解析超級巴士列車

喻佳文，孫志明，汪彥宏

中車株洲電力機車有限公司，湖南株洲，412001

0 引言

超級巴士列車是一種較為新型的城市公共交通列車，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市較大型的公共交通系統(tǒng)主要分化為地鐵輕軌系統(tǒng)、有軌列車和無軌列車系列。其中，地鐵輕軌系統(tǒng)對城市人口基數(shù)和財政能力有較高要求。

有軌列車作為中小運量的軌道交通系統(tǒng)，適應(yīng)于中小型城市、工業(yè)區(qū)、科技新區(qū)等地區(qū)使用，相比地鐵輕軌系統(tǒng)投入較低，每正線公里約1億元～1.5億元，但仍需實施軌道工程、建設(shè)專用車庫、仍有一定拆遷成本。

但實際上城市普通公交車已不能很好滿足國內(nèi)外中小型城市、工業(yè)區(qū)、科技新區(qū)的城市公共交通的出行需求，需要一種新型汽車列車為城市公共交通出行提供新的選擇。

本文解析一種新型的超級巴士列車，屬于無軌列車系列。相比小運量的公交車產(chǎn)品，超級巴士列車具有載客量數(shù)倍的優(yōu)勢；相比有軌列車具有工程造價更低的優(yōu)點：每正線公里造價3000萬元～5000萬元，無需鋪設(shè)專有軌道、不需要拆遷、車庫占地省且簡化等；且載客量接近、建設(shè)周期短（一年甚至更短），具有潛在的廣闊應(yīng)用市場。

1 國內(nèi)外背景

梅賽德斯奔馳推出CAPACITY L鉸接式客車，如圖1，其長度達21m，其第四軸可轉(zhuǎn)向，軸重達32t。

圖1 CAPACITY L 鉸接式客車

比利時客車的24m長的雙鉸接客車，采用混合動力系統(tǒng)（柴油、電動），應(yīng)用于梅茨市公交公司Mettis，該雙鉸式客車兼顧了一般客車的靈活和輕軌的準(zhǔn)時，為乘客提供舒適便捷的交通方式，如圖2所示。

圖2 范胡爾公司的混合動力雙鉸式客車

德國德累斯頓的AutoTram Extra Grand 超長鉸接式客車，長度近31m，單向行駛，可搭載256人，如圖3所示。車輛擁有4個轉(zhuǎn)向軸使其可以更加敏捷，此外還裝備了大量的車載雷達傳感系統(tǒng)和駕駛輔助系統(tǒng)，通過遍布車身的雷達探頭，可獲得車外相關(guān)信息。

圖3 AutoTram Extra Grand

目前，在我國城市道路上使用的公交客車主要有長度為12m和13.7m長單體客車、18m長單鉸接式客車。由于一次載客人數(shù)有限，不能滿足不斷增加的公共交通需求，尤其是在上、下班交通高峰期，無法滿足短時期劇增的出行需求，為解決城市建設(shè)發(fā)展帶來的公共交通問題，國內(nèi)在積極尋求公共交通解決方案，也推動著鉸接式公交車的研究發(fā)展。

2008年推出了25m雙鉸接公交車JNP6250G，如圖4所示；2019年推出了27m純電動雙鉸接大巴—k12A，該車輛創(chuàng)造了全球迄今最長的純電動大巴紀(jì)錄，如圖5所示。

圖4 2008 年青年JNP6250G 雙鉸公交車

圖5 2019 年比亞迪k12A 雙鉸客車

2017年，國內(nèi)研制了用于智能軌道快運系統(tǒng)的“智軌”公路快運車輛，該車輛采用多鉸接編組形式，車輛全長達到30多m，如圖6所示。

圖6 “智軌”車輛

2 編組形式

在中大型城市的城市公共交通線路前期的規(guī)劃中，普遍遇見較為敏感的問題是確定合理的列車編組形式，即初期、近期、遠期列車編組車輛數(shù)的確定。因其會直接影響車站和車場的規(guī)模、線路條件、系統(tǒng)運行配合能力、投資資金規(guī)模等方面。

浙江中車電車公司2016年已成功研制18m長無軌電車，為兩編組列車，編組形式為Mc+Tp，能滿足中低等客流量的運營需求，最小轉(zhuǎn)彎半徑15m。Mc——帶動力車廂，Tp——不帶動力車廂。

2012年，德國率先研制出身長約31m的超級巴士，為三模塊編組形式，編組形式為Mc+Tp+Tp，單向行駛。該種編組形式可滿足中高等客流量的運營需求。簡單的列車編組圖詳見圖7，該種車型可解編成兩節(jié)編組列車以滿足中低等客流運量的城市需求，但礙于結(jié)構(gòu)限制，無法再進一步擴編，無法滿足更高客流量的運營需求。

圖7 三節(jié)編組形式

本文主要解析的超級巴士列車是一種可雙向行駛的，身長約36m，四模塊編組的儲能式無軌列車。列車編組形式為Mc+Tp+Tp+Mc，6軸主動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，最小轉(zhuǎn)彎半徑可達12m。該種編組形式可根據(jù)不同的客運量需求輕松變形為Mc+Tp、Mc+Tp+Tc、Mc+Tp+Mc、Mc+Tp+Tp+Tp+Mc、Mc+Tp+Tp+Tp+Tp+Mc等多種組合形式（圖8），十分靈活多變，市場適應(yīng)性更強。

圖8 汽車列車編組及部分編組變形圖

3 關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)

3.1 環(huán)境條件

超級巴士列車須滿足的自然環(huán)境條件見表1。

表1 自然環(huán)境條件

3.2 整車技術(shù)參數(shù)

超級巴士列車的相關(guān)整車技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 整車技術(shù)參數(shù)

4 公共路權(quán)運行環(huán)境下非輪軌接觸多軸主動導(dǎo)向循跡系統(tǒng)

該種新型的汽車列車與有軌車輛最重要的區(qū)別在于：該列車為非輪軌接觸的主動自導(dǎo)向循跡列車，且基于公共路權(quán)。為此，公共路權(quán)運行環(huán)境下非輪軌接觸多軸主動導(dǎo)向循跡系統(tǒng)作為該列車中極其關(guān)鍵的自動化系統(tǒng)之一，直接決定列車行駛路徑和運營安全性。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

主要由道路感知識別系統(tǒng)、主動循跡液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、胎地耦合獨立轉(zhuǎn)向走行系統(tǒng)等構(gòu)成。

4.1.1 道路感知識別系統(tǒng)

基于公共路權(quán)的道路感知識別系統(tǒng)需要具備自動識別道路環(huán)境感知、行人/非機動車姿態(tài)感知預(yù)測和風(fēng)險辨識能力。

在公共道路上行駛的自導(dǎo)向超長汽車列車不僅要確保自身的安全行駛，也需要確保道路上其他人事物的安全，不得與列車有所接觸碰撞。基于多線程激光雷達、差分GPS、機器視覺及紅外探測技術(shù)，通過在車端裝備攝像頭和紅外線探測器等設(shè)備（圖9）來識別列車前方出現(xiàn)的物體，并判斷物體的種類和位置來及時調(diào)整列車行駛速度或緊急停車。

圖9 圖像采集

在列車通過紅綠燈路口時，道路感知識別系統(tǒng)還需與路口指揮系統(tǒng)協(xié)同工作，由于列車車長較長，通過路口時應(yīng)首先確保已接受到允許通過信號，其中協(xié)同控制邏輯如圖10。

圖10 路口通過協(xié)調(diào)控制邏輯

4.1.2 主動循跡液壓轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)

該汽車列車的主動循跡轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)為六軸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，根據(jù)路面鋪設(shè)的虛擬線路指引及道路感知識別系統(tǒng)控制首軸轉(zhuǎn)角，后五軸轉(zhuǎn)角由主動循跡轉(zhuǎn)向系統(tǒng)輸出控制。實際執(zhí)行機構(gòu)由轉(zhuǎn)向器、角度傳感器、液壓系統(tǒng)、控制閥、液壓缸、液壓泵、過濾器、控制器等元件構(gòu)成。

首軸轉(zhuǎn)向角度通過轉(zhuǎn)向器直接控制首軸轉(zhuǎn)向，同時該轉(zhuǎn)角信號將傳送至STCU中，并由STCU對后續(xù)5軸的輸出角度進行計算，通過各BSL-ECU進行實際的軸輸出角度控制和鉸接盤角度控制，以半列車為例。列車進行中產(chǎn)生的實際轉(zhuǎn)角影響因素很多，如列車行進速度、環(huán)境條件、線路工況等。每根軸和貫通道交接盤均配有角度傳感器，對各軸的實際輸出轉(zhuǎn)角進行實時監(jiān)控，角度傳感器精度為0.1°。

該系統(tǒng)需能確保列車能順利通過最小曲線12m的彎道（圖11）。

圖11 最小曲線半徑R12

4.1.3 胎地耦合獨立轉(zhuǎn)向走行系統(tǒng)

胎地耦合獨立轉(zhuǎn)向走行系統(tǒng)是以上系統(tǒng)的末端執(zhí)行機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的設(shè)計不僅會直接影響道路感知識別系統(tǒng)和主動循跡液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的執(zhí)行效果，且對車輛運行的動態(tài)穩(wěn)定性也至關(guān)重要。為此，應(yīng)建立胎地耦合列車動力學(xué)模型，對列車通過性、操縱穩(wěn)定性、平順性和懸架K&C特性進行深入分析[1]。

全列車由“2+1”軸式的兩個相同單元組成，全列車共6根軸，前后2根軸為動力軸，其余4根為非動力軸。

所有軸都具有自動轉(zhuǎn)向控制，彎道適應(yīng)性好，該走形系統(tǒng)主要有轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋和轉(zhuǎn)向橋構(gòu)成。

轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋位于車輛端部，對稱布置，具有高承載能力，最大軸重滿足整車要求。采用斷開式雙叉臂轉(zhuǎn)向驅(qū)動車橋，主要由主減速器、差速器、傳動半軸、驅(qū)動橋殼、轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、支撐梁（臂）等組成，其作用是將萬向傳動裝置傳來的電機轉(zhuǎn)矩傳給驅(qū)動車輪。采用的是兩級減速方式，其中一級減速器安置在驅(qū)動橋殼中，并搭配輪邊減速器以實現(xiàn)降低車速、增大轉(zhuǎn)矩作用。車橋的兩側(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)于傳動軸軸線鏡像對稱。

轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋位于車輛中部，整車共配備四個轉(zhuǎn)向橋，對稱布置，最大軸重滿足整車要求。采用斷開式低地板轉(zhuǎn)向車橋，主要由轉(zhuǎn)向節(jié)、輪轂、支撐梁（臂）等組成，通過車橋中的轉(zhuǎn)向節(jié)使車輪可以偏轉(zhuǎn)一定角度，實現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向橋與轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋的區(qū)別主要為：轉(zhuǎn)向橋不含有驅(qū)動裝置，轉(zhuǎn)向連桿的設(shè)計依據(jù)整車需求設(shè)置。

采用雙叉臂式獨立空氣懸架[2]，該種懸架具有上下兩個叉形控制臂，擁有較好的橫向穩(wěn)定性能。主要部件有：空氣彈簧（橡膠彈性止擋）、減振器、轉(zhuǎn)向節(jié)和控制臂等。列車進行過程中，車輪以主銷的軸線為中心線轉(zhuǎn)動，本項目轉(zhuǎn)向節(jié)上下球頭銷連線相當(dāng)于主銷軸線。

與有軌車輛相比，該系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢：最小曲線半徑更小（12m）、爬坡能力更強（13%）、通過噪聲更小（降低3dB以上）、更為經(jīng)濟、維護成本更低等。

4.2 主動跟隨轉(zhuǎn)向控制策略

結(jié)合主動循跡液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和胎地耦合獨立轉(zhuǎn)向走行系統(tǒng)統(tǒng)一控制的主動跟隨轉(zhuǎn)向策略[3]，此處的跟隨主要指轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在獲知首軸轉(zhuǎn)角之后，后續(xù)五軸轉(zhuǎn)軸和車間鉸接裝置跟隨首軸軌跡的控制策略，控制過程見圖12。

圖12 主動跟隨轉(zhuǎn)向控制策略圖

可以看出，每根轉(zhuǎn)軸的控制均基于首軸的輸入信號，理論上如其他總體技術(shù)參數(shù)可以得到滿足的情況下，如最小曲線半徑、行駛速度等，后續(xù)五軸及鉸接裝置可實現(xiàn)主動循跡的功能。

具體執(zhí)行時，首軸轉(zhuǎn)角由駕駛員手動轉(zhuǎn)動方向盤執(zhí)行，由與方向盤直接連接的液壓轉(zhuǎn)向器對方向盤轉(zhuǎn)角進行執(zhí)行和監(jiān)控，并以此作為后續(xù)轉(zhuǎn)向控制的轉(zhuǎn)角輸入，即首軸轉(zhuǎn)角[4-5]。

接收到首軸轉(zhuǎn)角后由轉(zhuǎn)向控制單元進行判斷后，向分控車輛鉸接盤和各節(jié)車控制車軸轉(zhuǎn)向的控制單元發(fā)送各單元獨立的轉(zhuǎn)角指令，由各單元的轉(zhuǎn)向助力裝置執(zhí)行轉(zhuǎn)角輸出，在此過程中會通過各自單元獨立的轉(zhuǎn)角監(jiān)控傳感器對實際轉(zhuǎn)角進行實時監(jiān)控，并在不斷地監(jiān)控反饋中修正，調(diào)整各轉(zhuǎn)向助力裝置的轉(zhuǎn)向壓力以達到實際轉(zhuǎn)角與輸出轉(zhuǎn)角相同的目的，確保整套轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的精準(zhǔn)和可靠。

5 結(jié)語

一種新型的超級巴士列車集成了多種前沿信息科學(xué)技術(shù)，我國株洲市等地已率先投產(chǎn)使用，目前我國的超長型巴士列車技術(shù)已處于世界領(lǐng)先水平，但仍待完善之處。相信該種車型列車會有更廣闊的應(yīng)用市場前景。