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【作者:翟婉明(根据翟婉明院士在中科院学部第七届学术年会全体院士学术报告会上的报告整理而成);来源:科学大院《震惊世界的中国高铁,你只知它又快又稳,却未见背后的世界级挑战……2021.08

 

各位院士,各位线上的学者大家好,我来谈一下高铁,主要包含五个方面。首先简要地回顾一下中国高铁的发展历程,然后是在这个历程中我们面临了哪些科技方面的挑战,以及我们是怎么做的,最后谈谈中国高铁的未来怎样发展。

 

中国高铁发展历程

 

我国铁路长期以来处于非常落后的状况,上个世纪的铁路标准低,线路状态差,无法满足社会的需求。直到国家实施了既有线铁路大提速,1997年开始第一次提速,随后进行了五次,把既有线的最高运营速度提高到了160km/h。后面又进一步进行了第六次提速,在既有线上实现了200到250km/h的高速运营。根据国际铁路联盟的定义,在既有线上提速到200km/h以上也称为高铁,某种意义上讲,我们在2007年,就有了高铁。

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真正进入高铁时代是在北京奥运会之前,京津城际高铁的开通,这是我国第一条新建的高速铁路,当时最高运营速度跑到了350km/h,但是全长只有113公里。我国第一条长距离、超过1000公里的高速铁路是武汉到广州的武广高速铁路,当时也达到了350km/h。京沪高铁举世瞩目,应该说是中国最高标准的高铁,实际上我认为也是世界上建设标准最高的高铁。

另外比较难一点的就是在严寒地区修建高铁。在修建哈尔滨到大连这条高速铁路时,遇到了一些我们没遇到过的情况,导致工期延后了一年。主要是由于路基的冻胀、冻融。我们看到开通时冬季的速度是200km/h,而实际设计速度是350km/h。但当时确实不敢开300km/h,经过三年实践与经验的积累,2015年以后才全年按照300km/h运行。

最长的高铁是京广深港高铁,全长超过2260公里。这是什么概念?相当于已经超过了欧洲高铁里程最长的国家总里程,这还是很让人震撼的。到去年年底,中国的高铁总里程超过3.8万公里,超过了除中国以外其他国家所有高铁的总里程,大概占到世界2/3以上。

下一步国家又进行了大手笔的规划,计划到2035年,高铁总里程要达到7万公里。原来我们说的主通道是“四纵四横”,到那个时候,要变成“八纵八横”,织密中国高铁网,最终在2050年达成全面建成现代化铁路强国的远大目标,我乐观预计这个时间还会更早。

回顾我们的高速列车发展历程,大概经过了以下几个阶段:

第一阶段称之为探索阶段。在提速的同时我们进行了对高铁的研究,最终基于完全的自主研发,先后诞生了“中华之星”高速试验列车以及“先锋号”高速动车组,并且都在京沈线做了高速行车试验。

第二阶段,引进消化吸收阶段。2004到2007年这段时间,实际上也就是为第六次提速做蓄力的时期。

第三阶段,引进消化吸收再创新的阶段。就是从2008年到2011年这么一个阶段。我们在引进消化的基础上做了很多再创新的工作,诞生了和谐号380高速动车组。

目前的阶段,就是完全自主研发阶段。这个阶段的高速列车就是以复兴号为代表的完全具有中国自主知识产权的高速列车。目前我国共配属的高速列车动车组有3600组左右,也占到世界总拥有量的一半以上。

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在这个过程中,科学技术的发展、试验工作一直没有断。最高试验速度往往代表技术的水平,我们看一下中国铁路最高试验速度的图,实际上这个(间隔)时间很短,大概15年左右。在1995年之前,我们最高的试验速度不到200km/h,而在1990年法国创造的世界纪录就达到了515km/h,差距是如此之大。

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后面为了提速做了很多试验:在2002年,完全自主研发的“中华之星”试验列车当时达到了321.5km/h,号称当时中国的铁路第一速;而目前最高试验速度是486.1km/h,是再创新的和谐号380动车组在京沪高铁联调联试过程中获得的成绩,相当于在全世界的试验速度记录里面,我们是第二。第一是法国,他们又创造了574.8(km/h)的试验速度纪录。

大家知道,我国幅员辽阔,高铁横跨东西南北中,运营的条件、状态复杂多变:我们最东北的高寒区有冻融、冻胀问题,南边海南等地湿热问题严重,东部主要是软土地基问题比较突出,西部有风沙,西南地震区,还有一些黄土区……所以,中国高铁无论是在设计阶段还是运营阶段都要面临非常多的挑战,难度之大,应该说是世界罕见的。

 

高铁工程建设中的主要科技挑战与对策

 

我们首先看看高铁在建设过程中,遇到了哪些挑战,这里我挑一些主要的,特别是跟我的研究相关的内容来给大家汇报。

高铁发展初期,由于我们没有任何的设计和施工经验,所以挑战是多方面的。

 

挑战1:高速铁路线路关键设计参数的确定

我认为最大的挑战就是没有设计标准,没有建造标准。没有标准怎么来设计高速铁路线桥基础设施?我们知道基础设施设计是必须按照标准来做的,所以这个就遇到了挑战。

线路参数怎么设计?开始的时候怎么来确定?比如说线路的平面曲线,还有纵断面曲线,半径最小取多少?外轨过弯道的时候外面高出来的地方我们叫超高,曲线超高怎么设计?曲线和直线之间的连接有个缓和曲线,要不然高铁会突然地抖动、变动不均匀,这个缓和曲线长度怎么选取?坡度最大能到多少?这些参数影响线路上高速列车运行的安全性和平稳性,当时没有任何经验,是一片空白。

不过正如高福院士刚才讲的,科学技术发挥作用,科学技术理论的强大作用我们一点不用夸张。行车的动态性能可以根据动力学理论来预测,我们虽然没有线路设计标准,但是我们有行车安全标准,所以我们让车在线路上跑,最后看看行车的性能指标是不是满足标准,这样来倒推线路参数合理值。

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我们做了很多年,创建了一个叫车辆-轨道耦合动力学的理论,把车和线路作为一个整体大系统加以研究,在设计阶段可以模拟不同的车在不同的设计线路参数下的行车安全性能。在这个基础上我们提出了车辆与线路最佳匹配的设计方法,从而确定出最优线路设计参数。

当然,涉及到工程问题,还必须进行大量的试验验证。不管是前面提到的提速,还是我们的“中华之星”都做了很多试验,这些试验结果被用来验证我们的理论,这些都是非常有必要的。这个方法后来在高铁选线设计中得到了广泛的应用。基于这些成果,特别是后面不断的运营实践,现在我们已经有了高铁的设计规范和设计标准,包括平纵断面的设计标准。

举一个例子,广深港高铁跨越珠江的选线评估。主要的四个设计方案都涉及大坡度,就是纵断面设计方案,到底哪些是可以的?哪些是不可以的?这个坡度30‰~40‰的坡度在国外也没有遇到过,我们没有别的办法,只有通过理论和大量的仿真工作来进行求证。

后面我们通过分析,发现这四种方案里有两种是不可行的,比如说脱轨系数和横向振动加速度超越了标准。另外两种可以,我们再选择到底哪个最佳,之后推荐给设计单位。设计单位采纳了我们的方案,经过五年的修建时间和铁道科学研究院的试验评估后,至今运营良好,没有发现任何问题。

 

挑战2:高速列车通过桥梁的安全性与平稳性

第二个挑战,以前桥梁的设计标准只适用于200km/h以下的行车速度,200km/h~350km/h的标准是没有的。如何评估高铁列车通过桥梁的安全性?基本情况跟刚才类似,但是这是一个更偏向于结构性的动力学安全问题。

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为此,原铁道部组织了国内的优势力量,成立了一个联合攻关组,我被任命为组长,由西南交大、北京交大、铁道科学院、中南大学联合攻关好多年,最终我们提出了一个叫列车-轨道-桥梁的动力相互作用理论。我们研制出了一套软件,这个软件可以分析模拟将来要跑的车在设计的桥梁上运行的安全性,舒适性,以及桥梁的动力性能。同时我们也提出了高速列车过桥的动态设计安全评估方法,这个方法全面应用到了高铁设计的各种特殊桥梁中,包括很多特大型的桥梁。目前,车线桥动力仿真评估技术作为不可替代的一项关键技术已经纳入我国高速铁路设计规范。

高铁路线上的大桥建设工期很长,建设成本也很高,我们不可能造一座出来看看行不行,所以要依靠科学技术做前期的工作。这里举一个例子,京广高铁跨越武汉天兴洲长江大桥。这是一个公铁两用的钢桁梁斜拉桥,在同类桥梁中,跨度、荷载、车速这三个指标在国内外都是第一的。这三个指标都涉及到动力性能问题。

当时,设计单位提出了五种初步设计方案,第一阶段联合攻关组评估了全部方案,从桥梁结构动力性能方面推荐出了可行的方案;第二阶段我们针对推荐方案,完成了高速列车过桥时的安全性和平稳性评估。2009年,京广高铁武汉天兴洲长江大桥正式落成,至今运营安全可靠。

 

高速列车自主化发展面临的挑战与对策

 

第三部分我汇报一下高速列车方面我们面临的一些挑战。刚才已经说了,我们走的路线是引进消化吸收再创新,提出的口号是“引进先进技术,联合设计生产,打造中国品牌”。

在2004、2005年,我们从世界上先进的高速铁路四大公司,分别引进了不同的车。这就面临到一个问题,在很短的时间内,你要把世界上源于不同技术体系的动车组技术都要消化吸收,其实并不是一件很容易的事。

另外遇到的一个难题就是这些车都是源于国外标准,我们把它买过来,不一定能够适合我们中国的线路,所以有又一个问题,就是怎么提高它的线路适应性?

比如说欧洲和日本的动车组,轮对内侧距的标准和我们的不一样,欧洲和日本是1360mm,我们是1353mm,这会遇到不匹配的问题;有些国外车轮型面在我们的铁轨上会遇到异常磨耗的问题;有些车在个别路段出现振动指标也就是安全性指标超标的问题。

针对各种问题,我们国家组成产学研用联合消化吸收团队,剖析引进动车组的各种型号的设计原理,破解国外高速列车的设计标准,掌握了国外高速列车组的关键技术,包括动车组总成、车体、转向架、牵引变流器等等一系列的核心技术。实现了从无到有,构建了高速动车组的研发与制造平台,通过引进走了捷径,我们把生产线各方面都建得很好。关键是形成了一个基本的研发队伍,这些为高速列车再创新打下了基础。

在再创新阶段,又发现了很多问题:因为标准不统一,不能互联互通,运营组织就有困难,特别是运营维护的成本极高。我用的是极高,因为所有的零部件如果要换、要修,都得找到原引进国,如果不采用他的,他会说出了安全问题与我无关。

所以科技部和原铁道部在2008年的时候签订了一个联合创新行动计划,推动了再创新。再创新三年的结果就是,我们研制出了CRH380和谐号动车组。

 

挑战3:研发具有自主知识产权的,适合中国铁路应用的高速动车组

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我们刚才讲消化吸收再创新,那到底什么是完全自主知识产权的,适合中国铁路运用的高速动车组?这里面包括零部件、核心软件、实际的不同制式的问题。

我国提出研制中国标准动车组,开始没有名字,后来把它命名为“复兴号”。当时还有南车、北车,分别在中国铁路总公司的组织下,联合高等院校和科研院所开展了正向设计和科学实验。

回顾整个研发过程,我们要按照自己的模式,哪些地方要改?哪些更适合我们?哪些专利必须具备?这个工作是很艰巨的,因为你已经引进了,再要完全自主,还是比较难的。

最后攻克了各个方面的难题,终于在2015年的6月30号,中国标准动车组正式下线,随后进行了两年的综合试验。在2016年的7月15号,中国标准动车组在郑徐高铁上创造了时速420km/h的列车交汇世界新纪录。

2017年7月27号,复兴号动车组通过了350km/h运营的专家评估。那个时候的目标就是为了上线载客运营,于是组织了一个庞大的专家论证组,我也有幸作为两个组长之一。评估期间所有专家还乘车体验,从北京到上海再返回来,大家一致认为,具备350km/h的运营的条件。所以在同年的9月21号,复兴号动车组在京沪高铁上实现了350km/h的商业运营,这样就使得中国成为高速铁路运营速度最高的国家,而且这是我们自己的车,这有力地支撑了我国高铁“走出去”的战略。

但是我们必须看到,现在我们高速列车仍然面临的一个挑战就是个别关键部件还依赖进口。比如高速列车牵引变动器中大功率半导体芯片IGBT完全依赖进口,被国外长期垄断。这个芯片就是25000伏高压的电流实施牵引供电时用到的牵引流变器里面的芯片。此外还有高速列车的轮对、轴承,液压减振器这几个关键零部件也是100%依赖进口。不过,我们在高速铁路车轮轮轴方面,国内已经做了很好的研究工作,包括我们科学院和工程院许多院士都积极参与,现在已有很好的基础,我在这儿也呼吁加快高速列车关键零部件国产化的研发进程。

 

高铁运营阶段的主要科技挑战与对策

 

刚才是讲了我们设计研制阶段的情况,第四个部分,来汇报一下运营阶段我们遇到什么样的科技挑战?

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挑战4:不同类型的动车组和不同的轨道结构的运营匹配性

我们的高铁车型五花八门,刚才说的世界上四种加上我们的复兴号一共有好几种车型,关键是轨道也有五种类型。它们组合匹配起来,有的是好的,但是不一定都好,而这个车子又是到处在跑的,所以就会遇到一些国外高铁没有遇到的问题。比如说有些车在某个路线上运行性能指标比较好,而在另一段就异常;某些线路上会出现晃车,这是稳定性的问题;还有轮轨异常磨损,我们的车轮多边形磨耗和国外的不一样,这都是我们遇到的问题。

通过理论探索实验,应该说目前这些问题是得到了控制,但是根子尚未都解决。一些新的实际问题也会涌现,我们只能遇到什么问题解决什么问题,这是个很艰巨的任务。

 

挑战5:高速列车长期运行的平稳性如何保持

大家知道,中国的高铁具有高平稳性和乘坐舒适性,图片上是瑞典的朋友好多年前在京沪高铁列车窗台上做的实验,硬币8分钟没倒,当时震惊了世界。

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我们是怎么做到的?

想要提高列车的平稳性与舒适度,第一要保持良好的车辆动力学性能,第二要建设高标准的高铁线路。高铁线路是我们高铁现在做得比较扎实的一个方面,我们实现了毫米级的精度控制,确保了轨道几何形态的高平顺性,几何状态好才能跑得更平稳。

随着运营时间的增加,在高速列车动荷载与复杂环境因素的交互作用下,高铁基础沉降、轨道结构变形、轮轨界面磨损等等一系列的问题逐渐显现,使得几何状态难以保持,乘车舒适性下降,如何长期保持这个几何状态的高平顺性?

这是一个难题,现在没有更多的办法,我们就采取严格的轨道几何状态控制与维护管理,虽然它可能不一定是最科学的,但是它严格,保安全,保平稳。

国家也设立了一些项目来支持这些工作,这些理论研究也开始跟上,但是我们还差了比较多的功课。制定出中国高速铁路运维标准,就像我们的设计标准一样,同样重要,这是今后的一个重要任务。

 

挑战6:超大高铁网的全面监测与安全预警

最后一个挑战就是这么大的高铁网怎么来保安全,这就需要进行全面监测,安全预警。

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我们国家幅员辽阔,涉及到地震、强风,风沙,泥石流等等这些问题都很多,都会威胁高铁行车安全,只能依靠现代化的智能感知、实时监测与在线评估技术,构建高铁运营安全监测预警系统,保障高铁安全。

这不是一件容易的事,目前我们已经开展典型高速动车组服役性能的长期跟踪监测。对于关键的一些线路设施,比如说桥梁,我们都布置了各种健康监测系统,但是要完全构建高铁全网的安全监测预警体系这么一个综合庞大的体系,应该说任重道远,而且这也是需要我们一步一步来做的。

 

我国高铁的未来发展

 

最后简单展望一下。应该说经过十多年的发展,我们整体水平已经位居世界前列,中国高铁成为了中国一张亮丽的名片,下一步如何发展,方向在哪里?

我认为一个是更高速度的问题,另一个是更智能化的考虑。我们知道,早先我国已有350km/h的运行速度,但7.23温州动车事故以后,高铁全面降速,350降到300,250降到200。

现在十年过去了,目前只是在京沪高铁等四条线上按照350km/h运行,其余的还是按照300km/h以下速度运行,我们应该尽快按照当初设计的350km/h或者250km/h的等级来达速运营,发挥中国高铁的潜能,提速增效。

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另外一方面,国外现在也正在研制更高速度的高速列车,我们如何保持我国在速度领域的领先优势?

可喜的是,今年中国国家铁路集团已经开始启动了CR450动车组,就是400km/h动车组的研制,成都到重庆的成渝中线也按照400km/h在规划。更高速度面临的问题就是空气动力学问题。运行阻力、气动阻力、噪声压强是随着列车运行速度的幂次方增长的,到底怎么解决这个问题?需要深入研究。

大家都愿意问,高铁最佳的、最高的运营速度是多少?国际上没有定论,我想我们中国高铁应当来回答这个问题。这个要从安全可靠性,绿色节能环保和运输经济性综合来考虑,不能只看一个指标。需要不断在实践中摸索,你要想引领发展,就必须要面临挑战。

关于智能化,我简单讲一讲,这是一个大趋势,速度是为了更快捷,智能化是为了品质更高。我国现在在京张、京雄这两个线路上实现了自动驾驶,应该说这只是智能化的一部分。

挑战还有很多,比如智能调度指挥(例如一个车如果晚点了怎么调度才会对其他的车影响最少),检测感知评估,以及智能车站,还有一些涉及到防灾减灾方面的智能管理。所以推进智能技术与管理,全面提升中国高铁品质是我们一个大的方向。

最后一句话,中国高铁已取得辉煌成就,举世瞩目。我相信在交通强国战略的指引下,我们定能续写辉煌,引领世界高铁未来的发展。谢谢!

2021-09-01
中国高铁下一步发展方向在哪里?更高速度、更智能化。更高速度面临的问题就是空气动力学问题。运行阻力、气动阻力、噪声压强是随着列车运行速度的幂次方增长的,怎么解决?高铁最佳的、最高的运营速度是多少?国际上没有定论。智能化是为了品质更高。

中国高铁的挑战

中国高铁的思考