我国重载铁路运输技术发展目标体系设计

万继志

（河南省交通规划勘察设计院有限责任公司，河南 郑州 450006）

1 引言

随着经济社会的快速发展，我国的煤炭需求日益增加。为了解决不断增长的煤炭需求与有限的运输能力之间的矛盾，我国十分重视重载铁路运煤通道的建设，积极研发引进先进的重载铁路技术装备，进行重载线路的扩能改造。目前，作为我国重载铁路运输主通道的大秦线和朔黄线均通过既有线扩能改造，分别大量开行2 万t 和1 万t 长大编组重载列车，将年运量分别提升至4亿t和2亿t，运输能力基本趋于饱和。

根据我国能源部门的预测，到2015年“十二五”将增加12亿t 的煤炭需求[1]，对重载铁路运输扩能技术和安全保障技术提出了更迫切的需求。因此，重载铁路作为我国“西煤东运”的主要运输方式，其运输技术的发展不仅关系到我国煤炭需求是否能得到满足，而且影响我国煤炭供应的质量。

图1为我国重载铁路运输技术发展目标体系设计框架。

图1 我国重载铁路运输技术发展目标体系设计框架

2 重载铁路运输技术系统结构界定

从系统结构组成的角度分析，铁路重载运输系统可分为车务、机务、工务、电务、供电、车辆和货运7大子系统，包括车站、线路等多种固定设备子系统和机车车辆等多种移动设备子系统组成的复杂大系统[2]。重载铁路运输技术系统作为铁路重载运输系统的子系统，主要由机车车辆技术和基础设施、列车控制系统等多个分系统组成，载运装备作为煤炭运输的具体载体，同时也是其它技术分系统服务的核心。各分系统既相互独立，又相互关联，为重载运输提供相应的技术服务。重载铁路运输技术系统结构如图2所示。

3 我国重载铁路运输技术现状

3.1 机车车辆技术

目前，国内已先后研制出HXD1、HXD2、HXD3等3种型号的大功率电力机车和HXN3、HXN5 等2 种型号的大功率内燃机车，掌握了大功率机车的综合集成技术并实现国产化应用；针对大功率机车检修所需的配套设施及技术体系也已基本形成，实现了大功率机车检修的规模化和集约化[3]。轴重25t、载重80t、运行速度100km/h 的C80 型铝合金运煤专用敞车和C80B 型不锈钢运煤专用敞车已经成为我国重载铁路运输通道特别是大秦线2万t重载运输线上的主型车辆。为了与我国重载铁路运输25t轴重车辆的研发应用相适应，车体结构设计与材料应用、加强型车钩锻造、大容量缓冲器、新兴交叉杆等配套技术也得到了同步发展，已逐步形成了较为完善的国产25t轴重车辆研制体系[4]。

3.2 基础设施

目前，我国共计16 144km 的重载铁路线路建造统一采用中活载作为标准活载，全线铺设了满足25t 轴重条件下的路基、桥梁和轨道设施。同时，针对重载铁路线路建造技术开展了深入研究，并形成了25t轴重条件下比较完善的技术体系及标准，主要包括：适用于我国重载铁路的线路技术标准、重载铁路路基结构设计及地基处理关键技术、重载铁路桥梁设计技术体系和重载铁路有砟轨道设计关键技术等。根据大秦线的运输需求，针对桥梁、路基和轨道结构等线路基础设施进行了相对全面的状态评估和强化改造，已经满足了轴重25t、载重80t 级、运行速度80km/h、牵引质量20 000t 的重载运输，并积累了一定的评估和强化技术基础。

3.3 列车控制系统

我国重载铁路已形成了由铁道部TDCS、铁路局TDCS 和车站等3 层网络结构组成的列车调度指挥系统（TDCS），此系统能够很好地覆盖全路的现代化铁路运输。以TDCS 为平台研发出分散自律调度集中系统（CTC），并于2007 年在大秦线投入使用。CTC是在TDCS的基础上，组建分散自律、智能化、高安全、高可靠的新一代调度集中系统，解决了列车作业与调车作业的冲突，实现列车与调车作业的统一控制，满足了重载运输列车高密度运行和复杂多变情况的要求[5]。

目前，我国已完善并推广了机车和车辆故障检测诊断系统、对固定设施进行多层次多方位检测的技术和装备、机车车辆安全运行的地面检测系统（5T系统），形成了分散检测、集中报警、网络监控、信息共享的安全监控体系，以保障重载列车提速和运行安全。

我国GSM-R无线通信系统不仅实现了无线列调、平面调车无线通信和区间移动通信等话音通信功能，同时还承担了车次号、尾部风压和道口无线预（报）警等数据的无线传输任务[6]。现阶段，我国大秦重载铁路基于铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）平台，成功推广运用了Locotrol机车同步操纵技术，解决了机车间通信距离受限的关键问题。

4 重载铁路运输技术发展趋势分析

重载铁路运输以其运能大、效率高、成本低、能耗小等独特的技术经济优势在各国发挥着重要作用，这些特点决定了重载铁路运输技术的发展方向之一就是高效、节能。发达国家重载运输主要是通过研制大功率交流传动机车（单轴功率达1 600kw）[7]，提高列车牵引质量和运行速度，缩短机车周转时间来提高运输效率。此外，还通过改变编组信息（编组辆数、空重车数和牵引总重等）、机车属性（机车的运行阻力和能耗利用效率等）、车辆属性（车辆的自重、基本阻力计算参数和载重等因素）和运行状态（列车在运行过程中的启停、牵引运行、制动、惰行等）[8]等来达到节能目的。这些技术措施主要包括研制高效、节能的大功率交流传动机车，提高列车牵引动力；研制大轴重、轻量化的重载车辆，并采用多联车组技术，增加有效载重；采用长大编组列车增加牵引重量，提高运输效率；研制高效的装卸装备，加快机车车辆周转速度，提高使用效率。

随着重载运输行业的快速发展，重载运输系统安全运行形势不容乐观，造成了巨大的经济损失，如2003年的万吨重载列车颠覆事故，事故直接损失费达1 751 850 元。因此，以先进的技术保证重载运输的安全可靠性也成为重载铁路运输技术的发展方向[9]。综合国内外重载铁路运输安全保障技术，主要包括：研制高可靠性的机车车辆关键部件，确保行车安全；强化轨道结构，保持线路的耐久性和平顺性；配备大型养路机械并采用准确可靠的检测技术确保重载基础设施的使用安全，并侧重于预防性保养；采用智能化、网络化、自动化的列车控制技术（如Locotrol和ECP等），实现列车的安全运行。

5 我国重载铁路运输技术发展目标体系的设计

5.1 目标体系设计的必要性

首先构建我国重载铁路运输技术发展目标体系，为重载铁路运输技术指明发展方向，并以具体指标体系指导技术研发工作，保证技术选择的准确性。

其次通过对重载铁路运输技术发展目标体系的细分，逐渐到执行层目标，进一步论证技术发展总目标的可执行性，并通过可执行目标指导具体的工作，通过对执行目标的检验，往更高层次反馈可以检验整体目标的执行程度，为技术发展过程中的评价纠偏提供依据。

最后科学的重载铁路技术发展目标体系能给运营者、装备制造商和技术研发单位产生一个较高的效价及期望概率，从而产生较强的激励力量[10]。

5.2 目标体系的设计原则

制定我国重载铁路运输技术发展目标必须同时考虑市场需求、技术发展的现实基础、国家和铁道部政策环境、国内外技术发展动态及资源等多种因素。由于我国重载铁路运输技术发展的首要任务是满足我国重载铁路运输发展的具体需求，而不是将重载铁路运输发展成为领先的国际化产业，因此“利润极大化”不是我国重载铁路运输技术发展的主要目标,也就是说中国重载铁路运输技术发展有自己独有的目标，这个总目标就是保障我国煤炭需求。

（1）全面性原则。目标的制定要覆盖所有技术领域，而不是只针对个别技术领域。重载铁路运输技术组成主要包括机车车辆、基础设施和列车控制等技术领域，各技术领域相互影响，单一技术领域目标的实现都无法完成确保满足煤炭需求的总目标，各技术目标共同组成技术总目标的支撑目标体系。

（2）现实基础原则。目标的制定要与我国重载铁路运输技术发展的现实基础相适应，主要考虑技术可开发储量、技术机会和威胁、技术的可实现性等。发展基础好的技术领域可制定较高的发展目标，对于尚无发展基础的技术，要慎重提出技术发展目标，以此确保技术发展目标的可执行性。

（3）市场需求导向原则。技术发展目标的制定不但要考虑技术自身的发展，还要考虑未来经济社会对技术发展的要求。也就是说我国重载铁路运输技术发展目标的制定要与我国煤炭市场需求的发展趋势相适应，不能低于亦不能过高于我国未来市场所需煤炭运量，要与我国煤炭需求的评估结果相适应。

（4）突出优势原则。技术发展目标的制定要始终围绕重载铁路运输的优势展开，突出重载铁路运输运能大、效率高、成本低、能耗小等技术经济优势，重点发展与此相关的关键技术。

5.3 目标体系的构建

构建设计我国重载铁路运输技术发展目标体系关系到对技术发展目标的确认，对目标实现的多种途径的认识以及总目标体系的选择和确定。为保障煤炭需求的总目标,应有其支撑分目标集和分目标的子目标集，构成一个树状或网状结构，目标的这种关联结构称为目标体系。

通过分析重载铁路运输技术系统组成，国内外重载铁路运输技术的发展趋势以及技术差距，我国重载铁路运输技术的发展目标体系主要包括提高列车牵引质量和运行速度强化基础设施以及装备先进的列车控制系统等三个方面。提高列车牵引质量和运行速度是为了扩大重载铁路运输能力，强化基础设施与装备先进的列车控制系统是为了保障运输安全。

（1）提高列车牵引质量和速度。目前我国重载机车单轴功率达到1 600kw，机车功率达到9 600kw。虽然我国重载机车功率大幅提高，但由于轮轨黏着系数的限制，使启动和持续牵引力并未明显提高。我国煤运货车净载重为80t，轴重仅为25t,上升空间很大；车体轻量化技术相对薄弱，限制货车载重量的提高。目前，我国低动力作用转向架技术与国外差距较大，限制了货车的运行速度[11]。

综上，我国重载铁路需要攻克轮轨黏着力、车体结构轻量化、低动力作用转向架3个方面核心技术瓶颈，才能为我国重载列车质量和速度的提高创造条件。

（2）强化基础设施。由于机车和车辆轴重的提高，重载列车质量、长度和运行速度的增加，导致重载线路承重能力的大幅提升，使得在大轴重、高密度的运营条件下，我国重载铁路轨道和结构状态及破坏特性较一般传统线路十分明显。在桥梁方面，由于货车轴重和载质量的逐年提高，现行规范使用的中-活载图式已经不能适应30t轴重列车的开行[12]。因此，需根据我国重载铁路运营条件、路桥轨结构特点和线路变化规律，研究适用于轴重30t及以上的既有重载线路基础设施强化关键技术和安全保障技术，强化基础设施的同时延长其使用寿命。

（3）装备先进的列车控制系统。在列车调度指挥方面，我国的CTC 调度集中系统主要侧重于实现行车控制的智能化，忽略了重载铁路的网络化安全监控和综合运输业务的自动化管理，因此，我国需要研究智能化、网络化和自动化的列车调度系统，提高重载列车的行车效率。

在列车安全运行控制方面，我国大秦线开行的2万t重载列车，采用了美国LOCOTROL 系统的同步操控方式运行重载组合列车，不仅在动力同步控制、牵引、网络、制动等核心技术知识产权为外方所有，而且“同步操控方式” 不能完全满足在多坡道和多弯道上列车纵向力控制，以及组合式和混编式重载列车的运行状态控制，仍然存在列车纵向力控制难度大、车钩受力大等安全隐患。另外，国内重载列车安全状态在线实时监测技术仍处空白，难以及时发现列车存在的安全隐患进行故障预警。因此我国需要攻克列车同步操控关键技术和列车安全状态在线实时监测技术。

在无线通信方面，由于既有的GSM-R网络早期规划时主要针对语音传输等简单业务需要，传输速率低、带宽窄、覆盖范围小，难以完全满足重载铁路集列车同步、移动闭塞、行车调度和安全监控等多种业务为一体的综合无线通信需求。因此，我国需要构建高可靠性、高安全性、大容量、高速率、快速接入的车地间安全监控、调度指挥和行车信息传输的综合移动通信系统。

综上，我国重载铁路运输技术发展目标体系见表1。

表1 我国重载铁路运输技术发展目标体系

6 结语

本文设计的我国重载铁路运输技术发展目标体系是在充分考虑我国重载铁路运输技术现状和技术发展趋势的基础上提出的，目标体系的设计符合全面性、现实基础、市场需求导向和突出优势的原则，因此，本目标体系制定过程是科学合理的，对于我国重载铁路运输技术发展目标的制定具有一定的理论指导意义。本文未对我国重载铁路运输技术发展目标体系进行量化研究，这也是本文的不足之处和以后需要研究的重点。

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