日本當代新型城市軌道交通系統簡析摘要：介紹了日本當代新型城市軌道交通系統的特點及其適用范圍，并對尚未應用的HSST磁懸浮系統的實用性問題進行了簡單分析。關鍵詞：城市軌道交通；地鐵；輕軌；單軌電車；直線電機電動車組；自動導軌電動車組 根據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的特點及其應用現狀，并就HSST常導磁懸浮系統在日本的發展前景及其實用性問題進行簡析。1新型城市軌道交通系統的主要特點 日本城市軌道交通系統歷史悠久，以東京地鐵為例，早在1953年就出現了以營團地鐵丸之內線用300型電動車組為代表的現代城軌系統的雛型，至今已有50年以上的發展歷史。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已不能滿足需要。因此，既有設備不斷更新，并出現了各種新型的城市軌道交通系統。目前已在各大中城市正式投入運用的新系統可分類為單軌電車、自動導軌電動車組(AGT)、輕軌 (LRT)和直線電機電動車組。此外，還有計劃即將投入實際運用的HSST系統。 作為具有大量輸送能力的地面軌道系統，與既有的路面電車、地下鐵道系統相比，可列舉以下主要特征。1.1在技術上的先進性 日本的各種新型城市軌道交通系統均為20世紀80年代以后的產品，在設計中采用大量新結構和新技術，其車體結構類似高速車輛，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和動力學性能。在控制系統方面多采用帶有再生電力制動的VVVF逆變器控制，具有節能優點。驅動系統均由動力分散的動車組成，有較強的起停能力。制動控制也多采用電子指令的復合制動方式。此外，還大量應用了列車自動控制(ATC)、車載列車信息技術、無維修化等新技術。1.2對城市交通的適應性 根據客流量大、區間距離短、停站多等城市交通的特點，新型城軌系統作為交通網絡的重要組成部分，首先應該能滿足通勤、通學等短途旅客運輸的需要。因此，在日本基本上采用1067mm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，多數可實現無需換乘的直通運行，并多采用和地鐵相一致的直流供電方式。在列車運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有不同的結構特點，其車輛規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。
2新型城市軌道交通系統的應用分析2.1輕軌交通系統 (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個城市，線路合計近200km，分為1067、1372 和1435mm3種軌距，均采用DC600V供電。LRT主要特點是使用輕量化和高性能的車輛(LRV)在專設的地下或高架輕型軌道上行駛，并且可以和其他交通系統進行平面或立體交叉。通常在市中心的某些區段上行駛時速度較低，例如札幌8500型電車（圖1）的最高速度為40km/h；當進入郊區時，再與郊區的專用軌道相連接，可以較高的速度行駛，最高速度為70km/h。由于這種城軌系統的列車編組輛數不多，定員也較少，因此，主要適用于中等規模運量的中小城市和大城市的非繁忙區段，例如富山8000型（圖2）應用的城市人口在40萬人以下，該系統的特點是車輛和軌道輕型化，可降低建設成本，實際上是一種具有新穎設計的現代化路面電車。隨著客運量的增加，列車編組數增加（圖3），以滿足發展需要。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行速度和長編組列車，其運輸能力高于其他城市交通系統，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，最高運營速度達到120km/h。但在選擇該種方式時需要考慮投資和環境保護的問題，因為地鐵的建設成本高昂，城市中心地區的高架鐵路可能影響景觀并受到環境噪聲的限制，而且在城市內小曲線半徑和大坡道較多，限制了速度，因此，一般在市區的運行速度不超過80km/h，在市郊才提高為120km/h左右。 在新型地鐵系統中值得注意的是北海道札幌市地鐵的新型動車組。該系統的特點是使用橡膠車輪取代鋼制車輪的轉向架，列車行駛在具有兩側導軌的混凝土軌道上。始于1998年生產的地鐵南北線用5000型動車組，具有減輕噪聲和便于維修的特點。最近，在此基礎上又開發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；并設有ATC裝置和列車無線裝置等新型設備。特別是經過多年改進，其橡膠輪胎的強度和維修性能已能達到要求，環保性能優于一般鋼制車輪，所以也是城市軌道交通系統的一種選擇。2.3AGT(自動導軌電動車組) 為滿足城市交通不斷發展的多樣化要求，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、千葉等城市已建設了10條稱為新交通系統的AGT系統(圖4)，這種交通系統的特點是采用較窄的車體和高架方式，還有不同于傳統軌道方式的中央或側面自動導向方式，并使用橡膠輪胎取代鋼輪。按照日本在1983年制定的有關“中量運輸軌道系統”的規范，已制定有統一的技術標準，其中列車編組通常為4～6輛，設計運輸能力972～7200人/h。 此外，在AGT系統中采用了自動化的微機控制方式，因此，可實現無人操縱的列車運行和達到高密度的追蹤間隔。2.4直線電機地鐵電動車組 在東京和大阪這樣的中心城市，由于受到地面建筑的限制，開發和完善地鐵網絡是理想的交通系統。但地鐵隧道的建設成本很高，開發直線電機電動車組（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用。該種方式的優點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，由于使用直線電機驅動，在高架線路上運行時噪聲相對減小，也有利于降低建設費用。 但采用直線電機的地鐵在日本并沒有全面推廣。據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，由于直線電機固有的效率問題，在同樣牽引能力下能耗較大，運營成本高于普通地鐵。因此只適用于運量不太大的線路，作為常規地鐵的補充方式。例如東京在深層地鐵的大江戶新線上采用了這種方式，以降低建設費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用，其主要特點是在道路上空行駛，可以更好地利用道路上方的空間，從而降低征地費用。其建設成本大約為地鐵的1/3，遠低于同樣規模的地鐵，而且也適于大坡道和小曲線半徑的高架線路。作為一種實用的城市軌道交通系統，近年來也有較大的發展。 單軌電車均采用DC750V或DC1500V供電方式，在結構上基本上可分為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向架上的方式；后者是將車體懸掛在轉向架的下方。兩者的轉向架均設有行走輪和導向輪，在性能上沒有明顯的差別。 以東京圈邊緣的千葉市應用為例，從1988年開通懸掛型單軌電車以來，已成為城市交通網絡的重要組成部分。隨著交通量的不斷增長，計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關于中速磁懸浮鐵路（HSST）系統的發展和展望 HSST(圖8)在日本的研究始于1972年11月，最初是作為機場交通工具，從1975年11月首次試運行成功以來已經開發了近30年，曾在幾次博覽會上展示過。1991年開始在名古屋市建設全長1.5km的大江試驗線，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，建設全長8.9km的東部丘陵線。 該系統的主要特點是使用常規電磁鐵進行懸浮支持和導向，并使用直線電機作為驅動裝置。開發重點已從最初的高速(200～300km/h)轉變為以城市交通為對象的中、低速(100km/h左右)，并以HSST-100系統作為實用化的系統，表2為HSST-100系統的主要參數。 由表2和表3可見，HSST的基本原理是利用磁力懸浮和導向，用直線電機驅動行駛，無輪軌接觸，速度又不高，因此，行駛時噪聲較小，并且不會產生鐵粉或橡膠粉塵，即使在城市居民區附近也可以安靜地運行。同時由于其車輛的輕量化，可以使高架軌道的橋樁比較輕巧，從而減少建設成本，對城市環境的影響也比較小。此外，HSST的優點是在停車時也可懸浮，具有平穩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雜地形，在城市軌道交通系統中不失為一種有特點的系統。 但是，根據日本有關方面的介紹，HSST存在直線電機阻力大和效率較低的缺點，與輪軌交通系統相比，相對能耗及運營成本較高；在運輸能力方面，按HSST-100車輛的設計，其平均定員(包括站席)不足130人，編組輛數有限，不能滿足大運量及長途客運的要求。所以日本并不以HSST作為一種普遍應用的城市軌道系統，而只是在如上所述的特定地形條件下，作為一種運量和旅程不長的城市交通工具。
2新型城市軌道交通系統的應用分析2.1輕軌交通系統 (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個城市，線路合計近200km，分為1067、1372 和1435mm3種軌距，均采用DC600V供電。LRT主要特點是使用輕量化和高性能的車輛(LRV)在專設的地下或高架輕型軌道上行駛，并且可以和其他交通系統進行平面或立體交叉。通常在市中心的某些區段上行駛時速度較低，例如札幌8500型電車（圖1）的最高速度為40km/h；當進入郊區時，再與郊區的專用軌道相連接，可以較高的速度行駛，最高速度為70km/h。由于這種城軌系統的列車編組輛數不多，定員也較少，因此，主要適用于中等規模運量的中小城市和大城市的非繁忙區段，例如富山8000型（圖2）應用的城市人口在40萬人以下，該系統的特點是車輛和軌道輕型化，可降低建設成本，實際上是一種具有新穎設計的現代化路面電車。隨著客運量的增加，列車編組數增加（圖3），以滿足發展需要。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行速度和長編組列車，其運輸能力高于其他城市交通系統，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，最高運營速度達到120km/h。但在選擇該種方式時需要考慮投資和環境保護的問題，因為地鐵的建設成本高昂，城市中心地區的高架鐵路可能影響景觀并受到環境噪聲的限制，而且在城市內小曲線半徑和大坡道較多，限制了速度，因此，一般在市區的運行速度不超過80km/h，在市郊才提高為120km/h左右。 在新型地鐵系統中值得注意的是北海道札幌市地鐵的新型動車組。該系統的特點是使用橡膠車輪取代鋼制車輪的轉向架，列車行駛在具有兩側導軌的混凝土軌道上。始于1998年生產的地鐵南北線用5000型動車組，具有減輕噪聲和便于維修的特點。最近，在此基礎上又開發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；并設有ATC裝置和列車無線裝置等新型設備。特別是經過多年改進，其橡膠輪胎的強度和維修性能已能達到要求，環保性能優于一般鋼制車輪，所以也是城市軌道交通系統的一種選擇。2.3AGT(自動導軌電動車組) 為滿足城市交通不斷發展的多樣化要求，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、千葉等城市已建設了10條稱為新交通系統的AGT系統(圖4)，這種交通系統的特點是采用較窄的車體和高架方式，還有不同于傳統軌道方式的中央或側面自動導向方式，并使用橡膠輪胎取代鋼輪。按照日本在1983年制定的有關“中量運輸軌道系統”的規范，已制定有統一的技術標準，其中列車編組通常為4～6輛，設計運輸能力972～7200人/h。 此外，在AGT系統中采用了自動化的微機控制方式，因此，可實現無人操縱的列車運行和達到高密度的追蹤間隔。2.4直線電機地鐵電動車組 在東京和大阪這樣的中心城市，由于受到地面建筑的限制，開發和完善地鐵網絡是理想的交通系統。但地鐵隧道的建設成本很高，開發直線電機電動車組（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用。該種方式的優點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，由于使用直線電機驅動，在高架線路上運行時噪聲相對減小，也有利于降低建設費用。 但采用直線電機的地鐵在日本并沒有全面推廣。據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，由于直線電機固有的效率問題，在同樣牽引能力下能耗較大，運營成本高于普通地鐵。因此只適用于運量不太大的線路，作為常規地鐵的補充方式。例如東京在深層地鐵的大江戶新線上采用了這種方式，以降低建設費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用，其主要特點是在道路上空行駛，可以更好地利用道路上方的空間，從而降低征地費用。其建設成本大約為地鐵的1/3，遠低于同樣規模的地鐵，而且也適于大坡道和小曲線半徑的高架線路。作為一種實用的城市軌道交通系統，近年來也有較大的發展。 單軌電車均采用DC750V或DC1500V供電方式，在結構上基本上可分為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向架上的方式；后者是將車體懸掛在轉向架的下方。兩者的轉向架均設有行走輪和導向輪，在性能上沒有明顯的差別。 以東京圈邊緣的千葉市應用為例，從1988年開通懸掛型單軌電車以來，已成為城市交通網絡的重要組成部分。隨著交通量的不斷增長，計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關于中速磁懸浮鐵路（HSST）系統的發展和展望 HSST(圖8)在日本的研究始于1972年11月，最初是作為機場交通工具，從1975年11月首次試運行成功以來已經開發了近30年，曾在幾次博覽會上展示過。1991年開始在名古屋市建設全長1.5km的大江試驗線，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，建設全長8.9km的東部丘陵線。 該系統的主要特點是使用常規電磁鐵進行懸浮支持和導向，并使用直線電機作為驅動裝置。開發重點已從最初的高速(200～300km/h)轉變為以城市交通為對象的中、低速(100km/h左右)，并以HSST-100系統作為實用化的系統，表2為HSST-100系統的主要參數。 由表2和表3可見，HSST的基本原理是利用磁力懸浮和導向，用直線電機驅動行駛，無輪軌接觸，速度又不高，因此，行駛時噪聲較小，并且不會產生鐵粉或橡膠粉塵，即使在城市居民區附近也可以安靜地運行。同時由于其車輛的輕量化，可以使高架軌道的橋樁比較輕巧，從而減少建設成本，對城市環境的影響也比較小。此外，HSST的優點是在停車時也可懸浮，具有平穩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雜地形，在城市軌道交通系統中不失為一種有特點的系統。 但是，根據日本有關方面的介紹，HSST存在直線電機阻力大和效率較低的缺點，與輪軌交通系統相比，相對能耗及運營成本較高；在運輸能力方面，按HSST-100車輛的設計，其平均定員(包括站席)不足130人，編組輛數有限，不能滿足大運量及長途客運的要求。所以日本并不以HSST作為一種普遍應用的城市軌道系統，而只是在如上所述的特定地形條件下，作為一種運量和旅程不長的城市交通工具。
