新一代轻型悬挂式单轨系统技术特点及应用案例介绍

文：上海羿鹏交通科技集团有限公司

本文介绍了国内外悬挂式单轨交通系统的类型特点、技术发展路线以及运营线路情况，重点介绍了轻型悬挂式单轨从技术引进到国产化的研发阶段和各子系统的技术特点、系统应用场景等，以及羿鹏空铁试验线的建设情况与功能定位，并对城市轨道交通低运能系统发展前景进行展望。

城市轨道交通中低运能系统——悬挂式单轨系统具有占地面积小、工程造价低、转弯半径小、爬坡能力强、建设周期短等特点，是发展多层次、优衔接、高品质的立体化轨道交通系统的重要组成部分之一。在此背景下，通过技术引进、消化吸收，进而实现全系统国产化，走出了一条适用于国内公共交通应用场景的新一代轻型悬挂式单轨系统的技术实践道路。

一、国内外悬挂式单轨系统发展现状

悬挂式单轨系统最早起源于德国，由德国土木工程师Eugen Langen 于1893 年发明，作为其位于科隆的炼糖厂的货运单轨使用，随之开始构思应用于客运线路，采用双法兰车轮的转向架设计，车厢悬挂于转向架下方，而第一个实践的就是德国西部城市伍珀塔尔（Wuppertal），于1901年开通运营，这也是世界上第一条应用于客运的悬挂式单轨线路。

19 世纪末，伍珀塔尔的工业化程度达到顶峰，人口增至40 万并且呈继续增长的趋势，面积超过科隆。人口和车辆数量的增加对路面交通带来更大的压力，因此需补充新的公共交通系统，以缓解路面拥堵状况。然而，伍珀塔尔没有更多的路面空间敷设有轨电车运行所需的轨道，而且地下岩石众多、存在大量地下水的地质条件，在当时的技术条件下建造地铁尚无法实现。因此，打造空中线路成为德国工程师的唯一选择，在建筑大师Wilhem Feldmann 的指导下，伍珀塔尔的悬挂式单轨线路建设完成并投入运营，经历一个多世纪后，该线路仍在持续运营，每日载客量逾7 万人次。

（一）技术发展路线

在伍珀塔尔悬挂式单轨线路运行50 年后，逐渐演化发展出2 条技术路线，分别是法国的SAFEGE 技术路线和德国西门子的SIPEM 技术路线。

法国Safege 联盟公司由包括米其林和雷诺汽车在内的25 家公司于1919 年共同组建，与跨座式单轨的技术起源——德国Alweg 公司并称为世界单轨系统的两大技术平台。Safege 悬挂式单轨系统沿用了伍珀塔尔中大运量的特点，最大的改动就是将运行轨道由原先的暴露形式优化到了封闭形式，尤其在纬度较高的地区，能完全在任何的冰雪雨条件下安全可靠运行。

相较于1901 年的伍珀塔尔原型和法国SAFEGE 技术，该技术路线在年代上晚于两者，是由德国的西门子公司在德国科技部的主导下于上世纪70 年代末开始进行研究，基于当时德国二战后的经济发展以及人口结构，所以此技术的主要特点的是走的全系统轻量化路线，于1984 年在多特蒙德开始正式投入运营使用。

（二）运营的悬挂式单轨线路

目前世界上已投入商业化运营的悬挂式单轨线路主要分布在德国和日本，国内已正式投入商业化运营的仅有武汉光谷旅游线，各运营线路主要情况见表1。

表1 运营的悬挂式单轨线路

（三）国内悬挂式单轨技术发展现状

截至目前，国内已开展悬挂式单轨系统研究的单位包括中唐悬挂式单轨集团有限公司、中车青岛四方机车车辆股份有限公司、北京中建空列集团有限公司、中铁科工集团有限公司、上海羿鹏交通科技集团有限公司等，试验线路分布在成都、上海、赣州、开封、青岛等地，部分市政运营线路也已启动线网规划等工作。

目前国内投入研发和运营的悬挂式单轨系统包括两条技术路线，即德国西门子SIPEM 技术路线和法国SAFEGE 技术路线。

二、轻型悬挂式单轨系统

羿鹏公司通过引进德国轻型悬挂式单轨系统技术，历时5 年时间，通过开展七大技术专题的研发工作，以及31 个子专题的分项实施，在原有SIPEM 平台基础上进行技术迭代升级，结合国内公共交通应用场景，联合中德专家共同研发，形成了具有独立自主知识产权的新一代轻型悬挂式单轨系统，包括应用于市政公共立体交通的系统产品，以及适用于旅游景区、商业园区的空中智慧乐享系统产品，为客户提供一站式交通出行综合解决方案（图1）。

图1 德国伍珀塔尔悬挂式单轨线路

三、技术特点、商业模式及应用场景

（一）系统技术特点

1.车辆系统

一是车辆灵活编组。车辆灵活编组是轻型悬挂式单轨系统最大的亮点和创新点，其主要源于车辆的非贯通道设计，车辆之间仅通过转向架端面的全自动车钩连接。常见的地铁、高铁车辆，通常是以贯通道形式出现的，这样的设计能有效地将客流量在车内进行再平衡，是大运量交通的重要设计。而悬挂式单轨本身主要应用在中低运能系统的轨道交通线路，并非主干线。轻型悬挂式单轨可以通过全自动车钩，进行车辆在线解编和联挂，应对高峰和平峰时段的客流波动。在平峰时段通过减小车辆编组，实现动态的灵活编组策略，而不是延长发车间隔，这是轨道交通线路运营降本增效的重要方式。另外，通过非贯通道的车辆设计，车辆可以实现非常小的转弯半径，轻型悬挂式单轨的最小转弯半径可达到30 米，在线路选线时可减少非必要的拆迁区域，有效降低建设成本。

二是车体轻量化。不同于传统轨道交通的车体材料以铝合金为主，轻型悬挂式单轨的车体使用碳钢材料。基于德国三维碳钢激光焊接技术进行适配性国产化研制，该激光焊接技术凭借其全自动、高精密作业，整个生产线基本无需矫正、返工，可以极大地降低车辆生产成本、提升生产效率和产品性能，尤其是对于大型部件的激光焊接，可实现碳钢材料不同尺寸部件的高精焊接，有效解决碳钢薄板焊接的变形问题，从而替代传统的铝合金材料，车体轻量化程度与铝合金相当，同时降低60%的生产成本，提升30%的生产效率。

三是车辆外观设计。目前西门子SIPEM 平台应用的悬挂式单轨线路为德国多特蒙德线与杜塞尔多夫机场线，在技术引进过程中，对原有车辆重新进行了工业化设计，车辆外观更具现代感。

2.轨道系统

轨道系统包含桩基、立柱、轨道梁、道岔四个子系统。建设过程中，轻型悬挂式单轨的立柱、轨道梁、道岔均为工厂预制件，可直接运抵现场进行安装，现场建设周期短，对周边环境干扰小。

一是立柱。立柱有单线立柱、双线立柱和门型立柱三种类型（图2）。立柱的一大特点为细梁、细柱，仅为0.8 米*0.8 米，占地面积小，可在路中绿化带敷设，环境适应性更强。

图2 立柱布置形式

二是轨道梁。轨道梁截面尺寸：1100 毫米*780 毫米，截面下开口宽度为180 毫米，下翼缘钢板厚度 30 毫米，兼做轨道。为增加开口截面刚度，轨道梁外侧四周以及底板开口处采用钢板肋加筋。同时，运营过程中，由于轻型悬挂式单轨采用内嵌式的“轨包轮”，且采用胶轮，对周围居民的噪声影响很小。

三是道岔。轨道系统中还有一项优势就是轻量化道岔。道岔的转岔时间是影响发车间隔的重要因素，将直接计算到发车间隔中。传统轨道交通道岔需要多个转辙机控制多个分步动作才能实现一次完整的转岔，轻型悬挂式单轨系统的道岔只需要一个转辙机就可以实现转岔，转岔时间为3.8 秒。因此，轻型悬挂式单轨系统可实现最短45 秒的发车间隔。

3.运控系统

一是通信。通信系统的核心思路是通过算法模型的规范搭建、软件架构的优化设计以及硬件模组的深度集成等一系列系统化手段，将4G 和5G 通信技术进行有机融合，实现两者优劣势的动态互补，既能完全兼容现有的标准框架体系，又能达到定制化开发应用的目的。尽可能复用几大运营商既有的网络基础设施资源，以代替“自建私有网络+ 申请专用频段”的传统建设模式，从而实现“公网私用”的目标。

二是信号。GOA4 全自动驾驶采用“车车通信”信号系统。信号系统的效率、准确度、响应时间将很大程度的影响到发车间隔。轻型悬挂式单轨使用的最先进的车车通信信号系统（TACS）在基于现有的CBTC 系统上，很大程度的减少轨旁设备、减少子系统接口、精简了繁冗的系统（图3）。在满足功能的情况下，系统越简单、稳定性越高，造价也相应降低。

图3 传统CBTC 和车车通信系统逻辑架构对比

4.供电系统

轻型悬挂式单轨系统可采用接触轨和新能源电池两种供电方式。

一是接触轨供电方式。其接触轨布设在轨道梁内，受流器在转向架上。接触轨的电流来自于轨道梁上的电缆输入，电压为DC750V。系统主电路的设计应满足能够给牵引变流器、辅助电源系统及空调系统提供DC750V 直流电源；当车辆在维保车间时，需要通过车间电源进行供电，主电路的设计需要满足车辆受流器供电和车间电源供电的切换要求。

二是新能源电池供电方式。对于接触轨供电方式，供电量大、建设成本高、维护成本高是其主要特点。而针对中低运能轨道交通而使用的悬挂式单轨本身在用电需求量不大的情况下，使用新能源电池供电一方面大大的降低了建设和维护成本，另一方面也提升了整体的安全性，真正做到的因地制宜的要求。

（二）“系统化集成+ 供应链管理”的商业管理模式

羿鹏公司通过与德国轨道工业协会开展深度合作，不仅完成了对德国拥有近40 年成熟运营经验的轻型悬挂式单轨系统技术的引进和消化吸收，还作为系统集成方，共同集成德国和中国全系统产业链上的各设计单位、供应商、服务商等，在西门子原有SIPEM 平台基础上进行技术迭代升级，研发出新一代轻型悬挂式单轨系统。目前的国产化率已达90% 以上，近期目标将会全面实现100% 国产化升级替代。

从当年“三天建一层楼”的“深圳速度”，到今天破旧立新的自贸区探索，都是“一个汗珠摔八瓣”拼出来的。不做光说不练的“假把式”，争当脚踏实地的“实干家”，“撸起袖子加油干”就是成就改革事业的“硬道理”。

轻型悬挂式单轨系统包括车辆、轨道、运控、供电、维保工装五大子系统，通过采用“系统化集成+供应链管理”的轨交行业轻资产商业模式，逐渐形成全新一代轻型悬挂式单轨产业生态圈。

（三）系统应用场景

轻型悬挂式单轨系统根据产品是否应用于市政道路或旅游观光的场景分类，一类是针对市政道路的轻型悬挂式单轨，另一类是针对旅游景区和产业园区的“空中乐享车辆系统”（SEPM，Sky Enjoying People Mover）。针对不同的客户群体，主要包括地方业主单位、工业园区管委会、景区乐园主管部门等。

四、轻型悬挂式单轨应用案例

轻型悬挂式单轨羿鹏空铁试验线由羿鹏公司自主投资建设，位于上海市宝山区顾村工业园，为南北走向的呈“L”型敷设线路，北起友谊西路、富胜路交叉口东南角，沿富胜路东侧走行，南至富胜路、富联一路交叉口，后沿富联一路南侧往东敷设。线路全长约0.94 公里，均采用高架敷设，沿途共设置2 座车站，站间距约0.74 公里，含一组轻量化道岔（图4）。

图4 轻型悬挂式单轨羿鹏空铁试验线

项目于2021 年开工建设，2023 年8 月完成全部主体结构施工、机电设备安装工作，并已顺利完成车辆冷滑试验。2023 年下半年全系统调通进入试运行阶段。

空铁试验线项目一方面用于轻型悬挂式单轨的系统研发、调试、人员培训、展示等功能，另一方面也可作为未来宝山区规划中低运能市政线路的运行控制中心、入库线和车辆维保基地使用。

五、低运能系统发展的合理化建议

目前国内已有20 多个城市开展中低运能线网规划，规划里程超过3000 公里。尤其在《“十四五”城市轨道交通规划建设实施方案》（发改基础〔2021〕1302 号）发布以后，各地明显加快线网规划编制和审批。以上海市场为例，根据各区已出台的轨交中低运能系统发展规划，整个线路规划长度约为1000 公里，目前已完成建设的长度约为100 公里，尚有900 公里的轨交中低运能线路待建。由此可见，低运能系统在未来拥有较大的发展前景，但同时应该充分认识到低运能系统发展过程中还面临一些问题。

一是加强低运能系统技术标准制定与优化。建议针对低运能系统继续制定与优化相关技术标准，在建设方面尽可能采用适合低运能系统的极简化、集约化理念，突破传统轨交设计标准，如站点、车辆段等，实现更好的土地节约、与城市建设更加匹配的特点和优势；在运营方面通过优化运营组织，在方案设计角度有效降低运营维保设备一次性投入与运营成本。

二是统筹交通整体规划，做好线网功能衔接。与大中运能系统动辄5-8 年的建设周期不同，低运能系统最大的特点之一就是建设周期短，一般2-3 年即可投入运营，这一特点决定了低运能系统很难在建设阶段培育足够的客流。因此在规划、设计阶段，做好低运能系统与不同制式线网的衔接，统筹规划地铁、低运能系统、公交的一体化建设，提升乘客的换乘便捷性，发挥低运能系统服务中短距离通勤的优势，对于提升客流具有显著效果。

三是加强适用于低运能系统的投融资模式研究与应用。大运能系统工程造价高、周期长，资金需求量巨大，投资主体多元化的轨道交通投融资市场运作模式应运而生。低运能系统建设成本、运营成本较低，在实施过程中大大减轻了政府的财政负担，建议通过政策指导，不增加政府隐性债务的前提下，加强适用于低运能系统的投融资模式研究，鼓励民营资本进入，并辅以包括专项债券、企业债券、ABS、REITs 等多元化的融资方式，推动低运能项目的可持续发展。

可以预见，轨道交通中低运能是特大城市、超大城市未来的建设重点，也是二线、三线城市主干轨道交通线路鼓励的发展方向，社会对轨道交通提出更加多元化的功能需求，轨道交通中低运能制式必将呈现百花齐放的多元化形态。