城市軌道交通的分類及定義研究

摘　要: 在分析世界各國已經正式運營、技術成熟的各種軌道交通的基礎上, 從牽引方式、導向方式、線路專用程度、車輛編組形式及系統運輸能力等5 個方面界定城市軌道交通, 將城市軌道交通分作7 種類型, 并進行定義, 為城市軌道
交通的規劃和選型提供理論依據。關鍵詞: 城市軌道交通; 分類; 定義; 研究
1　城市軌道交通的發展概況
從1868 年倫敦建成第一條地下鐵道以來, 到現在世界上已有36 個國家和地區的78 個城市修建了地下鐵道, 總營運線路長達5 500 km 。但由于缺乏統一的標準, 地下鐵道有許多不同的名稱。英國的第一條地鐵由于完全修建在地下, 所以叫做underground rail2 w ay, 譯為地下鐵道, 后來又叫做m etropo litan rail2 w ay, 譯為都市鐵道; 德國則稱為underground bahn, 簡稱U 2Bahn, 翻譯過來也叫做地下鐵道; 日本叫地下鐵道(漢字), 也稱為都市高速鐵道; 本世紀初, 紐約開始修建地鐵, 叫做subw ay, 后來又有稱為rap id tran2 sit, 是指快速交通, rail rap id tran sit, 簡稱RR T, 是指快速軌道交通, 也有的文獻稱為heavy rap id tran sit, 譯為重型軌道交通。為了降低地下鐵道工程造價, 許多城市增加了地鐵的高架部分, 甚至有的城市地鐵以高架為主, 出現了elevated railw ay, 譯為高架鐵道。
本世紀60 年代, 由于汽車的過度發展, 使城市交通日益惡化, 導致道路阻塞, 車速下降, 能源消耗、交通事故增加, 促使人們重新評價無污染、經濟的有軌電車。德國首先將部分有軌電車線路移到地下, 稱為Stadtbahn, 簡稱S2bahn, 后來在文獻中陸續出現se2 m i2m etro 、in terim etro 、p re2m etro, 分別譯為半地鐵、過渡地鐵和準地鐵。加拿大稱為ligh t rap id tran sit sys2 tem , 譯為輕型快速軌道交通系統。而在日本, 這一系統被稱為輕快電車。在德國出現的這一軌道交通, 由于其運量介于有軌電車和地鐵之間, 具有較強的適應性, 逐漸得到了發展。1978 年國際公共交通聯盟正式命名為ligh t rail tran sit, 國內譯為輕軌交通。
60 年代初是美國經濟繁榮時期, 其人口從1940 年的1.3 億增加到1960 年的118 億, 城市人口從7 800 萬人增至1.25 億人。受汽車發展的影響, 公共交通持續衰退, 具有經濟實力的人移居郊外, 城市向市郊發展, 市中心則變成低收入的平民區。因此, 在早晚高峰期間, 市中心和郊區間出現了長距離的大客流量, 單純依靠汽車已不能勝任這一任務。在這種情況下, 美國首先提出發展新交通系統。到90 年代, 新交通系統在工業發達國家取得了較大進步, 日本稱為新交通系統(漢字), 英文為new tran spo rtation system; 法國出現ligh t au tom ated tran sit system, 簡稱為VAL 系統, 是自動駕駛的輕型交通系統; 美國稱為p eop le mover, 是指大眾運輸系統。
從運輸需求、提高地鐵運營效率和降低建設費用的角度出發, 國外開始研究小斷面地鐵、快速地鐵、大深度地鐵和城市內的磁浮系統, 可以說城市軌道交通有向多樣化發展的趨勢。
2　研究城市軌道交通分類和定義的意義
交通運輸是城市基本職能和物質基礎的重要組成部分, 城市發展與城市交通運輸具有相輔相成、相互制約的密切關系。交通運輸決定了城市的形成和發展, 在城市形成之后, 則要求交通技術水平與城市發展相適應。
任何一種交通工具的出現都有一定的社會背景, 是城市社會經濟發展的結果, 并將隨著科學技術的發展而不斷提高。從地下鐵道誕生以來的100 多年間, 出現了許多不同類型的軌道交通方式。每一種軌道交通方式都有著不同的特點, 各軌道交通系統相互之間有著復雜的關系, 由于缺乏系統的基礎理論研究, 缺乏統一的標準, 因此, 對各種軌道交通存在很多模糊的認識, 不但概念不清楚, 而且叫法也不統一, 統計數據混亂, 給城市軌道交通的規劃及選擇合理的軌道交通方式帶來嚴重的障礙。因此, 開展城市軌道交通的分類和定義研究具有重要的意義和作用, 不但可以清晰地闡明各種軌道交通的特點, 而且有助于深化對各種軌道交通的了解, 澄清對各種軌道交通的模糊認識, 為確定城市軌道交通的發展模式、為城市軌道交通的選型提供理論依據。
3　國外城市軌道交通的分類研究
對城市軌道交通分類的研究比較少, 日本曾經將輕軌交通分為有軌電車型、市郊有軌電車型、地下鐵道型、鐵路電車型和新交通系統型等5 種形式。這種分類方法由于缺乏明顯的界定范圍, 未能反映出各種城市軌道交通的實質和特性。如把有軌電車改造和各種新型交通方式都包括在輕軌交通范圍內, 分類不夠確切, 過于籠統。德國基本是按照有軌電車改造的不同階段將輕軌交通分作4 個等級, 將線路的專用程度、系統的運輸能力作為分類中的主要界定條件。德國的分類研究只限于輕軌交通, 不能反映城市軌道交通的全貌。美國賓夕法尼亞大學對各種公共交通方式按線路專用程度、系統技術和運營方式3 個特點來進行分類和定義, 這種分類方法的不足之處在于沒有考慮城市軌道交通的牽引方式和系統的運輸能力。
4　城市軌道交通系統的界定范圍
4. 1　城市軌道交通的牽引方式
在城市軌道交通的發展過程中, 牽引方式始終處于非常重要的地位, 牽引動力是城市軌道交通完成運輸的基本原動力, 其技術水平的高低、能耗和運價的大小, 一直在軌道交通的發展中占主導地位, 影響著軌道交通運輸成本、運行安全和其發展, 最早的地下鐵道采用的是蒸汽機車牽引。隨著科學技術的發展, 大功率電力電子器件和電子計算機的出現, 很快出現了電氣牽引的地下鐵道。當前世界各國地下鐵道和其他城市軌道交通普遍采用直流牽引的饋電方式。這種方式具有調速范圍大、調速方便、易于控制、車輛起制動平穩、投資省等優點。它不但適用于車輛上采用的電阻控制, 也適用于斬波調壓和變頻調壓等不同牽引傳動系統。只在客流較少的非電氣化市郊鐵道線路上采用內燃動車組, 以節省投資費用。
4. 2　線路的專用程度
城市軌道交通按線路的專用程度基本上可分為3 種類型: 一是完全隔離的專用線路, 包括隧道和高架, 與其他交通方式互不影響, 因此, 這種系統的車輛具有較高的運行速度, 可以保持較高的準時性和安全性; 二是采用部分隔離的專用線, 這類系統存在部分平面交叉路口, 如輕軌交通在城市中心采用隔離的隧道和高架運行方式, 而在郊區交通并不繁忙的區段, 允許輕軌在地面行駛, 少數平交道口可設置信號裝置, 保證輕軌車輛優先通過; 三是采用非隔離的全路面系統, 這是一種混合交通, 如有軌電車, 城市機動車輛可以進入該系統, 由于軌道車輛和機動車混雜行駛, 運行時間增加, 安全也難以保證。
線路的專用程度決定了軌道交通的運營性質、建設投資和系統的服務質量, 比較這3 種類型, 具有全隔離專用線路的系統由于可以采用較多的編組輛數、完善的信號控制、高站臺、密閉式車站和先進的自動售檢票, 使其具有如下優點: (1) 系統運輸能力較大, 運行速度較高, 運營效率較高; (2) 系統服務質量好, 對乘客具有較大的吸引力; (3) 系統安全性最好; (4) 運營費用最低; (5) 更有利于城市的發展, 節省有限的地面空間, 合理地利用地下空間和城市的上部空間; (6) 有利于實現軌道交通系統的自動控制。
全隔離的軌道交通系統最大的缺點是投資費用大, 隧道部分的費用又高于高架部分。正因為這個原因, 全隔離系統的軌道交通路網在城市中延伸的范圍受到一定限制。部分隔離的軌道交通系統和全路面系統之間并無明顯的界限, 但部分隔離的軌道交通的優點還是比較明顯的。
4. 3　城市軌道車輛的導向方式
城市軌道車輛的導向方式基本上分為2 種類型: 一種是由司機操縱在道路上運行的方式, 如公共汽車等是人工導向; 另一種類型是輪軌導向, 輪軌導向又分為鋼輪鋼軌導向方式和膠輪導向方式2 種。市郊快速鐵道、地鐵、輕軌、線性電機牽引的系統和有軌電車等均屬于鋼輪鋼軌導向方式, 單軌、導軌交通則是一種特殊的膠輪導向系統。導向方式是城市軌道交通重要的特性之一, 影響著軌道交通系統的結構、運行和建設費用。
輪軌導向與司機人工導向系統相比具有如下優點: (1) 線路寬度尺寸較小; (2) 車輛結構較簡單, 特別是鋼輪鋼軌導向; (3) 車輛運行性能較好; (4) 噪聲較小; (5) 運行阻力小, 能耗低, 運營成本低; (6) 安全性、可靠性較高, 容易實現自動控制和自動駕駛。
輪軌導向系統的缺點是與其他交通工具的兼容性較差, 所需建設費用高, 對城市而言缺乏靈活性, 系統改造和建設都有一定難度。
比較鋼輪鋼軌導向和膠輪導向系統, 在正常氣候條件下, 膠輪導向系統牽引性能較好, 線路最大坡道可達70‰, 而且噪聲較小, 但膠輪導向在雨雪潮濕的情況下牽引性能并不理想, 運行阻力大, 能耗較高, 導向及轉折裝置比較復雜, 建設費用較高, 膠輪導向方式只能適用全部專用的線路。
4. 4　車輛的編組形式
所有的城市軌道交通系統車輛都可以采用編組運行的方式, 不同的軌道交通系統編組輛數不同。如地下鐵道編組可達10 輛, 而有軌電車通常采用單車運行或最多2 輛編組。車輛編組形式影響到軌道交通系統的規模、設備容量及車輛檢修用地面積, 影響到軌道交通系統的建設費用, 是軌道交通系統的重要特性之一。車輛的編組形式受車輛類型和運量的影響, 考慮到客流量將逐年增加, 按不同設計年限可以采用不同的編組形式。車輛編組形式通常有全動車編組、動拖車混合編組和單元車組3 種方式。
全動車編組可以根據客流變化, 靈活調整車輛編組輛數, 而且具有整車性能不降低的優點, 軸重分布均勻, 全部可以采用電制動, 易于控制, 反應快, 機械磨損小。但這種編組形式要求每輛都有獨立的牽引控制系統, 軸重較大, 電機總功率較大, 耗電量增加, 維修和保養工作量增加。
動拖車混合編組可以根據具體情況, 適當地增加動車和拖車, 電機功率利用率較高, 設備集中, 維修方便, 維修工作量小。但車輛種類增加, 動車軸重較大, 拖車軸重較小, 全列車重量分配不均勻。
所謂單元車組, 是將幾輛動車和拖車通過半永久式車鉤固定連接成為一個車組, 根據客流量確定列車單元個數的多少。這種編組形式, 可以統一考慮設備布置, 設備數量減少, 設備能得到充分利用, 重量分配均勻, 維修工作量減少。由于列車由幾個單元車組組成, 可能造成滿載率過高和過低的現象。
4. 5　城市軌道交通系統的運輸能力
城市軌道交通系統的運輸能力是系統的主要技術指標之一, 是系統選型的主要依據。按運輸能力分類, 目前各國還沒有統一的標準, 大致可以區分為大運量、中運量和小運量3 個系統。市郊快速鐵道、地下鐵道屬大運量軌道交通系統, 單向高峰小時運量在4 萬人次以上; 輕軌、單軌、導軌和線性電機牽引的系統均屬于中運量系統, 單向高峰小時運量在1 萬人次～ 4 萬人次之間; 有軌電車則是小運量軌道交通系統。
城市軌道交通運輸能力取決于列車的最大載客量和列車的最短行車間隔時間。列車最大載客量則由車輛定員和列車編組輛數決定, 而車輛定員又因考慮車輛線性尺寸、座席比、每平方米站立人數等舒適性參數有較大差異。最短列車間隔時間則受線路條件、信號設施及控制系統的制約。運輸能力與列車運行間隔有極大的關系, 如果最小行車間隔縮短, 則列車通過能力提高, 此時編組輛數減少, 亦可達到相應的運輸能力。當然, 這對列車信號控制要求也相應提高。如果說公共交通系統的客流量反映了城市公共交通的客觀需求, 運輸能力則表示交通系統的實際適應能力, 它取決于列車編組、載客量、行車間隔及公共交通系統的服務質量。

理論研究表明, 車輛行車間隔和車輛載客量還影響到系統的建設費用和乘客的費用。如采用較長的間隔時間和較長的編組則建設費用降低, 但乘客候車時間將增加; 當列車載客量保持一定, 利用縮短行車間隔時間增加運載能力時, 系統的平均費用基本保持不變, 但乘客的平均消耗時間減少, 隨著行車間隔時間的繼續減少, 列車行車頻率太高時運營費用開始增加, 準時性和可靠性下降。
5　城市軌道交通的分類定義
針對國外各種軌道交通方式的特點, 根據城市軌道交通的界定范圍, 將那些技術成熟、已經作為城市公共交通正式運營的軌道交通區分為7 種類型, 并定義如下。
5. 1　城市市郊快速鐵道
城市市郊快速鐵道是由電氣或內燃牽引, 輪軌導向, 車輛編組運行在城市中心與市郊、市郊與市郊、市郊與新建城鎮間, 以地面專用線路為主的大運量快速軌道交通系統。
5. 2　地下鐵道
地下鐵道是由電氣牽引、輪軌導向、車輛編組運行在全封閉的地下隧道內, 或根據城市的具體條件, 運行在地面或高架線路上的大容量快速軌道交通系統。
根據資料分析, 為了降低工程費用, 地鐵系統中地面和高架線路所占的比重越來越大。在世界范圍內, 地下鐵道地下部分約占70% , 地面和高架部分約占30% , 甚至有的城市地鐵系統全部采用高架形式, 只有部分城市地下鐵道系統是完全在地下的。地下鐵道是歷史遺留下來的一個專有名詞。
5. 3　輕軌交通
輕軌交通是在有軌電車基礎上發展起來的電氣牽引、輪軌導向、車輛編組運行在專用行車道上的中運量城市軌道交通系統。輕軌交通的運量在公共汽車和地鐵之間, 它可以根據城市的特點和具體情況, 采用地下、地面及高架相結合的形式進行建設, 可以降低建設費用, 具有很大的靈活性和適應性。輕軌交通還可以根據客流的需要采用不同車型, 如單車和鉸接車組成不同的編組方式。輕軌交通可以按照德國的方法進行分類。
5. 4　單軌交通
單軌交通是由電氣牽引、具有特殊導向和轉折裝置、列車編組運行在專用軌道梁上的中運量軌道交通系統。通常分為跨座式和懸垂式2 種形式, 車輛重心在運行軌面之上的稱為跨座式單軌, 在運行軌面之下的稱為懸垂式單軌。
5. 5　新交通系統
所謂新交通系統, 目前還沒有統一和嚴密的定義。從廣義來講, 可以認為凡是適應地區多樣化的交通需求, 使線路和車輛提供最高的運輸效率和良好的服務質量的公共運輸系統和設備都是新交通系統, 是那些與現有運輸模式不同的各種新交通方式的總稱。狹義的新交通系統則定義為, 由電氣牽引, 具有特殊導向、操縱和轉折方式的膠輪車輛, 單車或數輛編組運行在專用軌道梁上的中運量軌道運輸系統。這種軌道運輸系統多數設置在道路及公共建筑物的上部空間, 具有中等運量, 能自動行駛。新交通系統從系統運行特征上分析, 也可以稱為導軌式交通系統。
5. 6　線性電機牽引的軌道交通系統
線性電機牽引的軌道交通系統是由線性電機牽引, 輪軌導向, 車輛編組運行在小斷面隧道、地面和高架專用線路上的中運量軌道交通系統。
之所以將線性電機牽引的軌道交通系統列為獨立的系統, 是因為該系統與地下鐵道、市郊快速鐵道、輕軌有明顯的區別。它是利用線性電機在磁場相互作用下, 直接產生牽引力, 屬于非粘著驅動, 車輪只起到支承和導向作用。從運輸能力上分析, 因采用小型車輛, 屬于中運量系統, 使用在地鐵中可以稱為小斷面地鐵, 也可以用在高架線路上。
5. 7　有軌電車有軌電車是由電氣牽引、輪軌導向、單車或兩輛編組運行在城市路面線路上的低運量軌道交通系統。
現代有軌電車由于采用整體道床, 軌面和路面保持同一水平, 因此機動車輛和行人可以進入, 是一種混合交通。車輛運行速度較低, 行車安全和準時性較差, 運量較小, 單向高峰小時運量通常在1 萬人左右。

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