未来交通：快速直达轨道轿车公交系统
张瑞敬
提要：大城市的交通拥堵和尾气污染问题已经到了非治理不可的地步，城市交通体系彻底改造势在必行。建议在大城市发展快速直达公交系统。这是一种轿车化的公共交通，像私人轿车一样舒适和方便；它可以统一调度以解决堵车问题；可以以虚拟列车方式运行以极大提高道路通行能力；可以一站高速直达目的车站，比轿车更加快捷；可以直接从电网供电是零排放无污染，又避开了昂贵的动力电池；可以吸引人们主动放弃私人轿车而选择公交，从而彻底改变城市交通拥堵和空气污染面貌。
在京津冀、长三角、珠三角城市群间之间如果采用这一交通体系，使城市公共交通和城际长途交通一体化，去掉交通枢纽中转环节，将方便人们出行，大大缩短城际交通时间，加速城市群一体化进程。
这是对城市、城际交通的颠覆性的改革，是一个巨大的系统工程。
1 前言
大城市堵车和空气污染现象，严重恶化了城市环境，已到了非彻底治理不可的地步。而交通拥堵和空气污染的根本原因是私人汽车无节制地发展，超过了城市的承载能力，一些城市陆续采取了汽车限购、限行措施，但根治的办法只能从大量减少汽车数量上入手。
减少私人汽车数量就要发展公共交通，而目前的公共交通根本无法和私人轿车竞争。对公共交通进行革命性变革势在必行，使之比私人轿车更加快捷、舒适、方便，吸引人们主动放弃私人轿车而选择公交。
为了治理空气污染，众多车企开发了电动汽车，电动汽车被提上政府议事日程，政府以巨额补贴支持电动汽车。近来又出现了自动驾驶电动汽车、互联网电动汽车。电动汽车确实可以解决空气污染问题，但却不能解决大城市普遍存在的堵车问题，不能解决停车位不足问题，现在的动力电池的高成本使它不具备商业竞争力，靠政府高额补贴不是长久之计。互联网汽车可以获得路况信息，有助于躲开交通拥堵之处，但不是统一调度，难免都去同一路段的可能。
2 城市交通问题根源的分析：
2-1城市轿车泛滥的原因和现状；
目前公共交通采用的都是大型交通工具，必须站站停车上下客。拥挤、常常无座、不舒适、速度慢、夜间无车不方便、没有私密性。当人们收入提高后便不愿意再去挤公交，私人轿车变成了他们的唯一选择，于是，出现了满大街的轿车，这一切都顺其自然，谁也怪不得谁。
据新闻联播报道，国内汽车保有量超过一百万辆的城市已经超过40个，11个城市的汽车保有量超过200万辆，而北京市已经超过500万辆，城市道路已不堪重负，行车速度越来越慢，堵车成了家常便饭。同时也出现了停车位严重不足，出现了占道停车。
2-2，堵车和尾气污染的原因分析：
2-2-1，不可调度性：
车多固然是堵车的重要原因，但不是主要原因；主要原因是私人汽车的分散运行和不可调度性，极易造成道路上车辆局部集中而又各行其事。
2-2-2，轿车私有：
车辆私有的一个弊端是大量轿车利用率极低，却占用了大量停车位资源，造成城市停车位不足，极不合理。
2-2-3，车速与车距的矛盾：
提高城市道路的汽车通过能力是另一个急需解决的问题。汽车在不断增加，道路承载的压力在加大，可道路却难以拓宽，要提高道路通过能力，就只能从提高车速和加大行车密度上想办法，但是车速和车距确是一对不可兼得的矛盾，车开快了车距就必须拉大；一缩短车距，就必须减慢车速。怎么做也不能既提高车速又缩短车距，不打破这一铁律道路通过能力难以提高。
2-2-4，动力电池成本高：
动力电池的高成本是制约电动汽车发展的主要因素。降低动力电池成本一直是各开发商投入巨资研究的重点之一，但至今成本仍然不具备商业价值，只能依靠政府补贴，所以道路上跑的依然是化石能源汽车为主。
2-2-5，车速慢：
城市街道上汽车过多，不能以经济时速运行，走走停停、频繁加速、制动不仅浪费了大量宝贵时间，浪费了大量能源，而且，汽车发动机在反复启动加速、怠速运行时，尾气净化器净化效果差，也加剧了空气污染。
汽车轮胎与道路摩损产生黑色微尘，轮胎转动也会反复扬尘，也是PM2.5来源。一家外国涂料企业分析墙上涂料变黑的原因，结果发现涂料上附着的黑色物质多是轮胎和沥青道路磨损的微尘。
3，消除堵车和污染的途径：
3,1根据上述堵车和污染原因分析，消除堵车和尾气污染问题，必须三个方面入手：
3-1-1，如何打破车速与车距的矛盾，大幅度提高城市道路的通过能力，来提高汽车车速。
3-1-2，如何减少泛滥的私人轿车数量，又不采用强制手段，让人们自动放弃私人轿车而选择公共交通。
3-1-3，如何取代化石能源，而又避开昂贵的动力电池。
3-2 从上述三个途径出发，结合现有工艺技术水平，解决问题的办法只能是：
3-2-1，轿车化：
让公交车像轿车一样快捷、舒适、方便，实现高速直达，公共交通才可能与私人轿车竞争。那么公共交通只能轿车化。
公共轿车与私人轿车虽都是轿车，但公共轿车有很高利用率、可以大幅度减少轿车总量；公共轿车可以统一调度来减少堵车，私人轿车却不可能。
3-2-2，轨道化：
既要使用电驱动，又要避开昂贵的动力电池，只有轨道交通可以直接使用直接电网供电，避开昂贵的动力电池。（氢动力尚不成熟）
3-2-3，列车化：
要想既加大行车密度又同时提高行车速度，目前只有铁路列车可以以零车距高速行车而不会追尾。列车化可以极大提高道路通过能力。
3-2-4，信息化：
公共交通轿车化后，就必须是傻瓜式的，必须是全自动的，因为不能要求每个乘客都会开车；而且只有信息化才可能自动识别行车路线、自动驾驶、统一调度（可能互联网汽车就具有这项功能）。
能够同时满足上述四化特征的交通工具综合起来就是：信息化轨道电动轿车，并且能以列车方式行车，能统一监控调度，能一站直达。这就是我们未来最为理想的交通工具。这种交通工具可以设计出来吗？（以下我们简称这种交通体系为快速直达公交系统或称快捷公交，轨道轿车简称小车）
4 快速直达公交系统的构成和功能设计
确切地说，上述信息化轨道电动轿车不单是一种车辆，而是一种全新的公共交通系统；我们面临的设计任务不仅是开发一种小车，而是一个系统工程的整体策划。这一系统的构成和功能分述如下：
4-1，轨道电动轿车：
轨道电动轿车是这一公交体系的基本功能单元。
轨道电动轿车必须设计成单、双座小车才有可能实现每个乘客的快速直达而不必中间停车；而且，小车车身轻，才可以使用超轻型轨道，使用超轻轨道才可以减少建设占地面积、建筑材料用量和建设投资，才有可能在所有狭窄道路立交，在所有街区全覆盖。
4-2, 全覆盖、全立交、全封闭、全互联的轻型轨道互联网：
轻型轨道互联网是轨道轿车运行的基础。
要使轨道电动轿车像私人轿车一样一站高速直达任意站，并比轿车更加快捷，关键是要使轨道全立交、全封闭，取消红绿灯限制，排除两侧变道车和行人干扰。要想使乘客在任何地方都能就近乘车，就要使轨道覆盖所有街区。要想使乘客一站直达，中间不换乘，就要把所有轨道线路交织成互联互通的轨道网。全覆盖、全互联、全立交、全封闭是实现轨道轿车高速直达任意站的基础条件。
轻轨互联网就像一个人贯通全身的血管系统，是一个人充满生机与活力的基础，容不得一处断路和堵塞。
4-3，虚拟列车行车模式：
虚拟列车模式轨道电动轿车运行的基本模式。
车速和车距的矛盾限制了道路通过能力，限制了汽车经济时速的发挥，造成交通拥堵。而铁路列车却可以以零车距高速行车而不追尾，列车模式是提高道路通过能力的最好的和最现成的交通方式。但是，轨道轿车要像列车一样用挂钩连接起来，那就和大型公交车没什么两样，还是要站站停车上下客。所以小车之间必须是无形连接，即虚拟列车模式。（也可以采用速脱挂钩，机械式或电磁式、主动式或被动式，但多了一重出现机械故障的几率）就是说，小车之间必须有精确的无接触多车联动机制。
精确联动的手段是，在小车上装备数据链通信系统和自动控制系统，使小车间具备信息共享和操作联动机制，就可以使小车序列能像列车一样，在以零车距高速运行时能够保持等速运行，和同时制动、同时加速、同时减速，就像小车之间有无形的挂钩，小车之间也可以精确联动而不会追尾，就可以解决车速与车距的矛盾，就可以以零车距高速行车，就可以极大提高道路的通过能力。
如果仅依靠小车之间的传感器采取接力式联动，那么每辆小车从传感器感知前车信息，到采取相应措施会有一个微小的时间延误，这一延误会随小车序列的延长被累积放大，就有造成事故可能。
如果不采用虚拟列车行车方式，公交车轿车化后，乘客人均占道面积肯定会远大于大型公交车，反而会加剧交通拥堵。采用虚拟列车行车方式，按照市区60公里以上的时速运行，车长2至3米时，单轨单向每小时就可以通过小车至少两万辆。在一条狭窄街道足可以容纳双向双轨，那么一小时通过能力可以达到四万辆小车，是目前其他交通方式难以达到的。繁忙地段还可以采用立体多车道来扩容，可以分成普通轨和快轨，进一步加大道路通过能力。
4-4，高速道岔机构：
高速道岔是这一公交系统能不能以虚拟列车方式高速运行的关键。
如果小车采取虚拟列车行车方式，相邻小车以60公里以上时速通过一个道岔并分别驶向不同方向时，道岔扳动时间大约不能超过0.1秒，现行铁路道岔不可能做到这样快，即使能做到这样快的扳动速度，也会因为磨损快或疲劳断裂而失去实际意义，这是高速直达的最大瓶颈，必须采用特制高速道岔。
4-5，车站设计：
车站设计的目的是让过路车能够高速通过。
要想让每辆小车一站高速直达，在沿途经过的车站就不能停车，那么，在每个车站都要像交叉道口那样设高速道岔，并分成高速穿过轨道和进站停车轨道，过路车可以高速通过不必进站，到站车进站停车不影响过路车。车站设管理电脑用以车辆进出站调度和空车数量控制。
4-6，小车程序控制：
程序控制功能是小车选择行车路线的方式。
为了实现小车的傻瓜驾驶功能和对小车行车路线的全程自动统一调度功能，小车必须具有程序控制、自动驾驶功能。
小车须装备车载电脑，车载电脑装有自动形成行车程序的自编程序软件，当乘客上车时，即在电脑键盘或触屏上输入目的站编码（或在等车时在车站电脑上输入）车载电脑立即自动形成行车程序，行车程序的作用是控制行车路线。
4-7，小车自动驾驶：
小车还装备相对车距、相对车速、轨道异物探测等各种传感器，小车车载电脑根据传感器探测数据做出判断，自动调整车速、应对突发情况，保证行车安全。
小车的程序控制和自动驾驶实现了小车智能化，可以实现24小时无人值守提供服务。
4-8，小车的统一监控和调度：
监控调度中心的主机电脑是整个交通系统的神经中枢。
轿车无序运行会导致车辆在一些路段随机地局部集中，是造成堵车的最根本原因。要避免堵车现象发生，对小车必须统一监控和调度。这需要设立监控调度中心，设主机电脑通过数据链通信系统和卫星定位系统监控小车运行，并根据监控情况进行统一调度。
监控调度中心主机电脑随时采集各个小车在乘客上车时输入的目的站编码信号，了解其行车路线，并根据卫星定位系统监测到的小车实时运行坐标，比对各段线路通行能力，测算出何时、何处将会发生拥堵，以及拥堵程度，即刻向有关小车发出调度指令，小车车载电脑根据主机电脑调度指令改写自动形成的原始行车程序，从而改变行车路线，避开热点，将堵车消灭在发生之前，保持道路畅通，保证道路资源的科学、高效利用。
主机电脑也负责空车调度，向各需车站点分配空车，没有需求时便将空车调回车库。
4-9，小车的自我诊断：
以虚拟列车方式高速运行的小车一旦有一辆小车发生故障马上会影响到后续一系列小车，造成连环事故。所以体系必须有故障预测预警功能。可以在小车上、轨道上安装各种传感器（如应力、应变、温度、电磁、震动、速度、距离、噪声等）车载电脑可以根据这些传感器的数据异常综合分析、预测出可能发生的故障，提前向管理人员发出预警，并自动引导小车退出运营，通知维修人员。
4-10，自动化立体车库：
为了调整运力，减少轨道上的多余车辆，为了减少市区占道停车现象，自动化立体车库应设在郊外。立体车库各层轨道之间要互联，以方便小车自动出入。小车的调入、调出由主机电脑和车库管理电脑自动完成。
4-11，变形设计：
作为备选方案，轨道轿车也可以设计成公路与轨道两用型电动轿车；可以设计成私人轿车上公共交通轨道行驶的模式。以现有电动轿车底盘加装辅助自动驾驶系统、通信系统、和通过第三轨取电装置。它可以上轨高速行车，也可以下轨开车回家。这种模式的缺点是下轨运行还要使用动力电池或超级电容，制造成本较高。这主要是为了满足个别乘客拥有自备车、拥有高端配置车、拥有个性化配置车的心理需要，他们对小车的价位应有承受能力而不需政府补贴。
轨道电动轿车、轻轨互联网、监控调度中心、立体化车库，构成快速直达公共交通的硬件系统。
而程序控制功能、自动驾驶功能、多车联动功能、统一调度功能，是快速直达公共交通的软件系统的必备功能。
这是一种与以往交通系统完全不同的体系化运行模式，是将分散的、孤立的交通工具组织成一个统一、高效的体系化运行整体。
快速直达公交系统，是轿车技术与轨道交通技术的融合、是个人化交通工具与公共交通运行的结合，是轻轨互联网与信息互联网的结合，是以信息技术对交通技术的提升，是多学科技术的集成。
5，快速直达公交系统的优势：
根据以上设计，既然快速直达公交系统是轿车技术与轨道交通的结合，是分散的交通工具与体系化的运作模式的结合，是信息技术与交通技术的结合，那么，它也必然是多种交通模式和技术优势的集成。
与以前轿车、公交、地铁相比，轨道轿车公交系统的具体比较优势如下：
5-1，直接以电网供电，是零排放、无污染，又避开了昂贵的动力电池，大大降低了制造成本，这一点优于化石能源轿车，也优于电动汽车和自动驾驶汽车；
5-2，每个乘客都可以从任意站到任意站高速直达，中间不停车、不中转，快捷程度远远超过所有现有城市交通工具，是最快捷的交通工具，比私人轿车和智能轿车还要快；
5-3，通行能力强，在车长2至3米，以60公里时速以虚拟列车方式行车时，双向两车道每小时可通过小车四万辆，通过能力堪比地铁，其他交通工具都无法相提并论；
5-4，自动驾驶，乘客不必会开车，不会受人的情绪、状态、水平影响，更加安全可靠。
5-5，个性化小车，私密、舒适、安静、不拥挤，优于现有所有公共交通工具；
5-6，可以24小时无人值守，随时提供服务，现有所有公共交通工具都无法做到这一点；
5-7，用电比汽油便宜，运行成本低；
5-8，不需个人找停车位，交停车费，减少占道停车，优于私人轿车；
5-9，轻型建设成本远低于地铁和公路立交桥，便于在城市全覆盖、全立交、全封闭，优于现有轨道交通和公路交通；
5-10，轨道车论滚动阻力远小于汽车轮胎，比汽车更节能、低碳；
5-11，小车自始至终保持以经济时速高速行驶，不刹车、不减速，可以节约能源，降低碳排放。
从以上分析可见，体系化运行的快速直达公交系统与私人轿车相比、与传统公交、地铁、轻轨相比都具有完全的优势；它兼容了轿车和公共交通的所有优点而摈弃了它们的缺点。因此，它不仅可以取代私人轿车，吸引人们主动放弃私人轿车而选择公共交通，而且还会取代公交车和地铁，进一步使城市交通单一化，从而取消中转环节，实现一站直达。
这一交通体系同样适于城际长途交通，使市内交通与城际长途一体化，取消短途与长途的中转环节，方便城市群一体化。
6，开发快速直达系统的可行性：
轨道轿车、轻轨互联网、虚拟列车、可调度性、体系化运行这些概念听起来都是超前概念，但是这一切都是基于现有工艺技术水平，只不过是把不同领域的知识经验加以移植和集成，完全没有不可逾越的难关。现在在我国轿车技术、轻轨技术、计算机技术、软件设计技术、卫星定位技术、数据链通信技术、遥控、遥感、遥测技术、自动控制技术、电驱动技术、电控技术等都已经发展到相当成熟的水平，为发展快速直达公交系统奠定了坚实基础。
从投资来讲，在平直的轨道上运行的小车对悬挂、动力、强度要求相对较一般，又不使用动力电池，成本不会太高。地面上的轻型轨道不需太粗壮的支撑，投资也较低，资金需求比地铁肯定低很多，融资应不会太难。
轨道建设投资低、小车成本低、用电价格低、自动化运行人工费用低，因此，车票不会太贵，适合所有收入水平人的需要。
长征汽车制造厂退休工程师、
原河北省汽车工程学会秘书长
张瑞敬
电话： 18603194956
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