基于技術(shù)原理的城市軌道交通分類方法研究*

魏慶朝 潘姿華 劉含笑 李 鳴 魏 然

(1. 北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，100044,北京；2. 中科合成油工程股份有限公司，101407,北京//第一作者,教授)

鐵路與城市軌道交通作為道路與鐵道工程學(xué)科中兩個(gè)重要的研究方向已受到越來(lái)越多的關(guān)注。根據(jù)線路的運(yùn)輸性質(zhì)、列車的運(yùn)營(yíng)速度、車輛的牽引傳動(dòng)方式等指標(biāo),鐵路系統(tǒng)建立了明確分類體系，對(duì)鐵路行業(yè)的建設(shè)和經(jīng)營(yíng)具有促進(jìn)作用[1]。相較而言，城市軌道交通發(fā)展起步較晚，隨著運(yùn)營(yíng)環(huán)境變化以及在機(jī)車車輛、牽引供電、通信信號(hào)、基礎(chǔ)設(shè)施等系統(tǒng)技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，其制式的多樣化趨勢(shì)越來(lái)越明顯，并由此帶來(lái)了制式分類標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、城市軌道交通系統(tǒng)分類范圍不明確等問(wèn)題[2]。這些問(wèn)題制約著城市軌道交通與城市間的協(xié)調(diào)發(fā)展，因此有必要對(duì)城市軌道交通分類方法開(kāi)展深入研究。

1 國(guó)內(nèi)外城市軌道交通系統(tǒng)分類概況

1.1 國(guó)外

美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、俄羅斯等是城市軌道交通發(fā)展較早、制式較多的國(guó)家。不同國(guó)家和地區(qū)因城市規(guī)劃和客流需求各異，其軌道交通制式的形成發(fā)展和分類標(biāo)準(zhǔn)呈現(xiàn)出不同特點(diǎn)。

美國(guó)城市都市圈的軌道交通系統(tǒng)十分發(fā)達(dá)，按照服務(wù)范圍和運(yùn)量，可分為通勤鐵路、輕軌鐵路和重軌鐵路3類，此外還有少量的軌道纜車和軌道導(dǎo)向車[3]。其中,通勤鐵路連接市中心與市郊，線路長(zhǎng)度在幾公里至數(shù)十公里不等；輕軌鐵路則與我國(guó)“有軌電車”相似，主要指運(yùn)行在市區(qū)街道上的電氣化軌道車輛，可為一節(jié)或多節(jié)車廂，與路面其它交通方式共用路權(quán)；重軌鐵路是指在城市內(nèi)運(yùn)行的、由一節(jié)或多節(jié)車輛組成的使用信號(hào)系統(tǒng)和高站臺(tái)的大能力電氣化快速鐵路，美國(guó)的地鐵系統(tǒng)就是其中的代表之一。

日本的城市軌道交通系統(tǒng)依據(jù)運(yùn)量分為大量運(yùn)輸能力和中量運(yùn)輸能力兩類；根據(jù)運(yùn)營(yíng)速度、牽引方式等因素將其分為8種類型[4]，其中“大量運(yùn)輸能力”包括日本國(guó)有鐵路和地下鐵道。此外，日本針對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的分類方法中對(duì)“輕軌”的定義與其他國(guó)家稍有不同。日本將在城市郊區(qū)及市區(qū)內(nèi)運(yùn)行，采用混合路面、隔離式軌道或?qū)Ｓ密壍赖南到y(tǒng)稱為“街道電車”，而只有采用現(xiàn)代新技術(shù)的車輛所形成的系統(tǒng)，才稱之為“輕軌交通”[5]。在城市軌道交通發(fā)展初期，日本曾將輕軌交通分為有軌電車、市郊有軌電車、地下鐵道、鐵路電車和新交通系統(tǒng)等5種形式。此分類方法混淆了輕軌交通與其他幾類系統(tǒng)制式的界限，很難有效區(qū)分各交通方式。

德國(guó)針對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)的分類僅限于輕軌交通，該分類方法將有軌電車改造的不同階段分為4個(gè)等級(jí)，并將線路的專用程度、系統(tǒng)的運(yùn)輸能力作為分界條件，而對(duì)于系統(tǒng)整體尚未提出嚴(yán)格的分類標(biāo)準(zhǔn)。

倫敦、巴黎、莫斯科等城市也都建有較為發(fā)達(dá)的城市軌道交通系統(tǒng)，并根據(jù)服務(wù)地區(qū)、運(yùn)行速度、線路形式等加以分類。表1為國(guó)外部分國(guó)家城市軌道交通的分類情況。

表1 國(guó)外部分國(guó)家城市軌道交通系統(tǒng)的分類

1.2 國(guó)內(nèi)

我國(guó)城市軌道交通制式分類主要參照以下兩類標(biāo)準(zhǔn)，分別是CJJ/T 114—2007《城市公共交通分類標(biāo)準(zhǔn)》和JB 104—2008《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》。

CJJ/T 114—2007《城市公共交通分類標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)車輛類型、線路條件、客運(yùn)能力和平均運(yùn)行速度等因素將城市軌道交通系統(tǒng)分為地鐵系統(tǒng)、輕軌系統(tǒng)、單軌系統(tǒng)、有軌電車系統(tǒng)、磁浮系統(tǒng)、自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)和市域快速軌道系統(tǒng)[6],除此之外還包括直線電機(jī)輪軌系統(tǒng)等新型城市軌道交通制式。根據(jù)不同適用條件可以將其進(jìn)行細(xì)化，如表2所示。

表2 我國(guó)城市公共交通系統(tǒng)分類表

JB 104—2008《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》按照運(yùn)量等級(jí)對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行了分類，具體分為高運(yùn)量、大運(yùn)量和中運(yùn)量，并依據(jù)運(yùn)量進(jìn)一步對(duì)線路型式、列車類型和列車最高速度等進(jìn)行劃分[7]，如表3所示。

表3 城市軌道交通系統(tǒng)分類

此外，我國(guó)許多學(xué)者對(duì)城市軌道交通分類問(wèn)題也開(kāi)展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[8]提出應(yīng)從容量、經(jīng)濟(jì)、目的、環(huán)境等方面統(tǒng)籌考慮城市軌道交通制式的選擇；文獻(xiàn)[9]重新界定了牽引方式、導(dǎo)向方式、線路專用程度、系統(tǒng)運(yùn)輸能力、車輛編組方式等內(nèi)容，并將城市軌道交通系統(tǒng)分為城市市郊快速鐵道、地下鐵道、輕軌、單軌、有軌電車,以及由直線電機(jī)牽引的城市軌道交通系統(tǒng)和新型城市軌道交通系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]提出按照運(yùn)量和速度兩個(gè)維度對(duì)城市軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行劃分，并細(xì)化了分類層次。

2 我國(guó)城市軌道交通現(xiàn)有分類標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題

目前，我國(guó)城市軌道交通分類標(biāo)準(zhǔn)仍存在較為顯著的問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下兩方面。

2.1 制式分類標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

在CJJ/T 114—2007《城市公共交通分類標(biāo)準(zhǔn)》中，地鐵與輕軌按照運(yùn)量進(jìn)行劃分；單軌、有軌電車、磁浮、自動(dòng)導(dǎo)軌系統(tǒng)等按照驅(qū)動(dòng)方式或?qū)蚍绞竭M(jìn)行劃分；市域快速軌道交通系統(tǒng)則按照服務(wù)地域范圍進(jìn)行劃分。這種分類方式將運(yùn)量、驅(qū)動(dòng)方式、導(dǎo)向和地域分別作為一項(xiàng)決定性指標(biāo)，很難系統(tǒng)全面地將包含新型軌道交通制式在內(nèi)的城市軌道交通進(jìn)行整體區(qū)分。而JB 104—2008《城市軌道交通工程項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中分類方法的粒度偏大，實(shí)際工程中某些線路主要技術(shù)目標(biāo)可能會(huì)超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)范圍，這就使得一些線路難以按照表3所提供的依據(jù)進(jìn)行歸類，并很難把握其分類標(biāo)準(zhǔn)[11]。

目前,針對(duì)新型城市軌道交通，如直線電機(jī)輪軌交通、單軌交通、自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)等，以運(yùn)量和速度等級(jí)來(lái)進(jìn)行劃分的方式已不能滿足制式劃分需要，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更新速度嚴(yán)重滯后于技術(shù)的發(fā)展，難以對(duì)其制式種類做出精確的評(píng)定。

2.2 分類范圍不明確

相比于管道、航空、水運(yùn)、公路等其它領(lǐng)域的交通方式，城市軌道交通在牽引類型、驅(qū)動(dòng)力來(lái)源、支承和導(dǎo)向載體等方面更加豐富，實(shí)際應(yīng)用中不同制式在原理組合上也更加多變，這也為城市軌道交通的制式分類帶來(lái)難度。

一方面，既有分類標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)獨(dú)立性較差和分類范圍不明確的現(xiàn)狀使得一些線路的重復(fù)統(tǒng)計(jì)率較高。如珠江新城APM線，既是膠輪路軌系統(tǒng)，又是旅客自動(dòng)輸送系統(tǒng)；重慶軌道交通2號(hào)線，既是輕軌系統(tǒng)，又是單軌系統(tǒng)和膠輪路軌系統(tǒng)。此外還有一些線路的分類與稱謂未嚴(yán)格遵照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求，如武漢輕軌1號(hào)線按照制式分類標(biāo)準(zhǔn)屬于地鐵?？梢?jiàn)，利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)很難將這些線路準(zhǔn)確地定位或包含在既有體系中，這就會(huì)導(dǎo)致一條線路可能會(huì)屬于多個(gè)系統(tǒng)的情況，為綜合規(guī)劃各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)工作帶來(lái)不便。

另一方面，隨著客運(yùn)量不斷增大以及服務(wù)范圍的不斷拓展，城市軌道交通制式的設(shè)計(jì)參數(shù)正在逐漸突破既有標(biāo)準(zhǔn)范圍，如輕軌線路運(yùn)量已與地鐵客運(yùn)量相接近，地鐵則逐漸向小編組、小間隔和輕車體方向發(fā)展。

綜上所述，制訂一套能夠清晰表達(dá)系統(tǒng)制式、明確易懂的城市軌道交通制式分類方法將有利于設(shè)計(jì)人員統(tǒng)籌規(guī)劃城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)，以及協(xié)調(diào)城市內(nèi)多種制式軌道交通的建設(shè)，因此極有必要從技術(shù)原理角度對(duì)城市軌道交通的分類方法進(jìn)行深入研究。

3 基于技術(shù)原理的城市軌道交通分類方法

本文以城市軌道交通系統(tǒng)的技術(shù)原理為依據(jù)，提出城市軌道交通系統(tǒng)的新型分類方法。該方法的原則、思路及具體內(nèi)容詳述如下。

3.1 分類原則

為保證分類的科學(xué)性和合理性，本文提出的分類方法應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：

(1) 包容性原則?？紤]城市軌道交通制式多樣化趨勢(shì)，新的分類方法應(yīng)具有包容性和前瞻性，既要滿足不同環(huán)境下對(duì)技術(shù)參數(shù)的選擇，又要與未來(lái)的規(guī)劃和建設(shè)需求相適應(yīng)，為以后的建設(shè)和發(fā)展留有余地。

(2) 指標(biāo)獨(dú)立性原則。為保證制式分類不重不漏，須選取獨(dú)立指標(biāo)，并制定準(zhǔn)確的分類界限。分類指標(biāo)應(yīng)各有側(cè)重，分類方法可以系統(tǒng)而全面地應(yīng)用于制式分類中，為建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)參數(shù)提供明確的依據(jù)。

(3) 慣性原則。城市軌道交通已發(fā)展多年，專業(yè)領(lǐng)域研究者及普通公眾對(duì)如“地鐵”、“輕軌”等稱謂較為熟悉，新的分類方法應(yīng)充分考慮既有分類標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣用法的慣性現(xiàn)象，因此新的分類標(biāo)準(zhǔn)和稱謂應(yīng)注意與現(xiàn)有技術(shù)體系和既有標(biāo)準(zhǔn)間的銜接性和過(guò)渡性。

3.2 分類思路

基于系統(tǒng)角度和城市軌道交通制式類型等決定性因素，本文提出基于驅(qū)動(dòng)方式、車輛支承方式、導(dǎo)向方式和軌道類型等4項(xiàng)指標(biāo)的城市軌道交通分類方法。該分類方法將既有的城市軌道交通制式進(jìn)行劃分，如表4所示。

表4中的分類標(biāo)準(zhǔn)可包含現(xiàn)有全部城市軌道交通系統(tǒng)的類型，具有較強(qiáng)的歸納性和包容性。同時(shí)4類指標(biāo)相互獨(dú)立，既確保了分類后各制式之間的獨(dú)立性，又增強(qiáng)了辨識(shí)度。

表4 城市軌道交通制式分類指標(biāo)及內(nèi)容

(1) 驅(qū)動(dòng)方式。旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是目前應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，其定子和轉(zhuǎn)子均安裝在車輛上，定子包圍著圓筒形的轉(zhuǎn)子，同時(shí)定子形成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩。而直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)可認(rèn)為是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)展成平板狀，將初級(jí)線圈(或者電樞)和次級(jí)線圈(或感應(yīng)板)分別安裝在車輛和軌道側(cè)，并依靠電磁作用而產(chǎn)生推動(dòng)力。中低速磁浮線路采用短定子直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其原理如圖1所示。

圖1 中低速磁浮線路采用的短定子直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

(2) 導(dǎo)向方式。導(dǎo)向方式影響著城市軌道交通系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行和建設(shè)費(fèi)用。鋼輪鋼軌導(dǎo)向具有車輛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本較低和運(yùn)行阻力較小等特點(diǎn)；膠輪導(dǎo)向系統(tǒng)具有爬坡能力強(qiáng)、噪聲較小等特點(diǎn)；電磁導(dǎo)向具有車軌無(wú)接觸、運(yùn)行阻力小和運(yùn)營(yíng)速度高等特點(diǎn)。磁浮系統(tǒng)和單軌系統(tǒng)的導(dǎo)向方式如圖2所示。

(3) 支承方式。支承方式即車輛與行駛軌道的垂直接觸與運(yùn)行方式。鋼輪支承和膠輪支承均是車輛和軌道有實(shí)際接觸，而磁浮支承和氣浮支承則是依靠磁力和氣體實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸支承。

(4) 軌道類型。軌道類型主要由軌道數(shù)目決定。地鐵、輕軌等一般依靠?jī)筛撥夁\(yùn)行，稱為雙軌，采用工字型軌；跨坐式和懸掛式單軌采用單根軌道運(yùn)行，稱為單軌，跨坐式單軌軌道如圖2 c)所示。而槽型軌則特指有軌電車中具有凹槽的鋼軌形式,槽型軌示意如圖3所示。

a) 電磁懸浮導(dǎo)向

c) 跨坐式單軌膠輪導(dǎo)向

圖3 有軌電車槽型軌示意圖

此外，采用“虛擬軌道跟隨控制”技術(shù)的智能軌道快運(yùn)列車通過(guò)各類車載傳感器識(shí)別路面虛擬軌道線路以實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)行[12]。這類新型城市軌道交通在導(dǎo)向方式和軌道類型上與既有制式原理存在很大區(qū)別，在分類時(shí)應(yīng)根據(jù)新技術(shù)的特點(diǎn)作特殊考慮。

3.3 分類方法

考慮以上城市軌道交通系統(tǒng)分類方法的原則和思路，基于技術(shù)原理的分類方法包含以下幾個(gè)步驟。

3.3.1 簡(jiǎn)化分類指標(biāo)命名方式

將驅(qū)動(dòng)方式中“直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、卷?yè)P(yáng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、齒軌驅(qū)動(dòng)”分別簡(jiǎn)化稱為“直驅(qū)、旋驅(qū)、卷驅(qū)、齒驅(qū)”；將支承方式中“鋼輪支承、膠輪支承、磁浮支承、氣浮支承”簡(jiǎn)化為“鋼支、膠支、磁浮、氣浮”；將導(dǎo)向方式中“鋼輪導(dǎo)向、膠輪導(dǎo)向、電磁導(dǎo)向、鋼纜導(dǎo)向、自動(dòng)導(dǎo)向、氣浮導(dǎo)向”分別簡(jiǎn)化稱為“鋼導(dǎo)、膠導(dǎo)、磁導(dǎo)、纜導(dǎo)、自導(dǎo)、氣導(dǎo)”;將軌道類型中“單軌、雙軌(工字型鋼軌)、槽型軌”簡(jiǎn)稱為“單軌、雙軌、槽軌”。針對(duì)新型城市軌道交通系統(tǒng),如“智軌列車”的“虛擬軌道路線”,可簡(jiǎn)稱為“虛軌”。

3.3.2 組合簡(jiǎn)化后命名方式

在簡(jiǎn)化上述分類指標(biāo)后，按“驅(qū)動(dòng)方式+支承方式+導(dǎo)向方式+軌道類型”的方式進(jìn)行排列組合，形成新名稱。這些新名稱與城市軌道交通主要制式間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：①旋鋼雙軌——地鐵、有軌電車；②旋膠雙軌——自動(dòng)導(dǎo)向軌道系統(tǒng)；③旋膠單軌——單軌系統(tǒng)；④直鋼雙軌——直線電機(jī)輪軌系統(tǒng)；⑤直膠單軌——直線電機(jī)單軌系統(tǒng)；⑥直磁單軌——磁浮系統(tǒng)；⑦直氣單軌——直線電機(jī)氣浮軌道交通；⑧卷氣單軌——纜索牽引氣墊交通系統(tǒng)；⑨齒鋼三軌——齒軌系統(tǒng)；⑩旋膠虛軌——“智軌列車”系統(tǒng)。

未來(lái)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式、支承方式、導(dǎo)向方式和軌道類型的不同可形成多種組合方法，為新型城市軌道交通制式留有較大的預(yù)留空間。

3.3.3 命名方法及建議

因上述分類方法與現(xiàn)有制式命名方法在思路、分類指標(biāo)等方面有較大改變，為更好地銜接與適應(yīng)，初始階段給出以下幾點(diǎn)建議：

(1) 對(duì)于線路較多且廣泛使用的地鐵線路仍保持原名稱不變，建議將其余類型的城市軌道交通線路的名稱命名為“×軌”。

(2) 多于2個(gè)字的名稱，可盡量簡(jiǎn)化成2～3個(gè)字：①建議將“磁浮軌道交通系統(tǒng)”簡(jiǎn)稱為“磁軌”；②因有軌電車的命名只含“車”字，與其他命名中包含“鐵”、“軌”等字的稱呼相差較大，為保持統(tǒng)一性，建議簡(jiǎn)稱為槽軌或有軌；③建議將“直線電機(jī)輪軌交通”簡(jiǎn)稱為“直軌”；④建議將“氣浮軌道交通”簡(jiǎn)稱為“氣軌”；⑤建議將“自動(dòng)導(dǎo)向軌道交通”簡(jiǎn)稱為“自導(dǎo)軌”。綜合上述兩點(diǎn)建議，分析現(xiàn)有城市軌道交通制式的主要特點(diǎn)，總結(jié)其簡(jiǎn)化后的命名,如表5所示。

(3) 建議后續(xù)的規(guī)劃統(tǒng)計(jì)工作中，可在保留既有“地鐵××號(hào)線”的稱呼方式的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)技術(shù)分類名稱。如“北京S1線”可再增加“磁軌”的技術(shù)名稱。對(duì)其它新型城市軌道交通系統(tǒng)的簡(jiǎn)化命名則可采用抽取該系統(tǒng)制式特點(diǎn)核心詞并增加后綴的方法，如直線電機(jī)輪軌交通可稱為為直軌，其中含直驅(qū)地鐵和直驅(qū)單軌；直線電機(jī)氣浮軌道交通可稱為直驅(qū)氣軌。對(duì)于城際鐵路、市郊鐵路均可按照該方法進(jìn)行分類;若所討論的系統(tǒng)為快速系統(tǒng)，可在上述命名之前再加“快速”等字樣。

表5 基于技術(shù)原理的城市軌道交通簡(jiǎn)化命名表

(4) 本文所提出的10種簡(jiǎn)化命名代表的是目前應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動(dòng)、支承、導(dǎo)向方式和軌道類型，亦是公眾了解最多的制式名稱。建議以此為主體，在后續(xù)分類命名中，將新型城市軌道交通中與上述基礎(chǔ)制式分類不同的驅(qū)動(dòng)方式、支承方式、導(dǎo)向方式和軌道類型作為定語(yǔ)，以“定語(yǔ)+主體”的方式對(duì)城市軌道交通制式進(jìn)行分類。例如,針對(duì)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的地鐵,可將其命名為“直驅(qū)地鐵”，這樣即可以清晰地分辨出地鐵與直驅(qū)地鐵的不同。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于城市軌道交通系統(tǒng)的技術(shù)原理，建立了以驅(qū)動(dòng)方式、支承方式、導(dǎo)向方式和軌道類型為指標(biāo)的分類體系。該體系可涵蓋城市軌道交通各種制式，具有綜合程度高、分類規(guī)則明確等特點(diǎn)，同時(shí)兼顧內(nèi)容表述精煉和制式特點(diǎn)突出的優(yōu)勢(shì)，可以長(zhǎng)期指導(dǎo)城市軌道交通制式的選擇方向，也便于專業(yè)工作人員及普通公眾迅速區(qū)分各種城市軌道交通制式。

從城市軌道交通總體規(guī)劃的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度來(lái)看，新的分類方法將有利于統(tǒng)籌各類城市軌道交通制式，有利于城市軌道交通多制式的綜合協(xié)調(diào)發(fā)展，同時(shí)在推動(dòng)科學(xué)、先進(jìn)、合理、綜合的城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃和提高統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性方面具有促進(jìn)作用，更適應(yīng)于未來(lái)城市軌道交通多制式發(fā)展趨勢(shì)。