基于技術原理的城市軌道交通分類方法研究*

魏慶朝 潘姿華 劉含笑 李 鳴 魏 然

(1. 北京交通大學土木建筑工程學院，100044,北京；2. 中科合成油工程股份有限公司，101407,北京//第一作者,教授)

鐵路與城市軌道交通作為道路與鐵道工程學科中兩個重要的研究方向已受到越來越多的關注。根據線路的運輸性質、列車的運營速度、車輛的牽引傳動方式等指標,鐵路系統建立了明確分類體系，對鐵路行業的建設和經營具有促進作用[1]。相較而言，城市軌道交通發展起步較晚，隨著運營環境變化以及在機車車輛、牽引供電、通信信號、基礎設施等系統技術上的不斷創新，其制式的多樣化趨勢越來越明顯，并由此帶來了制式分類標準不統一、城市軌道交通系統分類范圍不明確等問題[2]。這些問題制約著城市軌道交通與城市間的協調發展，因此有必要對城市軌道交通分類方法開展深入研究。

1 國內外城市軌道交通系統分類概況

1.1 國外

美國、日本、德國、英國、法國、俄羅斯等是城市軌道交通發展較早、制式較多的國家。不同國家和地區因城市規劃和客流需求各異，其軌道交通制式的形成發展和分類標準呈現出不同特點。

美國城市都市圈的軌道交通系統十分發達，按照服務范圍和運量，可分為通勤鐵路、輕軌鐵路和重軌鐵路3類，此外還有少量的軌道纜車和軌道導向車[3]。其中,通勤鐵路連接市中心與市郊，線路長度在幾公里至數十公里不等；輕軌鐵路則與我國“有軌電車”相似，主要指運行在市區街道上的電氣化軌道車輛，可為一節或多節車廂，與路面其它交通方式共用路權；重軌鐵路是指在城市內運行的、由一節或多節車輛組成的使用信號系統和高站臺的大能力電氣化快速鐵路，美國的地鐵系統就是其中的代表之一。

日本的城市軌道交通系統依據運量分為大量運輸能力和中量運輸能力兩類；根據運營速度、牽引方式等因素將其分為8種類型[4]，其中“大量運輸能力”包括日本國有鐵路和地下鐵道。此外，日本針對城市軌道交通系統的分類方法中對“輕軌”的定義與其他國家稍有不同。日本將在城市郊區及市區內運行，采用混合路面、隔離式軌道或專用軌道的系統稱為“街道電車”，而只有采用現代新技術的車輛所形成的系統，才稱之為“輕軌交通”[5]。在城市軌道交通發展初期，日本曾將輕軌交通分為有軌電車、市郊有軌電車、地下鐵道、鐵路電車和新交通系統等5種形式。此分類方法混淆了輕軌交通與其他幾類系統制式的界限，很難有效區分各交通方式。

德國針對城市軌道交通系統的分類僅限于輕軌交通，該分類方法將有軌電車改造的不同階段分為4個等級，并將線路的專用程度、系統的運輸能力作為分界條件，而對于系統整體尚未提出嚴格的分類標準。

倫敦、巴黎、莫斯科等城市也都建有較為發達的城市軌道交通系統，并根據服務地區、運行速度、線路形式等加以分類。表1為國外部分國家城市軌道交通的分類情況。

表1 國外部分國家城市軌道交通系統的分類

1.2 國內

我國城市軌道交通制式分類主要參照以下兩類標準，分別是CJJ/T 114—2007《城市公共交通分類標準》和JB 104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》。

CJJ/T 114—2007《城市公共交通分類標準》根據車輛類型、線路條件、客運能力和平均運行速度等因素將城市軌道交通系統分為地鐵系統、輕軌系統、單軌系統、有軌電車系統、磁浮系統、自動導向軌道系統和市域快速軌道系統[6],除此之外還包括直線電機輪軌系統等新型城市軌道交通制式。根據不同適用條件可以將其進行細化，如表2所示。

表2 我國城市公共交通系統分類表

JB 104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》按照運量等級對城市軌道交通系統進行了分類，具體分為高運量、大運量和中運量，并依據運量進一步對線路型式、列車類型和列車最高速度等進行劃分[7]，如表3所示。

表3 城市軌道交通系統分類

此外，我國許多學者對城市軌道交通分類問題也開展了相關研究。文獻[8]提出應從容量、經濟、目的、環境等方面統籌考慮城市軌道交通制式的選擇；文獻[9]重新界定了牽引方式、導向方式、線路專用程度、系統運輸能力、車輛編組方式等內容，并將城市軌道交通系統分為城市市郊快速鐵道、地下鐵道、輕軌、單軌、有軌電車,以及由直線電機牽引的城市軌道交通系統和新型城市軌道交通系統。文獻[10]提出按照運量和速度兩個維度對城市軌道交通系統進行劃分，并細化了分類層次。

2 我國城市軌道交通現有分類標準存在的問題

目前，我國城市軌道交通分類標準仍存在較為顯著的問題，主要體現在以下兩方面。

2.1 制式分類標準不統一

在CJJ/T 114—2007《城市公共交通分類標準》中，地鐵與輕軌按照運量進行劃分；單軌、有軌電車、磁浮、自動導軌系統等按照驅動方式或導向方式進行劃分；市域快速軌道交通系統則按照服務地域范圍進行劃分。這種分類方式將運量、驅動方式、導向和地域分別作為一項決定性指標，很難系統全面地將包含新型軌道交通制式在內的城市軌道交通進行整體區分。而JB 104—2008《城市軌道交通工程項目建設標準》中分類方法的粒度偏大，實際工程中某些線路主要技術目標可能會超過該標準范圍，這就使得一些線路難以按照表3所提供的依據進行歸類，并很難把握其分類標準[11]。

目前,針對新型城市軌道交通，如直線電機輪軌交通、單軌交通、自動導向軌道系統等，以運量和速度等級來進行劃分的方式已不能滿足制式劃分需要，其技術標準更新速度嚴重滯后于技術的發展，難以對其制式種類做出精確的評定。

2.2 分類范圍不明確

相比于管道、航空、水運、公路等其它領域的交通方式，城市軌道交通在牽引類型、驅動力來源、支承和導向載體等方面更加豐富，實際應用中不同制式在原理組合上也更加多變，這也為城市軌道交通的制式分類帶來難度。

一方面，既有分類標準指標獨立性較差和分類范圍不明確的現狀使得一些線路的重復統計率較高。如珠江新城APM線，既是膠輪路軌系統，又是旅客自動輸送系統；重慶軌道交通2號線，既是輕軌系統，又是單軌系統和膠輪路軌系統。此外還有一些線路的分類與稱謂未嚴格遵照規范和標準的要求，如武漢輕軌1號線按照制式分類標準屬于地鐵?？梢姡矛F有標準很難將這些線路準確地定位或包含在既有體系中，這就會導致一條線路可能會屬于多個系統的情況，為綜合規劃各項統計工作帶來不便。

另一方面，隨著客運量不斷增大以及服務范圍的不斷拓展，城市軌道交通制式的設計參數正在逐漸突破既有標準范圍，如輕軌線路運量已與地鐵客運量相接近，地鐵則逐漸向小編組、小間隔和輕車體方向發展。

綜上所述，制訂一套能夠清晰表達系統制式、明確易懂的城市軌道交通制式分類方法將有利于設計人員統籌規劃城市軌道交通網絡，以及協調城市內多種制式軌道交通的建設，因此極有必要從技術原理角度對城市軌道交通的分類方法進行深入研究。

3 基于技術原理的城市軌道交通分類方法

本文以城市軌道交通系統的技術原理為依據，提出城市軌道交通系統的新型分類方法。該方法的原則、思路及具體內容詳述如下。

3.1 分類原則

為保證分類的科學性和合理性，本文提出的分類方法應遵循以下幾個原則：

(1) 包容性原則?？紤]城市軌道交通制式多樣化趨勢，新的分類方法應具有包容性和前瞻性，既要滿足不同環境下對技術參數的選擇，又要與未來的規劃和建設需求相適應，為以后的建設和發展留有余地。

(2) 指標獨立性原則。為保證制式分類不重不漏，須選取獨立指標，并制定準確的分類界限。分類指標應各有側重，分類方法可以系統而全面地應用于制式分類中，為建設標準和技術參數提供明確的依據。

(3) 慣性原則。城市軌道交通已發展多年，專業領域研究者及普通公眾對如“地鐵”、“輕軌”等稱謂較為熟悉，新的分類方法應充分考慮既有分類標準和習慣用法的慣性現象，因此新的分類標準和稱謂應注意與現有技術體系和既有標準間的銜接性和過渡性。

3.2 分類思路

基于系統角度和城市軌道交通制式類型等決定性因素，本文提出基于驅動方式、車輛支承方式、導向方式和軌道類型等4項指標的城市軌道交通分類方法。該分類方法將既有的城市軌道交通制式進行劃分，如表4所示。

表4中的分類標準可包含現有全部城市軌道交通系統的類型，具有較強的歸納性和包容性。同時4類指標相互獨立，既確保了分類后各制式之間的獨立性，又增強了辨識度。

表4 城市軌道交通制式分類指標及內容

(1) 驅動方式。旋轉電機驅動是目前應用最多的驅動方式，其定子和轉子均安裝在車輛上，定子包圍著圓筒形的轉子，同時定子形成旋轉磁場，使轉子產生旋轉力矩。而直線電機驅動可認為是把旋轉電機展成平板狀，將初級線圈(或者電樞)和次級線圈(或感應板)分別安裝在車輛和軌道側，并依靠電磁作用而產生推動力。中低速磁浮線路采用短定子直線感應電機驅動，其原理如圖1所示。

圖1 中低速磁浮線路采用的短定子直線感應電機驅動原理圖

(2) 導向方式。導向方式影響著城市軌道交通系統的結構、運行和建設費用。鋼輪鋼軌導向具有車輛結構簡單、建設和運營成本較低和運行阻力較小等特點；膠輪導向系統具有爬坡能力強、噪聲較小等特點；電磁導向具有車軌無接觸、運行阻力小和運營速度高等特點。磁浮系統和單軌系統的導向方式如圖2所示。

(3) 支承方式。支承方式即車輛與行駛軌道的垂直接觸與運行方式。鋼輪支承和膠輪支承均是車輛和軌道有實際接觸，而磁浮支承和氣浮支承則是依靠磁力和氣體實現無接觸支承。

(4) 軌道類型。軌道類型主要由軌道數目決定。地鐵、輕軌等一般依靠兩根鋼軌運行，稱為雙軌，采用工字型軌；跨坐式和懸掛式單軌采用單根軌道運行，稱為單軌，跨坐式單軌軌道如圖2 c)所示。而槽型軌則特指有軌電車中具有凹槽的鋼軌形式,槽型軌示意如圖3所示。

a) 電磁懸浮導向

c) 跨坐式單軌膠輪導向

圖3 有軌電車槽型軌示意圖

此外，采用“虛擬軌道跟隨控制”技術的智能軌道快運列車通過各類車載傳感器識別路面虛擬軌道線路以實現智能運行[12]。這類新型城市軌道交通在導向方式和軌道類型上與既有制式原理存在很大區別，在分類時應根據新技術的特點作特殊考慮。

3.3 分類方法

考慮以上城市軌道交通系統分類方法的原則和思路，基于技術原理的分類方法包含以下幾個步驟。

3.3.1 簡化分類指標命名方式

將驅動方式中“直線電機驅動、旋轉電機驅動、卷揚機驅動、齒軌驅動”分別簡化稱為“直驅、旋驅、卷驅、齒驅”；將支承方式中“鋼輪支承、膠輪支承、磁浮支承、氣浮支承”簡化為“鋼支、膠支、磁浮、氣浮”；將導向方式中“鋼輪導向、膠輪導向、電磁導向、鋼纜導向、自動導向、氣浮導向”分別簡化稱為“鋼導、膠導、磁導、纜導、自導、氣導”;將軌道類型中“單軌、雙軌(工字型鋼軌)、槽型軌”簡稱為“單軌、雙軌、槽軌”。針對新型城市軌道交通系統,如“智軌列車”的“虛擬軌道路線”,可簡稱為“虛軌”。

3.3.2 組合簡化后命名方式

在簡化上述分類指標后，按“驅動方式+支承方式+導向方式+軌道類型”的方式進行排列組合，形成新名稱。這些新名稱與城市軌道交通主要制式間的對應關系如下：①旋鋼雙軌——地鐵、有軌電車；②旋膠雙軌——自動導向軌道系統；③旋膠單軌——單軌系統；④直鋼雙軌——直線電機輪軌系統；⑤直膠單軌——直線電機單軌系統；⑥直磁單軌——磁浮系統；⑦直氣單軌——直線電機氣浮軌道交通；⑧卷氣單軌——纜索牽引氣墊交通系統；⑨齒鋼三軌——齒軌系統；⑩旋膠虛軌——“智軌列車”系統。

未來，根據驅動方式、支承方式、導向方式和軌道類型的不同可形成多種組合方法，為新型城市軌道交通制式留有較大的預留空間。

3.3.3 命名方法及建議

因上述分類方法與現有制式命名方法在思路、分類指標等方面有較大改變，為更好地銜接與適應，初始階段給出以下幾點建議：

(1) 對于線路較多且廣泛使用的地鐵線路仍保持原名稱不變，建議將其余類型的城市軌道交通線路的名稱命名為“×軌”。

(2) 多于2個字的名稱，可盡量簡化成2～3個字：①建議將“磁浮軌道交通系統”簡稱為“磁軌”；②因有軌電車的命名只含“車”字，與其他命名中包含“鐵”、“軌”等字的稱呼相差較大，為保持統一性，建議簡稱為槽軌或有軌；③建議將“直線電機輪軌交通”簡稱為“直軌”；④建議將“氣浮軌道交通”簡稱為“氣軌”；⑤建議將“自動導向軌道交通”簡稱為“自導軌”。綜合上述兩點建議，分析現有城市軌道交通制式的主要特點，總結其簡化后的命名,如表5所示。

(3) 建議后續的規劃統計工作中，可在保留既有“地鐵××號線”的稱呼方式的基礎上，增加一個技術分類名稱。如“北京S1線”可再增加“磁軌”的技術名稱。對其它新型城市軌道交通系統的簡化命名則可采用抽取該系統制式特點核心詞并增加后綴的方法，如直線電機輪軌交通可稱為為直軌，其中含直驅地鐵和直驅單軌；直線電機氣浮軌道交通可稱為直驅氣軌。對于城際鐵路、市郊鐵路均可按照該方法進行分類;若所討論的系統為快速系統，可在上述命名之前再加“快速”等字樣。

表5 基于技術原理的城市軌道交通簡化命名表

(4) 本文所提出的10種簡化命名代表的是目前應用最廣泛的驅動、支承、導向方式和軌道類型，亦是公眾了解最多的制式名稱。建議以此為主體，在后續分類命名中，將新型城市軌道交通中與上述基礎制式分類不同的驅動方式、支承方式、導向方式和軌道類型作為定語，以“定語+主體”的方式對城市軌道交通制式進行分類。例如,針對直線電機驅動的地鐵,可將其命名為“直驅地鐵”，這樣即可以清晰地分辨出地鐵與直驅地鐵的不同。

4 結語

本文基于城市軌道交通系統的技術原理，建立了以驅動方式、支承方式、導向方式和軌道類型為指標的分類體系。該體系可涵蓋城市軌道交通各種制式，具有綜合程度高、分類規則明確等特點，同時兼顧內容表述精煉和制式特點突出的優勢，可以長期指導城市軌道交通制式的選擇方向，也便于專業工作人員及普通公眾迅速區分各種城市軌道交通制式。

從城市軌道交通總體規劃的長遠發展角度來看，新的分類方法將有利于統籌各類城市軌道交通制式，有利于城市軌道交通多制式的綜合協調發展，同時在推動科學、先進、合理、綜合的城市軌道交通線網規劃和提高統計的準確性方面具有促進作用，更適應于未來城市軌道交通多制式發展趨勢。