网络化运营条件下城市轨道交通的类型及其车辆

马 立

（中国铁道科学研究院 工程咨询有限公司，北京100081）

目前世界各国城市轨道交通类型主要是大运量的常规地铁，此外，还有直线电机交通系统、单轨交通系统（分为跨坐式和悬挂式2种）、新交通系统（自导向轮胎式交通系统AGT）、现代化低地板有轨电车交通系统和低速常导磁浮交通系统等5种中运量轨道交通类型。

表1给出了截止2012-08，我国大中城市城市轨道交通的营业里程，已达1 779km。

表1 我国城市轨道交通线路营业里程［1］

目前上海、北京、广州等特大城市，大运量的常规地铁已经形成了网络化运营，并且还在不断地扩大中。在网络化运营条件下，为了充分发挥地铁的作用，还需要通过换乘系统，与其他类型的城市轨道交通连接起来，实现互联互通。无疑，地铁和其他类型城市轨道交通车辆型式及其车辆的选型是一个非常重要的课题，这关系到网络化运营效率的发挥。象日本东京的地铁只有312.6km，但是，总的城市轨道交通多达2 292km，形成了四通八达的网络化运营，到过东京的人都会感觉到，在东京乘坐城市轨道交通非常便利。同时，城市轨道交通车辆型式的选择还涉及到车辆的运用、维修、资源共享和城市轨道交通列车的互联互通。

1 地铁车辆

1.1 地铁车辆型式选择的原则

车辆是城市轨道交通运送乘客的载体，是城市轨道交通系统中的关键移动设备。地铁车辆选型牵涉到载客量大小、运营质量、服务水平、城市环境景观等诸多方面。合理选择车辆型式有利于提高系统功能和服务水平，资源共享，节能环保，降低工程建设投资和维修费用等。为此，车辆选型应遵循以下原则：

（1）客流量是车辆选型的依据

决定客流量的主要因素有车辆的型式（A型车或B型车）、列车的编组、运行的间隔、旅行速度等。表2给出不同类型车辆载客量、编组与客流量之间的关系。从表2中可以看到：地铁A型车主要适用于高峰小时单向客流量4.5～7万人次的高运量城市轨道交通系统，地铁B型车和直线电机交通主要适用于高峰小时单向客流量2.5～5万人次的运量城市轨道交通。

表2 地铁列车编组、定员与运能参考表

（2）应统筹兼顾现有运营的车辆型式

新线运营车辆的选型，必须兼顾到当前运营线路车辆的型式，以提高车辆的利用率，做到资源共享；同时，也可以减少车辆检修设备数量和投入，提高设备的利用率和运营效率。

（3）车辆选型应考虑与其他系统的接口

车辆选型还应考虑与其他系统的接口，包括供电系统、通信信号系统、屏蔽门系统等。只有相同的接口条件，才能实现多线共用同一种型式的车辆，为将来的互联互通打下基础。

1.2 A型车和B型车的比较分析

目前，我国大多数城市地铁车辆多选用B型车，如北京、天津、成都、武汉、沈阳、西安等；也有选用A型车的，如上海、广州、深圳、南京等城市，还有一些城市选用A型车和B型车的，如广州、深圳，建设中的北京14号线也已决定选用A型车。

（1）地铁A型车和B型车的主要技术规格

地铁A型车和B型车主要技术规格列于表3。

表3 A型车和B型车主要技术规格

（2）A型车和B型车的比较

当客流量确定下来，在选用A型车或B型车时，由于它们的主要尺寸不同，将影响到编组的MT（动拖）比和数量、土建规模（隧道大小、车站长度、限界等）以及投资等各个方面。

①当高峰小时断面客流量大于4.5万人次时宜选用A型车；高峰小时断面客流量小于4.5万人次时宜选用B型车。

②完成相同运量可以选择A型车或B型车，只是编组不同。4辆编组的A型车列车运量与5辆编组的B型车列车客流量相当，6辆A型车编组列车的运量与8辆B型车编组列车的客流量相当（见表4）。

表4 不同编组的客流量和列车长度

③ 车辆宽度和长度影响到土建工程的规模，也影响到设备限界和建筑限界，包括车辆段的土建规模，如停车库、检修库和洗车库的长度和宽度，股道数量和车库面积等。

④在完成相同客流量条件下，不同型式车辆的配置数量也不同，A型车4辆编组时的配置数量约比B型车减少30%；A型车6辆和8辆编组时的配置数量约比B型车减少20%。

⑤运用车辆数、检修中的车辆数和备用车辆构成车辆总的配置数量。其中，高峰小时开行列车的最多对数（运行间隔小）和列车旅行速度以及折返时间决定运用车辆数。

⑥车辆轴重的增加使得轮轨接触应力和轮轨间的动作用力相应增加。由于A型车最大轴重为16t，B型车最大轴重为14t，所以，A型车对钢轨的破坏大于B型车。

2 中运量城市轨道交通型式

当前，国内外实际运营的中运量轨道交通型式，主要有

（1）直线电机作为车辆牵引动力的地铁（简称直线电机交通系统）；

（2）跨坐式和悬挂式单轨交通系统；

（3）新交通系统（自导向轮胎式交通系统AGT）；（4）现代化低地板有轨电车交通系统；

（5）低速常导磁悬浮交通系统等城市轨道交通类型。

目前，世界各国城市轨道交通类型主要是大运量的常规地铁，但是，直线电机交通系统、单轨交通（跨坐式和悬挂式）系统、新交通系统（自导向轮胎式交通系统AGT）、现代化低地板有轨电车交通系统和低速常导磁浮交通系统等中运量轨道交通类型，其中多数都可选择大坡度、小半径曲线等线路，弥补了常规地铁的先天不足。

表5给出了中运量城市轨道交通型式的应用范围与特点。它们各有不同特点：直线电机地铁的小断面和非黏着驱动；单轨交通系统用于高架线路和车辆使用橡胶轮胎；新交通系统具有自导向系统和无人驾驶功能；现代化低地板有轨电车交通系统列车乘降方便；中低速常导磁悬浮交通系统相对低的噪声等，其车辆基本结构的不同点主要表现在转向架的结构上。

表5 中运量城市轨道交通型式的应用范围与特点

2.1 直线电机交通系统

（1）直线电机车辆驱动系统的构成

直线电机车辆驱动系统不用齿轮装置，传动系统由作为直线电机的1次绕组和安装它的转向架以及作为直线电机2次绕组的感应板和铺设它的轨道，再加上控制这个直线电机变压变频控制的逆变器构成。这是一种非黏着驱动系统，由1次绕组和2次绕组产生的推力作为牵引力驱动车辆，不通过轮轨间的黏着。

（2）直线电机转向架

直线电机的转向架通常有自导向和迫导向2种结构型式，自导向采用转向架通过曲线时可以加大左右车轮轮径差的圆弧形踏面和纵向定位刚度小的轴箱支承装置，通过轮轨间蠕滑力的导向，使轮对沿着曲线运行；迫导向则需要一套连杆机构。这种转向架多采用小直径车轮，有利于降低车辆地板面的高度。

（3）轨道和感应板

感应板为直线电机的2次绕组，它铺设在轨道上。

2.2 跨坐式单轨交通系统

单轨交通系统有跨坐式和悬挂式，跨坐式用得多，这里只叙述跨坐式单轨交通系统。轨道结构和转向架是单轨交通系统区别于其他型式轨道交通的主要特点。

（1）轨道

架设在混凝土立柱上的预应力混凝土梁（PC梁）作为单轨交通运行的轨道，车辆跨坐在轨道梁上，向前运行。

（2）转向架

单轨轨道交通车辆转向架分为动车转向架和拖车转向架。

动车转向架由中央悬挂装置、走行轮、导向轮、稳定轮、牵引系统（由牵引电动机、连轴器、齿轮传动装置等构成）、基础制动系统、车辆高度调整装置、橡胶轮胎内压检测装置、三轨受流器、接地装置、速度传感器等构成。拖车转向架则没有驱动系统的部件。

2.3 自导向轮胎式交通AGT（新交通系统）

自导向轮胎式交通电动车使用橡胶车轮，运行在混凝土专用轨道上、由导轨导向，导轨有设置在轨道侧面的，称之为侧导向式，也有设置在轨道中央的，称之为中央导向式，侧导向式用得多。

日本东京都舍人线是一条最新的新交通系统线路，全长9.7km（全部为复线），1997年开工，2008-03-30营业运行，车辆也是最新型的，60辆（5辆／编组×12编组）。

其主要特点为，

（1）为由计算机控制的无人驾驶的新交通系统，侧导向式；

（2）线路最大坡度50‰，最小曲线半径30m；

（3）最高运行速度60km／h，旅行速度29km／h；

（4）刚性3线式受流，侧接触式，三相交流600V；

（5）控制方式为逆变器、变流器控制（带空重车装置、再生制动）；

（6）制动方式为电气指令式电磁直通制动（带保持制动、停放制动）；

（7）牵引电机为三相鼠笼式感应电动机，额定功率110kW，每编组5台，自通风。驱动方式为直角可动式、差动齿轮式。

（8）转向架结构和方式：导向方式为转向臂（steeering arm）导向方式；转向方式为平行拉杆式。

2.4 现代化低地板有轨电车交通系统

在欧洲和日本LRT得到广泛应用，我国也有不少城市已经建成或正在规划采用这种交通方式，已建成投入运营的有大连、长春等城市，正在规划的有沈阳、苏州、北京等城市。使用的车辆称为现代化的低地板有轨电车，主要结构特点有，

（1）采用小直径车轮；

（2）不用车轴，采用独立车轮，以利于实现100%低地板化；

（3）车体的组装采用标准型模块化；

（4）控制设备和辅助电源安装在车顶上，驱动装置则安装在车体下部。

（5）无转向架的车体采用由前后有转向架的车体浮动铰接式结构吊装方式。

（6）车内装饰，头车形状、低地板方式（100%或部分）、编组按照满足各城市用户的要求进行设计，提供个性化的车辆。

德国的LRT系统经过多年的发展，目前处于世界领先地位。

作为德国先进性象征的100%低地板车辆的特点是采用独立车轮而废弃车轴；利用腾出来的空间实现低地板化，使地板高度（距钢轨面）降到300～350mm；开发了将小型电动机安装在转向架构架上。1999-03日本广岛引进德国Siemens公司制造的超低地板车辆，制造出符合日本国内路况的车辆5000型。如图1所示。

图1 5000型100%低地板车辆

主要特点有，

（1）定员153人；

（2）列车长30.520m；

（3）低地板化率100%，地板高330mm；

（4）DC600V接触网式供电；单臂式，弹簧上升电动下降式受电弓；

（5）最高运行速度60km／h（设计80km／h）；

（6）独立车轮转向架，轴距1 800mm ，车轮直径600mm；

（7）驱动装置。电机为三相鼠笼型感应电动机100 kW，380V，传动装置为直角万向可挠齿轮连轴器方式，齿数比5.44（49／9）；

（8）控制装置用IGBT元件的VVVF的逆变器（带空重车调节功能）；

（9）制动装置为再生、电阻制动并用的电制动；盘形制动（带空重车调节功能）；安全制动（磁轨制动），带停放制动功能；

（10）辅助电源为装置采用静止型逆变器和铅蓄电池；

（11）关门装置为电动式塞门，带关门安全装置，门止挡检测装置，光电检测装置；

（12）空调装置为车顶集中式；

（13）ATC装置为变频式（带2点间速度核查式绝对停车）；

（14）列车无线为单路通信；

（15）信息引导装置为目的地显示（前面、侧面），车内、车外自动广播，LED式车内引导装置，票价显示器。

2.5 低速常导磁浮交通系统（HSST）

低速常导磁浮交通系统采用电磁铁进行悬浮支承和导向，直线电机驱动，系统由车辆、悬浮和导向系统、驱动和供电系统、通信信号系统、线路和道岔等构成。

HSST特点为运行速度低，噪声小；车辆轻；高架轨道桥桩设计轻巧；建设成本低；符合环保要求。停车时也可悬浮，起动平稳和具有较高的加减速性能，因此，适合站间距离较短、坡道较大和小曲线多复杂地形的线路。其缺点为直线电机效率较低，相对而言，能耗及运营成本较高；在运输能力方面，其定员少，编组小。只在特定地形条件下，可作为一种辅助交通工具。

3 结束语

一个大城市或特大城市除了大运量的常规地铁外，还需要中等运量的城市轨道交通类型，通过换乘系统形成城市轨道交通的运营网络。我国当前各大城市都是以建设常规地铁为主，本文提到的5种城市轨道交通型式还应用较少，但是，随着我国城市化进程的发展和城市轨道交通网络化的形成，这种中等运量的城市轨道交通必然会得到应用，占有一席之地。

［1］中国城市轨道交通协会信息［J］.2012，2（2）：1-3.