自動導向軌道系統(tǒng)車輛及其走行部分析

曲婉 孫帥

摘 要：自動導向軌道系統(tǒng)在全球范圍內獲得廣泛應用。鑒于產(chǎn)品供應商的不同，各自的名稱和采用的標準各不相同，通過匯總梳理各供應商的車型系列，并選取典型車型對其車輛技術性能進行對比，注重對走行系統(tǒng)導向方式的分析，以及基于對自動導向軌道系統(tǒng)車輛和走行部的綜合分析，探討其在國內中運量城市軌道交通領域應用前景。

關鍵詞：城市軌道交通;自動導向軌道系統(tǒng);走行部;分析

中圖分類號：U271.92

2018年以來，國家進一步加強城市軌道交通規(guī)劃建設管理，促進城市軌道交通規(guī)范有序發(fā)展，嚴格建設申報條件。城市軌道交通多樣性被熱議，中運量軌道交通制式受到越來越多的關注，諸如膠輪路軌系統(tǒng)、自動導向軌道系統(tǒng)、旅客自動運輸系統(tǒng)（APM）、自動輕軌車輛（VAL）、自動導向軌道交通系統(tǒng)（AGT）等系統(tǒng)制式被更多的提及。根據(jù)行業(yè)標準《城市公共交通分類標準》（CJJ/T 114-2007）的分類，國內這些系統(tǒng)制式統(tǒng)一歸屬為城市軌道交通的“自動導向軌道系統(tǒng)”，車輛為“膠輪特制車輛”，屬于中運量城市軌道交通，主要適用于高架和地下。

自動導向軌道系統(tǒng)一般采用獨立路權，車輛采用膠輪承載驅動、配置獨特的導向裝置，具有爬坡能力強、曲線通過能力強、發(fā)車密度小等優(yōu)越性能，可采用自動化運營等級4級（GOA 4）無人駕駛技術實現(xiàn)全自動無人駕駛。在全球范圍內，各主要系統(tǒng)制式根據(jù)現(xiàn)屬供應商的不同可分為4類，分別是：德國西門子VAL系統(tǒng)、加拿大龐巴迪APM系統(tǒng)、日本AGT系統(tǒng)和韓國宇進K-AGT系統(tǒng)，各系統(tǒng)制式自成體系且在全球范圍內擁有廣泛應用。

1 車輛產(chǎn)品譜系化

在全球范圍內，自動導向軌道系統(tǒng)經(jīng)過近50年的發(fā)展，系統(tǒng)技術成熟可靠，產(chǎn)品不斷迭代更新，車型多樣化、系列化，能夠滿足不同業(yè)主的需求。

1.1 德國西門子 VAL 系統(tǒng)

VAL（法語Véhicule Automatique Léger的簡寫）系統(tǒng)最早應用于法國里爾地鐵系統(tǒng)，采用VAL 206型（車寬2.06m）車輛，經(jīng)過驗證，該系統(tǒng)具備99.8%的可靠性，隨后在全法國乃至歐洲陸續(xù)獲得推廣應用。在歐洲地區(qū)主要應用VAL 206、VAL 208（車寬2.08m）車型。為打開美國市場，研制加寬車型VAL 256（車寬2.56m），該車型僅在美國芝加哥奧黑爾機場和中國臺北木柵線獲得應用。VAL 206、VAL 208、VAL 256和VAL 258屬于VAL早期的產(chǎn)品，均采用兩側導向方式;其中，VAL 208是典型產(chǎn)品代表，獲得廣泛應用。

2006年，西門子推出其最新產(chǎn)品NeoVAL，其采用與Translohr相似的單一中央導軌引導。NeoVAL將分別用于城市和機場的產(chǎn)品命名為“Cityval”和“Airval”。目前，NeoVAL尚無開通運營的商業(yè)應用案例，Cityval將應用于法國雷恩B線，Airval將應用于泰國曼谷機場線和德國法蘭克福機場線。

1.2 加拿大龐巴迪 APM 系統(tǒng)

加拿大龐巴迪公司將其城市軌道交通車輛統(tǒng)稱為“INNOVIA”系列。根據(jù)產(chǎn)品的運能、速度等級和適用性的不同，區(qū)分為Metro、Monorail和APM等制式，整個產(chǎn)品序列齊全，能夠滿足城市軌道交通不同等級的需求。

INNOVIA APM產(chǎn)品主要經(jīng)歷3次迭代更新，分別是INNOVIA APM 100（原CX-100）、INNOVIA APM 200、INNOVIA APM 300。最新一代INNOVIA APM 300能夠與前兩代產(chǎn)品兼容，可在基礎設施無需重大改造的基礎上從APM 100、APM 200升級到APM 300系統(tǒng)。

此外，龐巴迪公司針對升級改造項目特別設計INNOVIA APM 256車型。例如，臺北文湖線是原內湖線與木柵線連通運營后的統(tǒng)稱，龐巴迪中標臺北內湖線后，為配合原本木柵線采用的VAL 256車輛的運行，特別研制了INNOVIA APM 256型車輛;美國芝加哥奧黑爾國際機場捷運系統(tǒng)2015年開展的項目升級也由龐巴迪中標，為其提供36輛INNOVIA APM 256車輛。全球范圍內APM 256車型僅在臺北文湖線和芝加哥奧黑爾機場獲得應用。

1.3 日本 AGT 系統(tǒng)

20世紀70年代，日本引進美國技術，由日本國內的8個會社共同開發(fā)，形成獨立的新交通系統(tǒng)標準體系。在日本國內，由多家車輛制造商參與新交通系統(tǒng)的研制，如日本車輛制造株式會社應用于桃花臺線的100型車輛、新潟鐵工所株式會社應用于東京日暮里舍人線的320型車輛、三菱重工業(yè)株式會社（以下簡稱“三菱重工”）應用于東京新交通臨海線的7300型車輛、川崎重工業(yè)株式會社（以下簡稱“川崎重工”）應用于神戶新交通的2000型車輛等。

1983年，日本政府統(tǒng)一制定新交通系統(tǒng)標準化及基本設計規(guī)范，標準化后車輛的導向方式以側導向為主。以三菱重工為例，在后續(xù)市場開拓中對其車型進行歸納區(qū)分，根據(jù)車輛主要應用于機場和城市軌道交通項目的不同區(qū)分為Crystal Mover和Urbanismo;其中，Urbanismo根據(jù)單車總重和載客量的不同區(qū)分為Urbanismo-16、Urbanismo-18和Urbanismo-22，以及設計速度達120km/h的超級AGT——Urbanismo Super AGT。

1.4 韓國宇進 K-AGT 系統(tǒng)

韓國K-AGT系統(tǒng)發(fā)展相對較晚，其項目應用主要集中在韓國國內。根據(jù)車輛應用于機場和城市軌道交通項目的不同區(qū)分車型為APMS和Urban AGT，2種車型的系統(tǒng)性能基本一致，但在車輛寬度、動力設置等方面配置不同，以滿足不同的應用需求。

1.5 各系統(tǒng)制式車型匯總

各系統(tǒng)制式經(jīng)過前期的市場開拓和項目應用經(jīng)驗積累，逐步細分市場，搭建品類齊全、車型多樣的系列化產(chǎn)品，能夠滿足不同運能、不同速度等級的中運量軌道交通需求，在全球范圍內取得良好的應用示范效應，如圖1所示。

2 各系統(tǒng)制式技術參數(shù)對比

以龐巴迪的INNOVIA APM 300、西門子的VAL208和Cityval、三菱重工的Urbanismo-22、川崎重工的2000型和韓國宇進的Urban AGT 為例，分析比較各車型主要技術性能如表1所示。

對比VAL、APM、AGT和K-AGT系統(tǒng)主要技術參數(shù)，可以得出4種系統(tǒng)制式定位幾乎完全相同，單節(jié)車體長度在12m左右，定員100人左右（約為地鐵B型車的60%），設計速度一般為80km/h，能夠滿足高峰小時5000～25000人的運能需求，定位于中運量城市軌道交通。

自動導向軌道系統(tǒng)車體定距短，采用單軸轉向架，其最小水平轉彎半徑一般可達30m;車輛走行部系統(tǒng)采用橡膠輪胎，橡膠輪胎黏著力強，加減速性能和抗傾覆穩(wěn)定性能好，爬坡能力強，一般可達10%;車輛段建設規(guī)模相對緊湊，占地面積小，且車輛段維保設備簡便，車輛日常檢修和大架修要求相對簡單;車輛限界小，適用于高架或者隧道線路，能夠適應各種不同的線路工況;列車編組可采用帶貫通道聯(lián)掛（多用于城市軌道交通項目）和不帶貫通道聯(lián)掛（多用于機場項目），配合運營行車間隔小，行車組織調度更加靈活;系統(tǒng)更能適應復雜的地形地貌環(huán)境，盡量減少征地拆遷工程，有效節(jié)省工程投資。

列車采用全自動無人駕駛，不設單獨的駕駛室，由自動控制系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)監(jiān)控車輛運行并保證安全;無需配備任何司機及值守人員，極大地減少人員配置;列車客室內無操縱臺、電氣柜等電氣設備，使乘客使用面積最大化，提供更佳的乘客體驗;列車采用超大的景觀車窗，特別是車輛兩端設置的超大觀景窗，使車輛外觀舒適美觀且車內視野景觀效果好，能更好地融入城市景觀環(huán)境。

3 車輛走行系統(tǒng)探究

自動導向軌道系統(tǒng)車輛一般每車設置2個單軸走行部，每個走行部配置2個橡膠車輪。為確保行車安全，橡膠車輪均采用防爆胎技術，并裝有胎壓監(jiān)測裝置實時監(jiān)測車胎內氣壓;車輛橡膠輪胎在平滑混凝土路面上行駛，為乘客提供安靜、平穩(wěn)和舒適的乘車體驗。與鋼輪制式軌道交通相比，自動導向軌道系統(tǒng)的車輛走行部將其懸架功能和導向功能分開，采用膠輪驅動承載，并設置特有的導向裝置，其導向方式的差異是各系統(tǒng)走行部的主要區(qū)別，導向方式的不同也決定了各系統(tǒng)間無法兼容。

3.1 VAL 系統(tǒng)

VAL系統(tǒng)的VAL產(chǎn)品采用兩側導向方式，而新一代產(chǎn)品NeoVAL采用中央導向方式。

以VAL 206車型為例，其導向系統(tǒng)采用兩側導向方式。導向裝置包括前后兩側的4個橡膠導向輪（帶有內部金屬安全輪）和前后中間的2個導向滾輪（鋼輪），線路正常行駛時通過兩側的導軌引導橡膠導輪進行側導向，車輛過岔區(qū)時中央鋼軌引導中間導向滾輪進行換道，如圖2所示。

NeoVAL產(chǎn)品以Cityval車型為例，導向系統(tǒng)采用中央導向方式。其導向機構由導向裝置上2對成90°角的2個導向輪在彈簧力作用下與中央導向軌壓合，有效減少了垂直方向的負載，導向軌上方有2個面接觸導向輪，導向輪緣嵌入中間導向軌能夠保證導向輪永久與導向軌壓合，如圖3所示。此外，導向系統(tǒng)的工作狀態(tài)由ATC監(jiān)控，能夠根據(jù)車輛前進方向自動控制導向裝置前后端導向輪的工作狀態(tài)。

3.2 APM 系統(tǒng)

APM 100、APM 200、APM 300車型均采用中央導向方式，導向裝置由安裝在構架上的前后4個導向輪組件組成。其中，APM 100系統(tǒng)的導向軌和導向輪均位于走行輪行走平面以下，APM 300系統(tǒng)的導向軌移動到走行輪行走平面以上，如圖4、圖5所示。最新一代APM 300的走行部通過導向輪橫抱H型鋼制導向軌運行，降低車輛重心，提升抗側傾能力和曲線通過能力，優(yōu)化動力學性能，提高乘坐舒適度，有效提升車輛導向穩(wěn)定性。

APM 256車型采用兩側導向方式，主要是對原有的VAL 256進行升級改造，車輛須使用原有的導軌、車站等基礎設施，走行系統(tǒng)基本沿用VAL 256的設計，采用兩側導向方式，導向原理與VAL產(chǎn)品類似，如圖6所示。

3.3 AGT 系統(tǒng)

AGT系統(tǒng)應用初期同時采用中央導向和兩側導向2 種方式，中央導向方式僅在日本國內的桃花臺線（已停運）和山萬桉樹丘線獲得應用。以桃花臺線車輛為例，其走行系統(tǒng)采用與APM 100類似的導向原理，在構架中央設置4個橡膠導向輪，橡膠導向輪均位于走行輪行走平面以下（參照圖4的APM 100走行部示意圖），以引導車輛運行。

1983年，日本AGT系統(tǒng)統(tǒng)一標準后，導向方式以側導向為主，其兩側導向的走行部主要有4導向輪式（橡膠輪）、2 軸4輪式和4導向輪式（聚氨脂橡膠輪）3種形式，如圖7所示。4導向輪式走行部主要應用于神戶新交通，2 軸4輪式走行部應用于橫浜新都市交通、西武新交通等線路，4 導向輪式走行部應用于橫浜新都市交通、中國澳門氹仔線、韓國首爾機場線等線路。相比較而言，2 軸4輪式和4導向輪式應用更為廣泛。

2軸4輪式走行部導向裝置設置在驅動軸單側（單車對稱布置于兩端），每個走行部設置2個導向輪和2個轉向輪，導向輪與轉向輪同軸上下布置（上輪為導向輪、下輪為轉向輪），可通過檢測導向輪相對于軌道的橫向位移使轉向機構轉向，以實現(xiàn)車輛轉向;當車輛換向行駛時，前后走行部導輪的轉向機構相位反轉。

4導向輪式走行部導向裝置對稱設置在前后兩側，每個走行部設置4個導向輪和4個轉向輪，導向輪具有引導行車的作用，轉向輪具有輔助列車直行和轉向的功能，車輛轉彎時，每個走行部的單側轉向輪被引入相應的轉向軌中，實現(xiàn)列車的直行或轉向;4導向輪式走行部能夠使車輛完全約束在軌道上，且導向輪能直接產(chǎn)生車輛導向所需的側向力，增強車輛運行的平穩(wěn)性，提升車輛小曲線通過能力，車輛操作更加靈活。

3.4 K-AGT 系統(tǒng)

K-AGT系統(tǒng)采用兩側導向方式，車輛的走行部在結構上與日本AGT系統(tǒng)兩側導向的4導向輪式基本類似，同樣是每個走行部前后兩側對稱設置4個導向輪和4個轉向輪，走行系統(tǒng)的導向原理也與兩側導向的AGT基本類似，如圖8所示。

4 國內應用前景分析

國內城市軌道交通基于大運量地鐵系統(tǒng)已充分發(fā)展，中運量城市軌道交通系統(tǒng)或將是未來發(fā)展方向;自動導向軌道系統(tǒng)作為中運量制式能夠滿足業(yè)主多樣化的需求，該系統(tǒng)在市場開拓過程中不斷進行產(chǎn)品更新?lián)Q代，具備良好的適用性。

（1）采用新材料降低車輛的自重，而載客量明顯增加。

（2）優(yōu)化走行系統(tǒng)使車輛運行更加平穩(wěn)，同時運行速度等級明顯提高。

（3）簡化道岔結構形式。其動作時間更短，通過性能優(yōu)越。

（4）提升信號系統(tǒng)的可靠性，行車間隔更短，結合車輛編組靈活特點，行車調度越發(fā)靈活。

（5）自動導向系統(tǒng)通過自身性能的提升，更能適應突發(fā)大客流、全天候運營等需求，可在城市機場線和城市客流相對集中的點對點運輸線路上靈活使用。

自動導向系統(tǒng)起源于機場項目，對于機場捷運系統(tǒng)項目自動導向系統(tǒng)仍然是首選制式。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2019年底，國內已有37個機場年旅客吞吐量達到千萬人次以上，除去已建設APM的機場，從國際上眾多大型機場發(fā)展經(jīng)驗來看，這些機場將來都有建設捷運系統(tǒng)的需求。對于城市軌道交通項目，自動導向系統(tǒng)能夠提升城市交通靈活性、綜合性能以及運營效率，可用作城市軌道交通網(wǎng)絡的加密線、聯(lián)絡線和接駁線，延伸和拓展軌道骨干網(wǎng)絡的服務范圍，契合城市軌道交通線網(wǎng)多層次發(fā)展的需求，也可用作中運量線網(wǎng)規(guī)劃的選擇，是大城市活動中心區(qū)內部、新城組團內部或中小城市軌道交通的制式首選。

5 小結

借鑒國內行業(yè)標準對自動導向軌道系統(tǒng)的定義，對全球范圍內的4種主要系統(tǒng)制式進行分析比較，該4種系統(tǒng)制式的成熟度、可靠性已得到充分論證，車型已形成譜系化，能夠滿足業(yè)主的多樣化需求。通過對各系統(tǒng)車輛技術性能和走行系統(tǒng)的比較，自動導向軌道系統(tǒng)在爬坡能力、曲線半徑通過能力、運營組織靈活性等方面具有獨特的系統(tǒng)優(yōu)勢。因此，自動導向軌道系統(tǒng)在國內中運量城市軌道交通領域具有良好的適用性，尤其是在機場項目和城市軌道交通項目客流相對集中的點對點運輸線路上擁有廣闊應用前景。

參考文獻

[1]CJJ/T 114-2007. 城市公共交通分類標準[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]Brian Burkhard， Craig Elliott， Stacy Learn， et al. Dallas Midtown Automated Transportation System Conceptual Engineering Study[R]. Dallas， Texas， United States：North Central Texas Council of Governments， 2018.

[3]Masahisa Masukawa， Hidekazu Ono. AGT： New TOD Solution for Urban Transportation Issues[J].Mitsubishi Heavy Industries Technical Review，2016（9）：17-23.

[4]劉盼，許文超. 日本新交通系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及技術特點分析[J].機械，2014（10）：14-18.

[5]李東宇，李芾，李剛. 橡膠車輪城市軌道交通車輛的發(fā)展及應用[J]. 電力機車與城軌車輛，2014（9）：28-33.

[6]Hitoashi Tsunashima， Daikichi Kondou， Yosuke Sato. Dynamic Analysis of Automated Guideway Transit Vehicle by Multibody Dynamic System[J]. Japan Societyfor Computational Engineering and Science，2003（12）：39.

[7]Beom-Gyu Eom， Byeong-Yeon Han， Cheon-Heon An， et al. An Analysis of Dynamic Characteristics for Running Safety Improvement of the Rubber Tired AGT Localization Bogie[J]. The Korean Society for Railway：Proceedings of the KSR Conference，2011（10）：1894-1904.

[8]尹燕萍，陸宗彬. 自動旅客運輸系統(tǒng)集成研究[J]. 城市軌道交通研究，2019（10）：46-48，53.

[9]趙小文. 我國中低運量城市軌道交通發(fā)展的幾點思考[J]. 城市軌道交通研究，2019（10）：1-5.

[10] 淺岡義晴. ゆりかもめ7300系車両の概要[J]. 鉄道車両工業(yè)，2013（10）：3-6.

[11] 澳門特別行政區(qū)審計署. 澳門輕軌系統(tǒng)專項審計報告[R]. 中國澳門特別行政區(qū)：審計署，2018.

[12] Francis Kuhn. The Val Lille Urban Community Metros Experience 1972 - 2001[R]. Seoul，Korea：Institut National De Recherche，2001.

[13] 増川正久，片平耕介，河野浩幸. 新交通システム車両向け新形式ボギー臺車の開発[J]. 日本機械學會誌，2014（9）：633.

[14] Jiaxin Wang， Rui Miao， Zhao Xiaowen， et al. Application of System Engineering in APM Project [J].International Journal of Structural and Civil Engineering Research，2019（8）：79-82.

[15] Darai Lajos.K?nny? metrók， VAL rendszerek[R].Budapesti， Magyarország：BME K?zlekedésautomatikaiTanszék，2013.

[16] Mitsuaki Hoshi， Masahisa Masukawa， Ichiro Joren， etal. High-speed Automated Guideway Transit System[J]. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review，2015（52）：57-60.

[17] 鄭亮. 膠輪路軌APM系統(tǒng)走行面的施工管理[J]. 城市軌道交通研究，2018（4）：102-105.

[18] 徐曙. 日本城市新交通系統(tǒng)—AGT [J]. 城市軌道交通研究，1998（2）：61-65.

[19] Masahisa Masukawa， Yutaka Doi， Kosuke Katahira， etal. New Automated Guideway Transit System Yurikamome 7300 Series Carriages[J]. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review，2015（52）：65-68.

收稿日期 2020-03-25

責任編輯 司玉林