城市轨道交通的分类及定义研究
摘 要: 在分析世界各国已经正式运营、技术成熟的各种轨道的基础上, 从牵引方式、导向方式、线路专用程度、车辆编组形式及系统运输能力等5 个方面界定城市轨道交通, 将城市轨道交通分作7 种类型, 并进行定义, 为城市轨道交通的规划和选型提供理论依据。
关键词: 城市轨道交通; 分类; 定义; 研究
1 城市轨道交通的概况
从1868 年伦敦建成第一条地下铁道以来, 到现在世界上已有36 个国家和地区的78 个城市修建了地下铁道, 总营运线路长达5 500 km 。但由于缺乏统一的标准, 地下铁道有许多不同的名称。英国的第一条地铁由于完全修建在地下, 所以叫做underground rail2 w ay, 译为地下铁道, 后来又叫做m etropo litan rail2 w ay, 译为都市铁道; 德国则称为underground bahn, 简称U 2Bahn, 翻译过来也叫做地下铁道; 日本叫地下铁道(汉字), 也称为都市高速铁道; 本世纪初, 纽约开始修建地铁, 叫做subw ay, 后来又有称为rap id tran2 sit, 是指快速交通, rail rap id tran sit, 简称RR T, 是指快速轨道交通, 也有的称为heavy rap id tran sit, 译为重型轨道交通。为了降低地下铁道工程造价, 许多城市增加了地铁的高架部分, 甚至有的城市地铁以高架为主, 出现了elevated railw ay, 译为高架铁道。
本世纪60 年代, 由于汽车的过度发展, 使城市交通日益恶化, 导致道路阻塞, 车速下降, 能源消耗、交通事故增加, 促使人们重新评价无污染、的有轨电车。德国首先将部分有轨电车线路移到地下, 称为Stadtbahn, 简称S2bahn, 后来在文献中陆续出现se2 m i2m etro 、in terim etro 、p re2m etro, 分别译为半地铁、过渡地铁和准地铁。加拿大称为ligh t rap id tran sit sys2 tem , 译为轻型快速轨道交通系统。而在日本, 这一系统被称为轻快电车。在德国出现的这一轨道交通, 由于其运量介于有轨电车和地铁之间, 具有较强的适应性, 逐渐得到了发展。1978 年国际公共交通联盟正式命名为ligh t rail tran sit, 国内译为轻轨交通。
60 年代初是美国经济繁荣时期, 其人口从1940 年的1.3 亿增加到1960 年的118 亿, 城市人口从7 800 万人增至1.25 亿人。受汽车发展的影响, 公共交通持续衰退, 具有经济实力的人移居郊外, 城市向市郊发展, 市中心则变成低收入的平民区。因此, 在早晚高峰期间, 市中心和郊区间出现了长距离的大客流量, 单纯依靠汽车已不能胜任这一任务。在这种情况下, 美国首先提出发展新交通系统。到90 年代, 新交通系统在发达国家取得了较大进步, 日本称为新交通系统(汉字), 为new tran spo rtation system; 法国出现ligh t au tom ated tran sit system, 简称为VAL 系统, 是自动驾驶的轻型交通系统; 美国称为p eop le mover, 是指大众运输系统。
从运输需求、提高地铁运营效率和降低建设费用的角度出发, 国外开始研究小断面地铁、快速地铁、大深度地铁和城市内的磁浮系统, 可以说城市轨道交通有向多样化发展的趋势。
2 研究城市轨道交通分类和定义的意义
交通运输是城市基本职能和物质基础的重要组成部分, 城市发展与城市交通运输具有相辅相成、相互制约的密切关系。交通运输决定了城市的形成和发展, 在城市形成之后, 则要求交通技术水平与城市发展相适应。
任何一种交通工具的出现都有一定的社会背景, 是城市社会经济发展的结果, 并将随着技术的发展而不断提高。从地下铁道诞生以来的100 多年间, 出现了许多不同类型的轨道交通方式。每一种轨道交通方式都有着不同的特点, 各轨道交通系统相互之间有着复杂的关系, 由于缺乏系统的基础理论研究, 缺乏统一的标准, 因此, 对各种轨道交通存在很多模糊的认识, 不但概念不清楚, 而且叫法也不统一, 统计数据混乱, 给城市轨道交通的规划及选择合理的轨道交通方式带来严重的障碍。因此, 开展城市轨道交通的分类和定义研究具有重要的意义和作用, 不但可以清晰地阐明各种轨道交通的特点, 而且有助于深化对各种轨道交通的了解, 澄清对各种轨道交通的模糊认识, 为确定城市轨道交通的发展模式、为城市轨道交通的选型提供理论依据。
3 国外城市轨道交通的分类研究
对城市轨道交通分类的研究比较少, 日本曾经将轻轨交通分为有轨电车型、市郊有轨电车型、地下铁道型、铁路电车型和新交通系统型等5 种形式。这种分类方法由于缺乏明显的界定范围, 未能反映出各种城市轨道交通的实质和特性。如把有轨电车改造和各种新型交通方式都包括在轻轨交通范围内, 分类不够确切, 过于笼统。德国基本是按照有轨电车改造的不同阶段将轻轨交通分作4 个等级, 将线路的专用程度、系统的运输能力作为分类中的主要界定条件。德国的分类研究只限于轻轨交通, 不能反映城市轨道交通的全貌。美国宾夕法尼亚大学对各种公共交通方式按线路专用程度、系统技术和运营方式3 个特点来进行分类和定义, 这种分类方法的不足之处在于没有考虑城市轨道交通的牵引方式和系统的运输能力。
4 城市轨道交通系统的界定范围
4. 1 城市轨道交通的牵引方式
在城市轨道交通的发展过程中, 牵引方式始终处于非常重要的地位, 牵引动力是城市轨道交通完成运输的基本原动力, 其技术水平的高低、能耗和运价的大小, 一直在轨道交通的发展中占主导地位, 影响着轨道交通运输成本、运行安全和其发展, 最早的地下铁道采用的是蒸汽机车牵引。随着科学技术的发展, 大功率电力器件和电子机的出现, 很快出现了电气牵引的地下铁道。当前世界各国地下铁道和其他城市轨道交通普遍采用直流牵引的馈电方式。这种方式具有调速范围大、调速方便、易于控制、车辆起制动平稳、投资省等优点。它不但适用于车辆上采用的电阻控制, 也适用于斩波调压和变频调压等不同牵引传动系统。只在客流较少的非电气化市郊铁道线路上采用内燃动车组, 以节省投资费用。
4. 2 线路的专用程度
城市轨道交通按线路的专用程度基本上可分为3 种类型: 一是完全隔离的专用线路, 包括隧道和高架, 与其他交通方式互不影响, 因此, 这种系统的车辆具有较高的运行速度, 可以保持较高的准时性和安全性; 二是采用部分隔离的专用线, 这类系统存在部分平面交叉路口, 如轻轨交通在城市中心采用隔离的隧道和高架运行方式, 而在郊区交通并不繁忙的区段, 允许轻轨在地面行驶, 少数平交道口可设置信号装置, 保证轻轨车辆优先通过; 三是采用非隔离的全路面系统, 这是一种混合交通, 如有轨电车, 城市机动车辆可以进入该系统, 由于轨道车辆和机动车混杂行驶, 运行时间增加, 安全也难以保证。
线路的专用程度决定了轨道交通的运营性质、建设投资和系统的服务质量, 比较这3 种类型, 具有全隔离专用线路的系统由于可以采用较多的编组辆数、完善的信号控制、高站台、密闭式车站和先进的自动售检票, 使其具有如下优点: (1) 系统运输能力较大, 运行速度较高, 运营效率较高; (2) 系统服务质量好, 对乘客具有较大的吸引力; (3) 系统安全性最好; (4) 运营费用最低; (5) 更有利于城市的发展, 节省有限的地面空间, 合理地利用地下空间和城市的上部空间; (6) 有利于实现轨道交通系统的自动控制。
全隔离的轨道交通系统最大的缺点是投资费用大, 隧道部分的费用又高于高架部分。正因为这个原因, 全隔离系统的轨道交通路网在城市中延伸的范围受到一定限制。部分隔离的轨道交通系统和全路面系统之间并无明显的界限, 但部分隔离的轨道交通的优点还是比较明显的。
4. 3 城市轨道车辆的导向方式
城市轨道车辆的导向方式基本上分为2 种类型: 一种是由司机操纵在道路上运行的方式, 如公共汽车等是人工导向; 另一种类型是轮轨导向, 轮轨导向又分为钢轮钢轨导向方式和胶轮导向方式2 种。市郊快速铁道、地铁、轻轨、线性电机牵引的系统和有轨电车等均属于钢轮钢轨导向方式, 单轨、导轨交通则是一种特殊的胶轮导向系统。导向方式是城市轨道交通重要的特性之一, 影响着轨道交通系统的结构、运行和建设费用。
轮轨导向与司机人工导向系统相比具有如下优点: (1) 线路宽度尺寸较小; (2) 车辆结构较简单, 特别是钢轮钢轨导向; (3) 车辆运行性能较好; (4) 噪声较小; (5) 运行阻力小, 能耗低, 运营成本低; (6) 安全性、可靠性较高, 容易实现自动控制和自动驾驶。
轮轨导向系统的缺点是与其他交通工具的兼容性较差, 所需建设费用高, 对城市而言缺乏灵活性, 系统改造和建设都有一定难度。
比较钢轮钢轨导向和胶轮导向系统, 在正常气候条件下, 胶轮导向系统牵引性能较好, 线路最大坡道可达70‰, 而且噪声较小, 但胶轮导向在雨雪潮湿的情况下牵引性能并不理想, 运行阻力大, 能耗较高, 导向及转折装置比较复杂, 建设费用较高, 胶轮导向方式只能适用全部专用的线路。
所有的城市轨道系统车辆都可以采用编组运行的方式, 不同的轨道交通系统编组辆数不同。如地下铁道编组可达10 辆, 而有轨电车通常采用单车运行或最多2 辆编组。车辆编组形式影响到轨道交通系统的规模、设备容量及车辆检修用地面积, 影响到轨道交通系统的建设费用, 是轨道交通系统的重要特性之一。车辆的编组形式受车辆类型和运量的影响, 考虑到客流量将逐年增加, 按不同设计年限可以采用不同的编组形式。车辆编组形式通常有全动车编组、动拖车混合编组和单元车组3 种方式。
全动车编组可以根据客流变化, 灵活调整车辆编组辆数, 而且具有整车性能不降低的优点, 轴重分布均匀, 全部可以采用电制动, 易于控制, 反应快, 机械磨损小。但这种编组形式要求每辆都有独立的牵引控制系统, 轴重较大, 电机总功率较大, 耗电量增加, 维修和保养工作量增加。
动拖车混合编组可以根据具体情况, 适当地增加动车和拖车, 电机功率利用率较高, 设备集中, 维修方便, 维修工作量小。但车辆种类增加, 动车轴重较大, 拖车轴重较小, 全列车重量分配不均匀。
所谓单元车组, 是将几辆动车和拖车通过半永久式车钩固定连接成为一个车组, 根据客流量确定列车单元个数的多少。这种编组形式, 可以统一考虑设备布置, 设备数量减少, 设备能得到充分利用, 重量分配均匀, 维修工作量减少。由于列车由几个单元车组组成, 可能造成满载率过高和过低的现象。
4. 5 城市轨道交通系统的运输能力
城市轨道交通系统的运输能力是系统的主要技术指标之一, 是系统选型的主要依据。按运输能力分类, 目前各国还没有统一的标准, 大致可以区分为大运量、中运量和小运量3 个系统。市郊快速铁道、地下铁道属大运量轨道交通系统, 单向高峰小时运量在4 万人次以上; 轻轨、单轨、导轨和线性电机牵引的系统均属于中运量系统, 单向高峰小时运量在1 万人次～ 4 万人次之间; 有轨电车则是小运量轨道交通系统。
城市轨道交通运输能力取决于列车的最大载客量和列车的最短行车间隔时间。列车最大载客量则由车辆定员和列车编组辆数决定, 而车辆定员又因考虑车辆线性尺寸、座席比、每平方米站立人数等舒适性参数有较大差异。最短列车间隔时间则受线路条件、信号设施及控制系统的制约。运输能力与列车运行间隔有极大的关系, 如果最小行车间隔缩短, 则列车通过能力提高, 此时编组辆数减少, 亦可达到相应的运输能力。当然, 这对列车信号控制要求也相应提高。如果说公共交通系统的客流量反映了城市公共交通的客观需求, 运输能力则表示交通系统的实际适应能力, 它取决于列车编组、载客量、行车间隔及公共交通系统的服务质量。
理论研究表明, 车辆行车间隔和车辆载客量还影响到系统的建设费用和乘客的费用。如采用较长的间隔时间和较长的编组则建设费用降低, 但乘客候车时间将增加; 当列车载客量保持一定, 利用缩短行车间隔时间增加运载能力时, 系统的平均费用基本保持不变, 但乘客的平均消耗时间减少, 随着行车间隔时间的继续减少, 列车行车频率太高时运营费用开始增加, 准时性和可靠性下降。
5 城市轨道交通的分类定义
针对国外各种轨道交通方式的特点, 根据城市轨道交通的界定范围, 将那些技术成熟、已经作为城市公共交通正式运营的轨道交通区分为7 种类型, 并定义如下。
5. 1 城市市郊快速铁道
城市市郊快速铁道是由电气或内燃牵引, 轮轨导向, 车辆编组运行在城市中心与市郊、市郊与市郊、市郊与新建城镇间, 以地面专用线路为主的大运量快速轨道交通系统。
5. 2 地下铁道
地下铁道是由电气牵引、轮轨导向、车辆编组运行在全封闭的地下隧道内, 或根据城市的具体条件, 运行在地面或高架线路上的大容量快速轨道交通系统。
根据资料分析, 为了降低工程费用, 地铁系统中地面和高架线路所占的比重越来越大。在世界范围内, 地下铁道地下部分约占70% , 地面和高架部分约占30% , 甚至有的城市地铁系统全部采用高架形式, 只有部分城市地下铁道系统是完全在地下的。地下铁道是遗留下来的一个专有名词。
5. 3 轻轨交通
轻轨交通是在有轨电车基础上起来的电气牵引、轮轨导向、车辆编组运行在专用行车道上的中运量城市轨道交通系统。轻轨交通的运量在公共汽车和地铁之间, 它可以根据城市的特点和具体情况, 采用地下、地面及高架相结合的形式进行建设, 可以降低建设费用, 具有很大的灵活性和适应性。轻轨交通还可以根据客流的需要采用不同车型, 如单车和铰接车组成不同的编组方式。轻轨交通可以按照德国的方法进行分类。
5. 4 单轨交通
单轨交通是由电气牵引、具有特殊导向和转折装置、列车编组运行在专用轨道梁上的中运量轨道交通系统。通常分为跨座式和悬垂式2 种形式, 车辆重心在运行轨面之上的称为跨座式单轨, 在运行轨面之下的称为悬垂式单轨。
5. 5 新交通系统
所谓新交通系统, 目前还没有统一和严密的定义。从广义来讲, 可以认为凡是适应地区多样化的交通需求, 使线路和车辆提供最高的运输效率和良好的服务质量的公共运输系统和设备都是新交通系统, 是那些与现有运输模式不同的各种新交通方式的总称。狭义的新交通系统则定义为, 由电气牵引, 具有特殊导向、操纵和转折方式的胶轮车辆, 单车或数辆编组运行在专用轨道梁上的中运量轨道运输系统。这种轨道运输系统多数设置在道路及公共建筑物的上部空间, 具有中等运量, 能自动行驶。新交通系统从系统运行特征上分析, 也可以称为导轨式交通系统。
5. 6 线性电机牵引的轨道交通系统
线性电机牵引的轨道交通系统是由线性电机牵引, 轮轨导向, 车辆编组运行在小断面隧道、地面和高架专用线路上的中运量轨道交通系统。
之所以将线性电机牵引的轨道交通系统列为独立的系统, 是因为该系统与地下铁道、市郊快速铁道、轻轨有明显的区别。它是利用线性电机在磁场相互作用下, 直接产生牵引力, 属于非粘着驱动, 车轮只起到支承和导向作用。从运输能力上分析, 因采用小型车辆, 属于中运量系统, 使用在地铁中可以称为小断面地铁, 也可以用在高架线路上。
5. 7 有轨电车有轨电车是由电气牵引、轮轨导向、单车或两辆编组运行在城市路面线路上的低运量轨道交通系统。
有轨电车由于采用整体道床, 轨面和路面保持同一水平, 因此机动车辆和行人可以进入, 是一种混合交通。车辆运行速度较低, 行车安全和准时性较差, 运量较小, 单向高峰小时运量通常在1 万人左右。
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