北京城轨交通西郊线系统制式选型研究
2011-04-08 03:13
北京城市轨道交通西郊线系统制式选型研究
【摘 要】论述北京城市轨道交通西郊线系统制式的选择,论证城市轻轨系统的基本运营管理模式和对车辆的基本要求,分析该系统的基本特点和主要适用范围,对城市轻轨系统的未来应用前景进行展望。
【关键词】北京 城市轨道交通 有轨电车 客流 系统制式 车辆选型
1、西郊线概况
1.1 西郊线的周边情况
北京的西山以其山水林泉之胜而著称,远自辽、金、元、明朝历代,就建有多处皇家园林。到了清代前中期的康、雍、乾三朝盛世百余年间,又相继营建了“三山五园”。“三山五园”中的“三山”是指香山、玉泉山和万寿山,这三座山上分别有静宜园、静明园、清漪园,再加上东边的畅春园和圆明园,就是所谓的“五园”。西郊线就是经过“三山五园”区域的一条轨道交通线,线路全长约9 km。
根据规划,线路全线基本位于北京市第一道绿化隔离地区,途经颐和园、南水北调工程北京段终端地区、郊野公园、万安公墓、植物园、香山公园等多个重要地区。这个区域离北京市区比较近,又有国内外享有盛名的风景旅游点,因此经常成为北京市民和外来游客休闲旅游的聚集之地。
线路主要服务对象是香山和北京植物园的客流,沿线直接吸引的客流相对较少,因此客流规模呈现出很强的季节性。客流预测结果显示,西郊线平日客流强度较低,仅为0.48万人次/km,但香山旅游高峰的红叶节期间,客流强度达到1.39万人次/km,约是平日客流量的3倍。线路客流断面能够明显地分出平日、周末、红叶节、桃花节以及红叶节、桃花节周末等几个档次。其中,平日最大单向断面在3 000~4 000人次/h,仅为普通公交的运量;而红叶节期间平均可达8 000~9 000人次/h,红叶节周末则能达到10 000人次/h以上,全日最大运量达到17.8万人次。
香山地区的主要出行是通过香山路、香颐路、香山南路、旱河路等城市道路来解决。现状城市道路密度较低,道路狭窄,公交站场、社会停车场的数量较少,规模都相对较小,旅游旺季交通拥堵现象非常严重,并逐渐对风景区的环境产生越来越大的破坏。而对于旅游风景区,香山、植物园区域也不适合进行大规模的道路和其他交通设施的建设,必须依靠合理的交通规划和交通结构的改善,解决香山地区旅游和交通的矛盾。因此,将轨道交通引入西郊风景区,使之与常规公交车等其他交通方式结合在一起,建立以轨道交通为主导、公共交通为主体和内外分离、层次清晰的香山景区综合交通体系,不仅可以大大提高香山地区公共交通的整体运输能力,缓解香山和植物园节假日期间的交通拥堵,还可以促进沿线的环境保护,改善周边地区的交通条件,提升西郊地区的旅游环境。
1.2 西郊线的功能定位
基于规划定位和区域条件,结合线路客流特征,可看出西郊线与北京市其他轨道交通线路的功能和要求明显不同,其最大区别就是服务对象和服务环境的不同。西郊线的重点服务对象为休闲旅游客流,沿线通勤客流数量较少;西郊线地处风景保护地区,对系统具有更高的环保要求。因此,该线路的功能定位为西郊风景区的一条休闲旅游专用线路,具有以下特点。
1)重点解决香山、植物园地区的旅游交通问题,充分体现公交为主、公交优先的原则,提升服务水平,为优化该地区交通组织、改善该地区交通结构创造条件。
2)系统选型应适合中低运量,运营组织灵活,适应西郊线客流变化幅度较大的特点,工程简单,运营成本低。
3)系统地处风景旅游地区,应比其他公交系统更加绿色环保,具有噪声低、污染小的特点。
4)系统的建设应有利于改善景观,系统本身应融合到景观中去,成为区域景观的一个元素,但其本身又不失为一道亮丽的风景线。因此,要求系统设施美观简洁而又不失个性,尽量减小工程体量,尽量不采用高架线或地下线。同时,乘客在乘坐过程中也可以欣赏沿线的美景,充分体验旅游出行的快乐。
2、西郊线系统制式及车辆选型
2.1 系统制式选择
针对线路的客流特征和系统定位,对西郊线的系统制式进行了比较全面的分析。由于线路运量规模变化较大,处于常规轨道交通和城市公交系统之间,因此结合目前几个已经采用快速公交系统(BRT)城市的情况,对BRT在西郊线的适应性进行了研究。BRT的优点是:系统简单,价格便宜;车辆沿道路行驶,人工驾驶,运行灵活。BRT的缺点是:车辆采用内燃机,噪声大,有空气污染;车辆使用胶轮,在路面积雪或结冰的状态下行驶能力受到很大限制;没有被动导向设施(轨道),车辆的长度、转向架数量受到限制;不能进行编组,所以运量的适应性也受到限制。因此,西郊线使用BRT不是理想的选择。
综合考虑,西郊线的基本系统制式应采用钢轮钢轨的城市轨道交通系统。根据建标104—2008《城市轨道交通工程项目建设标准》关于各级线路相关技术特征的规定,适应西郊线中、低运量城市轨道交通系统的有几种车辆制式:钢轮钢轨B型车辆、城市轻轨车辆(现代有轨电车)、直线电机车辆。在此基础上,对地铁车辆、直线电机车辆、单轨车辆以及城市轻轨(有轨电车)车辆进行对比选择。
2.2 车辆特点分析
1)地铁B型车辆在国内外都是运用非常成熟的车型,北京地铁目前运用的大部分车辆都采用B型车(见图1),由交流电机牵引、变频变压(VVVF)控制。B型车的国产化率相对较高,能满足轨道交通国产化的要求,系统运量较大。但是,该系统一般采用固定编组,运营灵活性不强,对线路的标准要求较高。
2)直线电机车辆由车上的“板式电机”和线路上的反作用板组成(见图2),在电磁场的作用下,两者产生推力而使车辆运动。这种推力就是动车的牵引力,其大小和磁场的强度、反作用板与“板式电机”的间隙有关,与轮轨黏着系数无关,车辆的轮轨只起支撑和导向作用,因此车辆的爬坡能力强、转弯半径小。但是,系统对线路安装(轨道、反作用板)和维护的技术要求较高,由于“电机”的间隙较大、裸露泄漏的磁通较多,所以电气-机械转换效率较低。
3)城市轻轨车辆(现代有轨电车)是一种中低运量的轨道交通车辆,客运能力0. 6万~2. 0万人次/h。列车轨道主要铺设在城市道路路面上(见图3),车辆可与其他地面交通方式混合运行。根据街道条件,车道又可区分为3种情况:混合车道、半封闭专用车道(在道路平交道口处,采用优先通行信号)、全封闭专用车道(在道路平交道口处,采用立体交叉方式通过)。
城市轻轨车辆分为钢轮钢轨和导轨式胶轮两种形式,在国内都有应用,如长春轻轨、大连有轨电车、天津滨海轻轨、上海浦东新交通等,在国外则已经作为城市公共交通的重要组成部分而大量采用。
2.3 车辆选型分析
2·3·1 基本要求和车型选择
根据系统定位和客流特征,西郊线大部分线路以地面方式敷设。受香山地区地形和周边条件限制,正线最小曲线半径达50m、最大坡度达55‰,线路坡度大、转弯半径小。为适应地形变化和道路条件,线路将会与既有道路路口平交,车辆必须能够适应灵活多变的线路条件,并满足与城市道路平交运营时对启动和制动能力、爬坡能力、小曲线通过能力的要求。
香山和植物园的客流有明显的阶段性和季节性,高峰和平峰的客流差距很大,春秋季和冬季客流差别也很大,因此需要选择可以灵活编组的车型来适应客流变化。西郊线地处北京西北部,周围环境优美,在车辆选型时要考虑对周边环境的影响最小,系统尽可能少采用高架或地下形式,对车辆的外观、噪声和环保性有较高的要求。
根据上述基本要求, B型车的爬坡和曲线通过能力不能满足要求,所以不予考虑;直线电机车辆能耗较大,与地铁系统一样,主要应用于高架或地下的全封闭线路,无法采用与道路平交的敷设方式,运营成本高,对西山景区影响较大,也不予考虑。由于城市轻轨系统(现代有轨电车系统)在客流适应性、环保、敷设方式、通过能力等方面均可满足要求,因此推荐西郊线工程采用钢轮钢轨制式的城市轻轨系统。
2·3·2 现代有轨电车系统和车辆特征
与全封闭运行的地铁系统不同,现代有轨电车系统既可采用全封闭方式运行,也可采用非全封闭的专用道形式运行,甚至在部分区段可以采用与地面交通混行的混合道运行。这种系统的运量因系统封闭程度的不同而介于地铁系统和地面公交系统之间,运营管理方式也与地铁系统有着本质的区别。
2·3·2·1 现代有轨电车系统的特点
1)系统主要以地上线形式敷设,以地面线专用道为主,适合在城市中或城市组团内部运行,受城市空间和道路条件的限制,线路坡度较大,转弯半径较小,与地面公交系统共同形成城市地面公共交通的骨干网络。
2)车辆主要由人工驾驶,经过平交路口时根据道路信号行驶,适当采取公交优先的措施。
3)列车运行管理以监视为主,运行间隔的控制不像全封闭系统那样要求严格,列车运行的安全原则上由司机通过瞭望来控制,与地面公交系统类似。
4)根据服务范围的需要,线路可以分出多个叉线,同一路径上可以允许多条线路共线运行,不同线路的列车按照先到先占用的原则行驶,追踪运行。
2·3·2·2 现代有轨电车具备的特性
1)车辆具有较好的驾驶性能,启动加速度可达到1.0m/s2以上,制动减速度可达到2. 5m/s2以上,列车最高运行速度达到70 km/h。
2)车辆适应较差的线路条件,最大爬坡能力达到60‰以上,列车采用多单元铰接方式连接,最小转弯半径达到25m以下。
3)根据不同时段的客流需求,列车可以改变编组,增减编组单元,或由两列车连挂运行,适应运量需要,提高运输效率。
4)由于主要在地上运行,车辆造型要求更加美观;采用低地板技术,地板高度距轨面约300mm左右,方便乘客上下车;使用弹性车轮技术,降低运行噪声。
5)列车一般采用架空接触网供电,根据不同区域的特殊要求,也可以采用地面嵌入式三轨、大容量电容或蓄电池供电运行。
6)车辆维护简单,采用标准化、模块化设计和组装工艺,可以实行换件修,减少检修时间和设施设置,降低车辆段占地和投资。
2.4 车辆来源
通过调查研究,西郊线的车辆来源有国内和国外两种渠道:国内主要是由长春客车厂试制生产,国外则由庞巴迪、西门子、阿尔斯通等多个厂家提供比较成熟的产品。
2·4·1 国内厂家的有轨电车
根据调研,国内长春客车厂已为长春轻轨生产了多辆C型电车,车辆长度约28m,最小转弯半径为50m,由3个单元铰接而成(见图4)。该车辆已经在长春轻轨线路上运行多年,相对比较成熟,价格相对较低。但其为70%低地板,车辆性能对线路条件的要求相对较高,不能完全满足西郊线的运行要求。目前,长客正在研制国产的100%低地板车辆,样车已经下线,长度约30m,由5个单元组成,车辆行驶性能已经达到国外大部分轻轨车辆的水平,并根据我国的实际情况(超员严重、气候恶劣等),有针对性地进行强化设计,正在长春轻轨线路上试运行。
2·4·2 国外厂家的有轨电车
国外厂家100%低地板轻轨车的生产和应用已经较为成熟,车辆的技术性能、参数和可靠性也更为先进,但价格相对较高。
西郊线地处北京“三山五园”风景区内,环保和景观要求高,因此在部分风景敏感点可能采用地面嵌入式三轨的供电形式(见图5,这是法国阿尔斯通公司专利技术,已应用于多个城市,目前不考虑技术转让),以避免架空接触网对城市景观的破坏。一旦决定采用此项技术,则首先需解决车辆与地面三轨相匹配的受电系统的设计和制造,需配套修改设计并延长整车交付时间,对今后的招标采购和技术谈判造成一定的制约影响。
根据调研,阿尔斯通目前已与北京地铁车辆厂签订了初步的合作意向书,根据西郊线的供货时间要求,已经拿出初步的生产计划。根据开通时间要求,有可能采用初期部分全进口的模式,然后其余车辆由北京地铁车辆厂组装生产,并逐步向国产化过渡。综上分析,西郊线将优先选用100%低地板有轨电车。从参数上看,国产和国外100%低地板车型都可以满足工程的使用要求,但国产车型的实际参数还有待实验结果来验证,在车辆的改进、售后服务和今后的车辆维修方面较国外车型有优势。如果北京地铁车辆厂的中外合作生产能实现的话,随着合作的深入、国产化率的提高,车辆的造价可以降低,也可解决上述售后和维修问题。因此,目前西郊线车辆还需要根据国产车辆改进、国内外合作进展以及招标实际情况来确定。
3、轻轨系统在未来城市中的应用前景
传统有轨电车曾经是城市公共交通的骨干,为城市公交化作出了重要贡献。随着汽车技术的发展,传统有轨电车因其速度低、车辆性能差、舒适性差、与道路交通矛盾严重而逐渐被淘汰。随着城市的发展和私人汽车的大量普及,城市交通拥堵和空气污染日益严重,人们对公共交通服务质量的要求也日益提高。普通的地铁系统虽然运量大、速度快、服务水平高,但其建设成本和运营成本也很高,大量建造会让城市财政背上沉重的包袱,并不是各类城市和各种线路都适合的。在这种背景下,于上世纪80年代,一种在传统有轨电车基础上发展起来的城市轻轨系统应运而生。
城市轻轨系统作为城市轨道交通系统的一个分类,以其运量适中、工程简单、投资较低、敷设方便、运营灵活的特点,成为城市公共交通的重要组成部分。这种系统是一种新型的城市轨道交通制式,由已有100多年历史的有轨电车系统脱胎而出,并经过了全面的技术升级。与传统的有轨电车不同,它不仅在车辆外观上有了许多变化,而且在技术装备上融入了诸多现代高科技的元素,具有更快的运行速度、更舒适的乘车空间以及更便捷的换乘方式,其技术性能和舒适度是老式有轨电车无法比拟的。线路以地上线为主,地面线尽量采用封闭的专用道形式,充分体现公交优先的原则。它是城市经济、科技、人文发展到一定程度的产物,也是城市整体素质的体现。
我国国民经济正处在高速发展时期,城市化发展很快,城市规模的扩大,使得原有的空间组织模式发生改变,向开敞型、组团式发展,老百姓对城市公共交通的服务要求也在逐渐提高。加强公共交通网络建设,调整公共交通出行比例,对缓解大城市交通拥堵和环境污染有重要意义。
对于运量较大的线路,可以采用大运量的地铁系统;而对于中低运量的线路,如一些中小城市规模较小、人口密度较低、经济实力有限,难以承担快速轨道交通建设所带来的财政压力,则可以采用城市轻轨系统。
对于大城市中心城的外围区域,或组团式区域内部、旅游区,由于公共交通网络密度降低,公交出行相对不如在中心城区方便,在城市边缘地带也存在不同公共交通线路之间的换乘衔接需要,而城市轻轨系统比较适合于中心城区与外围新城、开发区以及旅游景点之间的联系,是促进沿线地区发展的一种舒适可靠的交通方式。因此,城市轻轨系统在国内应该有着比较广阔的发展前景。
4、结语
城市轻轨系统在我国正处于发展时期,笔者对北京现代有轨电车系统制式的选择进行了分析,论证了城市轻轨系统的基本运营管理模式和对车辆的基本要求,分析了该系统的基本特点和主要适用范围,以期对城市轻轨系统制式、车辆以及配套的设备设施的采用提供决策帮助。
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