悬挂式单轨列车概述及其控制系统设计

□于人生 宋 扬 姜仲昊

悬挂式空中单轨交通系统，其轨道在列车上方，由钢结构或砼立柱高架悬空设置，轨道实际上为箱式结构，下部有开口，称为“轨道梁”，列车的走行机构在轨道梁内，载客的车厢“悬挂”在走行机构下。悬挂式单轨列车又称空轨列车、空铁列车，简称“空铁”、“空轨”或者“空列”。

一、国内外发展概述

(一)国外发展概述。悬挂式单轨列车在国外有100多年历史，主要是德国和日本开展了研究工作并有线路投入运营。1901年，德国伍珀塔尔市非对称走行部悬挂式单轨车建成运营；1960年，法国研制采用橡胶轮的对称式悬挂的SAFEGE型悬挂式单轨车；1984年，德国研发自动化悬挂式单轨交通系统H-Bahn在多特蒙德大学问世；1988年，日本千叶悬挂式单轨2号线通车；1993年，德国多特蒙德第二代空中轨道列车；1999年，日本千叶悬挂式单轨1号线通车；2002年，德国杜塞尔多夫市新建机场至火车站的空铁线路。

(二)国内发展概述。国内对空铁的研究从2010年以后开始逐步开展，有关的技术资料逐步增多、逐渐深入，到2016年首列国产新能源空铁下线，标志着我国自主化的空铁交通系统进入了实质试验和运用阶段。2016年9月，首列新能源空铁列车在中车浦镇公司下线，随后在成都中唐空铁公司的试验线进行调试；2016年12月，中车资阳公司生产的空铁车辆下线，之后在成都中唐空铁公司的试验线进行调试；2017年7月，中车四方公司研发的最高运行时速为70公里/小时的新型悬挂式单轨列车下线，进入型式试验和试运行阶段；2018年10月，河南开封空铁试验线进入施工试验示范阶段，这条示范线由北京中建空列集团有限公司实施，中车资阳公司等负责车辆设计、生产等任务；2018年9月，中唐空铁集团有限公司与中车浦镇公司合作研发的第二代空铁产品——新能源全景空铁在第十七届中国西部国际博览会亮相，随后“全景空铁”完成调试并在成都试验线开始试验性运行。

总的来说，国内进行设计制造的主要有中唐空铁、中车浦镇公司、中车四方股份、中车资阳公司等，国际空列集团、中冶空铁、北京中建空列、中车株机公司等也进行了研究和实践。贵州雷山、河南开封、四川大邑、湖北建始、陕西韩城以及深圳等地均在积极论证和筹备建设空铁交通示范线路。

二、特点和优势

(一)安全可靠。空铁的走行轮和导向轮始终在封闭箱形轨道梁内部，保障了系统的运营安全，另外，车辆在空中运行，出现与其它物体相撞的概率极低。

(二)绿色环保。列车采用电力驱动，没有废气排放。动力系统集中在封闭的轨道梁内，并且胶轮的设计减少了噪音，典型的指标是距离车体6.5米处噪音小于65dB。

(三)造价低。空铁交通系统与其它交通方式相比，具有建造成本低、维护成本低、运营成本低的优势。

(四)施工简单。线路采用模块化生产、现场组装的方式建造，工期短、施工占地少、环境影响小。

(五)节约土地。空铁交通系统采用架空线路可以沿道路一侧或中间绿化带设计，占地面积极少。

(六)自动化程度高。采用适用于空铁系统的信号系统，确保车辆准点率，避免因人为操作失误而导致的超时、冒进、追尾等事故。

(七)快捷中运量。悬挂式空中列车系统属轻型、中速、中运量公共交通工具，不受地面交通影响，每节车厢定员75人，高峰运量可达2万人/小时。

(八)可拆卸重复使用。根据城市发展需要，可随时延长、拆卸或改变路线，移至其它需要的地方，不会造成资源浪费。

(九)线路适应性强。空铁车辆爬坡能力强、转弯半径小，适合不同地形和既有建筑格局；一些城市有特殊地质结构，如泉水、硬质岩层等，修建地面轨道交通地质条件不允许；对于已成体系的公共交通系统，可进行适应性设计，与其他交通方式实现零距离换乘。

(十)适应天气。空铁是在封闭轨道梁内运行的，所以受恶劣天气影响小，在遭遇大雨、大雪、冰冻等恶劣天气时，空铁可以照常运营。

(十一)环境协调性好。空铁线路以及空铁车辆外形简洁美观，能够根据线路特点进行优化，使空铁线路本身融于周围环境中，也作为整体风景中的一部分。

(十二)乘客视野开阔。空铁的架空设计使乘客拥有较大的视野，方便乘客一览沿途风景。

三、适用范围

空铁交通系统是一种轻型、中速、中运量的新型公共交通方式，可以作为城市立体公交体系的组成部分，与现有的城市公交、城轨线路等交通方式互为补充，其主要适用于：大城市交通系统的补充线路；中小城市公共交通系统干线；机场、火车站、高铁城际、城轨线路、汽车站、客运码头之间联络线；旅游区、主题公园等往返或景点间、景点内的线路；机场航站楼、大型商务区、开发区、功能场馆等内部交通线；特殊地质条件、特殊环境交通线。

四、关键技术

悬挂式单轨是一套系统工程，涉及到轨道梁、供电、车体、转向架、信号系统等专业。得益于我国轨道交通行业的快速发展，空铁交通系统各项关键技术均依托于成熟的城轨交通技术平台，综合国产化率超过90%。悬挂式单轨交通系统相关技术的研究主要包括：轨道梁及道岔技术、空铁信号系统、空铁车辆相关技术、安全设计及运营技术等。

(一)轨道梁及道岔技术。空铁车辆悬挂在由立柱支撑在空中的轨道梁下方，通过车辆上的走行装置沿下部开口箱型轨道梁的走行面滚动，导向轮沿轨道梁导向面关东导向行驶。悬挂式单轨列车根据车辆转向架与轨道梁的不同分为对称式和非对称式。

图1 对称式悬挂单轨结构

轨道梁桥设计制造技术和道岔梁设计制造技术是空铁交通系统关键技术。轨道梁直接悬挂于墩柱下，墩柱通过预埋锚栓与承台桩基相连，桥墩柱采用冷弯折成型制造工艺。道岔采用整体平移式道岔设计，区别于单开道岔，省去了转向架稳定轮设计，车辆通过道岔更加安全可靠。

一种典型的轨道梁参数如表1所示。

表1 一种典型轨道梁参数

经过测量和计算，这种轨道梁系统的性能数据如表2所示。

表2 一种典型轨道梁测试数据

(二)信号系统。空铁交通系统的轨道条件和车辆条件与一般轨道交通的钢轮钢轨系统差别较大，传统CBTC(基于通信的列车控制系统)信号系统在空铁上应用有三点不足之处：系统复杂、安装困难、成本高昂，这对信号系统也提出了新的需求。面对新需求，信号系统研究了以下关键技术：配置降级系统的必要性、主级定位检测设备的选择、控制算法优化、无人驾驶的采用、轨旁设备设计施工一体化。

表3 空铁信号系统特点

(三)空铁车辆。

1.转向架。转向架技术是空铁交通系统最关键的技术之一，也是空铁车辆最具特色的技术。空铁车辆的转向架由构架、橡胶走行轮、导向轮、橡胶簧、枕梁、中心销、悬吊机构、横向/垂向减震器、驱动装置以及制动装置等组成。转向架关键参数主要包括：导向轮高度、导向轮与导向轨间隙、横向减震器阻尼、垂向减震器阻尼等，一组典型值如表4所示。

表4 一种典型转向架阻尼设计参数

图2 熊猫空铁列车

2.牵引系统。空铁车辆的牵引系统主要特征是小型化、高效率。牵引箱的外包络尺寸可达2,020mm×1,100mm×510mm，牵引系统关键参数包括:最高持续运行速度、设计结构速度、启动加速度、平均加速度、常用制动平均减速度、紧急制动等效减速度等。一组典型的牵引系统参数如表5所示。

表5 空铁牵引系统典型值

3.控制系统。空铁车辆的控制系统基于城轨交通车辆技术平台，并需要结合空铁车辆的特点进行定制化的设计，关键技术包括以下两种。

(1)低功耗、高集成车载电气信号采集技术。空铁车辆的设备安装空间有限，需要对设备的安装尺寸进行优化，典型的机箱尺寸可达227mm×199.5mm×132.5mm，相比一般机箱结构的网络控制系统机箱体积更小。硬件板卡电路、机箱结构、对外接口需要重新设计，目标是单位体积实现的采集通道更多。

(2)设备可靠性设计技术。空铁车辆的控制电气箱位于车辆上方，暴露在室外，区别于一般地铁列车安装于车厢内的电器柜，环境温度、潮湿、沙尘方面相对恶劣，一般对电气设备的环境要求按照IEC60571(GB25119)等标准及其最新版进行设计，但其中对沙尘防护没有明确要求，盐雾试验也是型式试验中可选的项目，针对这个问题需要网络控制系统设备进行适应性设计，并通过型式试验进行验证。

4.安全设计及运营技术。空铁交通系统作为一种新的交通方式，安全是其能否继续发展的决定性因素。空铁的安全从系统的安全性设计和安全运营管理两个方面来保证，这两个方面相互依存。

(1)安全设计方面。安全设计的关键技术和主要考虑包括以下几点：一是使用非易燃性材料建造空铁车辆；二是关键系统冗余设计；三是列车与控制中心间设有可靠通讯机制；四是车门连锁以防意外开启。

(2)安全运营管理方面。安全运营管理主要指危险状况下逃生措施的设计。逃生措施包括留车逃生和落地逃生。

①留车逃生。若列车于站间路段发生故障而无法开动，则可使用下列方式之一逃生：第一，派遣救援列车前往故障地点，两列车(故障与救援)前后相连接后，故障列车乘客经由端门疏散到救援列车，并由救援列车载至车站；第二，在双线路段，救援列车可开往故障列车旁，对齐车门后平行停放，再于两列车车门之间置放踏板，以使乘客横跨到救援列车后载离。

②落地逃生。空铁车辆设计有落地逃生装置，在列车值乘人员的指挥和协助下，乘客利用绳索、帆布滑道、云梯、逃生筒等方式由车厢直接降到地面，或运用救火车的云梯将乘客转载到地面,或者设计可伸缩悬挂式列车。

图3 一种落地逃生方式

五、控制系统设计

(一)系统概述。空铁车控制系统是车辆的关键系统之一，基于目前自主化的城轨网络控制系统(TCMS)平台结合空铁特点设计。自主化空铁列车管理系统符合IEC61375标准要求，该系统采用多功能车辆总线MVB作为车辆总线，传输速率为1.5Mbit/s。连接到车辆网络上各个子系统的控制单元包括：电气牵引控制单元、制动电控制单元、列车辅助电源控制单元、列车空调控制单元、列车门控制单元、乘客综合信息显示系统等。另外，使用非网管型以太网交换机构建维护以太网，用于支持以太网维护接口的设备连接，形成维护网络，供用户集中处理软件更新、数据下载等任务。整个列车管理系统包括设备硬件、操作系统、控制软件、诊断软件、监视软件和维护工具等。列车管理系统为所有子系统设备留有标准的通信接口，并具有成熟可靠的接口通讯规范，使得所有车辆子系统能可靠接入。

(二)设计要点。本文以“新能源全景空铁车辆”为例，介绍其网络控制系统的设计要点。

图4 新能源全景空铁车辆

1.硬件优化设计。轻量化、高集成度的机箱设计，在大大节省了安装空间的同时还增加了输入输出通道的数量，低功耗的采集板卡有效降低了新能源车辆的供电负载；采用更高环境适应性标准设计的中央控制机箱提高了环境适用范围，也提高了TCMS关键部件的可靠性；功能融合的人机交互设备，减少了安装空间的需求、降低了成本，同时提高了设备的易用性和美观性。升级后的TCMS硬件平台完全适应空铁列车的特点，也可推广至各型轨道车辆，提升列车网络控制系统硬件的水平。

图5 TCMS电气信号输入输出机箱

编号板卡说明数量备注1电源板124V供电2网关板1将后面的I/O板卡接入MVB网络1路RS485接口1路以太网接口3DI板4单板20路DI通道4DO板1单板16路通道5AX板16路4～20mA、0～10V输入1路0～15V电压输入1路4～20mA、0～10V输出通道

2.人机交互设备的融合技术的运用。常规城市轨道交通车辆配置有多个人机交互设备，大部分的人机交互通过触摸式显示屏完成，而空铁车TCMS将传统PIS(乘客信息系统)屏和TCMS屏进行了融合，只保留了一个设备，这种方案依靠显示屏硬件的双网卡集成技术、操作系统软件框架优化、应用软件融合技术，这些技术也是目前支持城轨TCMS设备和功能升级的关键技术。

3.基于网络系统的空铁车辆制动控制算法。既有的轨道交通列车上的TCMS系统仅部分参与制动工况的控制，主要仍由制动和牵引系统完成，而空铁列车的制动控制算法完全由TCMS系统实现。这套算法包含制动力计算、制动力分配、电制动-液压制动配合控制等部分，通过在首台空铁列车上的运用及验证，提高了控制的集中化、智能化程度，保证了安全的同时也提高了车辆制动性能，减少了不必要的摩擦损耗。

六、结语

国标GB50490《城市轨道交通技术规范》对城市轨道交通，包括地铁、轻轨、有轨电车、单轨、磁浮等作了总体规定，空铁未在其中明确定义，因此，对空铁相关技术的研究还需进一步深入。空铁的发展一定是要顺应我国城市化步伐，建立在适合我国国情的一整套技术体系之上的，只有这样空铁才有可能成为人们大众普遍接受的一种出行方式。