“智軌列車”匯集了多少黑科技？

李永華

6月2日，全球首列虛擬軌道列車在中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司（下稱“中車株洲所”）首次亮相。

中國工程院院士、中車株洲所董事長丁榮軍介紹，這種正式名稱為智能軌道快運系統(tǒng)（ART 系統(tǒng)，下稱“智軌列車”）的全新產(chǎn)品，集成了虛擬軌際跟隨、永磁驅(qū)動等尖端技術(shù)，是全球首創(chuàng)的一款新型城市交通工具。

這輛虛擬軌道列車長達(dá)30多米，最多可乘坐300多人，雖然路面沒有實體軌道，整列車卻沿著一條虛擬的軌道前行，就像是一列開在路面的地鐵，現(xiàn)場體驗頗為震撼。

中車株洲所研發(fā)的全球首列虛擬軌道列車。

一個項目申請30多個專利

中車株洲所副總經(jīng)理、總工程師馮江華告訴《中國經(jīng)濟(jì)周刊》記者，軌道交通是解決城市擁堵非常重要的一種交通方式，“我們逐漸發(fā)現(xiàn)，要破解現(xiàn)在公共交通難題，傳統(tǒng)軌道交通裝備制式面臨不少難以跨越的障礙。”

目前，城市公共交通系統(tǒng)主要構(gòu)成為地鐵、輕軌、有軌電車、公交車、BRT（快速公交系統(tǒng)）等。地鐵和輕軌雖然運力強(qiáng)，但建設(shè)成本巨大。公開資料顯示，北京地鐵16號線，每公里成本已經(jīng)超過10億元。如此高昂的成本，給地方政府帶來極大的財政壓力，中小城市更是望而卻步。

有軌電車也不便宜，綜合建設(shè)成本約為每公里1.5億～2億元。同時，有軌電車需要專門的電力系統(tǒng)和軌道配合設(shè)計，維護(hù)成本高，而且必須建設(shè)專線，限制較多。當(dāng)前，我國有軌電車總規(guī)劃線路長達(dá)6000公里，實際運行線路卻只有200余公里。

馮江華介紹，從2013年開始，株洲所意識到，亟須探索一種經(jīng)濟(jì)、綠色的新型公共交通工具，來解決中小城市公共交通方式中存在的運輸力差、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運營成本高、線路調(diào)配不便三個“老大難”問題，化解我國快速發(fā)展的城市化帶來的公共交通壓力。

其設(shè)想的創(chuàng)新思路是：能否擺脫軌道的約束，同時又實現(xiàn)物理軌道的主要優(yōu)勢？一種沒有軌道卻能像軌道交通車輛運行的虛擬軌道車輛概念在馮江華的腦海中浮現(xiàn)。

2013年5月，虛擬軌道車輛項目正式啟動。時代電氣副總經(jīng)理兼總工程師尚敬表示，這是一種全新的方案，全球從基礎(chǔ)理論到關(guān)鍵技術(shù)都是一片空白。要實現(xiàn)這個目標(biāo)，株洲所只能單打獨斗，從最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)算法開始探索，一步步攻克所遇到的各種難題?！翱梢哉f，這是一場挑戰(zhàn)科技尖峰的大會戰(zhàn)?！?/p>

2015年底，從最初的車體輕量化設(shè)計，到后來融入了雙向行駛、多軸轉(zhuǎn)向與軌跡跟隨技術(shù)，中車株洲所完成車輛的整車制造及軌跡跟隨系統(tǒng)相關(guān)調(diào)試工作，實現(xiàn)了35米軌跡跟隨列車直線跟隨誤差小于10cm，圓周跟隨誤差小于50cm的目標(biāo)。

2016年底，株洲所一鼓作氣完成了32米智能軌道快運列車工程樣車的研制。樣車采用復(fù)合材料和鋁合金車身結(jié)構(gòu)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成化設(shè)計，減重30%，體積縮小30%，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

“我們搶占了多個前沿技術(shù)高地?！敝熊囍曛匏芯吭夯A(chǔ)與平臺研發(fā)中心主任許峻峰表示，中車株洲所研發(fā)了國內(nèi)第一個多網(wǎng)融合實時以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，有效實現(xiàn)工程樣車傳動控制與網(wǎng)絡(luò)控制功能融合，并且還突破無軌導(dǎo)向控制、無人駕駛、雙源雙充高可靠儲能系統(tǒng)、低地板全鋁車身系統(tǒng)集成等5項核心技術(shù)。

基于該項目，中車株洲所申請了軌跡跟隨控制策略、整車設(shè)計制造和系統(tǒng)集成技術(shù)等30余項專利。

充電10分鐘可行駛25公里

一列天上沒有電線、地上沒有軌道、集合了現(xiàn)代有軌電車運載能力和公交車靈活性的跨界智能軌道列車究竟是什么樣子？

最為引人注目的技術(shù)，無疑是“虛擬軌道跟隨控制”技術(shù)。資料顯示，它通過車載各類傳感器識別路面虛擬軌道線路，將運行信息傳送至列車“大腦”（中央控制單元），根據(jù)“大腦”的指令，保證列車完成牽引、制動、轉(zhuǎn)向等正常動作，精準(zhǔn)控制列車行駛在既定“虛擬軌跡”上，實現(xiàn)智能運行。

馮江華解釋，相對于有軌道的列車，“虛擬軌道跟隨控制”是一種柔性控制技術(shù)，“就像甩動一根柔軟的面條，要讓面條的每一段都在同一軌跡上，很難。我們能做到的是，所有的輪子都沿著一條軌道前行，誤差不超過10厘米，這就能夠降低因車身變長造成的事故率，既確保整體通過性能，又提升整體運輸能力。”

在對比試驗中，依靠虛擬軌道跟隨技術(shù)，虛擬軌道列車比傳統(tǒng)的12米公交車拐彎還要靈活，且不需要減速。研發(fā)數(shù)據(jù)稱，在轉(zhuǎn)彎半徑15米的彎道上運行時，12米大巴的通道寬度為5.8米，而虛擬軌道列車為3.83米。在彎道遇到需要倒車的情況時，公交車司機(jī)只能小心翼翼地倒車。虛擬軌道列車卻采用與高鐵列車一樣的雙車頭設(shè)計，司機(jī)直接走到反方向的車頭就可將列車開出去。這意味著，凡是公交車可以通過的地方，虛擬軌道列車都可以運行。

無人駕駛技術(shù)是虛擬軌道列車的又一亮點。在虛擬軌道列車運行時，《中國經(jīng)濟(jì)周刊》記者看到，司機(jī)放開雙手后車輛依舊沿著既定路線照常行駛。不過，馮江華也表示，盡管可以做到無人駕駛，但現(xiàn)在受制于技術(shù)之外的多種限制，無人駕駛技術(shù)更多地的提高虛擬軌道列車的安全性能，“它可以智能地感知環(huán)境，自動分析車輛行駛狀態(tài)，替代人工操作，有效減輕駕駛員疲勞，提高行車安全性?！?/p>

牽引傳動系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)被稱為“列車之心”，其性能在某種程度上決定了列車的動力品質(zhì)、能耗和控制特性。2015年6月，中車株洲所研發(fā)成功永磁同步牽引系統(tǒng)，使我國成為世界上少數(shù)幾個掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國家之一。中國工程院院士劉友梅告訴《中國經(jīng)濟(jì)周刊》記者，該永磁同步牽引系統(tǒng)的電機(jī)額定效率達(dá)到98%以上，將電機(jī)損耗降低至原來的1/3，顯著降低了高速列車的牽引能耗。

這一次，株洲所將其自主研發(fā)的永磁牽引控制技術(shù)用在了虛擬軌道列車上。同時，馮江華還介紹，虛擬軌道列車還采用了分布式動力協(xié)同控制技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)13%的爬坡能力。

虛擬軌道列車還用上了超級電容，是純電動車，首末站充電，單次充電只需要10分鐘，可滿載行駛25公里。車輛頭頂上不再有電網(wǎng)“大辮子”，這也就節(jié)省了供電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本。

市場空間或高達(dá)萬億元級別

中國工程院院士、中車株洲所董事長丁榮軍表示，虛擬軌道列車綜合了有軌電車和公交客車的特點，既可以作為立體化交通解決方案的補(bǔ)充，也能夠擔(dān)當(dāng)區(qū)域交通線路的骨干。在公共出行需求與城市交通運力不足的矛盾日益突出的今天，虛擬軌道列車提供了較為理想的出行選擇。

除了黑科技云集所帶來的技術(shù)優(yōu)勢，低成本是虛擬軌道列車的殺手锏。中車株洲所研究院基礎(chǔ)與平臺研發(fā)中心主任許峻峰告訴《中國經(jīng)濟(jì)周刊》，一輛有軌電車的價格約為2500萬元，中車株洲所的虛擬軌道列車售價可能也將超過2000萬元。不過，馮江華稱，與有軌電車運力相同的情況下，虛擬軌道列車只需簡單的道路改造就能投入使用，整體線路的投資約為現(xiàn)代有軌電車的1/5，建設(shè)一條10公里的線路，成本至少能節(jié)省10億元以上。按現(xiàn)有的6000公里有軌電車規(guī)劃線路計算，這將是一個超萬億元的市場。

建設(shè)時間短是虛擬軌道列車的另一大優(yōu)勢。許俊峰介紹，與現(xiàn)代有軌電車相比，因為不需要鋪設(shè)鋼軌，也不用架設(shè)電網(wǎng)，一條虛擬軌道列車運行線路從啟動規(guī)劃至開通運營，只需一年時間?！皩嶋H上，大部分時間是花在各種程序上，路網(wǎng)改造時間非常短。”

6月2日，株洲市市長陽衛(wèi)國宣布，株洲為虛擬軌道列車量身定做的全國首條智軌列車示范線路正式進(jìn)入實質(zhì)規(guī)劃階段， 線路規(guī)劃全長約6.5公里，建成以后將與已經(jīng)規(guī)劃的中低速磁懸浮線路對接。根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)，該條示范線有望在2018年投入商業(yè)運營。

專家點評

中國工程院院士劉友梅：ART系統(tǒng)是中運量城市軌道交通新解決方案

傳統(tǒng)軌道交通的基本特征是鋼輪車輛在鋼軌上通過人工或自動控制導(dǎo)向運行，鋼輪鋼軌承擔(dān)著承載、導(dǎo)向及約束的功能。隨著智能控制、圖像識別、衛(wèi)星定位等新技術(shù)的成熟，車輛行進(jìn)中的導(dǎo)向技術(shù)趨勢朝著柔性化、智能化及多樣化方向發(fā)展。其主要的技術(shù)形式有：軌跡跟隨技術(shù)、磁導(dǎo)向技術(shù)、光學(xué)導(dǎo)向技術(shù)、衛(wèi)星導(dǎo)向技術(shù)等。采用這些導(dǎo)向技術(shù)的運輸車輛可以脫離鋼軌的導(dǎo)向約束，并采用膠輪承載。

中車株洲所在總結(jié)國外城市軌道交通技術(shù)方案后，提出了更為先進(jìn)的導(dǎo)向系統(tǒng)和運營理念，即智能軌道快運系統(tǒng)（ART系統(tǒng)），它是以虛擬軌道列車為運載工具，融合智能綜合管理系統(tǒng)的新型交通制式。

ART系統(tǒng)具有建設(shè)周期短、基礎(chǔ)設(shè)施投資低、城市適應(yīng)性高、綜合能力強(qiáng)等優(yōu)越性，是中運量城市軌道交通新的解決方案，同時也是中車城市軌道跨界創(chuàng)新的典范。