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“云轨”,城市轨道交通新畅想

2016-10-27 10:55:54 来源:

10月13日,比亚迪研制的“云轨”在深圳坪山总部举行通车仪式。所谓的“云轨”实际是一种跨座单轨,是依托单条路轨运行的的交通工具。这是比亚迪依托电池、电机、电控等核心技术的又一次战略扩张。至此,比亚迪集团横跨IT、汽车、新能源和轨道交通四大产业。如此战略布局,让人们意识到新制式轨道交通时代正悄然来临。对于未来,我们的思考是“云轨”如此酷炫的交通工具到底是什么?是石破惊天的新发明?还是在轨道交通史上有迹可循?中国企业是否做好准备?产业的受益环节有哪些?

  比亚迪“云轨”:解决最后一公里难题

  10月13日,比亚迪研制的“云轨”在深圳坪山总部举行通车仪式。所谓的“云轨”实际是一种跨座单轨,是依托单条路轨运行的的交通工具。这是比亚迪依托电池、电机、电控等核心技术的又一次战略扩张。至此,比亚迪集团横跨IT、汽车、新能源和轨道交通四大产业。如此战略布局,让人们意识到新制式轨道交通时代正悄然来临。对于未来,我们的思考是“云轨”如此酷炫的交通工具到底是什么?是石破惊天的新发明?还是在轨道交通史上有迹可循?中国企业是否做好准备?产业的受益环节有哪些?

  跨座式单轨128年前诞生于欧洲,2004年中国建成首条跨座式单轨铁路
  ALWEG型跨座式单轨系统设计理念沿用至今:采用跨座式、混凝土轨道和橡胶充气轮胎能使单轨列车达到最佳效果。自1960被日立集团收购后,日本成为世界上建成跨座式单轨线路数量最多、运营总里程最长的国家。2004年,通过技术转让于长客,中国成为继日本之后世界上第二个拥有大型单轨车辆制造技术的国家,同年建成首条跨座式单轨铁路重庆轨道交通2号线较场口——新山村区段,全长14.35公里。

  三大核心优势打造跨座式单轨适应性广的突出特点
  核心优势一:多以高架兴建,地面上只需很小的空间建造承托路轨的桥墩,对线路经过区域的地面交通不会产生明显影响,具有空间优势。核心优势二:爬坡能力和曲线通过能力更强,最小转弯半径仅为地铁列车的15%,最大爬坡能力超过地铁列车3倍,能更好适用于大中城市加密线、商务区、游览区等线路设计要求较为复杂的区域。 
同时,普遍采用电力驱动和空气弹簧转向架,橡胶轮胎在混凝土路轨上行走始终被包覆于车身内部,使噪声不易扩散,获得了理想的减振降噪效果。核心优势三:为模块结构,标准轨道梁便于工厂预制,现场拼接,工程造价通常仅为地铁造价的1/3~1/2,建设周期约为地铁的1/3。

  新一轮轨交产业链牛市将从高速铁路切换至城轨市场,有轨电车领域蕴含较大机遇
  我们认为,高铁经历十二五期间的大牛市之后,细分增速开始见顶回落,新一轮轨交产业链牛市将从高速铁路切换至城轨市场。其中,有轨电车这一细分市场同属城轨领域,却未受到广泛关注,在经过仔细梳理相关产业的数据后,这个领域同样蕴含了较大的机遇。1)预计到2020年,有轨电车新建线路约2300公里,配套车站超1400座,投资额超3000亿元。2)有轨电车建设周期仅为地铁的1/3,工期约1-1.5年。据统计有轨电车开工高峰为15-16年,通车高峰将在17-18年。3)跨座单轨或将在占据越来越重要的地位,目前共有10座城市修建或规划单轨列车,线路长度超过600公里,预计投资额超900亿元,安徽芜湖将是我国第一个全网采用跨座式单轨的城市。

  PPP模式有望释放投资需求为新制式轨道交通项目输血
  有轨电车属于中小运力的轨道交通,综合优势非常突出,造价仅为地铁的1/5;建设周期仅为地铁的1/3,解决大众出行的“最后一公里”难题。受益于政策支持、融资及经营模式的创新,未来几年有轨新项目的招标或再上一个新台阶。从目前已经开工或者通车的项目分析,全国有轨电车项目将主要以PPP模式作为主要推广和融资运营模式,有望释放投资需求为城轨项目输血。

  从产业链来看,我们看好相关公司在整车和核心系统方面发展空间
  建议关注:1)中国中车:车辆制造技术绝对龙头;2)新筑股份:国内第二家具备低地板有轨电车生产能力的企业,目前已有订单业绩业绩,PPP模式助力发展;3)运达科技:切入牵引控制系统,受益行业发展。

  风险提示:宏观经济下行,轨道交通投资进度低于预期。


报告全文

  1比亚迪“云轨”:解决最后一公里难题

  10月13日,比亚迪研制的“云轨”在深圳坪山总部举行通车仪式。首个投资项目,已经确定落户广东汕头,预计总投资560亿元,首期投资120亿元。


  根据比亚迪官方资料介绍:“云轨”属于中小运力的轨道交通,综合优势非常突出,造价仅为地铁的1/5;建设周期仅为地铁的1/3;爬坡能力强,转弯半径小,具有极强的地形适应能力;噪音低,可从城市建筑群中穿过;桥梁通透,独立路权,景观性好,能很好适应城市生态环境;编组灵活,运能为1-3万人/小时(单向);最高时速可达80km/h。可广泛用于中、小城市的骨干线和大中城市的加密线、商务区、游览区等线路,解决大众出行的“最后一公里”难题。

  预计正式下线版本,每列将会有8节车厢,可以搭载1600名乘客,最高运行速度达到120公里。同时,搭载比亚迪自主研发铁电池储能系统,永磁轮边直驱电机、轻量化车体、单轴转向架、能量回馈及通讯系统和辅助的无人驾驶等领先科技。

  可是,“云轨”如此酷炫的交通工具到底是什么?是石破惊天的新发明?还是在轨道交通史上有迹可循?通过下文,让我们来一探究竟。

  2跨座式单轨128年前已诞生

  所谓的“云轨”实际是一种跨座单轨,是依托单条路轨运行的的交通工具。和普通钢制双轨不同,单轨轨道一般以超高硬度材料(混凝土等)制成,宽度远大于普通钢轨。单轨列车主要应用于城市市内客运,也应用于旅游景区内的游客载运。目前世界上大多数单轨列车采用空中行驶(也有少数区段在地面和地下行驶),除了日本已有大、中、小型的业界车辆轨道标准外,其他国家对路轨的宽度、高度尚无统一标准。

  跨座式单轨是单轨交通的主流技术路线。单轨铁路主要分成跨座式和悬挂式两类,跨座式单轨列车轨道位于车辆下方,悬挂式单轨列车轨道位于车辆上方。两者在技术和运行方式上存在共同点和相似之处,主要区别在于轨道结构和车辆转向架结构的不同,目前世界各国采用跨座式的单轨交通系统更加普遍。

  跨座式单轨交通技术源于欧洲,兴于日本。世界第一条单轨运输线出现于1824年,但真正意义上的由蒸汽机牵引的单轨线路建成于1888年。早期的单轨交通设计尚处于摸索阶段,设计多样但应用价值普遍较低。现代意义的跨座式单轨交通设计直到1958年才于欧洲成型,但随着该项技术被日本日立收购,跨座式单轨交通技术研发转移至日本,日本也成为了最先将单轨交通用作城市轨道交通并进行规模化修建的国家。目前,日本是世界上采用自主技术建成跨座式单轨线路数量最多、运营总里程最长的国家。



  3跨座式单轨交通突出特点:适应性广

  核心优势一:城市占用空间大幅缩小

  跨座式单轨交通所需的宽度主要由车辆的宽度决定,与轨距无关,该种方式不仅占用的地面面积小于其他轨道交通工具,其垂直空间也大幅减小。目前单轨铁路多数以高架兴建,地面上只需很小的空间建造承托路轨的桥墩,对线路经过区域的地面交通不会产生明显影响,在城市室内客运领域具有明显的空间优势。


  核心优势二:行驶过程安全、高效、低噪

  跨座式单轨交通安全性更高。

  Ø  行驶区域方面:跨座式单轨始终在相对独立的低空轨道上运行,与城市中其他任何交通工具和行人分隔,因此独立路权使其比其他在路面上铺设的轨道交通更具安全性;

  Ø  运行模式方面:在轨道梁上行驶的城市单轨车辆转向架上装有三种轮胎:走行轮、导向轮和稳定轮。它的走行机理与钢轮钢轨系统完全不同,在列车运行过程中,走行轮始终与轨道梁顶面接触,轮胎的弹性主要缓冲车辆竖向振动,导向轮和稳定轮则缓冲车辆横向作用力,因此充分保证了系统的运营安全。

  跨座式单轨交通爬坡能力和曲线通过能力更强,具有极强的地形适应能力。以中国比亚迪最新推出的中小运量轨道交通系统 “云轨”为例,该系统车辆最高时速可达80km/h,最小转弯半径仅45米,仅为地铁列车的15%,最大爬坡能力达10%,超过地铁列车3倍。良好的行驶特性使跨座式单轨交通技能更好地适应更加复杂的区域地形,也更加适用于大中城市加密线、商务区、游览区等线路设计要求较为复杂的区域,在城市中选线比较灵活、容易,从而大大降低工程造价,更好地解决大众出行的“最后一公里”难题。

  跨座式单轨交通噪音更低。跨座式单轨列车普遍采用电力驱动和空气弹簧转向架,使用橡胶轮胎在混凝土路轨上行走,行驶中产生的噪音与电动汽车行驶相近,但由于该种设计车轮与轨道的接触点始终被包覆于车身内部,使噪声不易于向扩散,获得了理想的减振降噪效果,据在日本小仓线实测,当列车时速60km时,距轨道中心线10m、离地面高1.2m处的噪声值为74分贝,因此跨座式单轨交通对外界的噪声污染远低于巴士、轻轨等地上公共交通工具。


  核心优势三:建设周期更短,建设成本更低。

  跨座式单轨交通轨道为模块结构,标准轨道梁便于工厂预制,现场拼接,既保证了精度又便于施工,从而可以缩短工期。跨座式单轨交通的工程造价也比较低,跨座式单轨交通的工程造价通常仅为地铁造价的1/3~1/2。另据比亚迪估计,最新推出的中小运量轨道交通系统 “云轨”的造价约为城市地铁造价的1/5,建设周期约为地铁的1/3。对于多数城市而言,地铁修建的高成本和长期施工所带来的多种不良影响是城市轨道交通网络建设的主要难题,相比而言,低成本建成快的跨座式轻轨将成为交通网络亟待扩张的城市的最佳选择。

 

  主要瓶颈:列车运能尚无法与地铁相比

跨座式单轨交通的速度和载客量通常不及地铁、轻轨等运载方式,通常情况下地铁的通行能力在6万-8万人/小时,轻轨的通行能力在1万-3万人/小时,而以已经开通的重庆跨座单轨的实际数据来看,重庆单轨的运能大约在0.7—2万人/小时之间,比亚迪预计其新产品“云轨”运能也仅为1-3万人/小时,尚无法与地铁相比。对此,虽然大型跨座式单轨交通可通过增加编组、缩短间隔等方式增加运能,但真正实现运能飞跃还有待于进一步的技术发展。

  4他山之石:跨座式单轨交通成功应用案例

  日本东京单轨电车羽田线

  东京单轨电车羽田线是为迎接1964年的东京奥运会开幕建成的日本首条跨座式单轨交通线,该项目由名古屋铁道及日立出资,大和观光负责建设,总长17.8公里,于当年10月10日奥运会开幕前的9月17日正式启用。在使用期间,该线路接送大批从日本国内外使用东京国际机场(羽田机场)的旅客,成为跨座式轨道交通应用于大型城市运输的经典案例。

  在羽田线开业初期,由于搭乘飞机及海外旅行乘客有限,而且路线又未在滨松町站至羽田机场站之间设置中途站,因此只有少量机场旅客使用,列车经常于平均只有20%客满情况下开出。随后,铁路公司在调低车票售价同时又相继增设大井竞马场前站并为在机场上班的人新建维修场站,随着国际、国内航线逐渐发展,使用机场人数亦随即增加。由于使用该铁路比经常在首都高速公路上塞车的巴士及的计程车还要快,在这个良好的形象之下,乘客量徐徐增长,公司逐渐盈利,线路运营至今。


  日本大阪单轨电车线

  大阪单轨电车由大阪高速铁道公司经营的大型交通线,共包括两条跨座式单轨铁路路线,分别是大阪单轨铁路(本线,机场线21.2km)和国际文化公园都市线(支线6.8km),合计28km。伴随着日本20世纪后半期的经济增长,大量的人口从地方小城市和农村涌入大都市圈,在国土规划和大都市圈的地区规划指引下,日本加快了新城建设步伐。通过大阪单轨电车线等轨道交通项目的建设,日本单一集中型的城市结构得到改变,实现了多中心型结构的规划。


  美国拉斯维加斯单轨列车线

  拉斯维加斯单轨电车(Las Vegas Monorail)是一条位于美国内华达州克拉克郡内的单轨大众捷运系统,该单轨电车连结了天堂市和温彻斯特的非建制地区,总长3.9英里(6.3公里),于2004年建成,轨道按照最经典的“ALWEG”标准建造。拉斯维加斯单轨列车系统共有九辆庞巴迪的“MVI”型号电车,每辆列车共有四节车厢,载客量约等于两辆有40个座位及160个站位的双节公车,并为全自动操控。电车最高的时速为每小时50英里(80公里),单程票价为5美元,可供单次进出车站搭乘使用,一日票价格为12美元,可供一人在24小时内无限次搭乘电车。


  重庆轨道交通2号线

  重庆轨道交通2号线是日本日立跨座式单轨的首次海外输出,也是我国第一条建成通车的单轨铁路。该线路的修建源自于长春轨道客车通过技术转让协议获得了日立大型单轨车辆的制造技术,逐步实现了跨座式单轨交通的国产化和属地化生产。2004年11月国产首列跨座式单轨车在长春轨道客车股份有限公司下线,同月中国首条单轨铁路——重庆轨道交通2号线较场口——新山村14.35公里区段开始载客运行。

  目前重庆轨道交通2号线全长30.05公里,设25座车站,由于采用跨座式单轨系统,轨道正线最小曲线半径150m,最大限坡60‰,较好地适应了重庆市区地形起伏、道路狭窄的特点。该线路是中国在运营城市交通中落差最大的一条,总高程落差达115米,创下世界城市轨道交通之最。噪音方面由于采用橡胶轮(内充高压氮气)和PC轨道梁,运行噪声及震动远远低于采用钢轮钢轨的传统地铁,因此2号线通过的居民区均不再另外安装声屏障。经过5年的运行,被誉为中国最安静的轨道交通线。

  5单轨列车技术路径和要点解析

  单轨列车是铁路的一种,特点是使用一条轨道,而非传统的两条平衡路轨。其路轨一般以超高硬度混凝土制造,宽于普通钢轨,单轨车辆又宽于路轨。单轨铁路由于不能透过行车轨道把电流回流,故只能采用轨道供电(通常是第四轨,一条供电,一条回流)。单轨分为跨座式单轨和悬挂式单轨两种。

  跨座式单轨

  跨座式单轨,又称跨座式胶轮轻轨,ALWEG型跨座式单轨铁路应用最为广泛。它通过单根轨道梁来支承、稳定和导向,车体骑跨在轨道梁上运行,时速可达80公里。它能有效利用城市道路空间,爬坡和曲线通过能力强,噪声和景观影响小,是一种独特的中等运量城市轨道交通系统,但会受天候如积雪等影响运行,重心偏高,回旋半径大,转辙器也较复杂。


  三维空间受力的PC轨道梁制造及架设安装、轨梁一体的道岔和转辙电控系统、车辆对转向架轻量化结构的要求,是单轨的三大技术关键和攻坚难题:

  PC轨道梁是关键性技术装备之首

  跨座式单轨线路多采用高架,主体结构为混凝土支柱和支柱支撑的带形轨道梁。轨道梁采用预应力混凝土(PC),全部由专用模板制成。它是承受列车荷载的承重结构和车辆走行的轨道,又是供电、信号、通信等缆线的载体。构造复杂,集成各种预埋件、结构件和供电、信号设施。


  转辙电控系统实现道岔梁横移及监控

  单轨道岔由道岔梁、指形接手组、十字形铰、尾轴装置等部件组成。道岔梁之间用可互相转动的指形接手组和可上下及横向转动的T形轴连接。指形接手组消除相邻道岔梁的间隙,十字形铰和尾轴可保证道岔回转时该部位产生转角变化,并牵动相关梁进行转位。

  转辙驱动系统通过减速器带动摆臂绕减速器中心轴回转而实现道岔梁的横移。控制系统保证道岔按信号要求在规定时间内完成解锁、转辙和锁闭工作,并将道岔位置信号反馈至信号显示系统,同时还检测系统中的其他信息并反馈。高峰期,自动转辙间隔时间约为1~2分钟。


  转向架结构性能好坏直接影响车辆的运行安全

  跟常规的轨道车辆相比,跨座式单轨列车最大的不同,在于它的走行系统。单轨列车采用特殊结构的跨座式转向架,每根车轴上装有2个走行轮,两侧上方各有2个导向轮,中心下侧面各有1个稳定轮,均为充气橡胶轮胎,且均配有安全轮保证行驶车辆安全。


  悬挂式单轨

  第二种悬挂式单轨铁路(国内也称空中轨道列车)的列车悬挂在轨道之下。1893年德国人Eugen Langen发明了悬挂式单轨交通,并于1898~1901年在著名悬车之城—德国鲁尔区伍珀塔尔修建了13.3km的悬挂式单轨铁路。这是世界上最早、历史最悠久的悬挂式单轨交通,迄今仍在正常使用。


  悬挂式单轨优缺点明显。其优点在于其重心位于轨道下方,转弯的稳定性较佳,回旋半径小,转辙器的结构设计简单,适合用于曲折且空间受限的路线。部分采用内嵌设计的轨道不易受积雪或结冰影响。其缺点是易对地面的车辆与行人产生压迫感,一旦发生事故,逃生难度大。因此悬挂式单轨技术应用较少,造价相对偏高。

  悬挂式单轨车按走行部结构型式分为以下4种:


  悬挂式单轨的轨道梁通常采用下开口的钢箱结构。车辆悬挂于桥梁下面,车轮支撑于开口的钢箱内,电力、通信系统安装在钢箱内部;墩柱采用钢管结构,单线地段为倒L形,双线地段为Y形。

  悬挂式单轨采用站前折返,在站前设有单渡线,单开道岔相连。道岔转换时间约3秒,道岔一年维修1次。道岔梁的形式比较单一,但构造复杂;道岔梁截面全部采用底部开口的箱形截面,箱梁的下翼缘兼做轨道,通过内部活动体的转动,实现转辙的功能。


  车站采用高架形式,设有车辆锁定装置。由于悬挂式单轨列车运行中,横向摆动幅度为6.5°,为保证列车进站安全,站台边缘需与车辆之间留有一定的空隙。同时,在站台板下设置锁定装置,列车停稳后,将车辆固定住,保持车辆稳定和与站台的距离。

  车辆悬挂在轨道梁下,借助于走行论和导向轮运行。每辆车有2个转向架,每个转向架有4个走行轮和8个导向轮。车辆靠走行轮支撑并在轨道梁上行走,车辆的导向轮沿在轨道梁内侧面行走,保证了车辆的转向和稳定。车辆的走行轮和导向轮均采用实心橡胶轮。

  6预计至2020年规划里程3600公里,总投资额3900亿元

  新制式城市轨道交通包含跨座式单轨和有轨电车,主要用于城市市区、近郊和远郊客运。我国现有城市交通系统存在三个突出问题:高峰时段堵塞和拥挤严重,交通结构单一,对环境的影响较大。发展新型城市轨交,调整既有的交通结构,是解决问题的根本之道。其占地少、污染小、适用狭窄街区和复杂地形等优势,符合我国城市从市区到远郊的交通需求。


  根据我们对全国城市有轨电车项目的整理,预计到2020年,有轨电车新建线路约2000公里,配套车站超1400座,投资额超3000亿元。


  具体项目列示如下:


  根据我们对国内单轨列车规划项目的初步整理,共有10座城市修建或规划单轨列车,线路长度超过600公里,预计投资额超900亿元。

安徽省芜湖市作为我国第一个轨道交通全网采用跨座式单轨新制式的城市,其2号线一期工程即将开工建设,计划于2019年建成通车。


  具体项目列示如下:

  7行业投资机会研判

  我们认为,高铁经历十二五期间的大牛市之后,细分增速开始见顶回落,新一轮轨交产业链牛市将从高速铁路切换至城轨市场。其中,有轨电车这一细分市场同属城轨领域,却未受到广泛关注,在经过仔细梳理相关产业的数据后,这个领域同样蕴含了较大的机遇。特别是跨座单轨因其较强的适应性或将在新制式轨道交通中占据越来越重要的地位。具体如下:

  Ø  有轨电车属于中小运力的轨道交通,综合优势非常突出,造价仅为地铁的1/5;建设周期仅为地铁的1/3,可广泛用于中、小城市的骨干线和大中城市的加密线、商务区、游览区等线路,解决大众出行的“最后一公里”难题。

  Ø  根据我们对全国城市有轨电车项目的整理,预计到2020年,有轨电车新建线路约2300公里,配套车站超1400座,投资额超3000亿元。

  Ø  特别是跨座单轨因其较强的适应性或将在新制式轨道交通中占据越来越重要的地位。根据我们对国内单轨列车规划项目的初步整理,共有10座城市修建或规划单轨列车,线路长度超过600公里,预计投资额超900亿元。安徽省芜湖市作为我国第一个轨道交通全网采用跨座式单轨新制式的城市,其2号线一期工程即将开工建设,计划于2019年建成通车。

  Ø  有轨电车建设周期仅为地铁的1/3,工期约1-1.5年。据统计有轨电车开工高峰为15-16年,通车高峰将在17-18年。


  Ø  受益于政策支持、融资及经营模式的创新,未来几年有轨新项目的招标或再上一个新台阶。从目前已经开工或者通车的项目分析,全国有轨电车项目将主要以PPP模式作为主要推广和融资运营模式,有望释放投资需求为城轨项目输血。

  从产业链来看,我们看好相关公司在整车和核心系统方面发展空间。建议关注:1)中国中车:车辆制造技术绝对龙头;2)新筑股份:国内第二家具备低地板有轨电车生产能力的企业,目前已有订单业绩业绩,PPP模式助力发展;3)运达科技:切入牵引控制系统,受益行业发展。(来源:华泰证券研究所)


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