(本文刊發(fā)于《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》2017年第24期)

中車(chē)株洲所研發(fā)的全球首列虛擬軌道列車(chē)。《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》記者 李永華I 攝

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

　　中國(guó)工程院院士、中車(chē)株洲所董事長(zhǎng)丁榮軍介紹，這種正式名稱為智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)(ART 系統(tǒng)，下稱“智軌列車(chē)”)的全新產(chǎn)品，集成了虛擬軌際跟隨、永磁驅(qū)動(dòng)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(chē)長(zhǎng)達(dá)30多米，最多可乘坐300多人，雖然路面沒(méi)有實(shí)體軌道，整列車(chē)卻沿著一條虛擬的軌道前行，就像是一列開(kāi)在路面的地鐵，現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)頗為震撼。

　　一個(gè)項(xiàng)目申請(qǐng)30多個(gè)專利

　　中車(chē)株洲所副總經(jīng)理、總工程師馮江華告訴《中國(guó)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(chē)、公交車(chē)、BRT(快速公交系統(tǒng))等。地鐵和輕軌雖然運(yùn)力強(qiáng)，但建設(shè)成本巨大。公開(kāi)資料顯示，北京地鐵16號(hào)線，每公里成本已經(jīng)超過(guò)10億元。如此高昂的成本，給地方政府帶來(lái)極大的財(cái)政壓力，中小城市更是望而卻步。

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

　　馮江華介紹，從2013年開(kāi)始，株洲所意識(shí)到，亟須探索一種經(jīng)濟(jì)、綠色的新型公共交通工具，來(lái)解決中小城市公共交通方式中存在的運(yùn)輸力差、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本高、線路調(diào)配不便三個(gè)“老大難”問(wèn)題，化解我國(guó)快速發(fā)展的城市化帶來(lái)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(shí)又實(shí)現(xiàn)物理軌道的主要優(yōu)勢(shì)？一種沒(méi)有軌道卻能像軌道交通車(chē)輛運(yùn)行的虛擬軌道車(chē)輛概念在馮江華的腦海中浮現(xiàn)。

　　2013年5月，虛擬軌道車(chē)輛項(xiàng)目正式啟動(dòng)。時(shí)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(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，株洲所只能單打獨(dú)斗，從最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)算法開(kāi)始探索，一步步攻克所遇到的各種難題。“可以說(shuō)，這是一場(chǎng)挑戰(zhàn)科技尖峰的大會(huì)戰(zhàn)。”

　　2015年底，從最初的車(chē)體輕量化設(shè)計(jì)，到后來(lái)融入了雙向行駛、多軸轉(zhuǎn)向與軌跡跟隨技術(shù)，中車(chē)株洲所完成車(chē)輛的整車(chē)制造及軌跡跟隨系統(tǒng)相關(guān)調(diào)試工作，實(shí)現(xiàn)了35米軌跡跟隨列車(chē)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(yùn)列車(chē)工程樣車(chē)的研制。樣車(chē)采用復(fù)合材料和鋁合金車(chē)身結(jié)構(gòu)，液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)，減重30%，體積縮小30%，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

　　“我們搶占了多個(gè)前沿技術(shù)高地。”中車(chē)株洲所研究院基礎(chǔ)與平臺(tái)研發(fā)中心主任許峻峰表示，中車(chē)株洲所研發(fā)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)多網(wǎng)融合實(shí)時(shí)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)工程樣車(chē)傳動(dòng)控制與網(wǎng)絡(luò)控制功能融合，并且還突破無(wú)軌導(dǎo)向控制、無(wú)人駕駛、雙源雙充高可靠?jī)?chǔ)能系統(tǒng)、低地板全鋁車(chē)身系統(tǒng)集成等5項(xiàng)核心技術(shù)。

　　基于該項(xiàng)目，中車(chē)株洲所申請(qǐng)了軌跡跟隨控制策略、整車(chē)設(shè)計(jì)制造和系統(tǒng)集成技術(shù)等30余項(xiàng)專利。

　　充電10分鐘可行駛25公里

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

　　最為引人注目的技術(shù)，無(wú)疑是“虛擬軌道跟隨控制”技術(shù)。資料顯示，它通過(guò)車(chē)載各類傳感器識(shí)別路面虛擬軌道線路，將運(yùn)行信息傳送至列車(chē)“大腦”(中央控制單元)，根據(jù)“大腦”的指令，保證列車(chē)完成牽引、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等正常動(dòng)作，精準(zhǔn)控制列車(chē)行駛在既定“虛擬軌跡”上，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)行。

　　馮江華解釋，相對(duì)于有軌道的列車(chē)，“虛擬軌道跟隨控制”是一種柔性控制技術(shù)，“就像甩動(dòng)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(guò)10厘米，這就能夠降低因車(chē)身變長(zhǎng)造成的事故率，既確保整體通過(guò)性能，又提升整體運(yùn)輸能力。”

　　在對(duì)比試驗(yàn)中，依靠虛擬軌道跟隨技術(shù)，虛擬軌道列車(chē)比傳統(tǒng)的12米公交車(chē)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(yùn)行時(shí)，12米大巴的通道寬度為5.8米，而虛擬軌道列車(chē)為3.83米。在彎道遇到需要倒車(chē)的情況時(shí)，公交車(chē)司機(jī)只能小心翼翼地倒車(chē)。虛擬軌道列車(chē)卻采用與高鐵列車(chē)一樣的雙車(chē)頭設(shè)計(jì)，司機(jī)直接走到反方向的車(chē)頭就可將列車(chē)開(kāi)出去。這意味著，凡是公交車(chē)可以通過(guò)的地方，虛擬軌道列車(chē)都可以運(yùn)行。

　　無(wú)人駕駛技術(shù)是虛擬軌道列車(chē)的又一亮點(diǎn)。在虛擬軌道列車(chē)運(yùn)行時(shí)，《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》記者看到，司機(jī)放開(kāi)雙手后車(chē)輛依舊沿著既定路線照常行駛。不過(guò)，馮江華也表示，盡管可以做到無(wú)人駕駛，但現(xiàn)在受制于技術(shù)之外的多種限制，無(wú)人駕駛技術(shù)更多地的提高虛擬軌道列車(chē)的安全性能，“它可以智能地感知環(huán)境，自動(dòng)分析車(chē)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(chē)安全性。”

　　牽引傳動(dòng)系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)被稱為“列車(chē)之心”，其性能在某種程度上決定了列車(chē)的動(dòng)力品質(zhì)、能耗和控制特性。2015年6月，中車(chē)株洲所研發(fā)成功永磁同步牽引系統(tǒng)，使我國(guó)成為世界上少數(shù)幾個(gè)掌握高鐵永磁牽引系統(tǒng)技術(shù)的國(guó)家之一。中國(guó)工程院院士劉友梅告訴《中國(guó)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(lái)的1/3，顯著降低了高速列車(chē)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(chē)上。同時(shí)，馮江華還介紹，虛擬軌道列車(chē)還采用了分布式動(dòng)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(chē)還用上了超級(jí)電容，是純電動(dòng)車(chē)，首末站充電，單次充電只需要10分鐘，可滿載行駛25公里。車(chē)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(chǎng)空間或高達(dá)萬(wàn)億元級(jí)別

　　中國(guó)工程院院士、中車(chē)株洲所董事長(zhǎng)丁榮軍表示，虛擬軌道列車(chē)綜合了有軌電車(chē)和公交客車(chē)的特點(diǎn)，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(yùn)力不足的矛盾日益突出的今天，虛擬軌道列車(chē)提供了較為理想的出行選擇。

　　除了黑科技云集所帶來(lái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，低成本是虛擬軌道列車(chē)的殺手锏。中車(chē)株洲所研究院基礎(chǔ)與平臺(tái)研發(fā)中心主任許峻峰告訴《中國(guó)經(jīng)濟(jì)周刊》，一輛有軌電車(chē)的價(jià)格約為2500萬(wàn)元，中車(chē)株洲所的虛擬軌道列車(chē)售價(jià)可能也將超過(guò)2000萬(wàn)元。不過(guò)，馮江華稱，與有軌電車(chē)運(yùn)力相同的情況下，虛擬軌道列車(chē)只需簡(jiǎn)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(chē)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(chē)規(guī)劃線路計(jì)算，這將是一個(gè)超萬(wàn)億元的市場(chǎng)。

　　建設(shè)時(shí)間短是虛擬軌道列車(chē)的另一大優(yōu)勢(shì)。許俊峰介紹，與現(xiàn)代有軌電車(chē)相比，因?yàn)椴恍枰佋O(shè)鋼軌，也不用架設(shè)電網(wǎng)，一條虛擬軌道列車(chē)運(yùn)行線路從啟動(dòng)規(guī)劃至開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，只需一年時(shí)間。“實(shí)際上，大部分時(shí)間是花在各種程序上，路網(wǎng)改造時(shí)間非常短。”

　　6月2日，株洲市市長(zhǎng)陽(yáng)衛(wèi)國(guó)宣布，株洲為虛擬軌道列車(chē)量身定做的全國(guó)首條智軌列車(chē)示范線路正式進(jìn)入實(shí)質(zhì)規(guī)劃階段， 線路規(guī)劃全長(zhǎng)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(duì)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(yùn)營(yíng)。

　　專家點(diǎn)評(píng)

　　中國(guó)工程院院士劉友梅：ART系統(tǒng)是中運(yùn)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(chē)輛在鋼軌上通過(guò)人工或自動(dòng)控制導(dǎo)向運(yùn)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(shí)別、衛(wèi)星定位等新技術(shù)的成熟，車(chē)輛行進(jìn)中的導(dǎo)向技術(shù)趨勢(shì)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(yùn)輸車(chē)輛可以脫離鋼軌的導(dǎo)向約束，并采用膠輪承載。

　　中車(chē)株洲所在總結(jié)國(guó)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(yùn)營(yíng)理念，即智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)(ART系統(tǒng))，它是以虛擬軌道列車(chē)為運(yùn)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(yùn)量城市軌道交通新的解決方案，同時(shí)也是中車(chē)城市軌道跨界創(chuàng)新的典范。