作者 | 陈俊宇，清华大学机械工程系博士研究生
以地铁为代表的中国城市轨道交通，在我们的日常生活中扮演着重要的角色。
根据中国城市轨道交通协会的公开报告，2018年，中国城市轨道交通客流量总计为210.7亿人次，全国城市平均日均的客运量177.7万，其中北京和上海的日均运送乘客均超过1000万人次，城市轨道交通已成为大中城市市区居民出行的重要方式。
今天我们就来聊聊城市轨道交通的那些事儿。
（一）城市里的各种公共交通运力究竟怎么样？
评价一个客运线路的运客能力，很直观的一个指标就是运客人次，在学术上有一个专门的概念：“高峰小时最大断面单向客流量”，是指针对某一条客运线路，在客运高峰的一小时内，可以将乘客运送过某一断面的人次。这个指标的学术名字太长，我们一般就称之为客运线路的“最大小时客运量”。
如下图所示，某个客运线路的这个指标是由两方面决定的，该线路上的每辆车的载客量以及高峰时段能做到的发车频次。单辆车的载客量越大、能做到的发车间隔越短，则客运线路的运客能力越强。
（高峰小时最大断面单向客流量两大决定因素：单车载客量以及发车频次）
目前，城市公共交通系统主要构成为地铁、轻轨、有轨电车、公交车、BRT( 快速公交系统 ) 等，其中前三种属于轨道交通的范畴。
我们普通市民印象中的在地下跑就是地铁、在高架跑就是轻轨、在马路上铺轨道跑就是有轨电车，这样的轨道交通区分方式并不是业内的标准，真正的区分标准就是最大小时客运量。
这些客运手段的运力有差别，地铁的最大小时客运量为3-5万人；轻轨的最大小时客运量为1-3万人，运量较地铁小，轨道的负载也较小，可以修建在高架上减少征地、挖掘隧道等费用，工程造价是地铁的三分之一；有轨电车的最大小时客运量在1万人左右，可以直接在街道上铺设轨道，其建设成本更低。BRT、公交车的最大小时客运量在5000人左右。
（二）城市轨道交通虽好，但成本也高
地铁和轻轨虽然运力强，但建设成本巨大。
例如，北京地铁16号线为全地下线，施工成本和土地成本巨大，每公里成本达到12 亿元，全程49.8千米总造价约为600亿元，这还不算后期巨大的运营费用。要知道，像山西省会太原这样的城市在2018年的全市财政预算总额才达到340亿元，08年前完工的国家体育场鸟巢的总造价也不过35亿元。
如此高昂的成本，给地方政府带来极大的财政压力，中小城市更是望而却步。同时，如此巨大的运力也并不能在中小城市被充分的利用，客流不够的话，票款收入甚至远不能覆盖运营成本，更不用说还贷款了。
有轨电车也不便宜，综合建设成本约为每公里 1.5 亿～ 2 亿元。同时，有轨电车需要专门的电力系统和轨道配合设计，维护成本高，而且必须建设专线，限制较多。
为了避免地方政府因为修建地铁背上利息都还不起的债务，近年来国家严格控制新上马的轨道交通项目。
（52号文发布后，轨道交通规划受到影响的国内城市，来源见水印）
（三）中小客运量的线路神器：中国造虚拟轨道列车
2017年6月，国产智能轨道快运系统（ART 系统，也称为“智轨”）的全新产品在湖南株洲下线试运行，是全球首创的一款新型城市交通工具。
这辆虚拟轨道列车长达 30 多米，最多可乘坐 300 多人，虽然路面没有实体轨道，整列车却沿着一条虚拟的轨道前行，就像是一列开在路面的地铁。
（国产虚拟轨道列车——“智轨”系统）
1、靠无人驾驶技术实现虚拟轨道跟随控制
在无人驾驶技术日益成熟的今天，将无人驾驶应用于智轨系统，通过摄像头、雷达等传感设备，实现对路面白线划出的虚拟轨道的识别，进而控制车辆实现对虚拟轨道的跟随控制，通过对周围驾驶环境的感知，自动分析车辆行驶状态，还可以实现辅助无人驾驶，替代人工操作，有效减轻驾驶员疲劳，行车安全性也得到了提升。
（智轨通过摄像头、传感器等感知到路面的白线轨道并进行跟随）
2、30多米长的马路巨无霸，却是个灵活的胖子
①转弯半径小、速度快
公交车、大货车等大型车辆都存在很明显的内轮差，每年都会有行人因为处在大型车转弯的内轮差处被碾压受伤甚至身亡的报道，在大型车辆发生的恶性交通事故中，内轮差引发的事故占70%以上。内轮差的存在造成了很大的安全隐患，这也是一些区域的大型公交需要采用柔性铰接的原因。
（大型车辆过大的内轮差造成很大的安全隐患）
（柔性铰接式公交车，减小转弯时的内轮差）
依靠虚拟轨道跟随技术，虚拟轨道列车实现了 35 米轨迹跟随列车直线跟随误差小于 10cm，圆周跟随误差小于 50cm 的目标，比传统的 12 米公交车拐弯还要灵活，且不需要减速，时速达到70km/h。
（30多米长的马路巨无霸）
在转弯半径 15 米的弯道上运行时，12 米大巴的通道宽度为5.8 米，而虚拟轨道列车为 3.83 米。说白了，有一个轨道在限制车的轨迹，车本身都不会脱轨，更不会存在过大的内轮差之类的事情。
②两车头设计、运量大
此外，在弯道遇到需要倒车的情况时，公交车司机只能小心翼翼地倒车，虚拟轨道列车却采用与高铁列车一样的双车头设计，司机直接走到反方向的车头就可将列车开出去。
虚拟轨道列车单节车厢的载客量可以达到100人，按照3-5节编组，每列车可以载客300-500人，能有效地解决在中型城市中高峰时段骨干线路普通公交运量不足的问题。
3、无可比拟的成本优势
“智轨”在与现代有轨电车运力相同的情况下，只需简单的道路改造就能投入使用，整体线路的投资约为现代有轨电车的 1/5。
①虚拟轨道简化轨道铺设
与现代有轨电车相比，因为不需要铺设钢轨，只需要简单的对现有路网进行改造即可，一条虚拟轨道列车运行线路从启动规划至开通运营，只需一年时间。
②充电黑科技简化电网铺设
现在大多数有轨电车需要在天上架设电网给车供电，这导致路网建设的成本和复杂度增加，为了使得智轨列车建设起来更简便，虚拟轨道列车使用了超级电容作为储能装置（也有使用锂电池的，制造商不同，使用的储能装置稍有差异），这种设备充电快，可以满足客运系统高频发车的需求，首末站充电，单次充电只需要 10 分钟，可满载行驶 25 公里，电网铺设成本被大幅削减。
就在一个月前，全球首条智轨运营线在四川宜宾正式开通，这标志着中国自主首创的新型城市轨道交通——智能轨道快运系统从试验走向商用。
另外，凭借自身的高品质，智轨系统已经成功获得了卡塔尔首都多哈城市公共交通升级的订单，并于2019年7月在多哈进行了高温测试，取得了良好的效果，可以适应当地45摄氏度以上的极端高温天气，我们将在2022年多哈世界杯的时候看到国产智轨列车大放异彩。
结语
世界上200万以上人口的城市，基本上确立了公共交通的主体地位，特别是经济社会发达的超大、特大城市，需要依靠快速、大容量的轨道交通来有效地解决交通拥堵和环境污染等问题，支撑城市发展，其中轨道交通客运量又是公共交通客运量的主体。
中国目前虽然有大量200~300万人口左右的中型城市，但是受限于经济发展水平，公共轨道交通系统的成本对地方财政来说仍然是一个巨大的负担，虚拟轨道列车可以用极低的成本实现与有轨电车同等规模的运输能力，后期对于路权的立法更加完善之后，不失为一个十分有益的选择。
