面向智能快速公交的M3磁浮交通系統(tǒng)

宋一鋒 林國(guó)斌

摘 要：中低速磁浮系統(tǒng)因其噪聲低、速度快、選線靈活、建造和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在城市中作為一種快速公交方式發(fā)展起來(lái)。文章首先介紹美國(guó) M3 磁浮系統(tǒng)的原理與特點(diǎn)，然后針對(duì)其面向市域便捷交通的形式（即 M3 城市磁浮系統(tǒng)）展開(kāi)分析，闡述該系統(tǒng)面向智能快速公交的特點(diǎn)及其相對(duì)于其他公交方式的優(yōu)點(diǎn)，說(shuō)明其具有滿足市域快速旅客運(yùn)輸需求、吸引自駕者向公交轉(zhuǎn)移、緩解城市交通擁堵的潛在價(jià)值。

關(guān)鍵詞：磁浮交通;M3;快速公交;智能

中圖分類號(hào)：U232

隨著軌道交通的快速發(fā)展，高速鐵路、地鐵、輕軌等公共交通方式支撐和推動(dòng)著城市的運(yùn)轉(zhuǎn)。高速鐵路面向城際（主要為長(zhǎng)途）客流運(yùn)輸，地鐵、輕軌面向城市內(nèi)部客流運(yùn)輸。然而，市域銜接一直以來(lái)是城市交通的薄弱環(huán)節(jié)，困擾著眾多居住于市郊、工作于市中心的上班族。為滿足市域快速旅客運(yùn)輸?shù)男枨?，?guó)內(nèi)外許多研發(fā)團(tuán)隊(duì)正致力于開(kāi)發(fā)中低速磁浮系統(tǒng)，以提供一種旅行速度高于自駕車且更加快捷、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的公交制式，吸引自駕車通勤人員向公交轉(zhuǎn)移，從而提升城市交通的整體效能，減少交通擁堵和排放污染。其中，美國(guó)開(kāi)發(fā)的M3磁浮技術(shù)和原理樣機(jī)具有突出的特色，其編組靈活，運(yùn)行噪聲低，能耗低，無(wú)接觸供電，可全自動(dòng)運(yùn)行，有開(kāi)發(fā)為環(huán)保、智能、快速公交的潛在價(jià)值。

1 M3 磁浮系統(tǒng)

1.1 原理

M3磁浮系統(tǒng)采用永磁與電磁混合懸浮技術(shù)和長(zhǎng)定子直線驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)車輛在任何速度（即速度為0～最高運(yùn)行速度）下的懸浮，并通過(guò)軌道兩側(cè)下部的同步直線電機(jī)長(zhǎng)定子（包括驅(qū)動(dòng)繞組與內(nèi)部鐵芯）與車上安裝的混合磁體的相互作用驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行。

M3磁浮系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理如圖1所示。單節(jié)列車由若干個(gè)懸浮架支撐，懸浮架與車體直接連通，安裝在懸浮架上的混合磁體（即永磁和電磁混合磁體）用作直線電機(jī)的勵(lì)磁磁極。在驅(qū)動(dòng)繞組中通入可調(diào)頻調(diào)壓的三相交流電后，會(huì)產(chǎn)生沿軌道縱向移動(dòng)的磁場(chǎng)，此移動(dòng)磁場(chǎng)與混合磁體相互作用，驅(qū)動(dòng)車輛向前或向后直線運(yùn)動(dòng)。

車輛懸浮的原理如圖2a所示。通過(guò)調(diào)節(jié)懸浮架上混合磁體中電磁鐵勵(lì)磁線圈的電流控制懸浮間隙，使混合磁體和軌道相互作用所產(chǎn)生的磁力與車輛自重和有效載重達(dá)到平衡，從而最大限度地減小懸浮能耗;車輛載重較大時(shí)減小懸浮間隙，載重較小或空載時(shí)增大懸浮間隙。

車輛的導(dǎo)向原理如圖2b所示。單個(gè)懸浮架的每側(cè)各有4個(gè)混合磁體，它們橫向錯(cuò)位排列，第1個(gè)和第4個(gè)對(duì)齊，中間2個(gè)對(duì)齊，而且中間2個(gè)與第1、第 4個(gè)之間留有一定的偏移量。在M3磁浮系統(tǒng)中，車輛的橫向擺動(dòng)可通過(guò)調(diào)節(jié)第1、第4個(gè)磁體與中間2個(gè)磁體中電流的比例進(jìn)行反饋控制。車輛將會(huì)向電流較高的磁極方向移動(dòng)。因此，僅用1 組磁體即可實(shí)現(xiàn)懸浮和導(dǎo)向。

1.2 特點(diǎn)

M3磁浮系統(tǒng)采用永磁與電磁混合懸浮技術(shù)，具有以下特點(diǎn)。

（1）懸浮間隙較大。目前投入運(yùn)營(yíng)的磁懸浮系統(tǒng)的懸浮間隙一般較小，為8～10 mm，對(duì)懸浮控制性能、軌道剛度和平順性的要求較高。M3磁浮系統(tǒng)采用永磁和電磁混合懸浮技術(shù)，將懸浮間隙增大至15～20 mm，可降低對(duì)軌道剛度和平順性的要求，有利于降低軌道成本。此外，M3磁浮系統(tǒng)可根據(jù)車輛負(fù)載的變化改變懸浮間隙，使勵(lì)磁線圈電流保持在接近0的水平，因此功耗較小，發(fā)熱也較少。在懸浮同樣質(zhì)量的情況下，M3磁浮系統(tǒng)的懸浮功耗僅約為目前投入運(yùn)營(yíng)的中低速磁浮列車的20%。

（2）懸浮、導(dǎo)向和直線驅(qū)動(dòng)功能由車上的同一套混合磁體實(shí)現(xiàn)，這是M3磁浮系統(tǒng)獨(dú)特的設(shè)計(jì)。用于懸浮的混合磁體可同時(shí)用作直線電機(jī)的轉(zhuǎn)子（勵(lì)磁磁極），以驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行;還可通過(guò)調(diào)節(jié)橫向錯(cuò)位排列磁體的懸浮電流分配差值調(diào)節(jié)導(dǎo)向力。這種設(shè)計(jì)有利于減小車輛的質(zhì)量，并降低車上設(shè)備的總能耗。

（3）車輛采用無(wú)接觸供電方式。目前投入運(yùn)營(yíng)的磁浮線路一般采用直線感應(yīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛運(yùn)行，通過(guò)將傳送到車上的直流電逆變?yōu)榭烧{(diào)壓調(diào)頻的三相交流電，為車上安裝的直線電機(jī)定子供電，使之產(chǎn)生移動(dòng)磁場(chǎng)，并與軌道上的感應(yīng)板發(fā)生相互作用，從而產(chǎn)生牽引力。由于牽引功率的轉(zhuǎn)換和控制在車上完成，因此需要使車上的受流器與軌道上的供電軌接觸，從而將電能從地面?zhèn)魉偷杰嚿?。然而，M3磁浮系統(tǒng)所采用的長(zhǎng)定子直線同步電機(jī)不需要供電軌供電，牽引功率的轉(zhuǎn)換和控制都在軌道側(cè)完成。車上空調(diào)、懸浮、照明、通信等設(shè)備所需的電能可通過(guò)感應(yīng)供電方式（非接觸）或蓄電池（在車站和車庫(kù)充電）提供。M3磁浮車輛的無(wú)接觸供電方式，有利于減小車輛運(yùn)行噪聲，降低系統(tǒng)維護(hù)成本。

2 M3 城市磁浮系統(tǒng)

M3城市磁浮系統(tǒng)是針對(duì)市域（市區(qū)到郊外鎮(zhèn)區(qū)、機(jī)場(chǎng)或高鐵車站等）便捷交通設(shè)計(jì)的磁浮系統(tǒng)，能夠以智能化的運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)市域之間的快速公交運(yùn)輸。

2.1 面向智能快速公交的特點(diǎn)

（1）列車編組靈活。M3城市磁浮列車的編組形式如圖3所示，其中圖3a中的2節(jié)編組小型列車可用于客流量較小的路段或時(shí)段，圖3b中的6節(jié)編組列車可用于客流量較大的路段或時(shí)段。在客流量較大的早晚高峰時(shí)段，用多編組列車按照固定時(shí)間和路徑運(yùn)送上下班旅客。在非高峰時(shí)段，列車可自動(dòng)解編為小型車輛，根據(jù)乘客個(gè)性化的用車需求，專送客人到達(dá)目的地。

（2）支持個(gè)人快速公交（PRT）模式。在客流量較小的非高峰時(shí)段，可依據(jù)PRT的概念，以M3城市磁浮系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用智能化、個(gè)性化的快速公交模式，即通過(guò)智能調(diào)度系統(tǒng)響應(yīng)乘客的用車指令，就近調(diào)用小型車輛（如單節(jié)車），專送客人達(dá)到目的地，也可順路帶上同一路徑上、下車的其他旅客。這一模式可以理解為自動(dòng)響應(yīng)乘客呼叫的有軌專車，在人與車的關(guān)系上，類似高樓升降電梯的運(yùn)行模式。

（3）群集、全自動(dòng)運(yùn)行，智能控制。M3城市磁浮列車采用自動(dòng)運(yùn)行控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)運(yùn)行。列車運(yùn)行控制系統(tǒng)是其運(yùn)行調(diào)度組織的核心，通過(guò)該系統(tǒng)的列車定位、測(cè)速及車地?zé)o線通信等智能化功能，控制中心能夠?qū)崟r(shí)獲取列車位置和速度相關(guān)的信息，并以此為依據(jù)對(duì)區(qū)段上列車的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)度和控制，使列車之間可以保持較小的運(yùn)行間隔，實(shí)現(xiàn)高發(fā)車頻率（大約5s發(fā) 1輛），從而縮短乘客候車時(shí)間，減少行程的平均時(shí)長(zhǎng)。列車以短站距運(yùn)行時(shí)（如典型的1 km停站），若停站時(shí)間控制在平均每站20 s（相當(dāng)于公交車的常規(guī)停站時(shí)間），最高運(yùn)行速度為25 m/s（90 km/h），加速度為1.6 m/s2，則其旅行速度為12.8 m/s（46 km/h），高于大多數(shù)公共交通系統(tǒng)的平均速度;列車以長(zhǎng)站距運(yùn)行時(shí)（如3 km以上），其最高運(yùn)行速度可提高至45m/s（160 km/h），旅行速度可以達(dá)到80 km/h以上。

2.2 優(yōu)點(diǎn)

M3城市磁浮系統(tǒng)可將軌道交通的3要素，即成本、旅行時(shí)間和對(duì)環(huán)境的影響降到最低限度。根據(jù)美國(guó)的技術(shù)評(píng)價(jià)報(bào)告，M3城市磁浮系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）建設(shè)成本低。根據(jù)美國(guó)的技術(shù)評(píng)價(jià)報(bào)告進(jìn)行數(shù)據(jù)換算可知，M3城市磁浮系統(tǒng)（單節(jié)車廂）每雙線千米的建設(shè)成本約為1.5～1.8億元人民幣（不包括用地費(fèi)用），低于其他城市軌道交通系統(tǒng)，如表1所示。然而，M3城市磁浮系統(tǒng)的建設(shè)成本與運(yùn)能相關(guān)，由于單節(jié)車廂運(yùn)能較小，因此其建設(shè)成本較低;如果按照國(guó)內(nèi)中低速磁浮系統(tǒng)的運(yùn)能設(shè)計(jì)M3城市磁浮系統(tǒng)，則其與國(guó)內(nèi)中低速磁浮系統(tǒng)的建設(shè)成本相當(dāng)。

（2）運(yùn)營(yíng)及維護(hù)費(fèi)用低。由于M3城市磁浮系統(tǒng)為全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，車輛不需要配備操作人員，系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)的人力成本較低。此外，系統(tǒng)中不包含對(duì)維護(hù)要求非常高的接觸供電磨損部件，軌道與車輛維護(hù)工作的主要內(nèi)容是檢查和更換故障件，并偶爾清潔車輛電磁鐵表面。據(jù)估算，M3城市磁浮系統(tǒng)樣機(jī)在載客率為50%、速度為80 mile/h（128.8km/h）時(shí)，能耗為100W · h/人 · mile（62.1 W · h/人 · km），遠(yuǎn)低于其他公共交通系統(tǒng)，如圖4所示。由于能耗低、所需運(yùn)營(yíng)人員少，M3城市磁浮系統(tǒng)的預(yù)測(cè)運(yùn)營(yíng)成本為0.12元/人 · km，為傳統(tǒng)公共交通系統(tǒng)的30%～50%。

（3）旅行速度高，乘客候車時(shí)間短?，F(xiàn)有的城市公交制式存在旅行速度低（地面公交速度約為20～

30km/h，地鐵、輕軌等城市軌道交通約為30～40 km/h）、乘客旅行體驗(yàn)不佳（地面公交換乘不方便，等候時(shí)間較長(zhǎng)，約為5～10 min，地鐵、輕軌等城市軌道交通在早晚高峰時(shí)異常擁擠）的缺點(diǎn)。而M3磁浮列車的最高運(yùn)行速度可達(dá)45 m/s（160 km/h），加（減）速度高達(dá)2 m/s2，從而使其旅行速度顯著提高：當(dāng)平均站間距為3km時(shí)，可達(dá)80 km/h;為5 km時(shí)，120 km/h;為10km時(shí)，150 km/h。此外，由于M3城市磁浮系統(tǒng)的車型小且為車軌側(cè)同步牽引，便于進(jìn)行車輛控制，因此其能夠?qū)崿F(xiàn)20～30 s的運(yùn)行間隔，縮短乘客的平均候車時(shí)間。列車旅行速度的提升與乘客候車時(shí)間的縮短可大大增加這種新型交通系統(tǒng)的吸引力。

（4）環(huán)境友好。由于M3城市磁浮系統(tǒng)無(wú)輪軌接觸，無(wú)傳統(tǒng)輪軌系統(tǒng)的弓網(wǎng)關(guān)系及接觸受流裝置，因此其運(yùn)行時(shí)沒(méi)有機(jī)械摩擦產(chǎn)生的噪聲，對(duì)環(huán)境影響小，適合采用高架結(jié)構(gòu)形式敷設(shè)。此外，其采用的小型列車和軌道對(duì)城市景觀影響較小。

3 結(jié)語(yǔ)

M3城市磁浮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面向市域快速交通，與地鐵、輕軌等傳統(tǒng)城市軌道交通相比，具有建設(shè)成本低、旅行速度高、旅行時(shí)間短、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，更能吸引自駕車通勤人員向其轉(zhuǎn)移，從而有效解決城市交通擁堵的問(wèn)題。

但目前的M3城市磁浮系統(tǒng)還不成熟，需要2～3 年時(shí)間建設(shè)約3 km長(zhǎng)的試驗(yàn)線（可作為預(yù)規(guī)劃線路的先行段），解決原創(chuàng)技術(shù)的引進(jìn)消化及工程化開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證等問(wèn)題。如開(kāi)發(fā)成功，M3城市磁浮系統(tǒng)將成為解決大、中城市交通擁堵的有力工具。

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收稿日期 2020-05-18

責(zé)任編輯 蘇靖棋