首次曝光！智能无轨列车的技术架构

近20年来，随着国家人口的增长，汽车增长极其迅速，但城市道路面积的提升速度是赶不上汽车的提升速度，城市拥堵已经成为严重交通问题。随着科技的发展，轨道技术的完善，轨道交通成为了解决拥堵问题的一种主要手段。因为轨道交通具有运量大、快速准点、节能环保、安全舒适这么一个特点，成为各大中城市骨干网络。然而很多二三线城市现在并没有修建地铁，众多无法修建地铁的二三线城市需要中运量作为骨干，目前有50个城市规划了中运量轨道交通项目，总里程近6000公里，投资近万亿。而我国轨道交通制式以地铁为主2016年统计数据显示，只有13个城市采用了中运量轨道交通系统，77%的轨道交通运营里程为大运量的地铁，其它形式的轨道交通运营里程仅占23%，因此中运量交通系统没有得到应有的发展与运用。

　　现在有轨列车成为了中运量的主力，但是列车的建设周期很长，成本也很高，无论是地铁还是有轨列车，灵活性也相对差一点。基于这么一个现状，中车株洲所跨界创新了一种新型中运量城市公共交通解决方案—智能轨道快运系统（简称“智轨”），充分吸收了中运量轨道交通准时、运量大、节能环保和传统公交运营灵活、综合成本低等优势。

整个研发系统是2010年提出的概念，2015年出来了样机，2016年工程化的样车，2017年全球首发，在株洲也建立了一条铁列线。
　　传统的轨道交通有供电、车站、车辆、有型轨道、运控中心和检控中心这六大部分组成。而智轨列车或者智轨系统从供电、车站、运动、检修这四个方面来说跟传统轨道交通几乎是完全一样的。但是在中间，在车和轨道这里发生了一个巨大的变化，它取消了实体的轨道，采用了虚拟的轨道，在现有的马路上面进行有限的改造，就能够实现这些功能，这个车目前是“两动一拖”的编组列车，这个车是采用胶轮的，它一次性可以运载300多人，极大地增加了运量。智轨快运系统是具备“主动防护”功能的“智轨列车”，通过“智轨控制”在“路径感知”的“虚拟轨道”上运营，并融合“智能运控”实现的安全、高效、绿色的中运量交通系统。

智能轨道快运列车的具体参数如表格1所示。

　　智能轨道快运列车的关键子系统主要有车身系统、走行系统、控制系统、网络系统、牵引系统、辅助系统、旅客系统、自动系统、储能系统，车身是采用的高强度钢、铝合金，车体的结构设计寿命大于30年。
　　1. 车身系统
　　智能轨道快运列车车身采用高强钢、铝合金材料，依据BS EN 12663-2010计算了23种工况下的仿真分析，满足强度和疲劳要求，车体的结构设计寿命大于30年。
　　2. 走行系统
　　列车的走行系统列车的核心系统，智轨的走行系统如图1所示，它有动力的转向架，有非动力的转向架，这个与传统的公交大巴有着明显的区别，与轨道交通有着相似的特点。

图 1 智轨走行系统

　　由图可以看出，车辆的第一轴和第六轴是动力的转向架，第二轴和第五轴是非动力的转向架，轮胎采用航空级的轮胎，因为承载客流有这么大，它的重量也比较大一点，所以说这个轮胎也要有点区别，动力的转向架可承载9000斤，非动力的转向架可承载8500公斤。
　　3. 控制系统
　　智能轨道列车的控制系统采取智能控制系统。智能驾驶根据运控中心下发的运营计划等信息，综合环境感知获得的安全防护信息，控制车辆状态，下发路径感知指令，识别虚拟轨道，使头车头轴吻合运营路径实现自动循迹。依据运营路径与车身姿态，通过轨迹跟随实现多轴协同控制，依托单轴自主导向安全、快速的调整单轴方向实现车辆在虚拟轨道下的类轨道行驶。图2是控制系统的流程示意图。

图 2 控制系统流程图

　　智能轨道列车的控制系统利用图像识别、电子地图、激光检测、惯性/卫星导航等多维感知技术手段，对路径标识进行分离、检测、识别，然后提取路径特征点进行数据拟合，感知虚拟轨迹线。在轨道不清晰的时候，有一个自动循迹的功能，自动感知路径，使得头车沿着感知的路径来运行。同时，列控系统还包括了轨迹跟随控制：在列车上安装惯性、角度传感器等多种传感装置，采集车辆的姿态与坐标以确保前进方向上各轴的轨迹与头车头轴轨迹完全重合为目标，实时计算各轴转向指令由设计的“无轨导向系统”执行转向指令，实现列车各轴协同转向。
　　智轨控制系统还包含自主导向系统，主要由电机、泵、蓄能器、比例阀、控制器、传感器、液压油缸、以及其他集成阀块与管路组成，具体见图3所示。

自主导向系统可以实现对控制器、泵站、比例阀等关键部件的冗余设计，当部件出现异常情况，系统能够自动切入后备系统，确保车辆的安全行驶。其导向控制器通过德国T?V功能安全认证。

对于列车的主动安防方面，智轨列车控制系统主要是基于视频监控、图像和激光雷达路面或路旁识别、定位导航技术等环境感知及定位获得的侵入防护、侧向防护以及系统完整性监督等安全防护信息。同时，对外实现安全警示，如声音驱逐报警、侵入车道违章拍照；对内实现车辆安全防护，如车辆偏离预警、防碰撞预警、周界视频监控以及超速防护等。具体示意如图4所示。

图 4 列车安防示意图

4. 网络系统
　　智轨列车的通信与信息服务网（TCSN）遵循IEC61375国际标准，采用实时以太网技术、快速交换技术网络系统分为列车控制网与信息服务网：列车控制网用于传输列车控制指令、诊断数据等，具有100Mbps带宽；信息服务网用于服务数据的传输，具有1000Mbps带宽。具体拓扑图如图5所示。

图 5 列车网络控制拓扑图

智轨列车的网络系统是基于实时以太网的DTECS平台，比传统WTB/MVB平台能提供更高速、更高带宽的数据传输，在列车的任意一点都可以通过以太网对设备进行监视和维护；还支持多媒体数据和无线通信。同时，它也提供了统一的1000M带宽信息高速公路，它支持控制和多媒体业务一体化融合，可以安全可靠地同时提供多种服务，可以支持列车实时数据协议，提供安全、高性能的车上数据获取、传输、处理的基础设施，后续可拓展基于大数据的设备故障预警、寿命预计、健康管理、状态修支持等更多增值功能，提升运营质量，提供更好的用户体验(监视、智能诊断、智能维护、远程维护等)，提高了系统运用效率，降低总体成本。
　　5. 辅助系统
　　辅助系统主要是辅助电源，辅助电源由四组三合一两路独立的DC/AC逆变器和一路独立的DC/DC充电机集成而成，分别为交流负载与直流负载提供稳定电源。同时，系统具有扩展供电功能，保证关键负载能够冗余正常工作，LC滤波电路将DC/AC逆变器的PWM波虑成平滑的正弦波，降低负载噪声与干扰； 交流负载包括两台3KW空压机与六台3KW的油泵电机；直流负载为总功率9KW的车载弱电设备。
　　6. 牵引系统
　　牵引系统采用的是永磁同步的牵引系统，它的系统效率就比较高，因为前后都有两个车，动力车，在坏了一个电机的情况下，可以满足在满载的时候达到20%的速度，在空载的时候有10%的爬坡能力。
　　7. 储能系统
　　智能轨道快运系统的储能系统满足大功率充放电、低重量、长使用寿命、高安全及环境适应性强等需求，选用高功率型磷酸铁锂电芯，总电量配备236.7kwh储能系统。
　　8. 信号系统
　　智能轨道快运系统的信号系统，与传统的轨道交通相比，会较为简单。它主要是为了防止操作，防止一些冲突和防止一些退行的保护，减少一些路口的延误，包括提高行车的速度。它主要包括调度管理系统、路口信号优先控制系统、移动路权系统、车载信号系统、虚拟进路控制系统，确保智轨快运系统的安全性和运营效率。
　　9. 通信系统
　　智能轨道快运系统的通信系统，包括了有线传输系统、综合无线通信系统、乘客信息系统、视频监控系统、广播系统，紧急呼叫系统以及时钟系统。
　　10. 站台
　　智轨系统的车站分岛式车站和侧式车站两种形式，其中侧式站台车站又分为标准侧式站台车站和分离岛式站台车站。岛式车站一般设置于道路条件较好的道路路段，乘客需采用人行天桥系统过街。而标准侧式站台车站一般设置于道路条件较差、站间距较大的地段，乘客需通过斑马线、人行天桥或地下过道连接两站台及道路两侧错位侧式站台一般设置于道路条件较好的道路路口处，乘客需通过斑马线、人行天桥或地下过道连接两站台及道路两侧
　　11. 车站段
　　车辆段负责全部配属车辆的运用、停放、洗刷消毒、列检、周月检、换轮、定临修、大架修、设备机具维护、救援等保养工作。同时，需要负责停保场的行政管理和技术管理，场内设培训中心，负责全网职工入职培训及再教育。

智轨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。 智轨系统作为一种新型中运量交通系统产业，将带动相关配套产业发展，形成机械、通信信号、电机电气、电控、电池、土建工程等一整套产业链。

　　总的来说，智轨系统的推出主要是为了解决建设周期短、基础设施投入也比较小，适应性比较强、综合运力又不损失，主要为中运量的二三线，或者三四线城市提供一种轨道交通的解决方案。到目前为止，在株洲有一条轨道列车运行线，也有一些城市想要快速推进这个系统。