中国轨道交通科技发展前沿与挑战
2019-01-14


中国轨道交通科技发展前沿与挑战

中国科学院院士、西南交通大学首席教授   翟婉明


一、中国轨道交通发展的总体情况

    大家看到,我们整个轨道交通的一些场景,包括最先进的高铁、轻轨、有轨电车,悬挂空中的铁路,不占用地面的资源,成本低,当然今天不具体展开介绍。

    在座的各位都知道,我们轨道交通的划分表基本上都已经很清楚,特别是城轨交通,也是我们今天峰会的重点,它的知识很多,发展的前景以及综合性的空间还有很,值得大家好好来关注。

    首先讲讲高铁的发展概况我简单给大家做一个梳理,这张表给出了世界各国高速铁路发展的主要情况。高铁诞生于日本,紧接着法国、德国、意大利、西班牙纷纷建设高速铁路,目前最高是320km/h。中国是后来居上,我们现在运营速度达到了350km/h,中国现在达到了两个大,第一是最大规模,还有一个是最高运营的速度。

    中国铁路发展的历程80—90年代一直处于非常落后的状态,从1997年开始的六次提速,这是很巨大的举措,中国在既有线的提速,我认为是非常成功、影响很大,只不过我们现在高铁的光环太大,我们有了高铁之后,步入了高速时代。

    历史可以概括为长期落后,但是我们后来居上。我们提速的时候实现了高速运营在旧的铁路上,通过改造线路,引进动车组实现了,250km/h的运营速度,旧线跑到250km/h以上,在国际定义当中,也是定义为高速铁路,新线建设是250km/h,旧线是200km/h,我们既有铁路提速幅度居世界之首。

    中国高速铁路总里程近3万公里,毫无疑问是世界第一,我们超过世界其他国家高速铁路总里程。2007年全盘引进的用于200—250km/h在既有线提速用的动车组,2008年城际高速铁路开通运行。当时在奥运会之前,但坦率来讲也是以引进为主。通过引进消化吸收再创新,到了2011年的时候,京沪高铁CRH380ACRH380B我们进行了引进再创新,实现了350—380km/h2017年复兴号是完全自主知识产权的动车,在京沪高铁上实现时速350km/h商业运营,我们再次成为世界上高铁运营速度最高的国家,现在国外最高时速是320km/h

    PPT)显示了中国在发展高速铁路过程,我们有一个实验速度,实验速度代表着技术研发研究的水平,大家可以看到,历程的时间很短,短短20年的时间就有铁路的发展,在此之前谈不上,我们看到1995年最高实验速度151km/h,那时候法国是515km/h,在2007年的时候,法国又提升到574.8km/h。而我们国家在研究的过程当中,最后最高实验速度是486.1km/h,中国铁路实验速度居世界第二,仅次于法国。

    国家在去年提出了到2020年高速铁路总里程超过3万公里,2030年高速铁路总里程达到4.5万公里,其中最大的变化,我们原来的主干线高铁网从四纵四横,一下子转变成八纵八横,如果将来建设成功,中国的老百姓出行会有更大的便捷。

    其次,关于重载铁路发展。重载铁路的标准,经过了198519942005年的变迁,随着技术的进步,国际对重载铁路的要求也越来越高,我们现在的定义是列车重量不小于8000吨,轴重达27吨,在长度不小于150km线路上要不低于4000万吨年货运量。

    我国在高速铁路发展的同时,也加大了重载铁路的建设,重载铁路得到了迅速的发展。货运是我们国家当时的主要研究方向,到了1990年大秦铁路开行万吨列车,到了2003—2014我们开行2万吨列车,进行3万吨实验,2014年我们开行30吨轴重重载列车,目前我们正在建轴重25吨到30吨的线路,正在建的西煤东运和北煤南运,特别是北煤南运这一条线,全长1800多公里,在国际上也是非常震撼。

    从图上我们看到了美国的国策不发展高铁,但是货运重载一直很先进,当然现在其他的国家发展更快,澳大利亚已经发展到40吨轴重,我们国家是25吨往30吨迈进的过程,大家可以看到差距。

    单列车的重量,像南非这样的国家也达到了4万吨,我们现在是2万吨向3万吨迈进,我们国家的年运量是最大的,比如说大秦路每年可以达到4.5亿吨,但是我们的技术指标,还是有较大的差距,这也是我们努力的方向。

    第三,看看城市轨道交通的情况,世界上第一条地铁还是在英国建成,在1863年就已经建成,西方确实领先了很多,全世界现在有50多个国家建有地铁,里程数有8000多公里,上海和北京一下子进到前两位的排名,这样的发展速度也是惊人的。

    我国是上世纪60年代才有了第一条城市轨道交通线,到了2000年只有四个城市拥有轨道交通交通线,现在我们有5000多公里,34个城市拥有轨道交通,我们起步晚、发展快,准确的概括了中国的城市轨道交通发展情况。

    目前在建的规模和规划都是非常大的体量,毫无疑问是世界第一,所以有很多机遇,无论是带动产业还是国民经济的发展,以及老百姓密切相关的出行更便捷。

    第四,磁悬浮轨道交通根据不同的情况和性质来分,有不同的名称,我们就不展开来。当然一旦方式不同,整个的系统和技术也完全不一样,德国的磁浮技术目前仅一条商业运营线,即上海浦东至虹桥的高速磁悬浮。

    我们中国从十五计划就开始谋划,一条试验线和一条运营线,但是都没有下文,这里面有很多的障碍,特别是技术的成熟度,另外一个问题路网不兼容,理论上讲都应该是互联互通,磁浮建一条就是一条,如果达不到连通,功效效能的发挥就会打折扣。

    目前国家重点研究先进轨道交通重点专项计划,新一代时速600公里高速磁悬浮交通建设,目前还是有很大的挑战,目前能够列入计划的,可能在青岛5公里的试验线,我们的研发目标很好,但是我们的系统和完备性,最后达到最终目标,我们还需要做得更科学精细一些,使得我们在这方面的技术实现突破。

    高温超导以日本为代表,1995年我去了山梨试验线,那时候它们已经建设成了18公里长的高速超导,它们也是用了40年的时间,先后适应了5种类型,20154月创下603km/h地面交通的超导磁悬浮列车。

关于中低速常导,目前世界上只有日本有一条,叫低速磁悬浮9公里试验线,目前在运营。我们国家也是做了很多的研究,最后落实到了长沙机场线,这一条线是2016年开通运营,中间也有很多的磨难,但是到目前为止还是很不错,一直在运营过程当中,也没有很明显的技术问题。当然开通的时候大家发现车站的振动非常大,控制稳定性的问题是一个难题,北京还有一条线,在去年也开通了,中国有两条投入运营的低速磁浮线,我们掌握了中低速的磁浮技术,大规模的推广,还需要努力。

二、轨道交通科技前沿与挑战

这一部分,分别从4个领域最主要的问题给大家做一个简单的介绍。

第一关于高铁的挑战。

科技挑战一:我们面临着从无到有,我们没有技术和设计标准,我们怎么来建高铁,没有比这个更大的挑战。比如说线路的选线、不同的速度是什么参数,会不会设计不合理就翻车,还有我们有大量的桥梁,过桥的时候会不会产生共振,如果没有共振舒适度会不会降低。

关键科学问题一:高速铁路线路平纵面设计参数的选择。我们的对策是依靠科技创新成果,基于车辆——轨道耦合动力学理论,优化线路设计参数,基本的思路把车和线路作为一体化考虑,线路和车都没有建出来,但是我们有设计的参数,我们在计算机里面大量的反证我举一个例子,比如广州深圳香港,跨越珠江的水域,拿出了两个方案,但是大家看到了没有,无一例外出现了垂向的大坡度,超过了千分之三十,在国际上没有任何的经验可以参考,当时找到我们,你能不能用车辆——轨道这一套办法,首先用方案模拟看看。我们给它做了一个分析之后,我发现了几个指标,明显在那一段出现了异常,脱轨技术超标,有两个方案不合适,所以我们推荐了最佳方案,也是被实际采纳,过了5—6年,即2011年修建之后,铁科院去做实验,发现没有任何问题,运营到现在没有发现问题,这是容易被大家理解的例子,也就是说没有标准的时候,我们得依靠科学。

关键科学问题二:如何在设计阶段预测评估高速列车通过不同结构桥梁时的运行安全性和乘车舒适性。依靠科技创新,采用列车、轨道、桥梁动车互相作用新理论。

科技挑战二:高速铁路运营维护技术标准。当时我们最关心的是能不能造出来,造出来的是不是安全可靠的。我们现在有这么多的列车在跑,现在问题已经转入到大规模的安全稳定运营。这时候面临着维护的问题,怎么样来修,什么时候修,怎样修,现在我们正缺乏这方面的标准。这两个视频大家可能会知道,德国日本的朋友做了一个实验,硬币在窗台上面,立住保持8分钟不倒。下面一个视频是中央电视台挑战不可能栏目,在高速动车上要通过长江大桥,说明中国的高速铁路舒适性也是得到了国际上的认可。

我们面临的是中国的动车组的种类多,中国高速铁路运行地质和气候条件复杂。

第一个关键科学问题,车轮多边形磨耗及其问题多样性。将直接影响列车运行舒适性与养护维修成本,我们现在没有好的标准,我们采用最严的标准来进行。

第二个关键科学问题,钢轨波浪磨耗的动态。这也是国际性的难题,到现在还没有解决。

    第三个关键科学问题,高速铁路基础结构沉降及其控制。桥梁、路基和过渡段会不可避免地产生不均匀沉降,沉降可明显影响至钢轨轨面,对行车安全舒适性产生不利影响。开展不均匀沉降对高速行车性能影响研究,可为基础结构维护维修提供理论指导和参考。

    总之维护标准是当前和今后面临的一个重大的问题,一旦我们把这方面的标准建设起来,我们有设计标准、运营标准,中国的高铁走出去就会非常有底气。

科技挑战三:高速铁路系统实时监测与安全预警技术。首先自然灾害的影响必须要监测,其次我们在运行当中系统要裂化,我们有一些高速动车上服务性能跟踪监测,但是规模的量很大,所以我们要进行研究,研究出了规模之后,我们进行有效的布点。

建立适应大规模、复杂多变环境条件下,完备可靠的监测与预警、应急救援、安全保障体系是一项极具挑战性的实际任务。

第二,关于重载铁路方面的挑战。第一是车长了,第二个是车重了。车长了之后,如果牵引制动做不好,会出现错位、严重影响行车安全,这些方面我们做了很多的工作。怎么样减轻?这些都是一些开展的原因。

大轴重列车对基础结构的动力破坏机制。轴重大了之后部件伤损明显、线路状态恶化加剧,研究重载车辆和线路动态相互作用,最大限度减轻大轴重列车对基础结构的动力破坏。

    第三,关于城市轨道交通的挑战这方面我研究的不是很多,也有很多信息,我着重谈施工安全的问题。不良工程地质条件下的施工安全,大家可以看到,这是很专业地质特征的一些描述,总之是增加了施工的困难,高水压、渗水都引发了施工安全的问题,这是不可避免,但是这些方面,这么大规模地修建地铁,必须要好好研究,这也是我们面临的挑战。

    城市轨道线路的变形怎么样控制。南京1号线和2号线到了120毫米,另外一条接近100毫米,会产生结构的破损,并行过大引起的病害,怎么样对不同的地质条件,不同的情况进行修复,这也是我们面临的难题。

    南京地铁机场线连续下穿京沪等9条高铁线路,当然我们同济大学研究了很多,今年拿到了国家二等奖。如何保障上面一点都不受影响,现在很多地方已经实现,但是还是有多的问题,这里面有一些基础的研究,以及技术的应用。

    第四,关于磁悬浮挑战我注重讲两个方面。第一个是长沙线开通的时候,车站的共振。这是由于悬浮稳定性的问题,当然原理很清楚,动态稳定控制极其巧妙,我们在上海线到长沙线都出现过这个问题,我认为这项技术到现在为止还没有很好的办法。

    另外一个是超高速真空管道磁浮交通的基础科学问题。真空管道交通是未来超高速地面交通的可能模式,必须解决空气阻力气动的问题,我们建立低真空的隧道,车在里面跑的时候,相当于在万米高空,还是有气动的问题。

    从图上,大家可以知道,100年前这个概念就已经提出来,到了60年代麻省理工、70年代都有各种专利,但是一直没有付诸实施,直到最近连续做了一些实验,在原来概念的情况下推进一步,但是还只是停留在基本原理的研究,还没有到实实在在的工程阶段。首先要回答,到底是采用什么悬浮?磁浮有很多种,理论上都是可以实现的,但是我们并没有做很好的试验。我们现在只能一步一步去做,所以我认为要走的路还有很多,创新很好,但是我们是科学工作者,我们必须脚踏实地,这就是为什么国际概念已经提出100多年,但是并没有很快做出来,还是要根据技术的成熟度,还有我们的必要性,一步一步往前走,需要开展实质性的基础研究和工程实验。

    轨道交通在人类活动和社会发展中起着至关重要的作用。近十多年来,我国轨道交通特别是高速铁路交通取得了令世人瞩目的成就,运营规模和运营速度均位居世界第一,我们并没有说引领,我们正在向全面引领迈进。

    轨道交通大规模快速发展带来一系列的新文化与新挑战。给铁路科技工作者及应用部门提供了更广阔的舞台。希望广大科技人员特别是年轻人牢牢抓住机遇,抓住机会。