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中国中车成功研发全球首列虚拟轨道列车

来源:中车株洲所 作者: 发布时间: 2017-06-02


  一提到城市轨道交通,很多人就会联想到长长的轨道,有没有一种既保持像轨道列车大载客量优势,又不需要建造专有钢轨,又能像公交车灵活穿行的城市交通工具呢?答案是肯定的。2017年6月2日,由中车株洲电力机车研究所有限公司(以下简称中车株洲所)研制的一种名为“智能轨道快运系统(Autonomous rail Rapid Transit—ART)”(以下简称“智轨”)的全新交通产品在株洲首次亮相,这种融合了现代有轨电车和公共汽车各自优势的新型交通工具属于跨界之作,它颠覆了人们对于城市交通的传统认识,为解决大中城市出行难带来了新的选择和体验。 

  同期,株洲市人民政府宣布,由株洲市汇聚各方资源和力量,为智轨列车量身定做的全国首条智能轨道快运系统示范线路也将正式进入实质规划阶段,根据规划目标,该条示范线有望在2018年投入商业运营,这将大大保持和提升株洲市在全国轨道交通领域的地位,为株洲市打造智慧城市添上浓墨重彩的一笔。

株洲市委副书记、市人民政府党组书记、市长阳卫国介绍全球首条ART线路规划情况

  智轨列车看似无轨,实则有“轨”,只不过采用了中车株洲所创新团队自主研发的“虚拟轨道跟随控制”技术。简单来说,它通过车载各类传感器识别路面虚拟轨道线路,将运行信息传送至列车“大脑”(中央控制单元),根据“大脑”的指令,在保证列车实现牵引、制动、转向等正常动作的同时,能够精准控制列车行驶在既定“虚拟轨迹”上,实现智能运行。

  智轨列车长达30多米,绝对是马路上的“巨无霸”,但它却是一个灵活的“胖子”。奥秘在于列车采用了多轴转向系统等设计方式,智能对虚拟轨迹进行跟踪控制。使整台列车转弯半径与普通公交车相当,且比普通公交车辆的通道宽度更小,这就解决了超长车身带来的转弯难题。同时,智轨列车采用类似高铁的双车头设计,省却了掉头的麻烦。

  与现代有轨电车相比,智轨列车设计最高时速同样为70公里,但因为不依赖钢轨行驶,一条运行线的建设周期仅需一年,能快速投入使用。另外,智轨列车还具有轻轨、地铁等轨道列车的零排放、无污染的特性,并支持多种供电方式。

  此外,由于采用高铁柔性编组的模式,智轨列车还能根据客流变化调节运力,比如采用标准的3节编组时,列车可载客超过300人,5节编组时可载客超过500人,能有效解决普通公交车载客量小的缺陷,大大提高运力。

  中车株洲所副总经理、总工程师,智轨列车项目组组长冯江华博士介绍,以智轨列车为核心运载工具的智能轨道快运系统具有建设周期短、基础设施投资小、城市适应性高、综合运力强等优势特点,是兼顾运能与投资的中运量轨道交通系统解决方案。

中车株洲所副总经理、总工程师,智轨列车项目组组长冯江华博士介绍ART技术与产业特点

  冯江华为记者算了一笔账,目前,我国地铁造价约为4-7亿元/公里,现代有轨电车线路造价约为1.5-2亿元/公里,而“智轨”在与现代有轨电车运力相同的情况下,只需简单的道路改造就能投入使用,整体线路的投资约为现代有轨电车的1/5。也就是说,与现代有轨电车相比,建设一条10公里的线路,“智轨”至少能节省10亿元以上。可以说在成本上具有绝对优势。

  根据统计,到2020年,随着城镇化进程的发展,全国将新增约80个百万人口以上的地级市,但在整体城镇化进程中,80%的中小城市因无法承受现有轨道交通装备高昂的建设成本和漫长的建设周期,使用传统的公共交通,导致城市拥堵“城市病”。为解决中运量交通的问题,需规划建设总里程近8000公里的运量交通线路,总投资逾万亿元,市场潜力巨大。

  而“智轨”,就是为解决“城市病”量身订做的。它既能作为一线城市大运轨道交通的补充,也可作为二三线城市的客运主体,还能承担新区到新区、中心到旅游区等特点线路的运输,并能与现有的公共交通系统充分结合,打造地下、地面和空中的立体化交通网络,为解决现代城市交通运输难题提供全新的解决方式。

 

解码智能轨道快运系统(ART)

——ART发布仪式媒体背景材料

 

一、现代城市公共交通体系

随着城市现代化的发展,公共交通事业,无论是客运量的发展,还是线路的发展,都已经达到了空前阶段。目前,交通拥堵现象不仅广泛存在我国的大城市中,也已蔓延到中小城市,同时,交通排放污染日益严重,给老百姓的身体健康和正常生活带来了很大的困扰,也成为了一种社会问题。

所谓现代化城市公共交通体系,是指适应经济社会发展和公众出行需要,与城市功能和城市形象相匹配的公共交通体系,其特点和要求是群众出行满意、行业发展可持续。

根据交通公布的《城市公共交通“十三五”发展纲要》要求,到2020年,我国要初步建成适应全面建成小康社会的城市公共交通体系。

从乘坐工具来说,现代城市公共交通系统主要由地铁、轻轨、磁悬浮、有轨电车,各种型号的公交大巴等。

 

二、ART基本情况

智能轨道快运系统(Autonomous-railRapid Transit,简称ART),是中车株洲电力机车研究所有限公司全球首创的一种采用虚拟轨迹跟随和高效电传动技术的轨道交通运输系统。是现代有轨列车的一种全新的技术形式,具有项目建设周期短、基础设施投资小、调配灵活的特点,是兼顾了运能与成本的新型中运量轨道交通系统解决方案。

智能轨道快运列车(简称“智轨列车”)是ART的运载工具,是由中车株洲所自主研制的一种创新型现代城市低地板电车。与现代有轨电车相比,该车采用胶轮承载,取代了传统的钢轮钢轨,因此不需要铺设专有的物理轨道,通过公司自主研发的全球独有的轨迹跟随控制技术,控制车辆在虚拟轨道上智能导向,同时依靠特定的信号控制技术对列车在虚拟轨道行进进行约束,提高安全性。

智能轨道快运列车采用轨迹跟随、低地板和高效电传动技术,集合了有轨电车无污染,速度快、大运量的特点,又吸收了传统公交客车运营灵活,建设投入小等优势;具有综合运力强、建设周期短等优越性,具有良好的发展前景。

中车株洲所是从2013年开始ART系统研究的。此次展示的智能轨道快运列车为三节编组,长31.64米,宽2.65米,高3.4米。列车可以双向行驶,最大载客人数为307人,满载重量为48吨,最高运行速度为70公里/时;车辆采用低地板结构(小于330mm)方便乘客上下车。智能轨道快运列车选用动力电池供电,使用快充钛酸锂电池,总配电度数为170度,满载工况电耗为4度/公里,具有行驶超过40公里的能力。10分钟充电,可满载续航25公里。

 

三、智能轨道快运列车的适应性

在行进中,由于采用轨迹跟随控制技术,智能轨道快运列车第一轴沿路面的双点标线(也就是虚拟轨道)前进,后面五轴使用控制算法跟随第一轴前进,在行进中尽量使各轴行进轨迹重合。经过弯道时,列车与路沿始终保持着固定的距离,其前进的形式与有轨电车一致。

列车的最小转弯半径为15米。当列车在转弯半径15米的弯道上运行时,12米大巴的通道宽度为5.8米,而智能轨道快运列车为3.83米,这样的转弯性能表明车辆具有很好的灵活性,可以在大多数的城市道路上通行。

经过十字路口时,通过对信号灯的控制来实现交叉路口优先通行。同时通过采用轨道车辆的通信信号系统来实现车辆调度、到站、发车信息等的控制。

线路中可根据运营里程配置充电站,在20km以内的线路中推荐采用首末站充电,降低建设成本。


四、轨迹跟随控制技术

“轨迹跟随控制技术”是智能轨道快运列车的核心技术,具体是指:通过在车辆上安装惯性传感器或角度传感器等传感器来检测车辆的姿态、坐标等信息,增加前进方向上后车轮与前轮的轨迹重合率,减小转向“内轮差”,降低“视线死角”带来的影响;从而保障其整体通过性和转向性能。

“轨迹跟随控制技术”在车辆中依托“多轴转向系统”来实现,由于该技术的存在,智能轨道快运列车降低了因车身变长造成的事故率,且确保了整体通过性能的前提下提升整体运输能力。

 

五、智能轨道快运列车的比较优势

1、技术方面:

灵活可控:一是行驶灵活,采用了“轨迹跟随控制技术”,在保证与一般有轨电车同等的载客量的同时,可根据道路实际情况灵活行驶。

节能环保:标准配置采用电池方式供电,并支持多种供电方式,每次充电时间为10分钟,续航里程最高可达25公里,由于采用胶轮模式,噪音比之金属轮轨摩擦大大较低,车内噪音小于70分贝。

其它优势:采用100%低地板,由于采用橡胶车轮,爬坡能力高达13%,远高于传统的有轨电车的6%的爬坡。

2、运营方面:

运量较大:由于其编组灵活,可根据不同线路(中心区和新城区)、不同时段(比如早高峰期间)的具体运营情况进行灵活调控。通常3节编组的载客量可超过300人,与同区段的有轨电车大致相同。如果采用5节编组,则可超过500人。

适应性强:在大城市,可以作为轨道交通多元化、立体护体系的重要补充。在小城市作为交通骨干,在旅游风景区,承担特定区域交通运输的工具。

建设成本低:见后文详细介绍。

ART在整个城市交通运输系统中的位置与整体比较详见下表:

 

成本

运量

工期

适应性

快捷

轻轨地铁

不强

磁浮

较大

较长

不强

现代

有轨

列车

普通有轨电车

适中

适中

适中

一般

较快

单轨胶轮列车

适中

适中

适中

一般

较快

ART

适中

较快

BRT系统

(单铰接、双铰接)

适中偏低

一般

一般

 

六、智能轨道快运列车的成本优势

与现有的有轨列车相比,智轨列车在成本上具有绝对优势。目前,我国地铁造价约为4-7亿元/公里,现代有轨电车线路造价约为1.5-2亿元/公里,而“智轨”在与现代有轨电车运力相同的情况下,只需简单的道路改造就能投入使用,整体线路的投资约为现代有轨电车的1/5。也就是说,与现代有轨电车相比,建设一条10公里的线路, 智轨列车至少能节省10亿元以上。可以说在成本上具有绝对优势。与地铁、轻轨、磁悬浮等交通工具相比,后者虽然运输力强大,但其建设成本巨大。随着城市的扩大,成本也越来越高。公开资料显示,北京地铁4号线全长28.14公里,总投资145多亿元,到了北京地铁16号线,每公里成本已经超过10亿元。高昂的建设成本对于大城市来说成为巨大的财政负担,对于中小城市不能广泛应用;与有轨电车、新能源BRT系统等来说,尽管后者建设成本较低,但需要专门的电力系统和专有道路配合设计,维护成本相对较大,且易受制于运行环境,不能较好较快的调配线路;与传统公交系统相比,后者运输能力限制等实际情况,无法满足城市早晚运输高峰阶段需求。

综上所述,智能轨道快运列车的出现,在人们的公共出行需求与城市交通系统运力不足的矛盾日益突出的今天,提供了较为完美的出行选择。其既集合了有轨电车无污染、速度快、大运量的优势,又吸收了传统公交客车运营灵活、投入较低等优势,具有综合运力强、建设周期短、维护成本低等优越性。既可以作为综合化、立体化交通解决方案的补充,也能够作为地区交通解决方案的骨干,具有良好的发展前景。

 

七、智能轨道快运列车主要应用于哪些市场

1、作为大运量轨道交通系统的补充、加密及接驳

布局在已有地铁或轻轨的大型城市,作为立体交通解决方案的一种,对现有轨道交通系统与传统公交系统进行接驳和补充。

2、承担城市客运系统的主体

在中小城市或部分新兴城区,则可以承担交通解决方案的主体,即美观又能够提供有效的运力。ART所具有的大运量及优秀的城市适应性保障了其能够成为中小城市的交通主要解决方案。

3、城市特定功能区或特定走廊客运系统的骨干

●承担城市新区与新区之间、中心与旅游区之间等特点线路的运输。

●可以作为城市标志化运输工具而进行特定区域的交通运输。

●在大型工业园区内部、景区旅游观光线路上可以用来进行大容量、高频次的人力接送和运输。

 

八、没有轨道,如何保障智能轨道快运列车车辆安全

1.虽然没有钢轨之类的物理轨道,但智能轨道快运列车有虚拟轨道进行导向,沿固定线路行驶;

2.采用视觉系统与信号系统融合,运用无轨导向系统确保车辆按虚拟轨道行驶;

3.如果车辆在未授权偏离虚拟轨道,车辆将通过技术手段限制车辆的运行,如:封锁动力、紧急制动等。

4.如有外部物体侵入车辆限界,周界监控系统按实际需要进行报警提醒,同时采用技术手段避免事故发生,如封锁动力、紧急制动等。

5.关键安全设备采用双冗余设计,提高车辆安全性及可靠性。


九、与BRT相比,智能轨道快运列车有什么优势

 1. 智能轨道快运列车由于其较大的运量,高峰期的疏散能力较BRT强;

2. 现有新能源公交的使用寿命仅为6-8年,智能轨道快运列车使用寿命达25年,是公交车的3-4倍;

3. 智能轨道快运列车采用双向行驶,不需要掉头,方便深入市中心与其他交通制式进行接驳。

4.综合运能强于BRT详见下表:

系统

载客量

理论最小发车间隔(/S)

理论系统运能(人/小时)

ART

3节编组

307

60

18420

BRT

12米车

80

30

9600

18米铰接

120

30

14400

25米双铰接

200

45

16000

 

十、未来智能轨道快运列车的新技术

●非物理接触无线重联技术让编组更灵活

●智慧车辆让乘客更舒适

●全自动驾驶让行车更安全

●大数据集成与分析智能控制系统让运营更高效

 

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