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城市軌道交通最新技術及評定

   2006-04-29 中國路橋網 佚名 6390
城市軌道交通最新技術及評定【摘要】 文章對城市軌道交通系統進行分類、并對其最新發展和商業化運營趨勢及其所用的安全評定方法進行了論述。【關鍵詞】:城市軌道交通系統;商業化運營;評定0 前言 在日本,80年代開始商業運營的新型交通系統,作為介于火車和汽車之間的中型交通系統,是城市軌道交通系統的主力。然而,近來研究的重點是輕軌交通(LRT)、現代城市有軌電車、以及采用線性電動機等新技術的城市軌道交通系統。這些系統開始在日本的一些地方投入商業運營。鑒于國際標準,制定無人操作標準,執行IEC62278標準,加強可靠性、可用性、可維護性和安全性(RAMS)管理。在新型城市軌道交通系統投入商業運營前,須以不同的方法對其進行評定。因此,本文用實例論述了對城市軌道交通系統的最新發展和商業化運營趨勢及所用的評定方法。1城市軌道交通系統分類 一般來說,鐵道交通系統使用鋼制車輪和鋼軌對車輛進行支承和導向,并使用車上旋轉電動機產生的粘著力驅動。司機根據道旁或司機室的信號進行操作。不過,城市軌道交通系統并不都是這種類型。下面對包括城市軌道交通系統在內的鐵道運輸系統進行分類。1.1按支承/導向和驅動系統來分類 根據定義,不需要長距離運行的城市軌道交通系統,就運行區域來說具有靈巧的特點。例如,現有無車載驅動電動機的系統,又有非接觸支承和導向的系統。 圖1是根據車輛的支承/導向和驅動技術對城市軌道交通系統進行的分類。驅動列車的旋轉電動機系統,可進一步分類為車載電動機和地面電動機。1.1. 1用車載旋轉電動機驅動 某些城市軌道交通系統如傳統鐵道系統一樣使用車載旋轉電動機驅動車輪,但存在一些不同。輕軌車輛系統沒有車軸,電動機裝在車體上或裝在轉向架構架上以便降低車輛地板高度。新型交通系統,使用橡膠輪胎支承和驅動,用導向輪導向。另外還有使用帶傳動裝置車載旋轉電動機的車輛,陡坡運行時用永磁系統(替代車輪驅動力)。1.1. 2用地面旋轉電動機驅動 架空索道和纜車一般都用地面旋轉電動機,將電動機的驅動力轉換為纜索的線性運動。這些早已投入商業運營,主要用于旅游景點。然而,近年來,它們被作為城市軌道交通系統。纜索驅動的缺點是缺乏導向穩定性。解決該問題的方法是,在架空索道上采用減阻裝置、翼板和阻尼器等來改善風阻,以及在OTIS上使用導向輪導向。高架鐵道系統的導向,與懸掛單軌鐵道的一樣,由導向輪和支承梁導向以減小風的影響。在這種系統中,梁用于支承,而纜索僅用于驅動。1.1. 3車載線性電動機的一次側驅動 80年代后期,線性電動機在工業上的應用得到積極推進,直接驅動的優點開始得到廣泛的認可。對于鐵路上的應用,平板式電動機和無粘著驅動的優點開始引人關注。使用線性電動機的第一個商業運營系統是用線性電動機的地鐵。在該系統中,像傳統鐵道系統一樣,車輪的支承和導向由鐵制車輪和軌道提供,只是驅動是由車輛上線性感應電動機一次側(裝在車上的供電線圈)提供(圖2)。采用該系統的初衷是,試圖利用線性電動機的平穩性來減小隧道截面,以降低地鐵昂貴的建設費用。然而,從技術上講,這是一個具有開拓意義的系統,它只需使用與傳統逆變器相同的驅動控制方法,使得線性電動機能在鐵道上使用(圖3)。這種系統于1990年3月首次在大扳交通局的地鐵7號線開始商業運營,隨后在東京交通局的地鐵12號線(1991年)和神戶市的Kaigan線(2001年)上運營。最近,福岡和橫濱正在建設使用這種系統的鐵路線。 線性電動機驅動在商業化運營中取得進展,從而加快了使用線性驅動技術的磁懸浮鐵路的商業化運營(圖4)。與傳統鐵路相比,磁懸浮鐵路的特點是用線性電動機驅動和用常導磁懸浮支承及導向。線性電動機驅動已經在采用線性電動機的地鐵通過了安全評定,所以只需對懸浮控制的安全性作評定。為此,運輸部在Oe磁懸浮試驗線上進行了廣泛試驗,并對試驗數據進行了收集和評定,認定該系統無安全問題。此后將其添加到鐵路商業法(專用鐵路)中。使用該系統的Tobu Kyuryo線路計劃于2005年投入運營。 與上述系統相似,OTIS系統由線性感應電動機驅動,由空氣懸掛系統支承(用導向輪導向)。政府(運輸部)、學術界、包括該行業(OTIS)的有關團體與專家組成的委員會(東京大學Shoda教授為主席)為該系統設定了試驗項目以及進行安全評定。線性感應電動機驅動通過了安全性能評定,因此這次評定主要集中在空氣懸掛系統控制的安全性上。結果表明,OTIS系統在運行速度低于50 km/h時沒有安全問題。1.1. 4地面線性電動機一次側驅動 上述的線性電動機的工作原理是,一次側在車輛系統中,在該車輛系統使用了線性感應電動機,電源側線圈裝在車上。雖然這種驅動系統與線性電動機地鐵、HSST和OTIS的支承和導向方式不同,但就驅動方法而論,在技術上是相同的。然而,城市軌道交通系統則是將一次側裝在地面系統中,而供電側線圈裝在地面上。雖然使用線性同步電動機,連續不斷的線圈可裝在地面上,但據說這種系統作為城市軌道交通系統,由于建設費用的問題,只在有限的情況下可行,因而,至今還沒有投入商業運營。可節省建設費用的一種間斷安裝線性感應電動機的系統已經用于商業運營,如美國機場內部的運輸,但在日本還沒有投入商業運營。日本的高架鐵道系統,線性電動機安裝在地面系統的一次側,以便在車站附近實施加速和減速(圖5)。發車時,車輛由線性電動機加速,達到纜索速度時,控制纜索。到達時,車輛脫離纜索,由線性電動機將速度從纜索速度降至停車。該車輛的支承梁和導輪使支承/導向系統與驅動系統獨立分開,其控制系統具有線性電動機較高加速和減速的性能和節省空間的特點。在特殊情況下,一次側裝在地面系統中,二次側反作用板則需安裝在車上,這樣便可充分利用一次側裝在地面系統中重量輕和節能的優點。這種系統于1998年在廣島Prefecture用作進出Seno車站的運輸工具。1.2按操作方法分類 鐵路系統可根據它們的操作方法分類。如圖6所示,傳統鐵路系統(無列車自動操作——NTO)基本由司機人工操作,而許多城市軌道交通系統為自動操作(半自動列車操作——STO)或無人操作(無司機列車操作——DTO或自動列車操作——UTO)。由于城市軌道交通系統在相當短的運行距離內需要高頻率運行,造成列車運行費用過高,因而節省人力的措施極為重要。然而,近年來許多傳統鐵路運輸系統使用STO系統,即車上有司機但列車可自動操作運行(加速、運行和減速)的一種系統。這也促使將城市軌道交通系統積累的經驗應用到傳統鐵路運輸系統。所以,如果將來傳統鐵路運輸系統需要進一步節省人力,可汲取城市軌道交通系統的經驗,用DTO替換STO,而后換成UTO。 最近,國際電工委員會(IEC)對城市鐵路交通系統(城市自動交通)無人操作(DTO和UTO)的安全性進行了檢測。其主要內容是對無人操作可能出現的故障進行分類,分析其風險性以及提出防范措施。此外,還將制定適應傳統鐵路運輸系統無人操作的標準。2城市軌道交通系統的評定 歷史上,新型城市軌道交通系統投入商業運營前,需在運輸部(現在的國土、基礎設施和運輸部)的監管下組建一個委員會來確定對其試驗和評定項目。而后,它的分支機構——交通安全和公害研究所(現在的交通安全環境研究所)進行試驗并作出評定,行政管理部門根據結果對其可用性進行鑒定。不過,將來還要根據國際標準規定的評定方法進行評定。下面介紹這些評定方法。2.1過去的評定 一種新型城市軌道交通系統作為公共交通系統投入商業運營前,運輸部通常都要對其可用性進行鑒定,如果結果是肯定的,就會組建一個委員會繼續進行這項工作。該委員會將作為公正的第三方組織來確定試驗和評定項目。此后根據結果,運輸部的分支機構——交通安全和公害研究所進行試驗并作出評定。豐田的多模式交通系統(IMTS)就是一例,該系統中的車輛根據車載計算機讀出地面設置的磁釘位置完成自動操作。多列車運行時,由無線電通信控制相互間的距離。該系統于2003年7月作為鐵路技術被添加到部門法令中,并將于2005世界博覽會作為運輸系統在愛知縣投入商業運用。 日本運輸經濟研究中心(現在的運輸政策研究所),在1999年為該系統組建了由Nihon大學Nakamura教授為主席的委員會。該委員會根據東富士試驗線的運行數據對安全性進行了評定,結果表明沒有根本的安全問題。因此,鑒于國家交通安全環境研究所進行試驗的結果,該系統在Awaji島農業園投入商業運營。運營中,在一定程度上證實了其可靠性。根據這些結論,最終批準該系統在2005年世界博覽會期間投入運營。 表1列出最終的評定項目和評定結果,以供參考。至此,評定仍在進一步進行,如日本運輸經濟研究中心進行的評定和交通安全和公害研究所在Awaji島進行的評定。各階段發現的問題通過再試驗和再評定加以處理、解決和確認。所有投入商業運營的城市軌道交通系統,包括線性電動機地鐵、HSST和高架鐵道交通系統都以同樣的方法進行了評定。2.2未來的評定方法 近年來,加快了鐵路系統標準的制定工作。被稱為RAMS標準的IEC62278就是一個實例。2002年10月生效的這個標準規定了鐵路系統對可靠性、可用性、可維護性和安全性(RAMS)的要求。在規定的時間內鐵路運輸應安全和適用。標準要求,在壽命周期內,對鐵路運輸系統的使用方案、終止和處置都應按照標準規定進行總結,并書面記載,如有必要,還要進行核實(圖7)。 該標準源于歐洲EN50126標準,是按歐洲方式定量評定方式制定的。相反,到現在為止,要求日本鐵路運輸系統和信號系統有預防故障的性能以避免可能發生的事故。因此,從鐵路運輸系統的設計到驗收的整個過程需對其進行評定。可以說,日本鐵路運輸系統,即使沒有數據上的評定,在其壽命周期內都作了相應的評定。3 未來的城市軌道交通系統 新的城市軌道交通系統從新型交通系統開始,而進入多樣化,包括使用線性電動機和無線電控制系統。將來根據社會需要可望進一步采用下列交通模式。3.1雙模式的運行系統 即使是極為先進的城市軌道交通系統也無法與汽車所具有的便利性相比。實際上,如沒有汽車的存在,城市軌道交通系統的未來發展無法想象。而且,由于以軌道方式運行的城市軌道交通系統只能單方向運行,因此可在陸地上以任何方向運行的汽車決不會被淘汰。所以,將來雙模式的城市軌道交通系統有望既能作為軌道車又能作為汽車運行。 在歐洲已開發并部分投入商業運營的橡膠輪胎LRT系統,在郊區作為汽車運行,而在有小型軌道導向的城區則作為火車運行(如南希的TVR)。這種系統可利用小型軌道限定導向像火車一樣運行,也可在沒有鋪設軌道的地方作為汽車運行。用電纜供電時,這種系統可像無軌電車那樣運行,而用燃料電池或其它方法供電時,可不要電纜而自身運行。 在日本,OTIS正開發用線性電動機驅動的空氣懸浮系統以便能以雙模式運行。3.2 燃料電池供電的系統 長期以來,人們就認為電氣化鐵道運輸系統在環保方面優于汽車。然而,燃料電池技術的快速發展,使燃料電池車輛更為流行,因而削弱了鐵道運輸的優勢。為了最大程度地利用鐵道運輸系統的特點,即城市軌道交通高效快速的特點,有必要開發使用燃料電池運行的城市軌道交通系統。這樣的鐵道交通系統不需要電纜供電,在生態學和能源方面都將保持先進性。 促進新型城市軌道交通系統商業化的首要前提是降低成本。從這種意義上講,建在道路上的LRT和IMTS在建設成本上有優勢,但運行能耗很高。然而SenyoKogyo 有限公司和其他公司為降低能耗開發了一種利用勢能的城市軌道交通系統。這種系統基于過山車的原理,結構簡單。車輛在不同高度的單軌上運行。這種城市軌道交通系統就是根據新理念開發的成功例子。4 結語 本文闡述了日本城市軌道交通系統的分類、系統的特點和這類系統商業運營所需的安全評定方法。在對傳統安全評定方法和將來按照國際標準進行評定的方法進行簡要闡述后,提出了本人對新型城市軌道交通系統發展觀點。城市軌道交通系統與公共汽車和普通汽車同處總會有一些內在問題。近來,我們看到像LRT和IMTS這類系統的不斷出現,技術上的微小變化可使這些技術轉換為與公共汽車一樣的系統,而淡化鐵道交通車輛和公共汽車的界限。希望將來能看到使用燃料電池和其它技術的新型城市軌道交通系統,像汽車一樣投入商業運營,這樣,可以在保持鐵道交通車輛特點的同時還具有汽車的優點。

 
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