我国城市轨道交通发展

任务2　我国城市轨道交通发展

【活动场景】

在城轨车辆生产车间或检修现场教学，或用多媒体展示城市轨道交通的历史发展背景。

【任务要求】

掌握城轨发展历史和新型轨道交通技术的应用。

【知识准备】

（1）我国城市轨道交通的发展

由于历史的原因，新中国成立初期我国城市交通的技术水平一直较低，发展滞缓，设施落后。1980年以后，我国用于城市道路建设的资金比例增加，道路交通设施建设的速度有所加快，但由于近年来我国国民经济的持续高速发展和城市化进程的加速，道路交通设施建设又显滞后，城市交通的拥挤、堵塞、环境污染等已达到相当严重的地步。如果不在城市交通设施建设、管理和新型交通工具等方面采取积极的措施，城市道路交通状况必将进一步恶化，从而制约我国城市经济的发展、人们居住环境的改善和生活质量的提高。根据城市经济与社会发展的客观需求及国外城市交通发展的经验，在我国大中城市建设大、中客运量的轨道交通系统已是刻不容缓的举措。20世纪60年代我国北京已开始修建地铁，北京地铁一期工程全长23.6km，于1969年10月1日建成通车，截至2012年底，国内共有16座城市70条轨道交通线路已经开通运营，总里程达2081.13km，设车站1378座。已开通地铁的城市正逐步完善其路网，在建多条线路。图1.7为广州地铁1号线车辆。我国现已运营的轻轨有：天津、武汉、重庆等，如图1.8、图1.9、1.10所示，分别是天津滨海轻轨车辆、重庆跨座式轻轨车辆和大连新型有轨电车。还有其他一些城市正在修建或策划修建地铁或轻轨，总数达35个，建设线路82条22段，建设里程总计达2016km，建设车站1388座，估算完成总投资约2600亿元。

图1.7　广州地铁1号线车辆

图1.8　天津滨海轻轨车辆

目前，我国对磁悬浮铁路技术的研究还处于初级阶段。经过铁科院、西南交大、国防科大、中科院电工所等单位对常导低速磁悬浮列车的悬浮、导向、推进等关键技术的基础性研究，初步掌握了常导低速磁悬浮稳定悬浮的控制技术。1994年西南交通大学成功地进行了4个座位、自重4t、悬浮高度为8mm、时速为30km的磁悬浮列车试验，之后由铁科院主持、长春客车厂、中科院电工所、国防科技大学参加，共同研制了长6.5m、宽3m、自重4t、内设15个座位的6t单转向架磁悬浮试验车，并在铁科院环行试验线的室内磁悬浮实验线路上成功地进行了试验，于1998年12月通过了铁道部科技成果鉴定。以上这些成绩的取得使我国成为继德、日、英、前苏联、韩国之后第六个研制成功磁悬浮列车的国家。

图1.9　重庆跨座式轻轨车辆

图1.10　大连新型（低地板）有轨电车

我国上海引进德国技术修建了一条常导磁悬浮列车商运示范线，是目前世界上唯一一条用于商业运营的磁悬浮列车线路，于2002年12月31日进行首次试运行，如图1.11所示。该线西起上海地铁2号线龙阳路站南侧，东到浦东国际机场一期航站楼东侧，正线全长29.863km。

图1.11　上海磁悬浮列车

建立城轨交通系统是解决大城市公共交通的根本途径，对于特大城市可以规划建设地下铁路，但由于地铁造价高昂，建设周期长，许多城市的经济实力难以承受，这就给运量适中、造价低廉的轻轨交通的发展带来良好的机遇。国外的经验表明，对于拥有百万左右人口的城市，发展轻轨交通是最为适宜的。表1.3是几种城市公共交通形式的运送能力、服务范围比较的数据。

表1.3　城市公交系统运送能力、服务范围比较表

续表

根据国务院办公厅2003年下发的通知，申报发展地铁的城市应达到的基本条件包括地方财政一般预算收入在100亿元以上，GDP达到1000亿元以上，城区人口在300万人以上。随着城市的发展和城市经济收入的增长，加之城市拥堵问题的日益严重，正迎来轨道交通大规模发展的局面，城市公交形成以轨道交通为骨干，其他交通方式为辅佐，形成一个包括地上、地面和地下多种交通模式的现代化的公共交通体系。

（2）城市轨道交通发展新趋势

1）新交通系统

自动导轨运输系统（Automated Guideway Transit，AGT）就中文意义而言，是“新运输系统”的意思，主要取义于这种系统乃近10余年间才发展而成的，并追求高度的自动化新颖科学技术，有别于传统的运输技术。

为了解决城市交通所出现的拥挤、堵塞、噪声与废气污染等日趋严重的问题，自20世纪60年代末以来，日本、美国、法国和加拿大等国家开发了多种不同的驱动方式、控制方式、运输需要的所谓新交通系统，也称导轨系统，旨在改善城市公共客运，与小汽车竞争。新交通系统是一种全自动、有导向轨导向的快速客运系统，车辆在专用道路上定时自动运行，站上无人管理，完全由中央调度室的电子计算机集中控制，自动化程度相当高；新交通系统采用高架专用轨道，适用于大坡道和小曲线半径的线路，采用橡胶车轮，噪声低，安全性好，占地面积小，建设费用比地铁低，因此，新交通系统是一种节省人力和费用的有轨快速客运系统。

有导向轨的新交通系统的车辆外形类似于公共汽车，采用电力驱动、橡胶轮走行，在全隔离的专用走行道上行驶，并设有专用的导向轨导向。车辆的导向有两种方式：一种为中央导向，在线路的中央设导向轨条，对应于车辆底架下部伸出的导向轮，在车辆走行时，导向轮紧贴导向轨滚动而实现车辆的导向，这种方式的导向轨凸出在线路的中央沿着线路向前延伸。另一种为侧面导向，在车辆走行装置的外侧装设水平的导向轮，在走行道两侧矮墙上装设导向轨滚道。当车辆走行时，车辆前后两侧的导向轮沿着导向轨滚动，从而实现车辆的自动导向，日本东京1995年12月新开通的临海线新交通系统就是采用侧面导向方式。另外，日本还有一条设置导向轮的专线公共汽车，其专用轨道与道路相互衔接，车辆可以沿着导向轨在专用高架轨道和一般道路上进行连续行驶。这种交通路线属于公共汽车导向系统。

新交通系统一般均采用全自动列车运行控制技术，无人驾驶，通过电子计算机进行运行调度控制管理。列车自动控制装置（ATC）、车-地间的信号交换是通过设于轨道的环线轨道电路和设于列车前部及后部的天线之间进行的。由ATC系统向列车提供限制速度信息，列车上的计算机算出略低于限制速度的目标速度，使列车始终保持该速度运行。站内空位停车环线提供车站定位停车信息，由线路获得的信息和车辆自身的信息进行逻辑运算，向列车运行控制、制动装置发出相应指令。全自动列车运行控制系统还同时控制运行中车门的开闭、报站广播、运行方向的转换等。

新交通系统与独轨铁路有许多相同之处，如采用高架专用轨道，适用于大坡道和小曲线半径线路，建设费用比地铁低，车辆大都采用橡胶轮胎，噪声低、安全性好等。它们既可用于博览游乐场、机场的内部运输，也可用于一般公共交通。新交通系统一般每小时单向运能5000～10000人次，列车编组2～6辆，属中等运量的城轨交通方式。现在世界上运营的新交通系统约有20余条线路，总长约200km，其中，日本约占一半。日本因土地短缺，需要一种占地面积小、自动化程度高、既节省人力又节省费用的轨道交通作为连接新老城区的交通工具。

新交通系统与独轨铁路相比，其不同之处体现在以下几个方面：

①新交通系统的车辆一般较小，车长大部分在5～12m，列车编组辆数也少，因此其运能比独轨铁路略低。

②从日照、景观、建设成本等方面作比较，独轨铁路比新交通系统更为有利。

③新交通系统自动化程度更高，可实现无人自动运转，独轨铁路在列车和车站一般均有工作人员管理。

④新交通系统导向机构简单，道岔动作时间短，维修简单方便，独轨铁路转向架、道岔结构复杂、维修困难。

2）线性电机车辆

线性电机车辆采用直线电机作为牵引动力。直线电机为线性异步感应电动机的简称，它改变传统电机旋转运动方式为直线运动方式，其工作原理与一般的旋转式感应电动机类似，可看成是将旋转电机沿半径方向剖开展平，定子部分在用硅钢片叠压成扁平形状的铁芯上，放入两层叠绕的三相线圈构成，沿纵向固定安装于车辆底架下部或转向架构架下部。而转子部分亦展平变为一条感应轨，铺设在两走行轨之间，一般由铝板或铝合金制成的外壳和铁芯组成，如图1.12所示。定子与转子感应轨之间应保持8～10mm间隙，当通过交流电流时，由于磁场的相互作用产生推力，轨道车辆采用直线电机就是利用该力驱动车辆运行或使车辆制动，从而突破了长期以来依靠轮轨粘着作用传递牵引力的传统技术。

图1.12　线性电机作用原理

线性电机车辆采用交流变频变压控制，取消了传统的旋转电机从旋转运动转换成直线运动所必不可少的一系列机械减速传动机构，既减轻了质量又使结构十分简单，特别是转向架变得很简单，可以采用小轮径的径向转向架。

线性电机车辆的优点为：

①噪声低。由于结构上略去了传统的机械减速传动机构，轮轨间也不传递牵引力和制动力，从而减轻了轮轨间的磨耗，减少了许多噪声源，一般车辆可降低噪声约10dB（A）。

②由于装设线性电机，省去了传统转向架上的悬挂牵引电机与机械传动装置，简化了转向架结构，从而可采用小轮径、带径向机构的转向架，提高车辆通过小半径曲线的能力，降低通过曲线时的轮轨磨耗和尖啸声。同时使车辆的轮廓尺寸减少，减少隧道的土建工程量，降低造价。

③车辆的加减速可靠、磨耗少，爬坡能力强。由于车辆依靠线性电机直接驱动和制动，车轮仅起导向和支承作用，牵引力或制动力直接由轨道上的转子（感应轨）作用于装在车辆底部的定子，所以牵引力或制动力不再受轮轨间的黏着力影响，可产生较高的加、减速度，不会出现车轮空转或滑行现象，还可以在60°的坡道上正常运行或停留。

但是线性电机最大的缺点是效率低，约为旋转电机效率的70％，这是由于线圈与感应轨间的工作气隙较大，导致磁损耗大，线性电机比同样功率的旋转电机耗电量大。为了保证定子线圈与感应轨间的工作气隙不变，对轮轨间的磨耗量、车辆地板面高度控制较严格，因此车辆的制造和维修成本较高；另外需铺设一条与线路等长的感应轨，工艺要求较高，所以工程投资大。目前，线性电机车辆已在加拿大的温哥华、多伦多，美国的底特律，日本的大阪和我国广州等城市的城轨车辆上获得应用，如图1.13所示是广州地铁4号线直线电机车辆。

图1.13　广州地铁4号线直线电机车辆

图1.14　磁悬浮列车的悬浮、推进和导向原理

3）磁悬浮列车

磁悬浮技术源于德国，早在1922年Hermann Kemper就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁浮列车的专利。进入20世纪70年代以后，随着世界工业化国家经济实力的不断增加，为提高交通运输能力以适应其经济发展的需要，德国、日本、美国、加拿大、法国、英国等发达国家相继开始筹划进行磁悬浮运输系统的开发。

磁悬浮技术主要由悬浮系统、推进系统和导向系统3大部分组成，如图1.14所示。尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这3部分的功能均由磁力来完成。

①悬浮系统

目前悬浮系统的设计，可分为两个方向，分别是德国的常导型和日本的超导型。从悬浮技术上讲就是电磁悬浮系统（EMS）和电力悬浮系统（EDS）。如图1.15所示。

图1.15　磁悬浮EMS和EDS原理的差别

电磁悬浮系统（EMS）是一种吸力悬浮系统，是车辆上的电磁铁和导轨相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁反作用将列车浮起。在车辆下部的导向电磁铁与轨道磁铁的反作用下，使车轮与轨道保持一定的侧向距离，实现轮轨在水平方向和垂直方向的无接触支撑和无接触导向。车辆与行车轨道之间的悬浮间隙为10mm，是通过一套高精度电子调整系统得以保证的。此外由于悬浮和导向与列车运行速度无关，所以即使在停车状态下列车仍然可以进入悬浮状态。

图1.16　日本MLX-01磁悬浮列车

电力悬浮系统（EDS）是运动的车辆上的磁铁使导轨产生电流。由于车辆和导轨的缝隙减少时电磁斥力会增大，产生的电磁斥力提供了稳定的车辆支撑和导向。这种车辆必须安装类似车轮一样的装置对车辆的“起飞”和“着陆”进行有效支撑，这是因为EDS在列车速度低于大约40km/h无法保证悬浮。EDS在低温超导技术下得到了很大的发展。图1.16是日本MLX-01磁悬浮列车及导轨。

②推进系统

磁悬浮列车的驱动运用同步直线电动机的原理。车辆下部支撑电磁铁线圈的作用就像是同步直线电动机的励磁线圈，地面轨道内侧的三相移动磁场驱动绕组起到电枢的作用，它就像同步直线电动机的长定子绕组。从电动机的工作原理可以知道，当作为定子的电枢线圈有电时，由于电磁感应而推动电机的转子转动。同样，当沿线布置的变电所向轨道内侧的驱动绕组提供三相调频调幅电力时，由于电磁感应作用承载系统连同列车一起就像电机的“转子”一样被推动作直线运动，从而在悬浮状态下车辆可以完全实现非接触的牵引和制动。

推进系统分为长固定片和短固定片两种。“长固定片”推进系统使用缠绕在导轨上的线性电动机作为高速磁悬浮列车的动力部分，成本昂贵。而“短固定片”推进系统使用缠绕在被动的轨道上的线性感应电动机（LIM），虽然短固定片系统减少了导轨的花费，但由于LIM过于沉重而减少了车辆的有效负载能力，导致了比长固定片系统的高的运营成本和低的潜在收入。

③导向系统

导向系统是一种用测向力来保证悬浮的车辆能够沿着导轨的方向运动。必要的推力与悬浮力相类似，也可分为引力和斥力。在车辆底板上的同一块电磁铁可以同时为导向系统和悬浮系统提供动力，也可采用独立的导向系统电磁铁。

值得注意的是，磁悬浮列车属于地面有轨交通运输，与传统机车车辆一样，具有轨道、道岔和车辆转向架及悬挂系统等结构，但车辆在牵引运行时与轨道之间无机械接触，从根本上克服了传统机车车辆的轮轨粘着限制、机械噪声和磨损等问题，所以它是一种理想的陆上交通工具。

复习思考题

1.何为城市轨道交通？

2.城市轨道交通有哪些种类？

3.常见的城市轨道交通有哪些形式？

4.国内外城轨交通发展现状如何？

5.几种城轨交通各有何优缺点？

6.阐述我国发展城轨交通的必要性。

7.你认为城轨交通的发展方向是什么？

8.分析你所在城市比较合适发展哪一类交通。

项目小结

随着我国经济高速增长，城市化的进程在不断加快，交通拥堵、空气以及噪声污染等问题日趋凸显，优先发展城市公共交通作为解决交通问题的有效途径，已成为全世界的共识。世界各国城市交通发展经验表明：现代城市形成以轨道交通为主，各种公共交通工具协调发展的格局，逐步形成多层次、立体化综合公共交通体系，是解决大城市交通问题的唯一途径。

在城市中使用车辆在固定导轨上运行并主要用于城市客运的交通系统称为城市轨道交通。城市轨道交通的显著特点是运能大、速度快、污染少以及能耗低、占地面积少、舒适性好等。城市轨道交通形式主要有地下铁道、有轨电车、轻轨铁路、市郊铁路、独轨系统、磁悬浮交通系统等。这几种轨道交通形式各具特点，可根据各自城市规划发展和交通需求选择适宜的轨道交通形式。

随着世界科技的进步，如新交通系统、线性电机车辆和磁悬浮列车等新的轨道交通形式不断出现，为解决现代大城市公共交通问题提供了更广阔的选择空间。我国城市公共交通必将以轨道交通作为骨干，以其他交通方式为辅佐，形成一个包括地上、地面和地下多种交通模式的可持续发展的现代化公共交通体系，以促进城市发展的良性循环。

【效果评价】

1.教师的评价

由教师在完成本章学习任务后填写，在相应表格中画“√”。

2.学员的评价

由学员在完成本章学习任务后填写，在相应表格中画“√”。