城市轨道交通各种制式系统

城市轨道交通的基本技术类别和优缺点

城市轨道交通模式种类繁多，分类方法也较多。目前，世界上城市轨道交通

分类大体如下：按构筑物的形态或轨道相对于地面的位置划分为地下铁路、地面

铁路和高架铁路；按列车服务范围划分为传统的城市轨道交通、区域快速铁路和

市郊铁路；按运能等级（大运量、中运量、小运量）及车辆类型可分为地下铁道、

轻轨交通、单轨交通、有轨电车、胶轮地铁、直线电机车辆、中低速磁悬浮（HSST）、磁悬浮；按照列车驱动力可以大致分为轮轨系统和磁悬浮系统两大类，城市铁路、

地铁、轻轨、单轨属于轮轨系统，而直线电机车辆介乎两者之间，原理上属于磁

悬浮系统。

目前，城市铁路、地铁、轻轨、单轨、胶轮地铁、磁悬浮交通等等形式在中

国均有应用，北京13号线被称为国内第一条城市铁路，上海建成了世界上第一

条投入商业运营的磁悬浮线路（其原理图如图2.2.1-1所示），重庆单轨，广州四

号线采用直线电机驱动的车辆，各城市轨道交通模式的选择正在趋于多样化。由

于分类方法很多，而且分类的界限越来越不清晰，下面暂按列车驱动方式分类方

法（即磁悬浮系统和轮轨系统）简要地对各种制式进行比较论述。

1.磁悬浮模式

（1）磁悬浮（TR）

磁悬浮列车分为常导型和超导型两大类。常导型也称常导磁吸型，以德国高

速常导磁浮列车Transrapid为代表，它是利用普通直流电磁铁电磁吸力的原理将

列车悬起，悬浮的气隙较小，一般为10毫米左右。常导型高速磁悬浮列车的速

度可达每小时400-500公里，适合于城市间的长距离快速运输。而超导型磁悬浮

列车也称超导磁斥型，以日本MAGLEV为代表。它是利用超导磁体产生的强磁场，列车运行时与布置在地面上的线圈相互作用，产生电动斥力将列车悬起，悬

浮气隙较大，一般为100毫米左右，速度可达每小时500公里以上。这两种磁悬

浮列车各有优缺点和不同的经济技术指标。磁悬浮系统的突出特点是速度高，造

价昂贵，而且应用经验不足。突出的缺点是：

1）由于磁悬浮系统是以电磁力完成悬浮、导向和驱动功能的，断电后磁悬

浮的安全保障措施，尤其是列车停电后的制动问题仍然是要解决的问题。其高速

稳定性和可靠性还需很长时间的运行考验。

2）常导磁悬浮技术的悬浮高度较低，因此对线路的平整度、路基下沉量及

道岔结构方面的要求较超导技术更高。

3）超导磁悬浮技术由于涡流效应悬浮能耗较常导技术更大，冷却系统重，

强磁场对人体与环境都有影响。

4）磁悬浮线路道岔结构复杂、庞大、可靠性差。

5）磁悬浮运输虽然没有轮轨接触及弓网接触，消除了机械磨耗和磨损，但

直线电机长定子的绕级与铁芯都裸露在空气里，铁芯的锈蚀和绕组绝缘材料的老

化等都成为非常突出的问题。

图2.2.1-1磁悬浮列车及轨道构造原理图2.2.1-2上海磁悬浮示范线磁悬浮列车

（2）中低速磁悬浮（HSST）

中低速磁悬浮系统，简称HSST(High Speed Surface Transport )。系统没有车

轮，而是依靠磁力使车体浮起，并由直线电机驱动列车行驶。它是与以往铁路截

然不同的全新的交通系统。由于走行装置与轨道没有接触，因此噪声、振动极小，

也几乎不产生磨耗。从其环境性、经济性和维护方面的优点上来看，它是与新时

代的城市轨道交通相适应的系统。HSST自1972年日本航空公司作为机场通道

着手开发以来，主要在各博览会上进行巡回展览。1988年开始进行最高时速为

100 km／h的HSST 100S、HSST 100L型系统实用化试验。于2005 年开通了名古

屋东部丘陵线（Linimo），全长8.9km。中低速磁悬浮系统具有如下优点：1）低噪音、低振动。

2）由于采用了车辆一次方式的线性感应电机，使得梁和车辆的结构实现了

简单化和轻量化。

3）由于没有接触和磨损部分，因此轨道和车辆的维护费用低。

4）可以采用大坡道和急转弯，能迅速的加速与减速。

5）最高速度超过100km/h；最大运送能力：3万人次/小时/单向。6）由于列车环抱着线路，没有脱轨的危险。

7）最适合采用作为中运量、中速的城市轨道交通工具。

图2.2.1-3中低速磁悬浮（HSST）系统原理图（英文原版）图2.2.1-4中低速磁悬浮（HSST）系统原理图

图 2.2.1-5 日本名古屋 HSST 车辆

（ 3）中低速磁悬浮（HSST ）与磁悬浮（TR ）比较

比较项目

电机类型

电机定子绕组安装位置

导向与悬浮

直线电机功率

功率因素

控制难度

线路造价

是否需要受流器（供电轨）

适用场合 类别

最高运营速度（km/h ）

HSST 110 短定子直线异步感应电机 LIM 车上 合并设置 小 低 小 低 需要 城市轨道交通、机场线路 TR 450 长定子直线同步电机 LSM 地面线路上 分别设置 大 ?1 大 高 不需要 城际铁路、长大干线 磁悬浮系统作为城市内部城市轨道交通模式进行选择时需要慎之又慎，一般

不作考虑。当然，如果作为都市圈间的运输模式，可以另外进行详细的论证和比

较。

2. 轮轨模式

轮轨模式按运输能力基本可以分为常规的地铁与轻轨、单轨、胶轮地铁、有

轨电车等几类，其中，直线电机车辆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，但又保留了轮轨的特性（用轮对作支撑和导向），现分别阐述它

们的技术特征。

（1） 常规的地铁与轻轨

国内已经建成的城市轨道交通系统，如北京的 1、2 号线、13 号线、八通线，

上海的 1～5 号线，广州 1、2 号线，南京的 1 号线，武汉 1 号线，天津地铁 1 号

线、滨海轻轨等线路，就是通常所说的地铁和轻轨。它有如下的特点：1）采用标准轨距的钢轨。线路铺设方式灵活，根据地形条件，既可以全部建于地下，也可以采用地下、地面及高架相结合的方式，以节约工程投资。

2）线路全隔离全封闭，可以实现信号控制调度的自动化，行车密度高，发车间隔最短可达1.5min，车辆最高运行速度可达80km/h，平均旅行速度可达35～50km/h。

3）对客运量的适应范围广，通过选取不同的车辆编组型式，既可以满足6～8万人次/小时的大运能要求，也可以适应2～4万人次/小时的中等运能的要求。

4）车辆按有无动力区分为动车和拖车，一般采用动车和拖车混合编组的方式，既满足城市轨道交通所特有的牵引特性需要，又可减少车辆购置费。车辆编组以相对独立的动力单元为核心，容易实现扩大编组以适应设计年度不同阶段的客流量需要。

5）受电方式主要有三种：AC25kV、DC750V（第三轨受电）和DC1500V （架空接触网受电），牵引供电技术成熟。最近有更多的专家学者关注DC1500V 架空接触网受电方式对景观的影响。

6）该模式也存在噪声大的缺点。可以通过提高车辆制造技术及工艺水平，采用弹性车轮、径向转向架等措施，减小车辆运行和通过曲线的噪音。采用无缝长钢轨线路、弹性钢轨扣件和路基弹性层，高架线路可以在轨道两侧设置隔音屏障，以振动的传递和减少噪声。

（2）胶轮地铁

我国台北捷运系统的内湖线、木栅线采用了一种全自动橡胶轮地铁车辆，如图 2.2.1-3所示。它是一种单车或数辆胶轮车编组运行在专用轨道上导向运行的交通系统，也有专家称之为"新交通系统"，但是其单车定员在20--80人左右。

这种交通方式的载客量与单轨系统相仿，是一种中小容量的客运系统，但比双、单轨系统稳定性好，并可实现全自动驾驶，也适合于机场、博览会、旅游等线路。

图2.2.1-3台北捷运内湖线的胶轮车辆系统图2.2.1-4日本的胶轮车辆系统

图2.2.1-5胶轮车辆轨道系统

图2.2.1-6胶轮车辆转向架图2.2.1-7胶轮车辆走行部

（3）有轨电车

应该说，有轨电车对我们来说并不陌生。

自1832年在美国纽约市的普林斯大街和著名的第14大街之间修建世界第一条铁轨上行驶的城市新型马车线路起，其间经历了蒸汽机车牵引到电缆绳牵引的

变革，发展到现在先进的有轨电车系统，是城市有轨电车交通形式的鼻祖。1899 年，有轨电车技术传入中国，并先后于1906年在天津、1908年于上海、1909年于大连、1921年于北京、1924年于沈阳、1927年于哈尔滨、1935年于长春等城市相继建成了有轨电车交通系统。直到20世纪50年代末，有轨电车依然是国内许多城市的重要公共交通工具。随着无轨电车和公共汽车的不断发展，早期的电

车系统逐渐消失，目前仅我国的大连、长春等少数城市保留了为数不多的几条有

轨电车交通线路。然而，随着其运载量、舒适度、运行速度、自动控制技术的不

断发展和进步，世界范围内，有轨电车这种古老的交通形式似乎又焕发了青春，

具备了与轨道交通交通系统分庭抗礼的魅力。

进入21世纪以来，我国相继有天津、苏州、北京等城市规划、实施地面有

轨电车运载系统。2005年07月25日，天津开发区新交通项目（建设一个合资

车辆厂、三条有轨电车线路）合同正式签订，由法国劳尔公司承建的新型城市公

共交通系统正式登陆中国。一号线即新交通试验线工程，线路全长8.8公里，购

置8列3辆编组的列车，全列额定载客量约501人，从津滨轻轨的泰达站出发，沿洞庭路向北止于学院区。图2.2.1-8为天津开发区新交通项目一号线的Translohr 车辆。

现代的有轨电车系统（Tram system）也称低地板车辆系统，属中低运量系统，流行于西欧，具有经济、快捷等优点。又分70%低地板和100%低地板车辆，根据技术、投资情况分别采用。图2.2.1-9为法国斯特拉斯堡100%低地板车辆，图 2.2.1-10系名古屋铁道美浓町线70%低地板车辆外观及内部示意图，2.2.1-11 为澳大利亚的超低地板（Ultra Low Floor Light Rail Vehicle）城市有轨电车。图2.2.1-12～13为德国、美国的低地板有轨电车。

图2.2.1-8天津开发区新交通项目1号线Translohr车辆图2.2.1-9法国斯特拉斯堡

100%低地板车辆

图2.2.1-10名古屋铁道美浓町线路70%低地板车辆外观及内部示意

图

图2.2.1-11澳大利亚的超低地板（Ultra Low Floor Light Rail Vehicle）有轨电车

图2.2.1-12德国波恩低地板有轨电车图2.2.1-13美国波士顿低地板有轨电车

Axle-Free Bogie

ULF车辆横断面示意图

低地板车辆用的独立轮转向架

1）有轨电车的优点

①投资省

对于中型城市来说，有轨电车是实用便宜的选择。路面有轨电车线所需的投资只是常规地铁的约三分之一。

②无需在地下挖掘隧道

架空的单轨铁路及轻轨系统往往只能在特别的市区环境建造(如宽阔的大街)，有轨电车一般毋需架空轨道。

③无污染

有轨电车以电力牵引，车辆不排放废气，是一种无污染的环保型交通工具。

2）缺点

①成本不如地铁高但又不及公共汽车低，对小型城市来说财政负担颇重。

②有轨电车每小时可载客约7000 人，客容量比地铁低很多。

③有轨电车的旅行速度较地铁慢，除非全部路权专有。

④需要设置架空接触网。

（4）单轨

单轨交通分悬挂式和跨坐式两种。悬挂式单轨属于小运量，在城市交通中可不予考虑。跨坐式单轨用橡胶轮承重，但承载能力也有限，因而车辆比较短，载客量也不大，我国重庆轻轨1号线采用了这种系统。悬吊式和跨坐式车辆分别如图2.2.1-14、2.2.1-15，2.2.1-16、2.2.1-17所示。

图2.2.1-14德国Wuppertal悬吊式单轨车辆图2.2.1-15日本千叶悬挂式单轨

图2.2.1-16美国拉维加斯单轨

图2.2.1-17 重庆单轨

图2.2.1-18单轨交通原理示意

1）单轨交通具有的优点

①遮挡日光照射小

单轨交通的轨道是细长的，与其他高架城市轨道交通和高架道路相比，是目前地上高架交通设施中遮挡日光照射最小的。

②占地面积小，空间轨道结构宽度小

单轨一般利用城市道路中央隔离带设置结构墩柱，圆墩柱直径约为1～

1.5m。区间双线轨道结构宽度，跨座式约为5.0m；悬挂式约7.0m。地铁与轻轨

区间高架结构宽度：地铁约为8.5～9.0m；轻轨约8.0～8.5m，墩柱直径2.0m左右。

③能适应陡坡急弯，便于在城市内选定线路。容易适应城市多变的地形地貌和复杂的地理环境，可避免不必要的拆迁，从而可大量减少工程投资。

2）单轨交通的缺点

①转向架结构复杂

跨坐式单轨转向架设走行轮、导向轮和稳定轮，每个转向架有橡胶轮10个，结构复杂，转向架自重大，制造成本较高，国产化难度大。

②橡胶轮的缺点

橡胶轮的缺点是运行阻力大、轴重受限制、在冰雪轨道上粘着力很小。橡胶轮因受材料性能的限制，最大容许轴重约为10t，而钢轮钢轨系统的轴重可达10～16t。由于受橡胶轮承载能力的限制，单轨车辆长度及载客量均受到限制，使单

轨交通的运送能力低于轻轨。

一般总认为橡胶轮的粘着力明显高于钢轮，但在冰雪天气下粘着力会大幅度降低，反而明显低于钢轮。因此，跨坐式单轨的应用也受到一些限制。

③道岔结构复杂

传统的轨道结构我国早己能设计生产，而跨坐式单轨轨道对我国来说是一个新的型式，没有这方面的制造与应用经验。

④单位运量的投资高

建造单位系统的每公里投资额比地铁系统低，但比轻轨要高得多，由于单轨系统的运送力低，故每乘客的投资费用比轻轨和地铁高很多（投资费用包括土建、车辆、车辆段、牵引供电、通讯信号等）。

⑤运营成本高

由于应用了橡胶轮，车辆运行阻力大，因而耗电量大。此外，较多数量的橡

胶轮意味着较多的磨耗件，橡胶轮使用寿命较短(橡胶轮约为20万公里，钢轮约为100万公里)，维修费用较大。

⑥对环境的影响

橡胶轮胎在轨面上行走虽能减少噪声，但存在橡胶粉尘对环境的污染。

⑦单轨系统在技术上和运营上与标准轨距轮轨系统不兼容，不能与常规地铁、轻轨接轨，无法实现资源共享。

(5）直线电机车辆

直线电机与传统的旋转电机不同，由线性运动实现运行与制动代替旋转，所以也称为直线电机。直线电机在机理上，如同将旋转电机的转子与定子展开成线性形状，在理论上，可以把它看成为具有无限大半径的传统旋转电机。其机理亦与旋转电机相同，详见图2.2.1-18。

图2.2.1-18传统电机和线性感应电机原

理图

2.2.1-20直线电机车辆断面图

图2.2.1-19直线电机运载系统

图2.2.1-2广州4号线直线电机车辆图2.2.1-22广州4号线直线电机车辆

直线电机运载系统是应用于城市轨道交通的典型非粘着驱动方式的系统。其机理是固定在转向架的一次线圈通过交流电流，产生移动磁场，通过相互作用，使固定在整体道床上的二次感应板(展开的转子)产生磁场，通过磁力实现车辆的

运行和制动，详见图2.2.1-19。

直线电机车辆在日本、加拿大、美国、马来西亚等国都有应用，而我国国内仅广州4、5、6、7、9、11号线以及北京市城市轨道交通线网规划中的机场快线应用了这种系统。直线电机车辆断面图，如图2.2.1-20所示。

1）直线电机车辆运载系统的优点

①运营不受天气条件影响。

②土建工程投资有所降低。

③运用维护成本降低。

④由于车辆转向架没有旋转动力源，也无机械传动系统，因此，有利于采用径向转向架，有利于减少噪音、振动对线路周围环境的影响；随着轴重最大限度的降低，也减少了轮对踏面磨耗。

⑤采用径向自导向转向架，曲线通过能力增强，有利于降低轮对偏磨耗。

⑥由于该运载系统采用了非粘着驱动方式，因而有较强爬坡能力，最大理论设计坡度可达80‰，有利于线路纵断面设计，有利于选线及方便避开建筑物

及构筑物；有利于线路由地下至地面、高架过渡，从而减少过渡段的用地面积；便于道路交通疏解，降低购地费用，减少对城市景观的影响；有利于线路平面选线，可避开已建或规划待建的建筑，以及建筑基础、地下管线和其它地下构筑物，降低工程造价。

2）直线电机车辆运载系统的缺点

①车辆国产化难以在短期内解决，车辆造价较高，也不利于日后车辆配件的供应和日常维护保养。（日本川崎重工业株式会社、伊藤忠商事与四方车辆股

份有限公司于2004年10月21日合作中得广州地铁4号线直线电机车辆采购项目，车辆综合造价高达1400万/辆左右，北京机场快速线车辆的综合价格约为1250万元/辆，都比轮轨制式车辆综合造价的500～1000万元/辆要高）。

②需要铺设一条与线路等长的感应轨，施工工艺要求高，工程投资大，控制技术复杂，局部制造成本增高。

③无法和常规轮轨系统实现互通、共享。

④是中低运量的系统。

以上述及的交通系统，除了高速磁悬浮系统（TR）外，其他的如常规意义的地铁或轻轨、单轨、胶轮地铁、有轨电车、中低速磁悬浮（HSST）等制式都适用于城市轨道交通，是城市轨道交通工程车辆选型设计工作所必须了解的知识。但是，由于能力以及科研经费、课题周期所限，作为本课题最重要的第三、四章节的内容，还是只能局限于钢轮钢轨制式轨道交通的车辆选型设计方法研究。