空中列车 一种古老而又年青的公交系统
发表时间：2014-11-01 20:22 作者： 来源： 浏览：
徐幼铭
一、城市交通拥堵的蔓延
中国大中城市交通拥堵作为一个社会问题对人们的影响越来越大。交通拥堵不仅给出行者造成时间上的延误、经济上的损失，还给整个社会造成了巨大的损失、资源浪费、环境污染等。
2010年9月17日晚上，一场细雨让长安街东西双向堵车，继而蔓延至143条路段严重堵车，北京市交管局路况实时显示图几乎通盘红色，北京媒体称此为“惊天大堵”，这种现象已多次出现。
我国经济快速发展，城市扩张迅速，机动车激增，导致地面交通拥堵，这种情况现在已蔓延至许多二三线城市，建设地铁显然是缓解地面交通压力最有效的方式，现在城市要立体化，要向地下发展。于是人们大声疾呼要求大力发展轨道交通，这是自然规律。但风险无处不在。地铁每公里造价高达人民币6-8亿元左右，而且建成通车后每年还有相当资金的运营成本，投入大、收效慢，运营后仍要有资金投入，巨大的资金压力对地方财政来说是不小的负担。据报道许多城市轨道交通年亏损额高达数亿元。投巨资建设的地铁，运营后仍然是继续投资的项目。
地铁项目被称为“天价工程”。科技在发展，人们的需求也在比较中发展，这就需要不断的更新。如果没有这种意识，认为只有地铁，忽视其他轨道交通系统，形成局限思维惯性，形成固定模式，那么也就不可能主动创新，就很难关注其他交通系统。
城市要立体化，交通也可以立体化，空中列车就是城市立体化交通系统一个非常重要的公共交通形式。
二、古老而又年青的空中列车
一）、100多年前修建，至今仍安全运营的空中列车
现代空中铁路出现于1900年的德国乌帕塔尔，距今已有100多年的历史。
悬挂式快速交通在德国目前已经建成的线路有3条：乌帕塔尔的空中铁路、多特蒙德的空中铁路和杜塞尔多夫国际机场线。乌帕塔尔空中铁路建设于1900年，该条线路总长45公里，连接郊区的各主要城镇，目前仍在运行。作为乌帕塔尔市旅游观光项目，该条空中铁路线已成为市民最主要进出市郊各城镇的交通工具，也是该市城市旅游的名片。
建设部和发改委联合颁发的城市轨道交通工程项目建设标准中城市轨道交通隧道折旧年限为100年，高架桥为50年。而100多年前修建的悬挂式快速交通，运营至今安全无恙，是恩克斯的家乡一张历史的名片，又是仍在使用的安全的交通工具，堪称公共交通的安全楷模。
二）、近年来修建自动控制、无人驾驶现代化的空中列车
多特蒙德悬挂式快速交通线建成于1984年，时任德国总理和总统亲自乘坐空中列车。建成于2003年的德国杜塞尔多夫国际机场线，横穿候机大厅，采用双轨道，可以跨越高架桥。杜塞尔多夫国际机场线在离地面23米空中运行，连接杜塞尔多夫国际机场候机楼与杜塞尔多夫-杜伊斯堡铁路线新车站，线路总长超过2.5公里，全线运行时间大约5分钟，全程无人驾驶。
日本在1961年引进了相关技术，并进行研究与建设，目前已经建成并投入的线路有4条：湘南线、千叶都市1号线、千叶都市2号线、上野动物园悬臂式游园线。
湘南线由JR大船车站出发，利用系统本身的特色直接穿越镰仓山、片濑山区，在大船站和JR东海道线、横须贺线、根岸线连接，以直切式的路线直抵终点站江之岛，全线6.6公里，设有8座车站及一座车场，1971年全线通車。
千叶都市线则是于1988年至1999年陆续开通。现有1、2号线两条线路，1号线连接千叶港至县厅前，2号线连接千叶至千城台，总长15.2千米，目前是全世界最长的新型悬挂式单轨路线。
1、德国多特蒙德线
多特蒙德是德国西部北莱茵-威斯特法伦州的重要经济贸易中心，位于鲁而区东部。多特蒙德线横越大学校园。
1号线（蓝线）始建于1993年，1.75km，设4站。2003年扩建1.25km，设1站。全线长3km，设5站，单线，两列车往返运行，中间设避让线。发车间隔10min。
2号线（红线）1980年开始筹划建设，1984年建成。线路长度1.05km，单线，1辆车往返运行。发车间隔5min。
2007年建成维修车间。采用无人驾驶。
2、 杜塞尔夫多线
杜塞尔多夫为德国莱茵河沿岸重要城市，北莱茵-威斯特法伦州首府，人口60万，是德国西部重要的经济、金融中心，水、陆、空交通枢纽，其中杜塞尔多夫机场为德国第三大机场。
本线为连接火车站至机场的一条线路，全长2.5km，1993年投入运营，每天运营21小时，2002年运输乘客130万人次， 4个车站。
机场三个航站楼设两个车站，另一个车站为城际火车站所设车站，可以很方便为乘客提供换乘。
3、日本千叶都市线
千叶市从历史上就是千叶县的商业和行政中心城市，上个世纪50年代以后，随着东京圈的不断发展，千叶市人口和产业急剧增加，1965年人口约30万，1975年60万，1992年作为政令指定城市人口达到85万人。在城市中心区，特别是JR千叶站附近，人口、商业集中，使千叶成为典型单中心城市，由于道路狭窄、机动车过多，高峰期拥阻比较严重。
千叶的新町地区，在JR千叶站、京城电铁千叶站的南侧位于城市建成区和临海业务区的中间部位，占据分散千叶中枢机能重要位置，在千叶这个业务中心城市中，是开展业务、商业的黄金地段。1977年在经过对需求、线路、类型及经营等方面的研究，包括对经济性、安全性、环境、舒适、景观等综合研究，决定选用悬垂式单轨，作为城市公共运输工具在千叶实施。从城市规划角度，期望单轨交通与新町再开发一体化建设。
千叶单轨交通规划线路总长度，40km，现已建成通车1号线3.2km，2号线12km，合计15.2km。远期预计，单向高峰小时客流量为9200人次，日客流量4.43万人次。
三、主要技术指标：
线路平面
1．双线间距：5.0m
2．最小曲线半径
（1）正线：一般100m，困难30m
（2）联络线及出入线：一般100m，困难30m。
（3）车站：100m
3.线路纵断面
区间最大坡度
（1）正线：6°（10.47%）
（2）辅助线：6°（10.47%）
4.高架线路桥下净高
跨越城市主干道为5.0m；跨越城市次干道为4.5m。
5.道岔
转辙角不固定，可曲线出岔，转换长度4-5m，最大设置坡度为6°。
6.最高行车速度
本线最高行车速度设计为50km/h（车辆构造速度65km/h）
二）轨道梁
悬挂式快速公交系统，主要是指整个系统均采用高架桥的形式，车辆悬吊于轨道梁上运行的一种轨道交通形式。高架结构主要由轨道梁、墩柱及基础组成，轨道梁及墩柱均采用钢结构形式，基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩形式。
区间轨道梁常用跨度为30m简支钢箱梁结构，轨道梁截面全部采用底部开口的箱形截面，箱梁的下翼缘兼做轨道，车辆悬挂于桥梁（轨道梁）下面，车轮支撑于开口的钢箱内；电力、通信系统安装在钢箱内部，其截面形式见图1。在需要出岔的地段，根据轨道需要设置道岔梁。
一般情况下，标准桥梁（轨道梁）的下部结构，单线采用倒L形墩柱，双线采用Y形墩柱。道岔梁的下部结构主要有两种结构形式，即门式墩柱和倒L形墩柱。墩柱全部采用矩形钢箱截面，用来悬挂或支撑轨道梁。
在桥梁需要较大跨度，例如跨越较宽的河流、城市道路或桥梁的情况下，标准的桥梁结构自身的承载能力不能满足需求，可采用其他桥梁结构支撑标准的桥梁结构，轨道梁悬挂于其他桥梁的梁底。
桥梁形式
一般情况下，城市道路净高为5m，车辆高度2.6m，为了保证行车安全和满足行人视觉两个方面的要求，桥梁高度宜稍大，因此推荐一般地段桥梁下面的净高为9.5m。
桥墩形式
一般情况下，钢筋混凝土结构和钢结构均可以满足需求，钢结构便于实现快速施工并且外形轻巧美观，因此建议采用钢结构，根据线路情况，单线可采用倒L形，双线采用T形。
倒L形 、 T形梁形式
三）车辆
车辆基本情况：车辆总体性能先进，经济实用，安全可靠，维护方便，外型美观，乘座舒适；设计使用寿命：30年；舒适度水平：运行平稳性指标W小于等于2.5; 常用制动冲击率:0.75m/s3；车辆应能承受风、砂、雨、雪的侵袭，并可在不同自然条件下运行。实心橡胶轮胎使用寿命大约8～10万公里，导向轮大约15万公里。
1、车辆主要结构尺寸
车辆长度： 8232mm
车钩中心距今： 9200mm
车辆宽度： 2244mm
车辆高度： 2623mm
车辆定距： 5890mm
车轮直径：（实心橡胶轮） 540mm
每侧两个门
车门有效尺寸：1350×2000（ｍｍ）（宽乘高）
车门中心距： 4600ｍｍ
司机室前端设紧急疏散门， 宽度860ｍｍ
2、车辆定员：定员４５人／节，其中座席１６人，其它为站席，站度按４人／平方米。按目前车辆构造，按每人75公斤/人+20公斤行李计算，允许超员65—75人。
3、列车重量
转向架 1750KG
车体净重 4955KG
车辆净重 8455KG
最大载荷 4923KG
最大重量 13378
4、制动方式： 采用电空联合制动
5、主要运行技术参数
最高运行速度：大于或等于50km/h
车辆起动加速度：1.0m/S2;
车辆紧急制动减速度:6.5m/s2。
6、车辆主要设备及装备
（1）车体：车体结构基本要求是进行轻量化设计，在各种条件的架车、起挂、救援、调车、联挂、多车编组回送等各种力的作用下，车体应力不得超过设计许用应力值，不产生永久变形和损坏。车体应有架车位和挂车位。
客车每侧设2对对开车门，车门开度为1350mm，门5高度为2000mm。
车体之间设有贯通式通道，宽1500mm，高度大于或等于1800mm。车体四周应封闭良好，能防止雨水和灰尘的侵入，并具有良好的隔热、隔声性能。
（2）转向架：每辆车有两台两轴无摇枕式转向架。每辆车有两个转向架，每个转向架有两个直流电动机，电机功率31/38KW。
（3）电气牵引系统（主控系统）
传动系统：采用交流传动系统；
调速方式：微机控制变频变压调速；
逆变元件：IGBT；
系统特点：VVVF控制系统具有牵引、再生制动、电阻制动基本控制模式，同时可与空气制动相配合，使列车从牵引到制动均较为平滑，列车运行工况及乘客舒适度均得到较大提高。冷却方式：强迫风冷。
（4）车钩及缓冲装置： 车钩采用全自动。自动车钩可实现机械、气路、电路的自动连接与解钩。缓冲装置具有复原能量吸收功能，并具有压缩位移指标。
（5）辅助电路系统：包括辅助逆变器和蓄电池等； 辅助逆变器：由IGBT或IPM功率元件组成的三相辅助逆变器，提供低压电源；蓄电池：镍镉碱性蓄电池，容量应满足45分钟事故照明及通风的需要。
（6）制动系统： 制动系统采用微机控制的模拟式电空联合制动：常用制动采用电制动，其中优先采用再生制动，线路上再生能量吸收不足时，余下部分由电阻制动补充；在电制动力不足时，由空气制动补足。
（7）空调与通风
车内温度（外界温度为35摄氏度）：28摄氏度
车内相对湿度（外界相对湿度68%）：65%
供风量：大于或等于30M3/h.人
新鲜风量:大于或等于10M3/H.人
应急通风由蓄电池供电,通风量为4000M3/h,全部为新鲜空气,并可维持45分钟左右.车辆
四）列车编组：
4辆编组
编组形式为：MC—M—M—MC
其中：MC 带司机室的动车；
M 不带司机室的动车
采用全自动车钩
五）列车故障：
故障牵引动力条件，当列车的动力系统损失1/2时，列车能在6度的坡道上起动，并能运行至最近车站，且能空车返回车辆段。
列车故障诊断系统采用微机控制，收集各子系统的信息，包括对辅助供电、车门、牵引制动控制、空调、照明、公共广播、高压设备、受电弓的检测、故障诊断、故障显示和故障储存，简化了显示查询功能，把故障查询功能放到故障储存中，供检修人员使用，使司机集中精力行车。显示信息足以满足司机采用故障应急运行措施的需要。
六）供电：
供电方式： 接触轨；
供电电压： AC400V；
供电臂长度： 500m。
七)信号：
ATC装置：列车采用自动监控(ATS)、自动防护（ATP）系统、微机自动驾驶（ATO）系统。
列车总线控制技术：列车控制技术采用列车总线和车辆总线控制模式。
八）通信：
旅客信息系统及列车通信系统：旅客信息系统（含旅客向导功能）包括有线广播系统和旅客信息显示系统。
列车首、尾司机室之间设通话设备；车站、调度中心和车辆段设无线通信设备。
四、尽快发展空中列车的优势：
悬挂式快速公交系统一般使用道路上部空间，设高架桥，故土地占用较少。转弯半径小、爬坡能力高、征地拆迁成本低等特点，在市内交通、市郊交通等近距离交通中完全可以与地铁、轻轨进行竞争。悬挂式城市公交系统主要采用橡胶轮胎，可以适应急弯及大坡度，对复杂地形有较好的适应性，从而减少拆迁量。同时，悬挂式城市公交系统建设工期较短，投资也小于地铁系统。
1、城市悬挂式快速公交系统与轨道交通、BRT的比较
城市轨道交通由于建设规模大、周期长，在城市老城区实施困难很大，而且地铁不仅建设投资大，而且运营成本高；BRT交通系统，只有拥有专有路权才能体现其能力，而城城市交通已经很紧张，如在划分出BRT交通专用车道，对于会造成城城市交通更为拥堵。因此，空中列车的交通模式是解决城市交通问题较好的解决办法。
在中心城区客运次要交通走廊上，构筑中心城区主要重点片区间快速客运通道，与城市轨道交通共同构成都市区骨干运输系统，促进都市区一体化发展；
在无法进行轨道交通建设的城市建成的密集区域，构筑空中的客运走廊，以合理缓解地面交通压力。它也是城市的一张名片，对于整合城市旅游资源，也形成良好的旅游观光线路。悬挂式快速公交系统的噪音也相对较小，能满足国家既有对交通系统的噪音标准。
交通系统运能受列车定员和列车间最小追踪间隔控制。
目前德国运行的线路上列车由两节车厢组成。按德国标准每节车厢定员45人，允许超员到75人。一列车的最大定员即为150人。列车间最小追踪间隔据介绍可以达到40s。据此分析，高峰小时输送能力可以达到13500人。实际受车站乘客上下车时间制约，40s追踪间隔难以做到。
列车编组可以2辆以上，目前可以做到4辆编组。从技术可行性分析，列车编组仍有扩编的条件。
按一列车4辆编组，即一列车定员最大为300人，最小追踪间隔采用72s考虑（平均停站时间按25—30s考虑），高峰小时输送能力可达15000人。
悬挂式城市公交系统是有别于地铁、轻轨和磁悬浮的一种新的城市轨道交通系统。列车高峰小时输送能力为15000人，相当于城市轨道交通中低运量标准系统。根据其特性，适合中小城市（50-60万人口）的客流主通道，或大城市（100万以上人口）非主客流通道的城市交通需求。以及作为城市交通的主要交通辅助系统，特别适合于作为我国二三线城市的主要交通工具。
3、 能有效利用城市空间
悬挂式城市公交系统以高架结构为主，占地面积少，轨道梁宽度窄，占用空间小。
4、运行安全
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。
5、适应地形能力强
胶轮的粘着性能好，有利于加减速，适用于大坡道（10.47%）、站间距较短、小半径曲线（30ｍ）的线路上运行，可以适应急转弯及大坡度，对复杂地形有较好的适用性，选线容易，从而可以减少拆迁量和施工期间对地面交通的影响。
6、环境效应优越
车辆分设走行轮、导向轮，并采用胶轮，受力分散，走行噪音低，距列车6.5m处为65dB。由于采用电力牵引，列车运行中无排气污染，有利于保护城市环境；由于悬挂式公交系统采用的轨道结构窄、梁柱细、对城市日照和景观影响小；乘客在车上视野宽广，眺望条件好，能起到游览观光的作用。
7、施工简便
轨道梁为箱形钢结构，标准轨道梁便于工厂预制，现场拼装，既保证了精度又便于施工，土建工程简单，可以缩短建设工期。
8、车辆国产化难度小
悬挂式快速公交系统，已经由国际空列集团引进了国外先进的车辆制造技术，并与中国南车集团共同研究了过程方案。可以结合我国国情，生产出安全可靠、美观大方、乘座舒适、维修方便、经济合理的符合我国城市特色的悬挂式城市公交系统车辆。
9、投入小，见效快
每公里造价约1.52亿元，不足地铁的30%。建设周期不足2年，约为地铁的40%。
据德国运营经验，该系统维修养护工作量很小；另外由于自动化程度很高，因此配备的定员很少；耗电为2.4千瓦时/车公里，比目前国内轨道交通的耗电要小。整体维护成本约为轨道交通1/3-1/2。如果引进国内，根据国情成本应有所增加。但总的来说比起其它城市轨道交通，该系统成本上占有一定优势。
设备国产化是一项具有深远战略意义的国策，是我国轨道交通建设和发展的根本出路。城市轨道交通的建设资金投入大，而其中车辆和机电设备投资又占有相当重要的比重，经济合理地发展城市轨道交通，必须解决车辆和机电设备的国产化问题。大力推进车辆及机电设备国产化，不仅会降低工程造价，解决备品、备件问题，方便设备维修，降低运营和维护工作费用，同时也可以带动国内相关机电产品的技术进步和产业发展。
1）、标准桥梁（轨道梁）和墩柱的结构设计
结构设计的难点是车辆荷载及相关的荷载取值，主要体现在以下几个方面：
车辆竖向荷载，即轴重和轴距，与车辆的编组、载重等有关；车辆冲击力系数取值；车辆的制动力和牵引力系数取值；车辆的离心力系数取值。
这些荷载取值可借鉴德国的设计经验，结合我国的国情进行设计，然后通过试验进行验证。
2）、建筑材料和制造工艺
标准轨道梁、墩柱所用的钢材、混凝土等材料及其制作技术要求与普通桥梁类似，国产的建筑材料和国内的制造能力均能满足要求。因此，在技术上和经济上都具有可行性。
3）、道岔梁
道岔梁构造复杂，涉及到轨道、车辆、动力机械等多方面的专业技术，需要多专业联合起来进行设计。
4）、车辆国产化
车辆的技术复杂，工艺要求高，国内外各主要生产厂家缺乏统一标准，一些零配件的互换和配套很困难，这给整个系统的正常、稳定运行带来诸多不利影响。单独购买零配件的价格是原件的10～15倍，而且购买国外设备、备品、备件等在价格、技术、服务上均有较大的约束，导致系统成本加大。
悬挂式城市公交系统设备的国产化具有深远战略意义，是悬挂式城市公交系统建设和发展的根本出路。大力推进悬挂式城市公交系统车辆及机电设备的国产化，不仅会降低工程造价，方便设备维修，同时也可以推动悬挂式城市公交系统产业的发展，逐步形成我国自己的悬挂式城市公交系统技术装备的产业体系，使城市悬挂式城市公交系统安全、可靠、正常、高效的运营得到充分保障。
悬挂式快速公交系统车辆，已经由国际空列集团引进了国外先进的车辆制造技术，并与中国南车集团共同研究了过程方案。可以结合我国国情，生产出安全可靠、美观大方、乘座舒适、维修方便、经济合理的符合我国城市特色的悬挂式快速公交系统车辆。
车辆是悬挂式城市公交系统设备的核心，投资大、技术复杂，是确保悬挂式城市公交系统安全、正点、高效运行的关键。就投资而言车辆的购置费占悬挂式城市公交系统总投资较大比例。就技术而言，它集机械、动力、供电、通信、信号、自动控制等综合技术于一身，在一定程度上标志着悬挂式城市公交系统技术发展的总体水平，是实施国产化的重点和难点。
5）、供电设备的国产化
沿线供电设施有中压环网电缆、低压电缆、牵引用滑触轨道、箱式牵引/降压变电站、箱式轨旁开关站、箱式道岔开关站等。主要电气设备有： 10/0.4kV干式主变压器、10kV中压开关柜、滤波器兼无功动态补偿装置、低压开关柜、滑触供电轨等。
供电设备中，除了滑触供电轨需要借鉴国外原型技术外，其余电力、电工、电子、自动化、远动系统都可以实现国产化。
6）、信号设备国产化
悬挂式公交系统与地铁轻轨项目运行控制系统相比，悬挂式公交系统无钢轨，无法按照轨道电路或计轴方式实现列车定位和地车信息传输；悬挂式公交系统设备安装空间有限，主要集中在轨道梁内，普通信号设备无法安装；悬挂式公交系统运控设备处于较强的电磁环境中，与供电电缆在有限的空间内共存，电磁环境条件比较恶劣。悬挂式公交系统采用的转辙设备与地铁轻轨有较大区别，其控制方式需要特殊研究。
悬挂式公交系统在德国采用的列车运行控制系统是基于西门子公司成熟的ATC系统，系统的安全性和可用性经过了其它工程的验证。因此悬挂式公交系统信号系统需要认真分析、消化、吸收，而后进行国产化。
总之国产化的进程，只要坚持消化、吸收、再创新的原则。结合我国在高速铁路和城市轨道交通工程领域消化吸收国际先进技术的经验，消化、吸收悬挂式城市公交系统技术不存在障碍的。随着我国装备制造能力大幅度地提升，自主制造悬挂式城市公交系统的主要装备和设备是完全可能的，成本会比德国成本有大幅度地降低。
坚持自主知识产权的原则，经过城市悬挂式公交系统工程的实际运行考验，成熟，更加先进、可靠的技术设备也一定会在我国的悬挂式城市公交系统开花结果。
在空中列车的推广中，有政府及其主管部门的大力支持，有轨道梁、车辆、供电、通信、信号等相关企业的鼎力协作，中国的空中列车事业一定会像空中列车一样腾飞、前进。
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