Ⅱ型大城市轨道交通系统选型

顾静航

根据2014年国务院下发的《关于调整城市规模划分标准的通知》，我国按城区常住人口规模将城市划分为五类七档，1其中100万～300万人口的城市为II型大城市；300万～500万人口的城市为I型大城市；500万～1 000万人口的城市为特大城市；1 000万以上人口的城市称为超大城市。

依此标准，我国现阶段开通城市轨道线线路的多为超大城市、特大和I型大城市，该类城市空间尺度大，居民出行强度高，故采用大、高运量地铁制式的比例较大。统计数据表明，2016年末内地运营的轨道线路中地铁线路占总里程数的83.95%[1]。

实际运营情况表明，以高标准、高投入获得大客流和巨大外部效应的“地铁模式”对于我国特大、超大及I型大城市是适宜的，而II型大城市的社会经济、城市规模、交通特征与更大规模的城市存在显著区别，需要有针对性地研究该类城市的轨道交通系统选型。

1 II型大城市轨道交通发展前景

1.1 Ⅱ型大城市的轨道交通需求

预计到2020年，II型大城市将达到164座，占全国城市总数的1/4[2]，成为新型城镇化的中坚力量。《国家新型城镇化规划（2014—2020）》提出要努力实现1亿左右的城镇新增人口，百万以上人口的城市公共交通出行占机动化出行比例达到 60%[3]。可以预见，人口的聚集伴随城市扩张、机动化进程加速，将推动众多II型大城市加入城市轨道交通的规划、建设行列。

有研究表明，人均城市建设用地指标与公共交通分担率呈显著的对数曲线[4]，人口越密集，越有利于公共交通发展。京、沪作为国内超大城市代表，主城区人均建设用地低于100 m2，现状公共交通（含出租车）占机动化出行分担率达到60%，方能支撑以地铁A、B型车为主的城轨网络运营。而两地外围线路均面临高、平峰客流不均，全日利用率偏低，运营维护成本巨大等问题。

相比而言，II型大城市的土地利用集约度、公共交通分担率、人均出行距离均低于 I型及以上规模城市。

以大同、襄阳两个典型的II型大城市为例，其现状城市建设用地面积分别为153.39 km2、152.65 km2，建成区的空间尺度最远不超过30 km，城市核心区的出行直径控制在 10～15 km。两地居民出行中有明显的午高峰，慢行交通比例高达57.8%、63.2%，公交出行分担率仅为21.5%，19.3%，平均出行距离为3.83 km、4.95 km。

在较小的空间尺度下，II型大城市可以较好地保持居住与岗位用地均衡，城市中心的单一聚集性使其交通特征与需要长距离出行的更大规模城市相差较远。同时，II型大城市往往经济能力有限，故此类城市无法承担大规模、网络化的地铁建设及运营，适宜发展运量适中、成本较低的轨道交通模式。

需要注意的是，尽管II型大城市交通需求总体低于I型大城市、特大和超大城市，但不排除特殊地理形态下，如带型城市主要交通廊道上客流聚集，达到大运量、高运量等级的情况。

针对以上情况，应单独考虑主要廊道上的轨道系统制式选型，不排除同一城市中骨干线路采用大、高运量地铁制式，而其他线路采用中运量系统制式的可能。但对于国内大多数平原型呈圈层拓展的 II型大城市而言，中运量轨道交通系统仍是较为适宜的选择。

1.2 Ⅱ型大城市的轨道交通建设门槛

我国对于城市轨道交通采取严格审批制度，对申报建设城市的人口规模、经济水平、政府财力、客流效果均有明确要求，详细指标见表 1。在政策未调整的前提下，近期 II型大城市若想获得轨道交通建设的入场门票，需从轻轨模式着手研究规划。

表1 申报建设城市轨道交通基本指标[5-6]Tab. 1 Specifications for allowance to build the urban rapid transit systems

国家政策出台于2003年，配合以轨道交通产业化要求，当时国内城市轨道交通可选择的系统制式有限，除了以A、B型车为代表的地铁模式外，即以C型车为代表的轻轨模式。从客流量级、技术标准、工程造价等指标衡量国内运营的轻轨线路，如长春3号线、4号线，上海5号线、6号线，可以认为，“轻轨模式”为典型的中运量制式，即单向运能在1～3万人次/h[7]的轨道交通系统。

随着近年国内轨道交通产业的长足发展，各地涌现出Lb型车（直线电机）、跨座式单轨、中低速磁悬浮等多种新型轨道交通系统，以上均属于中运量系统，供II型大城市选择参考。

2 国内中运量轨道交通系统发展现状

2.1 B型车

从实际应用来看，作为大运量轨道系统代表的地铁B型车在某些城市也承担了中运量运输功能。如广州3号线支线、苏州1号线选择3B、4B的小编组运营模式，系统运能达2.13万人次/h、2.82万人次/h[7]。

B型车辆限界较大，对线路标准、土建规模、设备系统等要求较高，严苛的建设条件导致系统造价偏高。另外，国家对轨道交通的审批门槛使得有资格选择B型车的城市全为I型及以上大城市，这些城市均倾向以较高的代价构筑大运量客运系统。目前除广州3号线支线、苏州1号线外的所有运营、在建及规划B型车系统均选择5B以上编组规模，这两条线路也因为运力不足，饱受诟病。可见，B型车虽能承担中运量功能，但并未体现系统运能优势，非II型大城市最佳选择。

2.2 Lb型车

Lb型车是采用直线电机驱动的车辆，为非黏着式牵引技术，车体相对于B型车较小，拥有良好的爬坡能力，可适应较小曲线半径，运行噪声也小于B型车。参照广州轨道4号线相关数据，Lb型车正线最大爬坡度60‰，最小平曲线半径150 m，4辆编组车辆系统运能可达2.77万人次/h[8]。

Lb型车灵活的道路适应性，较低的修建标准，曾引发众多城市关注，但目前仅有广州、北京部分线路采用，且没有后续建设计划。主要源于电机和感应板的实际间隙大于理论值（见图1），导致“电气－机械”转换效率较低，系统能耗较大，运营成本偏高。有统计数据表示，直线电机系统比传统钢轮钢轨系统多耗电 6.25%～7.5%[9]。较低的普及率也导致车辆购置费用较高，维修困难。随着诸多与 Lb型车同样轻巧的中运量轨道车辆国产化，Lb型车的优势并非不可替代，故而推广受限。

图1 直线电机车辆与感应板Fig. 1 Type Lb vehicles and the induction plate

2.3 C型车

C型车与B型车同为旋转电机驱动的钢轮钢轨系统，但车体较小，轴重较轻，目前国产C型车有高地板和70%低地板两种类型。高地板车辆构造原理与B型车相同，70%低地板车辆采用独立轮对，车体为3模块铰接式设计（见图2）。按6人/m2的站立密度标准，1～4辆编组的车辆系统运能在0.78万～2.51万人次/h。

图2 70%低地板C型车立面及平面示意Fig. 2 Elevation and layout diagram for 70% low-floor Type C vehicles

C型车对道路的适应性较强，高、低地板车型的正线最小曲线半径分别为270 m[10]、150 m，小于B型车300 m的规范标准。70%低地板C型车采用弹性车轮，运行噪声比B型车辆低10 dB左右。

目前C型车在国内运用较广，上海市5、6、8号线采用高地板C型车系统；长春市3、4号线和北湖线采用70%低地板C型车系统；另外，沈阳浑南新区内的4条有轨电车线路也选择了70%低地板C型车。

C型车所需工程投资和后期运营维护费用较少，以长春为例，分别于2001年、2006年、2012年开通运营的3号线一期、3号线二期、4号线一期，其平均造价指标仅为1.00亿元/km、1.04亿元/km、1.52亿元/km，远低于全国同期修建轨道交通线路的平均造价。2015年3号线实现最高日客运量19.73万人次，接近部分城市的地铁线路指标。

C型车车体较小，以同样编组计算，比B型车运力减少14.8%～23.1%。由于人口上升速度高于预期，上海运营的C型车线路均面临不同程度的运力紧张，此后中国特大、超大城市对C型车的选择趋于谨慎，仅用于城市外围组团和新区内部，如长春北湖轻轨、沈阳浑南有轨电车线。

2.4 跨座式单轨

跨座式单轨为车辆与特制轨道梁组合一体运行的胶轮导轨系统，轨道梁具有导向和承重双重功能。由于轨道梁截面较大，地下敷设成本过高，跨座式单轨多以高架敷设方式为主。采用编组化运营，按6人/m2的站立密度标准，6辆编组的系统运能可达2.31万人次/h[11]。

由于采用橡胶轮，跨座式单轨具有噪声低、转弯半径小、爬坡能力强等优点，在我国典型的山地城市重庆有较好的应用效果。目前众多II型城市也纷纷将单轨纳入其首选对象，芜湖市近期获国务院批准建设的2条城市轨道交通线路即规划采用单轨制式。

跨座式单轨的结构造成换乘节点、车辆场段等体量较大（见图3），成网运营并不经济。全世界仅重庆拥有2条单轨线路，且无续建计划，其余城市均只有一条线路运营。

图3 重庆2号线车辆段Fig. 3 Segment for Chongqing Metro Line

2.5 中低速磁悬浮

中低速磁悬浮是依靠磁场力量支撑车体并使用直线电机推动车体前进的非接触型轨道交通模式（见图4），仅在日本、韩国、中国等少数国家有商业运营。2015年12月，国内完全自主知识产权的长沙磁浮线开通试运营，成为世界最长的中低速磁浮交通商业运营线。

图4 磁悬浮列车工作原理Fig. 4 The working principle of the magnetically levitated train

我国中低速磁悬浮技术参数[12]如下：轨距2 000 mm（非标准轨距），车体采用3模块设计，车辆基本宽度3.0 m，长度约15 m，定员451人[12]。车辆最大可适应70‰的坡道，100 m的转弯半径，最高运行时速100 km/h。

中低速磁悬浮系统的爬坡能力、道路曲线适应性都优于钢轮钢轨系统。由于牵引系统没有机械传动，车辆承载依靠磁场，无轮轨接触摩擦，所以运行噪声较地铁车辆小6～13 dB。

与单轨系统类似，中低速磁悬浮列车主要适应高架敷设方式，地下线路成本较高。由于与 Lb型车同样采用直线电机驱动，系统能耗较高。中低速磁悬浮在世界范围尚属于新兴事物，技术成熟度较低，车辆生产周期较长、购置费用较高，系统制式无法与现有轨道交通共享，公众对电磁辐射较为敏感等均是其推广的不利因素。另外，磁悬浮列车的牵引技术要求严格控制载重量，防止过载导致车辆与轨道距离过近，无法启动，增加了线路高峰期的运营风险和组织难度。

3 II型大城市中运量系统选择

3.1 现有中运量系统与城市的互适性

对比国内所有技术成熟的中运量轨道交通系统发现：中低速磁悬浮系统运力有限，系统运能约 1万人次/h，应对突发大客流能力较弱，并不适用于II型大城市的骨干公交运输体系，可作为示范线、观光线。

B型车系统虽然技术成熟，编组灵活，客流包容性强，利于网络资源共享，但国家的审批门槛是II型大城市面临的重大障碍。轨道交通若停留在规划控制层面，选择B型车系统是可行的；若想近期筹备建设，则需要在Lb型车、高地板C型车、70%低地板C型车、跨座式单轨中选择。

3.2 备选系统优缺点

3.2.1 服务水平

Lb型车、高地板C型车、70%低地板C型车、跨座式单轨的车辆长宽尺寸（含车钩连接处）约为17.8 m×2.89 m、19.5 m×2.6 m、28.3 m×2.6 m、13.9 m×2.98 m。4类车型可灵活编组，理论上运能均可达大运量级别。目前上海轨道交通6号线采用高地板C型车7节编组，系统运能已经超过B型车6节编组，为4.47万人次/h；重庆轨道交通3号线采用跨座式单轨8节编组，系统运能亦超越中运量级，达3.10万人次/h。

考虑到II型城市的交通需求偏小，以站台长度小于85 m，系统运能不超过3万人次/h为比选前提。4类车型可分别实现4辆、4辆、3辆、6辆编组运营，列车定员为922人、836人、780人、962人。相应列车长度为71.6 m、77.9 m、84.9 m、83.4 m。

受道岔结构的限制，跨座式单轨的最小发车间隔为2 min 30 s，其余系统均能实现每小时30对的发车频率。照此计算，以上4类轨道交通系统单向高峰小时运能分别为2.77、2.51、2.34、2.31万人次。可见，Lb型车和高地板C型车单位运输能力更大；跨座式单轨每小时发车对数低于其他系统，服务水平偏低。

3.2.2 道路适应性

轨道交通系统的道路适应性主要体现在线路的最大爬升坡度，最小平曲线半径，区间横断面等。较好的适应能力意味着与道路有更高的贴合度，降低对沿线地块的侵入，从而节省大量的征地、拆迁费用。

Lb型车、高地板C型车、70%低地板C型车、跨座式单轨车辆可适应的正线最大坡度为60‰、40‰、50‰、60‰；一般情况下正线最小曲线半径为150 m、270 m、150 m、100 m。高地板C型车的转弯性能较差，若想达到更小的转弯半径150 m，则需限速至50 km/h以下[10]。由于跨座式单轨采用橡胶轮胎包覆混凝土轨道梁的走行方式，其线路横断面最大（见图6），从轨道底到车辆结构顶的高度 5.74 m，含支撑梁高度达7.24 m。Lb型车辆、高地板C型车、70%低地板C型车仅需4.1 m、4.3 m，4.1 m。

图6 跨座式单轨横断面示意Fig. 6 The cross section of the cross-saddle monorail

综上分析，以上4类车型的道路适应能力均优于A、B型车，其中，Lb型车最灵活，其次是70%低地板C型车。采用钢轮钢轨走行系统的高地板C型车的转弯和爬坡能力稍差，但仍高于 B型车辆最小半径300 m、最大坡度30‰的标准，可以适应国内大部分城市。

跨座式单轨车辆的转弯性能最优，但较大的车辆限界导致长距离地下敷设并不经济，限制了线路竖向的灵活度。其余系统均可适应高架、地面、地下多种敷设方式。

3.2.3 环境适应性

轨道交通系统的环境适应性包含系统对地形、气候的适应能力，以及系统对环境、居民的影响。

4类车型技术成熟，在世界各大城市都有应用，其中以钢轮钢轨系统应用最为广泛，除纵断面起伏过大的线路均能适应。Lb型车辆由电磁驱动牵引，不受轮轨间黏着系数的影响，对于长大纵坡、雨雪天气适应力较强，在高纬度城市如莫斯科也有运营。跨座式单轨的爬坡性能较好，但橡胶轮胎对冰雪适应性较差。日本单轨主要应用在中低纬度地区，也曾出现在恶劣天气下列车限速、晚点，部分停运的个别案例[13]。冰雪期较长的城市选择跨座式单轨需在车辆和轨道梁上增设防滑、除雪装置，并存在一定运营风险。

在环境影响方面，传统钢轮钢轨系统的车轮与轨道相互撞击，经轨枕、道床传导，对周围环境产生的振动、噪声影响较Lb型车、跨座式单轨大。70%低地板C型车由于采用弹性车轮设计，通过钢轮内部的弹性橡胶减振，缓冲，其磨耗和噪声较高地板C型车有较明显的改善。

3.2.4 系统拓展能力

轨道交通系统的拓展能力除了考虑单一线路客流增长后提升运能的可能性，还涉及轨道成网运营后资源共享的便捷度、轨道系统上下游产业链的成熟度等。综合比较发现，跨座式单轨系统在运量提升和规模化运营方面存在劣势；Lb型车系统在我国推广不足，车辆产能受限；钢轮钢轨系统仍是目前市场的主流选择。

3.3 Ⅱ型大城市的系统选型建议

与我国超大、特大城市相比，II型大城市城区范围紧凑，人口密集度不高，交通需求有限，出行距离较短。此类城市若规划交通功能为主的城市轨道系统，宜在Lb型车、高地板C型车、70%低地板C型车、跨座式单轨4类中运量系统中选择。

从服务水平分析，4类车型相近，但Lb型车、高地板C型车的单位运输效率更高。由于跨座式单轨系统发车频率受限，无法通过加密行车对数提升运能，对于未来客流有超预期增长风险的线路，应谨慎选择。

从建设条件分析，Lb型车和70%低地板C型车的适应能力最强。高地板C型车的线路平纵断面标准较高，线路穿越城市老城等密集建设区时，容易引发较大的沿线征地拆迁，对于山地城市应做牵引计算，确保行车安全。跨座式单轨的转弯和爬坡性能最优，但不适用于地下段较长的线路，对于冰雪期较长的城市，也应谨慎选择。

从资源共享角度分析，II型大城市通常财力有限，交通结构简单，引入多种轨道交通制式既不经济，也无必要，建议全网采用单一轨道制式。因此II型大城市的轨道交通制式选择除了满足本线需求，还应考虑系统的拓展、兼容性，以适应全网资源共享。

鉴于 Lb型车能耗偏大造成运营维护费用较高，跨座式单轨系统体量较大，多线修建占用土地资源较多。若城市有修建3条及以上轨道线路的计划，建议优先选择规模化运营成本最低的钢轮钢轨系统，即高地板C型车或70%低地板C型车。

4 结语

我国广大 II型大城市现正处于城镇化率 30%～70%的快速发展期。在国家倡导大幅提升大城市公交出行比例的同时，城市扩张及道路拥堵，势必催生II型大城市的城市轨道规划、建设需求。

从II型大城市的交通需求和建设实力综合判断，推荐选择中运量轨道交通系统：Lb型车、高地板C型车、70%低地板C型车、跨座式单轨。4类轨道系统能满足国内绝大多数II型大城市的客流需求，具体线路选型需结合城市特征和工程条件进一步分析比选。

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