下一代高速列車(chē)關(guān)鍵技術(shù)特征分析及展望

繆炳榮， 張衛(wèi)華， 池茂儒， 周 寧， 宋冬利， 楊樹(shù)旺

(西南交通大學(xué) 牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

目前，歐洲和日本等幾個(gè)主要國(guó)際著名軌道車(chē)輛制造商均在積極開(kāi)展未來(lái)高鐵技術(shù)的研制計(jì)劃，探索下一代高速列車(chē)關(guān)鍵技術(shù)的研制方向和具體內(nèi)容。他們期望通過(guò)融進(jìn)更多領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)，尋求掌握未來(lái)高鐵的關(guān)鍵技術(shù)[1]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，下一代高速列車(chē)的技術(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)可以簡(jiǎn)單歸納為：在現(xiàn)有高速列車(chē)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上提高車(chē)輛的最大運(yùn)營(yíng)速度，如達(dá)到高于400 km/h的運(yùn)營(yíng)速度目標(biāo)，且要滿足更嚴(yán)格和更高技術(shù)要求的車(chē)輛設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；降低車(chē)輛能耗及全壽命周期成本；大幅降低車(chē)輛振動(dòng)烈度和噪聲；列車(chē)綜合舒適度指標(biāo)進(jìn)一步增強(qiáng)。這不僅要滿足車(chē)輛生態(tài)設(shè)計(jì)(廢氣和噪聲等的排放)的巨大壓力，還要面對(duì)車(chē)廂內(nèi)空氣壓力變化、氣溫控制，環(huán)境、振動(dòng)和聲學(xué)指標(biāo)等影響。此外，大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、智能系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)等也對(duì)下一代高速列車(chē)的設(shè)計(jì)目標(biāo)提出了更加嚴(yán)格的技術(shù)要求。這些技術(shù)指標(biāo)必然通過(guò)技術(shù)細(xì)化和分解具體落實(shí)到高速列車(chē)的各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，以促進(jìn)人們加快下一代軌道交通關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作。顯然，在相關(guān)技術(shù)的研制過(guò)程中，人們無(wú)疑將面臨更多更新的技術(shù)難題[2-3]。

作者結(jié)合中國(guó)鐵路總公司下一代列車(chē)發(fā)展計(jì)劃研究項(xiàng)目，針對(duì)中車(chē)公司幾個(gè)主要制造廠商進(jìn)行了相關(guān)技術(shù)調(diào)研，并在青島四方和長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司研發(fā)中心的技術(shù)人員大力協(xié)助下進(jìn)行了資料收集、分析和整理工作。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外正在研制的下一代高速列車(chē)的文獻(xiàn)分析結(jié)果，對(duì)我國(guó)下一代高速列車(chē)的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行全方位的分析與思考，從產(chǎn)品系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度，深入探討下一代高速列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)技術(shù)的具體應(yīng)用技術(shù)，提出相關(guān)內(nèi)容的技術(shù)展望，為國(guó)內(nèi)下一代高速列車(chē)的設(shè)計(jì)提供重要的技術(shù)參考和建議[4]。

1 下一代列車(chē)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目

面對(duì)未來(lái)軌道車(chē)輛國(guó)際市場(chǎng)的劇烈競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)內(nèi)外著名的軌道車(chē)輛產(chǎn)品制造商，如西門(mén)子、阿爾斯通、龐巴迪等均已經(jīng)互相聯(lián)合，大力投入到下一代高速列車(chē)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，并積極開(kāi)展研制計(jì)劃項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)2017年投入運(yùn)營(yíng)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組是中國(guó)第三代動(dòng)車(chē)組，是目前世界上最先進(jìn)的高速列車(chē)技術(shù)的重要代表之一。這說(shuō)明我國(guó)通過(guò)十多年來(lái)動(dòng)車(chē)組研制技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，已經(jīng)可以利用正向技術(shù)研制具有中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)動(dòng)車(chē)組。標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組不僅實(shí)現(xiàn)了2種不同設(shè)計(jì)平臺(tái)體系的技術(shù)融合，也在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了不同標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組的互聯(lián)互通和零部件產(chǎn)品互換的關(guān)鍵技術(shù)。產(chǎn)品不僅體現(xiàn)了中國(guó)民族特色的造型設(shè)計(jì)，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、降耗的設(shè)計(jì)目標(biāo)，統(tǒng)一了維修標(biāo)準(zhǔn)，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，具有一定的先進(jìn)性。與歐盟正在投入的下一代高速列車(chē)的研制計(jì)劃(水平線計(jì)劃和Shift2Rail計(jì)劃)相比，我國(guó)下一代高速列車(chē)的主要發(fā)展趨勢(shì)還需要進(jìn)行綜合性研究。新投入運(yùn)營(yíng)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組見(jiàn)圖1[5]。

近年來(lái)，面臨全球鐵路產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)壓力，歐盟首次提出加大對(duì)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)的投資力度，且決定立項(xiàng)一系列支持歐洲高速鐵路部門(mén)的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究項(xiàng)目，其根本目的在于利用一些革命性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)提高歐洲鐵路產(chǎn)品在全球的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。Shift2Rail是歐盟第一個(gè)加速將最新技術(shù)與先進(jìn)技術(shù)整合到一起的鐵路發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目，也是為了實(shí)現(xiàn)歐盟2020戰(zhàn)略和歐盟運(yùn)輸政策的關(guān)鍵目標(biāo)，提供有重點(diǎn)的研發(fā)與創(chuàng)新以及市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)解決方案的歐洲鐵路發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目[2-3,6-7]。

Shift2Rail項(xiàng)目涵蓋包括鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的許多研究子計(jì)劃。比如，Roll2Rail是側(cè)重車(chē)輛和軌道的基礎(chǔ)研究，目標(biāo)是研制“新型、可持續(xù)發(fā)展的智能和舒適的歐洲鐵路軌道車(chē)輛”，旨在提出革命性、關(guān)鍵性的軌道車(chē)輛設(shè)計(jì)新技術(shù)；該計(jì)劃于2015年5月被歐盟委員會(huì)選中后正式啟動(dòng)，屬于“歐盟2020地平線發(fā)展計(jì)劃”項(xiàng)目的第一個(gè)增長(zhǎng)動(dòng)力的基礎(chǔ)項(xiàng)目，其中合作者包含不同領(lǐng)域和專(zhuān)業(yè)的全球著名的31個(gè)產(chǎn)品制造商。他們希望開(kāi)展這項(xiàng)重要的歐洲高速鐵路的創(chuàng)新和發(fā)展項(xiàng)目，利用下一代高鐵的研制計(jì)劃不斷推動(dòng)歐洲鐵路產(chǎn)品在全球的創(chuàng)造力和競(jìng)爭(zhēng)力。該項(xiàng)目側(cè)重于車(chē)輛不同子系統(tǒng)和總體設(shè)計(jì)過(guò)程中的技術(shù)集成創(chuàng)新，也有助于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目計(jì)劃目標(biāo)中提出的對(duì)下一代高速列車(chē)整車(chē)和整個(gè)鐵路系統(tǒng)水平的提高，包括運(yùn)載能力，車(chē)輛的可靠、高效、舒適和全壽命周期成本的最優(yōu)化。項(xiàng)目在具體實(shí)施過(guò)程中，分解為8個(gè)不同領(lǐng)域的課題，又稱(chēng)工作包(Work Package，WP)，包括牽引動(dòng)力及相關(guān)電子技術(shù)，信號(hào)與通信技術(shù)，車(chē)體技術(shù)，走行部技術(shù)，制動(dòng)技術(shù)，綜合舒適性與內(nèi)飾技術(shù)，橫向交叉技術(shù)(噪聲與能量傳遞等)，系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)等。每個(gè)項(xiàng)目都設(shè)定了具體的技術(shù)挑戰(zhàn)目標(biāo)。其根本目的是提高列車(chē)運(yùn)能，降低全壽命周期成本，更加節(jié)能降耗，安全可靠，提高綜合舒適度等。

Roll2Rail計(jì)劃項(xiàng)目中的課題1，主要研究更加高效節(jié)能、性能更好、更輕和更安靜的較小體積牽引系統(tǒng)。根本目標(biāo)是基于新興的電子元器件和電機(jī)技術(shù)提出一種新型牽引技術(shù)。課題2主要研究新一代列車(chē)通信系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)新的無(wú)線電子技術(shù)應(yīng)用到列車(chē)的控制功能。課題3研究輕型復(fù)合材料的列車(chē)，以降低車(chē)輛重量。課題4研究走行部(轉(zhuǎn)向架)技術(shù)方面的創(chuàng)新，目標(biāo)是降低現(xiàn)有和新的走行部技術(shù)的全壽命周期成本。課題5旨在打破制動(dòng)系統(tǒng)創(chuàng)新的障礙，研究列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)未來(lái)更高技術(shù)的需求。課題6研究綜合舒適性和相關(guān)的內(nèi)飾及車(chē)廂內(nèi)環(huán)境問(wèn)題，從乘客的角度研究評(píng)估列車(chē)吸引力和舒適性的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方法。課題7和8研究新型和更高效的噪聲和能源方案，特別是研究噪聲能源的傳遞與分離技術(shù)方法，包括下一代高速列車(chē)的最新能源消耗的技術(shù)方法。其他課題還包括系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)和項(xiàng)目的集中管理等。項(xiàng)目組成框架見(jiàn)圖2[8]。

除此之外，2014年英國(guó)啟動(dòng)一項(xiàng)“未來(lái)列車(chē)在今日的設(shè)計(jì)”計(jì)劃，德國(guó)航空航天中心為此與其他研究機(jī)構(gòu)合作積極研制一種最高速度400 km/h的雙層高速列車(chē)AeroLiner3000，見(jiàn)圖3。其設(shè)計(jì)目標(biāo)是保證新型高速列車(chē)在既有線路的基礎(chǔ)設(shè)施不做任何改變的前提下，將線路運(yùn)輸能力至少提高30%。同時(shí)他們還針對(duì)性開(kāi)展了另外一項(xiàng)下一代高速列車(chē)(NGT)研制計(jì)劃項(xiàng)目，通過(guò)采用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法解決未來(lái)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題(快速、安全、舒適、環(huán)保)，其中主要技術(shù)設(shè)計(jì)目標(biāo)包括：車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)速度提高至400 km/h；比ICE3以300 km/h運(yùn)行時(shí)的能耗降低50%；降低輪軌和氣動(dòng)噪聲；提高乘坐舒適度；改善車(chē)輛安全性；降低輪軌磨耗和全壽命周期費(fèi)用；采用模塊化設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)技術(shù)加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過(guò)程；提高新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率；縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期等[9-10]。

德國(guó)下一代高速列車(chē)(Next Generation Train，NGT)的主要技術(shù)特征見(jiàn)圖4[11-12]。其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為：

(1) 制造較低成本且可靠的高速列車(chē)，包括提高載客量等。未來(lái)核心技術(shù)的一系列研究主要側(cè)重于如何提供更高效服務(wù)，提高歐洲鐵路車(chē)輛產(chǎn)品在全球的競(jìng)爭(zhēng)力。

(2) 開(kāi)發(fā)軌道車(chē)輛發(fā)展的創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)，旨在提供更可持續(xù)、智能、舒適、可靠的車(chē)輛，并最終形成革命化的軌道車(chē)輛長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略。

(3) 保證鐵路系統(tǒng)產(chǎn)能比ICE3列車(chē)增長(zhǎng)15%，車(chē)輛運(yùn)行可靠性和準(zhǔn)時(shí)率增加50%，整個(gè)系統(tǒng)節(jié)能提高30%，全壽命周期成本減少40%，同時(shí)提高乘客的綜合舒適性。

(4) 實(shí)現(xiàn)高鐵溫室氣體排放量的減少，緩解城市擁堵，并提供更高靈活性的鐵路交通運(yùn)輸形式，滿足日益增長(zhǎng)的高效和綠色需求，鐵路部門(mén)需要增強(qiáng)服務(wù)形式，降低能源和壽命周期成本，提高互操作性能，在降振、降噪的質(zhì)量方面取得進(jìn)步。

法國(guó)國(guó)鐵與阿爾斯通公司合作，也正在研發(fā)性能將大幅提升的下一代高速列車(chē)。預(yù)計(jì)到2022年中期，新型列車(chē)正式進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，成為阿爾斯通既有AVELIA系列高速列車(chē)大家庭的一員，見(jiàn)圖5[13]。同時(shí)，2015年底，法國(guó)三家部委聯(lián)合環(huán)境和能源控制署與阿爾斯通公司共同成立合資公司SpeedInnov，研發(fā)法國(guó)下一代高速列車(chē)，進(jìn)一步減少鐵路運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，提高法國(guó)在全球高速鐵路制造業(yè)的專(zhuān)業(yè)影響力。在研制下一代高速列車(chē)的項(xiàng)目中他們也提出需要大力降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造成本，列車(chē)的各個(gè)關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)比目前最新列車(chē)至少降低20%～35%；進(jìn)一步提高產(chǎn)品的集成設(shè)計(jì)水平，保證生態(tài)設(shè)計(jì)，材料與結(jié)構(gòu)的再循環(huán)利用率要高于90%，大幅減少列車(chē)整個(gè)生命周期的維護(hù)成本。改善乘客的乘坐綜合舒適度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)與制造水平，比如加強(qiáng)新型材料的利用，車(chē)體結(jié)構(gòu)內(nèi)飾設(shè)計(jì)布局的優(yōu)化，使得可利用空間擴(kuò)大20%，保證更多的載客量。

日本川崎公司曾經(jīng)提出21世紀(jì)高鐵發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，主要集中在車(chē)輛、電子信息、通信信號(hào)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施等方面，見(jiàn)圖6[14]。日本正在研制東海道新干線上第六代高速列車(chē)，比如N700S型的試驗(yàn)列車(chē)，預(yù)計(jì)2020年，N700S將在東海道新干線運(yùn)營(yíng)，最高運(yùn)行速度提高到320 km/h左右。在主變流和主變壓器裝置，擺式列車(chē)控制系統(tǒng)，空氣壓縮機(jī)，空調(diào)裝置和轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)輕量化與小型化等[15-17]。

2 主要技術(shù)特征分析

最近幾年，為了提高產(chǎn)品在世界市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，各國(guó)著名鐵路車(chē)輛制造商均在積極針對(duì)下一代高速列車(chē)的前沿技術(shù)開(kāi)展系統(tǒng)研究。這里以歐盟Shift2rail發(fā)展計(jì)劃中提出的鐵路創(chuàng)新發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目為例，進(jìn)行主要技術(shù)特征分析，其中包括：降低制造成本，提高列車(chē)可靠性，保證更高的運(yùn)能和運(yùn)營(yíng)速度；優(yōu)化與改善軌道交通通信管理(列車(chē)與列車(chē)，列車(chē)與地面)和控制系統(tǒng)；降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本和保證高運(yùn)能下可靠的基礎(chǔ)設(shè)施；發(fā)展智能軌道交通運(yùn)輸系統(tǒng)；研制可持續(xù)發(fā)展的高速貨運(yùn)系統(tǒng)。

2.1 下一代高速列車(chē)的設(shè)計(jì)思想

以德國(guó)下一代高速列車(chē)為例，其主要目標(biāo)是：保證列車(chē)設(shè)計(jì)技術(shù)在高速運(yùn)行時(shí)性能足夠強(qiáng)大，安全、高效，具有良好的綜合性能(諸如節(jié)能降耗、生態(tài)綠色、高效智能等)，保證車(chē)輛更加優(yōu)越的運(yùn)營(yíng)、維護(hù)性能等。通過(guò)采用關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的研制，在保證高速安全運(yùn)營(yíng)的前提下，進(jìn)一步降低整車(chē)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高載客量和綜合舒適度等。下一代高速列車(chē)的車(chē)體頭型將會(huì)采用更加流線型的頭型設(shè)計(jì)，采用輕質(zhì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)以減輕車(chē)輛質(zhì)量。利用光學(xué)測(cè)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中精確的連掛或者解鉤。其設(shè)計(jì)內(nèi)容還包括：建設(shè)新型軌道車(chē)輛的柔性模塊化先進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)平臺(tái)。提高列車(chē)的運(yùn)營(yíng)速度，改善軌道車(chē)輛的綜合性能；增加車(chē)輛的載客能力?；谠肼?、振動(dòng)、溫度等環(huán)境因素，進(jìn)一步提高和改善乘客的綜合舒適度。增強(qiáng)下一代高速列車(chē)的安全可靠性；優(yōu)化軌道車(chē)輛關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件(車(chē)體和構(gòu)架等)的安全設(shè)計(jì)，比如相關(guān)的高速列車(chē)的碰撞吸能設(shè)計(jì)。優(yōu)化機(jī)電耦合系統(tǒng)；降低輪軌接觸磨耗。與ICE3新型高速列車(chē)相比，降低能耗目標(biāo)需要達(dá)到50%；與ICE2車(chē)型相比，需要降低頭型的空氣阻力達(dá)到25%；采用新型的智能化能耗管理策略；針對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行一系列的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造等。為了能夠?yàn)橄乱淮咚倭熊?chē)定義最佳的技術(shù)設(shè)計(jì)解決方案，需要針對(duì)先進(jìn)的高速列車(chē)的設(shè)計(jì)平臺(tái)思想(動(dòng)力分散式和集中式，以及不同轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)類(lèi)型的布局設(shè)計(jì))，車(chē)體結(jié)構(gòu)(單層和雙層，以及最大寬度車(chē)體的選擇)和牽引動(dòng)力(不同能源類(lèi)型)系統(tǒng)地使用可互換的不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析和評(píng)估?？紤]更多車(chē)輛設(shè)計(jì)的新概念的技術(shù)實(shí)施的可能性，包括最大載客能力，減少能源消耗措施，改善空氣動(dòng)力學(xué)特性和能源轉(zhuǎn)換方式，輕量化結(jié)構(gòu)分析，以及比較其他代表性高速列車(chē)的設(shè)計(jì)概念優(yōu)缺點(diǎn)導(dǎo)致的走行部技術(shù)(轉(zhuǎn)向架技術(shù))原理的選擇等[21]。

關(guān)于下一代軌道車(chē)輛概念設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化環(huán)節(jié)，為提高車(chē)輛的安全性和舒適性提供了極大的發(fā)展?jié)摿?，需要考慮每個(gè)座椅的能耗需求，比如是否需要采用雙層車(chē)輛，是否采用新的機(jī)電一體化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架控制技術(shù)。除了增強(qiáng)運(yùn)行穩(wěn)定性，減少車(chē)輪磨損和降低輪軌噪聲之外，機(jī)電一體化的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)將為雙層車(chē)輛的乘客提供安全、平穩(wěn)、舒適的乘坐環(huán)境。輪對(duì)是單獨(dú)控制的驅(qū)動(dòng)輪，具有相關(guān)聯(lián)的車(chē)輪安裝機(jī)構(gòu)，可以跟隨線路曲率的變化自動(dòng)轉(zhuǎn)向。單個(gè)輪對(duì)的牽引電機(jī)既可以作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又可作為輪對(duì)的2個(gè)獨(dú)立車(chē)輪上施加不同轉(zhuǎn)矩的致動(dòng)器，允許轉(zhuǎn)向架與軌道的路徑對(duì)齊并轉(zhuǎn)向曲線，使得車(chē)輪更安靜平穩(wěn)地運(yùn)行并減少磨損。其主要設(shè)計(jì)思想為

(1) 制造出成本有效且可靠的列車(chē)，包括高載客量的智能列車(chē)。Shift2Rail計(jì)劃中是針對(duì)未來(lái)高速列車(chē)的核心技術(shù)開(kāi)展一系列研究，主要側(cè)重于如何高效服務(wù)于鐵路行業(yè)，提高車(chē)輛產(chǎn)品的核心競(jìng)爭(zhēng)力。主要?jiǎng)?chuàng)新項(xiàng)目涉及牽引技術(shù)、轉(zhuǎn)向架(走行部)、車(chē)體技術(shù)、制動(dòng)技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。研制高速列車(chē)技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新性關(guān)鍵技術(shù)，保證更加可靠、可持續(xù)發(fā)展、智能、舒適的車(chē)輛，將革命化的下一代高速列車(chē)先進(jìn)的車(chē)輛設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)為長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)。

(2) 輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括在目前ICE3列車(chē)基礎(chǔ)上，保證產(chǎn)能增加15%；運(yùn)行可靠性和準(zhǔn)時(shí)率增加50%；系統(tǒng)節(jié)能提高30%；車(chē)輛和軌道壽命周期成本減少40%等。為了提高乘客的舒適性，還需要開(kāi)發(fā)新型牽引技術(shù)，基于新型電子電氣元件和電動(dòng)車(chē)輪技術(shù)研制高速列車(chē)關(guān)鍵裝備；開(kāi)發(fā)滿足車(chē)輛間更加靈活可靠的新連接方式需要的新控制技術(shù)，比如無(wú)線傳感技術(shù)等。為了增加乘客使用空間和提高載客量，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，比如采用大量輕質(zhì)復(fù)合材料以降低車(chē)輛結(jié)構(gòu)部件的整體質(zhì)量。為了實(shí)現(xiàn)走行部(轉(zhuǎn)向架)技術(shù)的根本性創(chuàng)新，降低全壽命周期成本，還需要提出新的高鐵管理技術(shù)解決方案。通過(guò)征集歐洲鐵路市場(chǎng)的廣泛需求，在制動(dòng)系統(tǒng)、舒適度、環(huán)境降噪、能耗技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)新技術(shù)的突破和應(yīng)用。

2.2 未來(lái)技術(shù)方案可行性分析

根據(jù)更高速、更安全、更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)、更舒適的總體設(shè)計(jì)技術(shù)目標(biāo)要求，中國(guó)的下一代高速列車(chē)需要建立屬于中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和特色的高速列車(chē)設(shè)計(jì)平臺(tái)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)多國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的互換性、兼容性和設(shè)計(jì)平臺(tái)的足夠先進(jìn)性。下面針對(duì)一些研究分析結(jié)果，對(duì)我國(guó)下一代高速列車(chē)的主要技術(shù)方案進(jìn)行技術(shù)分析與展望。

2.2.1 下一代高速列車(chē)的先進(jìn)設(shè)計(jì)平臺(tái)的搭建

最近十年，國(guó)外著名的軌道車(chē)輛制造商一直在進(jìn)行下一代動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)。下一代高速列車(chē)設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)具有一定的技術(shù)特征。簡(jiǎn)單可以歸納為：如何降低能耗和噪聲，實(shí)現(xiàn)生態(tài)綠色設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的全壽命周期性能最優(yōu)。全壽命周期最重要的特點(diǎn)體現(xiàn)在高速列車(chē)產(chǎn)品的集成設(shè)計(jì)，并行優(yōu)化設(shè)計(jì)和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域。下一代高速列車(chē)在總體設(shè)計(jì)上不僅需要滿足日益增長(zhǎng)的乘客綜合舒適度需求，還需要體現(xiàn)更高的安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和突破性核心技術(shù)的創(chuàng)新要求。這些因素均要求建立先進(jìn)的下一代高速列車(chē)的設(shè)計(jì)平臺(tái)，并以此作為未來(lái)發(fā)展計(jì)劃，積極開(kāi)展下一代高速列車(chē)相關(guān)創(chuàng)新性項(xiàng)目的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新性研究。這里簡(jiǎn)單列出一個(gè)下一代高速列車(chē)設(shè)計(jì)平臺(tái)的建設(shè)框架示意圖，見(jiàn)圖7。

2.2.2 轉(zhuǎn)向架技術(shù)設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)向架(簡(jiǎn)稱(chēng)走行部)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是下一代高速列車(chē)的核心技術(shù)。更高的運(yùn)營(yíng)速度必然會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架設(shè)計(jì)提出更加嚴(yán)格的技術(shù)要求，未來(lái)的技術(shù)需求必然迫使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)向輕量化，安全可靠，降低維護(hù)成本、輪軌間作用力等目標(biāo)發(fā)展。為此，下一代高速列車(chē)轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化設(shè)計(jì)，降低維修成本，利于提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和安全可靠性。要實(shí)現(xiàn)下一代高速列車(chē)更高速度與更高性能的追求，創(chuàng)新設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向架技術(shù)是一個(gè)重要的發(fā)展途徑。

從結(jié)構(gòu)與懸掛系統(tǒng)的功能看，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家一直在思考是否可以將一系懸掛和轉(zhuǎn)向架側(cè)梁的功能合二為一，做成彈性側(cè)梁。這種思路可以簡(jiǎn)化轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)，減少部件數(shù)量，根本上實(shí)現(xiàn)輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在某種程度上通過(guò)大幅度的彈性變形緩和輪軌作用力較大的問(wèn)題，降低輪軌沖擊和振動(dòng)。其根本思路在于兩個(gè)方面：一方面是材料的選擇，可以選擇具有良好機(jī)械性能和多功能復(fù)合材料，比如采用高性能的碳纖維材料。這種材料軸向強(qiáng)度和模量十分高，密度低，耐腐蝕耐疲勞，具有相當(dāng)優(yōu)異的機(jī)械性能，在同等強(qiáng)度下，結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)的比較簡(jiǎn)潔；另一方面，懸掛形式的選擇，比如板簧層疊結(jié)構(gòu)，滿足轉(zhuǎn)向架構(gòu)架具有良好的彈性。日本川崎重工公司在世界上首次采用的碳纖維增強(qiáng)塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)的efWING新型轉(zhuǎn)向架就是考慮這種結(jié)構(gòu)形式的實(shí)例，相比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架，每臺(tái)減重約450 kg，輪重減載約50%，舒適性也有很大提升。efWING彈性轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖8[18]。

其他結(jié)構(gòu)類(lèi)型的創(chuàng)新式轉(zhuǎn)向架技術(shù)還包括如下幾條，這里僅僅做簡(jiǎn)單介紹。

(1) 軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架

軸箱內(nèi)置轉(zhuǎn)向架將軸箱置于車(chē)輪內(nèi)側(cè)，使得轉(zhuǎn)向架體積變小，質(zhì)量比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架減重30%左右，滿足軌道車(chē)輛及轉(zhuǎn)向架輕量化設(shè)計(jì)的要求，一定程度上優(yōu)化了車(chē)輛動(dòng)力學(xué)性能，降低了運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。西門(mén)子SF7000內(nèi)置轉(zhuǎn)向架見(jiàn)見(jiàn)圖9[19-20]。

(2) 架懸齒輪箱

由于轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量對(duì)輪軌作用力影響顯著，減小簧下質(zhì)量可明顯減輕輪軌作用力，有利于改善車(chē)輛和軌道運(yùn)行條件，延長(zhǎng)車(chē)輛和線路壽命。對(duì)下一代高速列車(chē)，由于其速度更快，簧下質(zhì)量對(duì)輪軌關(guān)系的不利影響會(huì)明顯放大，以減輕轉(zhuǎn)向架的簧下質(zhì)量來(lái)改善輪軌關(guān)系十分必要和關(guān)鍵。我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架傳動(dòng)機(jī)構(gòu)盡管在驅(qū)動(dòng)裝置上已經(jīng)采用了架懸或者體懸的方式，但由于齒輪箱和牽引大齒輪一端還是懸掛在車(chē)軸上，牽引齒輪的質(zhì)量和齒輪箱質(zhì)量的一半仍然屬于簧下質(zhì)量，要達(dá)到減輕簧下質(zhì)量，采用架懸或者體懸的方式，將齒輪箱質(zhì)量轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)向架構(gòu)件或車(chē)體底架上，是一個(gè)可以考慮的有效措施[21]。

2.2.3 牽引制動(dòng)技術(shù)

牽引制動(dòng)技術(shù)是高速列車(chē)核心技術(shù)之一。其主要作用是為高速列車(chē)提供可靠有效的牽引和制動(dòng)動(dòng)力。牽引系統(tǒng)功能是將電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，轉(zhuǎn)換過(guò)程的效率高低影響到系統(tǒng)能量使用效率。從受電弓、電機(jī)與電力電子傳動(dòng)技術(shù)、變壓器、變流器等到齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，往往體積大且結(jié)構(gòu)笨重。下一代高速列車(chē)的牽引系統(tǒng)，不僅要提高能量傳遞效率，同時(shí)要通過(guò)功率質(zhì)量比進(jìn)行量化考核，提高牽引效率。具體有如下幾個(gè)方面需要考慮[22]。

2.2.3.1 受電弓技術(shù)

隨著高速列車(chē)最高運(yùn)行速度的不斷提升，受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)服役環(huán)境發(fā)生顯著變化。高速氣流的作用加劇了受電弓的氣動(dòng)噪聲和復(fù)雜的受流環(huán)境，也容易引起弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)接觸行為的不良變化，進(jìn)而影響弓網(wǎng)受流性能。另外，運(yùn)營(yíng)速度的提高易導(dǎo)致載荷頻變特性惡化，影響弓網(wǎng)匹配關(guān)系，縮短弓網(wǎng)關(guān)鍵零部件的運(yùn)用壽命。為了使受電弓產(chǎn)品滿足下一代高速列車(chē)安全高效運(yùn)營(yíng)要求，需要研發(fā)具有自主化的低噪聲、低阻力、高可靠、高平穩(wěn)、智能化受電弓，改善下一代高速列車(chē)弓網(wǎng)關(guān)系，提升受電弓運(yùn)用可靠性，為我國(guó)高速鐵路的健康發(fā)展和高鐵走出去戰(zhàn)略提供重要保障。具體而言，下一代高速列車(chē)受電弓技術(shù)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。盡可能采用流線型設(shè)計(jì)，滿足低噪聲和低阻力的高速運(yùn)行需求，同時(shí)利用組合臂設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行包裹處理也是可以嘗試的技術(shù)方案。高速受電弓設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖10，測(cè)試結(jié)果也證實(shí)對(duì)降低阻力和噪聲是可行的。

(2) 智能化方面。考慮關(guān)鍵部件的智能化，如滑板、懸掛系統(tǒng)、拉桿、升弓機(jī)構(gòu)等。在設(shè)計(jì)和制造階段考慮傳感器的預(yù)埋，使得整體結(jié)構(gòu)在出廠時(shí)，自帶智能化的結(jié)構(gòu)部件。狀態(tài)感知的智能化，結(jié)合智能結(jié)構(gòu)部件，通過(guò)接觸或非接觸式的傳感元件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知，如接觸狀態(tài)，受力狀態(tài)，升弓狀態(tài)，服役環(huán)境狀態(tài)(溫度、濕度、氣流等)。故障診斷的智能化，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控受電弓運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)，借助專(zhuān)家診斷系統(tǒng)或模型，對(duì)出現(xiàn)的受電弓故障狀態(tài)進(jìn)行診斷，自動(dòng)給出相應(yīng)的報(bào)警信息。健康狀態(tài)的智能化管理，通過(guò)受電弓運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的大數(shù)據(jù)累積，進(jìn)行同時(shí)空環(huán)比以及相應(yīng)的大數(shù)據(jù)智能化分析，掌握受電弓的健康狀態(tài)，動(dòng)態(tài)給出相應(yīng)的維修維保策略，同時(shí)對(duì)其剩余壽命作出合理的估計(jì)。

(3) 控制系統(tǒng)方面。基于智能化受電弓技術(shù)，以受電弓健康狀態(tài)征兆向量為控制參數(shù)，提出半閉環(huán)控制算法，通過(guò)自動(dòng)切換控制目標(biāo)、控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同受電弓服役環(huán)境下的自適應(yīng)控制策略。突破傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)控制無(wú)法自動(dòng)優(yōu)化，自動(dòng)調(diào)整控制目標(biāo)或控制參數(shù)的缺點(diǎn)。

2.2.3.2 電機(jī)與傳動(dòng)技術(shù)

電機(jī)與傳動(dòng)技術(shù)中包含永磁電機(jī)、多相電機(jī)、新型結(jié)構(gòu)電機(jī)和聯(lián)軸器、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)與軸承等關(guān)鍵技術(shù)，具體介紹如下：

(1) 永磁電機(jī)。永磁同步電機(jī)與普通交流變頻電機(jī)相比具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度，屬于環(huán)保低碳電機(jī)。但需要解決諸多關(guān)鍵技術(shù)，如基于多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化的永磁同步直驅(qū)系統(tǒng)集成技術(shù)，低噪高效、低速高轉(zhuǎn)矩永磁直驅(qū)電機(jī)的電磁特性和新結(jié)構(gòu)，非線性耦合多階模型和參數(shù)實(shí)時(shí)辨識(shí)方法，高穩(wěn)定性、低脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，以及相應(yīng)的牽引變流器技術(shù)。目前永磁電機(jī)在國(guó)外得到良好應(yīng)用，我國(guó)研制的永磁電機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)初步運(yùn)用，且在科技部項(xiàng)目的支持下，已經(jīng)生產(chǎn)出永磁電機(jī)高速列車(chē)，相關(guān)技術(shù)還在繼續(xù)研制過(guò)程中。

下一代高速列車(chē)也有可能會(huì)采用交直交技術(shù)，即應(yīng)用多相永磁電機(jī)技術(shù)。由于多相永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是功率密度最高的一種電機(jī)，是多臺(tái)三相電動(dòng)機(jī)的集成，不僅提高了系統(tǒng)的可靠性，改善了電動(dòng)機(jī)性能，削弱了換相轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，還提供多個(gè)三相系統(tǒng)間相互對(duì)稱(chēng)，或不對(duì)稱(chēng)的條件，以及多個(gè)三相系統(tǒng)的相電流不疊加的條件來(lái)減小蓄電池大電流放電。目前，多相電機(jī)隨著永磁電機(jī)的應(yīng)用，也在不斷發(fā)展，5相甚至15相電機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)，在下一代高速列車(chē)中也可能應(yīng)用此類(lèi)電機(jī)技術(shù)。

另外，永磁電機(jī)最大的技術(shù)障礙是電機(jī)發(fā)熱，而過(guò)熱有可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的永磁材料失磁。電力傳動(dòng)技術(shù)中的永磁電機(jī)有時(shí)也會(huì)采用液態(tài)主動(dòng)冷卻的方式。電機(jī)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，可以實(shí)現(xiàn)要求不高的自冷卻，當(dāng)然，這必須基于直驅(qū)式永磁同步電機(jī)的機(jī)-電-熱-磁耦合作用機(jī)理及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的突破。另外，永磁電機(jī)的永磁性能，必須要控制電機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題，強(qiáng)烈的電機(jī)振動(dòng)同樣導(dǎo)致失磁現(xiàn)象的發(fā)生。如何從電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)避免振動(dòng)，也需要選擇新型的結(jié)構(gòu)裝配形式。但是對(duì)于未來(lái)的直驅(qū)技術(shù)，必須研究直驅(qū)式永磁同步電機(jī)復(fù)合式轉(zhuǎn)軸受輪軌振動(dòng)的建模與理論分析方法，在結(jié)構(gòu)上避免強(qiáng)烈振動(dòng)的影響。

(2) 聯(lián)軸器。目前的高速列車(chē)從電機(jī)到齒輪箱，一般采用鼓形齒聯(lián)軸器，但是聯(lián)軸器的漏油、發(fā)熱、連接螺栓斷裂是經(jīng)常發(fā)生的故障現(xiàn)象。為了解決這一技術(shù)難題，需要發(fā)展其他高速列車(chē)采用的柔性聯(lián)軸器，如無(wú)磨損的碟片式聯(lián)軸器。另外，為了根本上解決這個(gè)技術(shù)問(wèn)題，考慮是否取消聯(lián)軸器，比如采用降低簧下質(zhì)量的空心軸齒輪箱結(jié)構(gòu)，可以滿足電機(jī)直接連接齒輪箱，省掉聯(lián)軸器，聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)技術(shù)在下一代高速列車(chē)中也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

(3) 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)與軸承。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)是高速列車(chē)關(guān)鍵部件之一。由于速度高、運(yùn)營(yíng)里程長(zhǎng)等特點(diǎn)，對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)安全性、可靠性的技術(shù)要求也越來(lái)越高。如何保障高速列車(chē)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)高質(zhì)量、高性能的安全運(yùn)營(yíng)尤為重要。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估及壽命評(píng)估的智能化研究作為重大關(guān)鍵技術(shù)尤為迫切。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是軸承的溫度監(jiān)測(cè)，存在很大的局限性，很難全面準(zhǔn)確反應(yīng)系統(tǒng)的整體特性。由于智能化傳感器和測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，使得集油溫、金屬含量及振動(dòng)監(jiān)測(cè)于一體的智能化傳感器成為可能。另外，齒輪箱的故障大部分是源于大小齒輪的軸承，軸承的選型和設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于齒輪箱服役載荷和振動(dòng)情況復(fù)雜，下一代高速列車(chē)的軸承設(shè)計(jì)新技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫。軸承設(shè)計(jì)需要從穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)向動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，通過(guò)復(fù)雜轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)建模掌握齒輪箱實(shí)際服役狀態(tài)下的狀態(tài)。另外，結(jié)合高速列車(chē)大系統(tǒng)耦合的動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，通過(guò)理論仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，下一代高鐵的安全服役也迫切需要人們積極開(kāi)展齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)與軸承的核心技術(shù)研究。

2.2.3.3 變壓器技術(shù)

為了提高電機(jī)輸出功率和電機(jī)質(zhì)量的比值，需要著重解決傳統(tǒng)車(chē)載工頻牽引變壓器體積龐大、笨重等缺點(diǎn)。在下一代高速列車(chē)中，可以嘗試采用高速列車(chē)的車(chē)載新型變壓器技術(shù)。比如電力電子變壓器是有應(yīng)用價(jià)值的新型變壓器技術(shù)?；谔蓟韫β誓K的發(fā)展，電力電子變壓器從小功率向大功率發(fā)展的進(jìn)程會(huì)大大加快。從變壓器的工作原理看，提高工作頻率，可以減少變壓器的體積和質(zhì)量，從而提高單位體積(或質(zhì)量)下的傳輸功率。日本三菱公司已經(jīng)做出大功率的碳化硅功率模塊，我國(guó)在電機(jī)小功率模塊方面雖然在近些年來(lái)也取得較大進(jìn)展，但是要在下一代高速列車(chē)將電力電子變壓器應(yīng)用到車(chē)上，成為下一代高速列車(chē)牽引傳動(dòng)最大的標(biāo)志性特征，還有一段艱巨的任務(wù)去做。為了解決傳統(tǒng)車(chē)載工頻牽引變壓器體積龐大、笨重等缺點(diǎn)問(wèn)題，還需要研究適用于下一代高速列車(chē)的車(chē)載新型電力電子變壓器技術(shù)。

2.2.3.4 變流器技術(shù)

變流器技術(shù)的發(fā)展方向還是輕量化和大功率。主要目標(biāo)是研究軌道交通用寬禁帶半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)、微管缺陷、微米級(jí)高精度光刻等關(guān)鍵芯片設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)；解決多種電壓等級(jí)器件的焊接、芯片低溫鍵合以及歐姆接觸等關(guān)鍵封裝及測(cè)試技術(shù)；研究苛刻應(yīng)用環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)保護(hù)技術(shù)以及器件的串并聯(lián)技術(shù)；研究高開(kāi)關(guān)頻率、高結(jié)溫應(yīng)用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝置小型化和高效率；建立系統(tǒng)及關(guān)鍵部件的可靠性評(píng)估模型，提高系統(tǒng)的可用性和可靠性；加載智能化的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與狀態(tài)評(píng)估也是下一代高速列車(chē)的發(fā)展方向。另外一個(gè)技術(shù)是直掛式牽引變流器技術(shù)，該技術(shù)可直接從接觸網(wǎng)取電驅(qū)動(dòng)列車(chē)，這樣可將牽引變壓器的功能合二為一。這個(gè)技術(shù)更加先進(jìn)，但還是要依賴碳化硅的工程化程度。

鬼子都打到龍游了，那蘭溪是不是早已失手？老三還能不能把報(bào)喪信送到志浩手上？甚至，志浩是不是早已為國(guó)捐軀都是件難說(shuō)的事。雖說(shuō)蘭溪離衢州不過(guò)六七十里地，趕船也就半天的腳程，但這兵荒馬亂的，即便志浩回來(lái)奔喪，沒(méi)個(gè)一天半截估計(jì)是到不了的。

2.2.3.5 列車(chē)運(yùn)行管理與控制技術(shù)

隨著動(dòng)力分散式高速列車(chē)的發(fā)展，輪軌黏著控制的壓力大大減少，研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到節(jié)能運(yùn)控牽引技術(shù)，根據(jù)不同列車(chē)狀態(tài)(載客量)、線路特征、環(huán)境與氣候特征和列車(chē)運(yùn)行圖要求的節(jié)能操縱技術(shù)?；谶@樣的節(jié)能操縱技術(shù)，下一步的可能設(shè)計(jì)目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)的無(wú)人駕駛技術(shù)的研制。

2.2.3.6 制動(dòng)控制技術(shù)

我國(guó)高速列車(chē)的空-電聯(lián)合制動(dòng)模式，不僅因?yàn)橹苿?dòng)副的摩擦磨損，引起維修成本的增加，而且因?yàn)闄C(jī)械制動(dòng)無(wú)法對(duì)能量再利用，容易造成能源的浪費(fèi)。因此，下一代高速列車(chē)一定會(huì)向全電制動(dòng)與再生制動(dòng)的方向發(fā)展。這需要解決低速時(shí)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)速度的精確檢測(cè)，低速時(shí)牽引電機(jī)再生制動(dòng)與反接制動(dòng)優(yōu)化匹配等基礎(chǔ)性技術(shù)。在牽引制動(dòng)控制中，多數(shù)情況下強(qiáng)調(diào)全電制動(dòng)。但是作為緊急制動(dòng)，基礎(chǔ)制動(dòng)必不可少?；A(chǔ)制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，主要集中在制動(dòng)材料的革命，比如新型的高速列車(chē)的制動(dòng)盤(pán)材料采用碳-碳復(fù)合材，碳-陶復(fù)合材料等。這些新型材料因耐磨性好、摩擦系數(shù)高、摩擦穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而被逐步采用在新型高速列車(chē)的設(shè)計(jì)中。隨著這些材料的制備工藝突破、成本降低，下一代高速列車(chē)完全有機(jī)會(huì)廣泛應(yīng)用。

2.2.4 材料與結(jié)構(gòu)部分

目前，如何降低高速列車(chē)車(chē)輛結(jié)構(gòu)的質(zhì)量已經(jīng)成為車(chē)輛技術(shù)研究的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，尤其車(chē)體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)不僅可以提高載客量，而且可以降低軸重，減少車(chē)輛整體結(jié)構(gòu)對(duì)軌道的振動(dòng)沖擊破壞和車(chē)輛能耗。輕量化的車(chē)輛結(jié)構(gòu)可以通過(guò)幾個(gè)主要方式實(shí)現(xiàn)：其一是選擇輕量化的功能性結(jié)構(gòu)部件和材料；其二通過(guò)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)幾何特征的修改設(shè)計(jì)，滿足強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)頻率的綜合技術(shù)要求。這里以車(chē)體為例，作為旅客和設(shè)備主要承載的部件，車(chē)體技術(shù)的創(chuàng)新要在輕量化和安全等基本要素上不斷追求進(jìn)步，要體現(xiàn)旅客對(duì)乘坐舒適度的要求。創(chuàng)新的建議是：多采用功能性的新材料和結(jié)構(gòu)部件的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；基于輕量化設(shè)計(jì)的多目標(biāo)安全設(shè)計(jì)技術(shù)(含碰撞性能、疲勞性能等)；增加載客能力新型結(jié)構(gòu)與室內(nèi)布置的設(shè)計(jì)技術(shù)等[22-23]。

(1) 輕量化材料的選擇

就材料選擇而言，在車(chē)輛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，鋁合金夾層材料、碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)以及其他復(fù)合材料等已經(jīng)或正在逐步取代傳統(tǒng)的碳鋼材料。采用鋁鎂合金或者復(fù)合材料的車(chē)體結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)整體性能上應(yīng)該高于或等于現(xiàn)行的鋁合金材料的車(chē)體結(jié)構(gòu)。近幾年來(lái)，德國(guó)學(xué)者在研制下一代高速列車(chē)的過(guò)程中也提出了利用集成化設(shè)計(jì)技術(shù)，在車(chē)輛結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)階段采用拓?fù)浠慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。在其他的設(shè)計(jì)案例中，正采用多功能材料逐步取代部分車(chē)輛結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)材料。比如通過(guò)采用泡沫鋁或其他多孔材料作為車(chē)體結(jié)構(gòu)的減振吸能和防碰撞材料。鎂合金的材料由于其低密度(2/3的鋁合金密度)和高強(qiáng)度性能也開(kāi)始逐步在高鐵車(chē)輛中得到應(yīng)用。鎂合金具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高，減振性能好，可加工，可循環(huán)再利用等突出優(yōu)點(diǎn)，特別是其比強(qiáng)度和比剛度高，優(yōu)于鋁合金和鋼，其作為重要的工程材料應(yīng)用于高速列車(chē)不僅己是指日可待，而且也是高速軌道交通裝備制造技術(shù)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。碳纖維(Carbon Fiber)是指有機(jī)纖維經(jīng)碳化和石墨化處理后得到的一種微晶石墨材料，其組成為高分子碳纖維，含碳量高達(dá)90%以上，是一種力學(xué)性能非常優(yōu)異的新型材料。隨著軌道交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)軌道客車(chē)的安全性、舒適性、綠色節(jié)能性提出了新的要求，碳纖維復(fù)合材料作為一種新型替代材料逐漸引起了世界各國(guó)的重視。碳纖維復(fù)合材料既可以應(yīng)用于列車(chē)內(nèi)飾、受電弓和設(shè)備艙等非承載、次承載部件，又可以應(yīng)用于車(chē)體、轉(zhuǎn)向架這類(lèi)主承載部件。碳纖維作為一種性能優(yōu)異的替代材料，在高速列車(chē)上已經(jīng)得到一些應(yīng)用。

車(chē)體是高速列車(chē)結(jié)構(gòu)部件的重要組成部分，為了進(jìn)一步減輕車(chē)體的質(zhì)量，采用新復(fù)合材料替代原有的鋁合金材料是必然發(fā)展趨勢(shì)。比如法國(guó)采用復(fù)合材料生產(chǎn)了雙層TGV掛車(chē)樣車(chē)并進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)耐火性、抗沖擊強(qiáng)度等因數(shù)進(jìn)行測(cè)試[3]。測(cè)試結(jié)果表明，復(fù)合材料車(chē)體在振動(dòng)性能和絕熱防火性能等方面具有突出的優(yōu)點(diǎn)，提高了乘客乘車(chē)的舒適性。辛德勒客車(chē)公司用碳纖維纏繞的方法制成輕型列車(chē)車(chē)體，生產(chǎn)的樣車(chē)在鐵路線上進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，速度可達(dá)140 km/h，且滿足強(qiáng)度和剛度的要求，達(dá)到了預(yù)期效果。韓國(guó)在2010年投入運(yùn)營(yíng)的TTX列車(chē)，車(chē)體外殼也是采用碳纖維復(fù)合材料蒙皮和鋁夾芯結(jié)構(gòu)，這樣的設(shè)計(jì)使車(chē)體質(zhì)量降低了40%，運(yùn)行試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的安全問(wèn)題，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

高速列車(chē)的車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍采用三明治結(jié)構(gòu)的中空鋁合金型材，由于不是等強(qiáng)度和等剛度結(jié)構(gòu)，車(chē)體底架中間位置的強(qiáng)度和剛度相對(duì)較低。能否采用等強(qiáng)度和等剛度概念的設(shè)計(jì)方式，保證車(chē)體結(jié)構(gòu)的受力均衡，也可能是下一代高速列車(chē)選擇的一項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)。以德國(guó)在下一代高速列車(chē)集成設(shè)計(jì)為例，研究人員提出一種新的雙層高速列車(chē)設(shè)計(jì)理念。在車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上研究人員既考慮了動(dòng)車(chē)的邊界條件，也考慮了車(chē)體內(nèi)的動(dòng)力配置。在這一結(jié)構(gòu)條件下，充分利用理論上最優(yōu)的可用設(shè)計(jì)空間。與傳統(tǒng)車(chē)體結(jié)構(gòu)相比，跨距縮小，并在二系懸掛處產(chǎn)生與撓度成反比的力矩。這種設(shè)計(jì)理念根本上降低了列車(chē)質(zhì)量，提高了車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)剛度，由于允許的最大軸重限制在其對(duì)走行部設(shè)計(jì)技術(shù)也提出了非常嚴(yán)格的技術(shù)要求。此外，加速、平穩(wěn)運(yùn)行和制動(dòng)必需的節(jié)能等問(wèn)題，以及安全減排環(huán)保和輕量化設(shè)計(jì)等因素，需要考慮采用多功能材料的設(shè)計(jì)原則，將各種材料使用在能夠發(fā)揮它最大潛力的地方。為了實(shí)現(xiàn)較低的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，總體采用玻璃纖維增強(qiáng)板材(GFK)和三明治填充結(jié)構(gòu)及其他輕金屬結(jié)構(gòu)，同時(shí)大量采用碳纖維復(fù)合材料(CFK)筋板。此模塊化設(shè)計(jì)可以由復(fù)合纖維輕結(jié)構(gòu)與帶有填充層的桁架結(jié)構(gòu)組成，將車(chē)體分為不同功能的設(shè)計(jì)段。這種多功能材料的設(shè)計(jì)概念和新型筋板結(jié)構(gòu)可以比目前結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低30%。與此同時(shí)，車(chē)體結(jié)構(gòu)盡可能地進(jìn)行功能集成，以便最大限度地利用凈空限定的內(nèi)部空間。在下一代動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)過(guò)程中大量采取了集成化和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的新型結(jié)構(gòu)模式，見(jiàn)圖11[24]。

3 我國(guó)下一代高速列車(chē)設(shè)計(jì)技術(shù)的展望

根據(jù)下一代高速列車(chē)結(jié)構(gòu)集成設(shè)計(jì)技術(shù)的調(diào)研和關(guān)鍵技術(shù)研究，說(shuō)明研究我國(guó)未來(lái)高速列車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)十分迫切而且必要，比如新型輕量化減振降噪材料的制備與應(yīng)用技術(shù)的研制可以滿足車(chē)內(nèi)低噪聲與低振動(dòng)要求。利用面向廣域服役環(huán)境，復(fù)雜載荷工況，大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的綠色、智能、高效的先進(jìn)材料制備技術(shù)，可以為下一代高速列車(chē)提供更加可靠的安全保障[4,25-31]。

另外，降低能耗是研制下一代高速列車(chē)的重要技術(shù)指標(biāo)之一，如何降低能耗是下一代高速列車(chē)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。實(shí)際上，降低能耗的需求體現(xiàn)在高速列車(chē)的生態(tài)設(shè)計(jì)和綠色設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，比如列車(chē)氣動(dòng)外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低空氣阻力、降低能耗；牽引制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化控制可以高效節(jié)省能源消耗；智能化的結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)技術(shù)等。也就是說(shuō)，下一代高速列車(chē)能耗的降低不僅是牽引制動(dòng)控制最優(yōu)控制策略模式的選擇，也包括關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的外形優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，新型智能化材料的選擇，智能運(yùn)營(yíng)與維護(hù)管理等，這就需要重點(diǎn)研究高速列車(chē)的最佳牽引制動(dòng)的管理方式。包括研制未來(lái)列車(chē)的混合動(dòng)力系統(tǒng)模型以滿足高速列車(chē)的新特性，如高速和節(jié)能的要求。列車(chē)能量效率的控制策略和再生制動(dòng)方式的選擇，最佳牽引控制方式更是一種非線性系統(tǒng)的優(yōu)化問(wèn)題。列車(chē)在加速或上坡時(shí)會(huì)消耗能量，空氣阻力，輪軌阻力和舒適性需求，同樣需要消耗能量。如何通過(guò)再生制動(dòng)方式的研究，再生和回收列車(chē)消耗的能量輸入以加速列車(chē)，可以極大地降低能耗[32]。下一代高速列車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)，包含內(nèi)容豐富，這里僅僅討論主要技術(shù)的具體特點(diǎn)。

3.1 互聯(lián)互通性的下一代高速列車(chē)設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)的建設(shè)

基于多目標(biāo)、多學(xué)科的高速列車(chē)優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)境，探索研究下一代高速列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的研發(fā)與設(shè)計(jì)技術(shù)。這種技術(shù)主要基于已有的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組相關(guān)技術(shù)，參考和學(xué)習(xí)歐洲與日本等國(guó)家的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的最新技術(shù)要求，最終豐富和完善中國(guó)動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，完成互聯(lián)互通性的下一代高速列車(chē)設(shè)計(jì)技術(shù)平臺(tái)的建設(shè)。

3.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)的創(chuàng)新和突破

3.2.1 關(guān)鍵技術(shù)研究

牽引技術(shù)包括受電弓技術(shù)，電機(jī)技術(shù)，變流變壓技術(shù)，電力電子和電傳動(dòng)技術(shù)，列車(chē)控制與管理系統(tǒng)等；轉(zhuǎn)向架技術(shù)與動(dòng)力學(xué)控制技術(shù)；車(chē)體技術(shù)-新材料新工藝設(shè)計(jì)技術(shù)；制動(dòng)技術(shù)；通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；智能監(jiān)控技術(shù)等。這里以主動(dòng)安全控制技術(shù)的應(yīng)用為例簡(jiǎn)單說(shuō)明，這也是列車(chē)控制與管理系統(tǒng)中必須要重點(diǎn)考慮的技術(shù)難題，其核心內(nèi)容是指列車(chē)和車(chē)輛在高速行駛狀態(tài)下操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)穩(wěn)定性、適應(yīng)環(huán)境狀況和天氣變化等動(dòng)態(tài)未知變化的能力。在下一代高速列車(chē)的研制過(guò)程中，僅僅依靠提高高速鐵路的被動(dòng)安全性，不能高效地提高高速鐵路的可靠性。研究與被動(dòng)安全相結(jié)合的主動(dòng)安全方法顯得尤為重要。對(duì)高速鐵路中的主動(dòng)安全控制系統(tǒng)建模分析，是列車(chē)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)和方法，進(jìn)一步通過(guò)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)性分析、主動(dòng)防御等，最終達(dá)到高速列車(chē)的主動(dòng)安全控制。

3.2.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)技術(shù)

前面介紹了轉(zhuǎn)向架部分關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)，這里以車(chē)體設(shè)計(jì)為例簡(jiǎn)單說(shuō)明。就車(chē)體而言，提高列車(chē)綜合舒適度，建立高速列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。突破下一代高強(qiáng)、高韌、輕量化、變截面、變曲率、大斷面中空型材輕合金車(chē)體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)內(nèi)環(huán)境綜合舒適度提升。采用全景式高速列車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，最大限度利用最優(yōu)設(shè)計(jì)空間，以安全、輕量化和節(jié)能降噪降耗，通過(guò)最優(yōu)空間設(shè)計(jì)和能量傳輸理論、多功能材料設(shè)計(jì)概念，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)的提升，具體細(xì)節(jié)體現(xiàn)在等強(qiáng)度、等剛度結(jié)構(gòu)；(型材)變截面；多功能材料設(shè)計(jì)(鋁鎂合金、碳纖維)；綜合舒適度；流線型(車(chē)體和轉(zhuǎn)向架)；3D打印技術(shù)。研究變截面、變剛度、等強(qiáng)度等新材料、新工藝，開(kāi)展碳纖維、復(fù)合材料及輕合金應(yīng)用于構(gòu)架部件的技術(shù)研究，從根本上提高結(jié)構(gòu)輕量化的水平。解決新型車(chē)體結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)、抗疲勞設(shè)計(jì)、先進(jìn)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、耐碰撞技術(shù)、減振降噪、防寒防火阻燃技術(shù)等方面的一系列研究。另外，車(chē)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還需要解決在服役環(huán)境下的聲振耦合、剛?cè)狁詈?、流固耦合、熱固耦合、傳聲和聲輻射、碰撞安全性等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

空氣動(dòng)力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)也是高速列車(chē)結(jié)構(gòu)部件外形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，其中包括了車(chē)體、轉(zhuǎn)向架以及受電弓等關(guān)鍵部件的氣動(dòng)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。比如通過(guò)優(yōu)化車(chē)頭的形狀，減少運(yùn)行空氣阻力和氣動(dòng)噪聲；考慮列車(chē)進(jìn)出隧道、會(huì)車(chē)以及橫風(fēng)作用下的列車(chē)安全性與穩(wěn)定性；優(yōu)化列車(chē)壓差變化的不利影響(微氣壓以及列車(chē)前端與尾端的壓力的分布變化)；降低氣動(dòng)噪聲，改善車(chē)體與周?chē)h(huán)境的空氣動(dòng)力學(xué)影響等。為了抑制列車(chē)在進(jìn)出隧道中的舒適度下降和振動(dòng)加劇的問(wèn)題，需要重點(diǎn)考慮列車(chē)頭部和列車(chē)截面外形的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少空氣作用力的作用。

3.2.3 列車(chē)智能化技術(shù)

智能化技術(shù)的特征體現(xiàn)，應(yīng)該從以下幾點(diǎn)考慮：

(1) 全息化感知。充分利用車(chē)對(duì)地、地對(duì)車(chē)和車(chē)對(duì)車(chē)檢測(cè)手段，構(gòu)建新型的檢測(cè)體系，以實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)全息化的狀態(tài)感知功能。當(dāng)然，這并不需要太多的車(chē)輛狀態(tài)感知傳感器，而是利用大數(shù)據(jù)、智能化、優(yōu)化的傳感器布置技術(shù)，獲得列車(chē)安全運(yùn)行所需要的車(chē)輛狀態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)。

(2) 定量化評(píng)估?；谲?chē)輛結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)評(píng)估，必須做到定量化，否則就無(wú)法針對(duì)狀態(tài)進(jìn)行有效的運(yùn)行、維護(hù)決策。定量化評(píng)估需要針對(duì)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行正確評(píng)估，比如針對(duì)結(jié)構(gòu)主要故障的準(zhǔn)確定位，最重要的還是安全性的評(píng)判?？紤]到線路、環(huán)境狀態(tài)的高速列車(chē)運(yùn)行安全性的影響，需應(yīng)用高速列車(chē)耦合大系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行健康與安全評(píng)估。

(3) 健康化管理。智能化技術(shù)的另外一個(gè)重要功能就是支撐有效的車(chē)輛運(yùn)營(yíng)和維護(hù)，尤其基于狀態(tài)感知系統(tǒng)和狀態(tài)辨識(shí)與評(píng)估系統(tǒng)，更加需要對(duì)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，特別是剩余壽命實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判斷。結(jié)合高速列車(chē)的運(yùn)行歷程，需要建立非狀態(tài)檢測(cè)的車(chē)輛結(jié)構(gòu)的剩余壽命模型，實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)的狀態(tài)修，也就是基于狀態(tài)評(píng)估和剩余壽命預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)計(jì)劃修，實(shí)現(xiàn)能力保持下的經(jīng)濟(jì)性維修。

(4) 安全評(píng)估技術(shù)。在下一代高速列車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮高速列車(chē)主動(dòng)安全防護(hù)能力，包括先進(jìn)的高速列車(chē)的感知技術(shù)與安全評(píng)估技術(shù)的研究。在全面感知高速列車(chē)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，明確列車(chē)系統(tǒng)所有構(gòu)成與安全相關(guān)的要素之間的互動(dòng)關(guān)系，探明系統(tǒng)在行為異常、失效、故障、事故和安全事故等情況下?tīng)顟B(tài)演化規(guī)律，進(jìn)而構(gòu)建車(chē)輛系統(tǒng)的全局安全作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)模型。在此基礎(chǔ)上，安全評(píng)估技術(shù)還需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全狀態(tài)空間劃分，并形成系統(tǒng)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全局安全狀態(tài)的量化表達(dá)，滿足對(duì)車(chē)輛系統(tǒng)安全評(píng)估的廣度、精度、效率、可靠性和綜合性的要求，見(jiàn)圖12。

3.2.4 大數(shù)據(jù)架構(gòu)下的智能化評(píng)估技術(shù)

下一代高速列車(chē)還需要構(gòu)建基于云計(jì)算分布式架構(gòu)的智能決策的框架體系，具體包括：深度學(xué)習(xí)的系統(tǒng)安全狀態(tài)跨模態(tài)融合模型；離線、在線聯(lián)合的車(chē)輛系統(tǒng)安全隱患數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)；基于知識(shí)、數(shù)據(jù)深度結(jié)合的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)與事故致因推理方法等。這樣可以逐步形成下一代高速鐵路大數(shù)據(jù)平臺(tái)下的安全智能評(píng)估決策系統(tǒng)，滿足下一代高速列車(chē)更豐富的感知、故障診斷、評(píng)估預(yù)警和維修決策的先進(jìn)技術(shù)要求。大數(shù)據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)見(jiàn)圖13。

3.2.5 關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)運(yùn)營(yíng)維護(hù)優(yōu)化

大數(shù)據(jù)架構(gòu)下的智能化維修決策技術(shù)：將車(chē)輛系統(tǒng)全局安全感知信息、歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)、歷史維修數(shù)據(jù)等海量信息數(shù)據(jù)與維修決策支持系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)，形成一個(gè)智能化的維修決策支持系統(tǒng)，使維修決策軟件化。這種基于大數(shù)據(jù)的狀態(tài)信息對(duì)下一代高速列車(chē)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)進(jìn)行優(yōu)化的方案有著十分重要的意義。維修決策方案見(jiàn)圖14。

4 結(jié)論

研制具有中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的下一代高速列車(chē)技術(shù)，需要站在國(guó)際高鐵技術(shù)的最前沿，學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)內(nèi)外不同領(lǐng)域的最新設(shè)計(jì)成果，在實(shí)現(xiàn)下一代高速列車(chē)設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)的總目標(biāo)下，不斷建立與完善具體的下一代高速列車(chē)核心技術(shù)的實(shí)施細(xì)節(jié)。下一代高速列車(chē)的設(shè)計(jì)技術(shù)，不僅需要體現(xiàn)總體設(shè)計(jì)理念的革命性創(chuàng)新，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)概念上的材料、形狀與結(jié)構(gòu)的變革與創(chuàng)新，更要體現(xiàn)在智能化和運(yùn)營(yíng)維護(hù)及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該包括走行部懸掛控制技術(shù)；列車(chē)系統(tǒng)的主動(dòng)安全控制技術(shù)；大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術(shù)的綜合應(yīng)用。下一代高速列車(chē)應(yīng)該能夠有效地提高列車(chē)的預(yù)測(cè)、健康、管理(PHM)、狀態(tài)維修與智能維修等綜合水平，充分利用復(fù)雜系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)下一代高速列車(chē)的總體設(shè)計(jì)指標(biāo)的足夠先進(jìn)性。簡(jiǎn)而言之，下一代的高速列車(chē)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該體現(xiàn)在如下這幾個(gè)方面。

(1) 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

下一代高速列車(chē)應(yīng)該在總體設(shè)計(jì)的理念，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上一定要有創(chuàng)新，建立與完善新一代的高速列車(chē)設(shè)計(jì)平臺(tái)。就車(chē)輛而言，必須要保證下一代高速列車(chē)在結(jié)構(gòu)可靠性、系統(tǒng)安全性、維修經(jīng)濟(jì)性和性能指標(biāo)等方面得到明顯提升，量化改善目標(biāo)應(yīng)該達(dá)到30%以上。結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新更多反映在牽引傳動(dòng)與制動(dòng)技術(shù)、轉(zhuǎn)向架(走行部)、車(chē)體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件上，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新，有效降低輪軌作用力，提高載客量的同時(shí)改善綜合性能指標(biāo)等。

(2) 材料創(chuàng)新

材料創(chuàng)新性是下一代高速列車(chē)的車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，比如下一代車(chē)體具有的高耐寒、高耐雪特性。材料的應(yīng)用上，不僅包括關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件采用的常規(guī)材料(各種板梁結(jié)構(gòu)，夾層材料等)、隔振材料(蜂窩板，泡沫鋁等)、隔熱保溫阻燃材料、碳纖維材料、高分子材料和其他類(lèi)型的復(fù)合材料等。在車(chē)輛結(jié)構(gòu)上將更多采用多功能材料和智能材料等。這就需要研制更多的新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝在軌道車(chē)輛的應(yīng)用，包括一些材料的可回收再利用。隨著鎂合金、碳纖維等材料的逐漸成熟，為走行部及車(chē)體的輕量化提供了良好的基礎(chǔ)條件；碳化硅材料的成功應(yīng)用，可以給牽引系統(tǒng)的大功率和小型化、輕量化帶來(lái)可能；碳-碳、碳-陶復(fù)合材料的應(yīng)用，也為制動(dòng)系統(tǒng)輕量化及高可靠性帶來(lái)希望；無(wú)磨耗、長(zhǎng)壽命與魯棒性的高分子材料發(fā)展，也使得車(chē)輛結(jié)構(gòu)的懸掛元件(比如橡膠彈簧，轉(zhuǎn)向架的轉(zhuǎn)臂的橡膠節(jié)點(diǎn))有了多樣化的選擇。

(3) 控制技術(shù)創(chuàng)新

下一代高速列車(chē)的一個(gè)核心思想就是要使車(chē)輛對(duì)線路有更好適應(yīng)性，特別是對(duì)線路不平順有更好的適應(yīng)性。這就需要提高列車(chē)與線路友好性，降低線路的建造與維護(hù)等級(jí)，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。懸掛系統(tǒng)的主動(dòng)控制技術(shù)(包括半自動(dòng)與自適應(yīng))有望在下一代高速列車(chē)中得到應(yīng)用，通過(guò)先進(jìn)的控制技術(shù)的應(yīng)用，來(lái)極大提升車(chē)輛性能和車(chē)輛對(duì)線路的適應(yīng)性。

(4) 互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能運(yùn)營(yíng)維護(hù)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的技術(shù)創(chuàng)新

下一代高速列車(chē)的一個(gè)重要特點(diǎn)主要體現(xiàn)在：智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和信息化技術(shù)的集成創(chuàng)新。通過(guò)智能化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛狀態(tài)的感知與安全評(píng)估。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)，優(yōu)化列車(chē)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和信息管理系統(tǒng)?；诮Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)控可以滿足列車(chē)的服役狀態(tài)管理及智能運(yùn)營(yíng)維護(hù)；通過(guò)先進(jìn)的車(chē)輛狀態(tài)修的科學(xué)管理體系，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛狀態(tài)與運(yùn)營(yíng)能力的保持，有效減少維修作業(yè)，降低維修成本。另外，還需要研制其他相關(guān)的車(chē)輛結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控的前沿技術(shù)，比如車(chē)輛結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件的載荷識(shí)別與裂紋跟蹤系統(tǒng)的研制；提高抗地震安全性的“地震制動(dòng)”功能，配備車(chē)載地震預(yù)警系統(tǒng)、緊急停車(chē)系統(tǒng)和防脫軌系統(tǒng)，以保證列車(chē)在地震時(shí)能夠有更短的列車(chē)制動(dòng)距離； “轉(zhuǎn)向架振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)”和“車(chē)輛數(shù)據(jù)分析中心”的研制等。通過(guò)車(chē)輛主動(dòng)與半主動(dòng)控制技術(shù)降低車(chē)輛振動(dòng)與噪聲，利用新技術(shù)抑制主要結(jié)構(gòu)部件的噪聲影響等。

總之，為了保證下一代高速列車(chē)的先進(jìn)性，需要采取各個(gè)研究領(lǐng)域的最新技術(shù)，綜合改善車(chē)輛的集成設(shè)計(jì)技術(shù)和總體設(shè)計(jì)技術(shù)，以保證車(chē)輛結(jié)構(gòu)的綜合最優(yōu)性能。