模块1　城市轨道交通认知

城市轨道交通系统是一个复杂的联动系统，需要各子系统密切配合才能有效运行。本模块是城市轨道交通供电系统认知的基础部分，其他模块在其基础上提升。

1.1.1　学习目标

（1）了解城市轨道交通概念；

（2）熟悉城市轨道交通特点；

（3）掌握城市轨道交通类型；

（4）掌握城市轨道交通发展趋势。

1.1.2　知识准备

1.1.2.1　城市轨道交通的概念与分类

城市轨道交通是近代高科技的产物，大多采用全封闭道路、立体交叉、自动信号控制和电动车组等高科技产品和手段；其行车密度大，旅行速度高，载客能力大；其疏通客流的能力与传统的道路公共交通工具相比，具有极大的优越性。

1.地铁

地铁是地下铁道交通的简称，它是一种在城市中修建的快速、大运量的轨道交通，通常以电力牵引，其单向高峰小时客运能力可达30000人次以上，它的线路通常设在地下隧道内，也有的在城市中心以外地区从地下转到地面或高架桥上。图1.1所示为广州地铁。

图1.1　广州地铁

目前世界上一些著名的特大城市，如纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京等，均已形成一定的城轨交通规模和网络，且以地铁为主干，延伸到城市的各个方向。

地铁有以下特征：

（1）全部或大部分线路建于地面以下。

（2）建设费用大、周期长，成本回收慢。

（3）行车密度大，速度高。

（4）客运量大。

（5）地铁列车的编组数决定于客运量和站台的长度，一般为2～8辆。

（6）地铁车辆消声减振和防火均有严格要求，要做到既安全，又舒适。

（7）电压制式以直流750V和1500V供电为主。

2.轻轨

轻轨是一种中运量的轨道运输系统，一般采用钢轮钢轨体系，主要在城市的地面或高架桥上运行，线路采用地面专用轨道或高架轨道，遇繁华街区也可进入地下或与地铁衔接。轻轨的输送能力为（1.5～3.0）万人次/h，它的车辆轴重较轻，施加在轨道上的荷载相对于地铁的荷载来说比较轻，因而被称为轻轨。轻轨与地铁的不同之处在于运量较小，采用较小的车辆，线路曲线半径较小，线路的最大坡度较大，除此之外和地铁并无多大区别。

地铁和轻轨所采用的车辆、线路大体上是相同的，信号设备、通信设备、机电设备以及运营管理也是完全相同的。

不能认为，位于地面和高架的线路是轻轨，而地铁必须位于地下隧道内。例如，上海轨道交通3号线全部采用高架线路，许多人称之为轻轨，是不正确的，因为它完全是按地铁标准设计的，而且输送能力达3.0万人次/h以上。而6号线和8号线，大部分位于地下隧道内，却是按轻轨标准设计的，在3.0万人次/h以下。

也不能认为，轻轨的轨道较轻，虽然轻轨的轴重较轻，但是为了保证列车运行的平稳，仍然采用与地铁一样的钢轨。图1.2所示为大连的城市轻轨。

图1.2　大连的城市轻轨

轻轨有以下特征：

（1）它是以钢轮和钢轨为车辆提供走行的一种交通方式，车辆由电力提供牵引动力，可以采用直流、交流或线性电机驱动。

（2）轻轨的建设费用比地铁少，每公里线路造价仅为地铁的1/5～1/2。

（3）轻轨交通的每小时单向运输能力一般为（1.5～3.0）万人次，介于地铁和公共汽车之间，属于中等运能的一种公共交通形式。

（4）轻轨线路可以为地面、地下和高架混合型，一般与地面道路完全隔离，采用半封闭或全封闭专用车道。

（5）轻轨车辆一般采用C型车辆、Lc型车辆（直线电机）。

（6）轻轨交通对车辆和线路的消声和减振有较高的要求。

（7）电压制式以DC750V和DC1500V供电为主。

（8）轻轨车站分为地面、高架和地下三种形式。

3.独轨

独轨交通的设想早在19世纪末已经形成。1901年德国鲁尔地区的三个工业城市之间，在险峻的乌珀河谷上空建成一条快速交通线，车辆吊在架空的导轨下面，沿着导轨行驶，后来三市合并成为乌珀塔尔市，这个独轨交通系统成为该市的一个标志。

独轨交通用作城市公共交通，开始进展比较缓慢。日本从德国引进专利，近30年开发了多种独轨铁路，在世界城轨交通中独树一帜。我国重庆市从日本引进的独轨交通系统已经开始运营，如图1.3所示。

图1.3　重庆独轨铁路

独轨交通采用高架轨道结构，按结构形式分为跨坐式和悬挂式两种类型。前者车辆的走行装置（转向架）跨骑在走行轨道上，其车体重心处于走行轨道的上方。后者车体悬挂于可在轨道梁上行走的走行装置的下面，其重心处于走行轨道梁的下方。

独轨交通的优点是：

（1）独轨铁路线路占地小，可充分利用城市空间，适宜于在大城市的繁华中心区建线，对城市景观及日照影响小。

（2）独轨铁路构造较简单，建设费用低，为地铁的1/3左右。

（3）能实现大坡度和小曲线半径运行，可绕行城市的建筑物。

（4）一般采用轻型车辆，列车编组为4～6辆。

（5）走行装置采用空气弹簧和橡胶轮结构，并采用电力驱动，故运行噪声低，无废气，乘坐舒适。

（6）独轨铁路架于空中，具有交通和旅游观光的双重作用。

（7）跨座式轨道梁采用预应力混凝土梁制成，悬挂式轨道梁一般为箱形断面的钢结构。

独轨铁路交通的缺点是：

（1）能耗大。由于其走行装置采用橡胶轮，它与混凝土轨面的滚动摩擦阻力比钢轮钢轨大，故其能耗比一般轨道交通约大40％，且有轻度的橡胶粉尘污染。

（2）运能较小。一般每小时单向最大客运量为（1～2）万人次。

（3）独轨铁路不能与常规的地铁、轻轨等接轨。

（4）道岔结构复杂，笨重，转换时间较长，从而延长了列车折返时间。

（5）列车运行至区间时若发生事故，疏散和救援工作困难。

1.1.2.2　城市轨道交通的特点

城市轨道交通与城市道路交通相比，有以下特点：

1.安全

城市轨道交通因为有运量大的特点，人们在设计、建设、管理以及资金的投入方面，对城市轨道交通的安全特别重视。

2.快捷

城市轨道交通不受地面环境影响。

3.准时

城市轨道交通在其专用的轨道上行驶，在可靠技术支持下，按照运营计划行驶，一般都会正常准时运营。

4.舒适

城市轨道交通的乘车环境好。

5.运量大

城市轨道交通的车厢空间大，一列地铁可载2000人以上。

6.无污染（或少污染）

城市轨道交通的动力是电能，没有污染。

7.占地少，不破坏地面景观

城市轨道交通的线路主要在地下，占用城市地面面积少，不会破坏地面景观。

8.投资大，技术复杂，建设周期长

城市轨道交通是一个庞大的系统工程，它涉及土建（装修）、机械、电子、供电、通信、信号等技术。设备多，点多面广，技术要求高，系统性、严密性、联动性要求高。土建工程大而多，且建设的周期长。涉及的资金投入一般是每公里（4～6）亿元。一般大城市建成一个200km的地铁网，要投资上千亿的资金，且时间要10～12年甚至以上。

1.1.2.3　城市轨道交通发展概况

世界城市轨道交通已有140多年的历史，目前已呈现多元化的发展趋势。我国城市轨道交通起步较晚，但在城市化的推动下，建设态势在迅猛发展。

1.世界城市轨道交通的发展

（1）发展简史

1863年，世界上第一条用蒸汽机车牵引的地下铁道线路在英国伦敦建成通车，当时还没有电车和电灯，至今已有140多年。纵观世界城市轨道交通发展历史，大致可分为两大阶段。

第一阶段从1863年到20世纪中叶。从第一条地铁诞生起，欧美的城市轨道交通发展较快，第二次世界大战前，有13个城市修建了地铁。

第二阶段从20世纪中叶至今。第二次世界大战后，伴随着各国城市的快速发展，地铁发展极为迅速。截至2015年全世界有142个城市拥有城市轨道交通系统。

（2）技术发展

城市轨道交通属于集多工种、多专业于一身的复杂系统。1879年，电力驱动列车的研制成功，不仅使地铁乘客和工作人员免除了蒸汽机车的烟熏之苦，也使城市轨道交通开创了使用无大气污染的二次能源之先河，城市轨道交通从此步入了连续不断的发展时期，相继出现了传统轮轨系统、直线电机驱动系统、磁悬浮列车、单轨交通系统、新交通系统等。现代城市轨道交通技术进步的标志，当以先进舒适的车辆和行车控制技术为代表。

①车辆技术

城市轨道交通车辆的技术发展，可以从车体结构、车辆传动和走行系统三个方面来介绍。

a.车体结构技术

城市轨道交通车辆的车体，过去主要采用碳素钢或耐候钢材料，现在已向不锈钢车体和铝合金车体发展。铝合金制成的车体，可以减轻车辆自重，增强抗腐蚀能力，延长使用寿命，还将减少大量的日常维护保养工作，可节省能源，并减轻对支撑结构物的压力而节省土建工程费用。但铝合金车体整体承载结构需要使用大量铝型材，技术难度较大，目前有的国家已在研究组合结构的车体技术。另外，目前世界范围内不锈钢车体也得到了广泛应用。不锈钢车体有局部不锈钢车、表板不锈钢车、全不锈钢车、半不锈钢车等几种类型，其最大优点是耐腐蚀，不用涂漆、易于维修。

b.车辆传动技术

以前城市轨道交通车辆的牵引控制系统，主要采用直流电动机的凸轮变阻控制方式，这种方式使用了几十年，工作安全可靠，但车辆的启动和制动频繁，要消耗大量电能，其能量的散发还将引起隧道内温度的上升，对环境产生不良影响。自20世纪60年代初，新造车辆已越来越多地采用无级斩波调压控制方式。这确保了车辆的平稳启动与制动，又使得车辆设备的体积和重量大为减小，加上列车再生制动能量的利用，能耗显著降低，日常维护保养工作大大减少。随着GTO、IGBT等大功率电子元器件的发展，为了使车辆运行更为平稳并达到主电动机维修工作量较小的目的，各国成功地开发了交流异步电动机变压变频控制技术。同时，作为科技发展新成就的代表，直线电机驱动技术、磁悬浮列车技术在城市轨道交通中也得到了实际应用。

c.车辆走行系统

传统的车辆走行系统是车体通过转向架及轮对在钢轨上行走。城市轨道交通车辆的走行系统也在不断革新和发展，并已在实际应用上有所突破。如法国里尔地铁的VAL系统和日本神户等地的新交通系统等，都已经把传统的钢轮钢轨取消，而改用橡胶轮承重和水平轮导向的体系，车下轨道则采用特制的混凝土结构或钢板结构，使振动和噪声大大降低。另外，悬挂式单轨交通和跨座式单轨交通，在城市轨道交通工程中也得到了实际应用。

②行车控制技术

就行车控制技术而言，由于信息科学的不断进步，推动了微电子技术、信息传输技术和计算机网络技术的飞跃发展，城市轨道交通系统的行车控制技术充分利用了这些高新技术成果。行车系统使用的设备和技术，已从传统的电磁和电机设备，发展到功率电子和计算机技术；从运用普通金属电缆，发展到运用具有高速通信能力的光缆，使通信系统向无线通信与控制一体化的方向发展。就城市轨道交通的整体控制系统来说，将从以往的单一功能系统，向以模块化组成的适用于多种目的和多层次需要的综合控制系统发展；从单个列车局部而孤立的控制技术，向列车群的综合管理和控制方向发展；从中央集中控制管理方式，向集中管理、分散控制的自律分散式系统发展；从适用于固定闭塞的列车控制方式，向以列车自动运行为主体的移动闭塞方式发展。行车控制技术的发展，将使列车运行的安全度和准点率得到更为可靠的保障。

2.国内城市轨道交通的发展

我国城市轨道交通开始于20世纪60年代的北京地铁建设。北京地铁一期工程1965年开工，1969年建成通车。由于受资金、技术等因素制约，在其后的30多年中，中国的轨道交通建设速度十分缓慢。

随着我国国民经济的持续发展，城市化进程的逐步加快，城市人口与机动车数量急剧增长，人员出行和物资交流频繁，在我国大城市及特大城市，普遍存在着交通道路阻塞、交通秩序混乱、交通事故频发、交通污染严重等问题。由于城市轨道交通具有运量大、快捷舒服、安全节能、污染轻、占地少等特点，发展城市轨道交通已成为大城市发展公共交通的根本方针和缓解城市交通拥堵的最佳选择。

进入20世纪90年代以来，我国城市轨道交通进入了一个快速发展期，建设规模之大是世界城市轨道交通发展史上少有的，凸显了后发优势。我国累计有19个城市建成投运城轨线路87条，总运营里程2539km。其中地铁2074km，占总里程的81.7％；轻轨192km，占总里程的7.6％；单轨75km，占总里程的3.0％；现代有轨电车100km，占总里程的3.9％；磁浮交通30km，占总里程的1.2％；市域快轨67km，占总里程的2.6％。

预计到2020年我国城市轨道交通累计营运里程将达到7395km，中国城市轨道交通建设将迎来黄金时期。

在我国城市轨道交通的未来发展中，其趋势与前景主要集中在以下几个方面：

（1）城市轨道交通网络化

单一的城市轨道交通线路不能满足市民出行的需要，更不能缓解城市交通的拥堵状况。必须形成多条线路互换的、基本覆盖城市主要区域的城市轨道交通的网络，才能有效解决城市交通的问题。城市轨道交通的网络化是大城市，尤其是特大城市，轨道交通发展的必然趋势。

城市轨道交通的网络至少要由三条以上独立运行的线路构成，而且每条线路至少有一个以上与其他线路换乘的车站。

城市轨道交通的网络化对于客流组织、客运服务以及应急处置提出较高的要求。

我国北京、上海、广州、南京、香港和台北已经实现了城市轨道交通的网络化运营。

（2）交通制式多元化

虽大多数运行的城市轨道交通线路为传统地铁制式，但也出现了多样化的趋势。如长春建设了现代化轻轨交通；重庆轨道交通2号线为跨座式单轨交通；广州轨道交通4号线、北京机场线为直线电机系统；上海市区通往浦东机场则建成了高速磁悬浮线路。此外，还有100km/h、120km/h不同等级的市域快线等。

（3）车辆与机电设备国产化

在国家城市轨道交通设备国产化政策推动下，通过建立合资企业，引进消化吸收新技术，开展多种形式的技术合作，我国将不断提高城市轨道交通的车辆、设备制造的技术水平和国产化率，逐步形成城市轨道交通车辆与机电设备的产业化。

1.1.3　工作任务

1.调研一条城市轨道交通线路

（1）调查其类型及主要技术参数；

（2）列出各子系统名称；

（3）列出其运营管理架构。

2.调研一个城市轨道交通车站

（1）列出其主要设施设备；

（2）画出车站示意图；

（3）调研其照明和配电系统。

1.1.4　分析与思考

本任务的目的是为了认知城市轨道交通系统，目前在实际工作中最常遇见的问题如下：

1.城市轨道交通各子系统如何相互配合，以保证有效运行？

2.城市轨道交通各子系统在哪里分界？