全球首列虚拟轨道列车：极大程度缓解中国交通难题

前阵子，全球首列虚拟轨道列车在中车株洲电力机车研究所有限公司(下称“中车株洲所”)首次亮相。

中国工程院院士、中车株洲所董事长丁荣军介绍，这种正式名称为智能轨道快运系统（ART 系统，下称“智轨列车”）的全新产品，集成了虚拟轨际跟随、永磁驱动等尖端技术，是全球首创的一款新型城市交通工具。

这辆虚拟轨道列车长达30多米，最多可乘坐300多人，虽然路面没有实体轨道，整列车却沿着一条虚拟的轨道前行，就像是一列开在路面的地铁，现场体验颇为震撼。

一个项目申请30多个专利

中车株洲所副总经理、总工程师冯江华告诉《中国经济周刊》记者，轨道交通是解决城市拥堵非常重要的一种交通方式，“我们逐渐发现，要破解现在公共交通难题，传统轨道交通装备制式面临不少难以跨越的障碍。”

目前，城市公共交通系统主要构成为地铁、轻轨、有轨电车、公交车、BRT(快速公交系统)等。地铁和轻轨虽然运力强，但建设成本巨大。公开资料显示，北京地铁16号线，每公里成本已经超过10亿元。如此高昂的成本，给地方政府带来极大的财政压力，中小城市更是望而却步。

有轨电车也不便宜，综合建设成本约为每公里1.5亿～2亿元。同时，有轨电车需要专门的电力系统和轨道配合设计，维护成本高，而且必须建设专线，限制较多。当前，我国有轨电车总规划线路长达6000公里，实际运行线路却只有200余公里。

冯江华介绍，从2013年开始，株洲所意识到，亟须探索一种经济、绿色的新型公共交通工具，来解决中小城市公共交通方式中存在的运输力差、基础设施建设和运营成本高、线路调配不便三个“老大难”问题，化解我国快速发展的城市化带来的公共交通压力。

其设想的创新思路是：能否摆脱轨道的约束，同时又实现物理轨道的主要优势？一种没有轨道却能像轨道交通车辆运行的虚拟轨道车辆概念在冯江华的脑海中浮现。

2013年5月，虚拟轨道车辆项目正式启动。时代电气副总经理兼总工程师尚敬表示，这是一种全新的方案，全球从基础理论到关键技术都是一片空白。要实现这个目标，株洲所只能单打独斗，从最基础的数学算法开始探索，一步步攻克所遇到的各种难题。“可以说，这是一场挑战科技尖峰的大会战。”

2015年底，从最初的车体轻量化设计，到后来融入了双向行驶、多轴转向与轨迹跟随技术，中车株洲所完成车辆的整车制造及轨迹跟随系统相关调试工作，实现了35米轨迹跟随列车直线跟随误差小于10cm，圆周跟随误差小于50cm的目标。

2016年底，株洲所一鼓作气完成了32米智能轨道快运列车工程样车的研制。样车采用复合材料和铝合金车身结构，液压转向系统集成化设计，减重30%，体积缩小30%，实现轻量化设计。

“我们抢占了多个前沿技术高地。”中车株洲所研究院基础与平台研发中心主任许峻峰表示，中车株洲所研发了国内第一个多网融合实时以太网控制系统，有效实现工程样车传动控制与网络控制功能融合，并且还突破无轨导向控制、无人驾驶、双源双充高可靠储能系统、低地板全铝车身系统集成等5项核心技术。

基于该项目，中车株洲所申请了轨迹跟随控制策略、整车设计制造和系统集成技术等30余项专利。

充电10分钟可行驶25公里

一列天上没有电线、地上没有轨道、集合了现代有轨电车运载能力和公交车灵活性的跨界智能轨道列车究竟是什么样子？

最为引人注目的技术，无疑是“虚拟轨道跟随控制”技术。资料显示，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，保证列车完成牵引、制动、转向等正常动作，精准控制列车行驶在既定“虚拟轨迹”上，实现智能运行。

冯江华解释，相对于有轨道的列车，“虚拟轨道跟随控制”是一种柔性控制技术，“就像甩动一根柔软的面条，要让面条的每一段都在同一轨迹上，很难。我们能做到的是，所有的轮子都沿着一条轨道前行，误差不超过10厘米，这就能够降低因车身变长造成的事故率，既确保整体通过性能，又提升整体运输能力。”

在对比试验中，依靠虚拟轨道跟随技术，虚拟轨道列车比传统的12米公交车拐弯还要灵活，且不需要减速。研发数据称，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，而虚拟轨道列车为3.83米。在弯道遇到需要倒车的情况时，公交车司机只能小心翼翼地倒车。虚拟轨道列车却采用与高铁列车一样的双车头设计，司机直接走到反方向的车头就可将列车开出去。这意味着，凡是公交车可以通过的地方，虚拟轨道列车都可以运行。

无人驾驶技术是虚拟轨道列车的又一亮点。在虚拟轨道列车运行时，《中国经济周刊》记者看到，司机放开双手后车辆依旧沿着既定路线照常行驶。不过，冯江华也表示，尽管可以做到无人驾驶，但现在受制于技术之外的多种限制，无人驾驶技术更多地的提高虚拟轨道列车的安全性能，“它可以智能地感知环境，自动分析车辆行驶状态，替代人工操作，有效减轻驾驶员疲劳，提高行车安全性。”

牵引传动系统在业内被称为“列车之心”，其性能在某种程度上决定了列车的动力品质、能耗和控制特性。2015年6月，中车株洲所研发成功永磁同步牵引系统，使我国成为世界上少数几个掌握高铁永磁牵引系统技术的国家之一。中国工程院院士刘友梅告诉《中国经济周刊》记者，该永磁同步牵引系统的电机额定效率达到98%以上，将电机损耗降低至原来的1/3，显著降低了高速列车的牵引能耗。

这一次，株洲所将其自主研发的永磁牵引控制技术用在了虚拟轨道列车上。同时，冯江华还介绍，虚拟轨道列车还采用了分布式动力协同控制技术，能够实现13%的爬坡能力。

虚拟轨道列车还用上了超级电容，是纯电动车，首末站充电，单次充电只需要10分钟，可满载行驶25公里。车辆头顶上不再有电网“大辫子”，这也就节省了供电网络建设的成本。

市场空间或高达万亿元级别

中国工程院院士、中车株洲所董事长丁荣军表示，虚拟轨道列车综合了有轨电车和公交客车的特点，既可以作为立体化交通解决方案的补充，也能够担当区域交通线路的骨干。在公共出行需求与城市交通运力不足的矛盾日益突出的今天，虚拟轨道列车提供了较为理想的出行选择。

除了黑科技云集所带来的技术优势，低成本是虚拟轨道列车的杀手锏。中车株洲所研究院基础与平台研发中心主任许峻峰告诉《中国经济周刊》，一辆有轨电车的价格约为2500万元，中车株洲所的虚拟轨道列车售价可能也将超过2000万元。不过，冯江华称，与有轨电车运力相同的情况下，虚拟轨道列车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，建设一条10公里的线路，成本至少能节省10亿元以上。按现有的6000公里有轨电车规划线路计算，这将是一个超万亿元的市场。

建设时间短是虚拟轨道列车的另一大优势。许俊峰介绍，与现代有轨电车相比，因为不需要铺设钢轨，也不用架设电网，一条虚拟轨道列车运行线路从启动规划至开通运营，只需一年时间。“实际上，大部分时间是花在各种程序上，路网改造时间非常短。”

6月2日，株洲市市长阳卫国宣布，株洲为虚拟轨道列车量身定做的全国首条智轨列车示范线路正式进入实质规划阶段， 线路规划全长约6.5公里，建成以后将与已经规划的中低速磁悬浮线路对接。根据规划目标，该条示范线有望在2018年投入商业运营。

专家点评

中国工程院院士刘友梅：ART系统是中运量城市轨道交通新解决方案

传统轨道交通的基本特征是钢轮车辆在钢轨上通过人工或自动控制导向运行，钢轮钢轨承担着承载、导向及约束的功能。随着智能控制、图像识别、卫星定位等新技术的成熟，车辆行进中的导向技术趋势朝着柔性化、智能化及多样化方向发展。其主要的技术形式有：轨迹跟随技术、磁导向技术、光学导向技术、卫星导向技术等。采用这些导向技术的运输车辆可以脱离钢轨的导向约束，并采用胶轮承载。

中车株洲所在总结国外城市轨道交通技术方案后，提出了更为先进的导向系统和运营理念，即智能轨道快运系统（ART系统），它是以虚拟轨道列车为运载工具，融合智能综合管理系统的新型交通制式。

ART系统具有建设周期短、基础设施投资低、城市适应性高、综合能力强等优越性，是中运量城市轨道交通新的解决方案，同时也是中车城市轨道跨界创新的典范。