城市軌道交通系統(tǒng)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(jié)論是45 min。這就是說，一個城市需要有與之規(guī)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(shè)計制造技術(shù)、性能、功能上都經(jīng)歷了不斷發(fā)展的過程，出現(xiàn)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(tǒng)的城軌車輛采用鋼輪。橡膠輪車輛在轉(zhuǎn)向架上安裝了驅(qū)動和導向橡膠輪，驅(qū)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(shù)，能發(fā)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(guī)的鋼輪鋼軌制式。但是，由于橡膠輪污染環(huán)境、使用壽命短，使得技術(shù)成熟、適應性強的鋼輪鋼軌制式仍然在應用上占絕對優(yōu)勢。各種地鐵車輛見圖1。

現(xiàn)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(shù)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(guī)定的供電電壓標準為直流600、750和1 500 V，我國國標規(guī)定為直流750和1 500 V兩種，多數(shù)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(fā)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(shù)上采取非黏著驅(qū)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(jié)構(gòu)簡單;采用徑向轉(zhuǎn)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(shù)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(yōu)越性。

1.2 輕軌系統(tǒng)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(yè)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(fā)展。

有軌電車系統(tǒng)是輕軌系統(tǒng)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(tǒng)進行技術(shù)改造，建成了新型的有軌電車系統(tǒng)(見圖3)，將線路建成相對獨立或封閉(或半封閉)的形式，將現(xiàn)代科技(包括計算機技術(shù))應用于車輛、通信、信號及供電系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)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(lián)合會(UITP)在布魯塞爾召開會議，將新型有軌電車系統(tǒng)統(tǒng)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(shè)置靈活，最高速度多為60 km/h?，F(xiàn)代輕軌多采用模塊化鉸接式多軸車輛，適應城市中轉(zhuǎn)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(tǒng)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(tǒng)車輛

圖4 單軌車輛及走行裝置

1.3 單軌系統(tǒng)車輛

單軌系統(tǒng)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(tǒng)也有百余年的歷史:早在1821年，英國人P.H.Palmer開發(fā)了單軌線路;1888年，法國人在愛爾蘭鋪設(shè)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(tǒng)，并在德國的伍珀塔市建成了13 km的線路，該系統(tǒng)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(yè)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(tǒng)采用高架線路，分為跨座式和懸掛式兩種，如圖4所示?？缱絾诬壾囕v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(cè)面滾動導向，每一轉(zhuǎn)向架另設(shè)2個穩(wěn)定輪，起穩(wěn)定作用。懸掛式單軌車輛的轉(zhuǎn)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(tǒng)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(huán)境影響小;但是能耗較大，車輛的走行裝置結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(tǒng)，如圖5所示。這是一種自動化程度高的軌道快速客運系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)有中央導向軌和側(cè)向?qū)騼煞N方式。自動導向系統(tǒng)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(nèi)部，或在范圍不大的區(qū)域內(nèi)接駁乘客換乘其他市區(qū)交通。

1.5 中低速磁浮系統(tǒng)車輛

圖5 自動導向系統(tǒng)車輛

圖6 高、中、低速磁浮線車輛

圖7 無人駕駛系統(tǒng)車輛

磁浮交通系統(tǒng)于20世紀60年代分別在德國和日本開始研究。經(jīng)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(tǒng)，如圖6所示。高速系統(tǒng)用于長距離的線路，中、低速系統(tǒng)適用于城市軌道交通。

中低速磁浮軌道系統(tǒng)依靠磁場吸引力或排斥力使車體懸浮;并依靠現(xiàn)代控制技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)穩(wěn)定懸浮;由直線電機驅(qū)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(tǒng)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(yōu)勢越為明顯。

磁浮系統(tǒng)的主要特點是非黏著驅(qū)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(fā)展大致經(jīng)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?！盁o人駕駛系統(tǒng)”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(tǒng)中。

全世界現(xiàn)有30多個機場設(shè)有自動化運輸系統(tǒng)(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(tǒng)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(tǒng)地鐵運輸系統(tǒng)陸續(xù)改造成為全自動無人駕駛系統(tǒng)，而我國上海已建設(shè)的軌道交通10號線就是采用這種模式?？梢?，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(shù)特點主要體現(xiàn)在:有人駕駛時，司機的職能完全由自動化的技術(shù)來替代。在車輛的設(shè)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(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)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(tǒng)，增加了軌道障礙物探測、脫軌檢測以及CCTV視頻系統(tǒng);車門不再由司機控制，而是由ATC(列車自動控制系統(tǒng))進行控制;列車的各主要系統(tǒng)都由OCC(運營指揮中心)遠程監(jiān)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(xiàn)列車高密度運行。

2 我國城市軌道交通車輛的現(xiàn)狀

2.1 我國城市軌道交通的現(xiàn)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(shè)具有交通和人防雙重功能的第一條地下鐵道，開創(chuàng)了我國現(xiàn)代城市軌道交通的先河。限于當時的技術(shù)，采用直流調(diào)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(tǒng)步入了現(xiàn)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(guān)技術(shù)的發(fā)展較慢，離世界水平有相當?shù)木嚯x，特別在車輛、信號等專業(yè)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(shè)周期長，維護費用也高。經(jīng)過10余年的努力，大力開展國產(chǎn)化工作，在采取“引進—消化—吸收”國外技術(shù)措施后，我國城市軌道交通車輛在技術(shù)國產(chǎn)化、自主化方面取得了明顯的效果，基本甩掉了“洋拐棍”，出現(xiàn)了如中國南車和北車集團等6家具有自主設(shè)計、制造、集成能力的車輛生產(chǎn)基地。

2.2 車輛

我國城市軌道交通系統(tǒng)的模式是多樣化的。地鐵模式是國內(nèi)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(qū)域內(nèi)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(chǎn)車輛。

我國的重慶市素有“山城”之稱，市內(nèi)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(shù)，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(nèi)生產(chǎn)。

廣州市建成2條直線電機模式的軌道交通線，車輛在國內(nèi)生產(chǎn);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(shù)。

圖8 國內(nèi)部分城市軌道交通車輛

圖9 國內(nèi)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(tǒng))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(chǎn)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(nèi)尚無中低速的磁浮線，目前車輛尚處于研究開發(fā)階段。

縱觀國內(nèi)城軌交通的現(xiàn)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(xiàn)了國產(chǎn)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(huán)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(fā)展較晚，因此車輛有可能采用最新的技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)控制等?？梢哉f，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(shù)的集中體現(xiàn)。

3 未來我國城市軌道交通車輛技術(shù)展望

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，未來10年我國總計30個城市將建設(shè)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(chǎn)600輛車的工廠需生產(chǎn)約7年。

目前，我國車輛采用的是世界上最先進的技術(shù)。但是，科學技術(shù)在不斷地發(fā)展，低碳、節(jié)能、環(huán)保對車輛技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

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(zhuǎn)速平穩(wěn)、過載能力強、功率因數(shù)高、效率高、體積小、重量輕、噪聲低、可靠性高等優(yōu)點，而且結(jié)構(gòu)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(qū)電機轉(zhuǎn)速低、電機極數(shù)相對多的要求，并有可能在有限的空間下增加轉(zhuǎn)矩，有可能實現(xiàn)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(xiàn)了直接傳動后，取消了齒輪傳動，使車輛體現(xiàn)節(jié)能、高效、輕量等優(yōu)越性。未來10年，永磁同步牽引技術(shù)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(shù)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(shù)，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(shù)。

4 結(jié)語

車輛是城市軌道交通系統(tǒng)重要的技術(shù)裝備，也是技術(shù)密集的機電一體化設(shè)備。它與城市軌道交通系統(tǒng)中的供電、接觸網(wǎng)(軌)、通信、信號、綜合監(jiān)控、屏蔽門、土建、線路及軌道等專業(yè)有著密切的技術(shù)接口，也是相關(guān)專業(yè)服務(wù)的對象，在城市軌道交通系統(tǒng)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(shù)標準，及早地掌握和應用永磁同步牽引技術(shù)和低碳、節(jié)能、環(huán)保技術(shù)，是城市軌道交通技術(shù)領(lǐng)域面臨的新任務(wù)。

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