大国重器：高新技术集成与高速铁路技术发展

高铁技术的发展以基础专业技术的发展为支撑，是当代高新技术的集成。20世纪后期科学技术蓬勃发展，以此为代表的新技术迅速转化为生产力，即计算机技术及其应用，微电子技术、电力电子器件的实用化与遥控技术的成熟，新材料、复合材料的推广应用。高速铁路技术除了具备普速铁路的基本特征外，还体现在其广泛吸收应用当今机械、化工、材料、工艺、电子、信息、控制、空气动力学、环境保护等领域高新技术的多学科、多专业的综合技术，集中体现了铁路机车车辆、牵引供电、工务工程、通信信号等专业的巨大技术进步，综合利用了电子计算机、信息传输、机械制造、电力电子元件等多种新材料、新工艺、新产品等。高速铁路技术全面突破普速铁路的理论、概念、技术以及控制手段和方式，是高稳定的基础设施、性能优越的高速列车、先进可靠的列车运行控制系统、高效的运输组织与运营管理体系等的综合集成。各系统围绕整体统一的经营管理目标，彼此兼容，完整结合。

例如，高速铁路突破了前人关于轮轨极限速度理论的设想；通过交-直-交电传动方式的技术突破，解决了大功率牵引电机在有限空间和质量下难以实现的技术难题；通过采用新结构和新材料，实现了流线型的高速列车车体外形、动力性能优良的高速转向架的制造，有效减轻了列车质量和运行阻力；航天航空技术的移植，机电一体化向更高程度的发展，列车高速运行轮轨黏着、弓网规律探索研究的提升，为研制牵引和制动功率大、运行阻力小、环境噪声低的高速动车组提供了条件；融现代计算机、通信技术、信号技术和遥感技术于一体的列车运行自动控制系统和行车调度指挥系统的变革，以及轨道线路、桥隧工程技术和监测、养护技术的发展和进步等，为高速列车的安全、舒适运营创造了前提；高速铁路以外部供电作为动力，可广泛利用各种新型能源，原始的排放可在电厂进行集中处理，有效减少了对沿线环境的污染。

随着列车运行速度的提高，不同功能的各个子系统之间的联系愈加紧密，高速铁路已经成为庞大复杂的现代化系统工程。它既要依靠各个学科、专业技术的进步和发展，由此提高各子系统的技术水平，更依赖于各个子系统间的协调、配合、集成创新。高速铁路系统需要高可靠和高性能的高速列车、高质量和高稳定的铁路基础设施、高安全可靠性和先进性的列车运行控制系统、高可靠性的大功率牵引供电系统、高效的运输组织与运营管理系统。速度的提高使子系统间的相互作用发生了质的变化，各个子系统相互制约、相互依赖，只有共同的集成创新合力提高，才能保证高速铁路大系统高水平运转。高速铁路子系统之间的关系远比普速铁路复杂，在筹划高铁之初，必须从整体上认真研究并协调各子系统主要技术参数变异的合理范围，重视新系统的强耦联特性。高铁从可行性研究、规划、设计、施工、制造到运营管理，都要超前、系统地进行研究才能付诸实施。铁路实现“高速”梦想的背后，是一次从基础理论到铁路行业各系统及其相互关系的质变。

提高列车的运行速度是一项复杂的系统工程，列车的性能非常关键，但这不仅仅只是列车性能优劣的问题，还取决于线路设计建造水平、配套设施完善程度、行车组织及运营管理能力等。速度重新定义了铁路各子系统间的相互作用及变化规律。高铁不仅要求每个子系统都具有卓越的性能，还要求系统有强大的集成能力。如果系统中某项参数或标准选择不慎，都将引发连锁反应，造成严重后果。例如，线路参数、路基密实度或桥梁刚度选择不合理，引起的不仅是线路质量问题，还将影响列车运行的平稳性及可靠性，甚至可能干扰运输组织、行车指挥。反之，确定列车主要参数及性能也必须考虑线路参数与控制系统方案，否则最终都会制约整个系统效能的发挥。

随着列车速度的大幅提升，最直接的影响是更为突出的系统动力学问题。系统动力学问题根据动力学理论，列车在线路上运行时，在空气阻力的作用下，车辆与线路、桥梁之间存在振动与冲击。列车在起动、制动及转弯过程中，惯性力巨大。同时，因为高速运行下的振动与冲击动力响应加剧，高铁的空气动力学问题、惯性问题也更为突出，直接影响着列车运行速度以及安全性和平稳性。传统车辆动力学、轨道动力学理论体系，通常是将车辆或轨道子系统作为单一考察对象，分别从各自振动与冲击问题进行研究，不能完全解决高铁复杂的列车与线路动态相互作用等问题。科学家们进行了深入研究分析和基础理论创新，从列车与线路耦合进行动力学的系统研究。

高速列车在线路上行驶时速度越高，车-线-桥系统发生的振动与冲击越强，致振的敏感因素越宽。振动与冲击的频响函数关系，主要取决于参振系统各自的动力学特性，它包括其内在的物理力学参量、相互间发生接触或约束的几何参量与物理参量。很明显，相互接触的物体相对速度越高，可能发生的强作用点就越多。因此，高速铁路的基础设施及运载装备要具有优良的固有特性，还必须有均匀、平顺、光滑的界面特征，这是建立高速铁路各子系统都必须遵守的共性准则。(www.xing528.com)

系统振动与冲击力学分析最主要的目的是协调各子系统组成部分的特性参数，保证系统功能优化。对于高速铁路来说，最重要的是确保列车持续、安全、平稳运行。因此，必须预见在各种速度工况下系统的动力响应问题。例如，轮轨间接触力的变化，将直接影响列车牵引与制动的实现、轮轨的磨损与疲劳、运行的安全指标等；车-线-桥系统的动力反应，影响着结构功能与列车平稳运行；弓网系统的振动，影响着受电性能及行车安全。由此可见，动力响应是涉及高速行车技术的最基本问题之一。

高速铁路正是建立在这些相关领域高新技术基础之上，综合协调、集成创新的成果。高铁技术集成既包括通过结构化的综合布线系统和计算机网络技术将各个分离的设备、功能、信息等集成到相互关联、统一、协调的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效、便利的管理，也包括解决各类设备和子系统间的接口、协议、系统平台、应用软件等与子系统、建筑环境、施工配合、组织管理和人员配备相关的一切面向集成的问题；还包括协调匹配高速铁路土建工程、牵引供电、列车运行控制、高速列车、运营调度及客运服务等不同子系统，保证各子系统间标准匹配协调、接口设计协调、固定和移动设施匹配兼容，实现系统优化和目标功能。比如高铁的信号与控制系统是集计算机控制与数据传输于一体的综合控制管理系统，高速铁路通信信号一体化和智能化技术，实现了列车安全运行和调度指挥功能。高速列车又是运送旅客的动力设备，集机械、材料、电子、计算机、网络通信等领域的最新技术于一体，且具有机车车辆一体化的特征。高速列车系统、高速列车运行控制系统和运营调度系统之间的整体性和系统性功能，必须通过硬件和软件上的连接来实现。

可见，高速铁路也是复杂的系统工程，是当今许多前沿科学技术，即信息技术、自动控制、新材料、新工艺等多种技术门类、多专业综合的高新技术的创新和集成。高速铁路运营系统主要由六大核心系统构成，分别是工务工程、动车组、牵引供电、通信信号、运营调度及客运服务系统。各系统之间既自成体系，又相互关联、相互影响、相互匹配、协调运转，在高速铁路运营组织与管理中发挥着关键作用。高速铁路运营六大核心系统关系如图2.1所示。

图2.1　高速铁路系统关系