論我國(guó)高速鐵路技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的優(yōu)勢(shì)

沈志云

·推薦綜述·

論我國(guó)高速鐵路技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的優(yōu)勢(shì)

沈志云

近30多年來，我國(guó)國(guó)民生產(chǎn)總值GDP增長(zhǎng)很快，尤其進(jìn)入21世紀(jì)以后，直線上升，2010年達(dá)到5.5萬億美元，超過日本，成為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，與此同時(shí)，城市化率急增至49.8%。GDP和城市人口猛增標(biāo)志我國(guó)已進(jìn)入現(xiàn)代化先進(jìn)國(guó)家行列。要面對(duì)的第一個(gè)問題就是在交通運(yùn)輸需求急劇上升情況下，如何建立現(xiàn)代化的綜合交通運(yùn)輸體系和建立什么樣的體系？是走美國(guó)的老路，即客運(yùn)只發(fā)展高速公路和民航，鐵路僅限于貨運(yùn)，還是要根據(jù)我國(guó)國(guó)情和綠色交通的原則，把軌道交通放在骨干的地位？2004年國(guó)務(wù)院提出并及時(shí)修訂的鐵路網(wǎng)規(guī)劃，正是適應(yīng)我國(guó)當(dāng)前經(jīng)濟(jì)及社會(huì)迅猛發(fā)展的形勢(shì)，考慮我國(guó)特點(diǎn)及長(zhǎng)遠(yuǎn)方向，發(fā)展綠色交通，以軌道交通為骨干的戰(zhàn)略決策。

在 2004—2010執(zhí)行規(guī)劃的 7年中，中國(guó)高速鐵路的發(fā)展向前邁了一大步。建成時(shí)速200 km及以上高速鐵路8358 km，其中新建時(shí)速300～350 km高標(biāo)準(zhǔn)高速鐵路2197 km，時(shí)速250～300 km高速鐵路2477 km，其他3679 km主要是既有線提速到時(shí)速200 km以上。引進(jìn)和研制和諧號(hào)高速列車1000多列，最初的CRH系列主要是通過聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)從國(guó)外引進(jìn)的。隨即通過消化吸收再創(chuàng)新自主研制成功CRH300系列的高速列車，最高時(shí)速達(dá)到350 km。經(jīng)過京津、武廣、鄭西線上實(shí)際運(yùn)用和大量試驗(yàn)之后，又創(chuàng)新開發(fā)了新一代CRH380系列的高速列車，在滬杭、滬寧及京滬線上實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離時(shí)速 350～380 km列車。中國(guó)在這4年中商業(yè)運(yùn)營(yíng)3億多公里，運(yùn)送6億多人次，最高時(shí)速達(dá)到350 km。除一次路外撞人事故外，沒有發(fā)生過人身事故。

應(yīng)當(dāng)說我國(guó)高速鐵路能向前跨出這一步是很不容易的。多年來中國(guó)鐵路苦于融資渠道不暢，國(guó)家投入很少，而票價(jià)幾十年不變，1994年，鐵道部全行業(yè)虧損。鐵路靠自身很難發(fā)展，故嚴(yán)重滯后，成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的瓶頸。在國(guó)家大力支持下，到2010年底，時(shí)速200 km以上的高速鐵路，只有8358 km，相對(duì)于高速公路實(shí)在太少。

近年來，根據(jù)國(guó)務(wù)院的決定：“引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，聯(lián)合設(shè)計(jì)制造，打造中國(guó)品牌”。在政府統(tǒng)籌下，一致對(duì)外，實(shí)現(xiàn)了全新的引進(jìn)，強(qiáng)調(diào)技術(shù)轉(zhuǎn)讓，引進(jìn)資金中含研發(fā)經(jīng)費(fèi)（不是指給外商的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費(fèi)），這在以前引進(jìn)項(xiàng)目中是沒有的。通過國(guó)內(nèi)制造，提升了企業(yè)現(xiàn)代化水平，創(chuàng)建了現(xiàn)代化的高速列車制造基地。創(chuàng)造中國(guó)品牌，享有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。短短幾年，高速列車引進(jìn)和發(fā)展，走出了一條中國(guó)自己的新路，效果顯著。

能夠快速發(fā)展最本質(zhì)的原因是建成了高速列車國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新體系，實(shí)現(xiàn)了政府統(tǒng)籌下的產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合。技術(shù)創(chuàng)新的主體是企業(yè)，以四方、長(zhǎng)春、唐山3個(gè)主機(jī)廠的現(xiàn)代化為龍頭，30個(gè)配套廠為骨干，500多家相關(guān)企業(yè)組成的高速列車生產(chǎn)鏈?zhǔn)莿?chuàng)新的強(qiáng)大基礎(chǔ)。為這個(gè)主體服務(wù)的有全國(guó)國(guó)家級(jí)、省部級(jí)和企業(yè)內(nèi)部相關(guān)實(shí)驗(yàn)室、研究所和研發(fā)部。在政府統(tǒng)籌下，按國(guó)家規(guī)定，建立課題，展開研究，并組織實(shí)施。

首先，這個(gè)體系提供了一個(gè)全新的理論，即：高速列車大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，把高速列車同軌道線路、接觸網(wǎng)和周圍稠密大氣環(huán)境耦合在一起，進(jìn)行模擬仿真，用來確定高速列車和所有相關(guān)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和相關(guān)關(guān)系。這是一個(gè)包含多剛體、連續(xù)體、流體的高維、強(qiáng)非線性、參數(shù)時(shí)變、隨機(jī)輸入、不定常流場(chǎng)的復(fù)雜巨系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的仿真計(jì)算、系統(tǒng)控制和系統(tǒng)全局優(yōu)化的理論和試驗(yàn)研究構(gòu)成一門嶄新的工程學(xué)科：高速列車大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。這門學(xué)科近年來在研究上取得了突破性進(jìn)展。在列車系統(tǒng)建模時(shí)，首次提出了基于循環(huán)變量法的列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模和積分方法，打破了商業(yè)軟件對(duì)列車建模自由度的限制，使列車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算成為可能；在受電弓-接觸網(wǎng)耦合系統(tǒng)建模時(shí)，不僅發(fā)展了基于奇延拓展的接觸網(wǎng)建模方法，同時(shí)發(fā)展了考慮接觸形貌的弓網(wǎng)接觸模型，使弓網(wǎng)仿真更加精確；在傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)上，首次考慮列車動(dòng)力學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)行為耦合，從而可以研究在列車姿態(tài)變化時(shí)，氣動(dòng)力作用對(duì)列車運(yùn)行安全的影響。基于創(chuàng)新的建模方法，研制了世界上第一套考慮輪軌耦合、弓網(wǎng)耦合、流固耦合和機(jī)電耦合高速列車耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)大型仿真軟件，軟件計(jì)算的結(jié)果經(jīng)過了大量試驗(yàn)驗(yàn)證。

這些非常重要的突破性進(jìn)展為我國(guó)高速列車技術(shù)的研究開發(fā)樹立了科學(xué)理念，奠定了科學(xué)基礎(chǔ)，提供了科學(xué)的分析工具。成為制定某一速度目標(biāo)下，勘測(cè)設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)工程、裝備制造、通信信號(hào)、系統(tǒng)集成、運(yùn)營(yíng)管理6大系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)根據(jù)。我國(guó)高速鐵路多屬新建，新車新路，有利于實(shí)現(xiàn)理論要求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這是日、法、德等國(guó)不具備的條件，也是我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展的根本原因。

列車同軌道線路、接觸網(wǎng)和周圍大氣耦合的3大關(guān)系和共同初變量V，即列車運(yùn)行速度。V將輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系和流固耦合關(guān)系又進(jìn)一步耦合起來。因?yàn)橄到y(tǒng)參數(shù)有時(shí)變性，必須反復(fù)計(jì)算，才能得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。按動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算出服役可靠度后，即可得到該列車在該速度下的安全評(píng)估的數(shù)量化指標(biāo)。所有這些計(jì)算都經(jīng)過大量試驗(yàn)加以驗(yàn)證。如CRH380開發(fā)過程中，在工程設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行了260余項(xiàng)試驗(yàn)研究，零部件研究開發(fā)中，進(jìn)行了650余項(xiàng)試驗(yàn)研究，新頭型研究、試驗(yàn)了20幾個(gè)方案，在武廣、鄭西高速線上，做了 20類 279項(xiàng)試驗(yàn)研究，滬杭線上，最高試驗(yàn)速度達(dá)到416.6 km/h，京滬先導(dǎo)段最高試驗(yàn)速度達(dá)到486.1 km/h。

通過系統(tǒng)仿真計(jì)算可以確定與高速列車運(yùn)行相關(guān)的6大系統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在鐵道部統(tǒng)籌下，搭建了6大技術(shù)平臺(tái)。以確保所定目標(biāo)速度下安全行車為宗旨，分別落實(shí)這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并組織統(tǒng)一的檢查驗(yàn)收。這就是高速鐵路的安全技術(shù)保障體系。任何部分出現(xiàn)異常，都可能發(fā)生情況不同的故障。正常情況下，這些故障都應(yīng)當(dāng)導(dǎo)向安全。其次，這個(gè)體系凝聚著全國(guó)有關(guān)科技力量為高速鐵路技術(shù)服務(wù)。除掛靠在西南交通大學(xué)的國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程研究中心以外，還有遍布全國(guó)的國(guó)家級(jí)、省部級(jí)和企業(yè)的研究單。還有同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等120幾個(gè)省部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及研究單位在科技部、教育部、鐵道部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)等的統(tǒng)籌下，聯(lián)合成為一個(gè)整體，共同為高速鐵路企業(yè)服務(wù)。這樣的政府統(tǒng)籌下產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新體系，是我國(guó)獨(dú)有的模式。國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新體系的能力在開發(fā)CRH380技術(shù)上充分地顯露出來。這是科技部、鐵道部聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃支撐的目標(biāo)產(chǎn)品，吸收了全國(guó)千千萬萬科技人員及職工參加，在極短時(shí)間內(nèi)，研制成功世界一流產(chǎn)品。最高運(yùn)營(yíng)速度：380 km/h，最高運(yùn)營(yíng)試驗(yàn)速度：486.1 km/h，脫軌系數(shù)等一系列參數(shù)都達(dá)到了規(guī)定指標(biāo)。許多人不敢相信這是我們自己開發(fā)的產(chǎn)品。事實(shí)是最好的說明，前述業(yè)績(jī)中有CRH380參加的約有1億多公里和運(yùn)送2億多人次，最高時(shí)速350 km，沒有發(fā)生人身安全事故。迄今為止，沒有哪個(gè)國(guó)家有這樣的商業(yè)運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)。按實(shí)際運(yùn)營(yíng)速度將國(guó)際上的高速列車分為三代?？梢钥吹贸鰜?，21世紀(jì)以來各國(guó)都在研究350 km 時(shí)速的第三代高速列車，但無一投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。我們引進(jìn)第一代、發(fā)展第二代、創(chuàng)新第三代，而且第三代有了相當(dāng)規(guī)模的商業(yè)運(yùn)營(yíng)業(yè)績(jī)。

這幾年的最大進(jìn)展與其說是成功研發(fā)了 CRH380這樣出色的高速列車，不如說是建立了能研究開發(fā)這些車的國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新體系。后者具有更加深遠(yuǎn)的意義。有了能凝聚全國(guó)科技力量，又能落實(shí)研究成果的創(chuàng)新機(jī)制，即使目前陷入低谷，也會(huì)在不遠(yuǎn)的將來走向高速鐵路技術(shù)的頂峰。

列寧曾經(jīng)在實(shí)施新經(jīng)濟(jì)政策時(shí)說過：“退一步，進(jìn)兩步”。這句話用于現(xiàn)在中國(guó)的高速鐵路正合適。今天退一步是為了明天進(jìn)兩步，把速度退下了，徹底清理整頓，大力改進(jìn)，鞏固和加強(qiáng)安全技術(shù)保障體系，就能更好、更健康地發(fā)展高速鐵路，實(shí)現(xiàn)更安全的高速度。

有人說不是速度越高越好，時(shí)速270～310 km/h是最佳經(jīng)濟(jì)速度。非也，提高速度是交通運(yùn)輸永恒的主題。進(jìn)入 21世紀(jì)以來，世界高速鐵路強(qiáng)國(guó)都在研究時(shí)速360 km的高速列車，受既有高速鐵路線路條件的限制，才不得不把商業(yè)運(yùn)營(yíng)速度降下來。法國(guó)修了新線，時(shí)速才提為320 km，但老線仍為300 km。日本和英國(guó)都在計(jì)劃修402 km時(shí)速的高速鐵路。北京交通大學(xué)的趙堅(jiān)教授在京滬高速鐵路工程專家評(píng)審會(huì)議上介紹說：“國(guó)外審查一個(gè)高速鐵路項(xiàng)目主要看節(jié)省多少旅行時(shí)間，如果節(jié)省的時(shí)間其社會(huì)價(jià)值超過高速鐵路的建設(shè)成本，項(xiàng)目就可以通過?！痹诔砻艽髿鈱又校灰怀^時(shí)速400 km，都可能在系統(tǒng)優(yōu)化中找到適當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)速度。京滬高速鐵路計(jì)劃年運(yùn)量雙向1.6億人，由時(shí)速350 km降為300 km，票價(jià)可減5%，但旅行時(shí)間由4 h增加到5 h。

每人多花1 h，1.6億人1小時(shí)的社會(huì)價(jià)值，即使用我國(guó)目前的最低工資標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，也是十分驚人的。速度是高速鐵路大系統(tǒng)的自變量，按目標(biāo)速度優(yōu)化的鐵路系統(tǒng)，目標(biāo)速度就是經(jīng)濟(jì)速度。日本當(dāng)年認(rèn)為經(jīng)濟(jì)時(shí)速是210 km，極限速度是270 km，很快他們就修訂了自己的看法。另外，高速鐵路安全是靠技術(shù)來保障的，并不是說速度越低越安全?！?23”事故后不久，印度也發(fā)生了追尾事故，車速只有每小時(shí)30 km。只要經(jīng)過嚴(yán)格檢查，徹底整改，把安全技術(shù)體系及監(jiān)控機(jī)制落實(shí)了，就能保證安全運(yùn)行。在此前提下，回到設(shè)計(jì)時(shí)速350 km/h甚至更高，達(dá)到380 km，應(yīng)當(dāng)是順理成章的事。從技術(shù)層面上說，中國(guó)高速鐵路具有明顯的發(fā)展優(yōu)勢(shì)：

1）高速鐵路成網(wǎng)絡(luò)，有最大客流。按照中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，我們要建設(shè)的是一個(gè)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，能覆蓋90%以上人口，連通所有50萬以上人口的城市。高速鐵路成網(wǎng)具有最大運(yùn)量誘發(fā)能力，必將成為綠色交通的骨干。我國(guó)人口很快會(huì)超過14億，城鎮(zhèn)化率即將超過50%，將來還要達(dá)到60%或更高。高速鐵路網(wǎng)誘發(fā)的客運(yùn)市場(chǎng)是世界最大的，在如此強(qiáng)大的市場(chǎng)支持下，即使全球高速鐵路虧損，中國(guó)高速鐵路也會(huì)盈利。

2）線路標(biāo)準(zhǔn)高，有提速空間。就建成以后很難改變的最小曲線半徑、線間距及雙線隧道截面積3項(xiàng)主要指標(biāo)而言，我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)在世界上是最高的。日本高速鐵路建設(shè)最早，標(biāo)準(zhǔn)最低。當(dāng)前世界潮流是要發(fā)展時(shí)速350 km及以上的高速列車，日本就遇到線路標(biāo)準(zhǔn)低的限制。其實(shí)，高速鐵路成本同高速公路差不多，以后會(huì)低于高速公路，因?yàn)楹笳哒嫉囟啵鞯爻杀緯?huì)越來越高。京滬高速鐵路建設(shè)預(yù)算最初是1300億，后升到1700億，最后落實(shí)時(shí)一下飚升到 2200億，主要是征地和拆遷費(fèi)上漲的緣故。

3）基礎(chǔ)研究強(qiáng)，有發(fā)展后勁。已建成的“高速列車國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新體系”將得到充實(shí)提高。軌道交通國(guó)家實(shí)驗(yàn)室目前雖然還未得到正式批準(zhǔn)，但是資金已經(jīng)到位，業(yè)已初步建成，正式啟用?；A(chǔ)研究平臺(tái)，在原有600 km/h六軸滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上又新建一間基礎(chǔ)試驗(yàn)大廳，新研制的 20多臺(tái)試驗(yàn)設(shè)備都是世界一流或獨(dú)一無二的，能進(jìn)行開創(chuàng)性研究。在京滬、武廣、京津等線路上正在進(jìn)行為期3年的跟蹤試驗(yàn)，長(zhǎng)期積累第一手實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行高速列車全壽命、全過程的分析和研究。國(guó)家實(shí)驗(yàn)室是國(guó)家公開的研究平臺(tái)，在國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新體系中起引領(lǐng)作用，相信在全國(guó)共同參與和支持下會(huì)發(fā)揮更大作用。

4）信息化進(jìn)行時(shí)，促進(jìn)現(xiàn)代化。運(yùn)輸調(diào)度系統(tǒng)在吸取溫州“723”事故的教訓(xùn)后，徹底檢查和改進(jìn)CTCS2和 CTCS3系統(tǒng)，會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)一步完善，確保列車運(yùn)行安全。

現(xiàn)在正進(jìn)行一項(xiàng)更大膽的嘗試，就是準(zhǔn)備建立個(gè)性化、全壽命、實(shí)時(shí)安全監(jiān)控中心。其基本思路是：對(duì)投入運(yùn)營(yíng)的每一列車的每一次運(yùn)行，都實(shí)時(shí)給出數(shù)量化的“服役安全可靠度”指標(biāo)，配合調(diào)度中心，進(jìn)行實(shí)時(shí)安全評(píng)估和監(jiān)控。為此，首先必須把列車變成一個(gè)自感知終端。能感知運(yùn)行外部環(huán)境，如暴雪、大風(fēng)、滑坡、路基沉降等；能感知實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如位置、速度、加速度響應(yīng)等；能感知關(guān)鍵部件的信息，如疲勞、發(fā)熱、脫落等。第二，要建立可靠的無線傳輸系統(tǒng)?？朔咚僖苿?dòng)、頻繁切換、帶狀覆蓋、電磁干擾等困難，將終端信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳到監(jiān)控中心。第三，最重要的是與調(diào)度中心平行建立運(yùn)行安全實(shí)時(shí)監(jiān)控中心。采用超大容量數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存和發(fā)送海量數(shù)據(jù)；采用云計(jì)算，對(duì)該次列車和該次運(yùn)行的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬仿真；實(shí)時(shí)計(jì)算該列車的服役可靠度。對(duì)結(jié)果分類處理，實(shí)時(shí)顯示狀態(tài)，提供給調(diào)度中心，發(fā)出在途預(yù)警和指導(dǎo)行車，保證行駛安全。還為維修基地提供信息，為高速列車制造全過程工程科學(xué)提供原始數(shù)據(jù)。

中國(guó)高速鐵路能有今天不容易，我們要珍惜得來不易的成果，要樹立信心。我們需要中國(guó)的高速鐵路，世界需要中國(guó)的高速鐵路。讓我們糾正偏差，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，跌倒了，爬起來，再前進(jìn)，從低谷走向頂峰，滿懷信心去迎接中國(guó)高速鐵路的復(fù)興。

【作者單位：西南交通大學(xué)牽引力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室】

（摘自《科學(xué)通報(bào)》2012年第8期）