第一部分 和諧之軌：城市軌道交通工具

第1章 城市軌道交通工具概述

1.1 城市軌道交通工具類型

世界公認的公共交通運輸方式有軌道運輸、公路運輸、水路運輸、航空運輸、管道運輸，它們共同構建了當代綜合交通運輸體系。軌道運輸是包含了運行于軌道上、由多節(jié)車輛編組、提供交通出行服務的客車運輸系統(tǒng)。軌道交通是公認的高效率、快捷、安全、大容量、低能耗、低污染、價格合理的公共交通系統(tǒng)。

所謂“軌道交通”，就是以軌道作為承載支承和導向約束的一種交通運輸方式，一般人們俗稱為“鐵路”。目前，世界上絕大多數(shù)的軌道交通都是采用兩根鋼軌，極少數(shù)特殊場合也有采用一個單獨的軌道梁（如我國重慶市的獨軌交通）。磁懸浮交通車輛靜止時支承在軌道梁上，運行時則依靠磁力作用懸浮在軌道梁上，但仍以軌道梁作為運行的導向約束，因此也可視為軌道交通的一種特殊形式。

城市軌道交通是一種獨立的有軌交通系統(tǒng)，可以按照設計能力正常運行，在節(jié)約資源的前提下，提供環(huán)境舒適、節(jié)能減排以及安全快捷的大容量運輸服務，并且與其他交通工具互不干擾，具有運量大、服務水平高以及資源環(huán)境效益顯著的特點。

城市軌道交通有多種類型，常見的軌道交通工具包括動車組、地鐵（圖1-1）、輕軌（圖1-2）、有軌電車（圖1-3）、磁懸浮列車等。

1.2 城市軌道交通工具發(fā)展歷史

城市軌道交通工具發(fā)展歷史大致可以分為四個時期，即蒸汽機車時期、內(nèi)燃機車時期、電力驅(qū)動列車時期以及高速列車時期。

1.2.1 蒸汽機車時期

促使軌道交通工具發(fā)展的是蒸汽機的發(fā)明與應用，作為工業(yè)革命時期的一大發(fā)明，蒸汽機車開辟了近代運輸?shù)男录o元。蒸汽鐵路發(fā)明于19世紀。1804年，英國發(fā)明家理查德·特里維西克設計制造了世界上第一臺行駛于軌道上的蒸汽機車，取名“新城堡號”（圖1-4）。1830年，在英國利物浦至曼徹斯特之間開始了第一條城市間鐵路服務。倫敦在1838年開放了第一條市郊路線以后，在1840到1875年之間實現(xiàn)了大批市郊線網(wǎng)建設。1863年1月10日，倫敦最先開通了地鐵，達成了將蒸汽列車引入市區(qū)中心的夢想。1868年，查爾斯·T．哈維（Charles T Harvey）在紐約城的格林尼治（Greenwich）街建造了一條由電纜牽引的高架線，但在經(jīng)濟上這項投資并不成功。1871年，新管理者將它改造為由一臺小的、被稱為“傻瓜”的蒸汽機車牽引。1892年，芝加哥開放第一條高架線，此時列車仍由蒸汽機牽引，但該線路不久就被拆除，主要是因為該設計不令人滿意，排氣和噪聲都非常大。美國在1870年由阿爾福萊德·阿里·比奇（Alfred Ely Beach, “科學美國”的創(chuàng)始者）在紐約建設開放了第一條地鐵線路，該線由氣壓驅(qū)動，運營四年，蒸汽機車的速度最大可以達到110 km/h。

蒸汽機車具有結構簡單、造價便宜、使用成本低廉、維修保養(yǎng)以及駕駛都較易掌握的優(yōu)點。缺點是其熱效率低、燃料消耗需要大量的供煤給水設備、機車乘務人員的勞動強度大、條件差并在運輸途中會對環(huán)境造成明顯的污染。因此隨著車速的提高以及鐵路運量的增大，蒸汽機車慢慢就不能適應現(xiàn)代鐵路的運輸要求了。

1.2.2 內(nèi)燃機車時期

德國人奧托于1866年設計了“內(nèi)燃機”，隨著內(nèi)燃機的快速發(fā)展，鐵路機車設計者開始將內(nèi)燃機應用于鐵路。1894年，德國制造出了世界上第一臺內(nèi)燃機車，該車以柴油作為燃料，是一種沒有大鍋爐的新型機車。20世紀20年代，內(nèi)燃機開始投入運用，主要是從事調(diào)車作業(yè)。到了30年代后期，內(nèi)燃機車開始運用于干線客運。1958年，中國開始制造內(nèi)燃機車，第一批是東風型（圖1-5）和東方紅型內(nèi)燃機車（圖1-6）。

內(nèi)燃機車的優(yōu)點是啟動迅速、加速快，不僅馬力大，而且能較好地利用燃料的熱能，因此節(jié)省燃料；缺點是其構造復雜、環(huán)境污染大，此外其制造、維修以及運營費用都比較大。

1.2.3 電力驅(qū)動列車時期

1890年，倫敦最先開通了第一條由第三軌電力驅(qū)動的地鐵，開啟了電力驅(qū)動列車時代。1895年5月6日，芝加哥最先運營世界上首條電力高架線，該線路用一臺帶有電機的機車，牽引一到兩臺無動力的拖車。格拉斯哥于1896年12月開通了一條由電纜驅(qū)動的長為10.6 km的地下環(huán)線。1897年9月1日，Tremont街上的電車路線投入運營。華盛頓營建了美國第二條由電力驅(qū)動的地下鐵路，其隧道一直到1987年才被取代。波士頓1904年修建了連接東波士頓的隧道，穿過查爾斯河、連接劍橋的一條新線也在1912年投入運營，它就是現(xiàn)在的紅（Red）線。

1.2.4 高速列車時期

高速列車時期的到來源自于動車組的出現(xiàn)。芝加哥南部政府在1897年時，做出了將高架鐵路電氣化的決議，工程技術專家斯卜拉格簽訂合約，并獨創(chuàng)了每輛車均配有電機，但全部都只由第一輛車的駕駛員操縱的多單元動車系統(tǒng)。1897年7月，他示范了由6輛車編組的列車，并通過讓自己10歲的兒子駕駛列車證明了列車操作的容易性。動車組由此誕生，并在歐美等國家迅速發(fā)展。

截至目前，幾乎世界上所有的地鐵車輛都采用該驅(qū)動系統(tǒng)。動車組的出現(xiàn)對于鐵路的發(fā)展具有非凡的意義，由于每輛車都有動力，因此在列車牽引力并不減少的情況下便可以增大列車編組，增加列車的平均速度，減少運營費用。2004年，我國國務院制定了“引進先進技術，聯(lián)合設計生產(chǎn)，打造中國品牌”的戰(zhàn)略決策，我國軌道交通開始迅猛發(fā)展。

1.3 城市軌道交通工具發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀70年代以來，隨著道路交通污染的不斷加劇，人們對環(huán)境污染危機感的不斷加強，越來越多的國家和地區(qū)意識到發(fā)展大中運量軌道交通系統(tǒng)的重要性，與此同時，技術與經(jīng)濟的增長促使軌道交通在世界各地迅速發(fā)展。根據(jù)Bushell、Knowles和Fairweather等的調(diào)查資料，世界各國擁有地鐵系統(tǒng)的城市共計90個，擁有輕軌系統(tǒng)的城市共計105個。

我國在20世紀70年代時僅北京、天津兩個城市擁有地下鐵道，長度分別是39.7 km和7.4 km。80年代中期，有少量大城市開始籌劃發(fā)展軌道交通，廣州第一條地鐵線于1993年年底開工，全長18.48 km。上海經(jīng)過30年的規(guī)劃準備，于1990年開始建設第一條地鐵線（16.1 km長），并于1995年建成投入運營。而截至2012年，已有北京、上海、深圳、武漢、廣州等12個城市建成了地鐵線路，開通運營的總線路長達770 km。以長春、杭州等為代表的11個省會城市和以寧波等為代表的5個二、三線城市的地鐵也都處在建設中。太原、石家莊、蘭州等5個省會城市也已上報了地鐵修建計劃。北京等10個已有地鐵的城市也已提出了擴建計劃。按照預計，2015年，北京市將形成總長660 km的軌道交通網(wǎng)絡，每天的運力將達到1000萬至1200萬人次，而全國地鐵運營的總里程將達到3000 km。預計到2020年時，我國的40個城市將擁有地鐵，運營里程將達到目前總里程的4.33倍。地鐵在中國各城市的迅速發(fā)展已成為毋庸置疑的事實。

在高速列車領域，我國通過多年對既有鐵路的高速化改造以及高鐵線路建設，目前已經(jīng)擁有了世界最大規(guī)模和最高運營速度的高速鐵路網(wǎng)。資料顯示，到2010年年底，我國運營時速在200 km以上的鐵路，其運營里程已經(jīng)達到了7421 km。

此外，科學技術的發(fā)展使得軌道交通達到新的水平，例如無人駕駛的自動化導向交通等，使軌道交通不斷出現(xiàn)新的系統(tǒng)。

1.4 城市軌道交通工具的未來

交通系統(tǒng)是保持城市活力最主要的基礎設施，是城市生活的大動脈，制約著經(jīng)濟的發(fā)展。軌道交通產(chǎn)業(yè)由于其關聯(lián)度既廣又高的特點，大力推動我國國民經(jīng)濟的發(fā)展，同時，其建設投資帶動了諸如原材料、金融、建筑等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，推進了我國居民出行、消費增長，對于擴大內(nèi)需、拉動就業(yè)、滿足社會需求有重要作用，直接或間接地帶動了我國國內(nèi)生產(chǎn)總值的增長。有關資料顯示，軌道交通項目中，每投資一億元，在可以帶動GDP增長2.63億元的同時還可以增加八千多個就業(yè)崗位。由此可見其推動經(jīng)濟發(fā)展的作用不容小覷。

目前，我國軌道交通的里程和路網(wǎng)密度都在不斷增加，線路換乘也越來越方便，導致選擇軌道交通工具出行的乘客急劇增多。在2011年的第一季度，北京市軌道交通日均客運量占其公交運輸總量的比例達到了30.7%，而2010年時這一數(shù)據(jù)僅為26.5%。軌道交通在不斷發(fā)展，但是其運力和運量的矛盾也開始凸顯。仍然以北京市軌道交通為例，截至2011年，其累計運量已經(jīng)突破了10億人次，高峰期的單日運量已超過了600萬人次，而該記錄隨著節(jié)假日旅游的火爆和新線路的開通更是被屢次刷新。由此可見，我國現(xiàn)有的軌道交通規(guī)模仍不能滿足我國人民的需求。另據(jù)相關資料統(tǒng)計，到2015年，北京市五環(huán)內(nèi)的軌道交通線網(wǎng)密度已達到0.59km/km2，上海已達0.57km/km2。但這些數(shù)字與紐約曼哈頓的2.5km/km2、巴黎核心區(qū)2.2km/km2相比，仍相差很遠，遠遠低于世界城市的水平。由此可見，軌道交通在我國仍有很大的市場需求量以及發(fā)展空間。

自20世紀70年代以來，以信息技術為突破口的新技術革命沖擊著人們生活的方方面面，信息化的浪潮給人類社會帶來了深遠的影響。社會生活的聯(lián)系更多地借助通信手段，無疑，未來的城市將變成智能城市，即高度信息化和全面網(wǎng)絡化的城市。借助于互聯(lián)網(wǎng)技術，人們在足不出戶的情況下便可以進行娛樂、工作、購物等。屆時，以觀光、旅游和享受大自然為目的的出行比例將會顯著提高。因此，與現(xiàn)代化生活相適應的現(xiàn)代化交通體系勢必出現(xiàn)，發(fā)展以多種運量、多種形式相結合的軌道交通將是我國城市實現(xiàn)多層次、立體化、智能化交通體系的重要措施。因此，發(fā)展以軌道交通為骨干的公共交通網(wǎng)絡是我國未來交通發(fā)展的必然趨勢。