠輪路軌有軌電車系統。

3.1 低地板有軌電車技術特點

鋼輪鋼軌低地板有軌電車具有如下特點:

(1)車輛入口與站臺齊平，乘客上下車方便。

(2)車輛轉彎半徑小，最小曲線半徑為25 m。

(3)可設置很低的站臺且適宜于運行在城區街道與其他車輛混運或綠化帶的路面上，充分展示了現代有軌電車與城市環境的和諧統一。

(4)投資低、見效快，建設速度快，可利用現有街道分期建設，適應了城市發展的迫切需要。

(5)最高運行速度可達70 km/h，平均旅行速度為20～25 km/h。

膠輪路軌有軌電車系統除具有上述特點外，還存在爬坡能力強（最大縱坡可達130‰）、車輛轉彎半徑更小（最小曲線半徑為10.5 m）、運行噪聲低、振動小等特點。

另外鋼輪鋼軌低地板有軌電車系統存在獨立車輪的導向困難、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存在摩擦及能源消耗較大、運營中有粉塵、無法與傳統軌道交通系統銜接等問題。

3.2 現代有軌電車系統的型式

現代低地板有軌電車的車內低地板面距軌面高度一般在300～400 mm間，按低地板面占整個車輛地板面的比例區分，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，是現代有軌電車系統的典型代表。

3.3 現代有軌電車系統的關鍵技術

采用獨立車輪（輪對），實現全低地板鋼輪鋼軌有軌電車的關鍵技術主要有：

(1)動車轉向架獨立車輪的驅動控制，特別是同步控制技術，即使同一車軸上的左、右車輪轉速相同，這時獨立輪對就相當于剛體輪對，具有剛性輪對一樣的導向能力。

(2)由于獨立車輪沒有縱向蠕滑力矩，所以要采取相應的措施來提高獨立車輪的導向能力，主要有對設計特殊的車輪踏面、采用槽形軌、左、右車輪轉動耦合、采用徑向轉向架、主動導向等幾種措施。

膠輪路軌低地板有軌電車系統的關鍵技術主要是走行部系統：膠輪路軌有軌電車系統具有的爬坡能力強、轉彎半徑小、運行噪聲低等特點，主要是依靠車輛走行部系統來實現的，走行部設有橡膠走行輪和導向機構。

3.4 現代有軌電車系統在國內外運用概況

目前國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，廣泛地運用在歐洲的一些城市。而膠輪路軌低地板有軌電車系統主要是法國勞爾公司的Translohr系列。

低地板有軌電車在我國還處在初期發展階段：

(1)大連市輕軌及長春市快軌交通運用了低地板有軌電車，其中間車輛為獨立輪對，兩端動車轉向架采用傳統輪對，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年底通過科技部驗收，正在長春輕軌線路上進行試驗。

(3)引進法國勞爾公司運用在天津濱海和上海張江的100%低地板有軌電車是膠輪路軌低地板有軌電車系統，其具備膠輪+導向的膠輪路軌系統的技術特征。

3.5 系統應用定位

(1)對于大城市：承擔地鐵等骨干公共交通網絡的補充、延伸、聯絡、過渡等輔助功能；

(2)對于中小城市：規劃構建以有軌電車為主骨架的公共交通網絡；

(3)在旅游城市、歷史文化名城：利用有軌電車環保特性，保護景區和古跡環境。

4 中低速磁浮系統

磁浮列車基于電磁鐵同性相斥、異性相吸的原理，實現列車的浮起、推進和導向。它與輪軌鐵路的根本區別在于列車懸浮在軌道之上，運行時沒有輪軌接觸，不存在黏著極限速度。磁浮列車分為常導型和超導型兩大類，常導磁浮又分高速和中低速磁浮。

4.1 中低速磁浮系統的技術特征

中低速磁浮系統一般具有如下技術特征：

(1)列車爬坡能力強，最大縱坡可達70‰，轉彎半徑小，可小至75 m。

(2)列車運行時無輪軌摩擦，噪聲低，振動小，運行平穩、舒適。

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

(4)列車騎跨在軌道上運行，無脫軌危險；采用電制動、機械制動、緊急情況下“落車”輔助制動三重制動方式確保安全。

(5)軌道的維護費用低，列車載荷平均分布，車身較輕，相應減少了橋梁等土建費用。

另外系統存在效率低、能耗高，運營成本相對較高、逃生和救援復雜、難以成網、無法與傳統軌道交通系統銜接等問題。

4.2 中低速磁浮系統的原理

中低速磁懸浮列車采用無接觸的電磁懸浮、導向和驅動系統，依靠電磁吸力將列車懸浮并進行導向，列車與地面軌道間無接觸，并且利用線性電機驅動列車運行，其懸浮導向原理如圖6所示。

圖6 懸浮導向原理

(1)中低速磁浮系統的核心技術是懸浮導向控制技術。

(2)中低速磁浮系統的關鍵技術有車輛輕量化技術、轉向架技術、車輛總裝集成技術、軌道軋制、軌排加工和鋪設安裝技術、道岔制造和安裝技術等。

4.4 中低速磁浮系統在國內外運用概況

中低速磁浮系統技術國外只有日本掌握，并建有1.5 km試驗線和9.2 km的運營線——名古屋東部丘陵線。

中低速磁浮系統在國內還處于研發與試驗階段，相繼建成或在建了長沙試驗線、唐山試驗線、上海試驗線和北京S1示范線，其中北京S1示范線將是國內首條應用中低速磁懸浮技術的示范線，北控磁浮公司生產的低速磁浮車輛將在該線上運用。

總體上，中低速磁懸浮技術在國內還未實現技術成熟性和應用可靠性，其運用與推廣存在著不確定性。

4.5 中低速磁浮系統應用定位

(1)運輸能力

該系統最大運輸能力不宜超過3.0萬人次/h，系統適用于中小運量的城市軌道交通。

(2)適用線路

適用于高架線為主體的線路，對城市地貌起伏較大、環境條件復雜等選線條件受限制的線路尤為適合。

(3)隨著技術發展成熟，中低速磁浮系統將來有可能作為高架輕軌線路的技術升級和替代。

5 新型軌道交通系統制式性能特征比較

單軌系統、膠輪路軌系統、現代有軌電車系統和低速磁懸浮系統制式的性能特征如附表所示。

附表 四種系統制式性能特征

6 結 語

由上述分析可知，單軌系統、膠輪路軌系統、現代有軌電車系統和低速磁懸浮系統四種新型軌道交通系統制式在技術特征、作用原理、關鍵技術及應用定位等方面均存在較大差異。在針對具體某城市某條線路的制式研究時，應根據線路的功能定位、所需運能、線路特征、環保景觀等要求，結合系統的工程成本、資源共享度、技術成熟度等因素進行系統制式的選取。