網絡化運營條件下城市軌道交通的類型及其車輛

馬 立

（中國鐵道科學研究院 工程咨詢有限公司，北京100081）

目前世界各國城市軌道交通類型主要是大運量的常規地鐵，此外，還有直線電機交通系統、單軌交通系統（分為跨坐式和懸掛式2種）、新交通系統（自導向輪胎式交通系統AGT）、現代化低地板有軌電車交通系統和低速常導磁浮交通系統等5種中運量軌道交通類型。

表1給出了截止2012-08，我國大中城市城市軌道交通的營業里程，已達1 779km。

表1 我國城市軌道交通線路營業里程［1］

目前上海、北京、廣州等特大城市，大運量的常規地鐵已經形成了網絡化運營，并且還在不斷地擴大中。在網絡化運營條件下，為了充分發揮地鐵的作用，還需要通過換乘系統，與其他類型的城市軌道交通連接起來，實現互聯互通。無疑，地鐵和其他類型城市軌道交通車輛型式及其車輛的選型是一個非常重要的課題，這關系到網絡化運營效率的發揮。象日本東京的地鐵只有312.6km，但是，總的城市軌道交通多達2 292km，形成了四通八達的網絡化運營，到過東京的人都會感覺到，在東京乘坐城市軌道交通非常便利。同時，城市軌道交通車輛型式的選擇還涉及到車輛的運用、維修、資源共享和城市軌道交通列車的互聯互通。

1 地鐵車輛

1.1 地鐵車輛型式選擇的原則

車輛是城市軌道交通運送乘客的載體，是城市軌道交通系統中的關鍵移動設備。地鐵車輛選型牽涉到載客量大小、運營質量、服務水平、城市環境景觀等諸多方面。合理選擇車輛型式有利于提高系統功能和服務水平，資源共享，節能環保，降低工程建設投資和維修費用等。為此，車輛選型應遵循以下原則：

（1）客流量是車輛選型的依據

決定客流量的主要因素有車輛的型式（A型車或B型車）、列車的編組、運行的間隔、旅行速度等。表2給出不同類型車輛載客量、編組與客流量之間的關系。從表2中可以看到：地鐵A型車主要適用于高峰小時單向客流量4.5～7萬人次的高運量城市軌道交通系統，地鐵B型車和直線電機交通主要適用于高峰小時單向客流量2.5～5萬人次的運量城市軌道交通。

表2 地鐵列車編組、定員與運能參考表

（2）應統籌兼顧現有運營的車輛型式

新線運營車輛的選型，必須兼顧到當前運營線路車輛的型式，以提高車輛的利用率，做到資源共享；同時，也可以減少車輛檢修設備數量和投入，提高設備的利用率和運營效率。

（3）車輛選型應考慮與其他系統的接口

車輛選型還應考慮與其他系統的接口，包括供電系統、通信信號系統、屏蔽門系統等。只有相同的接口條件，才能實現多線共用同一種型式的車輛，為將來的互聯互通打下基礎。

1.2 A型車和B型車的比較分析

目前，我國大多數城市地鐵車輛多選用B型車，如北京、天津、成都、武漢、沈陽、西安等；也有選用A型車的，如上海、廣州、深圳、南京等城市，還有一些城市選用A型車和B型車的，如廣州、深圳，建設中的北京14號線也已決定選用A型車。

（1）地鐵A型車和B型車的主要技術規格

地鐵A型車和B型車主要技術規格列于表3。

表3 A型車和B型車主要技術規格

（2）A型車和B型車的比較

當客流量確定下來，在選用A型車或B型車時，由于它們的主要尺寸不同，將影響到編組的MT（動拖）比和數量、土建規模（隧道大小、車站長度、限界等）以及投資等各個方面。

①當高峰小時斷面客流量大于4.5萬人次時宜選用A型車；高峰小時斷面客流量小于4.5萬人次時宜選用B型車。

②完成相同運量可以選擇A型車或B型車，只是編組不同。4輛編組的A型車列車運量與5輛編組的B型車列車客流量相當，6輛A型車編組列車的運量與8輛B型車編組列車的客流量相當（見表4）。

表4 不同編組的客流量和列車長度

③ 車輛寬度和長度影響到土建工程的規模，也影響到設備限界和建筑限界，包括車輛段的土建規模，如停車庫、檢修庫和洗車庫的長度和寬度，股道數量和車庫面積等。

④在完成相同客流量條件下，不同型式車輛的配置數量也不同，A型車4輛編組時的配置數量約比B型車減少30%；A型車6輛和8輛編組時的配置數量約比B型車減少20%。

⑤運用車輛數、檢修中的車輛數和備用車輛構成車輛總的配置數量。其中，高峰小時開行列車的最多對數（運行間隔小）和列車旅行速度以及折返時間決定運用車輛數。

⑥車輛軸重的增加使得輪軌接觸應力和輪軌間的動作用力相應增加。由于A型車最大軸重為16t，B型車最大軸重為14t，所以，A型車對鋼軌的破壞大于B型車。

2 中運量城市軌道交通型式

當前，國內外實際運營的中運量軌道交通型式，主要有

（1）直線電機作為車輛牽引動力的地鐵（簡稱直線電機交通系統）；

（2）跨坐式和懸掛式單軌交通系統；

（3）新交通系統（自導向輪胎式交通系統AGT）；（4）現代化低地板有軌電車交通系統；

（5）低速常導磁懸浮交通系統等城市軌道交通類型。

目前，世界各國城市軌道交通類型主要是大運量的常規地鐵，但是，直線電機交通系統、單軌交通（跨坐式和懸掛式）系統、新交通系統（自導向輪胎式交通系統AGT）、現代化低地板有軌電車交通系統和低速常導磁浮交通系統等中運量軌道交通類型，其中多數都可選擇大坡度、小半徑曲線等線路，彌補了常規地鐵的先天不足。

表5給出了中運量城市軌道交通型式的應用范圍與特點。它們各有不同特點：直線電機地鐵的小斷面和非黏著驅動；單軌交通系統用于高架線路和車輛使用橡膠輪胎；新交通系統具有自導向系統和無人駕駛功能；現代化低地板有軌電車交通系統列車乘降方便；中低速常導磁懸浮交通系統相對低的噪聲等，其車輛基本結構的不同點主要表現在轉向架的結構上。

表5 中運量城市軌道交通型式的應用范圍與特點

2.1 直線電機交通系統

（1）直線電機車輛驅動系統的構成

直線電機車輛驅動系統不用齒輪裝置，傳動系統由作為直線電機的1次繞組和安裝它的轉向架以及作為直線電機2次繞組的感應板和鋪設它的軌道，再加上控制這個直線電機變壓變頻控制的逆變器構成。這是一種非黏著驅動系統，由1次繞組和2次繞組產生的推力作為牽引力驅動車輛，不通過輪軌間的黏著。

（2）直線電機轉向架

直線電機的轉向架通常有自導向和迫導向2種結構型式，自導向采用轉向架通過曲線時可以加大左右車輪輪徑差的圓弧形踏面和縱向定位剛度小的軸箱支承裝置，通過輪軌間蠕滑力的導向，使輪對沿著曲線運行；迫導向則需要一套連桿機構。這種轉向架多采用小直徑車輪，有利于降低車輛地板面的高度。

（3）軌道和感應板

感應板為直線電機的2次繞組，它鋪設在軌道上。

2.2 跨坐式單軌交通系統

單軌交通系統有跨坐式和懸掛式，跨坐式用得多，這里只敘述跨坐式單軌交通系統。軌道結構和轉向架是單軌交通系統區別于其他型式軌道交通的主要特點。

（1）軌道

架設在混凝土立柱上的預應力混凝土梁（PC梁）作為單軌交通運行的軌道，車輛跨坐在軌道梁上，向前運行。

（2）轉向架

單軌軌道交通車輛轉向架分為動車轉向架和拖車轉向架。

動車轉向架由中央懸掛裝置、走行輪、導向輪、穩定輪、牽引系統（由牽引電動機、連軸器、齒輪傳動裝置等構成）、基礎制動系統、車輛高度調整裝置、橡膠輪胎內壓檢測裝置、三軌受流器、接地裝置、速度傳感器等構成。拖車轉向架則沒有驅動系統的部件。

2.3 自導向輪胎式交通AGT（新交通系統）

自導向輪胎式交通電動車使用橡膠車輪，運行在混凝土專用軌道上、由導軌導向，導軌有設置在軌道側面的，稱之為側導向式，也有設置在軌道中央的，稱之為中央導向式，側導向式用得多。

日本東京都舍人線是一條最新的新交通系統線路，全長9.7km（全部為復線），1997年開工，2008-03-30營業運行，車輛也是最新型的，60輛（5輛／編組×12編組）。

其主要特點為，

（1）為由計算機控制的無人駕駛的新交通系統，側導向式；

（2）線路最大坡度50‰，最小曲線半徑30m；

（3）最高運行速度60km／h，旅行速度29km／h；

（4）剛性3線式受流，側接觸式，三相交流600V；

（5）控制方式為逆變器、變流器控制（帶空重車裝置、再生制動）；

（6）制動方式為電氣指令式電磁直通制動（帶保持制動、停放制動）；

（7）牽引電機為三相鼠籠式感應電動機，額定功率110kW，每編組5臺，自通風。驅動方式為直角可動式、差動齒輪式。

（8）轉向架結構和方式：導向方式為轉向臂（steeering arm）導向方式；轉向方式為平行拉桿式。

2.4 現代化低地板有軌電車交通系統

在歐洲和日本LRT得到廣泛應用，我國也有不少城市已經建成或正在規劃采用這種交通方式，已建成投入運營的有大連、長春等城市，正在規劃的有沈陽、蘇州、北京等城市。使用的車輛稱為現代化的低地板有軌電車，主要結構特點有，

（1）采用小直徑車輪；

（2）不用車軸，采用獨立車輪，以利于實現100%低地板化；

（3）車體的組裝采用標準型模塊化；

（4）控制設備和輔助電源安裝在車頂上，驅動裝置則安裝在車體下部。

（5）無轉向架的車體采用由前后有轉向架的車體浮動鉸接式結構吊裝方式。

（6）車內裝飾，頭車形狀、低地板方式（100%或部分）、編組按照滿足各城市用戶的要求進行設計，提供個性化的車輛。

德國的LRT系統經過多年的發展，目前處于世界領先地位。

作為德國先進性象征的100%低地板車輛的特點是采用獨立車輪而廢棄車軸；利用騰出來的空間實現低地板化，使地板高度（距鋼軌面）降到300～350mm；開發了將小型電動機安裝在轉向架構架上。1999-03日本廣島引進德國Siemens公司制造的超低地板車輛，制造出符合日本國內路況的車輛5000型。如圖1所示。

圖1 5000型100%低地板車輛

主要特點有，

（1）定員153人；

（2）列車長30.520m；

（3）低地板化率100%，地板高330mm；

（4）DC600V接觸網式供電；單臂式，彈簧上升電動下降式受電弓；

（5）最高運行速度60km／h（設計80km／h）；

（6）獨立車輪轉向架，軸距1 800mm ，車輪直徑600mm；

（7）驅動裝置。電機為三相鼠籠型感應電動機100 kW，380V，傳動裝置為直角萬向可撓齒輪連軸器方式，齒數比5.44（49／9）；

（8）控制裝置用IGBT元件的VVVF的逆變器（帶空重車調節功能）；

（9）制動裝置為再生、電阻制動并用的電制動；盤形制動（帶空重車調節功能）；安全制動（磁軌制動），帶停放制動功能；

（10）輔助電源為裝置采用靜止型逆變器和鉛蓄電池；

（11）關門裝置為電動式塞門，帶關門安全裝置，門止擋檢測裝置，光電檢測裝置；

（12）空調裝置為車頂集中式；

（13）ATC裝置為變頻式（帶2點間速度核查式絕對停車）；

（14）列車無線為單路通信；

（15）信息引導裝置為目的地顯示（前面、側面），車內、車外自動廣播，LED式車內引導裝置，票價顯示器。

2.5 低速常導磁浮交通系統（HSST）

低速常導磁浮交通系統采用電磁鐵進行懸浮支承和導向，直線電機驅動，系統由車輛、懸浮和導向系統、驅動和供電系統、通信信號系統、線路和道岔等構成。

HSST特點為運行速度低，噪聲小；車輛輕；高架軌道橋樁設計輕巧；建設成本低；符合環保要求。停車時也可懸浮，起動平穩和具有較高的加減速性能，因此，適合站間距離較短、坡道較大和小曲線多復雜地形的線路。其缺點為直線電機效率較低，相對而言，能耗及運營成本較高；在運輸能力方面，其定員少，編組小。只在特定地形條件下，可作為一種輔助交通工具。

3 結束語

一個大城市或特大城市除了大運量的常規地鐵外，還需要中等運量的城市軌道交通類型，通過換乘系統形成城市軌道交通的運營網絡。我國當前各大城市都是以建設常規地鐵為主，本文提到的5種城市軌道交通型式還應用較少，但是，隨著我國城市化進程的發展和城市軌道交通網絡化的形成，這種中等運量的城市軌道交通必然會得到應用，占有一席之地。

［1］中國城市軌道交通協會信息［J］.2012，2（2）：1-3.