高速列车技术与产业发展机制及实施路径

2021-03-13王军

铁道学报 2021年2期

关键词：列车

王军

(中国中车股份有限公司，北京 100039)

技术与产业是高速列车发展方法论聚焦的两大核心要素。“技术”作为解决高速列车面临的各型挑战问题的核心手段，主要通过创新与工程实践形成新的高速列车产品。“产业”作为经济学核心概念，具有丰富的内涵与外延，涉及高速列车的设计、生产、运营、维护中的全链条要素。

高速列车作为移动装备，是高速铁路系统不可或缺的重要组成部分。在我国高速列车国产化、自主化创新历程中，突破了来自产品、性能、功能、标准各维度的全面创新挑战，高速列车技术快速发展，技术水平跃居世界先进行列，产业能力与规模居世界首位，成为中国高端装备制造自主创新的典范和亮丽的国家名片。2019 年 9 月 19 日，中共中央、国务院印发《交通强国建设纲要》[1]，系统总结了前期铁路发展的实施情况，详细规划了下一阶段中国铁路装备的发展方向。

高速列车是复杂的大系统工程，涉及市场、资金、技术、人员、供应链等多重要素，技术创新及产业化的水平与效率很大程度上取决于系统管理的水平与效率。特别是在原高速列车产业基础薄弱、协同开发能力不强、制造精益化不足情况下，我国铁路机车车辆工业如何依托已有条件，在短时间内围绕技术、产业、人才等多元要素，打造更完善的高速列车前沿技术集聚中心与产业化集群并快速形成产业能力?如何实施持续自主创新?开展相关创新机制与理论方法研究意义重大。

过去10余年来，中国高速铁路在长期探索、实践、积累基础上走出了一条自主发展的创新之路。在此过程中，新的管理理论与创新方法不断涌出，形成了面向工程建设管理[2-3]、一体化实施理念[4]、赶超型自主创新模式[5]、机车车辆创新战略[6]、创新网络布局[7]等系列理论性成果。然而，面向高速列车技术创新与产业化的系统级管理思路、经验方法却鲜见报导。

基于此，本文运用系统工程管理理论[8]，从高速列车技术与产业特征分析入手，解析两者相互影响关系与内聚要素，探讨实施路径，构建以高速列车为载体的技术与产业创新管理机制，为我国高端装备制造业升级发展提供思路参考。

1 我国高速列车技术与产业发展需求

自从新中国成立以来，我国铁路机车车辆产业一直坚持自主发展。在持续探索准高速/高速技术基础上，2004年4月国务院确定“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌”的十八字总体要求和“先进、成熟、经济、适用、可靠”的十字基本方针。在此指导下，高速列车开启了引进、消化、吸收、再创新的进程，已成为了我国高端装备制造业的“黄金名片”，取得了举世瞩目的成就。

2004年以后，我国高速列车的发展历程可大致分为：引进—消化—吸收阶段、自主提升创新阶段、全面创新阶段和持续自主创新阶段。在引进—消化—吸收阶段，主要目标在于实现时速200 km等级高速列车的批量国产化，由于工业基础相对较为薄弱，需重点解决产业配套问题，形成批量制造和质量控制能力。在自主提升创新阶段，列车速度提升至时速300 km等级，需重点解决设计-制造一体化的产能快速提升问题，初步搭建创新体系。在全面创新阶段，列车速度进一步提升，产业规模进一步扩大，面临来自按需化定制的快速设计制造问题，需构建整车及子系统全面创新的产业体系；而在持续自主创新阶段，面对来自复杂环境适应性下的高速列车完全自主化、体系化管理难题，需全面搭建高速列车技术创新与管理体系。我国高速列车发展主要历程及需求见图1。由图1可知，高速列车技术与产业是两个密切关联的维度，科学认知两者的内在特征与影响关系是推进高速列车持续自主创新发展的前提。

另一方面，在部分线路条件下，我国高速列车设计还需满足跨线运行、客货混跑的现实需求。受既有线条件限制，实现高速运营需突破不同轨线、轨型等几何结构以及小线间距、小断面隧道引发的运行稳定性、舒适性和安全性这一特有难题。

2 我国高速列车技术与产业特征分析

我国高速列车技术与产业是在契合国情的情况下逐渐发展的，不是简单地通过技术提升来改变传统制造模式形成的后发产业，而是不断更迭、催生出的新产业模式，两者具有鲜明的特征。

2.1 高速列车技术特征分析

高速列车技术依托科学理论与基础方法，表现出系统性、前沿性和演进性三方面典型特征。

(1) 系统性

从空间维度上看：高速列车是复杂的大系统，可分为车体、转向架、牵引电机、牵引变压器、变流器、制动、牵引控制系统、列车网络控制系统和系统集成9大关键技术[9]，以及空调系统、集便装置、车门、车窗、风挡、钩缓装置、受流装置、辅助供电系统、车内装饰材料和座椅等10大配套技术，见图2。要进一步提升高速列车的综合性能，不仅需逐一攻克此9大关键技术、10大配套技术，还需处理好系统级耦合关系，如轮轨耦合、流固耦合、弓网耦合关系。除此之外，还需解决复杂环境下的行车安全监测等技术难题[10]。

从时间维度上看：高速列车是面向全生命周期的系统工程，自设计概念萌生、方案确定、图纸绘制、生产制造、商业运营、维修维护，直到报废的整个过程均需全面、系统地考虑。随服役时间的变化，高速列车关键结构也会出现性能劣化，必须进行相应的维护保养，使列车技术状态与性能参数得到稳定保持。

(2) 前沿性

高速列车自诞生以来，不断向世人展示着先进前沿技术。在2004年以前的长期技术积累中，我国高速列车技术出现了各种新型的技术，如动力集中型、动力分散型高速动车组等。在2004—2013年“引进、消化、吸收、再创新”历程中，攻克了高速运行条件下列车气动阻力/升力减低(图3)、振动噪声控制、高激扰模态抑制等一系列前沿科技难题，CRH380A研制成功并投入运营，创造486.1 km/h运营列车世界最高试验速度。2013年以来，“复兴号”中国标准动车组，重点攻克了极端气候条件下环境适应性及可靠性等前沿科学难题。2020年，由中车青岛四方机车车辆股份有限公司研发的时速 600 km高速磁悬浮列车试验样车成功试跑，突破了悬浮、走行、制动等一系列世界科技难题。

由此来看，高速列车技术持续站立在科技前沿，备受关注。

(3) 演进性

高速列车技术经过几十年的发展，技术能力与目标需求逐渐演进。在速度方面：2004年以来，高速列车速度由引进初期的200 km/h 升级至250、300、350 km/h；2012年，我国启动研制速度500 km/h的试验列车；2016年，启动时速 400 km等级高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统、600 km等级高速磁悬浮系统研发，运行速度不断攀升。

在目标需求方面：高速列车技术由发展初期满足运能、速度、安全等功能性需求，逐渐向低成本、低能耗、高效率的经济性转变，再转向低噪声、低辐射、人-机-环生态友好的绿色化、环保化、生态化，以及信息化、智能化方向演进[11]，见图4。“复兴号”高速列车解决了标准化、系列化和模块化难题。2019年12月，京张智能高速动车组投入运营，首次采用了我国自主研发的北斗卫星导航系统，是世界首个具备时速350 km自动驾驶能力并具有列车从车站自动发车、在站间自动运行、运行时间按计划自动调整等功能的新装备。

2.2 高速列车产业特征分析

(1) 市场性

高速列车装备是应对市场需求而发展的。在1994年启动高速铁路建设和高速列车研制以来，长期面临着迫切的运力、运能提升需求。作为为旅客提供高速、便携的运输装备，虽属于准公共的服务性产业，然而它却同样具有价格、产量、成本、利润、产品质量和品种以及技术进步、服务水平等方面的最终经济成果[12]，也是生产作业活动之一，且随市场呈现节律性变化，与经济增长有着密切的联系，呈现鲜明的市场性。

(2) 结构性

从产业属性上看，高速列车的产业结构不仅包括传统的机械制造业、信息业、物流运输业等，还涉及人才服务、知识服务等，受到多重因素影响，诸如国家政策、营商环境、劳务能力、技术水平等供给因素的变化，以及乘客消费需求的变化等；国际环境也在一定程度上推动产业结构的发展。

从结构主体上看，根据其技术构成，高速列车共涉及车体、转向架、牵引、制动、网络等主要部件，由50多万个零部件组成；从产业链条上看，高速列车的结构性受上、中、下游产业链的影响。高速列车产业的上、中、下游产业链，见表1。

表1 高速列车产业的上、中、下游产业链

从空间布局看，我国高速列车产业结构具有区域集中性，分布于6大洲、20多个国家，形成了立体式全球化的产业格局。此外，我国高速列车产业结构具有高度化特征，从低水平向高水平状态逐渐发展，呈现出一个动态的发展过程。

高速列车产业结构内部各生产要素之间、产业之间，在时间、空间、层次上互为关联。总体而言，高速列车产业结构的演进是促进经济总量增长的；反之，国家经济水平的不断攀升，也一定程度上加速了高速列车产业结构向着经济型、集约型演进。

(3) 协同性

高速列车产业具有鲜明的关联属性，作为各种投入品和产出品的联系纽带，高速列车产业发展，存在单向联系与多向联系、顺向联系与逆向联系、直接联系与间接联系等多重关系。与机械制造、钢铁业/铝业、电力电子业、新兴材料业、信息计算机、精密仪器、物流、文教等密切关联、协同并进[13]，共同推动高速列车主体产品创新升级，见图5。

2.3 高速列车技术与产业的共生关系

高速列车技术的最终目的是形成产品、服务国家交通发展。高速列车各型产品是其技术的有机载体，是整个产业的中心。以高速列车产品为纽带建立了技术与产业间不可分割的血肉联系，在此过程中，两者相互促进，是典型的共生关系。

高速列车技术的不断进步是其产业发展的内生动力。作为动力源泉，它的不断进步，使得生产工具、生产效率、生产水平不断得到改进和更新，大幅促推高速列车的产业化。另一方面，高速列车产业的蓬勃发展为其技术升级带来需求，驱动提供良好的物质条件与经验积累，大幅刺激了原始创新动力，激发了创新活力，营造了优越的技术创新环境。

3 “技术+产业”双元驱动机制

在高速列车自主创新过程中，在国家战略牵引框架下，通过充分利用生态圈中的合作力量，技术和产业双元驱动，构建起高速列车技术创新和产业融合升级的新发展机制。

3.1 机制内涵

“技术+产业”双元驱动的主体在于通过顶层设计，同步推进技术能力和产业体系建设，即坚持全产业链协同发展的总体思路，实现“两手抓、两手硬”。

在高速列车研制过程中，按照“支撑整机、一体协同、构建平台、技术引领”的原则，对高速列车技术研发实施整体布局，着力打造高速列车核心技术链与产业链。有了顶层的高需求、顶层指标分解的模式、完整的创新制造质量体系和供应链支撑，构建起链条完整、逻辑严谨的体系，支撑面向不同市场需求的产品。其核心内涵可以采用表达式

Q=φ·f(u1,u2,u3,…)+

δ(φ)·g(v1,v2,v3,…)

(1)

式中：Q为技术与产业所取得的综合效果；f、g分别为技术、产业贡献度，此二者是关于各内在要素u、v的嵌套函数，呈现出螺旋函数的形貌特征；φ、δ(φ)分别为f、g的影响权重。φ、δ(φ)是关于技术与产业两者内聚要素的关系函数。内聚要素包括战略与市场需求、产业与技术资源、协同创新机制、人才队伍等。

通过以高速列车技术要素为牵引、产业要素为拉动，技术促产业，产业拉技术，螺旋式向前发展，见图6。

双元驱动的内涵在于通过战略引领、需求牵引，在内聚要素的串联与激发作用下，从技术维度层面，以开放、协同、共享的理念推动协同机制、能力建设、平台建设等的不断升级，产出理论方法、关键技术、部件系统及整车产品的系列新成果，以此为载体，对产业发展注入新鲜血液，从而进一步在产业维度层面，以联合、协作、共赢为内生动力，持续强化供应链管理、质量管理和制造体系建设，并催生出高安全、高速度、绿色、环保、便捷的新一代列车技术与产品新需求，由此循环，螺旋式发展，具体见图7。

3.2 机制动力

“技术+产业”双元机制的动力泵在于以需求拉动的多元复杂要素高效协同管理，关键在能力建设。

要素管理即在高速列车全链条过程中，抓住围绕顶层目标需求的核心要素，使得技术链、工艺链、人才链流向具有先进技术水平的目标产品。通过以科研项目聚集技术链，以市场整合产业链，整机带部件、部件促整机，综合管理全链条要素，推进整车、系统、关键零部件研发制造到运营维护的全产业链协同发展，在此过程中，不断循环迭代、优化要素组合、重构要素逻辑，实现大规模、繁杂要素高效管控。

双元驱动机制高效、顺畅运行的基础在于与之相关的技术、产业及人才能力建设。只有拥有强大的研发和生产能力，对需求的挖掘才能更丰富、更精准。高速列车是一个有机整体，需要与之相对应的理论与平台，建立与列车产品设计密切关联的“列车学科体系”，并结合设计、试验、制造、运维平台，构建起完善的创新体系。

以动车组的轻量化和薄壁大断面铝合金型材国产化为例，主机企业基于产品升级需求，通过联合供应商及科研单位共同攻关，在短时间内攻克了轻量化大断面铝型材的设计、制造、检验等技术能力与产业能力，打破了国外技术的垄断，全面实现国产化，并以此为基础设计了全新的车体结构，适用高速、安全、可靠的产品要求。新车体结构的应用进一步促进了大型铝材工业技术的发展与繁荣，市场活力得以再次激发。

3.3 效果分析

(1) 技术与产业持续进步

在产业的带动下，我国高速列车技术不断翻新，走出了一条自主创新的道路。经过几十年的发展，我国已成功攻克了高速列车气动设计、减阻降噪、走行安全、牵引传动、系统集成等基础应用技术，技术水平不断攀升，见表2。已建成具有国际先进水平和能力的高速列车技术设计-试验-制造三大平台；初步形成了包括标准、设计、仿真、实验、制造、运营维护在内的中国高速列车技术体系；打造了一支结构合理、学科完整的高速列车技术人才队伍。

表2 CRH380、CR400动车组技术水平对比

在产业能力方面，建立了完整的高速列车制造能力体系；形成了从整车制造、关键零部件到配件在内的完整产业链，产业规模居世界首位。营造了我国高速列车自主化产业生态、形成了国际领先的高速列车研发和制造能力，2019年动车组新造年产能 550 组，支撑了“和谐号”“复兴号”高速列车的自主化批量生产。

截止目前，研制了满足高原、高寒、高温、高湿、强风沙等不同运用环境、不同编组型式及用途的高速列车系列产品；至2020年底，累计交付动车组 3 258列，共生产各型动车组 40余款，高速列车安全稳健地运营在全国高速铁路线路上。

(2) 产业集聚效应分析

在双元驱动作用下，高速列车产业逐渐呈现出区域集聚发展态势，在适当大的区域范围内，以高速列车整机或关键部件为主体的若干个同类企业、为这些企业配套的上下游企业以及相关的服务业，高密度地聚集在一起，形成了相应的轨道交通产业集群[14]。

目前在我国大陆区域形成的轨道交通产业集群主要有：青岛产业集群、长春产业集群、株洲产业集群、唐山产业集群、常州-南京产业集群、珠三角产业集群、成都产业集群等。以青岛轨道交通产业集群为例，青岛有大型铁路机车车辆制造企业三家，车辆研究所一家，装备制造企业相对集中，技术实力强劲，装备水平和制造能力较高，研发和制造能力居国内行业领先水平。轨道交通装备产品几乎覆盖行业所有领域，形成集产品研发、生产制造和售后服务、物流配套于一体的完整产业链条。2019年，青岛市轨道交通产业规模进一步壮大，全产业链产值突破1 000亿。

(3) 产业拉动效应分析

高速列车产品处于产业链高端位置，对产业链的带动力强，对经济拉动力大，不仅能够带动与之直接相关的材料行业、机械行业、电子行业、电器等行业的发展，还可带动精密仪器、服务、物流等行业协同发展。高速列车产业的拉动效应，往往跨省、跨行业展开，拉动比很高。据不完全统计，动车组零部件供应商涉及到20多个省份，仅参与其中的一级、二级供应商达到了近2 000多家。据不完全统计，高速列车对经济的拉动效应比例可以达到1∶5。

4 实施路径

“技术+产业”双元驱动机制需以政府为主导、以市场需求为牵引、以能力建设为根本、以产业强化为抓手，实施融合发展。在准确把握内聚要素基础上，以高速列车的技术特征、产业特征为切入点，将与之关联的人、财、物等核心要素融合到双螺旋框架之下，形成合力。主要实施路径包括：

(1) 打造高端研究平台，推动基础研究纵深发展

构建开放多元的协同创新机制，通过营造开放多元的创新共赢体系，提升整体研发水平以及解决关键技术的能力和效率。由于企业在基础学科和研发领域的局限性，在自主创新实践中，要善于借助外脑，以市场为纽带，联合政府、企业、高校、科研院所及用户形成创新共赢体，构建开放式技术创新体系，实现资源联结、能力互动，这是快速实现自主研制高性能高速列车产品的有效途径。2016年9月，我国第一个国家技术创新中心(国家高速列车技术创新中心)启动建设，致力于以高速列车产业前沿引领技术和关键共性技术研发与应用为核心，开展跨领域、跨学科、跨专业的应用基础国际化协同研究。

(2) 构建“政-产-学-研-用-金-服”全资源协同机制

中国高速列车的创新主体不是任何一个独立主体，而是各尽其能的产-学-研人才队伍，是将这些人才组织起来的战略性产业活动体系。

在高速列车研发过程中，通过构建开放的产业科技创新体系，与高校、科研院所、上下游企业联合研发设计，构建起高速列车“政-产-学-研-用-金-服”全资源协同创新模式，促进与产业相关的多领域、多学科的协同发展，形成重大产品创新带动关键技术发展、新技术工程应用推动产品持续创新的螺旋式发展模型，突破高速列车系统关键技术，加快了前沿理论方法与先进技术在高速列车上的落地运用。

(3) 以“列车学科”为载体的工程化路径优化

高速动车组产品设计需要考虑多系统耦合关系下的工程化实现，需要深度的专业支撑。高校具有深度的专业研究优势，而企业是工程化产品研发的实施主体，为实现工程需求和专业优势的结合，企业通过构建专业学科，搭建起基础理论研究向产品工程化应用的转化桥梁。围绕高速列车满足安全、可靠、舒适、环保、智能的发展需要，构建了涵盖列车空气动力学、车辆动力学、人机工程学在内的8个学科、35个专业方向的“列车学科”体系，打通了院校前沿技术向产业输送的快车道，大幅缩短了从理论到产品的开发周期。

(4) 高速列车谱系化发展

针对多样化、定制化高速列车产品需求快速实现的挑战，提出并建立高速列车“谱系”理论与技术架构；基于产品结构树，构建需求、过程及产品元模型，搭建需求驱动的设计制造一体化平台[15]，形成满足定制化需求的高速列车产品自主持续创新能力。依托该平台研制的CRH6、CRH3A系列城际动车组，设计周期减少了35%，设计人工成本降低了50%，验证了谱系化平台的适用性; 构建了涵盖速度200～350 km/h等级，满足高寒、高温、高湿、高风沙、高原等不同运用环境的产品谱系。

(5) 建立技术合作体系

我国高速列车技术不仅在硬件领域，而且在列车网络控制、通信信号等软件领域实现了突破；不仅在应用研究，而且在前沿技术和基础理论方面站在了全球的技术前沿。而核心零部件、软件、前沿技术和基础研究，正是我国大部分制造业的短板。从用户到供给方、从集成企业到核心零部件供应商、从硬件制造商到软件开发企业、从应用开发主体到前沿技术研发和基础研究机构，随着动车组国产化的不断深入，产业集群化、供应链和物流供给延伸将形成高速列车产业化基地。这需要技术联合体间深度合作，携手共赢。

(6) 坚持上下游产业链协同发展

高速列车结构组成复杂、涉及专业领域广，这一庞大工程需要大量企业共同参与，作为主机企业，必须获得稳定的供应商支撑。高速列车的批量生产，对铝型材、玻璃钢、电子元件等金属产品和非金属产品供应链的相关企业也提出了更高要求。

为全面加强供应商管理，通过建立供应商寻源、准入、培育、监管、评价、激励的全生命周期动态管理机制、评估标准及卡控规范，搭建数字化的供应商协同管理平台，实现了整个产业链内的信息互通和快速反应，以主机需求带动部件供给能力建设，拉动供应商技术和质量管理能力提升[16]。高速列车供应商从初期的260余家发展到现在的820余家，打造了零件、部件、系统、整机良性循环的生态链和配套能力，全面实现高速列车自主化生产。