新型城市轨道交通系统及其性能特征

任利惠 同济大学铁道与城市轨道交通研究院 (200331)

0 引 言

城市轨道交通是指列车或车辆以电力为动力、在钢轨上或沿导向轨运行的城市公共交通方式。根据基本技术特征，城市轨道交通可以分为传统轨道交通和新型轨道交通两大类。传统轨道交通的基本特征是钢轮车辆在钢轨上利用传统轮对的自导向性导向并采用旋转电机牵引，它们以地铁和轻轨为代表；而新型轨道交通体现出与之不同的特征，目前国内主要有以下三大类：

(1)胶轮车辆沿导向轨自动控制导向运行的系统，有单轨系统、胶轮路轨系统两种；

(2)采用独立轮对（车轮）或采用橡胶轮和导向机构自动控制导向运行的多模块组合的现代化低地板有轨电车系统；

(3)采用直线电机牵引、利用磁力悬浮和导向的中低速磁浮系统。

1 单轨系统

单轨系统是指单一轨梁支撑车辆并提供导引作用而运行的轨道交通系统。

1.1 单轨系统的技术特征

单轨系统一般具有如下技术特征：

(1)列车转弯半径小，最小曲线半径为100 m(困难情况下60 m)；列车采用橡胶轮胎，爬坡能力强，最大纵坡可达60‰。

(2)列车运行噪声低、振动小。

(3)线路轨道梁体轻盈，曲线优美，景观性好，透光性好。

(4)车辆的轻重量和轨道梁的狭窄，减少了土建建造材料，与地铁系统相比工程量小，建设成本低。

(5)最高运行速度可达80 km/h，平均旅行速度为20～35 km/h。

另外该系统存在轮胎摩擦及能源消耗较大，运营中有粉尘、逃生和救援复杂、难以成网、无法与传统轨道交通系统衔接等问题。

1.2 单轨系统的型式

依据支撑方式的不同，单轨系统可分为跨座式和悬挂式单轨系统。

(1)跨坐式单轨交通车辆以高强度混凝土或者钢制箱形梁作为轨道（轨道梁），车体安装在轮胎走行部之上，整个车辆跨坐在轨道梁上方运行，其车辆主要设备的布置如图1所示。

图1 跨坐式单轨车辆主要设备的布置

(2)悬挂式单轨车辆使用下部开口的钢制轨道梁，车体悬挂在安装有橡胶轮胎的走行部下方，整个车辆吊挂在轨道下方运行，其车辆主要设备的布置如图2所示。

图2 悬挂式单轨车辆主要设备的布置

由于跨坐式单轨车辆有稳定轮的作用，在强风情况下，跨坐式单轨系统比悬挂式单轨系统更加稳定与安全，因此跨坐式单轨系统比悬挂式单轨系统得到了更为广泛的运用。

1.3 单轨系统的关键技术

跨座式单轨交通系统具有的爬坡能力强、转弯半径小、运行噪声低等特点，主要依靠三大关键技术来实现的：轨道梁系统、道岔系统、车辆转向架系统。

(1)轨道梁系统

生产轨道梁可任意调节曲线活动模板，生产的轨道梁误差以及现场安装、调校工艺要求高。

(2)道岔系统

单轨系统的道岔为多段钢箱梁结构，道岔梁上带有供电、信号等系统，制造精度、机电控制要求和安全可靠性要求极高，生产安装难度极大。

(3)车辆转向架系统

转向架系统设有走行轮和导向轮，走行轮承担车体重量，担负牵引、制动等功能，导向利用导向轮胎的径向力引导车辆沿着轨道行驶。

1.4 单轨系统在国内外运用概况

目前国际上单轨系统技术基本上由庞巴迪公司、日立公、斯科米司所主导，在国外有较广泛的应用。

运用在日本的有：奈良线、东京羽田机场线、大阪万国博览会线、北九州线、多摩线、冲绳那霸线；

运用在美国的有：加州的迪士尼乐园观光线、佛罗里达州的华特迪士尼世界度假区线、杰克逊威尔市、坦帕机场线、拉斯维加斯市、西雅图市、新泽西州Newark机场线；

单轨系统还运用在马来西亚的吉隆坡市、澳大利亚的悉尼市、新加坡圣淘沙岛的观光旅游线、泰国曼谷市、巴西巴拉市等。

国内已运用单轨系统的只有重庆轨道交通2号线，另外在建的有重庆轨道交通2号线延伸线、3号线一期工程及沈阳地铁一号线东延线 （旅游专线部分）。

1.5 单轨系统的应用定位

(1)运输能力

单轨系统的运输能力主要受限于信号系统的配置、单轨特殊道岔梁的转辙时间等因素，因此最大设计能力不大于24对/h，即最大运输能力3.1万人次/h 。另外，为尽量减小系统高架对景观的影响，列车长度宜控制在100 m以内，该系统最大运输能力不宜超过2.3万人次/h。因此，系统适用于中小运量的城市轨道交通。

(2)适用线路

适用于高架线为主体的线路，对城市地貌起伏较大、环境条件复杂等选线条件受限制的线路尤为适合，也适用于对环境等有特殊要求的机场线、旅游线等。

2 胶轮路轨系统

胶轮路轨系统轨道通常采用混凝土整体道床，在轨道的中央或两侧安装导向轨，车辆通常采用橡胶轮胎，系统典型的技术特征是胶轮+导轨、全自动无人驾驶运行技术等。

2.1 胶轮路轨系统的技术特征

胶轮路轨系统一般具有如下技术特征：

(1)列车转弯半径小，最小曲线半径为25 m；列车采用橡胶轮胎，爬坡能力强，最大纵坡可达60‰。

(2)列车运行噪声低、振动小。

(3)胶轮路轨系统一般可地面或高架敷设，可以专用路权，也可与一般道路混行并具备优先通行权，与地铁相比工程量小，建设成本低。

(4)最高运行速度可达80 km/h，平均旅行速度为20～35 km/h。

另外系统存在摩擦及能源消耗较大，运营中有粉尘，无法与传统轨道交通系统衔接等问题。

2.2 胶轮路轨系统的型式

按照导向轮的安装位置，采用橡胶轮胎走行的胶轮路轨系统可分为外侧导向式、内侧导向式两大类。

(1)外侧导向式胶轮路轨系统

在轨道的两侧安装导向轨，导向轮沿着两侧导向轨导向的胶轮路轨系统。其导向示意如图3所示，主要设备布置如图4所示。

图3 胶轮路轨系统外侧导向示意

图4 胶轮路轨系统的主要设备布置

(2)内侧导向式胶轮路轨系统

在轨道的中央安装导向轨，导向轮沿着中央导向轨导向的胶轮路轨系统。其导向示意如图5所示。

图5 胶轮路轨系统内侧导向示意

2.3 胶轮路轨系统的关键技术

胶轮路轨系统具有爬坡能力强、转弯半径小、运行噪声低等特点，主要依靠车辆走行部系统来实现的。走行部设有走行轮和导向轮，走行轮承担车体重量，担负牵引、制动等功能，导向利用导向轮胎的径向力引导车辆沿着轨道行驶。

2.4 胶轮路轨系统在国内外运用概况

目前国际上胶轮路轨系统技术基本上由庞巴迪公司、三菱重工等为数不多的公司所主导，在国外及台港地区有较广泛的使用，如运用在巴黎地铁、里昂地铁、马赛地铁、蒙特利尔地铁、都灵地铁、台湾捷运快线、香港机场轻轨、新加坡轻轨等。

国内采用胶轮路轨系统的有首都机场捷运系统和广州珠江新城捷运系统两条线路。

2.5 胶轮路轨系统应用定位

(1)运输能力

根据客流运能需要选择列车编组，可满足高峰小时运能0.5～3万人次/h的要求。

(2)适用线路

适用于高架或地面线为主体的线路，对城市地貌起伏较大、环境条件复杂等选线条件受限制的线路尤为适合。

3 现代有轨电车

现代有轨电车在传统的有轨电车基础上在车辆设计、线路结构和控制等方面都引进了现代技术，尤其是全低地板有轨电车得到了广泛运用。其根据车轮及运行的轨道型式可分为钢轮钢轨有轨电车系统和胶轮路轨有轨电车系统。

3.1 低地板有轨电车技术特点

钢轮钢轨低地板有轨电车具有如下特点:

(1)车辆入口与站台齐平，乘客上下车方便。

(2)车辆转弯半径小，最小曲线半径为25 m。

(3)可设置很低的站台且适宜于运行在城区街道与其他车辆混运或绿化带的路面上，充分展示了现代有轨电车与城市环境的和谐统一。

(4)投资低、见效快，建设速度快，可利用现有街道分期建设，适应了城市发展的迫切需要。

(5)最高运行速度可达70 km/h，平均旅行速度为20～25 km/h。

胶轮路轨有轨电车系统除具有上述特点外，还存在爬坡能力强（最大纵坡可达130‰）、车辆转弯半径更小（最小曲线半径为10.5 m）、运行噪声低、振动小等特点。

另外钢轮钢轨低地板有轨电车系统存在独立车轮的导向困难、轮轨磨损大、噪声高等问题；而胶轮路轨低地板有轨电车系统存在摩擦及能源消耗较大、运营中有粉尘、无法与传统轨道交通系统衔接等问题。

3.2 现代有轨电车系统的型式

现代低地板有轨电车的车内低地板面距轨面高度一般在300～400 mm间，按低地板面占整个车辆地板面的比例区分，有分段式低地板（15%～20%低地板）、中间贯通式低地板（70%低地板）、全低地板（100%低地板）三种型式，而100%低地板车辆是最受乘客欢迎的，是现代有轨电车系统的典型代表。

3.3 现代有轨电车系统的关键技术

采用独立车轮（轮对），实现全低地板钢轮钢轨有轨电车的关键技术主要有：

(1)动车转向架独立车轮的驱动控制，特别是同步控制技术，即使同一车轴上的左、右车轮转速相同，这时独立轮对就相当于刚体轮对，具有刚性轮对一样的导向能力。

(2)由于独立车轮没有纵向蠕滑力矩，所以要采取相应的措施来提高独立车轮的导向能力，主要有对设计特殊的车轮踏面、采用槽形轨、左、右车轮转动耦合、采用径向转向架、主动导向等几种措施。

胶轮路轨低地板有轨电车系统的关键技术主要是走行部系统：胶轮路轨有轨电车系统具有的爬坡能力强、转弯半径小、运行噪声低等特点，主要是依靠车辆走行部系统来实现的，走行部设有橡胶走行轮和导向机构。

3.4 现代有轨电车系统在国内外运用概况

目前国际上钢轮钢轨全低地板有轨电车基本由西门子、阿尔斯通、庞巴迪和AnsaldoBreda所垄断，并且形成了各自的品牌，如Combino（西门子）、Citadis（阿尔斯通）、Flexity Outlook（庞巴迪）、Sirio（AnsaldoBreda）等，广泛地运用在欧洲的一些城市。而胶轮路轨低地板有轨电车系统主要是法国劳尔公司的Translohr系列。

低地板有轨电车在我国还处在初期发展阶段：

(1)大连市轻轨及长春市快轨交通运用了低地板有轨电车，其中间车辆为独立轮对，两端动车转向架采用传统轮对，都属于第二代的70%低地板轻轨轻轨车辆。

(2)100%低地板车辆已于2010年底通过科技部验收，正在长春轻轨线路上进行试验。

(3)引进法国劳尔公司运用在天津滨海和上海张江的100%低地板有轨电车是胶轮路轨低地板有轨电车系统，其具备胶轮+导向的胶轮路轨系统的技术特征。

3.5 系统应用定位

(1)对于大城市：承担地铁等骨干公共交通网络的补充、延伸、联络、过渡等辅助功能；

(2)对于中小城市：规划构建以有轨电车为主骨架的公共交通网络；

(3)在旅游城市、历史文化名城：利用有轨电车环保特性，保护景区和古迹环境。

4 中低速磁浮系统

磁浮列车基于电磁铁同性相斥、异性相吸的原理，实现列车的浮起、推进和导向。它与轮轨铁路的根本区别在于列车悬浮在轨道之上，运行时没有轮轨接触，不存在黏着极限速度。磁浮列车分为常导型和超导型两大类，常导磁浮又分高速和中低速磁浮。

4.1 中低速磁浮系统的技术特征

中低速磁浮系统一般具有如下技术特征：

(1)列车爬坡能力强，最大纵坡可达70‰，转弯半径小，可小至75 m。

(2)列车运行时无轮轨摩擦，噪声低，振动小，运行平稳、舒适。

(3)最高运行速度可达100 km/h，平均旅行速度为30～45 km/h。

(4)列车骑跨在轨道上运行，无脱轨危险；采用电制动、机械制动、紧急情况下“落车”辅助制动三重制动方式确保安全。

(5)轨道的维护费用低，列车载荷平均分布，车身较轻，相应减少了桥梁等土建费用。

另外系统存在效率低、能耗高，运营成本相对较高、逃生和救援复杂、难以成网、无法与传统轨道交通系统衔接等问题。

4.2 中低速磁浮系统的原理

中低速磁悬浮列车采用无接触的电磁悬浮、导向和驱动系统，依靠电磁吸力将列车悬浮并进行导向，列车与地面轨道间无接触，并且利用线性电机驱动列车运行，其悬浮导向原理如图6所示。

图6 悬浮导向原理

(1)中低速磁浮系统的核心技术是悬浮导向控制技术。

(2)中低速磁浮系统的关键技术有车辆轻量化技术、转向架技术、车辆总装集成技术、轨道轧制、轨排加工和铺设安装技术、道岔制造和安装技术等。

4.4 中低速磁浮系统在国内外运用概况

中低速磁浮系统技术国外只有日本掌握，并建有1.5 km试验线和9.2 km的运营线——名古屋东部丘陵线。

中低速磁浮系统在国内还处于研发与试验阶段，相继建成或在建了长沙试验线、唐山试验线、上海试验线和北京S1示范线，其中北京S1示范线将是国内首条应用中低速磁悬浮技术的示范线，北控磁浮公司生产的低速磁浮车辆将在该线上运用。

总体上，中低速磁悬浮技术在国内还未实现技术成熟性和应用可靠性，其运用与推广存在着不确定性。

4.5 中低速磁浮系统应用定位

(1)运输能力

该系统最大运输能力不宜超过3.0万人次/h，系统适用于中小运量的城市轨道交通。

(2)适用线路

适用于高架线为主体的线路，对城市地貌起伏较大、环境条件复杂等选线条件受限制的线路尤为适合。

(3)随着技术发展成熟，中低速磁浮系统将来有可能作为高架轻轨线路的技术升级和替代。

5 新型轨道交通系统制式性能特征比较

单轨系统、胶轮路轨系统、现代有轨电车系统和低速磁悬浮系统制式的性能特征如附表所示。

附表 四种系统制式性能特征

6 结 语

由上述分析可知，单轨系统、胶轮路轨系统、现代有轨电车系统和低速磁悬浮系统四种新型轨道交通系统制式在技术特征、作用原理、关键技术及应用定位等方面均存在较大差异。在针对具体某城市某条线路的制式研究时，应根据线路的功能定位、所需运能、线路特征、环保景观等要求，结合系统的工程成本、资源共享度、技术成熟度等因素进行系统制式的选取。