日本当代新型城市轨道交通系统简析

　 日本当代新型城市轨道交通系统简析摘要：介绍了日本当代新型城市轨道交通系统的特点及其适用范围，并对尚未应用的HSST磁悬浮系统的实用性问题进行了简单分析。关键词：城市轨道交通；地铁；轻轨；单轨电车；直线电机电动车组；自动导轨电动车组 根据笔者曾在日本研修轨道交通问题和近年来多次赴日考察的体会，主要介绍日本新型城市轨道交通系统的特点及其应用现状，并就HSST常导磁悬浮系统在日本的发展前景及其实用性问题进行简析。1新型城市轨道交通系统的主要特点 日本城市轨道交通系统历史悠久，以东京地铁为例，早在1953年就出现了以营团地铁丸之内线用300型电动车组为代表的现代城轨系统的雏型，至今已有50年以上的发展历史。近年来随着城市人口的集中化，旧有的路面电车和地下铁道系统已不能满足需要。因此，既有设备不断更新，并出现了各种新型的城市轨道交通系统。目前已在各大中城市正式投入运用的新系统可分类为单轨电车、自动导轨电动车组(AGT)、轻轨 (LRT)和直线电机电动车组。此外，还有计划即将投入实际运用的HSST系统。 作为具有大量输送能力的地面轨道系统，与既有的路面电车、地下铁道系统相比，可列举以下主要特征。1.1在技术上的先进性 日本的各种新型城市轨道交通系统均为20世纪80年代以后的产品，在设计中采用大量新结构和新技术，其车体结构类似高速车辆，均为不锈钢或空心型材的铝合金材料，轴重一般在10t以下，并具有良好的空气力学和动力学性能。在控制系统方面多采用带有再生电力制动的VVVF逆变器控制，具有节能优点。驱动系统均由动力分散的动车组成，有较强的起停能力。制动控制也多采用电子指令的复合制动方式。此外，还大量应用了列车自动控制(ATC)、车载列车信息技术、无维修化等新技术。1.2对城市交通的适应性 根据客流量大、区间距离短、停站多等城市交通的特点，新型城轨系统作为交通网络的重要组成部分，首先应该能满足通勤、通学等短途旅客运输的需要。因此，在日本基本上采用1067mm或1435mm轨距，以便和既有的JR铁路、民营铁路相连接。除单轨电车外，多数可实现无需换乘的直通运行，并多采用和地铁相一致的直流供电方式。在列车运行性能方面不要求速度太高，大部分最高速度为80km/h左右，但要求有较高的起动加速度和制动减速度，以缩短频繁停车的起停附加时分，有利于提高旅行速度。在定员方面，一般除座席外，留有较多的站席空间，从而增加了列车的定员。 此外，由于各种城市轨道交通系统有不同的结构特点，其车辆规格和性能也有所不同(表1)。因此，从东京、大阪、名古屋等100万以上人口的大都市到鹿儿岛、富山等中小城市采用了不同型式的新型城市轨道交通系统。2新型城市轨道交通系统的应用分析2.1轻轨交通系统 (LRT) 日本采用LRT的城市有东京、札幌、名古屋、大阪、广岛、熊本、鹿儿岛、富山、函馆等9个城市，线路合计近200km，分为1067、1372 和1435mm3种轨距，均采用DC600V供电。LRT主要特点是使用轻量化和高性能的车辆(LRV)在专设的地下或高架轻型轨道上行驶，并且可以和其他交通系统进行平面或立体交叉。通常在市中心的某些区段上行驶时速度较低，例如札幌8500型电车（图1）的最高速度为40km/h；当进入郊区时，再与郊区的专用轨道相连接，可以较高的速度行驶，最高速度为70km/h。由于这种城轨系统的列车编组辆数不多，定员也较少，因此，主要适用于中等规模运量的中小城市和大城市的非繁忙区段，例如富山8000型（图2）应用的城市人口在40万人以下，该系统的特点是车辆和轨道轻型化，可降低建设成本，实际上是一种具有新颖设计的现代化路面电车。随着客运量的增加，列车编组数增加（图3），以满足发展需要。2.2高架铁路和新型地铁 采用重型轨道的高架铁路和地铁通常容许较高的运行速度和长编组列车，其运输能力高于其他城市交通系统，并具有较长的旅程，因此适用于大、中城市，在日本，如东京、大阪、名古屋、京都、神户等拥有地铁交通系统的城市人口均在100万人以上。例如东京的都营6300型地铁列车为3M3T编组，最高运营速度达到120km/h。但在选择该种方式时需要考虑投资和环境保护的问题，因为地铁的建设成本高昂，城市中心地区的高架铁路可能影响景观并受到环境噪声的限制，而且在城市内小曲线半径和大坡道较多，限制了速度，因此，一般在市区的运行速度不超过80km/h，在市郊才提高为120km/h左右。 在新型地铁系统中值得注意的是北海道札幌市地铁的新型动车组。该系统的特点是使用橡胶车轮取代钢制车轮的转向架，列车行驶在具有两侧导轨的混凝土轨道上。始于1998年生产的地铁南北线用5000型动车组，具有减轻噪声和便于维修的特点。最近，在此基础上又开发了用于地铁东西线的8000型电动车组，该动车组为3M4T编组，全列车定员910人(其中座席340人)；采用DC1500V的第3轨供电方式；轨距为2150mm；并设有ATC装置和列车无线装置等新型设备。特别是经过多年改进，其橡胶轮胎的强度和维修性能已能达到要求，环保性能优于一般钢制车轮，所以也是城市轨道交通系统的一种选择。2.3AGT(自动导轨电动车组) 为满足城市交通不断发展的多样化要求，以1990年开通的神户六甲岛线”为代表，近年来日本在东京、神户、大阪、千叶等城市已建设了10条称为新交通系统的AGT系统(图4)，这种交通系统的特点是采用较窄的车体和高架方式，还有不同于传统轨道方式的中央或侧面自动导向方式，并使用橡胶轮胎取代钢轮。按照日本在1983年制定的有关“中量运输轨道系统”的规范，已制定有统一的技术标准，其中列车编组通常为4～6辆，设计运输能力972～7200人/h。 此外，在AGT系统中采用了自动化的微机控制方式，因此，可实现无人操纵的列车运行和达到高密度的追踪间隔。2.4直线电机地铁电动车组 在东京和大阪这样的中心城市，由于受到地面建筑的限制，开发和完善地铁网络是理想的交通系统。但地铁隧道的建设成本很高，开发直线电机电动车组（图5）的主要目的是减小隧道断面，从而可以减少地铁投资费用。该种方式的优点是具有较高的牵引能力，因此适用于小曲线半径和大坡道地铁线路，由于使用直线电机驱动，在高架线路上运行时噪声相对减小，也有利于降低建设费用。 但采用直线电机的地铁在日本并没有全面推广。据介绍主要是其断面较小，车辆定员90～100人，比普通地铁车辆定员(130～140人)减小30%以上。此外，由于直线电机固有的效率问题，在同样牵引能力下能耗较大，运营成本高于普通地铁。因此只适用于运量不太大的线路，作为常规地铁的补充方式。例如东京在深层地铁的大江户新线上采用了这种方式，以降低建设费用和解决深层地铁的大坡道问题。2.5单轨电车 单轨电车在东京、大阪、北九州等大、中城市得到了比较普遍的应用，其主要特点是在道路上空行驶，可以更好地利用道路上方的空间，从而降低征地费用。其建设成本大约为地铁的1/3，远低于同样规模的地铁，而且也适于大坡道和小曲线半径的高架线路。作为一种实用的城市轨道交通系统，近年来也有较大的发展。 单轨电车均采用DC750V或DC1500V供电方式，在结构上基本上可分为2种形式——车辆跨座型（图6）和悬挂型（图7），前者仍采用车体安装在转向架上的方式；后者是将车体悬挂在转向架的下方。两者的转向架均设有行走轮和导向轮，在性能上没有明显的差别。 以东京圈边缘的千叶市应用为例，从1988年开通悬挂型单轨电车以来，已成为城市交通网络的重要组成部分。随着交通量的不断增长，计划将其线路长度从目前的15.2km延长到40km，使其成为世界上最长的悬挂型单轨线路。3关于中速磁悬浮铁路（HSST）系统的发展和展望 HSST(图8)在日本的研究始于1972年11月，最初是作为机场交通工具，从1975年11月首次试运行成功以来已经开发了近30年，曾在几次博览会上展示过。1991年开始在名古屋市建设全长1.5km的大江试验线，近年来又成立了爱知高速交通公司，以2004年的名古屋市国际博览会为目标，建设全长8.9km的东部丘陵线。 该系统的主要特点是使用常规电磁铁进行悬浮支持和导向，并使用直线电机作为驱动装置。开发重点已从最初的高速(200～300km/h)转变为以城市交通为对象的中、低速(100km/h左右)，并以HSST-100系统作为实用化的系统，表2为HSST-100系统的主要参数。 由表2和表3可见，HSST的基本原理是利用磁力悬浮和导向，用直线电机驱动行驶，无轮轨接触，速度又不高，因此，行驶时噪声较小，并且不会产生铁粉或橡胶粉尘，即使在城市居民区附近也可以安静地运行。同时由于其车辆的轻量化，可以使高架轨道的桥桩比较轻巧，从而减少建设成本，对城市环境的影响也比较小。此外，HSST的优点是在停车时也可悬浮，具有平稳起动和较高的加减速性能，因此适合站间距离较短、坡道较大和小曲线多的复杂地形，在城市轨道交通系统中不失为一种有特点的系统。 但是，根据日本有关方面的介绍，HSST存在直线电机阻力大和效率较低的缺点，与轮轨交通系统相比，相对能耗及运营成本较高；在运输能力方面，按HSST-100车辆的设计，其平均定员(包括站席)不足130人，编组辆数有限，不能满足大运量及长途客运的要求。所以日本并不以HSST作为一种普遍应用的城市轨道系统，而只是在如上所述的特定地形条件下，作为一种运量和旅程不长的城市交通工具。