中低速磁浮轨道交通旅游特性下系统优化研究——以清远磁浮旅游轨道交通为例

刘武斌

(中铁磁浮交通投资建设有限公司,武汉 430060)

清远市位于中国广东省中部，北江中下游，北面和东北面与韶关市为邻，东南和南面接广州市，南与佛山市接壤，西与肇庆市相连，旅游资源丰富，为中国优秀旅游城市，素有“中国温泉之乡”、“中国龙舟之乡”、“中国漂流之乡”等美誉。

清远长隆国际森林度假区(又称清远长隆主题公园)地处清远市南部的银盏片区，紧邻广州花都区，是长隆集团打造的第三个世界级旅游综合体。项目规划总用地87.8 km2，其中建设用地13.2 km2(19 835亩)，将以森林、湖泽、原野等为特色，打造世界珍稀动植物基因库和保护基地，以及华南虎保护基地，形成“大自然、大生态、大种群、大乐园”的超级旅游度假目的地，成为“世界顶级的山水天堂、生态天堂、游乐天堂和动植物天堂”，预计建成后每年将吸引游客约3 000万人次。

为了给清远长隆主题公园以及规划的旅游特色小镇、特色景区等提供一种安全、便捷、舒适、节能、环保、经济、高效的轨道交通方式，经对中低速磁浮、轻轨、跨座式单轨(云轨)、悬挂式单轨、有轨电车等多种轨道交通制式的综合比选，最终选择了中低速磁浮轨道交通制式[1-3]。

中低速磁浮系统[4-6]是采用车载电磁悬浮(EMS)技术和短定子直线感应电机(LIM)驱动车辆的轨道交通系统。目前，中低速磁浮交通已经进入较为成熟的工程化应用阶段，国内正在运营的中低速磁浮线路有2条，为长沙磁浮快线[7-9]和北京S1线[10-11]。这两条线路的功能分别为机场运输快线和市内轨道交通线，最高运行速度均为100 km/h。

清远磁浮旅游专线[12-13]设计与建设过程中，在总结两条运营线经验的基础上，结合旅游需求，通过对线路、车辆、接触轨、桥梁、路基、站房、轨道等开展系统性的优化研究，在交通便捷性、乘坐舒适性、绿色环保、感官体验、地方特色融合、景区风格协调性等方面取得了较好成效。

1 线路与交通舒适环保便捷研究

清远磁浮轨道交通是以服务清远长隆主题公园为主要功能的旅游专线。一期工程与广清城际铁路银盏站衔接，经未来小镇、际华园商服区，实现广清城际铁路与长隆主题公园的联通，正线全长8.014 km，设车站4座，于2017年12月29日开工建设。二期工程通过向东西两个方向延伸，实现广清合作园、美林湖特色小镇、银盏特色小镇、未来小镇及际华园商服区、长隆主题公园间的交通联系，打造成为串联多个特色小镇度假区的生态旅游专线。见图1。

图1 清远市磁浮旅游专线规划示意

1.1 线路走向和纵坡选择

清远磁浮旅游线线路走向和纵坡选择除了遵循保护环境、绕避各种环境敏感点和不良地质地段、少占基本农田和林地等轨道交通均应遵循的基本原则之外，重点从以下3个方面考虑[14-15]。

(1)线路走向要串联旅游、居住、商业等板块，综合考虑规划衔接、出行便利、客流吸引力、地方发展带动等因素。

本工程在线路走向研究中，比选了北线、中线、南线3个方案(图2)。北线方案主要行走在京广铁路北侧，串联未来小镇、际花园冰雪世界、长隆景区及后勤基地。中线方案沿京广铁路北侧前行，经未来小镇后转京广铁路南侧沿森林大道走行，串联未来小镇、际花园冰雪世界、长隆景区。南线方案在京广铁路南侧沿森林大道行走，串联银盏小镇、长隆景区。地方城镇规划重点在京广铁路以北，北线方案虽然线型不是最好，而且两跨铁路施工难度及施工风险较大，工程造价也较高，但是能很好地与地方规划衔接，有条件在际花园、未来小镇、长隆后勤基地附近设站，交通便捷性、客流吸引能力、地方发展带动能力等优势较明显，故得以选用。

图2 清远磁浮旅游轨道交通线路走向方案比选示意

(2)线路走向要结合既有及规划交通走廊，充分利用道路绿化带及夹心地，节约集约用地。本线全长8.014 km，其中约4.3 km沿长隆大道和新镇路行走，1 km走在森林大道与京广铁路夹心地中。

(3)利用中低速磁浮转弯半径小、爬坡能力强的特点，结合舒适性需求，合理选择纵坡方案，多采用桥梁和隧道，并统筹考虑土建工程填挖平衡，减少取弃土场用地，降低对环境的影响。本线桥梁长6.97 km，隧道长0.55 km，桥隧占比93.8%；路基挖方约48万m3，全部用于车辆基地填方，基本取消了取弃土场用地。

1.2 车站站址选择

(1)结合轨道交通现状及路网规划，选好换乘站，换乘站尽可能靠近既有站房，与其他轨道交通零距离换乘。

本线与广清城际铁路在银盏站换乘，是长途旅游客流进入长隆景区的重要交通节点。研究磁浮车站换乘方案时，城际站房已基本建成。结合现场情况，比选了紧贴城际站房两站合一、靠近城际站房两站分离、两站分设于站前广场两侧共3个站址方案。紧贴城际站房两站合一方案，虽然因贴近既有站房而导致施工与协调难度大增，但是能实现两站站台层平齐并以连廊相通，乘客步行20 m即可平面换乘，换乘快速便捷，故得以选用。

(2)景点附近站址选择尽可能靠近景区门口或交通集疏散地，与景区其他交通方式无缝衔接，并考虑对景区环境及景观的影响。

长隆主题公园站的服务对象主要是游客和景区通勤人员，站址选择研究了森林大道路侧、森林大道路中、京广铁路北侧共3个设站方案。森林大道路侧设站方案站房设置在森林大道和京广铁路夹心地带，通过天桥跨越森林大道使站房与景区交通系统衔接，旅客换乘较便利，对景区环境与景观影响小，且有效利用夹心地。森林大道路中设站方案站房设置在森林大道的道路中间，旅客换乘最便利，但对景区环境与景观、道路交通产生一定影响。京广铁路北侧设站方案站房与景区中间相隔铁路，虽然施工难度与施工风险大大降低，但导致旅客进出景区不便利。经综合比选，从换乘便捷性、客流吸引力、对环境及景区影响考虑，选用森林大道路侧设站方案。见图3。

图3 长隆主题公园设站比较方案示意

2 车辆系统优化

长沙磁浮快线、北京S1线所用车辆均为工程应用的初代车辆，由于缺乏经验，相关技术还不完全成熟，随着工程应用的积累，车辆与其他各系统之间的配合将日趋完美。本项目借鉴国内两条工程运营线所积累的经验，并结合旅游便捷、舒适、环保等需求，对磁浮车辆进行了系统优化升级。

2.1 运行速度提升

旅游客流对交通时间和速度要求较高，本工程结合旅游特性及工程实际，提出最高运行速度为120 km/h的目标。为使运行速度从100 km/h提升至120 km/h，需对车辆牵引系统进行优化[16]。

本工程车辆设计采用短定子直线电机牵引的方式构建车辆的牵引系统，所有车辆全部为动车，每节车配备1个牵引单元，每个牵引单元包含10台直线电机，采用5串2并的连接方式。为增加驱动力，车辆采用新型直线电机。新型短定子直线电机额定电压为220 V，峰值电流为431 A。牵引电机容量较之前车辆提升14%，满足速度120 km/h的运行需求。直线电机性能参数见表1。新型短定子直线电机示意见图4，牵引制动曲线见图5。

表1 直线电机性能参数

图4 新型短定子直线电机

图5 牵引制动特性曲线

2.2 悬浮可靠性增强

中低速磁浮车辆采用电磁吸力悬浮方式，电磁吸力悬浮就是对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生磁场，磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引，将列车向上吸起悬浮于轨道上，磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙一般8～12 mm[17-18]。悬浮系统主要功能是使悬浮电磁铁悬浮间隙始终保持在额定值及其允许波动范围内，实现车辆稳定悬浮并在运行过程中快速稳定地跟踪轨道。由此可见，悬浮系统是中低速磁浮车辆最为关键的系统之一。悬浮系统构成如图6所示。

图6 悬浮系统构成

旅游客流具有明显的季节性、时段性。本项目预测旺季节假日远期全日最大客运量为9.98万人次，高峰小时最大客流量为0.67万人次，超高峰客流量(选取15 min)计算采用高峰小时客流量乘以1.25～1.31超高峰系数。为使远期3辆编组的输送能力满足超高峰客流量的需求，需对车辆的悬浮能力进行改进提升。通过对车辆的电磁铁、悬浮架结构、悬浮传感器、悬浮控制器等关键技术优化，使得单块电磁铁悬浮质量由3.3 t提升至3.8 t，整车悬浮能力提升5 t。图7为两种静浮状态下悬浮电磁铁绕组最高温度的应力场，当静浮力为38.8 kN和40.35 kN时，绕组最高温度分别为144.6 ℃和150 ℃。绝缘等级为H级的电磁铁能承受的最高温度为180 ℃，能够满足车辆对悬浮力的需求。车辆的悬浮能力增强，悬浮控制更加稳定可靠，车辆过轨缝时将更加平稳。

图7 悬浮状态下电磁铁温度应力场

2.3 受流性能提升

长沙磁浮快线、北京S1线受流靴(亦称受电靴)滑板采用整块板式结构，接触轨采用有缝膨胀接头。本工程车辆采用新型链式静音型受流器，每列车配备4对，每辆头车配备2对。所用受流器具有操作安全性高、结构简单可靠、日常维护工作量小且维护简单、最高速度120 km/h稳定受流的特性。增加受流靴的脱靴功能，可远程控制故障车辆受流靴收靴，降低故障车对线路供电的影响。受流器结构如图8所示。

图8 新型链式静音型受流器结构

靴板采用链条式分块受流板结构，内设减震机构。靴板材质为球墨铸铁，具有很好的导电性能，且具有不拉弧、噪声小的特点。球磨铸铁滑板的特点是使用寿命比浸金属碳滑板长，并且三轨轨面润滑性能与浸金属碳滑板相当。靴臂采用绝缘连接，无需增设绝缘子。受流靴的磨耗特性通过了旋转试验台(图9)的验证。表2为受流器基本参数。

图9 受流器旋转试验台

表2 受流器基本参数

2.4 噪声控制

中低速磁浮是一种“超静音”的轨道交通制式，噪声水平远低于一般轨道交通。虽然第一代磁浮车在低噪声上取得了很好成效，但为了追求更加环保舒适，车辆系统降噪仍列为本项目的一项重要研究课题。

车辆系统降噪主要从吸振、隔振、吸声、隔声这4个方面控制整车的噪声，先进行噪声预测，再根据分析结果采取控制措施，形成降噪方案。车辆在设计中主要采取了以下措施。

(1)悬浮控制器：调整散热风扇安装部位，通过检测悬浮控制器内部温度来控制散热风扇的启动与关闭。

(2)空调机组：改进轴流风机及离心风机，优化空调机组内部机构，减小振动与噪声。

(3)供风单元：在空压机上下、四周增加挡板，经测试，可降低噪声6 dB左右。

(4)牵引逆变器：选用低噪声的离心风机，增加风道平顺性，降低风道紊流产生的噪声。

(5)内装：在车体铝结构和内饰板之间增加预氧丝棉，降噪系数≥0.75。内装地板采用酚醛地板，酚醛地板和铝地板之间增加陶瓷纤维，降噪系数≥0.15。

(6)车门与车窗：采用铝蜂窝门板结构，车门周圈护指胶条及周边胶条。车窗采用夹胶玻璃形式。

(7)贯通道：打涂隔音密封胶，阻隔车内外空气流动；接合面粘密封条，隔绝噪声从接合面进入客室通道；渡板与踏板接触面增加磨耗条，降低摩擦产生的噪声。

通过采取以上一系列系统性的降噪措施，经噪声仿真分析，车辆室内外噪声值有较大改观，具体数值见表3。

表3 清远磁浮车辆噪声指标 dB

2.5 外观内饰提升

作为旅游观光线，设计要注重与地方特色融合。车辆作为城市的移动地标，在对外展示中承担重要角色，为了展现地方特色，有必要系统性开展景观与美学设计。

磁浮车的外观与内饰是大家关注的重点，设计要考虑当地人文、地理、自然环境等因素，融入地方元素，与当地环境和景观相协调。本线以服务长隆景区为主要功能，车辆外观与内饰设计要紧扣清远元素及“长隆森林+动物”的旅游特色，外观设计以长隆景区重点推广动物海豚为原型，将其形象转化为车头造型，并在车体上赋予多种动物形象元素；内饰以浅色调为主，与当地炎热气候相适应，给人清凉感，并以绿色植物和动物脚印做点缀，体现清远市四季长绿，充满生机活力。见图10、图11。

图10 清远磁浮车辆外型

图11 清远磁浮车辆内饰

3 工程其他相关系统优化

3.1 车站美化

车站站房作为旅客的集散中心，所在城市及区域的重要形象标志，是城市重要的公共交通建筑，其建筑造型要充分展现当地特色。清远市作为中国优秀旅游城市，建筑造型方案设计要紧扣旅游这个主题进行[19]。

银盏站：作为与城际铁路的换乘站，是旅客前往长隆景区游玩的重要交通节点，其建筑造型方案与长隆景区的建筑风格保持一致，整体风格营造出丰富多姿、休闲旅游的车站气息。见图12。

长隆主题公园站：设置在长隆景区门口，采用古罗马建筑典型的拱券结构，建筑风格雄浑凝重，营造出与主题公园风格一样的梦幻般游乐空间。见图13。

莲湖站：设计造型如同一座漂浮游动的旅游之舟，与清远市“中国龙舟之乡”相呼应。见图14。

除了对站房建筑造型重点设计外，对车站周边及站前广场也开展了绿色景观专题研究。

图12 银盏站效果图

图13 长隆主题公园站效果图

图14 莲湖站效果图

3.2 接触轨技术改进(图15)

接触轨膨胀接头由单缝改为双缝甚至无缝，经过测试，可以使接触轨受流更稳定、无折点，道岔转辙更平顺、无冲击，行驶噪声更小。

膨胀接头电气连接件铜带结构由折叠式改为“回”字形，能保证膨胀接头无论怎么伸缩均为椭圆形状，避免造成死弯现象以致影响膨胀接头自由伸缩。

接触轨支架由固定支架改为万向调节支架，可调节支架可跟随轨排沿线路方向仰俯角度调节，能提高线路曲线处接触轨的安装精度。

实测结果表明，靴轨耦合动力性能良好，可提供更连续平缓的受流环境，满足中低速磁浮速度120～160 km/h稳定受流的需求。

图15 接触轨万向调节支架和无缝膨胀接头

3.3 桥梁和疏散平台优化

为了美观及景观协调性，经优化研究并通过美学设计，本工程采用了新型T形桥墩，墩高12.5 m及以下时，常规跨度双线简支梁桥墩采用1.8 m×2.0 m矩形截面，使得桥梁结构更加纤细美观。与已运营线路的桥墩形状及墩柱截面尺寸比较，其优化明显[20-21]。见图16。

图16 并置单线简支箱梁效果图

另外，桥上疏散平台采用标准化及预制拼装。设计中，对需安装在疏散平台上的设备统筹布置，对强、弱电缆托臂采用预制拼装，对信号柱及天线底座、电缆孔、电箱支架孔、线路标识等做好预留，避免因专业接口问题导致现场切割、焊接。采用整体式护栏，适当降低疏散平台栏杆高度，提升视觉效果。采用工厂预制、现场拼装方式，改进防腐工艺，采用机械化喷涂，做到美观整齐。见图17。

图17 疏散平台示意

3.4 绿墙技术应用

传统挡土墙的墙面为圬工面，景观效果一般，为了体现旅游特性，给乘客提供良好的观光体验，本项目采用了绿墙技术，将传统挡土墙的圬工墙面变为具有可绿化功能的墙面。绿墙技术采用装配式混凝土构件，由生态板和箱式墙体组成，箱式墙体为现浇构件，箱体内填筑填土，生态板挂置在箱体牛腿上，自下而上装配成生态面墙。装配式混凝土构件采用厂制化生产、施工标准化，减少混凝土用量。绿墙技术将墙顶、墙面作为绿色植生空间，利用箱体内填土给植物根系提供生长空间，减少后期养护成本，具有节能、低碳、绿色、环保等技术优势，景观效果优良。见图18。

图18 路基生态挡墙及边坡效果

3.5 轨排优化设计

本工程通过轨排受力计算确定轨缝与梁缝容许偏移量，对磁浮轨排进行标准化、模块化优化改进设计，如图19所示。编写轨排铺设图一体化软件，有效避免了长沙磁浮轨排不能通用的问题，轨排标准化达到70%，有效减少轨排类型，减少轨排设计、制造难度，提高轨排制造效率及降低生产成本，且能有效提升轨排铺设速度，节省铺轨工期，降低轨道建造成本。并通过对防腐体系的研究，采用机械化喷涂，做到涂装均匀，提升外观效果。轨排生产制造采用智能流水线作业，生产效率和质量相比传统单机生产提高很多。

图19 轨排优化改进示意

3.6 道岔减振优化

长沙磁浮快线因道岔梁主振动频率(17.875 Hz)与磁浮车辆自振频率接近，在调试初期出现过车岔共振问题，后来通过安装竖向质量液体双调谐阻尼器TLMD阻力器得以解决。

清远磁浮道岔通过优化道岔梁结构，在满足道岔挠跨比和强度要求的条件下，使道岔梁竖向自振频率避开车辆自振频率。具体措施如下：

(1)梁高由1.4 m增加到1.8 m，梁的腹板厚度由16 mm调整为20 mm；

(2)主动梁由三台车改为二台车支撑；

(3)在台车处增加竖向约束(图20)；

(4)道岔梁质量由15 t增加至26 t，梁的一阶自振频率降低至12.36 Hz。

图20 台车竖向限位装置

4 结语

为了体现清远磁浮线的旅游交通特性，在设计与建设过程中，对线路、车辆、接触轨、桥梁、路基、站房、轨道等系统性开展了一系列优化研究，在交通便捷性、乘坐舒适性、绿色环保、感官体验、地方特色融合、景区风格协调性等方面取得了较好成效。中国工程院院士、西南交通大学牵引动力国家实验室主任钱清泉评价“清远磁浮旅游专线将是我国中低速磁浮交通发展史上又一具有里程碑意义的项目”。本文对其进行总结，希望能对旅游轨道交通的规划、设计与建设有所启发，对“磁浮+旅游”新模式发展的推进有所帮助。