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技術,世界領先

日期:2019-06-05 【 來源 : 新民周刊 】 閱讀數:0
作者|應 琛

  2008年,中國第一條高鐵京津城際高鐵正式開通,“中國速度”成為新時代的標簽。運營至今11年,高鐵已經成為百姓出行的“日用品”。

  從車輛到線路,從制動到通信信號……沖破技術壁壘,中國高鐵驚艷世界。從洋技術到“混血”,再到純正中國血統,中國高鐵技術實現了從“技術消化”,到“自主創新”,再到“科技輸出”的跨越。

  凝聚幾代中國鐵路人的心血,中國高鐵擁有完全自主知識產權的標準體系和技術體系,已達到世界一流水平,中國高鐵終于在新時代實現了從“追趕者”向“領跑者”的角色轉變。



從“跟跑”到自主創新


  1978年10月22日可以看作中國高鐵故事的起點。

  這一天,鄧小平乘坐日本新干線后感慨:

  “就感覺到快,有催人跑的意思,我們現在正合適坐這樣的車。”作為中國改革開放總設計師,鄧小平的一句話掀開了中國的高鐵篇章。京滬高鐵采取輪對技術還是磁懸浮技術經過了十年的大討論,當時受限于經濟水平和工程技術能力,直到1999年,鐵道部才動工了中國第一條試驗性高鐵線路———秦沈客專線。

  2003年3月17日,鐵道部發表了《抓住新的歷史機遇,努力實現中國鐵路跨越式發展》文章。文章指出,跨越式發展有兩大積極意義:一是以較短時間、較少成本走完發達國家的鐵路發展歷程;二是在發展過程中跳過過渡期的投資,充分利用后發優勢趕上國際先進水平。在跨越式發展戰略指導下,中國渴望在全球化時代被世界認可,乃至趕超西方發達國家,高鐵正是這種渴望的載體。

  2004年1月1日,國務院通過了《中長期鐵路網規劃》。規劃到2020年,全國鐵路里程將達到10萬公里,將建成“四縱四橫”客運專線,這便是今天高鐵主干網絡。對于這份規劃,全世界所有的鐵路技術公司無不動心。各家高鐵公司看準了中國高鐵發展的大市場,紛紛拿出拳頭產品當作中國市場的敲門磚。在“以市場換技術”的策略下,中國高鐵成功地迫使川崎重工、西門子等國外廠商降價,讓中國在短時間內以較低的成本掌握了高速動車組多項關鍵技術和配套技術。

  但2004年6月17日,鐵道部又發布了《時速200公里鐵路動車組項目投標邀請書》。這份標書的精妙之處在于,它指定了投標企業必須是中外合資企業。而其真實用意,就是逼中國企業向外企學習國際先進技術。

  一年后,原鐵道部啟動了第二輪招標,這次招的是時速300公里以上列車,也就是今天的高鐵。第二輪招標中,西門子與唐山客車(北車)達成了單車2.5億元人民幣、技術轉讓費8000萬歐元的協議,技術轉讓的內容非常完整,相當于德國人手把手教中國人如何設計高鐵。

  而日本聯合體早已聲明,不會出售時速300公里以上高鐵技術,南車四方決定在時速200公里的平臺基礎上自主研發時速300公里高鐵。

  值得欣慰的是,憑借科研團隊、工程師團隊和產業工人的辛勤付出,所有中國企業都交出了完美的答卷。唐山客車在三年之內就實現了西門子Velaro動車國產化;南車四方也如約拿出了時速300公里的自研列車。其中南車四方開發的CRH2A平臺經過進一步技術升級,成為了今天高鐵的主力車型CRH380系列。

  2008年8月1日,為迎接北京奧運會,中國第一條設計時速350公里(后因甬臺溫動車事故降速為300km/h)的高鐵線路——京津城際高鐵正式運營,中國企業已經熟練掌握了國際四大高鐵巨頭的先進技術。

  也就是在這一年,鐵道部與科技部聯合啟動了《中國高速列車自主創新聯合行動計劃》,真正定下中國高鐵自主創新的基調。

  該計劃是我國第一次全面系統、目標明確地開展高速鐵路核心裝備與系統研發,涉及高速列車以及高速鐵路全部關鍵系統裝備,包括整車集成、空氣動力學、承載系、走行系、傳動和制動系、列車控制網絡、牽引供電、關鍵材料及零部件、列車運行控制、高速鐵路運輸組織十個大項目。

  “擁有自主知識產權,體現世界最高水平,符合中國國情。”這是當時聯合行動計劃專家組提出的目標。

  從2008年到2012年這一階段,被歐洲人稱為“中國高鐵革命”,誕生了“和諧號CRH380系列”高速列車。而2012年至今,中國高鐵進入持續創新階段,在“和諧號380系列”平臺技術的基礎上繼續拓展創新。

  中國鐵路上海局集團有限公司正高級工程師曲思源告訴記者,中國動車組的發展主要經歷了三個階段,第一代主要以時速200—300km的“和諧號”動車組為主,第二代是時速350km的“和諧號”高速動車組,“復興號”中國標準動車組則是第三代。“中國標準動車組與CRH系列動車組的區別,一是形成了中國標準體系,而非歐標、日標;二是自行設計、自主研發,擁有全面自主知識產權。”


“基建狂魔”保駕護航



  2015年9月1日5時32分,D7601次動車組由沈陽站開出駛向丹東站,沈(沈陽)丹(丹東)高鐵正式開通運營。

  乘坐沈丹高鐵,一路上除了欣賞兩側的秀美山川,更多的時候是體驗過橋穿山。據了解,由于沈丹高鐵沿線多山地丘陵,在設計上以橋梁和隧道結構為主體,橋隧比達81%。沈丹高鐵建成通車,標志著繼2012年12月1日哈大高鐵成功運營之后,我國在高寒地區的高鐵軌道路基建設技術更加成熟。

  事實上,我國在高鐵橋梁、隧道等線路基礎設施建設能力居于世界前列。我國鐵路基建施工設備自主化程度高,能夠應對各種復雜、兇險的地質條件,被網友昵稱為“基建狂魔”。

  曲思源告訴《新民周刊》,在高鐵路基施工中,中國鐵路攻克了地基處理、路基填筑、邊坡防護、沉降變形觀測評估等關鍵技術難題,研發了施工裝備,形成了成套施工工藝。針對不同地質條件,選用了強夯、攪拌柱、旋噴樁、巖溶注漿、擠密柱、CFG柱筏板復合地基等不同方法,相繼解決了武廣高鐵巖溶、鄭西高鐵濕陷性黃土、哈大高鐵防凍脹等技術難題,地面沉降得到有效控制。

  “我國地域遼闊,氣候與地質條件非常復雜。我國高速鐵路土建技術,主要源自于長期經驗的積累,是自主開發的結晶。在線路技術方面,我國高速鐵路采用道床和路基強化技術、無砟軌道、無縫道岔、跨區間超長無縫線路等,提高了軌道平順性、剛度均勻性,大大減少了維修工作量,既保證了高速行車安全,又滿足了旅客舒適度的要求。”曲思源進一步說明,“同時,我國高速鐵路還建立了嚴格的線路狀態檢測和保障軌道持久高平順的科學管理系統。在無砟軌道領域,我國高速鐵路全力推進CRTSⅢ型板式無砟軌道系統自主研制工作,系統開展設計理論、結構設計、工程材料、制造、施工和養護維修技術研究,形成了具有自主知識產權的高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道技術體系。”

  我國從20世紀80年代初就開始進行“車—線—橋”動力相互作用理論和應用研究,建立和發展了多種分析模型,制定了相應的評定標準,并通過多年科研攻關和工程實踐,掌握了高速鐵路“車—線—橋”動力響應作用機理。

  在橋梁方面,南京大勝關長江大橋就是堅持自主創新,超前開展了高強度Q420qE結構鋼應用、道砟整體橋面結構分析、長大跨度橋梁鋼軌伸縮調節器與梁端伸縮裝置、大噸位球形支座、多線鐵路疲勞驗算荷載和損傷系數、抗風性能、新型主桁構造細節受力分析及施工控制,鋼梁制造技術,大跨度連續鋼桁拱橋施工成套技術,長吊桿減振抑振技術,主墩基礎防撞設施等十多項科研專題研究,取得了多項擁有自主知識產權的發明專利,擁有了一批有創新的、可納入標準規范和可推廣的新成果。

  目前正在江蘇鎮江建設的五峰山長江大橋是我國首座公路鐵路兩用懸索橋。大橋的建設已經到了主纜架設階段,施工人員需要在長江上的百米高空,利用空中搭起的臨時通道進行高空作業。五峰山長江大橋全長6.409公里,主跨1092米,共有兩層橋面,上層為雙向八車道高速公路,下層為四線鐵路客運專線。大橋的下部結構施工已經完成,正在開展上部主纜架設。由于主纜今后將起到掛設懸索的作用,因此主纜架設也是整個建設過程的重中之重。鎮江五峰山長江大橋是繼南京長江大橋、滬通長江大橋之后的長江江蘇段第三座公鐵兩用大橋。作為連鎮鐵路跨越長江的關鍵工程,五峰山長江大橋是我國首座公鐵兩用懸索橋,同時也是世界上跨度最大、運行速度最快、運行荷載最大的公鐵兩用懸索橋。

  此外,高速鐵路橋梁基礎沉降控制技術、高速鐵路橋梁支座應用技術、高性能混凝土材料應用技術、岔區橋梁結構設計建造技術等,這些關鍵技術,在我國的高速鐵路橋梁建設中,發揮了重要的作用。

  在建設實踐中,多年來,中國鐵路攻克了大斷面黃土隧道、江河水下隧道、高壓富水巖溶隧道等復雜地質條件下的隧道設計和施工技術難題,成功建造了一批具有代表性的高鐵隧道工程——

  最長的高鐵隧道——石太客運專線太行山道。隧道全長27.8km,最大埋深445m。

  隧道設置了運營通風和發生火災時的防災通風設施最復雜的高鐵隧道——瀏陽河隧道。京廣高鐵瀏陽河隧道位于長沙市境內,長10.11km,穿越城市、河流、高速公路。

  最密集的高鐵隧道群——大瑤山隧道群。

  中國第一座水下高鐵隧道——獅子洋隧道。穿越珠江口獅子洋河段,水深流急,隧道水壓高,地層滲透性大。中鐵隧道局集團采用水底“地中對接、洞內解體”的盾構施工方法,為國內首創,展現了盾構施工的專業優勢與技術實力。


度過危機,跨入5G時代


  京津城際高鐵開通的同年,天津的劇場演出場次、觀眾人數、演出收入都比開通前增長了20%以上,工藝品的銷量增長超過50%,天津商家真真切切感受到了高鐵帶來的巨大人流量。

  各地方政府、銀行、投資機構看到成功案例后紛紛主動與鐵道部合作。但當技術、資金、經濟效益等問題都迎刃而解的時候,安全性卻讓中國高鐵遭遇了“黎明前的黑暗”。

  2011年7月23日,甬溫線溫州段發生重大鐵路交通事故,D311次列車與D3115次列車追尾,造成40人死亡,172人受傷。事故原因后來經查是雷擊造成設備損壞以及鐵路調度失誤。但是當時高鐵建設正如火如荼在中國開展,鐵道部和高鐵事業遭遇重大信任危機。

  曲思源坦言,高鐵運營事故通常是由人為失誤、設備設施故障、環境變化以及管理差錯等四個因素相互影響、相互作用的結果,哪一個環節出現故障或是故障后應急處置失誤,都有可能釀成事故。

  “‘7·23’事故是一起由于信號設備先天有缺陷,設備遭遇雷擊發生故障后,再加上應急處置不力等綜合因素耦合引發的事故。當時,我國高鐵處于開始發展階段,很多設備加上人員素質等尚在磨合之中。”曲思源表示,事故發生后,鐵路部門痛定思痛,在全路系統引入安全風險的管理理念和方法,到目前為止,高鐵不論在技術上還是運營管理上都相對成熟,高鐵運營安全是有可靠保障的,2017年9月21日京滬高鐵成功達速到350km/h商業化運營本身就很有說服力,目前我國高鐵的安全保障體系主要包括事前預防、運營過程中的安全監測檢測、事故管理及應急救援等方面。”

  但當時的高鐵事業又是如何挺過來的?

  首先,國務院撤銷鐵道部,將鐵道部的企業職責獨立出來組成中國鐵路總公司。脫離了部委身份后,高鐵與招致無數非議的鐵道部脫離了干系。而鐵路總公司交出了令人信服的調查報告,并對安全隱患做了有效修正。

  從2013年起,國務院大力支持高鐵建設,中國高鐵走出陰霾,迎來了新一輪的發展。

  2017年,我國新一代標準動車組“復興號”投入使用,持續運營時速達到350公里,并具備時速400公里以上的運營速度儲備,成為全球運行速度最快、更安全、更可靠的動車組列車。

  高鐵速度如此之快,司機根本無法憑肉眼觀察路況,也因此高鐵怎么跑、跑多快,什么時候停車,進哪條軌道其實都是由列車運行控制系統告訴司機來操作的。

  曲思源告訴記者,為了適應中國高速鐵路、客運專線的迅速發展和保證鐵路運輸安全的需要,原鐵道部研制成功了“CTCS系統”(Chinese Train Control System),即中國鐵路列車控制系統。

  CTCS體系的構建原則是以地面設備為基礎,車載與地面設備統一設計。地面子系統由應答器、軌道電路、無線通信網絡(GSM-R)列車控制中心(TCC)/無線用塞中心(RBC)組成。

  目前,中國已經實現了列車運行控制核心技術和產品的100%國產化,并且在高速鐵路自動駕駛技術研發上走在了世界前列。

  曲思源博士在接受《新民周刊》采訪時表示,高速鐵路是復雜的系統工程,是當今許多前沿科學技術的創新和集成,其最大的特點是高速度、高安全性、高密度和高舒適性。圍繞這些特點,高速鐵路運營系統主要由六大核心系統構成,分別是基礎設施(工務工程、牽引供電、通信信號、動車組、智能運輸(運營調度與客運服務系統等)、養護維修,各系統之間既自成體系,又相互關聯、影響、匹配并協調運轉。

  我國高速鐵路是技術積累到一定程度重新組合后發生的質變。例如,高速鐵路突破了輪軌極限速度理論的設想,通過“交—直—交”電傳動方式的技術突破,解決了大功率牽引電機在有限空間和重量下的技術難題;通過采用新結構和新材料,實現了流線型的高速車體外形、動力性能優良的高速轉向架的制造和有效減輕列車重量;通過列車高速運行輪軌黏著、弓網規律探索研究,為研制牽引和制動功率大、運行阻力小、環境噪聲低的高速動車組提供了條件;融現代計算機技術、通信技術、信號技術和遙感技術于一體的高速鐵路列車運行自動控制系統和調度指揮系統的變革,以及軌道線路、橋隧工程技術的發展和進步等為高速列車的安全、舒適運營創造了前提條件……

  目前世界各國都在爭奪下一代無線通信5G技術的主導權,5G技術研發和標準化明顯加速,競爭日益激烈。

  曲思源表示,5G轉移到高鐵通信技術的應用方面,主要表現在:“第一,列車定位技術的應用。第二,網絡化技術的應用,如今的高鐵信號系統是一個層次分明、相互關聯、功能強大的控制系統。鐵路通信網絡化能使指揮者全面了解轄區內的各種情況,靈活配置系統資源,保證鐵路運輸的高效性和安全性。第三,鐵路數字移動通信技術。它是在數字蜂窩移動通信技術上加上了調度通信功能,能滿足現代鐵路專用調度通信的要求,為鐵路運輸管理和列車控制系統提供了強大的信息傳輸手段,能為列車提供無線上網、運行信息傳輸、話音以及圖像交換等高質量信息傳輸通道。”

  高速鐵路通信基礎設備共包括14個子系統,按系統功能可分為基礎承載網、支撐網、業務網等3類。

  2017年1月EUHT(京津城際高鐵超高速無線通信)5G技術已經實現在京津城際高鐵安裝部署,在無線通信技術應用最困難的高鐵環境下,實現120公里全線拉通應用。鐵路部門隨后專門組織了第三方獨立測試,測試結果顯示EUHT 5G技術在動車組每小時300公里運行速度下,切換成功率100%,數據丟包率0.41%,端到端平均傳輸時延6ms,用科學數據充分證明了EUHT 5G技術高可靠、低時延方面的技術性能已經達到了5G關鍵指標的要求。

  “這些產業化事例表明我們自主的EUHT 5G技術已經具有世界領先地位。”曲思源告訴記者。今年2月上海虹橋站正式啟動5G網絡建設,成為全球首個用5G室內數字系統建設的火車站,計劃在2019年9月完成5G網絡深度覆蓋。上海虹橋站是亞洲最大的火車站之一,每年發送旅客超過6000萬人次,高峰期間單日旅客發送量超過33萬人次。根據上海移動統計,2019年春運期間,虹橋火車站單日移動通信流量突破7000GB,是2018年春運期間的2.3倍。屆時,廣大旅客將享受到高速、便捷的各類5G網絡服務。5G還將推動車站實現數字化、智能化。例如,5G低時延的特點可以讓室內導航精度更高,可以在高峰期精確監控疏導人流。當然,5G車站只是5G一個典型的應用場景,5G不僅僅意味著更快的網速和更大的網絡承載能力,它還是萬物互聯的基礎。


中國技術惠及全球


  截至2018年,中國高鐵運營里程超過2.9萬公里,占世界高鐵總里程的66.3%。

  復興號的問世,標志著中國高鐵事業擁有了完全自主研發最先進平臺的能力,中國高鐵不僅是世界高鐵產業的領頭羊,還是中國制造的最好名片。

  但曲思源也坦言,鑒于高鐵技術的復雜性,要想完全掌握全部技術,“哪個國家都做不到,日本、德國和法國部分產品也都是需要進口,高鐵技術產品應該是一個國際大供應鏈”。他同時認為,高鐵技術的徹底國產化也沒有必要,“據我所知,我國板式軌道、列控系統、逆變器、變流器、電動機等國產化程度已經很高,還沒有掌握的有部分軸承、車輪等,高鐵的國產化需要整個國家裝備制造業和電子行業的努力,不是僅僅靠鐵路技術骨干的攻關就可以實現的”。

  但不管怎樣,近年來,中國高鐵發展迅猛,從無到有,從“四縱四橫”路網基本完成,再到如今“八縱八橫”藍圖徐徐展開,作為“后起之秀”的中國高鐵已擁有世界上最完整的技術體系,在世界上已是遙遙領先,并受到世界上越來越多國家的青睞。

  曲思源表示,我國是目前全世界高速鐵路里程最長、在建規模最大的國家,并擁有成套技術和裝備標準體系、工程管理和技術運營經驗,技術與裝備總體上處于國際領先地位。

  “復興號”中國標準動車組大量采用中國國家標準、行業標準、中國鐵路總公司企業標準等技術標準,同時采用了一批國際標準和國外先進標準,具有良好的兼容性能,在254項重要標準中,中國標準占84%。最重要的是中國標準動車組整體設計以及車體、轉向架、牽引、制動、網絡等關鍵技術都是我國自主研發,具有完全自主知識產權。

  另外,通過對高速鐵路設計、建設和運營經驗的總結和多版高速鐵路技術標準規范的應用、修改和完善,以國家鐵路局批準發布的《高速鐵路設計規范》(TB10621-2014)為標志,我國已經制定了完善的高速鐵路技術標準體系,這為中國高速鐵路“走出去”提供了技術標準支撐。

  隨著我國“一帶一路”建設推進,雅萬高鐵、莫喀高鐵項目順利開展,我國高鐵“走出去”的步伐加大。其海外市場更是已經擴展至亞、歐、非、美等五大洲數十個國家,中國高鐵的海外市場份額不斷拓展,在國際上的影響力和發展力不斷提升。

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