第一章　城市轨道交通车辆总体概述

第一节　城市轨道交通及车辆的发展

城市轨道交通很早就作为公共交通在城市中出现，人们也称为轨道交通。城市轨道交通是指具有固定线路、铺设固定轨道、配备运输车辆以及服务设施等的公共交通设施。城市轨道交通系统通常由轨道线路、车辆、通信信号、供变电、车站、维护检修基地、指挥控制中心等组成。它大多采用全封闭道路、立体交叉、自动信号控制调度系统和轻型快速电动车组等高科技产品和手段。城市轨道交通具有行车密度大、旅行速度高、载客能力大等特点，多数采用性能优良、无污染、低噪声的电动车组模式，在现代大城市中起着越来越重要的作用，是从根本上改善城市公共交通状况的有效途径。

一、世界城市轨道交通及车辆的发展

（一）世界城市轨道交通的发展

1.地铁

城市轨道交通的开端是地铁。世界第一条地铁诞生于1863年1月10日，首先在英国伦敦建成，至今已有150余年的历史。地铁全长6.5km，设有9个车站，采用蒸汽牵引，经过27年，1890年改为电力牵引。

从1863年英国伦敦建成第一条地铁开始至20世纪末，世界已有115个城市建成地铁，运营总里程已超过7000km，运行车辆总数57000余辆。

1863～1899年的36年间世界有7个城市修建了地铁，1900～1949年的50年间世界有13个城市修建了地铁。1950～1999年的50年间世界有95个城市修建了地铁。

到目前为止，世界上已经有120多座城市建成了地铁，线路总长度超过了8000km。

2.有轨电车

有轨电车是城市轨道交通较早发展的，至今已有100余年的历史。1881年在德国柏林工业展览会期间，在400m长的轨道上展示了一列三辆编组的小有轨电车，只能乘坐6人。世界上第一个投入商业运营的有轨电车是1888年美国弗吉尼亚州的里磁门德市。在20世纪20年代美国的有轨电车线路总长已达25000km；到了30年代，欧洲、亚洲的有轨电车也有了很大的发展。

由于有轨电车存在运能低、噪声大、挤占道路等弊端，加上西方国家私人小汽车的总量增长，从20世纪50年代开始，世界各大城市纷纷拆除有轨电车，现存不多。

3.轻轨及单轨交通

在世界拆除有轨电车的同时，也对旧有轨电车进行扬长避短的改造。逐渐发展成为轻轨交通系统。1978年3月国际公共交通联合会确定了轻轨交通LRT（Light Rail Transit）。在20世纪80、90年代，世界掀起了兴建轻轨交通系统的高潮。至今已有50余个国家建成了360条轻轨线路。

伴随地铁及轻轨交通系统的发展，从20世纪80年代开始发展单轨交通系统。日本、美国、加拿大、澳大利亚、德国等建成了多条单轨交通线路。

4.AGT系统（新交通系统）及自动导向车辆

AGT系统（Automated Guideway Transit），是一种车辆采用橡胶轮胎在专用轨道上运行的中小运量轨道运输系统，其列车装有特定的导向装置，车辆运行和车站管理采用计算机控制，可实现全自动化和无人驾驶技术。AGT系统也称为“新交通系统”。新交通系统与单轨铁路有许多相同之处，如均采用高架专用通道，适用于大坡道和小曲线半径线路，大都采用橡胶车轮、噪声低、安全性好、建设费用比地铁低等。不同之处是新交通系统比单轨铁路导向机构简单，道岔动作时间短，维修简单方便。新交通系统比地铁和轻轨车辆小，车长大部分在5～12m，列车编组较少，一般列车编组2～6辆，运能较低，一般运能单向5000～10000人次/h。

自动导轨系统主要标准及特征见表1-1。单轨系统与新交通系统对比见表1-2。

续上表

5.直线电机车辆

近代新发展了直线电动机，它改变了传统电动机旋转运动方式为直线运动方式，突破了轨道车辆长期以来依靠轮轨黏着作用传递牵引力的传统技术。线性电机车辆采用交流变频变压控制，取消了传统的旋转电机从旋转运动转换成直线运动所必不可少的一系列机械减速传动机构，既减轻了重量又使结构十分简单，特别是转向架变得很简单，可以采用小轮径的径向转向架。另外线性电机车辆还有加减速可靠、磨耗少，爬坡能力强等优点。

但是线性电机最大的缺点是效率低，约为旋转电机的效率的70％，这是由于线圈与感应轨间的工作气隙较大，导致磁损耗大，线性电机比同样功率电机的耗电量大。另外需铺设一条与线路等长的感应轨，工艺要求又高，所以工程投资大，控制技术也复杂，车辆的制造成本高。

地铁车辆中直线电机车辆根据其载客量分为直线电机A型车辆、直线电机B型车辆两类，直线电机C型车辆属于轻轨交通车辆。

广州地铁四、五号线已采用直线电机B型车辆。车辆在正线运行采用1500V三轨受电，车辆进入检修基地时采用接触网受电。

（二）世界地铁车辆的技术发展

城市轨道交通车辆的技术也在世界工业技术发展的基础上得到了不断的发展。

1.车体

车体结构从最初的木制车体，20世纪初采用钢制车体，1952年伦敦地铁开始采用铝合金车体，1958年开始采用不锈钢车体，目前车体已发展为铝合金大型挤压型材或不锈钢整体承载车体轻型结构。

2.车辆牵引

牵引方式从1863年的蒸汽机车牵引、1890年采用电力机车牵引、1896年开始采用电动车辆由安装在转向架的直流电机实现牵引，在20世纪60年代出现斩波调压车辆至1977年柏林地铁开始采用交流电机传动并发展了变压变频调速（VVVF）技术。

3.制动

制动从最早采用车长手制动方式，1875年采用真空制动机，1890年开始使用威斯丁豪斯自动制动机，之后逐步发展为电气和空气的联合制动，电气制动继而实现了再生制动，近年来空气制动进一步发展了计算机控制模拟制动机。

4.车辆走行部

车辆走行部最早采用二轴或四轴轮对，1904年开始采用转向架，1950年开始采用螺旋弹簧和液压减振器的联合减振装置，20世纪50年代末出现了由压型钢板焊接成的轻型转向架构架，目前发展构架为焊接结构、二系悬挂采用空气弹簧、无摇枕转向架。

5.车辆控制及驾驶

随着计算机技术的发展和应用实现了对列车及车辆各个系统的计算机网络自动化控制和故障自我诊断。特别是自动驾驶技术的应用，使列车实现了自动驾驶。法国、新加坡、加拿大有的城市轨道交通线路已经实现无人驾驶运营数年。

二、我国城市轨道交通及车辆的发展

轨道交通中采用中等载客量车厢，能适应远期单向最大高峰小时客流量1.5～3.0万人次的称为轻轨铁路。若采用大载客量车厢，能适应远期单向高峰小时客流量为3.0～6.0万人次的统称为地铁。当然，地铁有建于地下的、地面的、高架的；而轻轨铁路同样有建于地下、地面、高架的。轻轨的概念跟地铁、有轨电车等不同，是一种轨道宽度标准，符合标准的地铁、快轨就可以叫轻轨。有轨电车是采用电力驱动并在轨道上行驶的轻型轨道交通车辆。有轨电车是一种公共交通工具，亦称路面电车或简称电车，属轻轨的一种（以电力推动的列车，亦称为电车）。有轨电车是穿梭于城市内部的，轨道非常浅，运行速度慢，重量小，轨道不影响机动车道，汽车也可以在铁轨上正常行驶。有轨电车轨道是开放的，与公交类似也需要等红绿灯。另外，只在有一条轨道的交通路线上行驶的叫单轨交通，即“跨座式单轨”，在我国重庆，因为其为丘陵地理特点，故选择爬坡能力强、转弯半径小的跨座式单轨交通系统。而轻轨则意义更广一些，包括两条轨道的线路也包括一条轨道的单轨。在之后的章节将会对继续对城市轨道交通车辆进行参数等介绍。

（一）我国城市轨道交通的发展

我国城市轨道交通的发展可以划分为早期有轨电车交通和现代城市轨道交通两个历史时代。早期有轨电车时代是从20世纪初至20世纪50年代。现代城市轨道交通是从20世纪60年代开始的。

1.有轨电车交通时代

我国有轨电车起源于20世纪初。1908年上海在我国第一个建成了有轨电车。1909年大连市也建成了有轨电车。至20世纪50年代，我国有轨电车交通达到了高峰，北京、上海、天津、大连、长春、武汉、鞍山、哈尔滨等城市均建有有轨电车。有轨电车在我国城市交通中发挥了历史性的作用。

由于有轨电车与城市发展的诸多矛盾，我国有轨电车同国外一样，从20世纪50年代开始逐步拆除。北京、上海、天津、哈尔滨等城市已全部拆除，其他城市也拆除了部分线路。至今，我国仅有长春、大连等少数城市保存了有轨电车并在运行中。

2.现代城市轨道交通时代

（1）已有发展

我国城市轨道交通发展已走过40多年的历程。第一条地铁是20世纪50年代开始筹划、1965年开工建设、1969年10月通车的北京地铁1号线一期工程，从北京火车站到苹果园站，长度23.6km，随后延伸到四惠站，一号线全长31km。

20世纪70年代，天津修建了7.4km地铁。

20世纪80年代，随着社会经济的发展，城市化进程加快，机动车急剧增长，为了解决特大城市中心区日益严重的交通拥堵问题，上海、广州分别开始建设地铁，北京地铁复八线（又称北京地铁1号线东段，西起复兴门站，东至四惠东站）等多项工程陆续开工，标志着我国城市轨道交通建设进入一个新的发展时期。

20世纪90年代，深圳、南京、重庆、武汉、大连、长春等多个城市开始建设城市轨道交通。上海地铁1号线于1995年4月通车运营16.4km，广州地铁1号线于1999年6月通车运营18.5km，北京地铁复八线于1999年9月通车运营13.5km。到90年代末，经过近10年的建设，城市轨道交通共增加54km，运营里程达97km。

当前，全国已有29个城市获得轨道交通的建设批复，至2020年线路规划总里程将达6100公里，所需车辆将超过3万辆。

为了有效、合理降低城市轨道交通的建造成本，促进城市轨道交通可持续发展，1998年，我国启动了城市轨道交通车辆及机电设备国产化政策，并确定深圳地铁一期工程、广州地铁2号线和上海明珠线等项目作为国产化依托项目批复立项，此后又陆续批准了10个城市的20多个轨道交通项目开工建设。我国城市轨道交通步入有序、健康、快速发展时期。

目前世界上已经成功运行或成熟的技术都被陆续采用，如长春的轻轨、重庆的跨座式单轨、广州和北京机场线的直线电机线路、大连的快轨和低地板车，而大多数城市一般采用地铁型线路，速度等级一般为80km/h，最高达120km/h。

地铁每千米造价由20世纪90年代初的7亿元人民币下降到5亿元人民币；轻轨每公里造价由4亿元人民币下降到2.5亿元人民币；同等技术水平的A型车价格由最初的1769万元人民币/辆，下降到现在的900多万元人民币/辆，下降约44％；B型车价格也由1000多万元人民币/辆，下降到现在的650多万元人民币/辆。

（2）我国城市轨道交通运营情况

城市轨道交通建设水平的高低主要体现在能否满足实际运营需要，能否经受住强大客流的考验。截至2012年底，以运营里程计算，北京地铁是世界上规模最大的城市地铁系统。以客运量计算，北京地铁亦是中国内地最繁忙的城市轨道交通系统。目前北京地铁工作日的日均客运量在800万人次以上，并且在2013年7月16日创下最高值，达到1105.52万人次。截至2013年5月，北京地铁共有17条运营线路。它包含16条地铁线路、1条机场轨道，组成覆盖北京市11个市辖区，拥有270座运营车站、总长456km运营线路的轨道交通系统。

2010年世博会期间，上海重点依托4、6、7、8、9号线和世博专用线等6条涉博线路、15座涉博车站，全网承担了约40％世博参观客流，共运送乘客超过10.5亿人次，日均578万人次，最高单日客流达754.8万人次。截止到2013年1月，上海地铁现时有12条线路，运营总长约439km，有290座车站。

香港的港铁公司。目前运营线路全长168.1km，由9条市区线共80个车站组成，港铁周日平均载客量平均340万人次。

截至2012年，天津轨道交通线网已开通运营4条线、82座车站；其中，1、2、3号线服务中心城区及环城四区，9号线连通中心城区和滨海新区目前，天津轨道交通的总里程为131km，

2010年亚运会期间，广州地铁进行免费乘车活动，经受了日客流量784万人次的超常规客流检验。深圳市城市轨道交通经历了2011年世界大学生运动会强大客流的严峻考验。

自2009年开始，参照国际地铁协会（COMET）组织的做法和实际需要，我国筹备建立“城市轨道交通运营绩效评估体系（MOPES）”，共设立65项统计指标，并从2010年开始，正式编印统计专册，在已开通运营的城市间交流。

（3）我国部分城市轨道交通规划

目前，北京地铁正在进行大规模建设。预计到2016年底，北京地铁运营总里程将达到660km以上。在远景规划中，到2020年时，运营总里程将超过1000km。

规划中之上海地铁共有22条线路。其中14、15、17～20号线为2020年以前的近期规划。至2020年，上海将形成22（或23，因5号线北延伸可能会另选番号）条轨道交通线路877km的网络规模。

天津市新的城市轨道线网远期规划为9条线路，其中地铁8条，轻轨1条。总长度227km。远期规划则达到1380km。

重庆市政府曾审议通过《主城区轨道交通线网控制性详细规划》，即“九线一环”。“九线一环”中，2014年前建成1、2、3、6号线，2020年前建成“九线一环”。

2013年2月27日，广州地铁运营事业总部重组并按照新体制运行，成立了4个运营中心及6个车务部，运营管理改为“1+3”模式，广州市希望在2017年左右建成500km左右的轨道交通网络。

根据《深圳市城市轨道交通近期建设规划（20112016年）》，2016年底，深圳地三期工程建成后，深圳市轨道交通线路将达到10条，通车里程约348km。

3.发展趋势

通过对城市轨道车辆和城市轨道交通的发展情况可以看出，我国城市轨道交通的发展呈现出以下的趋势。

（1）城市轨道交通的网络化

城市轨道交通建设实践表明，在具备条件的城市，轨道交通线路只有逐步向网络化方向发展才能真正发挥其交通功能，达到疏解市区交通拥塞的目的。北京、上海、广州和深圳经过近10年的建设，目前已基本建成网络化城市轨道交通系统，形成纵横交错、相互沟通连接的网络交通体系，不仅大大方便了城市居民的出行和换乘，一定程度上还展示了城市轨道交通线路引导城市发展的功能。

（2）城市轨道交通类型的多元化

我国已不再是单一地铁形式城市轨道交通。北京建成了市郊快速城市铁道交通，武汉、天津建成了地面快速轻轨交通，长春、大连建成了轻轨交通，重庆建设了跨座式单轨交通，上海也开通了高速磁悬浮交通，城轨车辆不仅有第三轨供电形式，而且有架空线接触网供电形式，从而开始形成城市轨道交通类型的多元化。

（3）城市轨道交通的现代化

如今，车体的材料也由以往的耐候钢制造而采用铝合金型材、不锈钢材质制造。转向架、制动机也在采用世界先进水平的技术。微电子技术、计算机甚至卫星定位技术也在车辆上得到应用。城市轨道交通车辆技术已接近或达到世界先进水平。今后，现代化的轨道交通时代即将到来。

（4）设计制造技术的现代化

随着二维、三维计算机的进行，城市轨道交通车辆开发周期大大缩短。碳钢、耐候钢车体沿用了几十年，而在不到10年的时间内，不锈钢、铝合金材料在车体上得到广泛应用。变阻调速的开发改进延续了近30年，斩波调压技术也研究了十余年，而今，在不到10年内开发研究并批量生产了采用VVVF调压调频技术的车辆。无论是产品技术和类型、设计开发手段，都逐步实现现代化。

在焊接方面，不锈钢、铝合金焊接技术及自动焊、机械手焊接得以应用，数控机床、加工中心广泛应用于机械加工。这些技术及装备的应用加速了我国城市轨道交通车辆现代化的进程。

（5）城市轨道交通发展的国际化

现在，城市轨道交通车辆的研究开发已不再是国内一个或几个单位封闭进行的方式，而是融入了国际经济技术的大环境中。在国内、工厂、院校、科研单位发挥各自优势，结合更加紧密。在与国外合作中采用了引进关键技术，进口关键设备，兴办合资企业等多种形式。在与国外合作的同时，始终不渝地坚持了国产化的方向。

（二）我国地铁车辆的技术发展

我国从1962年开始研制，1967年试制成功第一列地铁车辆，1969年批量生产的DK2型地铁车辆，于1969年10月1日开始运行在北京地铁，标志着我国现代城市轨道交通的开始。以后又对地铁车辆进行了大量自主科技研究、技术开发和车辆的改进工作，从20世纪80年代开展了多种形式的国际技术合作，进行了技术引进、合作生产和大量的国产化工作，使我国的城市轨道交通车辆的生产水平得到迅速提高。

1.车辆牵引技术

我国车辆的牵引技术走过了从直流牵引到交流牵引技术的历程，直流牵引控制技术又经过了凸轮变阻控制、斩波调阻控制和斩波调压控制阶段，目前“VVVF”控制的交流牵引技术已在我国城市轨道交通车辆使用中得到普遍应用。

20世纪60年代，我国地铁车辆采用直流牵引技术，牵引控制系统主要采用凸轮变阻方式，从开始批量生产的DK2型车辆到1994年开发的北京DK20型车辆，虽经过大量技术改进，但基本采用的都是直流牵引、凸轮变阻控制方式。1987年我国在进口日本斩波调压地铁车辆的同时，引进了车辆斩波调压系统设备的制造技术，在1987年设计、生产了DKZ1型地铁车辆并在北京地铁投入运行。20世纪90年代初上海地铁一号线进口的地铁车辆采用了GTO元件，由计算机控制的直流斩波调速牵引系统。

20世纪90年代初，“VVVF”交流牵引技术被广泛应用，采用三相交流异步电动机作为牵引电机，牵引控制采用交流调频调压控制技术。20世纪90年代广州地铁一号线、上海地铁二号线引进的车辆的都是“VVVF”交流调频调压技术，我国目前生产的城市轨道交通车辆基本也都采用了“VVVF”交流调频调压调速技术。我国也对“VVVF”交流调频调压调速技术进行研究、开发，已经具有完全自主知识产权的技术并投入使用。

2.车体制造技术

我国地铁车辆开始生产时主要采用碳素钢作为车体材料，造价低，但车体自重大、易腐蚀、维修成本高。20世纪80年代耐腐蚀性能较好的耐候钢在国内地铁车辆得到广泛应用，同时车体制造工艺不断提高、完善，与采用碳素钢相比车体的自重逐步降低，寿命得到很大提高。随着大型铝合金型材及其焊接技术和不锈钢以点焊为主要生产工艺的成熟，铝合金及不锈钢轻型车体结构被大量应用，上海、广州20世纪90年代引进的车辆均采用了铝合金车体。我国目前生产的城市轨道交通车辆，如武汉城轨车辆、重庆单轨车辆、天津地铁车辆都已采用了铝合金车体，我国在引进不锈钢车体生产技术的基础上由长春客车厂和北京地铁建设公司联合研制，自行设计、生产的DKZ6无涂装不锈钢地铁车辆采用高强度不锈钢材料和轻量化结构设计，已在北京城轨成功运行。这些都为我国高速发展的城市轨道交通创造了有利条件。

3.车辆制动技术

车辆制动系统是保证车辆运行安全的重要保证，我国地铁车辆最初采用DK型电空制动机，空气制动和电气控制作用同时产生，在电气空走失效时空气制动还能发生作用。之后研制、开发了SD数字时直通电空制动机，该制动系统缩短了空走时间和制动距离，改善了车辆制动的一致性。1989年北京地铁在引进、吸收、消化国外模拟制动技术和装备基础上，成功研制电气控制模拟直通电空制动系统，有制F动力空-重车调整功能，可与ATC装置配合，但没有采用微机控制技术。20世纪90年代上海地铁一号线、二号线、广州地铁一号线，引进的车辆以及目前国内生产的城市轨道交通车辆都是采用的KNORR和NOBCO公司的微机控制的模拟直通电空制动系统。对这个系统国内也进行了研究开发，铁道部科学研究院的研究成果已进入实用化阶段，在天津地铁进入了试运行。

4.车辆整体制造技术

在转向架、车钩缓冲装置、通风空调、内装饰和乘客服务设施等方面多年来都得到不断改进和完善，也在采用世界先进水平的技术。

我国在生产制造钢轮、钢轨车辆以外，还生产制造了单轨车辆、直线电机车辆，首辆自主知识产权的CFC-01型中低速磁浮列车也已经过实地运行测试成功。