國內現代有軌電車車輛新技術應用與展望

張 珂

(青島中車四方軌道車輛有限公司，山東 青島 266111)

0 引言

現代有軌電車多采用地面鋪設線路，可與其他地面交通混行，具有工程造價低、投資少、建設周期短、清潔環保、噪音低等優勢，是一種中低運量的城市軌道交通系統，具有較為合適的運量投資比和良好的經濟效益。經過近十年的發展，國內現代有軌電車車輛已邁出探索的初期階段，步入實際開發和商業應用階段，應用新技術的新車型和產品創新不斷涌現。對國內現代有軌電車應用案例進行分析，探討車輛新技術應用及未來發展前景。

1 國內現代有軌電車發展現狀

根據中國城市軌道交通協會統計，在包括地鐵、輕軌、單軌、市域快軌、現代有軌電車、磁浮交通和APM 7種制式在內的城市軌道交通制式中，現代有軌電車線路運營里程占比6.19%，僅次于地鐵和市域快軌，且現代有軌電車系統逐年遞增，是城軌交通發展的重要增長極。

目前，國內現代有軌電車具備整車研制的車輛制造商已達13家，且均有項目落地，現代有軌電車系統呈現“百花齊放”的態勢。根據各車輛制造商中標項目車輛信息統計，截止到2021年底，國內現代有軌電車項目配車數已超700列，若按2 000萬元/列進行估算，市場規模已達140億元。

2 現代有軌電車車輛新技術應用

國內現代有軌電車發展初期，各車輛制造商采用技術引進、轉讓、聯合設計、自主研發等手段紛紛下線國產現代有軌電車車輛，搶占現代有軌電車系統發展的“制高點”，通過后續項目執行，結合國內城市軌道交通發展的需求，現代有軌電車在全自動無人駕駛、多樣化供電方式、虛擬軌道、新材料應用等新技術應用和驗證方面取得了巨大的發展，甚至在部分領域處于國際領先行列。

2.1 自動駕駛技術

國內城市軌道交通的新線建設及既有線路改造越來越多的采用全自動無人駕駛技術。早在2017年7月，全球首列實現自動駕駛的現代有軌電車在中車青島四方機車車輛股份有限公司下線，裝備列車自動控制系統(ATC)，整個運行過程司機只需要輔助監控；至2020年12月，全部車輛順利運抵佛山南海新交通環島車輛段，并正式啟動車輛上線調試。

2020年8月，全球首列應用于昆明長水機場捷運系統，采用自動駕駛模式的七編組儲能式有軌電車在中車株洲電力機車有限公司下線，首列車已于2020年11月份運抵昆明，在捷運系統車輛及綜合維修中心進行組裝調試。另外，2019年4月，中車株洲電力機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家單位立項淮安有軌電車自動駕駛課題，經過一年多的測試、分析和改進，至2020年12月，國內首列自動駕駛有軌電車在淮安完成了正線試驗段運行，初步實現自動駕駛功能。

比亞迪與華為合作，采用4.5 G軌道交通無線專網，推出具有100%自主知識產權的全自動無人駕駛系統。比亞迪云巴采用ATO子系統自動控制列車運行，在ATP的保護下，根據ATS的指令實現列車的自動駕駛，能夠自動完成對列車的啟動、牽引、巡航、惰行和制動的控制，確保達到列車運行的設計間隔及旅行速度。 國內現代有軌電車自動駕駛技術應用案例如圖1所示。

(a)佛山南海新交通 (b)昆明長水機場捷運系統 (c)重慶璧山云巴圖1 國內現代有軌電車自動駕駛技術應用案例

國內現代有軌電車全自動無人駕技術，主要是綜合運用障礙物識別及跟蹤、地圖數據融合、行車安全防控、車地協同等多技術融合。采用全自動無人駕駛技術對提升運營行車效率、提高運營行車安全具有重要意義，同時為城市軌道交通不斷走向信息化、智能化提供了技術支撐。

2.2 多樣化供電方式

國內現代有軌電車的車輛在運行過程中的能量主要是從供電系統以接觸式供電或者儲能式供電的方式供電，供電制式一般采用DC 750 V。國內現代有軌電車的供電主要有接觸網供電、Tramwave地面供電、儲能式供電和氫能源等方式；其中，接觸網供電是通過車載受電弓與線路接觸網接觸受流，導軌實現回流，是成熟可靠、成本較低的供電方式，但其接觸網會對沿線景觀性造成一定影響；Tramwave地面供電在國內珠海有軌電車獲得應用，但遠未取得理想的效果。

相比較而言，儲能式供電更能適合國內現代有軌電車發展趨勢，國內應用較為廣泛的儲能元件包括蓄電池和超級電容2種。蓄電池以其高能量密度的優勢獲得應用，磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池是目前能夠大功率應用的主流蓄電池；超級電容以其充電時間短、使用壽命長、溫度特性好和綠色環保等優勢得到應用推廣，但為提高儲能容量往往會受車輛軸重和安裝尺寸的限制。超級電容高功率密度的優勢，能夠提供瞬時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備體積便于安裝。因此，結合2種儲能元件優勢的組合儲能方式應運而生，2020年12月28日國內首條采用“超級電容+鈦酸鋰電池”儲能供電的廣州黃埔區有軌電車1號線正式開通。

隨著大功率燃料電池技術的進步，現代有軌電車車載氫燃料電池系統得以應用；與儲能式現代有軌電車相比，氫燃料有軌電車自身攜帶動力，能夠完全不依賴地面供電系統，可實現全程無觸網運行。2018年6月，中車青島四方機車車輛股份有限公司因氫能源有軌電車的研發榮膺國際氫能學會大獎；2019年12月，世界首條商業運營的氫能源有軌電車示范線在佛山高明正式上線運營。但是氫燃料電池現階段仍面臨成本和技術方面的瓶頸，相信隨著氫燃料技術的進步，氫燃料有軌電車將會成為現代有軌電車領域極具市場競爭力的產品。

目前，采用大功率動態無線供電技術的新型無線供電城軌車輛在中車唐山機車車輛有限公司下線，車輛采用非接觸感應原理實現電能傳輸，大幅提高軌道交通供電的靈活性和安全性；感應供電或將是現代有軌電車未來理想供電方案之一。

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新產品，采用虛擬軌道技術無需鋪設物理軌道，具有施工周期短、土建工程投資低、車輛行駛方式靈活等優勢，受到越來越多城市的青睞。

近年來，國內虛擬軌道列車陸續推出智能軌道快運系統(ART)、數字軌道捷運系統(DRT)和超級虛擬軌道快運系統(SRT)；其中，智能軌道快運系統由中車株洲電力機車研究所有限公司于2017年6月下線發布，列車采用“虛擬軌道跟隨控制”技術，利用車上的感應器識別路面的指示，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用，獲得良好的市場推廣示范。數字軌道捷運系統由中車南京浦鎮車輛有限公司研制，列車采用以電磁標記為主，視覺導航和衛星導航為輔的數字化軌道導向方式，國內首條DRT線路(上海臨港新片區中運量T1示范線)已于2021年1月啟動測試運營。超級虛擬軌道快運系統由中車株洲電力機車有限公司全球首創，無需敷設鋼軌，通過北斗導航系統和視頻導向沿虛擬軌道運行，現已應用于江蘇鹽城市區SRT一號線。3種制式對比如表1所示。

表1 三種虛擬軌道列車對比

2.4 新材料應用

中車唐山機車車輛有限公司新下線的新型無線供電城軌車輛采用“碳纖維+無磁鋼混合材料”車體，碳纖維材料具有輕量化(有效減輕汽車自身重量，進而減少能源消耗)、耐久性(具有優異的耐腐蝕性和抗老化性，使用壽命長)、安全性(強度是普通鋼材數倍，可以吸收大量撞擊能力，提高安全性)等優勢；結合國外軌道交通車輛將碳纖維材料在車體和轉向架上的應用，可以預見以碳纖維為代表的新型復合材料或將是國內現代有軌電車輕量化發展的方向。

3 現代有軌電車車輛技術發展展望

經過近十幾年的發展，國內現代有軌電車系統已邁出探索的初期階段，步入創新開發和應用升級階段；為滿足國內現代有軌電車市場發展的需求，車輛產品技術發展應面向定制化研制、速度等級提升、多制式融合、智能化運維等方向發展，主要體現在以下幾方面。

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的品質。

2)將有軌電車速度等級向上提升，發展“快速有軌電車”，填補地鐵和輕軌以下中運量軌道交通需求，適應城市組團或中小城市骨干交通的線路規劃。

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

4)更加注重現代有軌電車系統后期運維，圍繞運維全過程開展全面數字化、互聯化、智能化，實現智能運維技術應用，賦能智慧城市建設。

4 結語

自國內現代有軌電車復興以來，因其在審批流程、工程造價、建設周期、環境適應等方面的優勢，已成為城市軌道交通系統中增勢最猛的制式。現代有軌電車車輛通過新技術的迭代應用及創新升級，已發展為技術成熟、品類齊全、運行可靠的系列化產品。展望未來，面對城軌交通市場化競爭，國內現代有軌電車系統必將迎來新發展。