快速公交系统(面向智能快速公交的M3磁浮交通系统)

快速公交系统

随着轨道交通的快速发展，高速铁路、地铁、轻轨等公共交通方式支撑和推动着城市的运转。高速铁路面向城际（主要为长途）客流运输，地铁、轻轨面向城市内部客流运输。然而，市域衔接一直以来是城市交通的薄弱环节，困扰着众多居住于市郊、工作于市中心的上班族。为满足市域快速旅客运输的需求，国内外许多研发团队正致力于开发中低速磁浮系统，以提供一种旅行速度高于自驾车且更加快捷、环保、经济的公交制式，吸引自驾车通勤人员向公交转移，从而提升城市交通的整体效能，减少交通拥堵和排放污染。其中，美国开发的M3磁浮技术和原理样机具有突出的特色，其编组灵活，运行噪声低，能耗低，无接触供电，可全自动运行，有开发为环保、智能、快速公交的潜在价值。

1.1 原理
M3磁浮系统采用永磁与电磁混合悬浮技术和长定子直线驱动技术，可实现车辆在任何速度（即速度为0～最高运行速度）下的悬浮，并通过轨道两侧下部的同步直线电机长定子（包括驱动绕组与内部铁芯）与车上安装的混合磁体的相互作用驱动车辆运行。

M3磁浮系统的驱动原理如图1所示。单节列车由若干个悬浮架支撑，悬浮架与车体直接连通，安装在悬浮架上的混合磁体（即永磁和电磁混合磁体）用作直线电机的励磁磁极。在驱动绕组中通入可调频调压的三相交流电后，会产生沿轨道纵向移动的磁场，此移动磁场与混合磁体相互作用，驱动车辆向前或向后直线运动。

车辆悬浮的原理如图2a所示。通过调节悬浮架上混合磁体中电磁铁励磁线圈的电流控制悬浮间隙，使混合磁体和轨道相互作用所产生的磁力与车辆自重和有效载重达到平衡，从而最大限度地减小悬浮能耗；车辆载重较大时减小悬浮间隙，载重较小或空载时增大悬浮间隙。车辆的导向原理如图2b所示。单个悬浮架的每侧各有4个混合磁体，它们横向错位排列，第1个和第4个对齐，中间2个对齐，而且中间2个与第1、第4个之间留有一定的偏移量。在M3磁浮系统中，车辆的横向摆动可通过调节第1、第4个磁体与中间2个磁体中电流的比例进行反馈控制。车辆将会向电流较高的磁极方向移动。因此，仅用1组磁体即可实现悬浮和导向。

1.2 特点
M3磁浮系统采用永磁与电磁混合悬浮技术，具有以下特点。

（1）悬浮间隙较大。目前投入运营的磁悬浮系统的悬浮间隙一般较小，为8～10 mm，对悬浮控制性能、轨道刚度和平顺性的要求较高。M3磁浮系统采用永磁和电磁混合悬浮技术，将悬浮间隙增大至15～20 mm，可降低对轨道刚度和平顺性的要求，有利于降低轨道成本。此外，M3 磁浮系统可根据车辆负载的变化改变悬浮间隙，使励磁线圈电流保持在接近0的水平，因此功耗较小，发热也较少。在悬浮同样质量的情况下，M3磁浮系统的悬浮功耗仅约为目前投入运营的中低速磁浮列车的20%。

（2）悬浮、导向和直线驱动功能由车上的同一套混合磁体实现，这是M3磁浮系统独特的设计。用于悬浮的混合磁体可同时用作直线电机的转子（励磁磁极），以驱动车辆运行；还可通过调节横向错位排列磁体的悬浮电流分配差值调节导向力。这种设计有利于减小车辆的质量，并降低车上设备的总能耗。

（3）车辆采用无接触供电方式。目前投入运营的磁浮线路一般采用直线感应电机驱动车辆运行，通过将传送到车上的直流电逆变为可调压调频的三相交流电，为车上安装的直线电机定子供电，使之产生移动磁场，并与轨道上的感应板发生相互作用，从而产生牵引力。由于牵引功率的转换和控制在车上完成，因此需要使车上的受流器与轨道上的供电轨接触，从而将电能从地面传送到车上。然而，M3磁浮系统所采用的长定子直线同步电机不需要供电轨供电，牵引功率的转换和控制都在轨道侧完成。车上空调、悬浮、照明、通信等设备所需的电能可通过感应供电方式（非接触）或蓄电池（在车站和车库充电）提供。M3磁浮车辆的无接触供电方式，有利于减小车辆运行噪声，降低系统维护成本。

M3城市磁浮系统是针对市域（市区到郊外镇区、机场或高铁车站等）便捷交通设计的磁浮系统，能够以智能化的运行模式实现市域之间的快速公交运输。

2.1 面向智能快速公交的特点
（1）列车编组灵活。M3城市磁浮列车的编组形式如图3所示，其中图3a中的2节编组小型列车可用于客流量较小的路段或时段，图3b中的6节编组列车可用于客流量较大的路段或时段。在客流量较大的早晚高峰时段，用多编组列车按照固定时间和路径运送上下班旅客。在非高峰时段，列车可自动解编为小型车辆，根据乘客个性化的用车需求，专送客人到达目的地。

（2）支持个人快速公交（PRT）模式。在客流量较小的非高峰时段，可依据PRT的概念，以M3城市磁浮系统为基础，采用智能化、个性化的快速公交模式，即通过智能调度系统响应乘客的用车指令，就近调用小型车辆（如单节车），专送客人达到目的地，也可顺路带上同一路径上、下车的其他旅客。这一模式可以理解为自动响应乘客呼叫的有轨专车，在人与车的关系上，类似高楼升降电梯的运行模式。

（3）群集、全自动运行，智能控制。M3城市磁浮列车采用自动运行控制技术，实现了全自动运行。列车运行控制系统是其运行调度组织的核心，通过该系统的列车定位、测速及车地无线通信等智能化功能，控制中心能够实时获取列车位置和速度相关的信息，并以此为依据对区段上列车的运行进行调度和控制，使列车之间可以保持较小的运行间隔，实现高发车频率（大约5 s发1辆），从而缩短乘客候车时间，减少行程的平均时长。列车以短站距运行时（如典型的1 km停站），若停站时间控制在平均每站20 s（相当于公交车的常规停站时间），最高运行速度为25 m/s（90 km/h），加速度为1.6 m/s2，则其旅行速度为12.8 m/s（46 km/h），高于大多数公共交通系统的平均速度；列车以长站距运行时（如3 km以上），其最高运行速度可提高至45 m/s（160 km/h），旅行速度可以达到80 km/h以上。

2.2 优点
M3城市磁浮系统可将轨道交通的3要素，即成本、旅行时间和对环境的影响降到最低限度。根据美国的技术评价报告，M3 城市磁浮系统的优点如下。

（1）建设成本低。根据美国的技术评价报告进行数据换算可知，M3城市磁浮系统（单节车厢）每双线千米的建设成本约为1.5～1.8亿元人民币（不包括用地费用），低于其他城市轨道交通系统，如表1所示。然而，M3城市磁浮系统的建设成本与运能相关，由于单节车厢运能较小，因此其建设成本较低；如果按照国内中低速磁浮系统的运能设计M3城市磁浮系统，则其与国内中低速磁浮系统的建设成本相当。

（2）运营及维护费用低。由于M3城市磁浮系统为全自动运行系统，车辆不需要配备操作人员，系统运营的人力成本较低。此外，系统中不包含对维护要求非常高的接触供电磨损部件，轨道与车辆维护工作的主要内容是检查和更换故障件，并偶尔清洁车辆电磁铁表面。据估算，M3 城市磁浮系统样机在载客率为50%、速度为80 mile/h（128.8 km/h）时，能耗为100 W·h/人·mile（62.1 W·h/人·km），远低于其他公共交通系统，如图4所示。由于能耗低、所需运营人员少，M3城市磁浮系统的预测运营成本为0.12 元/人·km，为传统公共交通系统的30%～50%。

（3）旅行速度高，乘客候车时间短。现有的城市公交制式存在旅行速度低（地面公交速度约为20～30 km/h，地铁、轻轨等城市轨道交通约为30～40 km/h）、乘客旅行体验不佳（地面公交换乘不方便，等候时间较长，约为5～10 min，地铁、轻轨等城市轨道交通在早晚高峰时异常拥挤）的缺点。而M3磁浮列车的最高运行速度可达45 m/s（160 km/h），加（减）速度高达2 m/s2，从而使其旅行速度显著提高：当平均站间距为3 km时，可达80 km/h；为5 km时，120 km/h；为10 km时，150 km/h。此外，由于M3城市磁浮系统的车型小且为车轨侧同步牵引，便于进行车辆控制，因此其能够实现20～30 s的运行间隔，缩短乘客的平均候车时间。列车旅行速度的提升与乘客候车时间的缩短可大大增加这种新型交通系统的吸引力。

（4）环境友好。由于M3 城市磁浮系统无轮轨接触，无传统轮轨系统的弓网关系及接触受流装置，因此其运行时没有机械摩擦产生的噪声，对环境影响小，适合采用高架结构形式敷设。此外，其采用的小型列车和轨道对城市景观影响较小。

M3城市磁浮系统的设计面向市域快速交通，与地铁、轻轨等传统城市轨道交通相比，具有建设成本低、旅行速度高、旅行时间短、环境友好等优点，更能吸引自驾车通勤人员向其转移，从而有效解决城市交通拥堵的问题。

但目前的M3城市磁浮系统还不成熟，需要2～3年时间建设约3 km长的试验线（可作为预规划线路的先行段），解决原创技术的引进消化及工程化开发、验证等问题。如开发成功，M3城市磁浮系统将成为解决大、中城市交通拥堵的有力工具。

小编：Gisela

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