城市單軌交通的發(fā)展與研究重點

薛豪強

（重慶交通大學，重慶 400074）

0 引言

城市單軌交通是列車與特制軌道梁組合成一體運行的中運量軌道系統(tǒng)[1]，其軌道梁不僅是車輛的承重結構，還是車輛運行的導向軌道。傳統(tǒng)的軌道交通指以鋼輪鋼軌為系統(tǒng)的運行方式，主要研究是建立在鋼輪鋼軌基礎上的車輛及軌道關系。單軌交通是采用膠輪與軌道梁接觸的方式運行，以軌道梁為基礎研究車輛系統(tǒng)與軌道梁之間的關系，其研究內容與汽車輪胎和地面接觸關系的研究相似，也與傳統(tǒng)軌道交通研究有關，因此不能單獨作為傳統(tǒng)軌道交通進行分析。

1 單軌交通的發(fā)展情況概述

1.1 國外發(fā)展情況

歐洲和日本是全球運行單軌交通最多的地區(qū)。全球第一條跨座式單軌運行線路于1888年在愛爾蘭實施運營，該單軌是真正用于運送旅客的營業(yè)化單軌交通，采用蒸汽機為動力的單軌列車[2]。1901年，德國工程師浪琴發(fā)明的非對稱走行部的懸掛式單軌列車在德國伍珀塔爾市建成運營[3]。20世紀中期日本第一條單軌交通在上野動物園誕生，該單軌采用橡膠輪胎懸掛式設計。1960年日立公司與研發(fā)ALWEG型單軌系統(tǒng)的德國ALWEGG.m.b.H公司簽訂技術合作協(xié)議，并于1964年成功建成羽田機場跨座式單軌線路。該線路成為第一條正式應用于城市軌道交通的跨座式單軌，驗證單軌交通作為城市軌道交通的可行性。之后，隨著技術的發(fā)展，日本形成獨具特點的城市單軌交通系統(tǒng)。從單軌交通產生以來，全球現運營的單軌鐵路有30多條，其中近20條在亞洲大陸、8條在美洲大陸、1條在非洲、3條在歐洲。全球單軌發(fā)展情況如圖1所示。

1.2 國內發(fā)展情況

我國單軌交通起步較晚，第一條跨座式單軌交通于2005年在重慶開通運營；2016年中車四方公司自主研制的中國首列永磁跨座式單軌列車在青島單軌試驗線成功試行；2016年全球第一列鋰電池動力包的懸掛式軌道列車在成都試運行；2022年全球首條永磁磁浮空軌列車試驗線“興國號”在贛州順利建成；2023年武漢“光谷光子號”開通試運營，是我國首條懸掛式單軌線路投入運營（見圖2）。

圖2 國內單軌交通發(fā)展情況

近年來，我國多個城市也在陸續(xù)開通并運營多條單軌線路，另有18座城市線網規(guī)劃已批復，規(guī)劃總里程超2800km。單軌交通研究方面，2016年中唐空鐵新能源空軌試驗線成功運行；2017年中車青島四方機車建成采用接觸軌供電的試驗線；2018年北京中建在開封建成試驗線。以上3條試驗線在供電制式、道岔類型、墩梁連接方式等方面均存在差異，但3條試驗線測試為商業(yè)運營線的設計比選及優(yōu)化提供了豐富的數據依據。單軌交通在國內交通領域的發(fā)展，促進城市公共交通的多制式，多種交通方式協(xié)同發(fā)展。

2 單軌交通的技術特征與優(yōu)勢

單軌交通根據車輛運行方式與橋梁位置關系可以分為跨座式與懸掛式，一般采用膠輪獨軌的方式運行，主要通過軌道梁系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、車輛轉向架系統(tǒng)的關鍵技術來實現[4]。

2.1 單軌交通的技術特征

2.1.1 獨特的走行方式與轉向架

單軌車輛走行系統(tǒng)主要由轉向架構架、橡膠制的走行輪、導向輪和穩(wěn)定輪組成，另外還包括懸掛減振裝置、驅動裝置及制動裝置等。跨座式軌道列車轉向架位于軌道梁上方外側，除用于驅動走行輪外，還包括在軌道梁兩側的導向輪與穩(wěn)定輪，以確保車輛能平穩(wěn)安全地運行在軌道上[5]。目前，應用最廣泛的跨座式單軌轉向架主要分為日立式雙軸轉向架和龐巴迪單軸轉向架。懸掛式軌道列車車輛懸掛在軌道下方，同樣采用橡膠輪胎，具有保持穩(wěn)定的導向輪與穩(wěn)定輪，轉向架有對稱式和非對稱式的結構，分為Siemens公司H-Bahn模式、三菱公司SAFEGE模式和Langen模式。

2.1.2 車輛與軌道系統(tǒng)的結構設置

依照國內標準，跨座式單軌可根據車輛的尺寸、載客能力、運行速度等分為不同車型。懸掛式單軌車輛在國內外運行的線路較少，所以尚未對懸掛式單軌的車輛型式做出統(tǒng)一分類。

單軌交通最突出的特征是“梁軌合一”，軌道梁既是承載梁，又是列車運行軌道[6]。一般采用預應力混凝土梁或鋼制軌道梁方式，跨座式單軌軌道梁大多是T形設計，車輛位于軌道梁上方。懸掛式的單軌軌道梁則有T形、L形、F形等多種布置方式，如圖3所示，此外，道岔也是軌道系統(tǒng)中關鍵技術之一。軌道設計中，軌道梁除滿足車輛運行要求外，還需在軌道梁建設時增加軌道開關的關鍵技術，用于切換軌道，改變列車行駛方向[7]。

圖3 懸掛式單軌布置形式

2.1.3 車站設計與安全防護

單軌交通車站設計與地鐵車站設計存在差異，單軌交通的大部分線路在高架梁上，車站設置也必須位于高架橋上。另外，在安全防護方面也與傳統(tǒng)軌道交通有較大差異，由于車輛位于高架上，如出現突發(fā)情況，影響人員疏散效率，所以車輛內必須配備相應的安全救生設備如救生滑梯等，或利用相鄰軌道實施救援行動。

2.2 單軌交通的技術優(yōu)勢

2.2.1 充分適應不同城市地貌

單軌交通的車輛采用橡膠輪胎，具有較強的爬坡能力，能通過較小的彎道，曲線半徑最小可達50m，還能繞過或直接穿過城市建筑，因此可以更好地適應城市多變的地形地貌和復雜的地理環(huán)境。

2.2.2 建設成本低且運輸效率高

單軌軌道交通結構緊湊、投資適中、工期短，與傳統(tǒng)地鐵模式相比，其成本約為地鐵的1/3～1/2。重慶使用的大型雙軸式單軌系統(tǒng)與日立雙軸式單軌系統(tǒng)采用8輛編組時容客量約達4萬人，運輸效率高[8]。另外，軌道建設施工時對周邊環(huán)境影響較小，適合客運量中等、地形相對復雜的山地與旅游城市。

2.2.3 環(huán)保且空間利用率高

單軌交通采用橡膠輪胎，車輛行駛時不會產生較大噪聲，且有接觸電網提供動力，避免產生噪聲、廢氣等污染問題。高架支柱體量小，布置在路障之上，占用城市道路資源及空間資源少，合理利用有限的城市空間，適合城市建設，有效減少城市拆遷。車輛內部空間遮擋小，能夠提供良好景觀視野，適合作為觀光旅游的線路鋪設。

3 單軌交通系統(tǒng)的研究重點與問題

根據研究資料與實際運行線路分析，目前研究多集中在跨座式單軌上，關于懸掛式單軌的研究較少，研究內容也多為車輛運行的安全性與穩(wěn)定性，以及車輛動力學理論。

3.1 單軌交通多制式協(xié)同研究

城市軌道交通已向多種制式相結合的趨勢發(fā)展，依據不同城市特點，選取合適的軌道交通制式，能夠為不同城市提供多種公共交通出行方案，促進城市公共交通系統(tǒng)更經濟、科學的發(fā)展。單軌交通可作為城市軌道交通多制式協(xié)同發(fā)展的補充，目前研究中對此方面涉及較少，結合單軌交通的優(yōu)點，可以在城市已有的公共軌道交通基礎上建立起新型的單軌軌道交通系統(tǒng)，由此促進我國軌道交通的多元化發(fā)展。

3.2 單軌列車動力學研究

車輛的穩(wěn)定性與安全性是列車運行過程中最重要的環(huán)節(jié)，車輛動力學的研究是確保車輛能夠平穩(wěn)安全運行的基礎，同時還要使其具有一定的舒適性。在目前的研究中，部分學者只考慮車輛動力學與車橋耦合間的關系，缺乏對橋梁特性分析與車輛動力性能之間的聯(lián)系研究。對于車輛-軌道梁耦合模型建立尚不準確，缺少實測數據參數，還包括風載荷與地震載荷作用下的研究不夠充分、評判標準不完整等問題[9]。在未來的研究中，需著重研究軌道不平順性，以及輪胎與載荷的實測，有助于研究者建立準確的單軌系統(tǒng)模型、軌道特性與車輛動力學性能之間的影響機理。

3.3 輪軌關系及車橋耦合機理研究

單軌列車不同于傳統(tǒng)的鋼輪鋼軌列車，其采用膠輪與混凝土軌面接觸，輪軌關系多為接觸模型，輪軌接觸面積遠大于常規(guī)鐵路。采用簡化的點接觸模型難以獲得準確的輪軌接觸力，影響輪軌系統(tǒng)動力性能評估機理，研究需重新考慮單軌列車輪軌關系。另外，單軌車輛與軌道梁橋之間耦合機理、動力性能評估及關鍵參數優(yōu)化方面尚未展開系統(tǒng)研究，缺乏各種運營條件下的現場試驗。需掌握單軌車橋相互作用機理、耦合作用特性，從而確保單軌交通系統(tǒng)運營安全性、可靠性，使其在我國順利推廣[10]。

3.4 軌道梁與道岔系統(tǒng)研究

軌道與道岔系統(tǒng)是單軌交通系統(tǒng)中關鍵技術之一，因軌道與支撐梁合為一體，要求建立軌道梁結構強度標準，且列車運行過程中軌道梁還需要滿足道岔切換，改變列車方向的需求，因此對軌道梁系統(tǒng)的研究同樣具有重要的意義。

3.5 安全防護與救援模式探索

軌道列車的安全及防護包括車輛結構安全、列車行駛安全、乘客安全救援等。從目前已經開通運營的線路分析，單軌交通安全防護方式較為單一，救援設計不夠合理，無法應對突發(fā)情況。因此，需要針對單軌列車，尤其是跨座式和懸掛式單軌列車設計多種規(guī)模的救援方式，建立單軌交通的安全規(guī)范標準。

4 單軌列車的發(fā)展趨勢與展望

4.1 多種軌道交通制式協(xié)調融合

截至2022年，國內軌道交通總里程已達9584km，其中城市地鐵里程占比約80%，單軌不到10%。由此可知，單軌交通尚存巨大的發(fā)展空間。依據各城市自身的特點，因地制宜地選擇不同方式，合理建設城市公共軌道交通，科學地構建多種層次、多種制式、快慢結合的軌道交通系統(tǒng)。

4.2 智慧化、綠色節(jié)能的單軌運輸體系

隨著人工智能、新能源技術及儲供電技術的不斷進步，智慧化技術已遍布各行各業(yè)，利用車載太陽能供電與能量回收儲能技術，能耗閉環(huán)監(jiān)控、綠色智能供電技術，以及與智慧單軌交通控制系統(tǒng)等多種技術手段結合等方式，將綠色節(jié)能理念完全注入單軌系統(tǒng)各個方面，同時考慮更深層次的互聯(lián)互通模式，智慧單軌將成為全新的、智慧的、多層次互聯(lián)互通的單軌運輸體系。

5 結語

城市的交通通行能力決定了一個城市的經濟發(fā)展速度，國內多個城市相繼推進建設單軌交通，積極探索與現代智慧智能、互聯(lián)互通、綠色節(jié)能的技術理念相結合，預示著單軌交通有著巨大的發(fā)展前景。另外，隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展，城市的交通壓力會不斷增大，基于單軌交通技術特點和優(yōu)勢，可根據城市規(guī)模與特點選擇合適的運行方式，利用高度空間，建立獨立路權，解決地面交通擁擠的問題，在大型城市現有的軌道交通基礎上，推進建設多軌道交通制式融合的城市交通系統(tǒng)，使城市公共交通邁向多元化發(fā)展的階段，助力城市經濟發(fā)展。