城市轨道交通最新技术及评定【摘要】 文章对城市轨道交通系统进行分类、并对其最新发展和商业化运营趋势及其所用的安全评定方法进行了论述。【关键词】：城市轨道交通系统；商业化运营；评定0 前言 在日本，80年代开始商业运营的新型交通系统，作为介于火车和汽车之间的中型交通系统，是城市轨道交通系统的主力。然而，近来研究的重点是轻轨交通（LRT）、现代城市有轨电车、以及采用线性电动机等新技术的城市轨道交通系统。这些系统开始在日本的一些地方投入商业运营。鉴于国际标准，制定无人操作标准，执行IEC62278标准，加强可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）管理。在新型城市轨道交通系统投入商业运营前，须以不同的方法对其进行评定。因此，本文用实例论述了对城市轨道交通系统的最新发展和商业化运营趋势及所用的评定方法。1城市轨道交通系统分类 一般来说，铁道交通系统使用钢制车轮和钢轨对车辆进行支承和导向，并使用车上旋转电动机产生的粘着力驱动。司机根据道旁或司机室的信号进行操作。不过，城市轨道交通系统并不都是这种类型。下面对包括城市轨道交通系统在内的铁道运输系统进行分类。1.1按支承/导向和驱动系统来分类 根据定义，不需要长距离运行的城市轨道交通系统，就运行区域来说具有灵巧的特点。例如，现有无车载驱动电动机的系统，又有非接触支承和导向的系统。
图1是根据车辆的支承/导向和驱动技术对城市轨道交通系统进行的分类。驱动列车的旋转电动机系统，可进一步分类为车载电动机和地面电动机。1.1. 1用车载旋转电动机驱动 某些城市轨道交通系统如传统铁道系统一样使用车载旋转电动机驱动车轮，但存在一些不同。轻轨车辆系统没有车轴，电动机装在车体上或装在转向架构架上以便降低车辆地板高度。新型交通系统，使用橡胶轮胎支承和驱动，用导向轮导向。另外还有使用带传动装置车载旋转电动机的车辆，陡坡运行时用永磁系统（替代车轮驱动力）。1.1. 2用地面旋转电动机驱动 架空索道和缆车一般都用地面旋转电动机，将电动机的驱动力转换为缆索的线性运动。这些早已投入商业运营，主要用于旅游景点。然而，近年来，它们被作为城市轨道交通系统。缆索驱动的缺点是缺乏导向稳定性。解决该问题的方法是，在架空索道上采用减阻装置、翼板和阻尼器等来改善风阻，以及在OTIS上使用导向轮导向。高架铁道系统的导向，与悬挂单轨铁道的一样，由导向轮和支承梁导向以减小风的影响。在这种系统中，梁用于支承，而缆索仅用于驱动。1.1. 3车载线性电动机的一次侧驱动 80年代后期，线性电动机在工业上的应用得到积极推进，直接驱动的优点开始得到广泛的认可。对于铁路上的应用，平板式电动机和无粘着驱动的优点开始引人关注。使用线性电动机的第一个商业运营系统是用线性电动机的地铁。在该系统中，像传统铁道系统一样，车轮的支承和导向由铁制车轮和轨道提供，只是驱动是由车辆上线性感应电动机一次侧（装在车上的供电线圈）提供（图2）。采用该系统的初衷是，试图利用线性电动机的平稳性来减小隧道截面，以降低地铁昂贵的建设费用。然而，从技术上讲，这是一个具有开拓意义的系统，它只需使用与传统逆变器相同的驱动控制方法，使得线性电动机能在铁道上使用（图3）。这种系统于1990年3月首次在大扳交通局的地铁7号线开始商业运营，随后在东京交通局的地铁12号线（1991年）和神户市的Kaigan线（2001年）上运营。最近，福冈和横滨正在建设使用这种系统的铁路线。 线性电动机驱动在商业化运营中取得进展，从而加快了使用线性驱动技术的磁悬浮铁路的商业化运营（图4）。与传统铁路相比，磁悬浮铁路的特点是用线性电动机驱动和用常导磁悬浮支承及导向。线性电动机驱动已经在采用线性电动机的地铁通过了安全评定，所以只需对悬浮控制的安全性作评定。为此，运输部在Oe磁悬浮试验线上进行了广泛试验，并对试验数据进行了收集和评定，认定该系统无安全问题。此后将其添加到铁路商业法（专用铁路）中。使用该系统的Tobu Kyuryo线路计划于2005年投入运营。 与上述系统相似，OTIS系统由线性感应电动机驱动，由空气悬挂系统支承（用导向轮导向）。政府（运输部）、学术界、包括该行业（OTIS）的有关团体与专家组成的委员会（东京大学Shoda教授为主席）为该系统设定了试验项目以及进行安全评定。线性感应电动机驱动通过了安全性能评定，因此这次评定主要集中在空气悬挂系统控制的安全性上。结果表明，OTIS系统在运行速度低于50 km/h时没有安全问题。1.1. 4地面线性电动机一次侧驱动 上述的线性电动机的工作原理是，一次侧在车辆系统中，在该车辆系统使用了线性感应电动机，电源侧线圈装在车上。虽然这种驱动系统与线性电动机地铁、HSST和OTIS的支承和导向方式不同，但就驱动方法而论，在技术上是相同的。然而，城市轨道交通系统则是将一次侧装在地面系统中，而供电侧线圈装在地面上。虽然使用线性同步电动机，连续不断的线圈可装在地面上，但据说这种系统作为城市轨道交通系统，由于建设费用的问题，只在有限的情况下可行，因而，至今还没有投入商业运营。可节省建设费用的一种间断安装线性感应电动机的系统已经用于商业运营，如美国机场内部的运输，但在日本还没有投入商业运营。日本的高架铁道系统，线性电动机安装在地面系统的一次侧，以便在车站附近实施加速和减速（图5）。发车时，车辆由线性电动机加速，达到缆索速度时，控制缆索。到达时，车辆脱离缆索，由线性电动机将速度从缆索速度降至停车。该车辆的支承梁和导轮使支承/导向系统与驱动系统独立分开，其控制系统具有线性电动机较高加速和减速的性能和节省空间的特点。在特殊情况下，一次侧装在地面系统中，二次侧反作用板则需安装在车上，这样便可充分利用一次侧装在地面系统中重量轻和节能的优点。这种系统于1998年在广岛Prefecture用作进出Seno车站的运输工具。1.2按操作方法分类 铁路系统可根据它们的操作方法分类。如图6所示，传统铁路系统(无列车自动操作——NTO)基本由司机人工操作，而许多城市轨道交通系统为自动操作(半自动列车操作——STO)或无人操作(无司机列车操作——DTO或自动列车操作——UTO)。由于城市轨道交通系统在相当短的运行距离内需要高频率运行，造成列车运行费用过高，因而节省人力的措施极为重要。然而，近年来许多传统铁路运输系统使用STO系统，即车上有司机但列车可自动操作运行（加速、运行和减速）的一种系统。这也促使将城市轨道交通系统积累的经验应用到传统铁路运输系统。所以，如果将来传统铁路运输系统需要进一步节省人力，可汲取城市轨道交通系统的经验，用DTO替换STO，而后换成UTO。 最近，国际电工委员会（IEC）对城市铁路交通系统（城市自动交通）无人操作（DTO和UTO）的安全性进行了检测。其主要内容是对无人操作可能出现的故障进行分类，分析其风险性以及提出防范措施。此外，还将制定适应传统铁路运输系统无人操作的标准。2城市轨道交通系统的评定 历史上，新型城市轨道交通系统投入商业运营前，需在运输部（现在的国土、基础设施和运输部）的监管下组建一个委员会来确定对其试验和评定项目。而后，它的分支机构——交通安全和公害研究所（现在的交通安全环境研究所）进行试验并作出评定，行政管理部门根据结果对其可用性进行鉴定。不过，将来还要根据国际标准规定的评定方法进行评定。下面介绍这些评定方法。2.1过去的评定 一种新型城市轨道交通系统作为公共交通系统投入商业运营前，运输部通常都要对其可用性进行鉴定，如果结果是肯定的，就会组建一个委员会继续进行这项工作。该委员会将作为公正的第三方组织来确定试验和评定项目。此后根据结果，运输部的分支机构——交通安全和公害研究所进行试验并作出评定。丰田的多模式交通系统（IMTS）就是一例，该系统中的车辆根据车载计算机读出地面设置的磁钉位置完成自动操作。多列车运行时，由无线电通信控制相互间的距离。该系统于2003年7月作为铁路技术被添加到部门法令中，并将于2005世界博览会作为运输系统在爱知县投入商业运用。 日本运输经济研究中心（现在的运输政策研究所），在1999年为该系统组建了由Nihon大学Nakamura教授为主席的委员会。该委员会根据东富士试验线的运行数据对安全性进行了评定，结果表明没有根本的安全问题。因此，鉴于国家交通安全环境研究所进行试验的结果，该系统在Awaji岛农业园投入商业运营。运营中，在一定程度上证实了其可靠性。根据这些结论，最终批准该系统在2005年世界博览会期间投入运营。 表1列出最终的评定项目和评定结果，以供参考。至此，评定仍在进一步进行，如日本运输经济研究中心进行的评定和交通安全和公害研究所在Awaji岛进行的评定。各阶段发现的问题通过再试验和再评定加以处理、解决和确认。所有投入商业运营的城市轨道交通系统，包括线性电动机地铁、HSST和高架铁道交通系统都以同样的方法进行了评定。2.2未来的评定方法 近年来，加快了铁路系统标准的制定工作。被称为RAMS标准的IEC62278就是一个实例。2002年10月生效的这个标准规定了铁路系统对可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）的要求。在规定的时间内铁路运输应安全和适用。标准要求，在寿命周期内，对铁路运输系统的使用方案、终止和处置都应按照标准规定进行总结，并书面记载，如有必要，还要进行核实（图7）。 该标准源于欧洲EN50126标准，是按欧洲方式定量评定方式制定的。相反，到现在为止，要求日本铁路运输系统和信号系统有预防故障的性能以避免可能发生的事故。因此，从铁路运输系统的设计到验收的整个过程需对其进行评定。可以说，日本铁路运输系统，即使没有数据上的评定，在其寿命周期内都作了相应的评定。3 未来的城市轨道交通系统 新的城市轨道交通系统从新型交通系统开始，而进入多样化，包括使用线性电动机和无线电控制系统。将来根据社会需要可望进一步采用下列交通模式。3.1双模式的运行系统 即使是极为先进的城市轨道交通系统也无法与汽车所具有的便利性相比。实际上，如没有汽车的存在，城市轨道交通系统的未来发展无法想象。而且，由于以轨道方式运行的城市轨道交通系统只能单方向运行，因此可在陆地上以任何方向运行的汽车决不会被淘汰。所以，将来双模式的城市轨道交通系统有望既能作为轨道车又能作为汽车运行。 在欧洲已开发并部分投入商业运营的橡胶轮胎LRT系统，在郊区作为汽车运行，而在有小型轨道导向的城区则作为火车运行（如南希的TVR）。这种系统可利用小型轨道限定导向像火车一样运行，也可在没有铺设轨道的地方作为汽车运行。用电缆供电时，这种系统可像无轨电车那样运行，而用燃料电池或其它方法供电时，可不要电缆而自身运行。 在日本，OTIS正开发用线性电动机驱动的空气悬浮系统以便能以双模式运行。3.2 燃料电池供电的系统 长期以来，人们就认为电气化铁道运输系统在环保方面优于汽车。然而，燃料电池技术的快速发展，使燃料电池车辆更为流行，因而削弱了铁道运输的优势。为了最大程度地利用铁道运输系统的特点，即城市轨道交通高效快速的特点，有必要开发使用燃料电池运行的城市轨道交通系统。这样的铁道交通系统不需要电缆供电，在生态学和能源方面都将保持先进性。 促进新型城市轨道交通系统商业化的首要前提是降低成本。从这种意义上讲，建在道路上的LRT和IMTS在建设成本上有优势，但运行能耗很高。然而SenyoKogyo 有限公司和其他公司为降低能耗开发了一种利用势能的城市轨道交通系统。这种系统基于过山车的原理，结构简单。车辆在不同高度的单轨上运行。这种城市轨道交通系统就是根据新理念开发的成功例子。4 结语 本文阐述了日本城市轨道交通系统的分类、系统的特点和这类系统商业运营所需的安全评定方法。在对传统安全评定方法和将来按照国际标准进行评定的方法进行简要阐述后，提出了本人对新型城市轨道交通系统发展观点。城市轨道交通系统与公共汽车和普通汽车同处总会有一些内在问题。近来，我们看到像LRT和IMTS这类系统的不断出现，技术上的微小变化可使这些技术转换为与公共汽车一样的系统，而淡化铁道交通车辆和公共汽车的界限。希望将来能看到使用燃料电池和其它技术的新型城市轨道交通系统，像汽车一样投入商业运营，这样，可以在保持铁道交通车辆特点的同时还具有汽车的优点。
图1是根据车辆的支承/导向和驱动技术对城市轨道交通系统进行的分类。驱动列车的旋转电动机系统，可进一步分类为车载电动机和地面电动机。1.1. 1用车载旋转电动机驱动 某些城市轨道交通系统如传统铁道系统一样使用车载旋转电动机驱动车轮，但存在一些不同。轻轨车辆系统没有车轴，电动机装在车体上或装在转向架构架上以便降低车辆地板高度。新型交通系统，使用橡胶轮胎支承和驱动，用导向轮导向。另外还有使用带传动装置车载旋转电动机的车辆，陡坡运行时用永磁系统（替代车轮驱动力）。1.1. 2用地面旋转电动机驱动 架空索道和缆车一般都用地面旋转电动机，将电动机的驱动力转换为缆索的线性运动。这些早已投入商业运营，主要用于旅游景点。然而，近年来，它们被作为城市轨道交通系统。缆索驱动的缺点是缺乏导向稳定性。解决该问题的方法是，在架空索道上采用减阻装置、翼板和阻尼器等来改善风阻，以及在OTIS上使用导向轮导向。高架铁道系统的导向，与悬挂单轨铁道的一样，由导向轮和支承梁导向以减小风的影响。在这种系统中，梁用于支承，而缆索仅用于驱动。1.1. 3车载线性电动机的一次侧驱动 80年代后期，线性电动机在工业上的应用得到积极推进，直接驱动的优点开始得到广泛的认可。对于铁路上的应用，平板式电动机和无粘着驱动的优点开始引人关注。使用线性电动机的第一个商业运营系统是用线性电动机的地铁。在该系统中，像传统铁道系统一样，车轮的支承和导向由铁制车轮和轨道提供，只是驱动是由车辆上线性感应电动机一次侧（装在车上的供电线圈）提供（图2）。采用该系统的初衷是，试图利用线性电动机的平稳性来减小隧道截面，以降低地铁昂贵的建设费用。然而，从技术上讲，这是一个具有开拓意义的系统，它只需使用与传统逆变器相同的驱动控制方法，使得线性电动机能在铁道上使用（图3）。这种系统于1990年3月首次在大扳交通局的地铁7号线开始商业运营，随后在东京交通局的地铁12号线（1991年）和神户市的Kaigan线（2001年）上运营。最近，福冈和横滨正在建设使用这种系统的铁路线。 线性电动机驱动在商业化运营中取得进展，从而加快了使用线性驱动技术的磁悬浮铁路的商业化运营（图4）。与传统铁路相比，磁悬浮铁路的特点是用线性电动机驱动和用常导磁悬浮支承及导向。线性电动机驱动已经在采用线性电动机的地铁通过了安全评定，所以只需对悬浮控制的安全性作评定。为此，运输部在Oe磁悬浮试验线上进行了广泛试验，并对试验数据进行了收集和评定，认定该系统无安全问题。此后将其添加到铁路商业法（专用铁路）中。使用该系统的Tobu Kyuryo线路计划于2005年投入运营。 与上述系统相似，OTIS系统由线性感应电动机驱动，由空气悬挂系统支承（用导向轮导向）。政府（运输部）、学术界、包括该行业（OTIS）的有关团体与专家组成的委员会（东京大学Shoda教授为主席）为该系统设定了试验项目以及进行安全评定。线性感应电动机驱动通过了安全性能评定，因此这次评定主要集中在空气悬挂系统控制的安全性上。结果表明，OTIS系统在运行速度低于50 km/h时没有安全问题。1.1. 4地面线性电动机一次侧驱动 上述的线性电动机的工作原理是，一次侧在车辆系统中，在该车辆系统使用了线性感应电动机，电源侧线圈装在车上。虽然这种驱动系统与线性电动机地铁、HSST和OTIS的支承和导向方式不同，但就驱动方法而论，在技术上是相同的。然而，城市轨道交通系统则是将一次侧装在地面系统中，而供电侧线圈装在地面上。虽然使用线性同步电动机，连续不断的线圈可装在地面上，但据说这种系统作为城市轨道交通系统，由于建设费用的问题，只在有限的情况下可行，因而，至今还没有投入商业运营。可节省建设费用的一种间断安装线性感应电动机的系统已经用于商业运营，如美国机场内部的运输，但在日本还没有投入商业运营。日本的高架铁道系统，线性电动机安装在地面系统的一次侧，以便在车站附近实施加速和减速（图5）。发车时，车辆由线性电动机加速，达到缆索速度时，控制缆索。到达时，车辆脱离缆索，由线性电动机将速度从缆索速度降至停车。该车辆的支承梁和导轮使支承/导向系统与驱动系统独立分开，其控制系统具有线性电动机较高加速和减速的性能和节省空间的特点。在特殊情况下，一次侧装在地面系统中，二次侧反作用板则需安装在车上，这样便可充分利用一次侧装在地面系统中重量轻和节能的优点。这种系统于1998年在广岛Prefecture用作进出Seno车站的运输工具。1.2按操作方法分类 铁路系统可根据它们的操作方法分类。如图6所示，传统铁路系统(无列车自动操作——NTO)基本由司机人工操作，而许多城市轨道交通系统为自动操作(半自动列车操作——STO)或无人操作(无司机列车操作——DTO或自动列车操作——UTO)。由于城市轨道交通系统在相当短的运行距离内需要高频率运行，造成列车运行费用过高，因而节省人力的措施极为重要。然而，近年来许多传统铁路运输系统使用STO系统，即车上有司机但列车可自动操作运行（加速、运行和减速）的一种系统。这也促使将城市轨道交通系统积累的经验应用到传统铁路运输系统。所以，如果将来传统铁路运输系统需要进一步节省人力，可汲取城市轨道交通系统的经验，用DTO替换STO，而后换成UTO。 最近，国际电工委员会（IEC）对城市铁路交通系统（城市自动交通）无人操作（DTO和UTO）的安全性进行了检测。其主要内容是对无人操作可能出现的故障进行分类，分析其风险性以及提出防范措施。此外，还将制定适应传统铁路运输系统无人操作的标准。2城市轨道交通系统的评定 历史上，新型城市轨道交通系统投入商业运营前，需在运输部（现在的国土、基础设施和运输部）的监管下组建一个委员会来确定对其试验和评定项目。而后，它的分支机构——交通安全和公害研究所（现在的交通安全环境研究所）进行试验并作出评定，行政管理部门根据结果对其可用性进行鉴定。不过，将来还要根据国际标准规定的评定方法进行评定。下面介绍这些评定方法。2.1过去的评定 一种新型城市轨道交通系统作为公共交通系统投入商业运营前，运输部通常都要对其可用性进行鉴定，如果结果是肯定的，就会组建一个委员会继续进行这项工作。该委员会将作为公正的第三方组织来确定试验和评定项目。此后根据结果，运输部的分支机构——交通安全和公害研究所进行试验并作出评定。丰田的多模式交通系统（IMTS）就是一例，该系统中的车辆根据车载计算机读出地面设置的磁钉位置完成自动操作。多列车运行时，由无线电通信控制相互间的距离。该系统于2003年7月作为铁路技术被添加到部门法令中，并将于2005世界博览会作为运输系统在爱知县投入商业运用。 日本运输经济研究中心（现在的运输政策研究所），在1999年为该系统组建了由Nihon大学Nakamura教授为主席的委员会。该委员会根据东富士试验线的运行数据对安全性进行了评定，结果表明没有根本的安全问题。因此，鉴于国家交通安全环境研究所进行试验的结果，该系统在Awaji岛农业园投入商业运营。运营中，在一定程度上证实了其可靠性。根据这些结论，最终批准该系统在2005年世界博览会期间投入运营。 表1列出最终的评定项目和评定结果，以供参考。至此，评定仍在进一步进行，如日本运输经济研究中心进行的评定和交通安全和公害研究所在Awaji岛进行的评定。各阶段发现的问题通过再试验和再评定加以处理、解决和确认。所有投入商业运营的城市轨道交通系统，包括线性电动机地铁、HSST和高架铁道交通系统都以同样的方法进行了评定。2.2未来的评定方法 近年来，加快了铁路系统标准的制定工作。被称为RAMS标准的IEC62278就是一个实例。2002年10月生效的这个标准规定了铁路系统对可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）的要求。在规定的时间内铁路运输应安全和适用。标准要求，在寿命周期内，对铁路运输系统的使用方案、终止和处置都应按照标准规定进行总结，并书面记载，如有必要，还要进行核实（图7）。 该标准源于欧洲EN50126标准，是按欧洲方式定量评定方式制定的。相反，到现在为止，要求日本铁路运输系统和信号系统有预防故障的性能以避免可能发生的事故。因此，从铁路运输系统的设计到验收的整个过程需对其进行评定。可以说，日本铁路运输系统，即使没有数据上的评定，在其寿命周期内都作了相应的评定。3 未来的城市轨道交通系统 新的城市轨道交通系统从新型交通系统开始，而进入多样化，包括使用线性电动机和无线电控制系统。将来根据社会需要可望进一步采用下列交通模式。3.1双模式的运行系统 即使是极为先进的城市轨道交通系统也无法与汽车所具有的便利性相比。实际上，如没有汽车的存在，城市轨道交通系统的未来发展无法想象。而且，由于以轨道方式运行的城市轨道交通系统只能单方向运行，因此可在陆地上以任何方向运行的汽车决不会被淘汰。所以，将来双模式的城市轨道交通系统有望既能作为轨道车又能作为汽车运行。 在欧洲已开发并部分投入商业运营的橡胶轮胎LRT系统，在郊区作为汽车运行，而在有小型轨道导向的城区则作为火车运行（如南希的TVR）。这种系统可利用小型轨道限定导向像火车一样运行，也可在没有铺设轨道的地方作为汽车运行。用电缆供电时，这种系统可像无轨电车那样运行，而用燃料电池或其它方法供电时，可不要电缆而自身运行。 在日本，OTIS正开发用线性电动机驱动的空气悬浮系统以便能以双模式运行。3.2 燃料电池供电的系统 长期以来，人们就认为电气化铁道运输系统在环保方面优于汽车。然而，燃料电池技术的快速发展，使燃料电池车辆更为流行，因而削弱了铁道运输的优势。为了最大程度地利用铁道运输系统的特点，即城市轨道交通高效快速的特点，有必要开发使用燃料电池运行的城市轨道交通系统。这样的铁道交通系统不需要电缆供电，在生态学和能源方面都将保持先进性。 促进新型城市轨道交通系统商业化的首要前提是降低成本。从这种意义上讲，建在道路上的LRT和IMTS在建设成本上有优势，但运行能耗很高。然而SenyoKogyo 有限公司和其他公司为降低能耗开发了一种利用势能的城市轨道交通系统。这种系统基于过山车的原理，结构简单。车辆在不同高度的单轨上运行。这种城市轨道交通系统就是根据新理念开发的成功例子。4 结语 本文阐述了日本城市轨道交通系统的分类、系统的特点和这类系统商业运营所需的安全评定方法。在对传统安全评定方法和将来按照国际标准进行评定的方法进行简要阐述后，提出了本人对新型城市轨道交通系统发展观点。城市轨道交通系统与公共汽车和普通汽车同处总会有一些内在问题。近来，我们看到像LRT和IMTS这类系统的不断出现，技术上的微小变化可使这些技术转换为与公共汽车一样的系统，而淡化铁道交通车辆和公共汽车的界限。希望将来能看到使用燃料电池和其它技术的新型城市轨道交通系统，像汽车一样投入商业运营，这样，可以在保持铁道交通车辆特点的同时还具有汽车的优点。
