喻佳文，孫志明，汪彥宏

中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南株洲，412001

0 引言

超級(jí)巴士列車(chē)是一種較為新型的城市公共交通列車(chē)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市較大型的公共交通系統(tǒng)主要分化為地鐵輕軌系統(tǒng)、有軌列車(chē)和無(wú)軌列車(chē)系列。其中，地鐵輕軌系統(tǒng)對(duì)城市人口基數(shù)和財(cái)政能力有較高要求。

有軌列車(chē)作為中小運(yùn)量的軌道交通系統(tǒng)，適應(yīng)于中小型城市、工業(yè)區(qū)、科技新區(qū)等地區(qū)使用，相比地鐵輕軌系統(tǒng)投入較低，每正線(xiàn)公里約1億元～1.5億元，但仍需實(shí)施軌道工程、建設(shè)專(zhuān)用車(chē)庫(kù)、仍有一定拆遷成本。

但實(shí)際上城市普通公交車(chē)已不能很好滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)外中小型城市、工業(yè)區(qū)、科技新區(qū)的城市公共交通的出行需求，需要一種新型汽車(chē)列車(chē)為城市公共交通出行提供新的選擇。

本文解析一種新型的超級(jí)巴士列車(chē)，屬于無(wú)軌列車(chē)系列。相比小運(yùn)量的公交車(chē)產(chǎn)品，超級(jí)巴士列車(chē)具有載客量數(shù)倍的優(yōu)勢(shì)；相比有軌列車(chē)具有工程造價(jià)更低的優(yōu)點(diǎn)：每正線(xiàn)公里造價(jià)3000萬(wàn)元～5000萬(wàn)元，無(wú)需鋪設(shè)專(zhuān)有軌道、不需要拆遷、車(chē)庫(kù)占地省且簡(jiǎn)化等；且載客量接近、建設(shè)周期短（一年甚至更短），具有潛在的廣闊應(yīng)用市場(chǎng)。

1 國(guó)內(nèi)外背景

梅賽德斯奔馳推出CAPACITY L鉸接式客車(chē)，如圖1，其長(zhǎng)度達(dá)21m，其第四軸可轉(zhuǎn)向，軸重達(dá)32t。

圖1 CAPACITY L 鉸接式客車(chē)

比利時(shí)客車(chē)的24m長(zhǎng)的雙鉸接客車(chē)，采用混合動(dòng)力系統(tǒng)（柴油、電動(dòng)），應(yīng)用于梅茨市公交公司Mettis，該雙鉸式客車(chē)兼顧了一般客車(chē)的靈活和輕軌的準(zhǔn)時(shí)，為乘客提供舒適便捷的交通方式，如圖2所示。

圖2 范胡爾公司的混合動(dòng)力雙鉸式客車(chē)

德國(guó)德累斯頓的AutoTram Extra Grand 超長(zhǎng)鉸接式客車(chē)，長(zhǎng)度近31m，單向行駛，可搭載256人，如圖3所示。車(chē)輛擁有4個(gè)轉(zhuǎn)向軸使其可以更加敏捷，此外還裝備了大量的車(chē)載雷達(dá)傳感系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)，通過(guò)遍布車(chē)身的雷達(dá)探頭，可獲得車(chē)外相關(guān)信息。

圖3 AutoTram Extra Grand

目前，在我國(guó)城市道路上使用的公交客車(chē)主要有長(zhǎng)度為12m和13.7m長(zhǎng)單體客車(chē)、18m長(zhǎng)單鉸接式客車(chē)。由于一次載客人數(shù)有限，不能滿(mǎn)足不斷增加的公共交通需求，尤其是在上、下班交通高峰期，無(wú)法滿(mǎn)足短時(shí)期劇增的出行需求，為解決城市建設(shè)發(fā)展帶來(lái)的公共交通問(wèn)題，國(guó)內(nèi)在積極尋求公共交通解決方案，也推動(dòng)著鉸接式公交車(chē)的研究發(fā)展。

2008年推出了25m雙鉸接公交車(chē)JNP6250G，如圖4所示；2019年推出了27m純電動(dòng)雙鉸接大巴—k12A，該車(chē)輛創(chuàng)造了全球迄今最長(zhǎng)的純電動(dòng)大巴紀(jì)錄，如圖5所示。

圖4 2008 年青年JNP6250G 雙鉸公交車(chē)

圖5 2019 年比亞迪k12A 雙鉸客車(chē)

2017年，國(guó)內(nèi)研制了用于智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)的“智軌”公路快運(yùn)車(chē)輛，該車(chē)輛采用多鉸接編組形式，車(chē)輛全長(zhǎng)達(dá)到30多m，如圖6所示。

圖6 “智軌”車(chē)輛

2 編組形式

在中大型城市的城市公共交通線(xiàn)路前期的規(guī)劃中，普遍遇見(jiàn)較為敏感的問(wèn)題是確定合理的列車(chē)編組形式，即初期、近期、遠(yuǎn)期列車(chē)編組車(chē)輛數(shù)的確定。因其會(huì)直接影響車(chē)站和車(chē)場(chǎng)的規(guī)模、線(xiàn)路條件、系統(tǒng)運(yùn)行配合能力、投資資金規(guī)模等方面。

浙江中車(chē)電車(chē)公司2016年已成功研制18m長(zhǎng)無(wú)軌電車(chē)，為兩編組列車(chē)，編組形式為Mc+Tp，能滿(mǎn)足中低等客流量的運(yùn)營(yíng)需求，最小轉(zhuǎn)彎半徑15m。Mc——帶動(dòng)力車(chē)廂，Tp——不帶動(dòng)力車(chē)廂。

2012年，德國(guó)率先研制出身長(zhǎng)約31m的超級(jí)巴士，為三模塊編組形式，編組形式為Mc+Tp+Tp，單向行駛。該種編組形式可滿(mǎn)足中高等客流量的運(yùn)營(yíng)需求。簡(jiǎn)單的列車(chē)編組圖詳見(jiàn)圖7，該種車(chē)型可解編成兩節(jié)編組列車(chē)以滿(mǎn)足中低等客流運(yùn)量的城市需求，但礙于結(jié)構(gòu)限制，無(wú)法再進(jìn)一步擴(kuò)編，無(wú)法滿(mǎn)足更高客流量的運(yùn)營(yíng)需求。

圖7 三節(jié)編組形式

本文主要解析的超級(jí)巴士列車(chē)是一種可雙向行駛的，身長(zhǎng)約36m，四模塊編組的儲(chǔ)能式無(wú)軌列車(chē)。列車(chē)編組形式為Mc+Tp+Tp+Mc，6軸主動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，最小轉(zhuǎn)彎半徑可達(dá)12m。該種編組形式可根據(jù)不同的客運(yùn)量需求輕松變形為Mc+Tp、Mc+Tp+Tc、Mc+Tp+Mc、Mc+Tp+Tp+Tp+Mc、Mc+Tp+Tp+Tp+Tp+Mc等多種組合形式（圖8），十分靈活多變，市場(chǎng)適應(yīng)性更強(qiáng)。

圖8 汽車(chē)列車(chē)編組及部分編組變形圖

3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

3.1 環(huán)境條件

超級(jí)巴士列車(chē)須滿(mǎn)足的自然環(huán)境條件見(jiàn)表1。

表1 自然環(huán)境條件

3.2 整車(chē)技術(shù)參數(shù)

超級(jí)巴士列車(chē)的相關(guān)整車(chē)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 整車(chē)技術(shù)參數(shù)

4 公共路權(quán)運(yùn)行環(huán)境下非輪軌接觸多軸主動(dòng)導(dǎo)向循跡系統(tǒng)

該種新型的汽車(chē)列車(chē)與有軌車(chē)輛最重要的區(qū)別在于：該列車(chē)為非輪軌接觸的主動(dòng)自導(dǎo)向循跡列車(chē)，且基于公共路權(quán)。為此，公共路權(quán)運(yùn)行環(huán)境下非輪軌接觸多軸主動(dòng)導(dǎo)向循跡系統(tǒng)作為該列車(chē)中極其關(guān)鍵的自動(dòng)化系統(tǒng)之一，直接決定列車(chē)行駛路徑和運(yùn)營(yíng)安全性。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

主要由道路感知識(shí)別系統(tǒng)、主動(dòng)循跡液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、胎地耦合獨(dú)立轉(zhuǎn)向走行系統(tǒng)等構(gòu)成。

4.1.1 道路感知識(shí)別系統(tǒng)

基于公共路權(quán)的道路感知識(shí)別系統(tǒng)需要具備自動(dòng)識(shí)別道路環(huán)境感知、行人/非機(jī)動(dòng)車(chē)姿態(tài)感知預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)能力。

在公共道路上行駛的自導(dǎo)向超長(zhǎng)汽車(chē)列車(chē)不僅要確保自身的安全行駛，也需要確保道路上其他人事物的安全，不得與列車(chē)有所接觸碰撞?；诙嗑€(xiàn)程激光雷達(dá)、差分GPS、機(jī)器視覺(jué)及紅外探測(cè)技術(shù)，通過(guò)在車(chē)端裝備攝像頭和紅外線(xiàn)探測(cè)器等設(shè)備（圖9）來(lái)識(shí)別列車(chē)前方出現(xiàn)的物體，并判斷物體的種類(lèi)和位置來(lái)及時(shí)調(diào)整列車(chē)行駛速度或緊急停車(chē)。

圖9 圖像采集

在列車(chē)通過(guò)紅綠燈路口時(shí)，道路感知識(shí)別系統(tǒng)還需與路口指揮系統(tǒng)協(xié)同工作，由于列車(chē)車(chē)長(zhǎng)較長(zhǎng)，通過(guò)路口時(shí)應(yīng)首先確保已接受到允許通過(guò)信號(hào)，其中協(xié)同控制邏輯如圖10。

圖10 路口通過(guò)協(xié)調(diào)控制邏輯

4.1.2 主動(dòng)循跡液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

該汽車(chē)列車(chē)的主動(dòng)循跡轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)為六軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，根據(jù)路面鋪設(shè)的虛擬線(xiàn)路指引及道路感知識(shí)別系統(tǒng)控制首軸轉(zhuǎn)角，后五軸轉(zhuǎn)角由主動(dòng)循跡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出控制。實(shí)際執(zhí)行機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向器、角度傳感器、液壓系統(tǒng)、控制閥、液壓缸、液壓泵、過(guò)濾器、控制器等元件構(gòu)成。

首軸轉(zhuǎn)向角度通過(guò)轉(zhuǎn)向器直接控制首軸轉(zhuǎn)向，同時(shí)該轉(zhuǎn)角信號(hào)將傳送至STCU中，并由STCU對(duì)后續(xù)5軸的輸出角度進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)各BSL-ECU進(jìn)行實(shí)際的軸輸出角度控制和鉸接盤(pán)角度控制，以半列車(chē)為例。列車(chē)進(jìn)行中產(chǎn)生的實(shí)際轉(zhuǎn)角影響因素很多，如列車(chē)行進(jìn)速度、環(huán)境條件、線(xiàn)路工況等。每根軸和貫通道交接盤(pán)均配有角度傳感器，對(duì)各軸的實(shí)際輸出轉(zhuǎn)角進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，角度傳感器精度為0.1°。

該系統(tǒng)需能確保列車(chē)能順利通過(guò)最小曲線(xiàn)12m的彎道（圖11）。

圖11 最小曲線(xiàn)半徑R12

4.1.3 胎地耦合獨(dú)立轉(zhuǎn)向走行系統(tǒng)

胎地耦合獨(dú)立轉(zhuǎn)向走行系統(tǒng)是以上系統(tǒng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅會(huì)直接影響道路感知識(shí)別系統(tǒng)和主動(dòng)循跡液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行效果，且對(duì)車(chē)輛運(yùn)行的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性也至關(guān)重要。為此，應(yīng)建立胎地耦合列車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)列車(chē)通過(guò)性、操縱穩(wěn)定性、平順性和懸架K&C特性進(jìn)行深入分析[1]。

全列車(chē)由“2+1”軸式的兩個(gè)相同單元組成，全列車(chē)共6根軸，前后2根軸為動(dòng)力軸，其余4根為非動(dòng)力軸。

所有軸都具有自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制，彎道適應(yīng)性好，該走形系統(tǒng)主要有轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋和轉(zhuǎn)向橋構(gòu)成。

轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋位于車(chē)輛端部，對(duì)稱(chēng)布置，具有高承載能力，最大軸重滿(mǎn)足整車(chē)要求。采用斷開(kāi)式雙叉臂轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)車(chē)橋，主要由主減速器、差速器、傳動(dòng)半軸、驅(qū)動(dòng)橋殼、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、支撐梁（臂）等組成，其作用是將萬(wàn)向傳動(dòng)裝置傳來(lái)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩傳給驅(qū)動(dòng)車(chē)輪。采用的是兩級(jí)減速方式，其中一級(jí)減速器安置在驅(qū)動(dòng)橋殼中，并搭配輪邊減速器以實(shí)現(xiàn)降低車(chē)速、增大轉(zhuǎn)矩作用。車(chē)橋的兩側(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)于傳動(dòng)軸軸線(xiàn)鏡像對(duì)稱(chēng)。

轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋位于車(chē)輛中部，整車(chē)共配備四個(gè)轉(zhuǎn)向橋，對(duì)稱(chēng)布置，最大軸重滿(mǎn)足整車(chē)要求。采用斷開(kāi)式低地板轉(zhuǎn)向車(chē)橋，主要由轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、支撐梁（臂）等組成，通過(guò)車(chē)橋中的轉(zhuǎn)向節(jié)使車(chē)輪可以偏轉(zhuǎn)一定角度，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向橋與轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的區(qū)別主要為：轉(zhuǎn)向橋不含有驅(qū)動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)向連桿的設(shè)計(jì)依據(jù)整車(chē)需求設(shè)置。

采用雙叉臂式獨(dú)立空氣懸架[2]，該種懸架具有上下兩個(gè)叉形控制臂，擁有較好的橫向穩(wěn)定性能。主要部件有：空氣彈簧（橡膠彈性止擋）、減振器、轉(zhuǎn)向節(jié)和控制臂等。列車(chē)進(jìn)行過(guò)程中，車(chē)輪以主銷(xiāo)的軸線(xiàn)為中心線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，本項(xiàng)目轉(zhuǎn)向節(jié)上下球頭銷(xiāo)連線(xiàn)相當(dāng)于主銷(xiāo)軸線(xiàn)。

與有軌車(chē)輛相比，該系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢(shì)：最小曲線(xiàn)半徑更?。?2m）、爬坡能力更強(qiáng)（13%）、通過(guò)噪聲更?。ń档?dB以上）、更為經(jīng)濟(jì)、維護(hù)成本更低等。

4.2 主動(dòng)跟隨轉(zhuǎn)向控制策略

結(jié)合主動(dòng)循跡液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和胎地耦合獨(dú)立轉(zhuǎn)向走行系統(tǒng)統(tǒng)一控制的主動(dòng)跟隨轉(zhuǎn)向策略[3]，此處的跟隨主要指轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在獲知首軸轉(zhuǎn)角之后，后續(xù)五軸轉(zhuǎn)軸和車(chē)間鉸接裝置跟隨首軸軌跡的控制策略，控制過(guò)程見(jiàn)圖12。

圖12 主動(dòng)跟隨轉(zhuǎn)向控制策略圖

可以看出，每根轉(zhuǎn)軸的控制均基于首軸的輸入信號(hào)，理論上如其他總體技術(shù)參數(shù)可以得到滿(mǎn)足的情況下，如最小曲線(xiàn)半徑、行駛速度等，后續(xù)五軸及鉸接裝置可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)循跡的功能。

具體執(zhí)行時(shí)，首軸轉(zhuǎn)角由駕駛員手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤(pán)執(zhí)行，由與方向盤(pán)直接連接的液壓轉(zhuǎn)向器對(duì)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角進(jìn)行執(zhí)行和監(jiān)控，并以此作為后續(xù)轉(zhuǎn)向控制的轉(zhuǎn)角輸入，即首軸轉(zhuǎn)角[4-5]。

接收到首軸轉(zhuǎn)角后由轉(zhuǎn)向控制單元進(jìn)行判斷后，向分控車(chē)輛鉸接盤(pán)和各節(jié)車(chē)控制車(chē)軸轉(zhuǎn)向的控制單元發(fā)送各單元獨(dú)立的轉(zhuǎn)角指令，由各單元的轉(zhuǎn)向助力裝置執(zhí)行轉(zhuǎn)角輸出，在此過(guò)程中會(huì)通過(guò)各自單元獨(dú)立的轉(zhuǎn)角監(jiān)控傳感器對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)角進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在不斷地監(jiān)控反饋中修正，調(diào)整各轉(zhuǎn)向助力裝置的轉(zhuǎn)向壓力以達(dá)到實(shí)際轉(zhuǎn)角與輸出轉(zhuǎn)角相同的目的，確保整套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精準(zhǔn)和可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

一種新型的超級(jí)巴士列車(chē)集成了多種前沿信息科學(xué)技術(shù)，我國(guó)株洲市等地已率先投產(chǎn)使用，目前我國(guó)的超長(zhǎng)型巴士列車(chē)技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平，但仍待完善之處。相信該種車(chē)型列車(chē)會(huì)有更廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)前景。