城市軌道交通的分類及定義研究論文
摘 要: 在分析世界各國(guó)已經(jīng)正式運(yùn)營(yíng)、技術(shù)成熟的各種軌道交通的基礎(chǔ)上, 從牽引方式、導(dǎo)向方式、線路專用程度、車輛編組形式及系統(tǒng)運(yùn)輸能力等5 個(gè)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(jìn)行定義, 為城市軌道交通的規(guī)劃和選型提供理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 城市軌道交通; 分類; 定義; 研究
1 城市軌道交通的發(fā)展概況
從1868 年倫敦建成第一條地下鐵道以來, 到現(xiàn)在世界上已有36 個(gè)國(guó)家和地區(qū)的78 個(gè)城市修建了地下鐵道, 總營(yíng)運(yùn)線路長(zhǎng)達(dá)5 500 km 。但由于缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 地下鐵道有許多不同的名稱。英國(guó)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(guó)則稱為underground bahn, 簡(jiǎn)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(jì)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(jiǎn)稱RR T, 是指快速軌道交通, 也有的文獻(xiàn)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(jià), 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(xiàn)了elevated railw ay, 譯為高架鐵道。
本世紀(jì)60 年代, 由于汽車的過度發(fā)展, 使城市交通日益惡化, 導(dǎo)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(píng)價(jià)無污染、經(jīng)濟(jì)的有軌電車。德國(guó)首先將部分有軌電車線路移到地下, 稱為Stadtbahn, 簡(jiǎn)稱S2bahn, 后來在文獻(xiàn)中陸續(xù)出現(xiàn)se2 m i2m etro 、in terim etro 、p re2m etro, 分別譯為半地鐵、過渡地鐵和準(zhǔn)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(tǒng)。而在日本, 這一系統(tǒng)被稱為輕快電車。在德國(guó)出現(xiàn)的這一軌道交通, 由于其運(yùn)量介于有軌電車和地鐵之間, 具有較強(qiáng)的適應(yīng)性, 逐漸得到了發(fā)展。1978 年國(guó)際公共交通聯(lián)盟正式命名為ligh t rail tran sit, 國(guó)內(nèi)譯為輕軌交通。
60 年代初是美國(guó)經(jīng)濟(jì)繁榮時(shí)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(fā)展的影響, 公共交通持續(xù)衰退, 具有經(jīng)濟(jì)實(shí)力的人移居郊外, 城市向市郊發(fā)展, 市中心則變成低收入的平民區(qū)。因此, 在早晚高峰期間, 市中心和郊區(qū)間出現(xiàn)了長(zhǎng)距離的大客流量, 單純依靠汽車已不能勝任這一任務(wù)。在這種情況下, 美國(guó)首先提出發(fā)展新交通系統(tǒng)。到90 年代, 新交通系統(tǒng)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家取得了較大進(jìn)步, 日本稱為新交通系統(tǒng)(漢字), 英文為new tran spo rtation system; 法國(guó)出現(xiàn)ligh t au tom ated tran sit system, 簡(jiǎn)稱為VAL 系統(tǒng), 是自動(dòng)駕駛的輕型交通系統(tǒng); 美國(guó)稱為p eop le mover, 是指大眾運(yùn)輸系統(tǒng)。
從運(yùn)輸需求、提高地鐵運(yùn)營(yíng)效率和降低建設(shè)費(fèi)用的角度出發(fā), 國(guó)外開始研究小斷面地鐵、快速地鐵、大深度地鐵和城市內(nèi)的磁浮系統(tǒng), 可以說城市軌道交通有向多樣化發(fā)展的趨勢(shì)。
2 研究城市軌道交通分類和定義的意義
交通運(yùn)輸是城市基本職能和物質(zhì)基礎(chǔ)的重要組成部分, 城市發(fā)展與城市交通運(yùn)輸具有相輔相成、相互制約的密切關(guān)系。交通運(yùn)輸決定了城市的形成和發(fā)展, 在城市形成之后, 則要求交通技術(shù)水平與城市發(fā)展相適應(yīng)。
任何一種交通工具的出現(xiàn)都有一定的社會(huì)背景, 是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的結(jié)果, 并將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷提高。從地下鐵道誕生以來的100 多年間, 出現(xiàn)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(diǎn), 各軌道交通系統(tǒng)相互之間有著復(fù)雜的關(guān)系, 由于缺乏系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究, 缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 因此, 對(duì)各種軌道交通存在很多模糊的認(rèn)識(shí), 不但概念不清楚, 而且叫法也不統(tǒng)一, 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)混亂, 給城市軌道交通的規(guī)劃及選擇合理的軌道交通方式帶來嚴(yán)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(diǎn), 而且有助于深化對(duì)各種軌道交通的了解, 澄清對(duì)各種軌道交通的模糊認(rèn)識(shí), 為確定城市軌道交通的發(fā)展模式、為城市軌道交通的選型提供理論依據(jù)。
3 國(guó)外城市軌道交通的分類研究
對(duì)城市軌道交通分類的研究比較少, 日本曾經(jīng)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(tǒng)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(shí)質(zhì)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(nèi), 分類不夠確切, 過于籠統(tǒng)。德國(guó)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(gè)等級(jí), 將線路的專用程度、系統(tǒng)的運(yùn)輸能力作為分類中的主要界定條件。德國(guó)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(guó)賓夕法尼亞大學(xué)對(duì)各種公共交通方式按線路專用程度、系統(tǒng)技術(shù)和運(yùn)營(yíng)方式3 個(gè)特點(diǎn)來進(jìn)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(tǒng)的運(yùn)輸能力。
4 城市軌道交通系統(tǒng)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(fā)展過程中, 牽引方式始終處于非常重要的地位, 牽引動(dòng)力是城市軌道交通完成運(yùn)輸?shù)幕驹瓌?dòng)力, 其技術(shù)水平的高低、能耗和運(yùn)價(jià)的大小, 一直在軌道交通的發(fā)展中占主導(dǎo)地位, 影響著軌道交通運(yùn)輸成本、運(yùn)行安全和其發(fā)展, 最早的地下鐵道采用的是蒸汽機(jī)車牽引。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 大功率電力電子器件和電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn), 很快出現(xiàn)了電氣牽引的地下鐵道。當(dāng)前世界各國(guó)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(diào)速范圍大、調(diào)速方便、易于控制、車輛起制動(dòng)平穩(wěn)、投資省等優(yōu)點(diǎn)。它不但適用于車輛上采用的電阻控制, 也適用于斬波調(diào)壓和變頻調(diào)壓等不同牽引傳動(dòng)系統(tǒng)。只在客流較少的非電氣化市郊鐵道線路上采用內(nèi)燃動(dòng)車組, 以節(jié)省投資費(fèi)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(tǒng)的車輛具有較高的運(yùn)行速度, 可以保持較高的準(zhǔn)時(shí)性和安全性; 二是采用部分隔離的專用線, 這類系統(tǒng)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(yùn)行方式, 而在郊區(qū)交通并不繁忙的區(qū)段, 允許輕軌在地面行駛, 少數(shù)平交道口可設(shè)置信號(hào)裝置, 保證輕軌車輛優(yōu)先通過; 三是采用非隔離的全路面系統(tǒng), 這是一種混合交通, 如有軌電車, 城市機(jī)動(dòng)車輛可以進(jìn)入該系統(tǒng), 由于軌道車輛和機(jī)動(dòng)車混雜行駛, 運(yùn)行時(shí)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(yùn)營(yíng)性質(zhì)、建設(shè)投資和系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量, 比較這3 種類型, 具有全隔離專用線路的系統(tǒng)由于可以采用較多的編組輛數(shù)、完善的信號(hào)控制、高站臺(tái)、密閉式車站和先進(jìn)的自動(dòng)售檢票, 使其具有如下優(yōu)點(diǎn): (1) 系統(tǒng)運(yùn)輸能力較大, 運(yùn)行速度較高, 運(yùn)營(yíng)效率較高; (2) 系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量好, 對(duì)乘客具有較大的吸引力; (3) 系統(tǒng)安全性最好; (4) 運(yùn)營(yíng)費(fèi)用最低; (5) 更有利于城市的發(fā)展, 節(jié)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(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)的自動(dòng)控制。
全隔離的軌道交通系統(tǒng)最大的缺點(diǎn)是投資費(fèi)用大, 隧道部分的費(fèi)用又高于高架部分。正因?yàn)檫@個(gè)原因, 全隔離系統(tǒng)的軌道交通路網(wǎng)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(tǒng)和全路面系統(tǒng)之間并無明顯的界限, 但部分隔離的軌道交通的優(yōu)點(diǎn)還是比較明顯的。
4. 3 城市軌道車輛的導(dǎo)向方式
城市軌道車輛的導(dǎo)向方式基本上分為2 種類型: 一種是由司機(jī)操縱在道路上運(yùn)行的方式, 如公共汽車等是人工導(dǎo)向; 另一種類型是輪軌導(dǎo)向, 輪軌導(dǎo)向又分為鋼輪鋼軌導(dǎo)向方式和膠輪導(dǎo)向方式2 種。市郊快速鐵道、地鐵、輕軌、線性電機(jī)牽引的系統(tǒng)和有軌電車等均屬于鋼輪鋼軌導(dǎo)向方式, 單軌、導(dǎo)軌交通則是一種特殊的膠輪導(dǎo)向系統(tǒng)。導(dǎo)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行和建設(shè)費(fèi)用。
輪軌導(dǎo)向與司機(jī)人工導(dǎo)向系統(tǒng)相比具有如下優(yōu)點(diǎn): (1) 線路寬度尺寸較小; (2) 車輛結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單, 特別是鋼輪鋼軌導(dǎo)向; (3) 車輛運(yùn)行性能較好; (4) 噪聲較小; (5) 運(yùn)行阻力小, 能耗低, 運(yùn)營(yíng)成本低; (6) 安全性、可靠性較高, 容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和自動(dòng)駕駛。
輪軌導(dǎo)向系統(tǒng)的缺點(diǎn)是與其他交通工具的兼容性較差, 所需建設(shè)費(fèi)用高, 對(duì)城市而言缺乏靈活性, 系統(tǒng)改造和建設(shè)都有一定難度。
比較鋼輪鋼軌導(dǎo)向和膠輪導(dǎo)向系統(tǒng), 在正常氣候條件下, 膠輪導(dǎo)向系統(tǒng)牽引性能較好, 線路最大坡道可達(dá)70‰, 而且噪聲較小, 但膠輪導(dǎo)向在雨雪潮濕的情況下牽引性能并不理想, 運(yùn)行阻力大, 能耗較高, 導(dǎo)向及轉(zhuǎn)折裝置比較復(fù)雜, 建設(shè)費(fèi)用較高, 膠輪導(dǎo)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(tǒng)車輛都可以采用編組運(yùn)行的方式, 不同的軌道交通系統(tǒng)編組輛數(shù)不同。如地下鐵道編組可達(dá)10 輛, 而有軌電車通常采用單車運(yùn)行或最多2 輛編組。車輛編組形式影響到軌道交通系統(tǒng)的規(guī)模、設(shè)備容量及車輛檢修用地面積, 影響到軌道交通系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用, 是軌道交通系統(tǒng)的重要特性之一。車輛的編組形式受車輛類型和運(yùn)量的影響, 考慮到客流量將逐年增加, 按不同設(shè)計(jì)年限可以采用不同的編組形式。車輛編組形式通常有全動(dòng)車編組、動(dòng)拖車混合編組和單元車組3 種方式。
全動(dòng)車編組可以根據(jù)客流變化, 靈活調(diào)整車輛編組輛數(shù), 而且具有整車性能不降低的優(yōu)點(diǎn), 軸重分布均勻, 全部可以采用電制動(dòng), 易于控制, 反應(yīng)快, 機(jī)械磨損小。但這種編組形式要求每輛都有獨(dú)立的牽引控制系統(tǒng), 軸重較大, 電機(jī)總功率較大, 耗電量增加, 維修和保養(yǎng)工作量增加。
動(dòng)拖車混合編組可以根據(jù)具體情況, 適當(dāng)?shù)卦黾觿?dòng)車和拖車, 電機(jī)功率利用率較高, 設(shè)備集中, 維修方便, 維修工作量小。但車輛種類增加, 動(dòng)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(dòng)車和拖車通過半永久式車鉤固定連接成為一個(gè)車組, 根據(jù)客流量確定列車單元個(gè)數(shù)的多少。這種編組形式, 可以統(tǒng)一考慮設(shè)備布置, 設(shè)備數(shù)量減少, 設(shè)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(gè)單元車組組成, 可能造成滿載率過高和過低的現(xiàn)象。
4. 5 城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)輸能力
城市軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)輸能力是系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)之一, 是系統(tǒng)選型的主要依據(jù)。按運(yùn)輸能力分類, 目前各國(guó)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn), 大致可以區(qū)分為大運(yùn)量、中運(yùn)量和小運(yùn)量3 個(gè)系統(tǒng)。市郊快速鐵道、地下鐵道屬大運(yùn)量軌道交通系統(tǒng), 單向高峰小時(shí)運(yùn)量在4 萬人次以上; 輕軌、單軌、導(dǎo)軌和線性電機(jī)牽引的系統(tǒng)均屬于中運(yùn)量系統(tǒng), 單向高峰小時(shí)運(yùn)量在1 萬人次～ 4 萬人次之間; 有軌電車則是小運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)。
城市軌道交通運(yùn)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(shí)間。列車最大載客量則由車輛定員和列車編組輛數(shù)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(shù)等舒適性參數(shù)有較大差異。最短列車間隔時(shí)間則受線路條件、信號(hào)設(shè)施及控制系統(tǒng)的制約。運(yùn)輸能力與列車運(yùn)行間隔有極大的關(guān)系, 如果最小行車間隔縮短, 則列車通過能力提高, 此時(shí)編組輛數(shù)減少, 亦可達(dá)到相應(yīng)的運(yùn)輸能力。當(dāng)然, 這對(duì)列車信號(hào)控制要求也相應(yīng)提高。如果說公共交通系統(tǒng)的客流量反映了城市公共交通的客觀需求, 運(yùn)輸能力則表示交通系統(tǒng)的實(shí)際適應(yīng)能力, 它取決于列車編組、載客量、行車間隔及公共交通系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)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(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用和乘客的費(fèi)用。如采用較長(zhǎng)的間隔時(shí)間和較長(zhǎng)的編組則建設(shè)費(fèi)用降低, 但乘客候車時(shí)間將增加; 當(dāng)列車載客量保持一定, 利用縮短行車間隔時(shí)間增加運(yùn)載能力時(shí), 系統(tǒng)的平均費(fèi)用基本保持不變, 但乘客的平均消耗時(shí)間減少, 隨著行車間隔時(shí)間的繼續(xù)減少, 列車行車頻率太高時(shí)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用開始增加, 準(zhǔn)時(shí)性和可靠性下降。
5 城市軌道交通的分類定義
針對(duì)國(guó)外各種軌道交通方式的特點(diǎn), 根據(jù)城市軌道交通的界定范圍, 將那些技術(shù)成熟、已經(jīng)作為城市公共交通正式運(yùn)營(yíng)的軌道交通區(qū)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(nèi)燃牽引, 輪軌導(dǎo)向, 車輛編組運(yùn)行在城市中心與市郊、市郊與市郊、市郊與新建城鎮(zhèn)間, 以地面專用線路為主的大運(yùn)量快速軌道交通系統(tǒng)。
5. 2 地下鐵道
地下鐵道是由電氣牽引、輪軌導(dǎo)向、車輛編組運(yùn)行在全封閉的地下隧道內(nèi), 或根據(jù)城市的具體條件, 運(yùn)行在地面或高架線路上的大容量快速軌道交通系統(tǒng)。
根據(jù)資料分析, 為了降低工程費(fèi)用, 地鐵系統(tǒng)中地面和高架線路所占的比重越來越大。在世界范圍內(nèi), 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(tǒng)全部采用高架形式, 只有部分城市地下鐵道系統(tǒng)是完全在地下的。地下鐵道是歷史遺留下來的一個(gè)專有名詞。
5. 3 輕軌交通
輕軌交通是在有軌電車基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電氣牽引、輪軌導(dǎo)向、車輛編組運(yùn)行在專用行車道上的中運(yùn)量城市軌道交通系統(tǒng)。輕軌交通的運(yùn)量在公共汽車和地鐵之間, 它可以根據(jù)城市的特點(diǎn)和具體情況, 采用地下、地面及高架相結(jié)合的形式進(jìn)行建設(shè), 可以降低建設(shè)費(fèi)用, 具有很大的靈活性和適應(yīng)性。輕軌交通還可以根據(jù)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(guó)的方法進(jìn)行分類。
5. 4 單軌交通
單軌交通是由電氣牽引、具有特殊導(dǎo)向和轉(zhuǎn)折裝置、列車編組運(yùn)行在專用軌道梁上的中運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)。通常分為跨座式和懸垂式2 種形式, 車輛重心在運(yùn)行軌面之上的稱為跨座式單軌, 在運(yùn)行軌面之下的稱為懸垂式單軌。
5. 5 新交通系統(tǒng)
所謂新交通系統(tǒng), 目前還沒有統(tǒng)一和嚴(yán)密的定義。從廣義來講, 可以認(rèn)為凡是適應(yīng)地區(qū)多樣化的交通需求, 使線路和車輛提供最高的運(yùn)輸效率和良好的服務(wù)質(zhì)量的公共運(yùn)輸系統(tǒng)和設(shè)備都是新交通系統(tǒng), 是那些與現(xiàn)有運(yùn)輸模式不同的各種新交通方式的總稱。狹義的新交通系統(tǒng)則定義為, 由電氣牽引, 具有特殊導(dǎo)向、操縱和轉(zhuǎn)折方式的膠輪車輛, 單車或數(shù)輛編組運(yùn)行在專用軌道梁上的中運(yùn)量軌道運(yùn)輸系統(tǒng)。這種軌道運(yùn)輸系統(tǒng)多數(shù)設(shè)置在道路及公共建筑物的上部空間, 具有中等運(yùn)量, 能自動(dòng)行駛。新交通系統(tǒng)從系統(tǒng)運(yùn)行特征上分析, 也可以稱為導(dǎo)軌式交通系統(tǒng)。
5. 6 線性電機(jī)牽引的軌道交通系統(tǒng)
線性電機(jī)牽引的軌道交通系統(tǒng)是由線性電機(jī)牽引, 輪軌導(dǎo)向, 車輛編組運(yùn)行在小斷面隧道、地面和高架專用線路上的中運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)。
之所以將線性電機(jī)牽引的軌道交通系統(tǒng)列為獨(dú)立的系統(tǒng), 是因?yàn)樵撓到y(tǒng)與地下鐵道、市郊快速鐵道、輕軌有明顯的區(qū)別。它是利用線性電機(jī)在磁場(chǎng)相互作用下, 直接產(chǎn)生牽引力, 屬于非粘著驅(qū)動(dòng), 車輪只起到支承和導(dǎo)向作用。從運(yùn)輸能力上分析, 因采用小型車輛, 屬于中運(yùn)量系統(tǒng), 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(dǎo)向、單車或兩輛編組運(yùn)行在城市路面線路上的低運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)。
現(xiàn)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(jī)動(dòng)車輛和行人可以進(jìn)入, 是一種混合交通。車輛運(yùn)行速度較低, 行車安全和準(zhǔn)時(shí)性較差, 運(yùn)量較小, 單向高峰小時(shí)運(yùn)量通常在1 萬人左右。
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