大国重器：德国高速铁路技术传奇

1．德国高铁的发展

高速铁路有磁悬浮技术和传统的轮轨技术。以前德国政府一直比较重视相对先进的磁悬浮技术，但由于磁悬浮铁路造价昂贵，并与现有铁路无法接轨，因此德国政府一直没把依靠磁悬浮技术的高铁投入商业运营中。而使用传统轮轨技术的ICE-V列车也一直处于试验阶段，直到1981年法国的TGV列车用事实证明了高速列车在商业上的成功，德国才开始准备把这种列车投入高速列车的研究和运营中。

与法国人比较，德国人修建高铁之路要坎坷得多。不管原联邦德国铁路人士如何向政府诉说高速铁路的重要性，但直至 20 世纪 80 年代前，政府似乎始终对此没有表现出浓厚的兴趣，在决策上踌躇难断。想要修建一条高速新线，首先要有足够的客流量作保证。

欧洲国家和亚洲国家的一个显著不同点是，欧洲国家人口少，100 万人口以上的大城市也少；而亚洲国家人口众多，人口100万以上的大城市多。正像亚洲人羡慕欧洲人拥有安静、优雅的生活环境一样，欧洲铁路界人士恰恰羡慕亚洲国家有那么庞大的乘车群体。当时德国最大的城市柏林还属于民主德国，原联邦德国没有像东京、大阪或者巴黎这样的人口集中的大城市。在保证客流量方面，德国不要说和日本比，连邻邦法国都不如。有苦难言的原联邦德国铁路在不利的环境下还是做了顽强的努力，于1973年和1976年开始动工修建汉诺威—维尔茨堡、曼海姆—斯图加特两条高速客运专线，与此同时还改造多条既有干线。原联邦德国铁路从 20 世纪70年代开始研发400 km/h 的高速列车。但是，没有政府的大力支持，这一切工作都进展缓慢。原联邦德国真正开始高速铁路建设，已经是在1981年，第一条法国TGV线路巴黎—里昂通车后了。在法国的 TGV 列车用事实证明高铁在商业上的成功后，德国才开始正式投入高速列车的研究和运营中。

从 TGV 开通后的第二年起，联邦德国的高速列车研制和高速新线建设的步伐明显加快。1982年，高速试验列车的研制工作展开，1985年7月动力集中方式的ICE（Inter City Experimental）试验列车研制成功，这一年也正值德国铁路创始150周年。高速试验列车倒是有了，可是高速运行试验却没法进行。此时，早在20世纪70年代就开始修建，但进展缓慢的汉诺威—维尔茨堡线和曼海姆—斯图加特线正在紧张施工。ICE 列车暂时处于“英雄无用武之地”的境地，只好先在既有线上作运行试验。1987 年，汉诺威—维尔茨堡线已建好 94 km 投入使用。

德国高速铁路是按客货混跑的原则而设计的。ICE 试验型列车诞生于1985年，曾经于 1988 年 5 月达到 406.9 km/h 的试验速度，是世界铁路上首次突破 400 km/h 速度的高速列车。ICE1高速列车于1991年正式投入运营。第一代ICE1和第二代ICE2都采用了动力集中方式，它们的最高设计速度都是 280 km/h，但是实际运营中考虑到环境保护（主要是噪声）的需要，速度都限制在 250 km/h。只有当列车晚点需要赶点时，才把速度提高到 280 km/h。第三代ICE3高速列车则改为动力分散形式，最高运营速度也提高到330 km/h。

ICE 列车由西门子公司为首进行设计制造，德国联邦铁路公司运营。德国ICE高铁是连接城市，解决人员、货物运输的交通工具，它将德国国内 130多个大小城市连为一体，对人员和信息的往来与交流，以及经济建设发挥了极其重要的作用。

虽然德国在全面掌握高速铁路技术方面比日、法两国要晚，但是其独特的技术已经与日、法两国相媲美。作为一向注重节能环保的国家，德国的高铁ICE也继承了这一理念。在德国，高速公路和民用航空高度发达，政府还是斥巨资兴建高铁。这样做的目的主要是从整个国家的能源战略高度考虑，德国第三代高速列车比汽车和飞机更节能。据德国联邦铁路公司计算，ICE3系列列车在载客率为 50% 的情况下，每人每百千米消耗的能源折算为不到

2 L 汽油。以汉堡到柏林为例，乘火车需要 1.5 h，比汽车快1倍。火车在半满员的情况下，每位乘客整个旅程消耗的能源折算为不到 8 L 汽油，而汽车需消耗 27 L 以上的汽油。在最初的计划阶段，德国 ICE1型系列高速城际特快列车被设计成由 12 辆具有动力车辆组成的全动车组编组列车，其编组长度达到 358 m。在德国高速铁路系统运营的第一阶段，共有 60 列以 0.5 h为发车间隔单位的ICE1 列车运行在汉堡—巴塞尔、汉堡—慕尼黑间的铁路线上。

德国高速铁路新线上的运营组织模式最初制定为客货共线的方式，运行速度最快的货物列车实际上为货物行包车，这样的列车最初被命名为PC（parcel inter city），后来改名为城际特快货物列车ICGE（Inter cargo express）。运营之初，有部分ICGE列车被安排在白天运行，但后来考虑到效率和安全的问题，特别是考虑到双向长隧道的列车交会安全问题，现已将所有货物列车安排在夜间运行。

1991年6月2日，全长 327 km 的汉诺威—维尔茨堡线和 107 km（其中新线 99 km）的曼海姆—斯图加特线终于全线开通，最高速度 280 km/h 的ICE1 型列车也开始闪亮登场。

截至 2018 年，德国新建和改建的高速铁路总里程达到 1 620 km，在建里程 147 km，连接德国多数大城市及周边国家主要城市。目前，德国高速铁路运营速度为 300 km/h。德国联邦铁路公司（DB）负责建设运营德国高速铁路，同时也负责德国动车组列车的采购、运营和维护。截至 2018 年 6 月，德国拥有高速动车组车辆 2 307 辆。

2．ICE动车组谱系

城际特快列车（Inter City Express，是德国国铁为迈向国际化所注册的英文名字，简称ICE，另外ICE亦被德国国铁注册为商标），原本是以德国为中心的高速铁路系统及高速铁路专用列车系列，由联邦教育及研究部门与位于波恩的联邦铁路局为首的领导团队，并以西门子为主的厂商参与研发及制造，德国国铁所运营。早在 1980 年代，德国已经研究并开发ICE高速铁路系统及列车，其服务范围除涵盖德国境内各主要大城市外，还跨越邻近国家行经多个城市。

ICE1 是德国第一代高铁列车，于1991年投入商业运营。ICE1 采用动力集中方式，前后两台机车（Locomotive）牵引，可简记为2L12T或2L14T。列车的总牵引功率为 9 600 kW，轴重为19.5 t。它在高速新线上的最高运营速度为 280 km/h。ICE1 也可以在既有线上行驶，但其允许最高速度只有200 km/h。在最高运营速度方面，ICE1 是当时全球高速列车的亚军，冠军是法国在大西洋线上运行的TGV-A列车（最高运营速度为 300 km/h），日本的新干线列车屈居第三。ICE1 采用当时最先进的异步电机牵引的交流传动技术，在制动技术方面也有创新，附加制动采用了磁轨制动，能适当缩短紧急制动距离。

1997 年，ICE2 闪亮登场，ICE2 在基本结构上与 ICE1 几乎雷同，但在实际运营时最大的不同点是每一列ICE2的长度只有原本ICE1的一半，再以两列列车串联行驶的方式运营，其好处是在一样的运量之下 ICE2 可以拥有比较大的车辆与路线调度弹性。ICE1 和 ICE2 在车辆规格上，比国际铁路联盟（UIC）建议的国际火车规格更宽和更重。ICE 系列不但被计划在德国境内使用，对瑞士和奥地利等使用相同铁路宽度与供电电压的邻近国家来说，也具有非常重要的运用性。

ICE2 与 ICE1 一样，也采用动力集中方式。动力集中方式是法、德两国擅长的技术。然而，2000年6月推出的德国第三代高铁列车ICE3却改为动力分散方式。一是因为ICE1与ICE2列车的最大轴重高达 19.5 t，超过了国际铁路联盟（UIC）的高速列车标准值（最大轴重必须控制在 17 t 以下），如果不改变，德国的高铁列车只能被限制在国内运营，当然这是德国不希望发生的；二是因为科隆到法兰克福高速线上有最大坡度为 40‰ 的大坡道，加上300 km/h 的运营速度也要求采用动力分散方式，于是开发了 ICE3 动力分散列车系列。

ICE3 列车的最大轴重降低到了 16 t，不但可以作为国际列车运营，而且最高运营速度提高到了 320 km/h。此外，高速列车的制动系统也得到了改进。列车速度在 50 km/h 以上时，可以利用再生制动和涡流轨道制动装置，不仅能减少机械制动装置的数量，而且只需在列车速度 50 km/h 以下时才使用机械制动，使机械制动装置的磨耗大为减少，降低了维护工作量和维护费用。

德国铁路网结构比较完善，铁路基础设施建设相对稳定，其主要任务是加大既有线投资改造力度，提升既有线路能力。新建高铁线与改造后的既有线连接成网，高铁线白天运行客车，晚上运行货车。

德国铁路公司的目标是：科隆至柏林和慕尼黑的高铁最高时速达到300 km，科隆至巴黎的高铁在法国境内提速到 320 km/h。在维尔茨堡和汉诺威之间的主要路段，时速最高达 280 km。德国铁路十分注重节能，最新开发的ICE4列车降低了最高运营速度，目的就是为了节能。德国高铁致力于提高列车的平稳性、舒适性和安全性，注重车体轻型化、低噪声、舒适、安全、节能等方面的技术进步。(www.xing528.com)

短途旅客列车在德国占据很重要的位置，针对不同的需求开行城市快速列车、地区快车、地区普通旅客列车。由于对旅客所需求的产品有了准确的定位，短途客运产品一经推出，便得到了旅客的认可。而同时对航空占主流的远距离长途客运则按列车速度、编组推出两种不同的客运产品：一种是最高时速 280 km 的动力集中方式高速列车，另一种是最高时速 330 km 的动力分散方式高速列车，以满足喜欢乘坐陆上交通工具出远门旅客的需求。德国高铁与民航的合作互补做得很好，例如，可以共享航班号、“无缝”换乘，使高铁与航空互为延伸，从而减少短途飞行。

德国最初的ICE1和ICE2也是采用动力集中，但他们很快发现动力集中对提高速度不利，从ICE3开始，改为动力分散方式，运营时速也提高到300 km。对于碎石道床，其精度不高，在高速下有碎石飞扬的问题，故开始改用整体道床。可惜的是，他们对必须形成独立的高铁网认识不足，高铁区段分散建设，只能与传统铁路线联运，而且客货混跑，不能建成独立的高铁网，难以进一步提高速度、发挥更大作用。

ICE 系统是一个连接各大城市的高速铁路系统，班次由每 0.5 h、1 h、2 h不等一班，也有速度更快的特别直达车存在。因为德国人口城市分布较为平均，所以德国境内的ICE线路旨在连接各大城市形成完整路网，而非求取点对点间的最短行车时间。在整个ICE路网中，列车只可以在两段高速路线上达到 300 km/h 的最高运营速率。这与法国的 TGV 及日本新干线系统集中提高首都与其他城市的交通，与点对点高速铁路的构思有所不同。

为了能在未来将 ICE 推广至整个欧洲，ICE列车的型号已经过简化。相对于ICE1、ICE2都采用推拉式的传统列车系统。为了符合UIC的新标准，新型的 ICE3 及 ICE3M 皆采用动力分布式设计。所有的ICE3衍生车型都是属于西门子旗下的Velaro高速列车平台系列，此车系最大的特色是动力输出被分散在列车各车轮上。因此各车厢推进力量相同，在相同的耗能下大大提升了列车的稳定性、动力效率与爬坡能力。与ICE2一样，ICE3亦采用“半列”的车辆编组，即可与另一列 ICE3 串联合体作远途行驶，或在行驶至中途站后拆解成两列列车行走两条不同路线，路线弹性更佳。ICE3 及 ICE3M是德国国铁最高速的铁道列车，在科隆—法兰克福及因戈尔施塔特—纽伦堡两段高速线路上，ICE3都可以高于 300 km/h 的速度行走。

除了上述 3 种标准车系外，以 ICE3 的技术为基础，德国国铁也发展了ICE-T（电力驱动版本，有5节一组与7节一组两种编组型号）及ICE-TD（柴油引擎驱动版本）两种摆式列车。ICE-T/TD不以直线上的最高速度作为主要发展目的，而是欲保持车辆在弯道上的平均车速。其主要服务线路不是平坦的平原地带，而是多弯的山路，独有的车体倾斜技术可使列车能够应付更多、更急的弯道并以更高的车速过弯。因为运作费用太昂贵，ICE-TD 在 2004 年时曾一度被停用，直至2006年时供电网络尚未全面普及的德国东部对列车需求大增，ICE-TD 才重新被重用。2004年，德国又制造出第二代的倾斜列车，称为 ICE-T2。

西门子“Velaro”系列已经开发了 4 代，在全球范围内非常畅销。从2000年至今，该系列的足迹遍布德国、荷兰、比利时、瑞士、西班牙、法国、中国、俄罗斯、英国和土耳其等国，每天的里程之和超过 100 万千米。

自 2019 年 4 月以来，西门子一直在测试“Velaro Novo”的各个部件，目前一辆全新的测试车正在德国进行试运行。西门子预计，“Velaro Novo”车将于2023年正式投产运行，加入ICE大家庭。

【小知识】 德国的高铁发展经验。与其他欧美发达国家相似，德国原本就有十分发达的既有铁路网，而且人口在全国范围内分布较为均匀，缺乏人口高度密集的超级大城市，即便柏林、汉堡、法兰克福之类的世界名城，在人口规模上其实也小于甚至是远小于东亚圈的北京、东京、首尔这样的大城市。故而在德国新建专用的高速铁路动力比较不足——日本兴建新干线、中国兴建高速铁路很大程度上是因为既有线等级较低，濒临运力极限，亟待分流，以及大城市之间存在巨大的交通出行需求，而在德国这两个理由都不是很充分，加上德国在战后很长一段时间都在到底是发展高速轮轨还是高速磁悬浮的问题上摇摆不定，德国高速铁路的发展相对比较滞后。

德国的高速铁路网显得比较凌乱，而且与法国的新建高速铁路作为基干、利用既有线直通扩展高速铁路服务范围也不同，德国采取的是部分新建高速线与部分改造既有线混搭、高速列车与普通列车乃至货运列车混跑的模式。德国高速铁路网中只有一部分是新建专线（NBS），但断断续续的新线并没有连接成网络，而是通过提速改造既有线（ABS）相互衔接，不同区段速度等级也不一致，可分为 160、200、250、300 km/h 等不同的等级。由于存在大量限速区间，而且德国高铁站点设置较密集，列车旅行速度往往并不高。德国高速铁路网的另一特色是不同等级列车混跑，特别是在既有线改造区段，高速列车与普通列车（如IC、EC等特快列车），甚至与市郊通勤列车、部分货物列车并线运行。在客货混用方面虽然其他国家的高速铁路也或多或少存在少量货运列车，但像德国高铁那样利用夜间大量开行PIC行包列车的还是很少见的，此举在提高线路利用率的同时，也造成不同等级的列车相互干扰，容易造成晚点情况。

德国高铁发展条件世界优越，但发展反倒非常慎重。德国发展高铁的优越条件：一是经济发达，经济承受力和旅客的消费承受力强；二是有西门子公司等世界一流的高铁生产企业和技术；三是人口密度大，是世界大国更是欧洲人口密度最高的国家之一，且城镇人口比重大，城镇密布；四是地形平坦，建设工程量小，工程难度也小。

德国高铁的发展经验如下：

（1）决策慎重。德国发展高铁的条件远优于法国。但自 20 世纪 70 年代法国开始发展高铁起，德国就为此争论了近20年，直到1991年才投运第一条高铁。

（2）建设标准因地制宜。德国高速铁路建设规划分为三种：一是新建的客运专线和高标准客货共线，客专为设计时速仅 280 km（仅科隆至法兰克福一条约 150 km 的线为设计时速 300 km 的高标准），客货共线为设计时速200～250 km；二是原有铁路干线提速改造至设计时速 200 km 国家快速干道；三是原有城际线提速改造为设计时速 160 km 的城际快线。这个总规划约15 000 km，其中新建客专不到 2 000 km。

（3）大力利用原有铁路改造，降低投入，有效提高线路能力利用率。所有改造提速的“高铁”均为客货共线。

（4）积极开发供不同层级铁路使用的专用列车，以有效降低运营成本。德国高速动车已开发了ICE1～3 型共三代，设计最快运营时速已由第一代、第二代的 280 km，提升至第三代的 320 km，但这类动车组运营成本居高不下，因而开发有限，配备更少。与此同时，大力开发中低速电力动车、中低速柴油动车、摆式高速列车、快速城际专用列车等运营成本更低的动车，目前全国这方面能低成本运营的动车组有 16 000 多辆，占到了客运列车总量18 000 辆的绝大部分。

（5）坚持高铁按成本高价运营。新建的高标准高铁及所用的高速动车，建设、采购及运营成本极其高昂。

另外，德国的 ICE1 和 ICE2 在乘坐环境方面都堪称一流。1991 年 ICE1列车投入运行后。第二年，德国开始研制第二代高速列车 ICE2。ICE2 列车的长度只有ICE1 的一半长，技术上没有什么新的突破。基本技术参数和ICE1完全相同。但这两种列车 19.5 t 的轴重却给德国带来了烦恼。原来，按照欧洲的铁路运输规范，国际直通列车的轴重必须限制在 17 t 以下，ICE1和ICE2都因轴重太大，无法像TGV那样走出国门实现国际直通运行。眼见法国的TGV早自己一步走出了国门，德国人决定研发动力分散方式高速列车ICE3，以达到减轻轴重的目的。

德国决定研发动力分散方式列车的另一个原因是，1995年已经开始动工修建的科隆—法兰克福高速新线的最大坡度为 40‰，要求最高运行速度是300 km/h，而原有的 ICE1 和 ICE2 不能满足这条新线的运输要求。ICE3 动力分散方式列车就是在这种背景下诞生的。它也因此结束了欧洲无动力分散方式高速列车的历史。ICE3 于 2000 年投于商业运行，列车为 4M4T 的 8 辆编组，性能上 ICE3 的最高运行速度可达 330 km/h，实际商业运行速度为300 km/h。