盧春房

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081； 2. 中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)，北京 100081)

引 言

鐵路是國(guó)家重要基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈和大眾化交通工具[1]，近年來(lái)，我國(guó)鐵路特別是高速鐵路得以快速發(fā)展，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)高質(zhì)量發(fā)展發(fā)揮了極為重要的作用[2-3]。世界范圍內(nèi)高速鐵路也發(fā)展迅速[4]，截至2020年底，世界運(yùn)營(yíng)高速鐵路的國(guó)家和地區(qū)達(dá)21個(gè)，運(yùn)營(yíng)總里程約5.51萬(wàn)公里，主要分布在歐洲和亞洲；其中，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)3.79萬(wàn)km，約占全世界高鐵總里程的68.8%，穩(wěn)居世界第一；西班牙、日本、法國(guó)的高速鐵路規(guī)模也較大，時(shí)速250公里及以上的高鐵里程均超過(guò)2400公里；德國(guó)、芬蘭、意大利、韓國(guó)、土耳其、美國(guó)、沙特阿拉伯、中國(guó)臺(tái)灣等國(guó)家和地區(qū)的高鐵運(yùn)營(yíng)也具有一定規(guī)模。正在建設(shè)高速鐵路的國(guó)家有13個(gè)，建設(shè)總里程約7218 km；還有20多個(gè)國(guó)家對(duì)高速鐵路線(xiàn)路進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃總里程約29008 km。

隨著高速鐵路的蓬勃發(fā)展，我國(guó)高速鐵路技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，逐步形成了涵蓋全面、以我為主、兼容并蓄、具有中國(guó)特色的高速鐵路技術(shù)體系，總體技術(shù)水平已步入世界先進(jìn)行列，部分技術(shù)達(dá)到世界領(lǐng)先水平[1,5]。為推動(dòng)科技發(fā)展和科技競(jìng)爭(zhēng)力提升，世界各國(guó)紛紛開(kāi)展工程科技發(fā)展戰(zhàn)略研究工作[6],本文在總結(jié)我國(guó)鐵路科技創(chuàng)新經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)開(kāi)展技術(shù)預(yù)見(jiàn)研究，認(rèn)為我國(guó)高鐵技術(shù)總體發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)集中在更快、智能、綠色、經(jīng)濟(jì)四個(gè)方面，提出了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的技術(shù)路徑和工作重點(diǎn)，為建設(shè)“人民滿(mǎn)意、保障有力、世界前列”[7]的交通強(qiáng)國(guó)當(dāng)好先行。

1 更 快

更高速度一直是世界鐵路長(zhǎng)期關(guān)注的重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量研究和試驗(yàn)[8-9]，推動(dòng)鐵路運(yùn)營(yíng)速度不斷提升。表1列出了世界主要高速鐵路國(guó)家的最高運(yùn)營(yíng)速度和最高試驗(yàn)速度，其中，中國(guó)鐵路高速動(dòng)車(chē)組的最高運(yùn)營(yíng)速度達(dá)到350 km/h，位居世界首位；法國(guó)TGV列車(chē)以574.8公里的時(shí)速創(chuàng)造了最高試驗(yàn)速度記錄。

表1 世界主要國(guó)家高速鐵路最高速度

未來(lái)，更快高鐵仍是我國(guó)鐵路發(fā)展的重要方向之一。高速鐵路運(yùn)營(yíng)速度的提升包括既有高速鐵路提升和新建高速鐵路提升兩種類(lèi)型。一方面，我們需要通過(guò)持續(xù)深化技術(shù)創(chuàng)新，不斷提高新建高速鐵路的運(yùn)營(yíng)速度；另一方面，我國(guó)開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的大多數(shù)高速鐵路最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速仍為200-300 km，只有少量高速鐵路按時(shí)速350 km運(yùn)行，通過(guò)技術(shù)升級(jí)改造提升既有高速鐵路的運(yùn)營(yíng)速度也是我國(guó)高速鐵路未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)工作之一。

新建高速鐵路速度提升主要有三種途徑：

1.1 輪軌高鐵

廣義的高速鐵路包含使用磁懸浮技術(shù)的高速軌道運(yùn)輸系統(tǒng)，目前我國(guó)運(yùn)營(yíng)的高速鐵路都是輪軌高鐵。根據(jù)研究試驗(yàn)成果推斷，在目前條件下，輪軌高鐵的最高商業(yè)運(yùn)行速度不宜超過(guò)400km/h。究其原因，一是環(huán)保節(jié)能的需要。就能耗而言，復(fù)興號(hào)動(dòng)車(chē)組較CRH380系列動(dòng)車(chē)組的人均百公里能耗降低了17%，可代表世界輪軌高鐵領(lǐng)先水平，其試驗(yàn)研究表明平直道人均百公里能耗擬合公式為：

y=2.26-0.0117v+0.000044v2

(1)

式中v為運(yùn)營(yíng)速度。經(jīng)計(jì)算，與運(yùn)營(yíng)速度400 km/h相比，420 km/h能耗要高10.6%。二是旅客舒適度的需要。動(dòng)車(chē)在400 km/h時(shí)安全性指標(biāo)仍然處于良好狀態(tài)，但舒適度指標(biāo)下降較快。動(dòng)車(chē)組產(chǎn)生的車(chē)內(nèi)噪聲與速度的對(duì)數(shù)呈線(xiàn)性相關(guān)，其回歸公式為：

(2)

式中LPA為普通客室車(chē)內(nèi)噪音聲壓級(jí)平均值；v為運(yùn)營(yíng)速度,單位為千米每小時(shí)(km/h)；v0取300 km/h。經(jīng)計(jì)算，400 km/h時(shí)普通客室車(chē)內(nèi)噪音聲壓級(jí)平均值比350 km/h聲壓級(jí)上升約4%，噪聲聲壓值上升約100%，乘客的舒適感下降，連帶其安全感也下降。

目前，我國(guó)尚未構(gòu)建完善的時(shí)速400 km/h高速鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，因此，實(shí)現(xiàn)輪軌高鐵400 km/h運(yùn)行需解決的主要問(wèn)題是標(biāo)準(zhǔn)制訂和發(fā)展節(jié)能降噪技術(shù)。

1.2 磁懸浮高鐵

磁懸浮分為常導(dǎo)磁懸浮和超導(dǎo)磁懸浮。我國(guó)已進(jìn)行600 km/h磁懸浮技術(shù)的研究并已生產(chǎn)樣車(chē)。日本正在建設(shè)中央新干線(xiàn)超導(dǎo)磁懸浮高鐵，設(shè)計(jì)速度505 km/h。常導(dǎo)磁懸浮需重點(diǎn)解決四大技術(shù)：軌道技術(shù)、懸浮車(chē)輛技術(shù)、列車(chē)控制技術(shù)、牽引技術(shù)。車(chē)輛技術(shù)中氣動(dòng)阻力研究是關(guān)鍵。

超導(dǎo)磁懸浮分為低溫超導(dǎo)懸浮和高溫超導(dǎo)懸浮。低溫超導(dǎo)懸浮需解決的主要技術(shù)問(wèn)題是：電動(dòng)懸浮頂層設(shè)計(jì)、電動(dòng)懸浮磁體技術(shù)、電動(dòng)懸浮和導(dǎo)向技術(shù)、電動(dòng)懸浮牽引和制動(dòng)技術(shù)。高溫超導(dǎo)懸浮需解決的主要技術(shù)問(wèn)題是：高溫超導(dǎo)懸浮車(chē)輛技術(shù)、高溫超導(dǎo)磁浮牽引技術(shù)、高溫超導(dǎo)懸浮列車(chē)總體技術(shù)、高溫超導(dǎo)懸浮安全技術(shù)。

1.3 低真空管道超高速列車(chē)

低真空管道超高速列車(chē)是高速磁懸浮技術(shù)與真空管道運(yùn)行技術(shù)的結(jié)合，以解決空氣阻力大、噪音高、能耗高等問(wèn)題。目前美國(guó)在進(jìn)行研究和局部試驗(yàn)工作，我國(guó)正在研究時(shí)速800-1000 km/h低真空管道超高速技術(shù)，也即將展開(kāi)實(shí)驗(yàn)。目前研究已取得部分成果，參見(jiàn)表2。

表2 低真空管道超高速列車(chē)主要研究成果

需解決的主要技術(shù)問(wèn)題是：低真空環(huán)境實(shí)現(xiàn)與維持技術(shù)、低真空管道設(shè)備總體布局、低真空橋隧及救援技術(shù)、低真空道岔及站場(chǎng)技術(shù)。

2 智 能

世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展對(duì)高速鐵路的運(yùn)營(yíng)效率、服務(wù)品質(zhì)、安全水平提出了更高的要求，歐盟、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、日本、韓國(guó)等相繼提出了高速鐵路數(shù)字化、智能化的發(fā)展戰(zhàn)略和實(shí)施路徑，圍繞智能高鐵的相關(guān)技術(shù)開(kāi)展了系列創(chuàng)新實(shí)踐[10-12]，智能化將成為世界高速鐵路發(fā)展的重大趨勢(shì)。

智能高鐵(Intelligent High-Speed Railway，IHSR)是廣泛應(yīng)用新一代信息通信技術(shù)，綜合高效利用資源，實(shí)現(xiàn)高速鐵路移動(dòng)裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)外部環(huán)境間信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動(dòng)學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，實(shí)現(xiàn)全生命周期一體化管理的新一代高速鐵路系統(tǒng)。

智能高鐵包括智能建造、智能裝備、智能服務(wù)，其架構(gòu)圖如圖1所示，需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題見(jiàn)表3。

圖1 智能高鐵體系架構(gòu)

表3 智能高鐵需研究解決的問(wèn)題

3 綠 色

隨著世界各國(guó)環(huán)境保護(hù)、能源短缺等問(wèn)題的日益顯現(xiàn)，發(fā)展綠色鐵路，降低鐵路能耗及污染排放量成為鐵路發(fā)展重點(diǎn)，對(duì)新建高速鐵路應(yīng)從源頭把握，在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、管理、維護(hù)等各個(gè)階段融入綠色發(fā)展理念；對(duì)既有高速鐵路應(yīng)依靠鐵路技術(shù)進(jìn)步，對(duì)既有設(shè)備進(jìn)行更新改造，盡可能降低環(huán)境污染，減少能源消耗、提高沿線(xiàn)綠化水平。綠色鐵路包括綠色通道、節(jié)能減排、減振降噪、節(jié)地、節(jié)材五個(gè)方面。

(1)綠色通道。研究植被覆蓋和恢復(fù)技術(shù)，研究沙漠、石漠、干旱、高原、高寒地區(qū)的植物培育和種植養(yǎng)護(hù)技術(shù)；研究鐵路取棄土(石)場(chǎng)的植被快速恢復(fù)技術(shù)；融合傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代技術(shù)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，把高鐵建成綠色長(zhǎng)廊。

(2)節(jié)能減排。推進(jìn)新能源施工、運(yùn)輸設(shè)備的使用，減少二氧化碳和有害氣體的排放。研究輕質(zhì)高強(qiáng)材料，設(shè)計(jì)制造新型動(dòng)車(chē)組，降低能耗；廣泛使用光伏發(fā)電和地源熱泵技術(shù)；應(yīng)用垃圾處理和污水處理新技術(shù)，減少污物排放。

(3)減振降噪。高速鐵路噪聲源主要包括輪軌滾動(dòng)噪聲、氣動(dòng)噪聲以及牽引電機(jī)等設(shè)備噪聲。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，列車(chē)運(yùn)行輻射噪聲A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)隨速度的變化曲線(xiàn)和擬合公式如圖2所示。由圖可知，隨著動(dòng)車(chē)運(yùn)行速度的提高，對(duì)降噪技術(shù)的要求會(huì)更高，需研究新型軌下基礎(chǔ)、聲屏障和動(dòng)車(chē)組，降低振動(dòng)與噪音。

圖2 輻射噪聲A計(jì)權(quán)總聲壓級(jí)與運(yùn)行速度的關(guān)系曲線(xiàn)

(4)節(jié)地。研究雙層車(chē)站、雙層橋梁技術(shù)，減少用地；研究臨時(shí)用地高質(zhì)量復(fù)墾技術(shù)，避免土地荒蕪；研究平原地區(qū)地下低成本修路技術(shù)，充分利用地下空間。

(5)節(jié)材。研究高強(qiáng)材料的應(yīng)用，研究建筑垃圾的再利用，研究高耐久性材料，研究節(jié)水技術(shù)，以減少材料的使用。同時(shí)研究節(jié)水技術(shù)。

4 經(jīng) 濟(jì)

高速鐵路是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展到一定階段與社會(huì)生產(chǎn)力相適應(yīng)的產(chǎn)物。與普通鐵路相比，高速鐵路投資規(guī)模大、技術(shù)難度高、收益回報(bào)周期長(zhǎng)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高，對(duì)任何國(guó)家及鐵路運(yùn)營(yíng)企業(yè)來(lái)說(shuō)，其高昂的成本都是不可忽視的問(wèn)題之一，必須加大高速鐵路經(jīng)濟(jì)性相關(guān)技術(shù)的研究力度，為推動(dòng)高速鐵路持續(xù)健康發(fā)展，建成安全、便捷、高效、綠色、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代化綜合交通體系提供有力支撐。

提升高速鐵路經(jīng)濟(jì)性應(yīng)重點(diǎn)從以下五方面著手：

4.1 合理確定建設(shè)時(shí)機(jī)

對(duì)于經(jīng)營(yíng)性線(xiàn)路，何時(shí)建設(shè)應(yīng)根據(jù)投資效益確定，在規(guī)劃階段和決策階段，可采用能力利用率衡量一個(gè)項(xiàng)目何時(shí)可以建設(shè)。高鐵能力利用率是指高鐵通過(guò)能力被利用的程度，可由列車(chē)運(yùn)行對(duì)數(shù)/設(shè)計(jì)通過(guò)能力進(jìn)行計(jì)算。

(3)

(4)

式中Tw為鐵路維修時(shí)間，單位為分鐘(min)；I為發(fā)車(chē)間隔，單位為分鐘(min)；S為鐵路線(xiàn)路區(qū)段里程，單位為千米(km)；V為列車(chē)運(yùn)行速度，單位為千米每小時(shí)(km/h)；ε為通行能力扣除系數(shù)，一般取1.4。

能力利用率小于0.6，表明服務(wù)能力可保障，但是設(shè)施富余，閑置較多，不應(yīng)開(kāi)工建設(shè)；能力利用率在0.6-0.85之間，表明服務(wù)能力可保障，設(shè)施利用在合理范圍之內(nèi)，應(yīng)開(kāi)工建設(shè)；能力利用率超過(guò)0.85，表明服務(wù)能力保障不足，存在部分時(shí)段能力緊張問(wèn)題，應(yīng)加緊建設(shè)。

4.2 合理采用線(xiàn)路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

綜合考慮地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地理環(huán)境條件、運(yùn)輸發(fā)展需求等因素，以確保安全為前提、投入產(chǎn)出最優(yōu)為目標(biāo)，合理采用高速鐵路項(xiàng)目技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使高速鐵路在滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)安全及旅客舒適度要求的基礎(chǔ)上，降低建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

4.3 科學(xué)確定項(xiàng)目工程實(shí)施措施

綜合考慮經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能環(huán)保等各項(xiàng)指標(biāo)，確定科學(xué)合理的項(xiàng)目施工措施及方案，降低建設(shè)投資。采用先進(jìn)的數(shù)字化、智能化技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)項(xiàng)目全過(guò)程的數(shù)字化、精細(xì)化管理，加強(qiáng)成本及質(zhì)量管控；科學(xué)組織施工，減少或避免資源浪費(fèi)；積極推行新工藝、新材料、新機(jī)具等新的施工方法和手段，提高施工效率；積極采用新材料、新能源，減少能源消耗。

4.4 開(kāi)展以“狀態(tài)修”為主的運(yùn)營(yíng)維護(hù)策略

探索基于傳感器、通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段對(duì)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及移動(dòng)裝備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)用大數(shù)據(jù)、智能化技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，對(duì)設(shè)施設(shè)備的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)進(jìn)行故障診斷及趨勢(shì)預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)由修復(fù)性、預(yù)防性維修體系向預(yù)測(cè)性維修或狀態(tài)修轉(zhuǎn)變，減少過(guò)度維修，降低養(yǎng)護(hù)維修成本。

4.5 依靠科技進(jìn)步持續(xù)提升運(yùn)營(yíng)效率

加強(qiáng)客流預(yù)測(cè)和分析，結(jié)合客戶(hù)信息，在客流預(yù)測(cè)分析基礎(chǔ)上，不斷優(yōu)化列車(chē)開(kāi)行方案，實(shí)現(xiàn)運(yùn)能與運(yùn)量最佳匹配的列車(chē)開(kāi)行方案；利用車(chē)-車(chē)通信、移動(dòng)閉塞等技術(shù)，減小列車(chē)最小追蹤間隔，提升行車(chē)密度；利用遠(yuǎn)程通信、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，將車(chē)站、調(diào)度、運(yùn)行、維修等各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)，對(duì)高速鐵路運(yùn)行進(jìn)行統(tǒng)一控制與管理，提高高速鐵路整體運(yùn)營(yíng)效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，高速鐵路已成為一張亮麗的國(guó)家名片，習(xí)近平總書(shū)記在京張高鐵考察時(shí)指出：我國(guó)自主創(chuàng)新的一個(gè)成功范例就是高鐵，從無(wú)到有，從引進(jìn)、消化、吸收再創(chuàng)新到自主創(chuàng)新，現(xiàn)在已經(jīng)領(lǐng)跑世界。要總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，繼續(xù)努力，爭(zhēng)取在“十四五”期間有更大發(fā)展[13]。從世界高鐵發(fā)展和目前技術(shù)研究熱點(diǎn)來(lái)看，我國(guó)高鐵技術(shù)總體發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)集中在更快、智能、綠色、經(jīng)濟(jì)四個(gè)方面，本文提出了一些技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向。總體來(lái)說(shuō)，高鐵技術(shù)發(fā)展任重道遠(yuǎn)，創(chuàng)新，只有創(chuàng)新，才是打開(kāi)勝利之門(mén)的鑰匙。