智能軌道快運系統(tǒng)

馮江華，肖 磊，胡云卿

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

我國快速的城鎮(zhèn)化進程和人們生活水平的提高，給城市現(xiàn)有交通體系造成了巨大壓力[1]。雖然國家在交通設施上投入了巨資，2008~2017年這10年間我國的城市道路面積增長了74%，但是同期我國的汽車保有量卻增長了230%，城市道路面積增長速度遠遠比不上汽車保有量增長水平[2]。在城市道路建設趨于飽和的情況下，大力發(fā)展公共交通，進行城市道路資源的再分配，構(gòu)筑多元化、立體化、現(xiàn)代化的城市公共交通體系是解決中國目前交通擁堵問題的主要出路。

城市軌道交通具有運量大、快速、準點、節(jié)能環(huán)保、安全舒適等優(yōu)點，成為我國一二線城市公共交通網(wǎng)絡最重要的組成部分[3-4]。大中運量的軌道交通運輸系統(tǒng)有地鐵、輕軌和磁浮等；中低運量的軌道交通制式包括有軌電車、垮座式單軌、懸掛式單軌和自動旅客捷運系統(tǒng)（APM）等[5]。這些交通工具運能適中，旅行速度較快；這些交通制式是解決大運量客流的利器。據(jù)統(tǒng)計，截至2018年底，中國大陸地區(qū)共有35個城市開通了軌道交通，運營線路185條，運營總里程已超過5 760 km[6-7]。在已運營的7種軌道交通制式中，地鐵一家獨大，運營里程為4 354.3 km，主要集中在北上廣深等具有經(jīng)濟實力的一二線城市[8]。另一方面，定位為地鐵主干網(wǎng)絡接駁、三四線城市的骨干交通、旅游特色功能線路的中/小運量交通制式（含單軌、磁浮、有軌電車、APM）也正在逐步發(fā)展。“十三五”期間，有32個城市規(guī)劃建設單軌，72個城市規(guī)劃建設有軌電車[9-10]，眾多的三四線城市迫切需要改善公共交通系統(tǒng)、提升城市形象、擁有中小運量軌道交通系統(tǒng)。但由于我國眾多三四線城市人口數(shù)量、經(jīng)濟規(guī)模、城市規(guī)劃、地形結(jié)構(gòu)等不同，對中小運量軌道交通系統(tǒng)的需求呈現(xiàn)多樣性。如何在中心（老）城區(qū)、既有橋梁和隧道等特定區(qū)域高效快速建設中運量骨干公共線路、如何在快速發(fā)展城市高效經(jīng)濟地滿足客運需求并迭代發(fā)展、如何在城市新區(qū)快速成網(wǎng)運營等，這些挑戰(zhàn)既蘊含巨大的機遇，又促生豐富的技術(shù)創(chuàng)新。

城市中運量交通的巨大市場規(guī)模引起了裝備研發(fā)制造企業(yè)及資本的強烈關(guān)注，各種中運量交通制式紛紛進入到激烈的市場競爭中。傳統(tǒng)中小運量交通制式在改變其基礎設施投入過大、提升城市適應性的基礎上，都在不斷地進行技術(shù)改進[11-14]；同時，以軌道化運營來提升其運輸能力的快速公交系統(tǒng)也在我國眾多城市開通[15]。2010年，中車株洲電力機車研究所有限公司（簡稱“中車株洲所”）開始探索、研發(fā)軌道交通與地面交通融合創(chuàng)新的類軌道行駛的新型車輛及系統(tǒng),經(jīng)歷了原理研究、原型樣機預研及試制、試驗樣車試制試驗、工程化樣車試制試驗、工程示范等迭代創(chuàng)新過程,并于2017年6月2日正式向全世界發(fā)布了新的軌道交通制式——智能軌道快運系統(tǒng)（autonomousrail rapid transit，ART）[16]。

本文將對該ART的系統(tǒng)組成及特征、應用情況進行全面的介紹，并針對地面軌道交通發(fā)展的一些共性問題進行思考，提出未來ART的發(fā)展構(gòu)想，從而讓ART更好地融入城市交通，滿足人們對運量適中、智能、舒適、快捷、環(huán)保的城市公共交通制式的需求。

1 ART架構(gòu)及運行原理

ART具有城市軌道交通和地面公共交通雙重屬性,同時吸收了軌道交通準時、運量大、節(jié)能環(huán)保和地面公交運營靈活、綜合成本低等優(yōu)勢。該系統(tǒng)主要由供電、通信信號、智軌電車（圖1）、虛擬軌道、車站、檢修中心6大基礎部分構(gòu)成。比照軌道交通系統(tǒng)，其最大的不同點在于用智軌電車代替軌道列車，用虛擬軌道代替了鋼軌。這一替代在確保智軌電車具有有軌電車的安全與高效特性的同時,大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省了系統(tǒng)的成本。ART與軌道列車系統(tǒng)的構(gòu)成對比如圖2所示。

圖1 智軌電車工程化樣車Fig.1 Prototype vehicle of autonomous-rail rapid tram

圖2 ART與軌道列車系統(tǒng)的構(gòu)成對比Fig.2 Comparison of the compositions of ART and tram system

智軌電車為采用100%低地板構(gòu)架、全電驅(qū)動、具備多種受電方式的雙向行駛多編組膠輪車輛。它采用自動循跡、軌跡跟隨、自主導向等技術(shù)，實現(xiàn)在虛擬軌道下的類軌道行駛；同時采用主動防護技術(shù)對電車的行駛進行電子約束與安全保障。智軌電車的頭車頭軸自動地按照地面的虛擬軌道或高精度電子地圖運行，其他各軸自動跟隨頭車頭軸的行駛軌跡，實現(xiàn)與軌道列車行駛在鋼軌上相似的類軌道行駛。

虛擬軌道則為行車線路或輔助線路上設置的特定標識，其為車載自動循跡系統(tǒng)中的光學感知、圖像識別、激光檢測等感知傳感器提供導向特征輸入，構(gòu)建運行路徑。

2 智軌電車

智軌電車是一種采用全軸轉(zhuǎn)向、軌跡跟隨控制技術(shù)，通過主動安全、車載信號、機器視覺控制等對車輛行駛進行電子約束的全電力驅(qū)動、沿虛擬軌道運行的鉸接式膠輪車輛。目前典型的三編組智軌電車采用兩動一拖結(jié)構(gòu)，其編組形式為=Mc1 + Tp + Mc2=，其中Mc1與Mc2車廂帶司機室模塊，配備有驅(qū)動系統(tǒng)；Tp車廂無驅(qū)動裝置，受流裝置安裝在Tp車廂；+為車間連接裝置（含鉸接裝置和貫通道）；= 為救援車鉤的安裝接口。三編組智軌電車主要參數(shù)如表1所示。

表1 三編組智軌電車主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the three-module ART

智軌電車的各個子系統(tǒng)分為兩大類：

（1） 傳統(tǒng)城市軌道交通車輛的平移系統(tǒng)，包括車體系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、內(nèi)外裝系統(tǒng)、網(wǎng)絡控制與監(jiān)測系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、牽引與輔助系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、車載信號系統(tǒng)、車載乘客信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡化配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等；

（2） 獨有的智軌控制系統(tǒng)，包括多源環(huán)境感知系統(tǒng)、自動循跡感知與控制系統(tǒng)以及自主導向軌跡跟隨系統(tǒng)。

2.1 車體系統(tǒng)

考慮到重量、成本、工藝及維護等因素，智軌電車車體由整體承載式鋁合金全焊接結(jié)構(gòu)的車身以及與轉(zhuǎn)向架連接的耐候鋼全焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)架組成。

智軌電車車體設計滿足以下技術(shù)要求：（1）車體強度滿足標準EN 12663Railway application-Structural requirements of railway vehicle bodies規(guī)定的P-Ⅴ類車輛要求；（2）車體碰撞滿足標準EN 15227Railway application-Crashworthiness requiremens forrailway vehicle bodies規(guī)定的C-Ⅳ類車輛要求。圖3示出智軌電車車體縱向壓縮工況車體應力CAE分析云圖。

圖3 智軌電車縱向壓縮工況車體應力云圖Fig.3 Cloud chart of vehicle body stress under longitudinal compression condition of autonomous-rail rapid tram

2.2 走行系統(tǒng)

智軌電車走行系統(tǒng)分為動力轉(zhuǎn)向架與非動力轉(zhuǎn)向架。動力轉(zhuǎn)向架上包括橡膠車輪、空氣懸掛、減速裝置以及制動執(zhí)行器；非動力轉(zhuǎn)向架上包括橡膠車輪、空氣懸掛、制動執(zhí)行器以及中央彈簧儲能式駐車制動器（作為安全制動裝置）。

根據(jù)車輛承重要求，動力轉(zhuǎn)向架與非動力轉(zhuǎn)向架的承載均≥9 t，轉(zhuǎn)向角度＞17°，動力轉(zhuǎn)向架輸出扭矩大于24 000 N·m；非動力轉(zhuǎn)向架中間通道處下凹，可以實現(xiàn)車輛乘客區(qū)全通低地板化。動力轉(zhuǎn)向架與非動力轉(zhuǎn)向架示意如圖4所示。

圖4 智軌電車轉(zhuǎn)向架示意Fig.4 Bogie diagram of autonomous-rail rapid tram

2.3 內(nèi)外裝系統(tǒng)

智軌電車的整個乘客區(qū)經(jīng)寬敞的走廊完全貫通。大的玻璃車窗占了車體外表面的70%，確保了整個車廂內(nèi)的通透性。智軌電車內(nèi)外裝效果如圖5所示。

圖5 智軌電車內(nèi)外裝效果圖Fig.5 Exterior & interior decoration design sketch of autonomous-rail rapid tram

智軌電車內(nèi)外裝飾材料選用防火、環(huán)保、輕量化材料，其主要的內(nèi)裝選材包括金屬材料、玻璃鋼、碳纖維、蜂窩材料及泡沫材料等（圖6）。

圖6 智軌電車內(nèi)裝選材Fig.6 Interior decoration material used in autonomous-rail rapid tram

2.4 網(wǎng)絡控制與監(jiān)測系統(tǒng)

智軌電車網(wǎng)絡控制與監(jiān)測系統(tǒng)采用符合國際標準IEC 61375《鐵路電氣設備 列車總線》標準要求的實時以太網(wǎng)，實現(xiàn)控制指令、診斷數(shù)據(jù)及服務信息數(shù)據(jù)的實時傳輸；采用符合IEC 61131《工業(yè)自動化系統(tǒng)的程序編制》標準要求的開發(fā)環(huán)境進行控制應用開發(fā)，實現(xiàn)車輛的控制、監(jiān)測和診斷功能。系統(tǒng)在拓撲上采用雙通道冗余傳輸?shù)沫h(huán)網(wǎng)交換技術(shù)，在物理上實現(xiàn)了車輛控制網(wǎng)絡與信息服務網(wǎng)的融合。智軌電車網(wǎng)絡及監(jiān)測系統(tǒng)拓撲如圖7所示。

圖7 智軌電車網(wǎng)絡及監(jiān)測系統(tǒng)拓撲Fig.7 TCMS system of autonomous-rail rapid tram

2.5 制動系統(tǒng)

智軌電車制動系統(tǒng)既需保證電車自身行車安全，盡量降低與道路上其他車輛及行人碰撞的風險；同時還需兼顧乘客舒適性要求，防止制動力變化過快導致乘客前俯后仰等問題。

智軌電車制動系統(tǒng)在結(jié)合有軌電車制動系統(tǒng)和公路交通EBS線控制動系統(tǒng)（electronic brake system, EBS）特點的基礎上，設計了多種獨立冗余制動模式，并針對各模式的制動提出了相應的技術(shù)指標（表2）。

表2 智軌電車制動性能要求Tab.2 Braking system performance requirements of autonomous-rail rapid tram

2.6 牽引與輔助電源系統(tǒng)

圖8為牽引與輔助電源系統(tǒng)示意，全車配備兩套牽引系統(tǒng)和兩套輔助電源系統(tǒng)，牽引與輔助電源部件通過功率電纜相連。牽引系統(tǒng)由VVVF逆變器及永磁牽引電動機構(gòu)成，采用矢量控制技術(shù)和交流傳動模塊化設計，在實現(xiàn)牽引電機實時控制的同時，還具備牽引變流系統(tǒng)故障保護功能、模塊級的故障自診斷功能。

輔助電源系統(tǒng)由兩路獨立的輔助逆變器和一路獨立的充電機（三合一電源）、LC濾波電路、擴展供電電路、DC 24 V擴展蓄電池構(gòu)成。輔助逆變器為車載交流負載供電；充電機可以實現(xiàn)恒壓限流的功能，最大限度延長蓄電池壽命。LC濾波電路使三合一電源輸出的PWM波變成平滑的正弦波。當任意一路逆變器故障時，通過擴展供電回路保證油泵電機、電控液壓電機、空氣壓縮機等關(guān)鍵負載的正常工作；在應急情況下，蓄電池可為整車提供24 V控制電源。

智軌電車在平直道、AW2載荷工況下的列車牽引性能如表3所示。

圖8 智軌電車牽引與輔助電源系統(tǒng)示意Fig.8 Schematic diagram of traction and auxiliary power system of autonomous-rail rapid tram

表3 動力性能Tab.3 Traction system performance

雙牽引系統(tǒng)同時驅(qū)動，當單套牽引系統(tǒng)發(fā)生故障(即牽引動力損失1/2)時，滿足AW3載荷下平路限速20 km/h運行，AW0載荷下10%爬坡運行。

2.7 儲能系統(tǒng)

智軌電車選用磷酸鐵鋰電池作為車載儲能系統(tǒng)能源載體,包括磷酸鐵鋰電池包、高壓盒、電池管理系統(tǒng)及電池熱管理系統(tǒng)，其基本拓撲如圖9所示。該儲能系統(tǒng)具有冗余切斷功能，一旦一條支路發(fā)生故障，可以允許車輛降級運行回廠檢修。

三編組智軌電車標準配備電量為236.7 kW·h。根據(jù)具體項目要求，可以選配其他儲能方案；且隨著電池等儲能裝備技術(shù)的發(fā)展，智軌電車將被提供更強的動力，具備更長續(xù)航里程和更好的運營適應性。

圖9 智軌電車儲能系統(tǒng)拓撲Fig.9 Topology of energy storage system of autonomous-rail rapid tram

2.8 車載信號系統(tǒng)

車載信號系統(tǒng)由車載信號主機、無線天線、車載顯示器組成，采用以太網(wǎng)相互進行通信并構(gòu)成熱備冗余系統(tǒng)。智軌電車車載信號系統(tǒng)設備均設置在頭車車廂中，其拓撲示意如圖10所示。

圖10 車載信號系統(tǒng)示意Fig.10 Schematic diagram of the on-board signal system

車載信號系統(tǒng)通過與車輛接口，獲取差分GPS數(shù)據(jù)、車輛速度及車輛工況等信息，并結(jié)合GPS/BD數(shù)據(jù)及車載線路數(shù)據(jù)庫信息等，實現(xiàn)車輛定位及測速；根據(jù)車輛位置，自動或由司機手動向道路交通信號控制系統(tǒng)申請信號優(yōu)先或取消信號優(yōu)先指令。

系統(tǒng)通過車載顯示器與司乘人員進行人機交互，提供當前速度、當前限速、車輛位置、前方車站代號、設備工作狀態(tài)、前方路口優(yōu)先狀態(tài)、站臺門狀態(tài)等信息輔助司機駕駛。

2.9 車載乘客信息系統(tǒng)與綜合無線通信系統(tǒng)

智軌電車車載乘客信息系統(tǒng)（PIS）包括車載廣播、車載乘客信息顯示系統(tǒng)以及車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，如圖11所示。在正常情況下，其可為乘客提供乘車須知、運行時刻表等實時的與行車相關(guān)信息；在火災、設備故障等緊急情況下，可以提供及時的疏散提示；系統(tǒng)具有視頻監(jiān)視功能，可為運營人員提供及時的視頻信息，對于乘客安全、便捷地乘車具有重要的意義。PIS系統(tǒng)與無線通信系統(tǒng)接口，接收中心調(diào)度員的語音調(diào)度命令。

智軌綜合無線通信系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)組成。地面子系統(tǒng)包括核心網(wǎng)、基站、網(wǎng)管系統(tǒng)、調(diào)度臺、調(diào)度服務器、錄音系統(tǒng)、網(wǎng)絡交換機和路由器等；車載子系統(tǒng)由車載終端（TAU）、車載臺、車載天線和合路器等設備組成，如圖12所示。

圖11 車載乘客信息系統(tǒng)示意Fig.11 Schematic diagram of on-board PIS system

圖12 綜合無線系統(tǒng)車載子系統(tǒng)示意圖Fig.12 Schematic diagram of on-board subsystem of integrated wireless communication system

圖12 綜合無線系統(tǒng)車載子系統(tǒng)示意圖Fig.12 Schematic diagram of on-board subsystem of integrated wireless communication system

智軌綜合無線通信系統(tǒng)作為傳輸網(wǎng)絡的延伸，提供地面與智軌電車之間的列車調(diào)度語音通信、列車監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸、車載視頻監(jiān)控圖像上傳和PIS系統(tǒng)流媒體播放的綜合承載無線傳輸通道。在目前已開通運營的ART項目中，江西永修的采用LTE方案，租用移動運營商既有網(wǎng)絡，而四川宜賓的采用自建LTE-M方案。

2.10? 網(wǎng)絡化配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

智軌電車低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用網(wǎng)絡化、模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)（圖13），包括CAN/ETH網(wǎng)關(guān)、一級配電主模塊、一級配電從模塊等。智能低壓配電模塊具備通信接口，集數(shù)據(jù)采集、輸出保護、控制等多種功能于一體，通過通信接口相互連接，可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)交互、數(shù)據(jù)處理、故障診斷及遠程控制操作等多種功能。

各智能配電模塊之間通過CAN總線通信線纜以及少量的母線電源線連接，減少了許多中間繼電器電源控制的二次接線，減少了傳統(tǒng)低壓系統(tǒng)維護的工作量并降低了巡檢的工作難度。所有配電邏輯控制采用報文形式程序控制，取代傳統(tǒng)繼電器硬線控制，大幅簡化節(jié)點，便于后續(xù)功能拓展。

圖13 網(wǎng)絡化低壓配電與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)拓撲Fig.13 Topology of low voltage power(network controlled) distribution and data collection system

圖14 多源環(huán)境感知系統(tǒng)示意Fig.14 Schematic diagram of multi-resource environment perception system

2.11? 多源環(huán)境感知系統(tǒng)

智軌電車的多源環(huán)境感知系統(tǒng)（圖14）由基于激光雷達的障礙物感知子系統(tǒng)、基于毫米波雷達的前側(cè)向障礙物感知子系統(tǒng)以及基于多攝像頭的360度環(huán)視子系統(tǒng)組成，為智軌電車的主動防護以及智能駕駛提供有效信息。

激光雷達感知子系統(tǒng)包含前后各2個16線激光雷達和1個4線激光雷達，其檢測覆蓋范圍可達到車輛前方0.2~100 m范圍，測距精度達到±0.3 cm，垂直視場角為±15°，更新頻率為10 Hz。

毫米波雷達感知子系統(tǒng)包括前后各一個77 GHz毫米波雷達（能實現(xiàn)0.2~200 m范圍的測距）與側(cè)向18個24 GHz毫米波雷達（能實現(xiàn)0.2~30 m范圍的測距）。

360度環(huán)視子系統(tǒng)使用8個安裝在車廂頂部的魚眼攝像頭抓取車身周圍圖像，通過拼接技術(shù)得到智軌電車完整的周界全景圖像。

通過這3種不同感知系統(tǒng)的相互配合，可為智軌電車主動安全提供有效保障，提高智軌電車安全運行系數(shù)。

2.12? 自動循跡感知與控制系統(tǒng)

自動循跡系統(tǒng)通過圖像識別傳感器提取車道線特征并分類、跟蹤，再通過反饋控制實時調(diào)節(jié)車輛航向、追蹤期望路徑[17]。智軌電車自動循跡系統(tǒng)包含感知子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)以及執(zhí)行子系統(tǒng)，如圖15所示。

圖15 智軌電車自動循跡系統(tǒng)拓撲Fig.15 Topology of automatic path perception system for autonomous-rail rapid tram

智軌電車自動循跡控制系統(tǒng)可實時感知出的車輛與虛擬數(shù)字軌道的距離偏差、角度偏差和道路曲率等信息，結(jié)合車輛狀態(tài)參數(shù)，在中央控制計算單元實時計算出方向盤轉(zhuǎn)角指令，然后將指令輸入給轉(zhuǎn)向執(zhí)行子系統(tǒng)，調(diào)整車輛航向。該系統(tǒng)能夠保證在列車架構(gòu)特殊、初始姿態(tài)隨機的條件下頭軸自主、精確地進入和跟蹤數(shù)字軌道，如圖16所示。

圖16 智軌電車自動循跡控制原理Fig.16 Control theory of automatic path perception system for autonomous-rail rapid tram

2.13? 自主導向軌跡跟隨系統(tǒng)

自主導向軌跡跟隨系統(tǒng)是智軌電車實現(xiàn)類軌道行駛的關(guān)鍵系統(tǒng)，其通過安裝在車輛上的慣性傳感器、角度傳感器等多種傳感裝置采集車輛的姿態(tài)與坐標信息，實時計算并控制智軌電車各轉(zhuǎn)向架的協(xié)同轉(zhuǎn)向，使得車輛在前進方向上各轉(zhuǎn)向架的行駛軌跡與頭車第一個轉(zhuǎn)向架的軌跡相吻合，如圖17所示，通過構(gòu)建虛擬軌道來提高智軌電車在沒有物理軌道約束條件下的通過性能。

圖17 軌跡跟隨功能示意Fig.17 Schematic diagram of autonomous guidance function

自主導向軌跡跟隨系統(tǒng)采用分布式集控架構(gòu)，每節(jié)車輛每個轉(zhuǎn)向架都安裝有自主導向裝置來協(xié)同控制各個轉(zhuǎn)向架，實現(xiàn)軌跡跟隨。自主導向軌跡跟隨系統(tǒng)拓撲圖如圖18所示，其中WS1~WS6為自主導向單元，分布在每節(jié)車廂的兩個轉(zhuǎn)向架上來完成轉(zhuǎn)向任務。列車具有雙向行駛功能，當?shù)谝还?jié)車廂為行駛方向時，WS1不工作，其他的每一個轉(zhuǎn)向單元均按照控制算法所給指令完成各自的轉(zhuǎn)向任務。

圖18 智軌電車自主導向軌跡跟隨系統(tǒng)拓撲Fig.18 Topology of autonomous guidance system for autonomous-rail rapid tram

自主導向單元包括電控部分和液壓部分，負責每節(jié)車廂前后兩個轉(zhuǎn)向架的主動轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架對中回零、轉(zhuǎn)向角度限位控制、轉(zhuǎn)向架角度鎖定等功能，并能將轉(zhuǎn)向架的實時狀態(tài)（包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、液壓壓力、流量等）信息通過控制器上傳至車載網(wǎng)絡與監(jiān)測系統(tǒng)。

整個自主導向軌跡跟隨控制系統(tǒng)按照功能安全SIL4等級進行架構(gòu)設計和功能設計。該控制器已通過功能安全認證。

3 地面機電系統(tǒng)

智軌地面機電系統(tǒng)由充電、通信、信號、售檢票（AFC）、站臺門等系統(tǒng)組成，其構(gòu)架借鑒了軌道交通的弱電系統(tǒng)模式[18]，并結(jié)合ART的運營控制、無軌無網(wǎng)等特性對各個子系統(tǒng)進行了智能化、輕量化的適配和優(yōu)化，使包含智軌電車的各個子系統(tǒng)有機融合，確保整個運輸系統(tǒng)的安全、高效、智能。智軌地面機電系統(tǒng)總體拓撲如圖19所示。

圖19 智軌地面機電系統(tǒng)拓撲Fig.19 Topology of electromechanical system in ground for ART

3.1 充電系統(tǒng)

智軌充電系統(tǒng)可以根據(jù)具體線路要求配置充電方式，如首末站定點快充、走行進站滑充、架空線充電以及無線充電等方式。對于20 km以內(nèi)的市內(nèi)交通運營線路，從車載儲能系統(tǒng)及地面供電系統(tǒng)的性能、成本等方面考慮，采用首末站定點快充是目前最經(jīng)濟的充電方式[19]。

首末站定點快充系統(tǒng)由一體化預裝式智能充電站、雙極性充電軌、地面定位識別裝置及無線通信系統(tǒng)構(gòu)成。一體化預裝式智能充電站配備有極性轉(zhuǎn)換裝置，可在升弓后檢測車輛受電弓極性并自動配置雙極性充電軌上的充電極性。智能充電站一旦檢測到智軌電車位于正確的充電位置，便通過由無線WiFi短傳通信鏈路與LTE綜合無線通信鏈路構(gòu)成冗余架構(gòu)的無線通信系統(tǒng)，與智軌電車實時交互充電信息并實現(xiàn)自動充電。

一體化預裝式智能充電站采用集裝箱形式，其將10 kV高壓開關(guān)柜、低壓配電柜、變壓器、整流器、斬波器、濾波器以及控制裝置集成在一個15 m×3 m×3 m集裝箱中。單個集裝箱可支持兩個充電位；安裝時，現(xiàn)場只需修建地基即可。

智軌充電系統(tǒng)一般由智軌線路首末站或車輛段臨近變電站引入10 kV電源給智能充電站供電，單個充電位的最大充電功率超過750 kW。

由于ART充電策略為5~10 min脈沖式充電，地面充電站配備能量緩沖系統(tǒng)即可以直接將380 V市電引入，進一步節(jié)約了系統(tǒng)成本，并減少了充電對電網(wǎng)的沖擊。

地面快速充電系統(tǒng)通過有線傳輸系統(tǒng)接入運營控制中心，快充系統(tǒng)內(nèi)設備的狀態(tài)信息可被實時采集并被反饋至運控中心，以便運維人員監(jiān)控管理。該快充系統(tǒng)總體拓撲如圖20所示。

圖20 智軌定點快充系統(tǒng)拓撲Fig. 20 Topology of position fast charging system for ART

3.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)包括綜合無線通信系統(tǒng)、有線傳輸系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、廣播系統(tǒng)（PA）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)（CCTV）及時鐘系統(tǒng)等，為ART提供一套即時可靠、支持數(shù)據(jù)傳輸和狀態(tài)監(jiān)控的通道及運營管理服務。

ART的線路基建要求較為簡單，只有站臺周邊及路口的施工點。為保持智軌“無軌無網(wǎng)”設置帶來的基建量小、運營靈活性的特性，應對地面的復雜應用環(huán)境，根據(jù)線路的具體情況及功能需求，智軌地面機電系統(tǒng)多采用基礎設施共享的方案。如：租用本地運營商的有線光纖（裸纖）及無線網(wǎng)絡（4G）的方案；而在形成ART線網(wǎng)的城市，無線通信則采用自建LTE-M專網(wǎng)的方案，且鐵塔可與通信運營商共用，降低建設成本，并且后續(xù)只需通過設備的硬件升級，即可平滑過渡到5G的網(wǎng)絡制式。智軌綜合無線通信系統(tǒng)拓撲如圖21所示。

圖21 ART綜合無線通信系統(tǒng)架構(gòu)Fig.21 Integrated wireless communication system of ART

ART的有線傳輸、PIS、PA、CCTV、EHP等機電子系統(tǒng)則參照了傳統(tǒng)的軌道交通模式并結(jié)合ART的特性進行了相應的集成化、輕量化設計，以提升系統(tǒng)的性能和效率。

3.3 地面信號系統(tǒng)

智軌地面信號系統(tǒng)包含調(diào)度管理系統(tǒng)、路口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)等。調(diào)度管理系統(tǒng)能夠通過與車載信號系統(tǒng)的實時通信，監(jiān)測所有線路車輛運行位置及狀態(tài)信息，并進行運營計劃的編輯、發(fā)布及調(diào)整等，以實現(xiàn)對ART的運營調(diào)度管理職能。路口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)通過智軌電車與道路交通信號控制機之間的雙向?qū)崟r通信，實現(xiàn)列車在路口處的優(yōu)先通行。信號系統(tǒng)整體構(gòu)架如圖22所示。

調(diào)度管理系統(tǒng)（圖23）通過有線傳輸系統(tǒng)及綜合無線傳輸系統(tǒng)接收車載信號系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，完成列車的全線監(jiān)視、實時的運行圖顯示、設備工作狀態(tài)監(jiān)視、各種運營統(tǒng)計報表展示、故障檢測及報警、系統(tǒng)運行及操作日志記錄、時鐘同步等功能，并可將調(diào)度命令下發(fā)至車載信號系統(tǒng)，以實現(xiàn)列車運行的管理與監(jiān)視。

路口信號優(yōu)先控制系統(tǒng)（圖24）包括路口信號優(yōu)先控制器和車地短程無線通信設備（地面設備在每個路口對應該處路口信號優(yōu)先控制器安裝，車載設備安裝在車上）。車地短程無線通信設備采用無線電臺或Zigbee等設備。路口信號優(yōu)先控制器通過車地短程無線通信設備與車載信號系統(tǒng)通信，可接收列車發(fā)送的請求/取消優(yōu)先信息；路口信號優(yōu)先控制器可與道路交通信號控制機接口，由道路交通信號控制機實現(xiàn)列車在路口處的優(yōu)先通行。

圖22 ART信號系統(tǒng)構(gòu)架Fig.22 Schematic of signal system for ART

圖23 調(diào)度管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.23 Schematic diagram of dispatching system

圖24 智軌信號優(yōu)先系統(tǒng)Fig.24 Schematic diagram of signal priority system for ART

3.4 售檢票系統(tǒng)

傳統(tǒng)的地鐵售檢票系統(tǒng)存在建設成本高、資源利用率低、后期維護工作困難等問題[20]。智軌售檢票系統(tǒng)（AFC）采用云計算技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)的整體架構(gòu)、物理拓撲結(jié)構(gòu)和軟件體系架構(gòu)，降低了系統(tǒng)投資，提高了資源利用率，實現(xiàn)了AFC系統(tǒng)低碳運營、綠色運營及安全運營，其系統(tǒng)拓撲如圖25所示。

圖25 售檢票系統(tǒng)拓撲Fig.25 Topology of AFC system

智軌售檢票系統(tǒng)采用扁平化方案，在傳統(tǒng)的多層結(jié)構(gòu)基礎上省去中間環(huán)節(jié)，將功能向兩端發(fā)展，增強數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理能力、可靠性、穩(wěn)定性，增強設備端的自服務能力。

3.5 站臺門系統(tǒng)

智軌站臺門系統(tǒng)（圖26）由門體機械系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)3部分構(gòu)成。作為站臺共區(qū)域與智軌電車間的可控通道，站臺門系統(tǒng)目前具備3級控制能力，即站服人員手動操作下的就地控制、智軌電車自動駕駛下的車載信號控制和控制中心操作下的調(diào)度管理系統(tǒng)控制，以確保站臺門在不同工況下的安全操作。同時站臺門系統(tǒng)通過有線傳輸系統(tǒng)與調(diào)度管理系統(tǒng)通信，并結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部現(xiàn)場總線及硬線，將每側(cè)站臺安全門單元中所有設備的狀態(tài)及故障信息傳送到站臺安全門監(jiān)控系統(tǒng)后再統(tǒng)一上傳至調(diào)度管理系統(tǒng)，實現(xiàn)各站臺的可視化監(jiān)控。

圖26 站臺門系統(tǒng)拓撲Fig. 26 Topology of PSD system

3.6 綜合運營一體化平臺

針對ART輕量化、集成化和低成本化的特點，搭建了一套綜合運營一體化平臺（圖27），在運營管理模式、軟硬件資源配置等方面高度集成和統(tǒng)一，通過統(tǒng)一的用戶界面和人機接口來集成各個子系統(tǒng)功能，大大簡化工作人員的操作，提高運營調(diào)度的效率。

一體化平臺通過設置前置處理機（FEP）的方式與前端的各個子系統(tǒng)建立雙向數(shù)據(jù)通信，并通過數(shù)據(jù)接口調(diào)用/執(zhí)行各子系統(tǒng)的業(yè)務模塊；此外，F(xiàn)EP還將獲取各子系統(tǒng)的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)并存儲到實時數(shù)據(jù)庫（relational database，RDB）和歷史數(shù)據(jù)庫中，以作為大數(shù)據(jù)分析的數(shù)據(jù)源。

圖27 綜合運營一體化平臺示意Fig. 27 Schematic diagram of integrated operation platform

一體化平臺還集成了各個子系統(tǒng)原有的核心功能并進行了HMI的統(tǒng)一，原有控制中心調(diào)度大廳的各個專業(yè)工位的操作都被集成在一個統(tǒng)一的平臺界面上完成，極大地方便了用戶操作和運營管理。系統(tǒng)界面如圖28所示。

圖28 綜合運營一體化平臺界面Fig. 28 Interface of integrated operation platform

4 基礎設施

4.1 路基路面

根據(jù)智軌電車載荷及行車特征，從現(xiàn)有道路智軌電車運行衰變規(guī)律、智軌道面設計方法、智軌道面維養(yǎng)方法3個方面對智軌道路設計規(guī)范進行了研究。通過分析智軌電車荷載作用模式、各等級路面力學響應情況（圖29），評估現(xiàn)有道路運行智軌可行性，結(jié)果表明，智軌電車可在路基路面結(jié)構(gòu)達到CJJ 37—2016《城市道路工程設計規(guī)范》標準要求的次干路及以上等級道路上通行。在進行ART整體工程設計時，應充分利用符合智軌電車通行條件的城市道路。擬定的智軌線路中若有不符合智軌電車通行條件、涉及改建或新建道路的，應參考標準CJJ37—2016或者JTG D50《公路瀝青路面設計規(guī)范》和JTG D40《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》進行設計，并考慮如下要求：

（1）路面結(jié)構(gòu)應選用抗重載、抗剪切能力強的材料，并注重層間粘結(jié)。

（2）區(qū)間段的路面結(jié)構(gòu)宜采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，車站處的路面結(jié)構(gòu)宜采用水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，全線均應作抗車轍等增強處理。車站和路口處采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)時，抗車轍等的處理宜進一步加強，且長度應包含車輛加減速及停車段。

圖29 智軌電車膠輪作用下的路面響應Fig. 29 Road surface response to rubber-tyre pressure of autonomous-rail rapid tram

4.2 線路型式

智軌電車線路敷設方式，主要分為路中式、路側(cè)式和雙向同側(cè)式3種[21]，其對比如表4所示。

表4 線路敷設方式優(yōu)缺點對比Tab.4 Comparison of relative merits for ART line laying

智軌電車可以充分借用原有線路，運行在地面、高架、隧道等不同形式的道路上。在原有路口可進行立交化處理，以提升運行效率及安全：（1）在共享路權(quán)交叉口，針對相交、中低等級道路，改為右進右出的組織形式；（2）在專用路權(quán)交叉口、交通繁忙及條件允許地段，智軌電車采用上跨或下穿通過形式，如圖30所示。

圖30 智軌線路路口采用上跨或下穿通過形式示意Fig. 30 Schematic diagram of over crossing or underpassing through the intersection for autonomous-rail rapid tram

4.3 車站

智軌電車的車站分為島式車站和側(cè)式車站兩種形式，其中側(cè)式站臺車站又分為標準側(cè)式車站和錯位側(cè)式車站。島式車站一般被設置于道路條件較好的路段，乘客需利用人行天橋過街或斑馬線過街。標準側(cè)式車站一般被設置于道路條件較差、站間距較大的地段，需通過斑馬線、人行天橋或地下過道連接兩站臺及道路兩側(cè)。錯位側(cè)式車站一般被設置于道路條件較好的道路路口處，需通過斑馬線、人行天橋或地下過道連接兩站臺及道路兩側(cè)。

作為路面交通，智軌電車大部分行車路段為地面運行線路，易與公交等現(xiàn)有交通方式融合，通過合理選擇路由和站點能充分吸聚客流，并可通過合理設置與其他交通方式的接駁點來實現(xiàn)與步行、常規(guī)公交、地鐵等交通方式的接駁，如圖31所示。

圖31 智軌與常規(guī)公交共站換乘示意Fig. 31 Schematic diagram of transfer station shared by autonomous-rail rapid tram and buses

4.4 檢修基地

智軌電車的檢修基地不僅負責全部配屬車輛的運營、停放、洗刷消毒、列檢、周月檢、換輪、定臨修、大架修、設備機具維護、救援等保養(yǎng)工作，而且還設置有培訓中心，負責全網(wǎng)職工入職培訓及再教育。配備的專業(yè)作業(yè)設備一般為救援拖車、叉車、天車（10 t+10 t）、托盤式推車、輪胎升降車和電動舉升車等。

由于智軌電車轉(zhuǎn)彎半徑小且檢修維護相對比較簡單，ART的檢修基地規(guī)模相對較小。圖32為一個6列位三編組智軌電車的檢修基地，占地面積約為4 500 m2。

圖32 6列位三編組智軌電車檢修基地示意Fig.32 Schematic diagram of the depot with 6 parking spaces for 3-module autonomous-rail rapid tram

5 應用現(xiàn)狀

從2017年發(fā)布以來，ART已在多個城市得到了應用，如在湖南省株洲市已經(jīng)建成了3 km長的示范線——智軌A1線，在江西省永修縣建成了4 km長的示范線。2019年12月全球首條ART運營線——宜賓智軌T1線在四川省宜賓市投入商業(yè)運營。

宜賓市智軌交通T1線（圖33）主線全長約16.1 km，線路起自成貴宜賓西站，止于企業(yè)服務中心站，共設站14 座，均為地面站，平均站間距約 1.1 km，其中地面線約 15.7 km，高架線路長約0.4 km；支線全長約 1.6 km，設站2座，均為地面站，站間距約1.2 km，線路起自主線長翠路站，止于崢嶸路南側(cè)的白酒學院附近，串聯(lián)起臨港大學城與T1線主線。

圖33 宜賓智軌T1線線路概況Fig. 33 Yibin ART T1 line pro fi le

宜賓市智軌交通T1線過長江大橋，穿越老城區(qū)，覆蓋了城市發(fā)展主要客流走廊，從2019年3月29日至12月31日，累計試運行278天，共運行智軌列車13 910對，累計運行31.28萬列公里。全線開通后，T1線路設置車輛最高運行速度55 km/h，正線全程耗時約40 min，平均旅行速度為24.8 km/h左右，相較宜賓傳統(tǒng)公交線路的13 km/h的旅行速度，全程耗時節(jié)約25 min；列車運行圖（時刻表）兌現(xiàn)率98.8%、發(fā)車正點率98.3%。ART的大運量、舒適、準時、快速等特點已得到廣大市民廣泛認可。該線路開通試運營以來，平均日客流量達到1.3萬人/天。

6 結(jié)語

ART屬于以地面運行為主的中低運量城市交通新制式，其已呈現(xiàn)以下特點：

（1）系統(tǒng)簡潔、成本低。因無需鋪設鋼軌，對道路破壞性??；整車質(zhì)量輕，單軸承載低，借用既有路面，無需對橋梁進行結(jié)構(gòu)加強；同時可借助現(xiàn)有的道路交通管理系統(tǒng)，使運輸?shù)缆飞系男盘栂到y(tǒng)無需大規(guī)模改造。

（2）基礎建設周期短。以繪制地面標志線代替鋼軌鋪設，施工期短；可借用城市現(xiàn)有道路運營，縮短了道路規(guī)劃、拆遷和建設周期，預計從項目立項到全部運力上線僅需12個月。

（3）運營靈活、適應性強。其無需鋪設鋼軌與供電線網(wǎng)，可采用共享路權(quán)方式，運營線路布置靈活；發(fā)生交通事故或嚴重擁堵時，可以臨時授權(quán)繞道行駛，調(diào)度靈活；轉(zhuǎn)彎半徑小，雙向行駛，可以在老城區(qū)相對狹窄的道路運行。

為適應我國廣泛的城市特征和交通需求，智能軌道快運系統(tǒng)提供了新的解決方案。后續(xù)我們將通過融合邊緣計算、云計算、5G通信、智能傳感等新技術(shù)，在全天候智能駕駛、無線編隊控制等方面持續(xù)升級智軌電車及其機電系統(tǒng)技術(shù)，建立其規(guī)劃、建設、運營方面的標準體系；規(guī)范運營管理模式，探索投資建設及盈利模式，深入研究交通規(guī)劃及融合方案，最終構(gòu)筑起以ART為主體的地面綜合交通體系。