城市單軌交通的發(fā)展與研究重點(diǎn)

薛豪強(qiáng)

（重慶交通大學(xué)，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(yùn)行的中運(yùn)量軌道系統(tǒng)[1]，其軌道梁不僅是車輛的承重結(jié)構(gòu)，還是車輛運(yùn)行的導(dǎo)向軌道。傳統(tǒng)的軌道交通指以鋼輪鋼軌為系統(tǒng)的運(yùn)行方式，主要研究是建立在鋼輪鋼軌基礎(chǔ)上的車輛及軌道關(guān)系。單軌交通是采用膠輪與軌道梁接觸的方式運(yùn)行，以軌道梁為基礎(chǔ)研究車輛系統(tǒng)與軌道梁之間的關(guān)系，其研究?jī)?nèi)容與汽車輪胎和地面接觸關(guān)系的研究相似，也與傳統(tǒng)軌道交通研究有關(guān)，因此不能單獨(dú)作為傳統(tǒng)軌道交通進(jìn)行分析。

1 單軌交通的發(fā)展情況概述

1.1 國(guó)外發(fā)展情況

歐洲和日本是全球運(yùn)行單軌交通最多的地區(qū)。全球第一條跨座式單軌運(yùn)行線路于1888年在愛(ài)爾蘭實(shí)施運(yùn)營(yíng)，該單軌是真正用于運(yùn)送旅客的營(yíng)業(yè)化單軌交通，采用蒸汽機(jī)為動(dòng)力的單軌列車[2]。1901年，德國(guó)工程師浪琴發(fā)明的非對(duì)稱走行部的懸掛式單軌列車在德國(guó)伍珀塔爾市建成運(yùn)營(yíng)[3]。20世紀(jì)中期日本第一條單軌交通在上野動(dòng)物園誕生，該單軌采用橡膠輪胎懸掛式設(shè)計(jì)。1960年日立公司與研發(fā)ALWEG型單軌系統(tǒng)的德國(guó)ALWEGG.m.b.H公司簽訂技術(shù)合作協(xié)議，并于1964年成功建成羽田機(jī)場(chǎng)跨座式單軌線路。該線路成為第一條正式應(yīng)用于城市軌道交通的跨座式單軌，驗(yàn)證單軌交通作為城市軌道交通的可行性。之后，隨著技術(shù)的發(fā)展，日本形成獨(dú)具特點(diǎn)的城市單軌交通系統(tǒng)。從單軌交通產(chǎn)生以來(lái)，全球現(xiàn)運(yùn)營(yíng)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(guó)內(nèi)發(fā)展情況

我國(guó)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(kāi)通運(yùn)營(yíng)；2016年中車四方公司自主研制的中國(guó)首列永磁跨座式單軌列車在青島單軌試驗(yàn)線成功試行；2016年全球第一列鋰電池動(dòng)力包的懸掛式軌道列車在成都試運(yùn)行；2022年全球首條永磁磁浮空軌列車試驗(yàn)線“興國(guó)號(hào)”在贛州順利建成；2023年武漢“光谷光子號(hào)”開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)，是我國(guó)首條懸掛式單軌線路投入運(yùn)營(yíng)（見(jiàn)圖2）。

圖2 國(guó)內(nèi)單軌交通發(fā)展情況

近年來(lái)，我國(guó)多個(gè)城市也在陸續(xù)開(kāi)通并運(yùn)營(yíng)多條單軌線路，另有18座城市線網(wǎng)規(guī)劃已批復(fù)，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(yàn)線成功運(yùn)行；2017年中車青島四方機(jī)車建成采用接觸軌供電的試驗(yàn)線；2018年北京中建在開(kāi)封建成試驗(yàn)線。以上3條試驗(yàn)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(yàn)線測(cè)試為商業(yè)運(yùn)營(yíng)線的設(shè)計(jì)比選及優(yōu)化提供了豐富的數(shù)據(jù)依據(jù)。單軌交通在國(guó)內(nèi)交通領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)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(shù)特征與優(yōu)勢(shì)

單軌交通根據(jù)車輛運(yùn)行方式與橋梁位置關(guān)系可以分為跨座式與懸掛式，一般采用膠輪獨(dú)軌的方式運(yùn)行，主要通過(guò)軌道梁系統(tǒng)、道岔系統(tǒng)、車輛轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。

2.1 單軌交通的技術(shù)特征

2.1.1 獨(dú)特的走行方式與轉(zhuǎn)向架

單軌車輛走行系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、橡膠制的走行輪、導(dǎo)向輪和穩(wěn)定輪組成，另外還包括懸掛減振裝置、驅(qū)動(dòng)裝置及制動(dòng)裝置等?？缱杰壍懒熊囖D(zhuǎn)向架位于軌道梁上方外側(cè)，除用于驅(qū)動(dòng)走行輪外，還包括在軌道梁兩側(cè)的導(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪，以確保車輛能平穩(wěn)安全地運(yùn)行在軌道上[5]。目前，應(yīng)用最廣泛的跨座式單軌轉(zhuǎn)向架主要分為日立式雙軸轉(zhuǎn)向架和龐巴迪單軸轉(zhuǎn)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(dǎo)向輪與穩(wěn)定輪，轉(zhuǎn)向架有對(duì)稱式和非對(duì)稱式的結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)設(shè)置

依照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，跨座式單軌可根據(jù)車輛的尺寸、載客能力、運(yùn)行速度等分為不同車型。懸掛式單軌車輛在國(guó)內(nèi)外運(yùn)行的線路較少，所以尚未對(duì)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(yùn)行軌道[6]。一般采用預(yù)應(yīng)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(shè)計(jì)，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(guān)鍵技術(shù)之一。軌道設(shè)計(jì)中，軌道梁除滿足車輛運(yùn)行要求外，還需在軌道梁建設(shè)時(shí)增加軌道開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，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(shè)計(jì)與安全防護(hù)

單軌交通車站設(shè)計(jì)與地鐵車站設(shè)計(jì)存在差異，單軌交通的大部分線路在高架梁上，車站設(shè)置也必須位于高架橋上。另外，在安全防護(hù)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(xiàn)突發(fā)情況，影響人員疏散效率，所以車輛內(nèi)必須配備相應(yīng)的安全救生設(shè)備如救生滑梯等，或利用相鄰軌道實(shí)施救援行動(dòng)。

2.2 單軌交通的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.2.1 充分適應(yīng)不同城市地貌

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

2.2.2 建設(shè)成本低且運(yùn)輸效率高

單軌軌道交通結(jié)構(gòu)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(shí)容客量約達(dá)4萬(wàn)人，運(yùn)輸效率高[8]。另外，軌道建設(shè)施工時(shí)對(duì)周邊環(huán)境影響較小，適合客運(yùn)量中等、地形相對(duì)復(fù)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(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大噪聲，且有接觸電網(wǎng)提供動(dòng)力，避免產(chǎn)生噪聲、廢氣等污染問(wèn)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(shè)，有效減少城市拆遷。車輛內(nèi)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(shè)。

3 單軌交通系統(tǒng)的研究重點(diǎn)與問(wèn)題

根據(jù)研究資料與實(shí)際運(yùn)行線路分析，目前研究多集中在跨座式單軌上，關(guān)于懸掛式單軌的研究較少，研究?jī)?nèi)容也多為車輛運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，以及車輛動(dòng)力學(xué)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(jié)合的趨勢(shì)發(fā)展，依據(jù)不同城市特點(diǎn)，選取合適的軌道交通制式，能夠?yàn)椴煌鞘刑峁┒喾N公共交通出行方案，促進(jìn)城市公共交通系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)、科學(xué)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(bǔ)充，目前研究中對(duì)此方面涉及較少，結(jié)合單軌交通的優(yōu)點(diǎn)，可以在城市已有的公共軌道交通基礎(chǔ)上建立起新型的單軌軌道交通系統(tǒng)，由此促進(jìn)我國(guó)軌道交通的多元化發(fā)展。

3.2 單軌列車動(dòng)力學(xué)研究

車輛的穩(wěn)定性與安全性是列車運(yùn)行過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)，車輛動(dòng)力學(xué)的研究是確保車輛能夠平穩(wěn)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)，同時(shí)還要使其具有一定的舒適性。在目前的研究中，部分學(xué)者只考慮車輛動(dòng)力學(xué)與車橋耦合間的關(guān)系，缺乏對(duì)橋梁特性分析與車輛動(dòng)力性能之間的聯(lián)系研究。對(duì)于車輛-軌道梁耦合模型建立尚不準(zhǔn)確，缺少實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)參數(shù)，還包括風(fēng)載荷與地震載荷作用下的研究不夠充分、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不完整等問(wèn)題[9]。在未來(lái)的研究中，需著重研究軌道不平順性，以及輪胎與載荷的實(shí)測(cè)，有助于研究者建立準(zhǔn)確的單軌系統(tǒng)模型、軌道特性與車輛動(dòng)力學(xué)性能之間的影響機(jī)理。

3.3 輪軌關(guān)系及車橋耦合機(jī)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(guān)系多為接觸模型，輪軌接觸面積遠(yuǎn)大于常規(guī)鐵路。采用簡(jiǎn)化的點(diǎn)接觸模型難以獲得準(zhǔn)確的輪軌接觸力，影響輪軌系統(tǒng)動(dòng)力性能評(píng)估機(jī)理，研究需重新考慮單軌列車輪軌關(guān)系。另外，單軌車輛與軌道梁橋之間耦合機(jī)理、動(dòng)力性能評(píng)估及關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化方面尚未展開(kāi)系統(tǒng)研究，缺乏各種運(yùn)營(yíng)條件下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。需掌握單軌車橋相互作用機(jī)理、耦合作用特性，從而確保單軌交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)安全性、可靠性，使其在我國(guó)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(guān)鍵技術(shù)之一，因軌道與支撐梁合為一體，要求建立軌道梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，且列車運(yùn)行過(guò)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(duì)軌道梁系統(tǒng)的研究同樣具有重要的意義。

3.5 安全防護(hù)與救援模式探索

軌道列車的安全及防護(hù)包括車輛結(jié)構(gòu)安全、列車行駛安全、乘客安全救援等。從目前已經(jīng)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的線路分析，單軌交通安全防護(hù)方式較為單一，救援設(shè)計(jì)不夠合理，無(wú)法應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。因此，需要針對(duì)單軌列車，尤其是跨座式和懸掛式單軌列車設(shè)計(jì)多種規(guī)模的救援方式，建立單軌交通的安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

4 單軌列車的發(fā)展趨勢(shì)與展望

4.1 多種軌道交通制式協(xié)調(diào)融合

截至2022年，國(guó)內(nèi)軌道交通總里程已達(dá)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(jù)各城市自身的特點(diǎn)，因地制宜地選擇不同方式，合理建設(shè)城市公共軌道交通，科學(xué)地構(gòu)建多種層次、多種制式、快慢結(jié)合的軌道交通系統(tǒng)。

4.2 智慧化、綠色節(jié)能的單軌運(yùn)輸體系

隨著人工智能、新能源技術(shù)及儲(chǔ)供電技術(shù)的不斷進(jìn)步，智慧化技術(shù)已遍布各行各業(yè)，利用車載太陽(yáng)能供電與能量回收儲(chǔ)能技術(shù)，能耗閉環(huán)監(jiān)控、綠色智能供電技術(shù)，以及與智慧單軌交通控制系統(tǒng)等多種技術(shù)手段結(jié)合等方式，將綠色節(jié)能理念完全注入單軌系統(tǒng)各個(gè)方面，同時(shí)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(yùn)輸體系。

5 結(jié)語(yǔ)

城市的交通通行能力決定了一個(gè)城市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市相繼推進(jìn)建設(shè)單軌交通，積極探索與現(xiàn)代智慧智能、互聯(lián)互通、綠色節(jié)能的技術(shù)理念相結(jié)合，預(yù)示著單軌交通有著巨大的發(fā)展前景。另外，隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展，城市的交通壓力會(huì)不斷增大，基于單軌交通技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)城市規(guī)模與特點(diǎn)選擇合適的運(yùn)行方式，利用高度空間，建立獨(dú)立路權(quán)，解決地面交通擁擠的問(wèn)題，在大型城市現(xiàn)有的軌道交通基礎(chǔ)上，推進(jìn)建設(shè)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(jīng)濟(jì)發(fā)展。