关于城市轨道交通系统的电气化探究

关于城市轨道交通系统的电气化探究 前言 1863 年世界上第一条地下铁道于 1 月 10 日在伦敦建成。开始是采用蒸汽 机车牵引。1881 年第一辆 有轨电车在德国柏林工业博览会上展示。1888 年美 国弗吉尼亚州里士满市世界上第一条有轨电车系统投入运行。1908 年中国第一 条有轨电车在上海建成通车。1969 年中国第一条地铁北京地铁一期工程当年 10 月建成。1978 年在比利时国际公共交通联合会上，确定了新型有轨电车交 通的统一名称，简称轻轨交通（LRT）。 二战后经过短暂的经济恢复后，地下铁道建设随着全世界经济起飞而启动、 加快。二十世纪 70 年代和 80 年代是各国地下铁道建 设的高峰。发达国家的主 要大城市如纽约、华盛顿、芝加哥、伦敦、巴黎、柏林、东京、莫斯科等已基 本完成了地铁网络的建设。但后起的中等发达国家和地区，特别是发展中国家 地铁建设却方兴未艾。比如亚洲共有 26 个城市有地下 铁道。除了东京与大阪 在二次大战前就建有地下铁道外，其余 24 个城市均是在 战后建成。20 世纪 50 年代开始，世界各国大城市都纷纷拆除有轨电车线路，这阵风也波及到中国。 到 20 世纪 50 年代末，我国各大城市也把有轨电车线 基本拆完，仅剩下大连、 长春个别线路没有拆光，并一直保留至今，继续承担着正常公共客运任务。20 世纪 60、70 年代在地下铁道建设高潮发展时期，由于地下 铁道造价昂贵，建 设进度受财政和其他因素制约，西方大城市在建设地下铁道的同时，又重新把 注意力转移到地面轨道上来。利用现代高科技开发了新一代噪声低、速度高、 转弯灵活、乘客上下方便，甚至照顾到老人和残疾人的低地板新型有轨电车。 在线路结构上，也采用了降噪声技术措施。在速度要求较高的线路上，采用专 用车道，与繁忙道路交叉处，进入半地下或高架交叉，互不影响。对速度要求 不高的线路，可与道路平齐，与汽车混合运行。回顾 20 世纪城市交通的发展 历程，就是一个否定之否定的过程。有轨电车从大发展到大拆除；然后汽车登 上历史舞台，逐渐成了城市交通的主角；到 20 世 纪末，以地铁和轻轨为代表 的城市轨道交通又恢复了它的主导地位，这是个螺旋式的上升过程。 正文 地铁也一种电气化铁路系统，运能与轻轨相比较大。它必须有单独的道路； 车辆由多节车厢组成，速度及加速都较快；有复杂的信号系统；并需有较高的 站台上下客。行驶的道路一般在地面、地下和高架线上。国外交通系统包括了 市郊列车、地铁列车等。如上海地铁 1 号线、2 号 线、3 号线都属于这一 类。从运量来区分，地铁的运输量最大，单向每小时可以运送 4 万至 6 万人次， 轻轨只可以运送 2 万至 3 万人次，有轨电车的运输 量最小，每小时只有 1 万人 次。空中轨道列车是一种悬挂式单轨交通系统。轨道在列车上方，由钢铁或水 泥立柱支撑在空中。由于将地面交通移至空中，在无需扩展城市现有公路设施 的基础上，可缓解城市交通难题。由于它设计上的独特性，从而具有造价低、 工程快、无污染、占地面积小、可拆卸等优点。它每小时的运输量可达到 1 万 5 千人次。城市 轻轨是城市 轨道建设的一种重要形式，也是当今世界上发展最 为迅猛的轨道交通形式。近年来，随着中国城市化步伐的加快，我国重庆、上 海、北京等城市纷纷兴建城市轻轨。一时间，轻轨成为都市人的时髦话题。轻 轨的机车重量和载客量要比一般列车小，所使用的铁轨质量轻，每米只有 50 公斤，因此叫做“轻轨“ 。城市 轻轨具有运量大、速度快、 污染小、能耗少、准 点运行、安全性高等优点。轻轨可运送 2 万至 3 万人次，有 轨电车的运量最小， 只有 1 万人次。 按照国际标准，城市轨道交通列车可分为 A、B、C 三种型号，分别对应 3 米、2.8 米、 2.6 米的列 车宽度。凡是选用 A 型或 B 型列车的轨道交通线路称 为地铁，采用 58 节编组 列车；选用 C 型列车的轨道交通线路称为轻轨，采 用 24 节编组列车，列车 的车型和编组决定了车轴 重量和站台长度。上海轨 道交通 3 号线 采用 6 节编组 A 型列车，有 90%的线路都是在高架上，但是按照 车型分类标准仍然属于地铁线路；上海轨道交通 6 号线采用 4 节编组 C 型列车， 有 70%的线路都是在隧道内，但是按照车型分类标准仍然属于轻轨线路。A 型 车是目前最高端的城市轨道交通列车。其特点是车体宽和编组大，A 型车宽度 为 3 米，上海 轨道交通 10 号线采用的阿尔斯通 Metroplis 地铁列车宽度达到 3.2 米； 6 节编组 A 型地铁列车最大载客量为 2460 人，上海轨道交通 1、2 号 线的阿尔斯通和西门子 8 节编组 A 型地铁列车最大 载客量达到 3280 人。B 型 车和 C 型车的造价和技术含量要小于 A 型车。大多数 轨道交通工具采用钢轨- 钢轮系统行走。近年来亦有采用混凝土轨道-胶轮系统行走的，法国巴黎及日本 东京、 神户等轨道交通工具已有采用，其优点是降低车辆运行时由钢轨和钢轮 摩擦而产生的噪音，以及减小震动。传统的有轨电车大多亦为钢轨-钢轮系统， 而现代新型有轨电车则采用单轨-胶轮系统，如天津滨海新区和上海张江高科的 导轨电车，即铺设一条轨道作为“导向轨”，胶轮行走，电力驱动，轨道仅作 为导向使用，不承担承重及行走功能，是一种新型轨道交通工具，与传统的有 轨电车有本质的区别 空 轨 空轨列车是悬挂式单轨交通系统。轨道在列车上方，由钢铁或水泥立柱支 撑在空中。由于将地面交通移至空中，在无需扩展城市现有公路设施的基础上 可缓解城市交通难题。又由于它只将轨道移至空中，而不是像高架轻轨或骑坐 式单轨那样将整个路面抬入空中，因此克服了其他轨道交通系统的弊病，在建 造和运营方面具有很多突出的特点和优点。根据城市轨道交通建设标准、地铁 设计规范规定，以及现有德国车辆设计标准，每辆列车可运载 75-100 人左右。 按一列车 4 辆 列车编组，每列 车旅客人数约为 280-390 人。本系统最高运行速 度为 50km/h，其速度风险远 低于地铁系统的 80km/h，列车编组 4 辆的长度为 36.8m，不足地 铁 B 型车 2 辆编组长度，且为胶轮系统，加上先进的刹车性能， 使其制动距离远低于地铁的钢轮钢轨系统。因此发车间隔可以缩短。 地铁或轻轨由于牵涉到大量的拆迁问题，隐性的成本要高得多，施工时间 也长得多。与其他轨道交通相比较，H-Bahn 空轨 的建设成本最低。空轨系统 引入中国后，经过吸收、消化、创新，目前阶段国产化率达到了 80%以上，随 着国产化率不断提高和规模生产，制造成本将进一步降低。系统可以根据客户 需求，配置不同的控制系统，也可以采用人工驾驶降低工程造价。系统综合平 均每公里工程造价在 1-1.5 亿元之间。（和跨坐式 单轨系统造价基本一样啊。 但跨坐式单轨系统载客能力高）空中轨道交通列车不像地铁或轻轨，需要在现 场进行大量的建造工程。H-Bahn 空轨所有的部件包括轨道梁、支柱等全是在 工厂中批量完成的，现场施工十分简单快捷。支柱施工仅需在地下打孔，然后 植入混凝土基础，不需要专用的机械设备。一般每处施工几天即可完成，全线 只要几个月，即可将空轨竖杆组装完毕。整个系统建设周期在 1-2 年之间。空 轨占地面积极小，形象地说只要将马路上的照明灯杆加粗，即可支撑起整个空 轨。空轨系统除了车站需要占用一定地面空间外，轨道基础占地面积非常小， 由于轨道曲线半径设计比较灵活，工程几乎不涉及既有建筑物的拆迁。商务区、 机场和火车站还可以利用既有建筑或过街天桥作为车站。空轨可从一处很容易 拆卸后移至另一处。这对发展中的城市尤为重要。在城市新区，人流太小，没 必要建大流量的轨道交通，可先建 H-Bahn 空轨，等商圈繁华、地价升高、人 流增大后，再以大流量轨道交通替代，空轨可拆卸移走，用到它处。 空轨为全程全自动无人驾驶系统。它采用自动列车控制（ATC）系统，全 程由计算机控制。西门子公司开发的定位系统能保证在任何时间、任何情况下 3 公分的列车 定位精度。列 车全程自动运行（ATO ），高效、节能、准时，消 除人为错误。而自动列车保护（ATP）子系统能保 证列车不会超时、冒进，发 生追尾等事故。德国公共交通系统的安全指标可以说是全世界最严厉的，而空 轨所有安全性能指标均超过国家标准。 空轨的轨道在封闭的钢梁内，所以绝对 没有出轨的可能性。另外，在空中运行，不会发生与其它物体相撞行为。H- Bahn 空 轨系统是世界上最 为安全的交通工具之一，运行已有多年，运行率几乎 高达 100%，无一起交通事故。空 轨系统采用自动 列车控制（ATC）系统，全 程由计算机控制。西门子公司开发的定位系统能保证在任何时间、任何情况下 3 公分的列车 定位精度。列 车全程自动运行（ATO ），高效节能准时，消除人 为错误。而自动列车保护（ATP）子系统能保证列 车不会超时、冒进，发生追 撞等事故。车辆转向架上装有走行轮和导向轮，走行机理与钢轮钢轨系统完全 不同，在列车运行过程中，走行轮和导向轮始终在箱形轨道梁内部，因此充分 保障了系统的运营安全。空中轨道列车由于重心低及机械构造的特点，绝无出 轨的可能。普通轨道列车重心高，列车前方有障碍物时或弯道处速度异常，有 出事故或出轨的可能 磁悬浮列车 磁悬浮列车是一种利用磁极吸引力和排斥力的高科技交通工具。简单地说， 排斥力使列车悬起来、吸引力让列车开动。磁悬浮列车上装有电磁体，铁路底 部则安装线圈。通电后，地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保 持相同，两者“同性相斥”，排斥力使列车悬浮起来。铁轨两侧也装有线圈， 交流电使线圈变为电磁体。它与列车上的电磁体相互作用，使列车前进。列车 头的电磁体（N 极）被轨道上靠前一点的电磁体（ S 极）所吸引，同时被轨道 上稍后一点的电磁体（N 极）所排斥结果是一 “推”一“拉”。磁悬 浮列车运行时与轨道保持一定的间隙（一般为 1 10cm），因此运行安全、平 稳舒适、无噪声，可以实现全自动化运行。磁悬浮列车的使用寿命可达 35 年， 而普通轮轨列车只有 20 25 年。磁悬浮列车路轨 的寿命是 80 年，普通路轨只 有 60 年。此外，磁悬浮列 车启动后 39 秒内即达到最高速度，目前的最高 时速 是 552 公里。据德国科学家预测，到 2014 年，磁悬浮列车采用新技术后，时 速将达 1000 公里。而一般 轮轨列车的最高时速为 300 公里。 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 400500 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，德国青睐前者， 集中精力研制常导高速磁悬浮技术;而日本则看好后者，全力投入高速超 导磁悬 浮技术之中 城 市 轨 道 交 通 信 号 系 统 城市轨道交通信号系统是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现 代化，提高运输效率的关键系统设备。 城市轨道交通信号系统通常由列车自动控制系统（Automatic Train Control，简称 ATC）组成， ATC 系统包括三个子系 统： 、 列车自动监控系统（Automatic Train Supervision，简称 ATS） 二 、列车自动防护子系统（Automatic Train Protection，简称 ATP） 三、 列车自动运行系统（Automatic Train Operation，简称 ATO） 三个子系统通过信息交换网络构成闭环系统，实现地面控制与车上控制结 合、现地控制与中央控制结合，构成一个以安全设备为基础，集行车指挥、运 行调整以及列车驾驶自动化等功能为一体的列车自动控制系统。 列 车 自 动 控 制 系 统 （ ATC） 1、按闭塞布点方式：可分为固定式和移动式。固定闭塞方式中按控制方式， 又可分为速度码模式（台阶式）和目标距离码模式（曲线式）。 2、按机车信号 传输方式：可分 为连续式和点式。 3、按各系统设备 所处地域可分 为：控制中心子系统、车站及轨旁子系统、 车载设备子系统、车场子系统。 固 定 闭 塞 ATC 系 统 固 定 闭 塞 ATC 系 统 是 指 基 于 传 统 轨 道 电 路 的 自 动 闭 塞 方 式 ， 闭 塞 分 区 按 线 路 条 件 经 牵 引 计 算 来 确 定 ， 一 旦 划 定 将 固 定 不 变 。 列 车 以 闭 塞 分 区 为 最 小 行 车 间 隔 ， ATC 系 统 根 据 这 一 特 点 实 现 行 车 指 挥 和 列 车 运 行 的 自 动 控 制 。 固 定 闭 塞 ATC 系 统 又 可 分 为 速 度 码 模 式 和 目 标 距 离 码 模 式 。 1、 速 度 码 模 式 （ 台 阶 式 ） 如 北 京 地 铁 和 上 海 地 铁 1 号 线 分 别 引 进 的 英 国 西 屋 公 司 和 美 国 GRS 公 司 的 ATC 系 统 均 属 此 类 ATC 系 统 ， 该 系 统 属 70 80 年 代 的 产 品 ， 技 术 成 熟 、 造 价 较 低 ， 但 因 闭 塞 分 区 长 度 的 设 计 受 限 于 最 不 利 线 路 条 件 和 最 低 列 车 性 能 ， 不 利 于 提 高 线 路 运 输 效 率 。 固 定 闭 塞 速 度 码 模 式 ATC 是 基 于 普 通 音 频 轨 道 电 路 ， 轨 道 电 路 传 输 信 息 量 少 ， 对 应 每 个 闭 塞 分 区 只 能 传 送 一 个 信 息 代 码 ， 从 控 制 方 式 可 分 成 入 口 控 制 和 出 口 控 制 两 种 ， 从 轨 道 电 路 类 型 划 分 可 分 为 有 绝 缘 和 无 绝 缘 轨 道 电 路 两 种 。 以 出 口 防 护 方 式 为 例 ， 轨 道 电 路 传 输 的 信 息 即 该 区 段 所 规 定 的 出 口 速 度 命 令 码 ， 当 列 车 运 行 的 出 口 速 度 大 于 本 区 段 的 出 口 命 令 码 所 规 定 的 速 度 时 ， 车 载 设 备 便 对 列 车 实 施 惩 罚 性 制 动 ， 以 保 证 列 车 运 行 的 安 全 。 由 于 列 车 监 控 采 用 出 口 检 查 方 式 ， 为 保 证 列 车 安 全 追 踪 运 行 ， 需 要 一 个 完 整 的 闭 塞 分 区 作 为 列 车 的 安 全 保 护 距 离 ， 限 制 了 线 路 通 过 能 力 的 进 一 步 提 高 和 发 挥 。 能 提 供 此 类 产 品 的 公 司 有 ： 英 国 WSL 公 司 、 美 国 GRS 公 司 、 法 国 ALSTOM 公 司 、 德 国 SIEMENZ 公 司 等 。 2、 目 标 距 离 码 模 式 （ 曲 线 式 ） 目 标 距 离 码 模 式 一 般 采 用 音 频 数 字 轨 道 电 路 或 音 频 轨 道 电 路 加 电 缆 环 线 或 音 频 轨 道 电 路 加 应 答 器 ， 具 有 较 大 的 信 息 传 输 量 和 较 强 的 抗 干 扰 能 力 。 通 过 音 频 数 字 轨 道 电 路 发 送 设 备 或 应 答 器 向 车 载 设 备 提 供 目 标 速 度 、 目 标 距 离 、 线 路 状 态 （ 曲 线 半 径 、 坡 道 等 数 据 ） 等 信 息 ， 车 载 设 备 结 合 固 定 的 车 辆 性 能 数 据 计 算 出 适 合 于 列 车 运 行 的 目 标 距 离 速 度 模 式 曲 线 （ 最 终 形 成 一 段 曲 线 控 制 方 式 ） ， 保 证 列 车 在 目 标 距 离 速 度 模 式 曲 线 下 有 序 运 行 。 不 仅 增 强 了 列 车 运 行 的 舒 适 度 ， 而 且 列 车 追 踪 运 行 的 最 小 安 全 间 隔 缩 短 为 安 全 保 护 距 离 ， 有 利 于 提 高 线 路 的 通 过 能 力 。 如 上 海 地 铁 2 号 线 引 进 美 国 US 第 1 版 (2004 年 4 月 1 日) （5）城市轨道交通系统概论作 者： 谭复兴 高伟君 出版年月：2007 丛书名： 普通高等教育“ 十一五” 国家级规划教材 （6）城市轨道交通作者： 毛保华等 编著出版社： 科学出版社出版日期：2001- 04（7 ） 城市轨道交通设备系统作者：周顺华 分类：U239.5-43/4 出版： 人民交通出版社 附件： 开题报告 题目 关于城市轨道交通系统的电气化探究 小组名 班级 成员姓名 （一） 论文选题意义及创新点 本课题