懸掛式單軌列車概述及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□于人生 宋 揚(yáng) 姜仲昊

懸掛式空中單軌交通系統(tǒng)，其軌道在列車上方，由鋼結(jié)構(gòu)或砼立柱高架懸空設(shè)置，軌道實(shí)際上為箱式結(jié)構(gòu)，下部有開口，稱為“軌道梁”，列車的走行機(jī)構(gòu)在軌道梁內(nèi)，載客的車廂“懸掛”在走行機(jī)構(gòu)下。懸掛式單軌列車又稱空軌列車、空鐵列車，簡稱“空鐵”、“空軌”或者“空列”。

一、國內(nèi)外發(fā)展概述

(一)國外發(fā)展概述。懸掛式單軌列車在國外有100多年歷史，主要是德國和日本開展了研究工作并有線路投入運(yùn)營。1901年，德國伍珀塔爾市非對稱走行部懸掛式單軌車建成運(yùn)營；1960年，法國研制采用橡膠輪的對稱式懸掛的SAFEGE型懸掛式單軌車；1984年，德國研發(fā)自動(dòng)化懸掛式單軌交通系統(tǒng)H-Bahn在多特蒙德大學(xué)問世；1988年，日本千葉懸掛式單軌2號(hào)線通車；1993年，德國多特蒙德第二代空中軌道列車；1999年，日本千葉懸掛式單軌1號(hào)線通車；2002年，德國杜塞爾多夫市新建機(jī)場至火車站的空鐵線路。

(二)國內(nèi)發(fā)展概述。國內(nèi)對空鐵的研究從2010年以后開始逐步開展，有關(guān)的技術(shù)資料逐步增多、逐漸深入，到2016年首列國產(chǎn)新能源空鐵下線，標(biāo)志著我國自主化的空鐵交通系統(tǒng)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)試驗(yàn)和運(yùn)用階段。2016年9月，首列新能源空鐵列車在中車浦鎮(zhèn)公司下線，隨后在成都中唐空鐵公司的試驗(yàn)線進(jìn)行調(diào)試；2016年12月，中車資陽公司生產(chǎn)的空鐵車輛下線，之后在成都中唐空鐵公司的試驗(yàn)線進(jìn)行調(diào)試；2017年7月，中車四方公司研發(fā)的最高運(yùn)行時(shí)速為70公里/小時(shí)的新型懸掛式單軌列車下線，進(jìn)入型式試驗(yàn)和試運(yùn)行階段；2018年10月，河南開封空鐵試驗(yàn)線進(jìn)入施工試驗(yàn)示范階段，這條示范線由北京中建空列集團(tuán)有限公司實(shí)施，中車資陽公司等負(fù)責(zé)車輛設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等任務(wù)；2018年9月，中唐空鐵集團(tuán)有限公司與中車浦鎮(zhèn)公司合作研發(fā)的第二代空鐵產(chǎn)品——新能源全景空鐵在第十七屆中國西部國際博覽會(huì)亮相，隨后“全景空鐵”完成調(diào)試并在成都試驗(yàn)線開始試驗(yàn)性運(yùn)行。

總的來說，國內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的主要有中唐空鐵、中車浦鎮(zhèn)公司、中車四方股份、中車資陽公司等，國際空列集團(tuán)、中冶空鐵、北京中建空列、中車株機(jī)公司等也進(jìn)行了研究和實(shí)踐。貴州雷山、河南開封、四川大邑、湖北建始、陜西韓城以及深圳等地均在積極論證和籌備建設(shè)空鐵交通示范線路。

二、特點(diǎn)和優(yōu)勢

(一)安全可靠?？砧F的走行輪和導(dǎo)向輪始終在封閉箱形軌道梁內(nèi)部，保障了系統(tǒng)的運(yùn)營安全，另外，車輛在空中運(yùn)行，出現(xiàn)與其它物體相撞的概率極低。

(二)綠色環(huán)保。列車采用電力驅(qū)動(dòng)，沒有廢氣排放。動(dòng)力系統(tǒng)集中在封閉的軌道梁內(nèi)，并且膠輪的設(shè)計(jì)減少了噪音，典型的指標(biāo)是距離車體6.5米處噪音小于65dB。

(三)造價(jià)低?？砧F交通系統(tǒng)與其它交通方式相比，具有建造成本低、維護(hù)成本低、運(yùn)營成本低的優(yōu)勢。

(四)施工簡單。線路采用模塊化生產(chǎn)、現(xiàn)場組裝的方式建造，工期短、施工占地少、環(huán)境影響小。

(五)節(jié)約土地?？砧F交通系統(tǒng)采用架空線路可以沿道路一側(cè)或中間綠化帶設(shè)計(jì)，占地面積極少。

(六)自動(dòng)化程度高。采用適用于空鐵系統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)，確保車輛準(zhǔn)點(diǎn)率，避免因人為操作失誤而導(dǎo)致的超時(shí)、冒進(jìn)、追尾等事故。

(七)快捷中運(yùn)量。懸掛式空中列車系統(tǒng)屬輕型、中速、中運(yùn)量公共交通工具，不受地面交通影響，每節(jié)車廂定員75人，高峰運(yùn)量可達(dá)2萬人/小時(shí)。

(八)可拆卸重復(fù)使用。根據(jù)城市發(fā)展需要，可隨時(shí)延長、拆卸或改變路線，移至其它需要的地方，不會(huì)造成資源浪費(fèi)。

(九)線路適應(yīng)性強(qiáng)。空鐵車輛爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小，適合不同地形和既有建筑格局；一些城市有特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如泉水、硬質(zhì)巖層等，修建地面軌道交通地質(zhì)條件不允許；對于已成體系的公共交通系統(tǒng)，可進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，與其他交通方式實(shí)現(xiàn)零距離換乘。

(十)適應(yīng)天氣?？砧F是在封閉軌道梁內(nèi)運(yùn)行的，所以受惡劣天氣影響小，在遭遇大雨、大雪、冰凍等惡劣天氣時(shí)，空鐵可以照常運(yùn)營。

(十一)環(huán)境協(xié)調(diào)性好?？砧F線路以及空鐵車輛外形簡潔美觀，能夠根據(jù)線路特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，使空鐵線路本身融于周圍環(huán)境中，也作為整體風(fēng)景中的一部分。

(十二)乘客視野開闊?？砧F的架空設(shè)計(jì)使乘客擁有較大的視野，方便乘客一覽沿途風(fēng)景。

三、適用范圍

空鐵交通系統(tǒng)是一種輕型、中速、中運(yùn)量的新型公共交通方式，可以作為城市立體公交體系的組成部分，與現(xiàn)有的城市公交、城軌線路等交通方式互為補(bǔ)充，其主要適用于：大城市交通系統(tǒng)的補(bǔ)充線路；中小城市公共交通系統(tǒng)干線；機(jī)場、火車站、高鐵城際、城軌線路、汽車站、客運(yùn)碼頭之間聯(lián)絡(luò)線；旅游區(qū)、主題公園等往返或景點(diǎn)間、景點(diǎn)內(nèi)的線路；機(jī)場航站樓、大型商務(wù)區(qū)、開發(fā)區(qū)、功能場館等內(nèi)部交通線；特殊地質(zhì)條件、特殊環(huán)境交通線。

四、關(guān)鍵技術(shù)

懸掛式單軌是一套系統(tǒng)工程，涉及到軌道梁、供電、車體、轉(zhuǎn)向架、信號(hào)系統(tǒng)等專業(yè)。得益于我國軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，空鐵交通系統(tǒng)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均依托于成熟的城軌交通技術(shù)平臺(tái)，綜合國產(chǎn)化率超過90%。懸掛式單軌交通系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的研究主要包括：軌道梁及道岔技術(shù)、空鐵信號(hào)系統(tǒng)、空鐵車輛相關(guān)技術(shù)、安全設(shè)計(jì)及運(yùn)營技術(shù)等。

(一)軌道梁及道岔技術(shù)?？砧F車輛懸掛在由立柱支撐在空中的軌道梁下方，通過車輛上的走行裝置沿下部開口箱型軌道梁的走行面滾動(dòng)，導(dǎo)向輪沿軌道梁導(dǎo)向面關(guān)東導(dǎo)向行駛。懸掛式單軌列車根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向架與軌道梁的不同分為對稱式和非對稱式。

圖1 對稱式懸掛單軌結(jié)構(gòu)

軌道梁橋設(shè)計(jì)制造技術(shù)和道岔梁設(shè)計(jì)制造技術(shù)是空鐵交通系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)。軌道梁直接懸掛于墩柱下，墩柱通過預(yù)埋錨栓與承臺(tái)樁基相連，橋墩柱采用冷彎折成型制造工藝。道岔采用整體平移式道岔設(shè)計(jì)，區(qū)別于單開道岔，省去了轉(zhuǎn)向架穩(wěn)定輪設(shè)計(jì)，車輛通過道岔更加安全可靠。

一種典型的軌道梁參數(shù)如表1所示。

表1 一種典型軌道梁參數(shù)

經(jīng)過測量和計(jì)算，這種軌道梁系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 一種典型軌道梁測試數(shù)據(jù)

(二)信號(hào)系統(tǒng)?？砧F交通系統(tǒng)的軌道條件和車輛條件與一般軌道交通的鋼輪鋼軌系統(tǒng)差別較大，傳統(tǒng)CBTC(基于通信的列車控制系統(tǒng))信號(hào)系統(tǒng)在空鐵上應(yīng)用有三點(diǎn)不足之處：系統(tǒng)復(fù)雜、安裝困難、成本高昂，這對信號(hào)系統(tǒng)也提出了新的需求。面對新需求，信號(hào)系統(tǒng)研究了以下關(guān)鍵技術(shù)：配置降級(jí)系統(tǒng)的必要性、主級(jí)定位檢測設(shè)備的選擇、控制算法優(yōu)化、無人駕駛的采用、軌旁設(shè)備設(shè)計(jì)施工一體化。

表3 空鐵信號(hào)系統(tǒng)特點(diǎn)

(三)空鐵車輛。

1.轉(zhuǎn)向架。轉(zhuǎn)向架技術(shù)是空鐵交通系統(tǒng)最關(guān)鍵的技術(shù)之一，也是空鐵車輛最具特色的技術(shù)?？砧F車輛的轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、橡膠走行輪、導(dǎo)向輪、橡膠簧、枕梁、中心銷、懸吊機(jī)構(gòu)、橫向/垂向減震器、驅(qū)動(dòng)裝置以及制動(dòng)裝置等組成。轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)主要包括：導(dǎo)向輪高度、導(dǎo)向輪與導(dǎo)向軌間隙、橫向減震器阻尼、垂向減震器阻尼等，一組典型值如表4所示。

表4 一種典型轉(zhuǎn)向架阻尼設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 熊貓空鐵列車

2.牽引系統(tǒng)?？砧F車輛的牽引系統(tǒng)主要特征是小型化、高效率。牽引箱的外包絡(luò)尺寸可達(dá)2,020mm×1,100mm×510mm，牽引系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)包括:最高持續(xù)運(yùn)行速度、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)速度、啟動(dòng)加速度、平均加速度、常用制動(dòng)平均減速度、緊急制動(dòng)等效減速度等。一組典型的牽引系統(tǒng)參數(shù)如表5所示。

表5 空鐵牽引系統(tǒng)典型值

3.控制系統(tǒng)?？砧F車輛的控制系統(tǒng)基于城軌交通車輛技術(shù)平臺(tái)，并需要結(jié)合空鐵車輛的特點(diǎn)進(jìn)行定制化的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵技術(shù)包括以下兩種。

(1)低功耗、高集成車載電氣信號(hào)采集技術(shù)?？砧F車輛的設(shè)備安裝空間有限，需要對設(shè)備的安裝尺寸進(jìn)行優(yōu)化，典型的機(jī)箱尺寸可達(dá)227mm×199.5mm×132.5mm，相比一般機(jī)箱結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)機(jī)箱體積更小。硬件板卡電路、機(jī)箱結(jié)構(gòu)、對外接口需要重新設(shè)計(jì)，目標(biāo)是單位體積實(shí)現(xiàn)的采集通道更多。

(2)設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)?？砧F車輛的控制電氣箱位于車輛上方，暴露在室外，區(qū)別于一般地鐵列車安裝于車廂內(nèi)的電器柜，環(huán)境溫度、潮濕、沙塵方面相對惡劣，一般對電氣設(shè)備的環(huán)境要求按照IEC60571(GB25119)等標(biāo)準(zhǔn)及其最新版進(jìn)行設(shè)計(jì)，但其中對沙塵防護(hù)沒有明確要求，鹽霧試驗(yàn)也是型式試驗(yàn)中可選的項(xiàng)目，針對這個(gè)問題需要網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，并通過型式試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4.安全設(shè)計(jì)及運(yùn)營技術(shù)。空鐵交通系統(tǒng)作為一種新的交通方式，安全是其能否繼續(xù)發(fā)展的決定性因素?？砧F的安全從系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營管理兩個(gè)方面來保證，這兩個(gè)方面相互依存。

(1)安全設(shè)計(jì)方面。安全設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和主要考慮包括以下幾點(diǎn)：一是使用非易燃性材料建造空鐵車輛；二是關(guān)鍵系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)；三是列車與控制中心間設(shè)有可靠通訊機(jī)制；四是車門連鎖以防意外開啟。

(2)安全運(yùn)營管理方面。安全運(yùn)營管理主要指危險(xiǎn)狀況下逃生措施的設(shè)計(jì)。逃生措施包括留車逃生和落地逃生。

①留車逃生。若列車于站間路段發(fā)生故障而無法開動(dòng)，則可使用下列方式之一逃生：第一，派遣救援列車前往故障地點(diǎn)，兩列車(故障與救援)前后相連接后，故障列車乘客經(jīng)由端門疏散到救援列車，并由救援列車載至車站；第二，在雙線路段，救援列車可開往故障列車旁，對齊車門后平行停放，再于兩列車車門之間置放踏板，以使乘客橫跨到救援列車后載離。

②落地逃生?？砧F車輛設(shè)計(jì)有落地逃生裝置，在列車值乘人員的指揮和協(xié)助下，乘客利用繩索、帆布滑道、云梯、逃生筒等方式由車廂直接降到地面，或運(yùn)用救火車的云梯將乘客轉(zhuǎn)載到地面,或者設(shè)計(jì)可伸縮懸掛式列車。

圖3 一種落地逃生方式

五、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)概述?？砧F車控制系統(tǒng)是車輛的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，基于目前自主化的城軌網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(TCMS)平臺(tái)結(jié)合空鐵特點(diǎn)設(shè)計(jì)。自主化空鐵列車管理系統(tǒng)符合IEC61375標(biāo)準(zhǔn)要求，該系統(tǒng)采用多功能車輛總線MVB作為車輛總線，傳輸速率為1.5Mbit/s。連接到車輛網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)子系統(tǒng)的控制單元包括：電氣牽引控制單元、制動(dòng)電控制單元、列車輔助電源控制單元、列車空調(diào)控制單元、列車門控制單元、乘客綜合信息顯示系統(tǒng)等。另外，使用非網(wǎng)管型以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)建維護(hù)以太網(wǎng)，用于支持以太網(wǎng)維護(hù)接口的設(shè)備連接，形成維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，供用戶集中處理軟件更新、數(shù)據(jù)下載等任務(wù)。整個(gè)列車管理系統(tǒng)包括設(shè)備硬件、操作系統(tǒng)、控制軟件、診斷軟件、監(jiān)視軟件和維護(hù)工具等。列車管理系統(tǒng)為所有子系統(tǒng)設(shè)備留有標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，并具有成熟可靠的接口通訊規(guī)范，使得所有車輛子系統(tǒng)能可靠接入。

(二)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。本文以“新能源全景空鐵車輛”為例，介紹其網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

圖4 新能源全景空鐵車輛

1.硬件優(yōu)化設(shè)計(jì)。輕量化、高集成度的機(jī)箱設(shè)計(jì)，在大大節(jié)省了安裝空間的同時(shí)還增加了輸入輸出通道的數(shù)量，低功耗的采集板卡有效降低了新能源車輛的供電負(fù)載；采用更高環(huán)境適應(yīng)性標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的中央控制機(jī)箱提高了環(huán)境適用范圍，也提高了TCMS關(guān)鍵部件的可靠性；功能融合的人機(jī)交互設(shè)備，減少了安裝空間的需求、降低了成本，同時(shí)提高了設(shè)備的易用性和美觀性。升級(jí)后的TCMS硬件平臺(tái)完全適應(yīng)空鐵列車的特點(diǎn)，也可推廣至各型軌道車輛，提升列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)硬件的水平。

圖5 TCMS電氣信號(hào)輸入輸出機(jī)箱

編號(hào)板卡說明數(shù)量備注1電源板124V供電2網(wǎng)關(guān)板1將后面的I/O板卡接入MVB網(wǎng)絡(luò)1路RS485接口1路以太網(wǎng)接口3DI板4單板20路DI通道4DO板1單板16路通道5AX板16路4～20mA、0～10V輸入1路0～15V電壓輸入1路4～20mA、0～10V輸出通道

2.人機(jī)交互設(shè)備的融合技術(shù)的運(yùn)用。常規(guī)城市軌道交通車輛配置有多個(gè)人機(jī)交互設(shè)備，大部分的人機(jī)交互通過觸摸式顯示屏完成，而空鐵車TCMS將傳統(tǒng)PIS(乘客信息系統(tǒng))屏和TCMS屏進(jìn)行了融合，只保留了一個(gè)設(shè)備，這種方案依靠顯示屏硬件的雙網(wǎng)卡集成技術(shù)、操作系統(tǒng)軟件框架優(yōu)化、應(yīng)用軟件融合技術(shù)，這些技術(shù)也是目前支持城軌TCMS設(shè)備和功能升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.基于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的空鐵車輛制動(dòng)控制算法。既有的軌道交通列車上的TCMS系統(tǒng)僅部分參與制動(dòng)工況的控制，主要仍由制動(dòng)和牽引系統(tǒng)完成，而空鐵列車的制動(dòng)控制算法完全由TCMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。這套算法包含制動(dòng)力計(jì)算、制動(dòng)力分配、電制動(dòng)-液壓制動(dòng)配合控制等部分，通過在首臺(tái)空鐵列車上的運(yùn)用及驗(yàn)證，提高了控制的集中化、智能化程度，保證了安全的同時(shí)也提高了車輛制動(dòng)性能，減少了不必要的摩擦損耗。

六、結(jié)語

國標(biāo)GB50490《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》對城市軌道交通，包括地鐵、輕軌、有軌電車、單軌、磁浮等作了總體規(guī)定，空鐵未在其中明確定義，因此，對空鐵相關(guān)技術(shù)的研究還需進(jìn)一步深入?？砧F的發(fā)展一定是要順應(yīng)我國城市化步伐，建立在適合我國國情的一整套技術(shù)體系之上的，只有這樣空鐵才有可能成為人們大眾普遍接受的一種出行方式。