新型中運量城市公共交通系統的分析與實踐

夏春生

（中車四方車輛有限公司，266111，青島∥教授級高級工程師）

隨著我國經濟的快速發展，城市公共交通呈現多層次、多模式、多制式發展特征。近年來，中運量城市公共交通系統日漸受到世界各城市的青睞，成為大運量城市軌道交通系統和道路公交系統的有力補充。其常見的系統形式主要包括快速公共汽車系統（BRT）、有軌電車系統、單軌交通系統（跨坐式和懸掛式）、中低速磁浮系統、自動導向軌道系統等。

截至2017年12月，我國有14座城市開通運營了20條有軌電車線路，運營線路總長達232 km；天津、上海兩座城市開通了2條膠輪導軌電車，運營線路長度達17.7 km；長沙開通了中低速磁浮列車，運營線路長度達18.5 km。

中運量公共交通系統雖然在運能、運速上不及大運量的軌道交通系統，但相對而言其具有投資小、建設周期短、靈活性高的特點。道路公交系統與中運量公共交通系統相比雖然投資更小、靈活性更高，但是運行速度受實際交通影響波動較大，可靠性不高，舒適性也較差，與大運量和中運量公交系統相比吸引力和競爭力不足。總體而言，中運量公共交通系統在大運量公交系統缺失和覆蓋不足區域，能夠提供較道路公交更大容量、更快速度和更高服務質量的公交出行服務。同時，在財政投資、建設周期和系統靈活性上也具有較大彈性，賦予系統規劃、建設和后期運營調整更多的變化選擇。

1 中運量城市公共交通系統發展的必要性

結合巴黎、上海城市公共交通系統的建設，思考城市發展中等運量公共交通系統，以增加公共交通服務供給，提升公共交通出行服務水平，促進城市空間結構發展，論述中運量公共交通系統發展的必要性。

1.1 國外城市發展中運量公交系統的經驗和路徑

以巴黎為例，巴黎大區是歐洲大陸最大的都市聚集區，面積約12 011 km2，平均半徑為62 km，聚集了約1 169萬人口。巴黎大區有8個省：位于中心的巴黎市通常稱為小巴黎，具有市鎮和省的雙重身份，被劃分為20個城區；圍繞巴黎市的其余7個省形成內外兩個圈層，內圈3個省緊鄰巴黎市，其中大部分地區已經形成和巴黎城區連接的城市圈地區，成為巴黎市的近郊區，外圈的4個省規模較大，城市化地區比較分散。如圖1、圖2所示。

目前，巴黎大區擁有世界上最完備的城市公共交通體系，主要的軌道交通方式有地鐵、市域快速軌道交通（RER）、有軌電車、輕軌等。從總體布局來看，巴黎公共交通為由穿越市區的直徑線與環繞市區的環線組成的放射加環線的布局形式（見圖3）。其中，直徑線可以直接疏散城市中心到郊區的客流及穿過城市中心的客流；環線可以加強中心區域邊緣客流點的聯系，外圍區之間的客流也可以通過環線進行疏解，減輕中心區的交通壓力，有效保證外圍衛星城與市中心的快速聯系。

圖1 巴黎市行政區劃

圖2 巴黎大區行政區劃

根據各種交通工具不同的應用范圍進行交通圈層的劃分，具體分為內外兩層（見圖4的圈線）。

內層包括巴黎大區的1圈和2圈，主要范圍是巴黎市區。在該層內，主要的公共交通方式是地鐵、RER線的市內部分、市區公共汽車、大部分輕軌（T1～T3線）和出租車等。該層內的客流具有流量大、出行距離短、時效性強等特點，因此地鐵等交通系統以其速度快、容量大、停站多等優勢成為居民出行的首選交通方式。

外層為3～6圈，主要的公共交通方式包括有軌電車T4～T8線、RER線、市郊鐵路和郊區公共汽車。其中，有軌電車T4線跨越3圈和4圈；RER線基本上在6圈范圍內即終止；市郊鐵路則穿越6圈并繼續向外延伸，在圈外以直達快速列車的模式運行。外層多為通勤通學客流，出行距離一般較遠，因此RER、市郊鐵路及郊區公共汽車承擔了該層的主要運輸任務。其中，RER雖然為內、外兩個交通層服務，但主要作用是運送大量的市郊乘客，在市中心僅起到輔助地鐵、使郊區乘客快速通過市區的作用，因此其在郊區停站較多，在市區停站反而較少。

由此可以看出，巴黎大區城市公共交通形式多樣，不但有地鐵等大運量交通系統，還有RER、有軌電車等中運量交通系統，對應不同距離，不同交通方式的服務范圍清晰、分工明確、層次清楚、互為補充、覆蓋廣泛，組成一個密集的交通網絡。

圖3 巴黎軌道交通放射加環線布局

圖4巴黎圈層劃分圖

1.2 國內城市發展中運量公交系統的經驗和路徑

以上海為例，目前，上海公共交通系統發展取得顯著成就，已經基本形成了軌道交通為主體、道路公交為基礎的公共交通體系。網絡設施建設方面，2005年至2010年軌道交通運營線路長度由147.8 km增長到452.6 km，運營車輛由695節增加到2 842節，分別增長了206%和309%；道路公交線路條數由940條增加到1 165條，線路長度由21 794 km增長至23 131 km。運營服務方面，公共交通日均運量由924.7萬人次增長至1 285.5萬人次，增幅為40%。這期間，軌道交通運量增長迅速，由162.8萬人次/d增長至516.2萬人次/d，增幅達217%，占公共交通的比例由17.6%提高到40.1%，軌道交通系統網絡化帶來的效益日益凸顯。

但是，公共交通客運規模的增長并未帶來交通出行結構中分擔比例的同步上升，與預期發展目標存在較大差距（7%～8%）。公共交通未能實現以高水平公共交通出行服務模式擴張、整體性解決城市交通問題的預期發展目標：

（1）根據最新規劃，遠景年上海將形成1 006.8 km的軌道交通網絡。按遠景年3 000萬人口規模，公共交通出行方式結構目標比例35%計算，遠景公共交通系統出行需求為3 140萬乘次/d。以1.5萬乘次/km為供給能力上限，軌道交通僅能提供1 510萬乘次/d的運能。剩余1 629萬乘次/d的運輸供給如果全部采取道路公交補充，需要3.65萬公交車輛（是現狀公交車輛規模的2倍）才能滿足需求。如此規模巨大的供需缺口必須考慮發展更集約和高效的中運量公共交通體系來增加運輸供給，完善公共交通體系的供給結構。

（2）上海城市總體發展策略為大力推進郊區新城建設、分流市中心人口，進一步推動人口向外圍郊區聚集的趨勢。有數據統計，2010年與2000年相比，上海人口規模從1 640.1萬增長到2 301.9萬，但中心城區人口僅增長5.6萬，剩余656萬人口增量全部集中于近郊區和遠郊區，近郊區、新城、遠郊區與中心城之間的出行量需要中運量公交體系提供出行服務。

（3）隨著郊區新城的功能逐漸成熟，人口規模達到100萬～200萬時，其交通需求模式將會朝著具備獨立功能的大城市模式演變，自身內部交通出行比例將會逐漸上升，這就需要構建相對獨立的新城自身公共交通體系，以適應出行需求模式的變化。

通過上述分析，結合上海軌道交通網絡發展規劃和巴黎、東京等城市建設，有關專家提出在軌道交通獨立實現公共交通的發展目標存在非常大的不確定性時，有必要考慮在軌道交通之外，發展與道路公交相比具有更大運能、更快速度、更可靠服務的中等運量公交系統，以提升公共交通系統的整體吸引力，共同保障公共交通發展目標的實現。

2 多編組鉸接式膠輪驅動自導向型運輸系統參數分析

目前各型中運量城市公共交通系統的主要技術特征如表1所示。

表1 常見中運量公共交通系統主要技術特征對比表

由表1可以看出，常見的中運量城市軌道交通車輛具有編組靈活、運量較大、旅行速度較高的特點，多采用電力牽引、低地板結構，具有零排放、低噪聲等特點，但轉彎半徑大多在30 m以上，爬坡能力在60‰以內；對于老城區、景區等土地資源緊張的地區，其已經不能提供優質、高效的服務。因此，本文提出一種占地面積小、坡道通過能力強的新型城市公共交通系統——多編組鉸接式膠輪驅動自導向型運輸系統。

該系統定位為中運量城市公共交通運輸，基本服務半徑為2～21 km，單程乘車時間為10～50 min，站間距基本在1 km左右。該系統同城市軌道交通類似，分線路、車輛兩個部分；其中多編組鉸接式膠輪驅動自導向型電車簡稱為導軌電車。

導軌電車相對有軌電車應具有爬坡能力強、轉彎半徑小、制動距離短等特點，同時，相對公交車輛又具有運能大、舒適度高等特點。因此，多編組鉸接式膠輪驅動自導向型運輸系統的主要技術指標應能夠清晰地定位系統特點，同時還應反映本系統城市性的特點，在資源共享、經濟性等方面予以體現。本文主要從系統的線路規劃、車輛參數等指標進行分析。

2.1 最高速度

最高運行速度是指列車在正線區間直線段運行時能夠達到的最高速度。最高運行速度與車輛設計最高速度相符合，低于車輛的構造速度。

從表1可以看出，目前中運量城市公共交通系統的最高運行速度多為80 km/h，這是因為中運量城市公共交通主要服務于城市內部，具有站間距離小、出行距離短、站點較密的特點，對車輛的平均加速度和減速度因舒適度要求，均有限制。在公路工程施工上，城市道路一般設計為80～120 km/h，而車輛在城市運行又多限速在60 km/h，因此，最高運行速度的選擇應考慮既有固定設施建造的一次性，適當留有發展余地。綜合考慮，該系統的最高運行速度定義為80 km/h。

2.2 運輸能力

運輸能力是指按照現有活動設備的數量和容量，在單位時間內（通常是高峰小時）所能運送的乘客數量。

影響線路運輸能力的因素主要有最小追蹤間隔時間、折返站折返能力、列車編組數量、客流量能力富余比例等。根據CJJ/T 114—2007《城市公共交通分類標準》的規定，該系統客運能力應與特大型（鉸接）公共汽車、有軌電車的客運能力相當。該系統最大的運輸能力定義為0.6萬～1.2萬人/h，符合城市公共交通出行量的特點。

2.3 行車間隔

行車間隔是指高峰小時列車在正線上的發車密度。確定行車間隔時，應保持一定的服務水平，維持乘客較好的舒適度和一定的列車滿載率。

根據公交車輛、有軌電車最小行車間隔的調研，該系統最小行車間隔定義為2 min。

2.4 線路條件

（1）最小曲線半徑。線路最小曲線半徑的選擇與線路的性質、行車速度、地形等條件有關。根據GB 50647—2011《城市道路交叉口規劃規范》的規定，城市主干道交叉口轉彎半徑為20～30 m，次干道交叉口轉彎半徑為15～20 m，非次道路交叉口轉彎半徑為10～20 m。為更好地適應城市既有道路，該系統需要滿足次干道交叉口無需擴寬即可運行的需求，系統最小轉彎半徑定義為15 m。

（2）最大爬坡能力。正線最大爬坡能力的取值需要考慮超員工況下列車停在大坡道上，在損失50%動力的情況下依然能夠起動并運行至下一站，或在損失全部動力的情況下可由最近空載列車牽引至相鄰車站。根據CJJ 193—2012《城市道路路線設計規范》的規定，城市道路最大坡度為10%，積雪或冰凍地區的最大縱坡不應大于6.0%。《重慶市城市道路交通規劃及路線設計規范》規定了山區最大縱坡不應大于12%。該系統應適應城市和山區的需要，適當保留設計余量，最大坡度定義為13%。

（3）豎曲線半徑。為緩和變坡點的急劇變化，使列車通過變坡點時產生的附加加速度不超過允許值，相鄰坡道大于一定數值時，應在變坡點處設置圓曲線型豎曲線。根據CJJ 193—2012《城市道路路線設計規范》的規定（見表2），線路的最小豎曲線半徑為150 m。考慮到該系統為鉸接式多編組車輛，在最大程度滿足線路標準的前提下，為提高車輛的平穩性，該系統的最小豎曲線半徑定義為200 m。

表2 機動車道豎曲線最小半徑

2.5 車輛

（1）車輛輪廓尺寸。CJ/T 417《低地板有軌電車車輛通用技術條件》定義車體寬度為2 400 mm或2 650 mm；GB 1589《道路車輛外輪廓尺寸、軸荷及質量限值》定義車體寬度≤2 500 mm。為保證該系統適用于城市混合運行，并考慮到車輛的載重、線路的承載等因素，該系統車體寬度定義為2 400 mm，符合現行軌道交通和公共交通標準要求。

（2）軸重。GB 1589《道路車輛外輪廓尺寸、軸荷及質量限值》規定，車輛最大允許軸荷為11.5 t。考慮到設計成本及運營維護成本，優先選用國家標準輪胎（見表3）。考慮到系統車輛編組結構與自重，車輛選用445/65R22.5標準輪胎，單側單胎布置，車輛軸重控制在11 t以內。

（3）牽引特性。對額定載荷工況下，在干燥、清潔的平直段線路和額定電壓下的牽引特性定義為：

·列車速度從0達到30 km/h的平均加速度不低于 0.90 m/s2；

表3 載重輪胎公制寬基子午線輪胎

·列車速度從0達到60 km/h的平均加速度不低于0.50 m/s2。

（4）制動特性。在額定工況下，列車從最高運行速度到停車的平均制動減速度定義為：

·常用制動：不小于1.3 m/s2；

·平均快速制動：不小于3.5 m/s2；

·最大快速制動：不小于5 m/s2。

（5）電氣參數。優先采用DC 750 V接觸網供電制式。

（6）車體。車體采用整體承載結構，車體結構設計壽命應不小于30年；考慮到車輛的輕量化設計要求，優先考慮鋁合金車體；車體模塊之間應采用貫通道結構連接，以滿足車輛模塊之間的連接、曲線通過與室內貫通的要求。

（7）走行系統。采用龍門式、具備懸掛系統、導向系統的走行部；基礎制動優先選用盤形制動。

（8）車輛主要技術參數。本系統車輛主要技術參數如表4所示。

表4 車輛主要技術參數匯總表

2.6 關鍵技術

該系統在線路、軌道、維修模式等方面與傳統城市公共交通系統有著諸多不同，可能會有不同的標準。本文主要從車輛的角度，介紹車輛的主要關鍵技術。

（1）多編組鉸接式自動導向列車的架構搭建技術。為滿足轉彎半徑、多編組等技術特征，采用膠輪驅動承載、單軌中間導向的模式，建立貫通道鉸接的車輛編組架構，可以實現3～6輛編組的靈活組合。車輛編組架構如圖5所示。

（2）單軌導向、膠輪驅動承載式走行部集成技術。基于胎地耦合的走行部集成技術，具備單軌導向、雙向運行的能力，具有胎地摩擦噪聲低、車輛爬坡能力強、制動距離短的技術特點。

（3）鉸接式車體及鉸接式貫通道編組集成技術。采用鉸接式貫通道編組集成技術，車輛具有轉彎半徑小的技術特點，同時將輪胎設計在貫通道區域，保證了客室內部為100%平地板區，可提高客室利用率。

圖5 列車編組架構圖例

3 多編組鉸接式膠輪驅動自導向型運輸系統的實踐與展望

中車四方車輛有限公司于2014年完成了多編組鉸接式膠輪驅動自導向型運輸系統的研究工作，于2016年成功研制了我國第一列具有完全自主知識產權的導軌電車，并建成國內第一條試驗線。試驗線全長1.5 km，包含10%和12.99%縱向坡道，以及15 m、25 m、40 m的平曲線轉彎半徑和200 m、500 m的豎曲線半徑。首列樣車已在試驗線完成3 000 km試運行考核，運行狀態良好。

多編組鉸接式膠輪驅動自導向型運輸系統符合國家構建多層次、多模式、多制式軌道交通系統的指導思想，滿足國內外市場對高效性運輸、大坡道、小半徑、長編組運輸系統的需求。其以爬坡能力強、轉彎半徑小、線幅占地面積小、施工周期短等技術特點，適用于城市新城內部骨干公交、中小城市第一層次骨干公交、大城市中心城區第二層次公交和特色旅游公交線路的公共交通運輸，滿足不同流量和層次需求，解決軌道交通“最后1 km”出行難題。

參考文獻

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