城市軌道交通系統車輛及展望

王曰凡

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司 上海 201103)

美國的科學家曾對城市居民出行可容忍的時間進行研究，結論是45 min。這就是說，一個城市需要有與之規模相適應的、具有最高運行速度的交通工具。

目前，世界上居住人口超過1 000萬的城市約20個，超過100萬的城市約300余個，不少城市圈的直徑超過50 km。因此，最高運行速度為80 km/h的交通工具基本可以適應，而目前能承擔如此重任的只有城市軌道交通。無論是供給型還是導向型的城市軌道交通，運送出行居民是一致的;無論是什么制式的城市軌道交通，載客的工具都是車輛。

自世界上首條地鐵線路建成以來，車輛在設計制造技術、性能、功能上都經歷了不斷發展的過程，出現了不同制式的車輛，以適應不同城市軌道交通模式的需求。

1 城市軌道交通車輛的制武

1.1 輪軌制式車輛

輪軌制式車輛有鋼輪與橡膠輪兩種，傳統的城軌車輛采用鋼輪。橡膠輪車輛在轉向架上安裝了驅動和導向橡膠輪，驅動橡膠輪運行在混凝土或鋼制軌道梁上。橡膠輪具有較高的黏著系數，能發揮較大的啟動牽引力和制動力，噪聲相對較低，爬坡能力高于常規的鋼輪鋼軌制式。但是，由于橡膠輪污染環境、使用壽命短，使得技術成熟、適應性強的鋼輪鋼軌制式仍然在應用上占絕對優勢。各種地鐵車輛見圖1。

現代城市軌道交通車輛集機械、電器、計算機、制冷、光學及噪聲學等技術于一體，交流異步傳動是當前電力牽引的主流模式。

國際電工委員會規定的供電電壓標準為直流600、750和1 500 V，我國國標規定為直流750和1 500 V兩種，多數采用A型車的線路和近年來采用B型車的線路都用DC 1500V作為供電電壓。電氣絕緣材料的發展，為地鐵車輛采用DC 1500V工作電壓提供了有利條件。

圖1 地鐵車輛

作為輪軌制式特例的直線電機車輛(見圖2)于20世紀80年代問世，在技術上采取非黏著驅動，有利于提高車輛的啟動加速度和制動減速度，爬坡能力強，電機結構簡單;采用徑向轉向架后，能適應曲線半徑為50 m的彎道;采用小直徑車輪，降低了車輛高度，可用于較小直徑的隧道;自重輕，對線路沖擊小，車輛運行時噪聲相對較小。不過，直線電機車輛受電機功率的限制，車輛較小，載客量少;由于電機氣隙較大，損耗也較大，功率因數和效率相對較低。

直線電機模式是輪軌制式的特例，只有在特殊的線路條件下應用，才能顯示出它的優越性。

1.2 輕軌系統車輛

1879年，在德國西門子公司展示了一列3輛編組的小功率有軌電車后，美國于1888年造出了世界上第一列用于商業運營的有軌電車。在此之后，有軌電車在世界上得到了飛速發展。

有軌電車系統是輕軌系統的前身。從20世紀70年代開始，一些國家對城市的舊式有軌電車系統進行技術改造，建成了新型的有軌電車系統(見圖3)，將線路建成相對獨立或封閉(或半封閉)的形式，將現代科技(包括計算機技術)應用于車輛、通信、信號及供電系統中，提高了系統的安全性、可靠性和舒適性，同時提高了車輛的運行速度。

1978年，國際公共交通聯合會(UITP)在布魯塞爾召開會議，將新型有軌電車系統統一命名為LRT(light rail transit)，翻譯為“輕軌”。目前，世界上已有300多個城市(包括一些大城市)擁有輕軌。輕軌車輛一般采用較小型的車輛，低地板或70%低地板，車站簡易，線路設置靈活，最高速度多為60 km/h。現代輕軌多采用模塊化鉸接式多軸車輛，適應城市中轉彎半徑小的線路和不同客流需求的線路。另外，國際上用于輕軌系統的供電制式多為DC 600V和DC 750V。

圖2 直線電機車輛

圖3 輕軌系統車輛

圖4 單軌車輛及走行裝置

1.3 單軌系統車輛

單軌系統是指車輛在特殊的單軌道梁上運行的城市軌道交通，有跨座式和懸掛式兩種類型。軌道梁既承重車輛，又是車輛運行的導向軌道。單軌系統也有百余年的歷史:早在1821年，英國人P.H.Palmer開發了單軌線路;1888年，法國人在愛爾蘭鋪設了約15 km的跨座式單軌鐵路，采用蒸汽牽引;1893年，德國人Eugen Langen研制成懸掛式單軌系統，并在德國的伍珀塔市建成了13 km的線路，該系統運營至今，是世界上最古老的單軌模式。1952年，瑞典出生的德國工業家Axellenard Wenner-Gren在德國科隆市建成了一條跨座式單軌試驗線，采用混凝土軌道和橡膠充氣輪胎，獲得了最佳效果，并形成了目前通用的ALWEG型跨座式單軌模式。

單軌系統采用高架線路，分為跨座式和懸掛式兩種，如圖4所示。跨座式單軌車輛在軌道上方運行，車輛有3種車輪，走行輪運行在軌道梁上，導向輪在軌道側面滾動導向，每一轉向架另設2個穩定輪，起穩定作用。懸掛式單軌車輛的轉向架安裝在車廂上方，沿鋼軌運行，車輪有鋼輪和橡膠輪兩種。

單軌系統車輛最高速度可達80 km/h，列車可有4～6輛編組，其爬坡能力大，易于通過小半徑曲線，環境影響小;但是能耗較大，車輛的走行裝置結構復雜，價格較高，輪胎壽命短。一般單向運能達1萬 ～2.5 萬人次/h。

1.4 自動導向系統車輛

為了減少城市的噪聲和廢氣污染等公害，20世紀60年代末，國際上一些國家研制了新型的由導向軌導向的新交通系統，如圖5所示。這是一種自動化程度高的軌道快速客運系統，車輛在專用的軌道上定時自動運行，車站上無管理人員，完全由中央控制中心的計算機系統集中控制。一般車輛較小，列車的編組也較短，運輸能力也相對較小。

自動導向系統的車輛采用全自動無人駕駛，車輪為橡膠輪，在專用的混凝土軌道上運行，導軌系統有中央導向軌和側向導向兩種方式。自動導向系統車輛一般采用低地板，特點是噪聲低，爬坡能力大，適應曲線半徑小的線路，載客量不大，用得較多的是在機場內部，或在范圍不大的區域內接駁乘客換乘其他市區交通。

1.5 中低速磁浮系統車輛

圖5 自動導向系統車輛

圖6 高、中、低速磁浮線車輛

圖7 無人駕駛系統車輛

磁浮交通系統于20世紀60年代分別在德國和日本開始研究。經過幾十年的研究和試驗，2002年12月31日在上海建成了高速磁浮列車示范運營線，日本也建有中低速磁浮線并投入了運營。

磁浮模式的交通有高速、中速和低速3種系統，如圖6所示。高速系統用于長距離的線路，中、低速系統適用于城市軌道交通。

中低速磁浮軌道系統依靠磁場吸引力或排斥力使車體懸浮;并依靠現代控制技術實現動態穩定懸浮;由直線電機驅動列車行駛，列車運行速度可達100 km/h以上。中低速磁浮軌道交通系統比較適合于高峰小時單向客流2萬～3萬人的中等運量的城市高架軌道線路，站間距越大，則優勢越為明顯。

磁浮系統的主要特點是非黏著驅動，加減速度動力性能強、噪聲小、振動小，適用于曲線半徑小和坡道大的線路。

1.6 無人駕駛模式車輛

國際上城市軌道交通運行模式的發展大致經歷了3個階段:人工駕駛模式、人工駕駛的自動化運行模式、全自動無人駕駛模式。“無人駕駛系統”在我國還有點陌生，但近20年來在國際上已得到了廣泛的應用，并且已成功地應用于一些大運量的城市軌道交通系統中。

全世界現有30多個機場設有自動化運輸系統(people mover)，里爾、里昂、巴黎、哥本哈根、倫敦、紐倫堡、新加坡、洛桑、巴塞羅那等城市已建成約20條全自動無人駕駛的城市軌道交通線。鑒于全自動無人駕駛系統已越來越被人們所接受，以至于像巴黎、馬賽、里昂、柏林、漢堡、法蘭克福、紐倫堡和紐約等城市，擬將既有的傳統地鐵運輸系統陸續改造成為全自動無人駕駛系統，而我國上海已建設的軌道交通10號線就是采用這種模式。可見，全自動無人駕駛的模式代表了國際上城市軌道交通的一種新的潮流。

無人駕駛模式車輛(見圖7)的技術特點主要體現在:有人駕駛時，司機的職能完全由自動化的技術來替代。在車輛的設計制造、可靠性、可使用性和安全性方面，等級大幅提高，達到99.9%以上;自動化程度大幅上升，通信的信息量也大幅增加，信號及綜合監控系統的技術接口更加緊密和復雜。在車輛上增加了火災探測與煙霧報警系統，增加了軌道障礙物探測、脫軌檢測以及CCTV視頻系統;車門不再由司機控制，而是由ATC(列車自動控制系統)進行控制;列車的各主要系統都由OCC(運營指揮中心)遠程監控。

全自動無人駕駛模式車輛的安全性和可靠性高，有利于實現列車高密度運行。

2 我國城市軌道交通車輛的現狀

2.1 我國城市軌道交通的現狀

從20世紀初上海在我國率先建成第一條有軌電車線路開始，到60年代北京開始建設具有交通和人防雙重功能的第一條地下鐵道，開創了我國現代城市軌道交通的先河。限于當時的技術，采用直流調阻B型車輛。

上海在20世紀90年代初開始興建地鐵1號線，并于1995年5月建成通車，標志著我國城市軌道交通系統步入了現代化的行列。

我國的城市軌道交通在20世紀60年代起步后，由于種種原因，中間停頓了很長一段時間，因此有關技術的發展較慢，離世界水平有相當的距離，特別在車輛、信號等專業上尤為明顯。因此，20世紀90年代我國地鐵車輛基本依賴進口，導致造價高，建設周期長，維護費用也高。經過10余年的努力，大力開展國產化工作，在采取“引進—消化—吸收”國外技術措施后，我國城市軌道交通車輛在技術國產化、自主化方面取得了明顯的效果，基本甩掉了“洋拐棍”，出現了如中國南車和北車集團等6家具有自主設計、制造、集成能力的車輛生產基地。

2.2 車輛

我國城市軌道交通系統的模式是多樣化的。地鐵模式是國內城市軌道交通的主要模式，鋼輪鋼軌制式車輛是主要的車型(見圖8)。

按我國標準，用于地鐵的鋼輪鋼軌制式的車型分A、B和C型共3種。在我國南方幾個城市客流量較大的線路較多地采用A型車，主要集中在上海、南京、廣州和深圳等城市，其余線路大多采用B型車，如圖9所示。

輕軌模式比較適合中小城市，對于大城市近郊或與地鐵接駁的線路或組團區域內的線路也是非常合適的。大連、長春、天津、上海等城市已建成100 km多的輕軌線路，除中央導向橡膠輪車輛進口外，其余均為國產車輛。

我國的重慶市素有“山城”之稱，市內建筑密集，城市道路狹小，坡度大，因此比較適宜單軌模式。目前，重慶已建成我國首條跨座式單軌線(較新線)，全長17 km，線路采用預應力混凝土軌道。通過引進、消化、吸收國外技術，采用單軌制式的重慶市軌道交通3號線橡膠輪車輛全部在國內生產。

廣州市建成2條直線電機模式的軌道交通線，車輛在國內生產;北京的首都機場線也是采用直線電機模式，在2008年奧運會前建成并通車試用，車輛采用了國外的技術。

圖8 國內部分城市軌道交通車輛

圖9 國內鋼輪鋼軌制式車型

廣州3.9 km長的APM制式(自動導向軌道系統)線路，采用進口車輛;北京T3航站AGT制式線路的車輛也是國外生產的;天津和上海分別于2007年和2009年建成帶中央導向軌的橡膠輪制式線路，車輛是從國外購買的。

我國除了上海建有一條30 km長的高速磁浮線外，國內尚無中低速的磁浮線，目前車輛尚處于研究開發階段。

縱觀國內城軌交通的現狀可知，我國城市軌道交通的模式是多樣的，但應用最為廣泛的仍然是地鐵模式，以鋼輪鋼軌制式車輛為主，并已基本實現了國產化。輕軌模式一旦被人們所認識，相信會得到較多的應用。至于其他模式，只是在特殊的線路條件、特殊的應用環境下才是可選的模式，目前這些模式的車輛基本通過進口。

我國城市軌道交通發展較晚，因此車輛有可能采用最新的技術，如鋁合金和不銹鋼車體、交流異步傳動、模擬式制動機以及計算機網絡控制等。可以說，就鋼輪鋼軌制式車輛而言，我國的車輛是當今世界城市軌道交通車輛先進技術的集中體現。

3 未來我國城市軌道交通車輛技術展望

據有關資料統計，未來10年我國總計30個城市將建設130條地鐵線路，約3600 km，總投資約16000億元;估計需要25 000輛車輛，6個每年生產600輛車的工廠需生產約7年。

目前，我國車輛采用的是世界上最先進的技術。但是，科學技術在不斷地發展，低碳、節能、環保對車輛技術提出了新的挑戰。

德國、法國以及日本早在10年前就開始研究永磁同步牽引電動機，并已成功地運用于城市軌道交通項目。與異步牽引電動機相比，永磁同步牽引電動機具有轉速平穩、過載能力強、功率因數高、效率高、體積小、重量輕、噪聲低、可靠性高等優點，而且結構多樣化，應用范圍也廣。永磁同步牽引電動機體積小、重量輕，有條件滿足直驅電機轉速低、電機極數相對多的要求，并有可能在有限的空間下增加轉矩，有可能實現直接傳動方式。特別是對于最高運行速度低于160 km/h的車輛，采用直接傳動方式更加充分。實現了直接傳動后，取消了齒輪傳動，使車輛體現節能、高效、輕量等優越性。未來10年，永磁同步牽引技術有望在城市軌道交通車輛上得到推廣應用。我國永磁同步牽引技術尚處在小功率研究階段，為了能與國際接軌，我國不妨引進這一技術，應用到某一城軌項目，通過“引進—消化—吸收”，及早掌握這項技術。

4 結語

車輛是城市軌道交通系統重要的技術裝備，也是技術密集的機電一體化設備。它與城市軌道交通系統中的供電、接觸網(軌)、通信、信號、綜合監控、屏蔽門、土建、線路及軌道等專業有著密切的技術接口，也是相關專業服務的對象，在城市軌道交通系統工程的投資中占有較大比重。因此，合理地選擇車輛的制式及其技術標準，及早地掌握和應用永磁同步牽引技術和低碳、節能、環保技術，是城市軌道交通技術領域面臨的新任務。

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