高速铁路技术发展趋势*

卢春房

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081； 2. 中国铁道学会，北京 100081)

引 言

铁路是国家重要基础设施、国民经济大动脉和大众化交通工具[1]，近年来，我国铁路特别是高速铁路得以快速发展，为经济社会高质量发展发挥了极为重要的作用[2-3]。世界范围内高速铁路也发展迅速[4]，截至2020年底，世界运营高速铁路的国家和地区达21个，运营总里程约5.51万公里，主要分布在欧洲和亚洲；其中，我国高速铁路运营里程达3.79万km，约占全世界高铁总里程的68.8%，稳居世界第一；西班牙、日本、法国的高速铁路规模也较大，时速250公里及以上的高铁里程均超过2400公里；德国、芬兰、意大利、韩国、土耳其、美国、沙特阿拉伯、中国台湾等国家和地区的高铁运营也具有一定规模。正在建设高速铁路的国家有13个，建设总里程约7218 km；还有20多个国家对高速铁路线路进行规划，规划总里程约29008 km。

随着高速铁路的蓬勃发展，我国高速铁路技术取得了长足的进步，逐步形成了涵盖全面、以我为主、兼容并蓄、具有中国特色的高速铁路技术体系，总体技术水平已步入世界先进行列，部分技术达到世界领先水平[1,5]。为推动科技发展和科技竞争力提升，世界各国纷纷开展工程科技发展战略研究工作[6],本文在总结我国铁路科技创新经验的基础上，通过开展技术预见研究，认为我国高铁技术总体发展趋势应集中在更快、智能、绿色、经济四个方面，提出了实现高质量发展的技术路径和工作重点，为建设“人民满意、保障有力、世界前列”[7]的交通强国当好先行。

1 更 快

更高速度一直是世界铁路长期关注的重点，国内外开展了大量研究和试验[8-9]，推动铁路运营速度不断提升。表1列出了世界主要高速铁路国家的最高运营速度和最高试验速度，其中，中国铁路高速动车组的最高运营速度达到350 km/h，位居世界首位；法国TGV列车以574.8公里的时速创造了最高试验速度记录。

表1 世界主要国家高速铁路最高速度

未来，更快高铁仍是我国铁路发展的重要方向之一。高速铁路运营速度的提升包括既有高速铁路提升和新建高速铁路提升两种类型。一方面，我们需要通过持续深化技术创新，不断提高新建高速铁路的运营速度；另一方面，我国开通运营的大多数高速铁路最高运营时速仍为200-300 km，只有少量高速铁路按时速350 km运行，通过技术升级改造提升既有高速铁路的运营速度也是我国高速铁路未来发展的重点工作之一。

新建高速铁路速度提升主要有三种途径：

1.1 轮轨高铁

广义的高速铁路包含使用磁悬浮技术的高速轨道运输系统，目前我国运营的高速铁路都是轮轨高铁。根据研究试验成果推断，在目前条件下，轮轨高铁的最高商业运行速度不宜超过400km/h。究其原因，一是环保节能的需要。就能耗而言，复兴号动车组较CRH380系列动车组的人均百公里能耗降低了17%，可代表世界轮轨高铁领先水平，其试验研究表明平直道人均百公里能耗拟合公式为：

y=2.26-0.0117v+0.000044v2

(1)

式中v为运营速度。经计算，与运营速度400 km/h相比，420 km/h能耗要高10.6%。二是旅客舒适度的需要。动车在400 km/h时安全性指标仍然处于良好状态，但舒适度指标下降较快。动车组产生的车内噪声与速度的对数呈线性相关，其回归公式为：

(2)

式中LPA为普通客室车内噪音声压级平均值；v为运营速度,单位为千米每小时(km/h)；v0取300 km/h。经计算，400 km/h时普通客室车内噪音声压级平均值比350 km/h声压级上升约4%，噪声声压值上升约100%，乘客的舒适感下降，连带其安全感也下降。

目前，我国尚未构建完善的时速400 km/h高速铁路技术标准体系，因此，实现轮轨高铁400 km/h运行需解决的主要问题是标准制订和发展节能降噪技术。

1.2 磁悬浮高铁

磁悬浮分为常导磁悬浮和超导磁悬浮。我国已进行600 km/h磁悬浮技术的研究并已生产样车。日本正在建设中央新干线超导磁悬浮高铁，设计速度505 km/h。常导磁悬浮需重点解决四大技术：轨道技术、悬浮车辆技术、列车控制技术、牵引技术。车辆技术中气动阻力研究是关键。

超导磁悬浮分为低温超导悬浮和高温超导悬浮。低温超导悬浮需解决的主要技术问题是：电动悬浮顶层设计、电动悬浮磁体技术、电动悬浮和导向技术、电动悬浮牵引和制动技术。高温超导悬浮需解决的主要技术问题是：高温超导悬浮车辆技术、高温超导磁浮牵引技术、高温超导悬浮列车总体技术、高温超导悬浮安全技术。

1.3 低真空管道超高速列车

低真空管道超高速列车是高速磁悬浮技术与真空管道运行技术的结合，以解决空气阻力大、噪音高、能耗高等问题。目前美国在进行研究和局部试验工作，我国正在研究时速800-1000 km/h低真空管道超高速技术，也即将展开实验。目前研究已取得部分成果，参见表2。

表2 低真空管道超高速列车主要研究成果

需解决的主要技术问题是：低真空环境实现与维持技术、低真空管道设备总体布局、低真空桥隧及救援技术、低真空道岔及站场技术。

2 智 能

世界经济的快速发展对高速铁路的运营效率、服务品质、安全水平提出了更高的要求，欧盟、德国、法国、英国、日本、韩国等相继提出了高速铁路数字化、智能化的发展战略和实施路径，围绕智能高铁的相关技术开展了系列创新实践[10-12]，智能化将成为世界高速铁路发展的重大趋势。

智能高铁(Intelligent High-Speed Railway，IHSR)是广泛应用新一代信息通信技术，综合高效利用资源，实现高速铁路移动装备、固定基础设施及内外部环境间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化管理的新一代高速铁路系统。

智能高铁包括智能建造、智能装备、智能服务，其架构图如图1所示，需要解决的重点问题见表3。

图1 智能高铁体系架构

表3 智能高铁需研究解决的问题

3 绿 色

随着世界各国环境保护、能源短缺等问题的日益显现，发展绿色铁路，降低铁路能耗及污染排放量成为铁路发展重点，对新建高速铁路应从源头把握，在设计、施工、运营、管理、维护等各个阶段融入绿色发展理念；对既有高速铁路应依靠铁路技术进步，对既有设备进行更新改造，尽可能降低环境污染，减少能源消耗、提高沿线绿化水平。绿色铁路包括绿色通道、节能减排、减振降噪、节地、节材五个方面。

(1)绿色通道。研究植被覆盖和恢复技术，研究沙漠、石漠、干旱、高原、高寒地区的植物培育和种植养护技术；研究铁路取弃土(石)场的植被快速恢复技术；融合传统技术与现代技术，保护生态环境，把高铁建成绿色长廊。

(2)节能减排。推进新能源施工、运输设备的使用，减少二氧化碳和有害气体的排放。研究轻质高强材料，设计制造新型动车组，降低能耗；广泛使用光伏发电和地源热泵技术；应用垃圾处理和污水处理新技术，减少污物排放。

(3)减振降噪。高速铁路噪声源主要包括轮轨滚动噪声、气动噪声以及牵引电机等设备噪声。大量实验研究表明，列车运行辐射噪声A计权总声压级随速度的变化曲线和拟合公式如图2所示。由图可知，随着动车运行速度的提高，对降噪技术的要求会更高，需研究新型轨下基础、声屏障和动车组，降低振动与噪音。

图2 辐射噪声A计权总声压级与运行速度的关系曲线

(4)节地。研究双层车站、双层桥梁技术，减少用地；研究临时用地高质量复垦技术，避免土地荒芜；研究平原地区地下低成本修路技术，充分利用地下空间。

(5)节材。研究高强材料的应用，研究建筑垃圾的再利用，研究高耐久性材料，研究节水技术，以减少材料的使用。同时研究节水技术。

4 经 济

高速铁路是国民经济发展到一定阶段与社会生产力相适应的产物。与普通铁路相比，高速铁路投资规模大、技术难度高、收益回报周期长、运营维护成本高，对任何国家及铁路运营企业来说，其高昂的成本都是不可忽视的问题之一，必须加大高速铁路经济性相关技术的研究力度，为推动高速铁路持续健康发展，建成安全、便捷、高效、绿色、经济的现代化综合交通体系提供有力支撑。

提升高速铁路经济性应重点从以下五方面着手：

4.1 合理确定建设时机

对于经营性线路，何时建设应根据投资效益确定，在规划阶段和决策阶段，可采用能力利用率衡量一个项目何时可以建设。高铁能力利用率是指高铁通过能力被利用的程度，可由列车运行对数/设计通过能力进行计算。

(3)

(4)

式中Tw为铁路维修时间，单位为分钟(min)；I为发车间隔，单位为分钟(min)；S为铁路线路区段里程，单位为千米(km)；V为列车运行速度，单位为千米每小时(km/h)；ε为通行能力扣除系数，一般取1.4。

能力利用率小于0.6，表明服务能力可保障，但是设施富余，闲置较多，不应开工建设；能力利用率在0.6-0.85之间，表明服务能力可保障，设施利用在合理范围之内，应开工建设；能力利用率超过0.85，表明服务能力保障不足，存在部分时段能力紧张问题，应加紧建设。

4.2 合理采用线路技术标准

综合考虑地区经济发展水平、地理环境条件、运输发展需求等因素，以确保安全为前提、投入产出最优为目标，合理采用高速铁路项目技术标准，使高速铁路在满足运营安全及旅客舒适度要求的基础上，降低建设成本，实现经济效益最优。

4.3 科学确定项目工程实施措施

综合考虑经济性及节能环保等各项指标，确定科学合理的项目施工措施及方案，降低建设投资。采用先进的数字化、智能化技术，加强对项目全过程的数字化、精细化管理，加强成本及质量管控；科学组织施工，减少或避免资源浪费；积极推行新工艺、新材料、新机具等新的施工方法和手段，提高施工效率；积极采用新材料、新能源，减少能源消耗。

4.4 开展以“状态修”为主的运营维护策略

探索基于传感器、通信网络等技术手段对高速铁路基础设施及移动装备状态进行实时监测，应用大数据、智能化技术对数据进行深度分析，对设施设备的运营状态进行故障诊断及趋势预测，实现由修复性、预防性维修体系向预测性维修或状态修转变，减少过度维修，降低养护维修成本。

4.5 依靠科技进步持续提升运营效率

加强客流预测和分析，结合客户信息，在客流预测分析基础上，不断优化列车开行方案，实现运能与运量最佳匹配的列车开行方案；利用车-车通信、移动闭塞等技术，减小列车最小追踪间隔，提升行车密度；利用远程通信、大数据、人工智能等技术，将车站、调度、运行、维修等各类数据进行采集、分析，实现各业务系统的相互协调，对高速铁路运行进行统一控制与管理，提高高速铁路整体运营效率。

5 结束语

近年来，高速铁路已成为一张亮丽的国家名片，习近平总书记在京张高铁考察时指出：我国自主创新的一个成功范例就是高铁，从无到有，从引进、消化、吸收再创新到自主创新，现在已经领跑世界。要总结经验，继续努力，争取在“十四五”期间有更大发展[13]。从世界高铁发展和目前技术研究热点来看，我国高铁技术总体发展趋势应集中在更快、智能、绿色、经济四个方面，本文提出了一些技术发展的重点方向。总体来说，高铁技术发展任重道远，创新，只有创新，才是打开胜利之门的钥匙。