日本當(dāng)代新型城市軌道交通系統(tǒng)簡析摘要：介紹了日本當(dāng)代新型城市軌道交通系統(tǒng)的特點(diǎn)及其適用范圍，并對尚未應(yīng)用的HSST磁懸浮系統(tǒng)的實(shí)用性問題進(jìn)行了簡單分析。關(guān)鍵詞：城市軌道交通；地鐵；輕軌；單軌電車；直線電機(jī)電動車組；自動導(dǎo)軌電動車組 根據(jù)筆者曾在日本研修軌道交通問題和近年來多次赴日考察的體會，主要介紹日本新型城市軌道交通系統(tǒng)的特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)狀，并就HSST常導(dǎo)磁懸浮系統(tǒng)在日本的發(fā)展前景及其實(shí)用性問題進(jìn)行簡析。1新型城市軌道交通系統(tǒng)的主要特點(diǎn) 日本城市軌道交通系統(tǒng)歷史悠久，以東京地鐵為例，早在1953年就出現(xiàn)了以營團(tuán)地鐵丸之內(nèi)線用300型電動車組為代表的現(xiàn)代城軌系統(tǒng)的雛型，至今已有50年以上的發(fā)展歷史。近年來隨著城市人口的集中化，舊有的路面電車和地下鐵道系統(tǒng)已不能滿足需要。因此，既有設(shè)備不斷更新，并出現(xiàn)了各種新型的城市軌道交通系統(tǒng)。目前已在各大中城市正式投入運(yùn)用的新系統(tǒng)可分類為單軌電車、自動導(dǎo)軌電動車組(AGT)、輕軌 (LRT)和直線電機(jī)電動車組。此外，還有計(jì)劃即將投入實(shí)際運(yùn)用的HSST系統(tǒng)。 作為具有大量輸送能力的地面軌道系統(tǒng)，與既有的路面電車、地下鐵道系統(tǒng)相比，可列舉以下主要特征。1.1在技術(shù)上的先進(jìn)性 日本的各種新型城市軌道交通系統(tǒng)均為20世紀(jì)80年代以后的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)中采用大量新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)，其車體結(jié)構(gòu)類似高速車輛，均為不銹鋼或空心型材的鋁合金材料，軸重一般在10t以下，并具有良好的空氣力學(xué)和動力學(xué)性能。在控制系統(tǒng)方面多采用帶有再生電力制動的VVVF逆變器控制，具有節(jié)能優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動系統(tǒng)均由動力分散的動車組成，有較強(qiáng)的起停能力。制動控制也多采用電子指令的復(fù)合制動方式。此外，還大量應(yīng)用了列車自動控制(ATC)、車載列車信息技術(shù)、無維修化等新技術(shù)。1.2對城市交通的適應(yīng)性 根據(jù)客流量大、區(qū)間距離短、停站多等城市交通的特點(diǎn)，新型城軌系統(tǒng)作為交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，首先應(yīng)該能滿足通勤、通學(xué)等短途旅客運(yùn)輸?shù)男枰Ｒ虼耍谌毡净旧喜捎?067mm或1435mm軌距，以便和既有的JR鐵路、民營鐵路相連接。除單軌電車外，多數(shù)可實(shí)現(xiàn)無需換乘的直通運(yùn)行，并多采用和地鐵相一致的直流供電方式。在列車運(yùn)行性能方面不要求速度太高，大部分最高速度為80km/h左右，但要求有較高的起動加速度和制動減速度，以縮短頻繁停車的起停附加時(shí)分，有利于提高旅行速度。在定員方面，一般除座席外，留有較多的站席空間，從而增加了列車的定員。 此外，由于各種城市軌道交通系統(tǒng)有不同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其車輛規(guī)格和性能也有所不同(表1)。因此，從東京、大阪、名古屋等100萬以上人口的大都市到鹿兒島、富山等中小城市采用了不同型式的新型城市軌道交通系統(tǒng)。
2新型城市軌道交通系統(tǒng)的應(yīng)用分析2.1輕軌交通系統(tǒng) (LRT) 日本采用LRT的城市有東京、札幌、名古屋、大阪、廣島、熊本、鹿兒島、富山、函館等9個(gè)城市，線路合計(jì)近200km，分為1067、1372 和1435mm3種軌距，均采用DC600V供電。LRT主要特點(diǎn)是使用輕量化和高性能的車輛(LRV)在專設(shè)的地下或高架輕型軌道上行駛，并且可以和其他交通系統(tǒng)進(jìn)行平面或立體交叉。通常在市中心的某些區(qū)段上行駛時(shí)速度較低，例如札幌8500型電車（圖1）的最高速度為40km/h；當(dāng)進(jìn)入郊區(qū)時(shí)，再與郊區(qū)的專用軌道相連接，可以較高的速度行駛，最高速度為70km/h。由于這種城軌系統(tǒng)的列車編組輛數(shù)不多，定員也較少，因此，主要適用于中等規(guī)模運(yùn)量的中小城市和大城市的非繁忙區(qū)段，例如富山8000型（圖2）應(yīng)用的城市人口在40萬人以下，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是車輛和軌道輕型化，可降低建設(shè)成本，實(shí)際上是一種具有新穎設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化路面電車。隨著客運(yùn)量的增加，列車編組數(shù)增加（圖3），以滿足發(fā)展需要。2.2高架鐵路和新型地鐵 采用重型軌道的高架鐵路和地鐵通常容許較高的運(yùn)行速度和長編組列車，其運(yùn)輸能力高于其他城市交通系統(tǒng)，并具有較長的旅程，因此適用于大、中城市，在日本，如東京、大阪、名古屋、京都、神戶等擁有地鐵交通系統(tǒng)的城市人口均在100萬人以上。例如東京的都營6300型地鐵列車為3M3T編組，最高運(yùn)營速度達(dá)到120km/h。但在選擇該種方式時(shí)需要考慮投資和環(huán)境保護(hù)的問題，因?yàn)榈罔F的建設(shè)成本高昂，城市中心地區(qū)的高架鐵路可能影響景觀并受到環(huán)境噪聲的限制，而且在城市內(nèi)小曲線半徑和大坡道較多，限制了速度，因此，一般在市區(qū)的運(yùn)行速度不超過80km/h，在市郊才提高為120km/h左右。 在新型地鐵系統(tǒng)中值得注意的是北海道札幌市地鐵的新型動車組。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是使用橡膠車輪取代鋼制車輪的轉(zhuǎn)向架，列車行駛在具有兩側(cè)導(dǎo)軌的混凝土軌道上。始于1998年生產(chǎn)的地鐵南北線用5000型動車組，具有減輕噪聲和便于維修的特點(diǎn)。最近，在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了用于地鐵東西線的8000型電動車組，該動車組為3M4T編組，全列車定員910人(其中座席340人)；采用DC1500V的第3軌供電方式；軌距為2150mm；并設(shè)有ATC裝置和列車無線裝置等新型設(shè)備。特別是經(jīng)過多年改進(jìn)，其橡膠輪胎的強(qiáng)度和維修性能已能達(dá)到要求，環(huán)保性能優(yōu)于一般鋼制車輪，所以也是城市軌道交通系統(tǒng)的一種選擇。2.3AGT(自動導(dǎo)軌電動車組) 為滿足城市交通不斷發(fā)展的多樣化要求，以1990年開通的神戶六甲島線”為代表，近年來日本在東京、神戶、大阪、千葉等城市已建設(shè)了10條稱為新交通系統(tǒng)的AGT系統(tǒng)(圖4)，這種交通系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用較窄的車體和高架方式，還有不同于傳統(tǒng)軌道方式的中央或側(cè)面自動導(dǎo)向方式，并使用橡膠輪胎取代鋼輪。按照日本在1983年制定的有關(guān)“中量運(yùn)輸軌道系統(tǒng)”的規(guī)范，已制定有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中列車編組通常為4～6輛，設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力972～7200人/h。 此外，在AGT系統(tǒng)中采用了自動化的微機(jī)控制方式，因此，可實(shí)現(xiàn)無人操縱的列車運(yùn)行和達(dá)到高密度的追蹤間隔。2.4直線電機(jī)地鐵電動車組 在東京和大阪這樣的中心城市，由于受到地面建筑的限制，開發(fā)和完善地鐵網(wǎng)絡(luò)是理想的交通系統(tǒng)。但地鐵隧道的建設(shè)成本很高，開發(fā)直線電機(jī)電動車組（圖5）的主要目的是減小隧道斷面，從而可以減少地鐵投資費(fèi)用。該種方式的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的牽引能力，因此適用于小曲線半徑和大坡道地鐵線路，由于使用直線電機(jī)驅(qū)動，在高架線路上運(yùn)行時(shí)噪聲相對減小，也有利于降低建設(shè)費(fèi)用。 但采用直線電機(jī)的地鐵在日本并沒有全面推廣。據(jù)介紹主要是其斷面較小，車輛定員90～100人，比普通地鐵車輛定員(130～140人)減小30%以上。此外，由于直線電機(jī)固有的效率問題，在同樣牽引能力下能耗較大，運(yùn)營成本高于普通地鐵。因此只適用于運(yùn)量不太大的線路，作為常規(guī)地鐵的補(bǔ)充方式。例如東京在深層地鐵的大江戶新線上采用了這種方式，以降低建設(shè)費(fèi)用和解決深層地鐵的大坡道問題。2.5單軌電車 單軌電車在東京、大阪、北九州等大、中城市得到了比較普遍的應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是在道路上空行駛，可以更好地利用道路上方的空間，從而降低征地費(fèi)用。其建設(shè)成本大約為地鐵的1/3，遠(yuǎn)低于同樣規(guī)模的地鐵，而且也適于大坡道和小曲線半徑的高架線路。作為一種實(shí)用的城市軌道交通系統(tǒng)，近年來也有較大的發(fā)展。 單軌電車均采用DC750V或DC1500V供電方式，在結(jié)構(gòu)上基本上可分為2種形式——車輛跨座型（圖6）和懸掛型（圖7），前者仍采用車體安裝在轉(zhuǎn)向架上的方式；后者是將車體懸掛在轉(zhuǎn)向架的下方。兩者的轉(zhuǎn)向架均設(shè)有行走輪和導(dǎo)向輪，在性能上沒有明顯的差別。 以東京圈邊緣的千葉市應(yīng)用為例，從1988年開通懸掛型單軌電車以來，已成為城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隨著交通量的不斷增長，計(jì)劃將其線路長度從目前的15.2km延長到40km，使其成為世界上最長的懸掛型單軌線路。3關(guān)于中速磁懸浮鐵路（HSST）系統(tǒng)的發(fā)展和展望 HSST(圖8)在日本的研究始于1972年11月，最初是作為機(jī)場交通工具，從1975年11月首次試運(yùn)行成功以來已經(jīng)開發(fā)了近30年，曾在幾次博覽會上展示過。1991年開始在名古屋市建設(shè)全長1.5km的大江試驗(yàn)線，近年來又成立了愛知高速交通公司，以2004年的名古屋市國際博覽會為目標(biāo)，建設(shè)全長8.9km的東部丘陵線。 該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是使用常規(guī)電磁鐵進(jìn)行懸浮支持和導(dǎo)向，并使用直線電機(jī)作為驅(qū)動裝置。開發(fā)重點(diǎn)已從最初的高速(200～300km/h)轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿鞘薪煌閷ο蟮闹小⒌退?100km/h左右)，并以HSST-100系統(tǒng)作為實(shí)用化的系統(tǒng)，表2為HSST-100系統(tǒng)的主要參數(shù)。 由表2和表3可見，HSST的基本原理是利用磁力懸浮和導(dǎo)向，用直線電機(jī)驅(qū)動行駛，無輪軌接觸，速度又不高，因此，行駛時(shí)噪聲較小，并且不會產(chǎn)生鐵粉或橡膠粉塵，即使在城市居民區(qū)附近也可以安靜地運(yùn)行。同時(shí)由于其車輛的輕量化，可以使高架軌道的橋樁比較輕巧，從而減少建設(shè)成本，對城市環(huán)境的影響也比較小。此外，HSST的優(yōu)點(diǎn)是在停車時(shí)也可懸浮，具有平穩(wěn)起動和較高的加減速性能，因此適合站間距離較短、坡道較大和小曲線多的復(fù)雜地形，在城市軌道交通系統(tǒng)中不失為一種有特點(diǎn)的系統(tǒng)。 但是，根據(jù)日本有關(guān)方面的介紹，HSST存在直線電機(jī)阻力大和效率較低的缺點(diǎn)，與輪軌交通系統(tǒng)相比，相對能耗及運(yùn)營成本較高；在運(yùn)輸能力方面，按HSST-100車輛的設(shè)計(jì)，其平均定員(包括站席)不足130人，編組輛數(shù)有限，不能滿足大運(yùn)量及長途客運(yùn)的要求。所以日本并不以HSST作為一種普遍應(yīng)用的城市軌道系統(tǒng)，而只是在如上所述的特定地形條件下，作為一種運(yùn)量和旅程不長的城市交通工具。
2新型城市軌道交通系統(tǒng)的應(yīng)用分析2.1輕軌交通系統(tǒng) (LRT) 日本采用LRT的城市有東京、札幌、名古屋、大阪、廣島、熊本、鹿兒島、富山、函館等9個(gè)城市，線路合計(jì)近200km，分為1067、1372 和1435mm3種軌距，均采用DC600V供電。LRT主要特點(diǎn)是使用輕量化和高性能的車輛(LRV)在專設(shè)的地下或高架輕型軌道上行駛，并且可以和其他交通系統(tǒng)進(jìn)行平面或立體交叉。通常在市中心的某些區(qū)段上行駛時(shí)速度較低，例如札幌8500型電車（圖1）的最高速度為40km/h；當(dāng)進(jìn)入郊區(qū)時(shí)，再與郊區(qū)的專用軌道相連接，可以較高的速度行駛，最高速度為70km/h。由于這種城軌系統(tǒng)的列車編組輛數(shù)不多，定員也較少，因此，主要適用于中等規(guī)模運(yùn)量的中小城市和大城市的非繁忙區(qū)段，例如富山8000型（圖2）應(yīng)用的城市人口在40萬人以下，該系統(tǒng)的特點(diǎn)是車輛和軌道輕型化，可降低建設(shè)成本，實(shí)際上是一種具有新穎設(shè)計(jì)的現(xiàn)代化路面電車。隨著客運(yùn)量的增加，列車編組數(shù)增加（圖3），以滿足發(fā)展需要。2.2高架鐵路和新型地鐵 采用重型軌道的高架鐵路和地鐵通常容許較高的運(yùn)行速度和長編組列車，其運(yùn)輸能力高于其他城市交通系統(tǒng)，并具有較長的旅程，因此適用于大、中城市，在日本，如東京、大阪、名古屋、京都、神戶等擁有地鐵交通系統(tǒng)的城市人口均在100萬人以上。例如東京的都營6300型地鐵列車為3M3T編組，最高運(yùn)營速度達(dá)到120km/h。但在選擇該種方式時(shí)需要考慮投資和環(huán)境保護(hù)的問題，因?yàn)榈罔F的建設(shè)成本高昂，城市中心地區(qū)的高架鐵路可能影響景觀并受到環(huán)境噪聲的限制，而且在城市內(nèi)小曲線半徑和大坡道較多，限制了速度，因此，一般在市區(qū)的運(yùn)行速度不超過80km/h，在市郊才提高為120km/h左右。 在新型地鐵系統(tǒng)中值得注意的是北海道札幌市地鐵的新型動車組。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是使用橡膠車輪取代鋼制車輪的轉(zhuǎn)向架，列車行駛在具有兩側(cè)導(dǎo)軌的混凝土軌道上。始于1998年生產(chǎn)的地鐵南北線用5000型動車組，具有減輕噪聲和便于維修的特點(diǎn)。最近，在此基礎(chǔ)上又開發(fā)了用于地鐵東西線的8000型電動車組，該動車組為3M4T編組，全列車定員910人(其中座席340人)；采用DC1500V的第3軌供電方式；軌距為2150mm；并設(shè)有ATC裝置和列車無線裝置等新型設(shè)備。特別是經(jīng)過多年改進(jìn)，其橡膠輪胎的強(qiáng)度和維修性能已能達(dá)到要求，環(huán)保性能優(yōu)于一般鋼制車輪，所以也是城市軌道交通系統(tǒng)的一種選擇。2.3AGT(自動導(dǎo)軌電動車組) 為滿足城市交通不斷發(fā)展的多樣化要求，以1990年開通的神戶六甲島線”為代表，近年來日本在東京、神戶、大阪、千葉等城市已建設(shè)了10條稱為新交通系統(tǒng)的AGT系統(tǒng)(圖4)，這種交通系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用較窄的車體和高架方式，還有不同于傳統(tǒng)軌道方式的中央或側(cè)面自動導(dǎo)向方式，并使用橡膠輪胎取代鋼輪。按照日本在1983年制定的有關(guān)“中量運(yùn)輸軌道系統(tǒng)”的規(guī)范，已制定有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中列車編組通常為4～6輛，設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力972～7200人/h。 此外，在AGT系統(tǒng)中采用了自動化的微機(jī)控制方式，因此，可實(shí)現(xiàn)無人操縱的列車運(yùn)行和達(dá)到高密度的追蹤間隔。2.4直線電機(jī)地鐵電動車組 在東京和大阪這樣的中心城市，由于受到地面建筑的限制，開發(fā)和完善地鐵網(wǎng)絡(luò)是理想的交通系統(tǒng)。但地鐵隧道的建設(shè)成本很高，開發(fā)直線電機(jī)電動車組（圖5）的主要目的是減小隧道斷面，從而可以減少地鐵投資費(fèi)用。該種方式的優(yōu)點(diǎn)是具有較高的牽引能力，因此適用于小曲線半徑和大坡道地鐵線路，由于使用直線電機(jī)驅(qū)動，在高架線路上運(yùn)行時(shí)噪聲相對減小，也有利于降低建設(shè)費(fèi)用。 但采用直線電機(jī)的地鐵在日本并沒有全面推廣。據(jù)介紹主要是其斷面較小，車輛定員90～100人，比普通地鐵車輛定員(130～140人)減小30%以上。此外，由于直線電機(jī)固有的效率問題，在同樣牽引能力下能耗較大，運(yùn)營成本高于普通地鐵。因此只適用于運(yùn)量不太大的線路，作為常規(guī)地鐵的補(bǔ)充方式。例如東京在深層地鐵的大江戶新線上采用了這種方式，以降低建設(shè)費(fèi)用和解決深層地鐵的大坡道問題。2.5單軌電車 單軌電車在東京、大阪、北九州等大、中城市得到了比較普遍的應(yīng)用，其主要特點(diǎn)是在道路上空行駛，可以更好地利用道路上方的空間，從而降低征地費(fèi)用。其建設(shè)成本大約為地鐵的1/3，遠(yuǎn)低于同樣規(guī)模的地鐵，而且也適于大坡道和小曲線半徑的高架線路。作為一種實(shí)用的城市軌道交通系統(tǒng)，近年來也有較大的發(fā)展。 單軌電車均采用DC750V或DC1500V供電方式，在結(jié)構(gòu)上基本上可分為2種形式——車輛跨座型（圖6）和懸掛型（圖7），前者仍采用車體安裝在轉(zhuǎn)向架上的方式；后者是將車體懸掛在轉(zhuǎn)向架的下方。兩者的轉(zhuǎn)向架均設(shè)有行走輪和導(dǎo)向輪，在性能上沒有明顯的差別。 以東京圈邊緣的千葉市應(yīng)用為例，從1988年開通懸掛型單軌電車以來，已成為城市交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。隨著交通量的不斷增長，計(jì)劃將其線路長度從目前的15.2km延長到40km，使其成為世界上最長的懸掛型單軌線路。3關(guān)于中速磁懸浮鐵路（HSST）系統(tǒng)的發(fā)展和展望 HSST(圖8)在日本的研究始于1972年11月，最初是作為機(jī)場交通工具，從1975年11月首次試運(yùn)行成功以來已經(jīng)開發(fā)了近30年，曾在幾次博覽會上展示過。1991年開始在名古屋市建設(shè)全長1.5km的大江試驗(yàn)線，近年來又成立了愛知高速交通公司，以2004年的名古屋市國際博覽會為目標(biāo)，建設(shè)全長8.9km的東部丘陵線。 該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是使用常規(guī)電磁鐵進(jìn)行懸浮支持和導(dǎo)向，并使用直線電機(jī)作為驅(qū)動裝置。開發(fā)重點(diǎn)已從最初的高速(200～300km/h)轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿鞘薪煌閷ο蟮闹小⒌退?100km/h左右)，并以HSST-100系統(tǒng)作為實(shí)用化的系統(tǒng)，表2為HSST-100系統(tǒng)的主要參數(shù)。 由表2和表3可見，HSST的基本原理是利用磁力懸浮和導(dǎo)向，用直線電機(jī)驅(qū)動行駛，無輪軌接觸，速度又不高，因此，行駛時(shí)噪聲較小，并且不會產(chǎn)生鐵粉或橡膠粉塵，即使在城市居民區(qū)附近也可以安靜地運(yùn)行。同時(shí)由于其車輛的輕量化，可以使高架軌道的橋樁比較輕巧，從而減少建設(shè)成本，對城市環(huán)境的影響也比較小。此外，HSST的優(yōu)點(diǎn)是在停車時(shí)也可懸浮，具有平穩(wěn)起動和較高的加減速性能，因此適合站間距離較短、坡道較大和小曲線多的復(fù)雜地形，在城市軌道交通系統(tǒng)中不失為一種有特點(diǎn)的系統(tǒng)。 但是，根據(jù)日本有關(guān)方面的介紹，HSST存在直線電機(jī)阻力大和效率較低的缺點(diǎn)，與輪軌交通系統(tǒng)相比，相對能耗及運(yùn)營成本較高；在運(yùn)輸能力方面，按HSST-100車輛的設(shè)計(jì)，其平均定員(包括站席)不足130人，編組輛數(shù)有限，不能滿足大運(yùn)量及長途客運(yùn)的要求。所以日本并不以HSST作為一種普遍應(yīng)用的城市軌道系統(tǒng)，而只是在如上所述的特定地形條件下，作為一種運(yùn)量和旅程不長的城市交通工具。