張 珂

(青島中車四方軌道車輛有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

現(xiàn)代有軌電車多采用地面鋪設(shè)線路，可與其他地面交通混行，具有工程造價(jià)低、投資少、建設(shè)周期短、清潔環(huán)保、噪音低等優(yōu)勢(shì)，是一種中低運(yùn)量的城市軌道交通系統(tǒng)，具有較為合適的運(yùn)量投資比和良好的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)近十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車車輛已邁出探索的初期階段，步入實(shí)際開發(fā)和商業(yè)應(yīng)用階段，應(yīng)用新技術(shù)的新車型和產(chǎn)品創(chuàng)新不斷涌現(xiàn)。對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車應(yīng)用案例進(jìn)行分析，探討車輛新技術(shù)應(yīng)用及未來(lái)發(fā)展前景。

1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，在包括地鐵、輕軌、單軌、市域快軌、現(xiàn)代有軌電車、磁浮交通和APM 7種制式在內(nèi)的城市軌道交通制式中，現(xiàn)代有軌電車線路運(yùn)營(yíng)里程占比6.19%，僅次于地鐵和市域快軌，且現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)逐年遞增，是城軌交通發(fā)展的重要增長(zhǎng)極。

目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車具備整車研制的車輛制造商已達(dá)13家，且均有項(xiàng)目落地，現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)呈現(xiàn)“百花齊放”的態(tài)勢(shì)。根據(jù)各車輛制造商中標(biāo)項(xiàng)目車輛信息統(tǒng)計(jì)，截止到2021年底，國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目配車數(shù)已超700列，若按2 000萬(wàn)元/列進(jìn)行估算，市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)140億元。

2 現(xiàn)代有軌電車車輛新技術(shù)應(yīng)用

國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車發(fā)展初期，各車輛制造商采用技術(shù)引進(jìn)、轉(zhuǎn)讓、聯(lián)合設(shè)計(jì)、自主研發(fā)等手段紛紛下線國(guó)產(chǎn)現(xiàn)代有軌電車車輛，搶占現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)發(fā)展的“制高點(diǎn)”，通過(guò)后續(xù)項(xiàng)目執(zhí)行，結(jié)合國(guó)內(nèi)城市軌道交通發(fā)展的需求，現(xiàn)代有軌電車在全自動(dòng)無(wú)人駕駛、多樣化供電方式、虛擬軌道、新材料應(yīng)用等新技術(shù)應(yīng)用和驗(yàn)證方面取得了巨大的發(fā)展，甚至在部分領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先行列。

2.1 自動(dòng)駕駛技術(shù)

國(guó)內(nèi)城市軌道交通的新線建設(shè)及既有線路改造越來(lái)越多的采用全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)。早在2017年7月，全球首列實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛的現(xiàn)代有軌電車在中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司下線，裝備列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(ATC)，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程司機(jī)只需要輔助監(jiān)控；至2020年12月，全部車輛順利運(yùn)抵佛山南海新交通環(huán)島車輛段，并正式啟動(dòng)車輛上線調(diào)試。

2020年8月，全球首列應(yīng)用于昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)系統(tǒng)，采用自動(dòng)駕駛模式的七編組儲(chǔ)能式有軌電車在中車株洲電力機(jī)車有限公司下線，首列車已于2020年11月份運(yùn)抵昆明，在捷運(yùn)系統(tǒng)車輛及綜合維修中心進(jìn)行組裝調(diào)試。另外，2019年4月，中車株洲電力機(jī)車有限公司與淮安有軌電車公司、蘇州富欣智能交通控制有限公司3家單位立項(xiàng)淮安有軌電車自動(dòng)駕駛課題，經(jīng)過(guò)一年多的測(cè)試、分析和改進(jìn)，至2020年12月，國(guó)內(nèi)首列自動(dòng)駕駛有軌電車在淮安完成了正線試驗(yàn)段運(yùn)行，初步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛功能。

比亞迪與華為合作，采用4.5 G軌道交通無(wú)線專網(wǎng)，推出具有100%自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)。比亞迪云巴采用ATO子系統(tǒng)自動(dòng)控制列車運(yùn)行，在ATP的保護(hù)下，根據(jù)ATS的指令實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)駕駛，能夠自動(dòng)完成對(duì)列車的啟動(dòng)、牽引、巡航、惰行和制動(dòng)的控制，確保達(dá)到列車運(yùn)行的設(shè)計(jì)間隔及旅行速度。 國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用案例如圖1所示。

(a)佛山南海新交通 (b)昆明長(zhǎng)水機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)系統(tǒng) (c)重慶璧山云巴圖1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車自動(dòng)駕駛技術(shù)應(yīng)用案例

國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車全自動(dòng)無(wú)人駕技術(shù)，主要是綜合運(yùn)用障礙物識(shí)別及跟蹤、地圖數(shù)據(jù)融合、行車安全防控、車地協(xié)同等多技術(shù)融合。采用全自動(dòng)無(wú)人駕駛技術(shù)對(duì)提升運(yùn)營(yíng)行車效率、提高運(yùn)營(yíng)行車安全具有重要意義，同時(shí)為城市軌道交通不斷走向信息化、智能化提供了技術(shù)支撐。

2.2 多樣化供電方式

國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車的車輛在運(yùn)行過(guò)程中的能量主要是從供電系統(tǒng)以接觸式供電或者儲(chǔ)能式供電的方式供電，供電制式一般采用DC 750 V。國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車的供電主要有接觸網(wǎng)供電、Tramwave地面供電、儲(chǔ)能式供電和氫能源等方式；其中，接觸網(wǎng)供電是通過(guò)車載受電弓與線路接觸網(wǎng)接觸受流，導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)回流，是成熟可靠、成本較低的供電方式，但其接觸網(wǎng)會(huì)對(duì)沿線景觀性造成一定影響；Tramwave地面供電在國(guó)內(nèi)珠海有軌電車獲得應(yīng)用，但遠(yuǎn)未取得理想的效果。

相比較而言，儲(chǔ)能式供電更能適合國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為廣泛的儲(chǔ)能元件包括蓄電池和超級(jí)電容2種。蓄電池以其高能量密度的優(yōu)勢(shì)獲得應(yīng)用，磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池是目前能夠大功率應(yīng)用的主流蓄電池；超級(jí)電容以其充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、溫度特性好和綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)得到應(yīng)用推廣，但為提高儲(chǔ)能容量往往會(huì)受車輛軸重和安裝尺寸的限制。超級(jí)電容高功率密度的優(yōu)勢(shì)，能夠提供瞬時(shí)高峰能量吸收和輸出，適合車輛的頻繁啟停，而蓄電池的高能量密度有益于減小設(shè)備體積便于安裝。因此，結(jié)合2種儲(chǔ)能元件優(yōu)勢(shì)的組合儲(chǔ)能方式應(yīng)運(yùn)而生，2020年12月28日國(guó)內(nèi)首條采用“超級(jí)電容+鈦酸鋰電池”儲(chǔ)能供電的廣州黃埔區(qū)有軌電車1號(hào)線正式開通。

隨著大功率燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代有軌電車車載氫燃料電池系統(tǒng)得以應(yīng)用；與儲(chǔ)能式現(xiàn)代有軌電車相比，氫燃料有軌電車自身攜帶動(dòng)力，能夠完全不依賴地面供電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全程無(wú)觸網(wǎng)運(yùn)行。2018年6月，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司因氫能源有軌電車的研發(fā)榮膺國(guó)際氫能學(xué)會(huì)大獎(jiǎng)；2019年12月，世界首條商業(yè)運(yùn)營(yíng)的氫能源有軌電車示范線在佛山高明正式上線運(yùn)營(yíng)。但是氫燃料電池現(xiàn)階段仍面臨成本和技術(shù)方面的瓶頸，相信隨著氫燃料技術(shù)的進(jìn)步，氫燃料有軌電車將會(huì)成為現(xiàn)代有軌電車領(lǐng)域極具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

目前，采用大功率動(dòng)態(tài)無(wú)線供電技術(shù)的新型無(wú)線供電城軌車輛在中車唐山機(jī)車車輛有限公司下線，車輛采用非接觸感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電能傳輸，大幅提高軌道交通供電的靈活性和安全性；感應(yīng)供電或?qū)⑹乾F(xiàn)代有軌電車未來(lái)理想供電方案之一。

2.3 虛擬軌道

虛擬軌道列車作為軌道交通和普通公交跨界融合的創(chuàng)新產(chǎn)品，采用虛擬軌道技術(shù)無(wú)需鋪設(shè)物理軌道，具有施工周期短、土建工程投資低、車輛行駛方式靈活等優(yōu)勢(shì)，受到越來(lái)越多城市的青睞。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)虛擬軌道列車陸續(xù)推出智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)(ART)、數(shù)字軌道捷運(yùn)系統(tǒng)(DRT)和超級(jí)虛擬軌道快運(yùn)系統(tǒng)(SRT)；其中，智能軌道快運(yùn)系統(tǒng)由中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司于2017年6月下線發(fā)布，列車采用“虛擬軌道跟隨控制”技術(shù)，利用車上的感應(yīng)器識(shí)別路面的指示，已在湖南株洲、江西九江永修縣、四川宜賓和黑龍江哈爾濱等地得到運(yùn)用，獲得良好的市場(chǎng)推廣示范。數(shù)字軌道捷運(yùn)系統(tǒng)由中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司研制，列車采用以電磁標(biāo)記為主，視覺(jué)導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航為輔的數(shù)字化軌道導(dǎo)向方式，國(guó)內(nèi)首條DRT線路(上海臨港新片區(qū)中運(yùn)量T1示范線)已于2021年1月啟動(dòng)測(cè)試運(yùn)營(yíng)。超級(jí)虛擬軌道快運(yùn)系統(tǒng)由中車株洲電力機(jī)車有限公司全球首創(chuàng)，無(wú)需敷設(shè)鋼軌，通過(guò)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和視頻導(dǎo)向沿虛擬軌道運(yùn)行，現(xiàn)已應(yīng)用于江蘇鹽城市區(qū)SRT一號(hào)線。3種制式對(duì)比如表1所示。

表1 三種虛擬軌道列車對(duì)比

2.4 新材料應(yīng)用

中車唐山機(jī)車車輛有限公司新下線的新型無(wú)線供電城軌車輛采用“碳纖維+無(wú)磁鋼混合材料”車體，碳纖維材料具有輕量化(有效減輕汽車自身重量，進(jìn)而減少能源消耗)、耐久性(具有優(yōu)異的耐腐蝕性和抗老化性，使用壽命長(zhǎng))、安全性(強(qiáng)度是普通鋼材數(shù)倍，可以吸收大量撞擊能力，提高安全性)等優(yōu)勢(shì)；結(jié)合國(guó)外軌道交通車輛將碳纖維材料在車體和轉(zhuǎn)向架上的應(yīng)用，可以預(yù)見(jiàn)以碳纖維為代表的新型復(fù)合材料或?qū)⑹菄?guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車輕量化發(fā)展的方向。

3 現(xiàn)代有軌電車車輛技術(shù)發(fā)展展望

經(jīng)過(guò)近十幾年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)已邁出探索的初期階段，步入創(chuàng)新開發(fā)和應(yīng)用升級(jí)階段；為滿足國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車市場(chǎng)發(fā)展的需求，車輛產(chǎn)品技術(shù)發(fā)展應(yīng)面向定制化研制、速度等級(jí)提升、多制式融合、智能化運(yùn)維等方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1)面向旅游軌道交通，定制化研制齒軌電車、仿古電車等，滿足通勤功能的前提下提升旅游景區(qū)的品質(zhì)。

2)將有軌電車速度等級(jí)向上提升，發(fā)展“快速有軌電車”，填補(bǔ)地鐵和輕軌以下中運(yùn)量軌道交通需求，適應(yīng)城市組團(tuán)或中小城市骨干交通的線路規(guī)劃。

3)拓展有軌電車與其他軌道交通制式的融合，倡導(dǎo)“Tram-Train”理念，充分利用既有軌道交通線路，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通、市域軌道交通和干線鐵路的互聯(lián)互通。

4)更加注重現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)后期運(yùn)維，圍繞運(yùn)維全過(guò)程開展全面數(shù)字化、互聯(lián)化、智能化，實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維技術(shù)應(yīng)用，賦能智慧城市建設(shè)。

4 結(jié)語(yǔ)

自國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車復(fù)興以來(lái)，因其在審批流程、工程造價(jià)、建設(shè)周期、環(huán)境適應(yīng)等方面的優(yōu)勢(shì)，已成為城市軌道交通系統(tǒng)中增勢(shì)最猛的制式?，F(xiàn)代有軌電車車輛通過(guò)新技術(shù)的迭代應(yīng)用及創(chuàng)新升級(jí)，已發(fā)展為技術(shù)成熟、品類齊全、運(yùn)行可靠的系列化產(chǎn)品。展望未來(lái)，面對(duì)城軌交通市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)必將迎來(lái)新發(fā)展。