8 研究开发新型地铁系统
随着城市现代化的发展，城市轨道交通在改善城市交通拥挤状况、快速集散客流、提高人民生活水平、促进经济发展中具有非常重要的作用。然而修建地铁往往需要大量资金，造价非常昂贵，使许多城市望而却步，在一定程度上延缓了轨道交通在我国的建设进程，急需开发新型地铁系统。
8．1 直线电机地铁概述
在传统城市轨道交通中，轨道对车辆的运动起驱动、支承及导向作用，车辆上电动机的旋转运动通过齿轮及轮轨间的相互作用转变为车辆在轨道上的运动。车辆牵弓1力必须克服轮轨间的摩擦力，速度受到轮轨间相互作用的限制。车辆行驶过程中产生较大的振动，轮轨间粘着系数较低，导致启动、制动性能较差。此外，地铁建设中修建隧道的费用非常昂贵，而隧道的工程造价取决于隧道断面的大小，所以在保证载客量不变的情况下，为降低工程造价，修建小断面地铁非常必要。
直线电机地铁的出现为城市轨道交通开辟了一条新的途径，它是21世纪无人驾驶全自动地铁系统的发展方向。直线电机驱动的轨道交通系统介于传统轨道交通与磁悬浮铁路之间，技术比较成熟。直线电机地铁具有造价低、振动小、噪声低、爬坡能力强、牵引能力优越、通过曲线半径小、能耗低、污染小、安全性能好等诸多优点，非常适合大中城市大中等运量交通发展的要求。
与用于高速磁悬浮铁路(TR、ML)采用的直线同步电机(LSM)不同，直线电机地铁一般采用直线感应电动机，其结构相当于将旋转电机切割展开成直线状，定子(初级线圈)设置在车辆上、转子(次级线圈)设置在感应轨上(见图8-1)。车辆平稳运行时，定子与感应轨之间的间隙控制在 10mm左右。当初级线圈通以三相交流电时，由于感应而产生电磁力，直接驱动车辆前进。改变磁场移动方向，车辆运动的方向也随之改变。
目前，加拿大温哥华空中列车、马来西亚吉隆坡PUTRAII线、日本大阪7号线(鹤见绿地线)、东京地铁12号线(大江户线)、斯卡伯勒快速运输系统、底特律市区运输系统、纽约肯尼迪机场线都采用了这种直线电机牵引制式
8.2.1车辆
旋转电机车辆已有100多年的发展历史，由于受到粘着驱动的限制，很难再进一步提高牵引性能。直线电机车辆打破了这个限制，与传统地铁所用车辆相比，由于动力系统不需要从旋转运动转换成线性运动，从而省去了齿轮箱等一系列传动机构，车体重量得以大大减轻。
车体结构由底架、侧墙、端墙、车顶等部分组成，一般采用整体承载方式，采用大型铝合金挤压型材或不锈钢制成。铝合金或不锈钢制作的车体与碳素钢车体相比，重量减轻30％一35％。车体降低地铁造价及工程建设管理等若干问题的研究轻量化对于城市轨道交通具有重要意义，不仅可以减轻轴重、降低车辆对线路的冲击、减小车辆运行噪声，而且还可以大大节约能源消耗。
大阪市直线电机地铁所采用的车辆采用扁平的线性感应电动机，实现了车上各种设备的小型化。此外，由于开发使用了新型转向架，轮径较以前缩小20多厘米，车体底板较以前降低了60厘米，在保持车内容积变化不大的前提下，车辆缩小到传统地铁车辆70％，车辆实现了小型化。由于车辆重心低，在小曲线或陡坡线路上高速运动时，车辆平稳性好，左右振动幅度小，大大提高了乘客舒适度。
大江产线使用的车辆均为12-000系列车辆，该系列车辆具有较高的顶板，最大限度地保障了旅客的舒适感.
吉隆坡PUTRAII线和加拿大温哥华空中列车采用了加拿大Bombardier公司研制的MARKⅡ 型车辆，该车具有轻巧灵活、乘坐舒适、噪声小等优点。吉隆坡PUTRAII线车辆顶板比温哥华空中列车车辆顶板要稍高一些，用以安装大型空调设备。吉隆坡PUTRAH线和温哥华空中列车所采用的MARKH型车辆造价基本相同，每辆车1500万人民币。按中国的物价水平计算，造价约在1600万到1800万人民币之间。这种车辆造价比传统的地铁车辆造价稍高，但直线电机车辆具有高效、低能耗等优点。综合而言，该种车辆具有较高的性价比。
8．2．2 列车编组
直线电机地铁车辆无动力车和非动力车之分，可以灵活编组，列车由2—6节车辆组成。小编组、高密度发车可以减少车站等待时间，改善旅客服务质量，增加乘坐量和收入，客流量较少的时间段较短的列车运营更为经济。
8.3土建工程
8.3.1线路工程
直线电机地铁不受轮轨之间的粘着限制，因此具有良好的爬坡能力。常规铁路的坡度一般不超过3％一4％，直线电机地铁坡度可达6％一8％。这使得直线电机地铁在转入地下和爬升地面时显得相当灵活，直线电机地铁从地下爬到6米高的高架线上所需的距离约是普通地铁所需距离的1／2，这显然可大大缩短隧道长度。
轻轨采用高架形式后造价比地铁有所降低，国内地铁造价每公里约4．5—4．8亿人民币，轻轨可降低至每公里小于2亿，大连轻轨(主要是地面线)造价己低于每公里0．8亿。直线电机地铁由于车体较小，高架结构可以设计的更加轻巧灵活。良好的爬坡能力使得地下部分变为地面线或高架线成为可能，工程造价大大降低(资料显示直线电机高架段造价要比轻轨低30％)。
同时，由于车体使用迫导向转向架，车辆可以在曲线半径很小的线路上平稳运行，同时，轮缘力和轮轨磨耗等性能指标也大大降低。例如，加拿大空中列车在通过曲线半径为70m的弯道时可以不减速。采用如此小的曲线半径一方面有利于城市轨道交通选线，另一方面可以在困难地段减少拆迁量，降低工程造价。因此直线电机地铁非常适合城市轨道交通小曲线、大坡度的需要。
8.2.2轨道工程
直线电机地铁轨道由整体道床、走行轨、感应轨、供电轨、弹性扣件等构成。单线安装直线电机感应轨每米大约为2100元人民币。除了感应轨之外，其它部分可采用传统地铁轨道结构形式。由于直线电机地铁振动低，噪声小，对轨道结构及减振降噪措施的要求比传统地铁标准要低。直线屯机地铁轨道具有良好的性价比。
8．3．3 隧道及车站
城市中地下管线纵横交错，隧道断面缩小，能减少地下及管线改动工程量，同时又便于施工。因此在城市中采用直线电机地铁能大大降低工程造价。
直线电机地铁车辆及隧道尺寸比传统地铁车辆尺寸小，表8-3列出了大江户线与传统地铁(都营新宿线)在车辆及隧道断面方面的相关数据，前者车辆宽度只有后者的89％、高度为后者的77％。
图8-2表示了直线电机地铁和传统地铁隧道限界的差别，前者净空断面面积只有后者得48％，前者要求的隧道断面比后者要小得多。所以直线电机地铁若修建在地下，可以大大减小工程量、降直线电机地铁车站站台形式主要采用岛式或侧式，地下结构站台长度为100 m，地面和高架站台长度近期为80m，预计远期可达到100m，可供6节联挂列车停靠。岛式站台宽度一般为6m-8m，少数为10m，侧式站台宽度为3—4m。目前一般选用80米长车站，比传统地铁100米长车站造价约低25％。
8.4其它影响因素分析
8．4．1 噪声
直线电机地铁驱动系统没有任何旋转部分，其运行噪音可以维持在很低的水平。由于使用了径向转向架，在列车通过曲线时轮轴始终处于曲线径向位置，因而减少了轮轨的磨损和噪声。
直线电机地铁以60km／h速度运行时，距线路中心10米处测得的声强比传统地铁要低10dB左右。直线电机地铁是目前世界上噪声最低的轨道交通系统之一。
为了进一步降低轮轨噪声，可采用浮置板轨道结构和弹性车轮。弹性车轮在轻轨交通中已有多年的应用历史，列车在直线段运行时，弹性车轮可降低噪声2dB。列车经过曲线段时，弹性车轮的降噪效果更为明显。浮置板轨道在轨道板与导向轨之间设置弹性垫层，通过隔振作用来减弱列车运行时带来的地面及结构物的振动。
此外，直线电机车辆采用再生制动、液力盘式制动，制动方式引起的噪声非常小，高架结构采用混凝土箱梁后也有效地降低了二次噪声。由于系统噪声小，使得降噪工程造价大大降低。
8．4．2 振动
直线电机系统是低振动系统，列车在轨面上正常运行时，车体的横向、纵向和垂向振动加速度不超过0．1g RMS，所有振动加速度频率在0．1到50赫兹之间。在1到40赫兹1／3倍频带范围内加速度总持时不会超过一小时，符合旅客舒适度要求。
8．4．3 养护维修
养护维修工作主要有线路养护维修及电气设备养护维修和车辆检修。直线电机地铁低噪音意味着低磨耗。空中列车20年内走行5亿公里无需大修，只需细致的防护性维护。车辆大多部件被设计成线性可移动单元，可在短时间内维修，保证高峰时刻93％一95％的车辆投入运营。
与传统轨道不同，直线电机地铁轨道增加了反力板(reacUonplate)这种特殊设备，所以除对轨道进行传统的养护维修之外，还要对这种特殊的反力板进行检修。传统地铁通常对曲线部分的钢轨进行油脂润滑，以此来降低轮轨挤压噪声。直线电机地铁车辆采用活动关节式转向架，无需对钢轨进行油脂润滑。空中列车采用干润滑来改善轮轨接触条件。干润滑的原理是让一个固体润滑棒与车轮踏面相接触，当车轮转动时即在车轮踏面上形成薄层润滑膜。
列车运行系统实现了列车运行自动化和列车指挥自动化。采用无人驾驶系统，实现了移动闭塞信号。由于采用了最新的数据信号处理技术，导致了各种信号设备小型化，可靠性更高。另外，还设计了故障自动检测设备，使养护维修更简便。
8．4．4 车辆段及其它用房
一般地铁车辆段占地20多公顷，并且大部分设在市区，地价高，拆迁量大。直线电机地铁车辆养护维修工作量小，曲线半径小，这使设置小型车辆段成为可能。温哥华空中列车车辆段占地仅11．46公顷(114600平方米)，包括了控制中心、主任办公室、培训基地及除去车站操作人员有限用房之外的所有设施。车辆段除安放线路养护设备之外还建有环形轨道，车辆段绝大多数线路上列车可以实现自动化运行。由于直线电机地铁诸多优点，因而可以使用小号码道岔，道岔长度变短，咽喉区缩短，使车辆段规模变小，工程造价降低，明显优于其它轨道交通形式。
8．5 经济效益
直线电机地铁在输送能力、造价、能耗等诸多方面优于传统地铁系统，这使得该系统有良好的企业和社会经济效益，主要表现在以下几方面。
(1)造价低。以温哥华空中列车为例，其造价5．8亿美元，每公里造价为2 720万美元.
(2)投资偿还期短。温哥华空中列车第一年运营就有了盈余，而且满载率日益增加，已成为该地区客运交通的主要力量。
(3)缓解交通状况，具有良好的经济效益。大江产环线开通后，形成了新交通网络，其直接效果表现为可以为铁路交通不便地区的乘客提供更多的转乘方式，此外对缓和周边线路的拥挤也有效果，
降低地铁造价及工程建设管理等若干问题的研究这方面每年的经济效益超过626亿日元。汽车交通量明显减少，这使得汽车用户能缩短出行时间、降低出行费用、减少交通事故风险，使道路拥挤状况得到缓解。每年汽车用户的经济效益约340亿日元。
(4)经济拉动效果。直线电机地铁技术先进、造价低、效率高，该技术的应用有利于区域经济，增加就业机会，具有显著的社会效益。例如大江户线8000亿日元的投资(不包括土地购置费)，在东京则带来与投资额同等的经济拉动效果。而在日本全国范围带来约2万1000亿日元(投资额的 2．64倍)的经济拉动效果。此外，这些经济拉动还在全国增加了13．9万人的就业机会，创造出5200 亿日元的效益。
8．6 结论
直线电机地铁在降低工程造价方面的主要优越性可概括如下(与传统地铁比)：
(1)直线电机(LIM)牵引系统是目前最先进的牵引方式之一，技术成熟，已在国外多条地铁线中得到成功应用。
(2)车辆尺寸是传统地铁车辆的70-80％，轴重减轻，车体断面变小，使得隧道造价降低20—30％。
(3)不靠轮轨粘着牵引，是低振动系统，对轨道、桥梁等基础设施的要求低，从而降低工程造价。
(4)车辆内外部噪声都大大降低，是世界上噪声最低的轨道交通方式之一，减少了降噪工程数量，降低工程造价。
(5)爬坡能力强，限制坡度由地铁的3％—4％提高到6％—7％，减少了土地占用及拆迁工程量。
(6) 限制坡度大、振动低、噪声小，可以在市区内将部分地下线路改到地上或高架，该措施可降低造价50％以上。
(7) 曲线半径可以很小，正线上最小曲线半径由地铁的几百米最大可降低到70米，从而更灵活地适应地形，减小城市建筑物拆迁量，降低工程造价。
(8) 最小曲线半径小，道岔号码小，可有效缩短咽喉区长度，降低地铁造价。
(9) 列车可以无人驾驶自动运行，有效地实施小编组、高密度运输组织方式，从而缩短站台长度，降低车站造价。
(10)低振动带来低磨耗，线路及车辆所需的养护维修人员减少，养护维修工作量减少，从而大大降低养护维修费。
(11)由于养护维修工作大大减少，车辆段和维修基地规模相应减小近50％，占地少，造价低。 综合分析可以发现，直线电机地铁无论在造价还是性能方面均具有优越性，为降低地铁工程造价，提高经济效益开辟了一条新路。这种交通形式代表了二十一世纪城市轨道交通发展方向，具有广泛的发展前景。
