下一代高速列車關鍵技術特征分析及展望

繆炳榮， 張衛華， 池茂儒， 周 寧， 宋冬利， 楊樹旺

(西南交通大學 牽引動力國家重點實驗室， 四川 成都 610031)

目前，歐洲和日本等幾個主要國際著名軌道車輛制造商均在積極開展未來高鐵技術的研制計劃，探索下一代高速列車關鍵技術的研制方向和具體內容。他們期望通過融進更多領域的先進設計技術，尋求掌握未來高鐵的關鍵技術[1]。根據相關文獻，下一代高速列車的技術設計目標可以簡單歸納為：在現有高速列車的設計基礎上提高車輛的最大運營速度，如達到高于400 km/h的運營速度目標，且要滿足更嚴格和更高技術要求的車輛設計標準；降低車輛能耗及全壽命周期成本；大幅降低車輛振動烈度和噪聲；列車綜合舒適度指標進一步增強。這不僅要滿足車輛生態設計(廢氣和噪聲等的排放)的巨大壓力，還要面對車廂內空氣壓力變化、氣溫控制，環境、振動和聲學指標等影響。此外，大數據、互聯網、智能系統的集成設計和模塊化設計技術等也對下一代高速列車的設計目標提出了更加嚴格的技術要求。這些技術指標必然通過技術細化和分解具體落實到高速列車的各個設計環節中，以促進人們加快下一代軌道交通關鍵技術的研發工作。顯然，在相關技術的研制過程中，人們無疑將面臨更多更新的技術難題[2-3]。

作者結合中國鐵路總公司下一代列車發展計劃研究項目，針對中車公司幾個主要制造廠商進行了相關技術調研，并在青島四方和長春軌道客車股份有限公司研發中心的技術人員大力協助下進行了資料收集、分析和整理工作。本文結合國內外正在研制的下一代高速列車的文獻分析結果，對我國下一代高速列車的一些關鍵技術進行全方位的分析與思考，從產品系統集成設計和多學科優化設計的角度，深入探討下一代高速列車車體結構集成設計技術的具體應用技術，提出相關內容的技術展望，為國內下一代高速列車的設計提供重要的技術參考和建議[4]。

1 下一代列車發展計劃項目

面對未來軌道車輛國際市場的劇烈競爭，國內外著名的軌道車輛產品制造商，如西門子、阿爾斯通、龐巴迪等均已經互相聯合，大力投入到下一代高速列車關鍵技術的研發，并積極開展研制計劃項目。國內2017年投入運營的標準動車組是中國第三代動車組，是目前世界上最先進的高速列車技術的重要代表之一。這說明我國通過十多年來動車組研制技術經驗的不斷積累，已經可以利用正向技術研制具有中國標準的先進動車組。標準動車組不僅實現了2種不同設計平臺體系的技術融合，也在此基礎上實現了不同標準動車組的互聯互通和零部件產品互換的關鍵技術。產品不僅體現了中國民族特色的造型設計，也在一定程度上實現了節能、降耗的設計目標，統一了維修標準，降低了運營維護成本，具有一定的先進性。與歐盟正在投入的下一代高速列車的研制計劃(水平線計劃和Shift2Rail計劃)相比，我國下一代高速列車的主要發展趨勢還需要進行綜合性研究。新投入運營的中國標準動車組見圖1[5]。

近年來，面臨全球鐵路產品的競爭壓力，歐盟首次提出加大對鐵路運輸系統的投資力度，且決定立項一系列支持歐洲高速鐵路部門的基礎與應用研究項目，其根本目的在于利用一些革命性的產品設計技術提高歐洲鐵路產品在全球的市場競爭力。Shift2Rail是歐盟第一個加速將最新技術與先進技術整合到一起的鐵路發展計劃項目，也是為了實現歐盟2020戰略和歐盟運輸政策的關鍵目標，提供有重點的研發與創新以及市場驅動解決方案的歐洲鐵路發展計劃項目[2-3,6-7]。

Shift2Rail項目涵蓋包括鐵路基礎設施的許多研究子計劃。比如，Roll2Rail是側重車輛和軌道的基礎研究，目標是研制“新型、可持續發展的智能和舒適的歐洲鐵路軌道車輛”，旨在提出革命性、關鍵性的軌道車輛設計新技術；該計劃于2015年5月被歐盟委員會選中后正式啟動，屬于“歐盟2020地平線發展計劃”項目的第一個增長動力的基礎項目，其中合作者包含不同領域和專業的全球著名的31個產品制造商。他們希望開展這項重要的歐洲高速鐵路的創新和發展項目，利用下一代高鐵的研制計劃不斷推動歐洲鐵路產品在全球的創造力和競爭力。該項目側重于車輛不同子系統和總體設計過程中的技術集成創新，也有助于實現項目計劃目標中提出的對下一代高速列車整車和整個鐵路系統水平的提高，包括運載能力，車輛的可靠、高效、舒適和全壽命周期成本的最優化。項目在具體實施過程中，分解為8個不同領域的課題，又稱工作包(Work Package，WP)，包括牽引動力及相關電子技術，信號與通信技術，車體技術，走行部技術，制動技術，綜合舒適性與內飾技術，橫向交叉技術(噪聲與能量傳遞等)，系統集成設計技術等。每個項目都設定了具體的技術挑戰目標。其根本目的是提高列車運能，降低全壽命周期成本，更加節能降耗，安全可靠，提高綜合舒適度等。

Roll2Rail計劃項目中的課題1，主要研究更加高效節能、性能更好、更輕和更安靜的較小體積牽引系統。根本目標是基于新興的電子元器件和電機技術提出一種新型牽引技術。課題2主要研究新一代列車通信系統，開發新的無線電子技術應用到列車的控制功能。課題3研究輕型復合材料的列車，以降低車輛重量。課題4研究走行部(轉向架)技術方面的創新，目標是降低現有和新的走行部技術的全壽命周期成本。課題5旨在打破制動系統創新的障礙，研究列車制動系統未來更高技術的需求。課題6研究綜合舒適性和相關的內飾及車廂內環境問題，從乘客的角度研究評估列車吸引力和舒適性的標準化設計方法。課題7和8研究新型和更高效的噪聲和能源方案，特別是研究噪聲能源的傳遞與分離技術方法，包括下一代高速列車的最新能源消耗的技術方法。其他課題還包括系統集成設計技術和項目的集中管理等。項目組成框架見圖2[8]。

除此之外，2014年英國啟動一項“未來列車在今日的設計”計劃，德國航空航天中心為此與其他研究機構合作積極研制一種最高速度400 km/h的雙層高速列車AeroLiner3000，見圖3。其設計目標是保證新型高速列車在既有線路的基礎設施不做任何改變的前提下，將線路運輸能力至少提高30%。同時他們還針對性開展了另外一項下一代高速列車(NGT)研制計劃項目，通過采用多學科優化設計的方法解決未來的關鍵技術問題(快速、安全、舒適、環保)，其中主要技術設計目標包括：車輛的運營速度提高至400 km/h；比ICE3以300 km/h運行時的能耗降低50%；降低輪軌和氣動噪聲；提高乘坐舒適度；改善車輛安全性；降低輪軌磨耗和全壽命周期費用；采用模塊化設計方法和系統集成設計技術加快產品設計制造過程；提高新產品的開發效率；縮短產品開發周期等[9-10]。

德國下一代高速列車(Next Generation Train，NGT)的主要技術特征見圖4[11-12]。其主要設計目標為：

(1) 制造較低成本且可靠的高速列車，包括提高載客量等。未來核心技術的一系列研究主要側重于如何提供更高效服務，提高歐洲鐵路車輛產品在全球的競爭力。

(2) 開發軌道車輛發展的創新性關鍵技術，旨在提供更可持續、智能、舒適、可靠的車輛，并最終形成革命化的軌道車輛長期發展戰略。

(3) 保證鐵路系統產能比ICE3列車增長15%，車輛運行可靠性和準時率增加50%，整個系統節能提高30%，全壽命周期成本減少40%，同時提高乘客的綜合舒適性。

(4) 實現高鐵溫室氣體排放量的減少，緩解城市擁堵，并提供更高靈活性的鐵路交通運輸形式，滿足日益增長的高效和綠色需求，鐵路部門需要增強服務形式，降低能源和壽命周期成本，提高互操作性能，在降振、降噪的質量方面取得進步。

法國國鐵與阿爾斯通公司合作，也正在研發性能將大幅提升的下一代高速列車。預計到2022年中期，新型列車正式進入商業運營，成為阿爾斯通既有AVELIA系列高速列車大家庭的一員，見圖5[13]。同時，2015年底，法國三家部委聯合環境和能源控制署與阿爾斯通公司共同成立合資公司SpeedInnov，研發法國下一代高速列車，進一步減少鐵路運輸對環境的影響，提高法國在全球高速鐵路制造業的專業影響力。在研制下一代高速列車的項目中他們也提出需要大力降低產品的設計與制造成本，列車的各個關鍵制造環節比目前最新列車至少降低20%～35%；進一步提高產品的集成設計水平，保證生態設計，材料與結構的再循環利用率要高于90%，大幅減少列車整個生命周期的維護成本。改善乘客的乘坐綜合舒適度，增強結構模塊化設計與制造水平，比如加強新型材料的利用，車體結構內飾設計布局的優化，使得可利用空間擴大20%，保證更多的載客量。

日本川崎公司曾經提出21世紀高鐵發展的關鍵技術，主要集中在車輛、電子信息、通信信號系統、動力系統、基礎設施等方面，見圖6[14]。日本正在研制東海道新干線上第六代高速列車，比如N700S型的試驗列車，預計2020年，N700S將在東海道新干線運營，最高運行速度提高到320 km/h左右。在主變流和主變壓器裝置，擺式列車控制系統，空氣壓縮機，空調裝置和轉向架等關鍵部件實現輕量化與小型化等[15-17]。

2 主要技術特征分析

最近幾年，為了提高產品在世界市場的競爭力，各國著名鐵路車輛制造商均在積極針對下一代高速列車的前沿技術開展系統研究。這里以歐盟Shift2rail發展計劃中提出的鐵路創新發展計劃項目為例，進行主要技術特征分析，其中包括：降低制造成本，提高列車可靠性，保證更高的運能和運營速度；優化與改善軌道交通通信管理(列車與列車，列車與地面)和控制系統；降低運營維護成本和保證高運能下可靠的基礎設施；發展智能軌道交通運輸系統；研制可持續發展的高速貨運系統。

2.1 下一代高速列車的設計思想

以德國下一代高速列車為例，其主要目標是：保證列車設計技術在高速運行時性能足夠強大，安全、高效，具有良好的綜合性能(諸如節能降耗、生態綠色、高效智能等)，保證車輛更加優越的運營、維護性能等。通過采用關鍵設計技術的研制，在保證高速安全運營的前提下，進一步降低整車結構質量，提高載客量和綜合舒適度等。下一代高速列車的車體頭型將會采用更加流線型的頭型設計，采用輕質復合材料的結構輕量化設計以減輕車輛質量。利用光學測控技術實現高速列車在運行過程中精確的連掛或者解鉤。其設計內容還包括：建設新型軌道車輛的柔性模塊化先進技術設計平臺。提高列車的運營速度，改善軌道車輛的綜合性能；增加車輛的載客能力?；谠肼?、振動、溫度等環境因素，進一步提高和改善乘客的綜合舒適度。增強下一代高速列車的安全可靠性；優化軌道車輛關鍵結構部件(車體和構架等)的安全設計，比如相關的高速列車的碰撞吸能設計。優化機電耦合系統；降低輪軌接觸磨耗。與ICE3新型高速列車相比，降低能耗目標需要達到50%；與ICE2車型相比，需要降低頭型的空氣阻力達到25%；采用新型的智能化能耗管理策略；針對關鍵部件進行一系列的輕量化結構設計和制造等。為了能夠為下一代高速列車定義最佳的技術設計解決方案，需要針對先進的高速列車的設計平臺思想(動力分散式和集中式，以及不同轉向架結構類型的布局設計)，車體結構(單層和雙層，以及最大寬度車體的選擇)和牽引動力(不同能源類型)系統地使用可互換的不同標準進行分析和評估。考慮更多車輛設計的新概念的技術實施的可能性，包括最大載客能力，減少能源消耗措施，改善空氣動力學特性和能源轉換方式，輕量化結構分析，以及比較其他代表性高速列車的設計概念優缺點導致的走行部技術(轉向架技術)原理的選擇等[21]。

關于下一代軌道車輛概念設計階段的優化環節，為提高車輛的安全性和舒適性提供了極大的發展潛力，需要考慮每個座椅的能耗需求，比如是否需要采用雙層車輛，是否采用新的機電一體化系統的轉向架控制技術。除了增強運行穩定性，減少車輪磨損和降低輪軌噪聲之外，機電一體化的轉向架系統將為雙層車輛的乘客提供安全、平穩、舒適的乘坐環境。輪對是單獨控制的驅動輪，具有相關聯的車輪安裝機構，可以跟隨線路曲率的變化自動轉向。單個輪對的牽引電機既可以作為驅動系統又可作為輪對的2個獨立車輪上施加不同轉矩的致動器，允許轉向架與軌道的路徑對齊并轉向曲線，使得車輪更安靜平穩地運行并減少磨損。其主要設計思想為

(1) 制造出成本有效且可靠的列車，包括高載客量的智能列車。Shift2Rail計劃中是針對未來高速列車的核心技術開展一系列研究，主要側重于如何高效服務于鐵路行業，提高車輛產品的核心競爭力。主要創新項目涉及牽引技術、轉向架(走行部)、車體技術、制動技術、通信網絡技術等。研制高速列車技術發展的創新性關鍵技術，保證更加可靠、可持續發展、智能、舒適的車輛，將革命化的下一代高速列車先進的車輛設計技術設為長期戰略目標。

(2) 輕量化的設計目標包括在目前ICE3列車基礎上，保證產能增加15%；運行可靠性和準時率增加50%；系統節能提高30%；車輛和軌道壽命周期成本減少40%等。為了提高乘客的舒適性，還需要開發新型牽引技術，基于新型電子電氣元件和電動車輪技術研制高速列車關鍵裝備；開發滿足車輛間更加靈活可靠的新連接方式需要的新控制技術，比如無線傳感技術等。為了增加乘客使用空間和提高載客量，需要進行結構輕量化設計，比如采用大量輕質復合材料以降低車輛結構部件的整體質量。為了實現走行部(轉向架)技術的根本性創新，降低全壽命周期成本，還需要提出新的高鐵管理技術解決方案。通過征集歐洲鐵路市場的廣泛需求，在制動系統、舒適度、環境降噪、能耗技術方面，實現更多創新技術的突破和應用。

2.2 未來技術方案可行性分析

根據更高速、更安全、更環保、更經濟、更舒適的總體設計技術目標要求，中國的下一代高速列車需要建立屬于中國標準和特色的高速列車設計平臺系統，真正實現多國標準的互換性、兼容性和設計平臺的足夠先進性。下面針對一些研究分析結果，對我國下一代高速列車的主要技術方案進行技術分析與展望。

2.2.1 下一代高速列車的先進設計平臺的搭建

最近十年，國外著名的軌道車輛制造商一直在進行下一代動車組設計平臺的建設。下一代高速列車設計平臺應具有一定的技術特征。簡單可以歸納為：如何降低能耗和噪聲，實現生態綠色設計，提高產品的全壽命周期性能最優。全壽命周期最重要的特點體現在高速列車產品的集成設計，并行優化設計和多學科優化設計領域。下一代高速列車在總體設計上不僅需要滿足日益增長的乘客綜合舒適度需求，還需要體現更高的安全設計標準和突破性核心技術的創新要求。這些因素均要求建立先進的下一代高速列車的設計平臺，并以此作為未來發展計劃，積極開展下一代高速列車相關創新性項目的基礎理論和工程應用技術的創新性研究。這里簡單列出一個下一代高速列車設計平臺的建設框架示意圖，見圖7。

2.2.2 轉向架技術設計

轉向架(簡稱走行部)系統的設計是下一代高速列車的核心技術。更高的運營速度必然會對轉向架設計提出更加嚴格的技術要求，未來的技術需求必然迫使結構設計向輕量化，安全可靠，降低維護成本、輪軌間作用力等目標發展。為此，下一代高速列車轉向架結構的設計還需要進行結構優化與輕量化設計，降低維修成本，利于提高運行經濟性和安全可靠性。要實現下一代高速列車更高速度與更高性能的追求，創新設計轉向架技術是一個重要的發展途徑。

從結構與懸掛系統的功能看，國內外專家一直在思考是否可以將一系懸掛和轉向架側梁的功能合二為一，做成彈性側梁。這種思路可以簡化轉向架的結構，減少部件數量，根本上實現輕量化的設計目標，在某種程度上通過大幅度的彈性變形緩和輪軌作用力較大的問題，降低輪軌沖擊和振動。其根本思路在于兩個方面：一方面是材料的選擇，可以選擇具有良好機械性能和多功能復合材料，比如采用高性能的碳纖維材料。這種材料軸向強度和模量十分高，密度低，耐腐蝕耐疲勞，具有相當優異的機械性能，在同等強度下，結構可以設計的比較簡潔；另一方面，懸掛形式的選擇，比如板簧層疊結構，滿足轉向架構架具有良好的彈性。日本川崎重工公司在世界上首次采用的碳纖維增強塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)的efWING新型轉向架就是考慮這種結構形式的實例，相比傳統轉向架，每臺減重約450 kg，輪重減載約50%，舒適性也有很大提升。efWING彈性轉向架結構形式見圖8[18]。

其他結構類型的創新式轉向架技術還包括如下幾條，這里僅僅做簡單介紹。

(1) 軸箱內置轉向架

軸箱內置轉向架將軸箱置于車輪內側，使得轉向架體積變小，質量比傳統轉向架減重30%左右，滿足軌道車輛及轉向架輕量化設計的要求，一定程度上優化了車輛動力學性能，降低了運營維護成本。西門子SF7000內置轉向架見見圖9[19-20]。

(2) 架懸齒輪箱

由于轉向架的簧下質量對輪軌作用力影響顯著，減小簧下質量可明顯減輕輪軌作用力，有利于改善車輛和軌道運行條件，延長車輛和線路壽命。對下一代高速列車，由于其速度更快，簧下質量對輪軌關系的不利影響會明顯放大，以減輕轉向架的簧下質量來改善輪軌關系十分必要和關鍵。我國高速動車組轉向架傳動機構盡管在驅動裝置上已經采用了架懸或者體懸的方式，但由于齒輪箱和牽引大齒輪一端還是懸掛在車軸上，牽引齒輪的質量和齒輪箱質量的一半仍然屬于簧下質量，要達到減輕簧下質量，采用架懸或者體懸的方式，將齒輪箱質量轉移到轉向架構件或車體底架上，是一個可以考慮的有效措施[21]。

2.2.3 牽引制動技術

牽引制動技術是高速列車核心技術之一。其主要作用是為高速列車提供可靠有效的牽引和制動動力。牽引系統功能是將電能轉化成動能，轉換過程的效率高低影響到系統能量使用效率。從受電弓、電機與電力電子傳動技術、變壓器、變流器等到齒輪傳動系統，往往體積大且結構笨重。下一代高速列車的牽引系統，不僅要提高能量傳遞效率，同時要通過功率質量比進行量化考核，提高牽引效率。具體有如下幾個方面需要考慮[22]。

2.2.3.1 受電弓技術

隨著高速列車最高運行速度的不斷提升，受電弓-接觸網系統服役環境發生顯著變化。高速氣流的作用加劇了受電弓的氣動噪聲和復雜的受流環境，也容易引起弓網動態接觸行為的不良變化，進而影響弓網受流性能。另外，運營速度的提高易導致載荷頻變特性惡化，影響弓網匹配關系，縮短弓網關鍵零部件的運用壽命。為了使受電弓產品滿足下一代高速列車安全高效運營要求，需要研發具有自主化的低噪聲、低阻力、高可靠、高平穩、智能化受電弓，改善下一代高速列車弓網關系，提升受電弓運用可靠性，為我國高速鐵路的健康發展和高鐵走出去戰略提供重要保障。具體而言，下一代高速列車受電弓技術體現在以下幾個方面：

(1) 結構設計方面。盡可能采用流線型設計，滿足低噪聲和低阻力的高速運行需求，同時利用組合臂設計方案，進行包裹處理也是可以嘗試的技術方案。高速受電弓設計方案見圖10，測試結果也證實對降低阻力和噪聲是可行的。

(2) 智能化方面?？紤]關鍵部件的智能化，如滑板、懸掛系統、拉桿、升弓機構等。在設計和制造階段考慮傳感器的預埋，使得整體結構在出廠時，自帶智能化的結構部件。狀態感知的智能化，結合智能結構部件，通過接觸或非接觸式的傳感元件，實現運行狀態的實時感知，如接觸狀態，受力狀態，升弓狀態，服役環境狀態(溫度、濕度、氣流等)。故障診斷的智能化，通過實時監控受電弓運行狀態關鍵參數，借助專家診斷系統或模型，對出現的受電弓故障狀態進行診斷，自動給出相應的報警信息。健康狀態的智能化管理，通過受電弓運行狀態參數的大數據累積，進行同時空環比以及相應的大數據智能化分析，掌握受電弓的健康狀態，動態給出相應的維修維保策略，同時對其剩余壽命作出合理的估計。

(3) 控制系統方面。基于智能化受電弓技術，以受電弓健康狀態征兆向量為控制參數，提出半閉環控制算法，通過自動切換控制目標、控制參數，實現不同受電弓服役環境下的自適應控制策略。突破傳統開環控制無法自動優化，自動調整控制目標或控制參數的缺點。

2.2.3.2 電機與傳動技術

電機與傳動技術中包含永磁電機、多相電機、新型結構電機和聯軸器、齒輪傳動系統與軸承等關鍵技術，具體介紹如下：

(1) 永磁電機。永磁同步電機與普通交流變頻電機相比具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度，屬于環保低碳電機。但需要解決諸多關鍵技術，如基于多目標協同優化的永磁同步直驅系統集成技術，低噪高效、低速高轉矩永磁直驅電機的電磁特性和新結構，非線性耦合多階模型和參數實時辨識方法，高穩定性、低脈動的轉矩控制技術，以及相應的牽引變流器技術。目前永磁電機在國外得到良好應用，我國研制的永磁電機系統已經初步運用，且在科技部項目的支持下，已經生產出永磁電機高速列車，相關技術還在繼續研制過程中。

下一代高速列車也有可能會采用交直交技術，即應用多相永磁電機技術。由于多相永磁無刷直流電動機是功率密度最高的一種電機，是多臺三相電動機的集成，不僅提高了系統的可靠性，改善了電動機性能，削弱了換相轉矩波動，還提供多個三相系統間相互對稱，或不對稱的條件，以及多個三相系統的相電流不疊加的條件來減小蓄電池大電流放電。目前，多相電機隨著永磁電機的應用，也在不斷發展，5相甚至15相電機已經出現，在下一代高速列車中也可能應用此類電機技術。

另外，永磁電機最大的技術障礙是電機發熱，而過熱有可能會導致電機的永磁材料失磁。電力傳動技術中的永磁電機有時也會采用液態主動冷卻的方式。電機結構的創新，可以實現要求不高的自冷卻，當然，這必須基于直驅式永磁同步電機的機-電-熱-磁耦合作用機理及優化設計方法的突破。另外，永磁電機的永磁性能，必須要控制電機的振動問題，強烈的電機振動同樣導致失磁現象的發生。如何從電機結構設計的角度進行隔振設計避免振動，也需要選擇新型的結構裝配形式。但是對于未來的直驅技術，必須研究直驅式永磁同步電機復合式轉軸受輪軌振動的建模與理論分析方法，在結構上避免強烈振動的影響。

(2) 聯軸器。目前的高速列車從電機到齒輪箱，一般采用鼓形齒聯軸器，但是聯軸器的漏油、發熱、連接螺栓斷裂是經常發生的故障現象。為了解決這一技術難題，需要發展其他高速列車采用的柔性聯軸器，如無磨損的碟片式聯軸器。另外，為了根本上解決這個技術問題，考慮是否取消聯軸器，比如采用降低簧下質量的空心軸齒輪箱結構，可以滿足電機直接連接齒輪箱，省掉聯軸器，聯軸器的設計技術在下一代高速列車中也是一項關鍵技術。

(3) 齒輪傳動系統與軸承。齒輪傳動系統是高速列車關鍵部件之一。由于速度高、運營里程長等特點，對齒輪傳動系統安全性、可靠性的技術要求也越來越高。如何保障高速列車齒輪傳動系統高質量、高性能的安全運營尤為重要。齒輪傳動系統的狀態監測、狀態評估及壽命評估的智能化研究作為重大關鍵技術尤為迫切。齒輪傳動系統的監測系統主要是軸承的溫度監測，存在很大的局限性，很難全面準確反應系統的整體特性。由于智能化傳感器和測試技術的發展，使得集油溫、金屬含量及振動監測于一體的智能化傳感器成為可能。另外，齒輪箱的故障大部分是源于大小齒輪的軸承，軸承的選型和設計至關重要。由于齒輪箱服役載荷和振動情況復雜，下一代高速列車的軸承設計新技術的發展迫在眉睫。軸承設計需要從穩態設計向動態設計轉變，通過復雜轉子動力學建模掌握齒輪箱實際服役狀態下的狀態。另外，結合高速列車大系統耦合的動力學計算方法，通過理論仿真和實驗驗證，下一代高鐵的安全服役也迫切需要人們積極開展齒輪傳動系統與軸承的核心技術研究。

2.2.3.3 變壓器技術

為了提高電機輸出功率和電機質量的比值，需要著重解決傳統車載工頻牽引變壓器體積龐大、笨重等缺點。在下一代高速列車中，可以嘗試采用高速列車的車載新型變壓器技術。比如電力電子變壓器是有應用價值的新型變壓器技術?；谔蓟韫β誓K的發展，電力電子變壓器從小功率向大功率發展的進程會大大加快。從變壓器的工作原理看，提高工作頻率，可以減少變壓器的體積和質量，從而提高單位體積(或質量)下的傳輸功率。日本三菱公司已經做出大功率的碳化硅功率模塊，我國在電機小功率模塊方面雖然在近些年來也取得較大進展，但是要在下一代高速列車將電力電子變壓器應用到車上，成為下一代高速列車牽引傳動最大的標志性特征，還有一段艱巨的任務去做。為了解決傳統車載工頻牽引變壓器體積龐大、笨重等缺點問題，還需要研究適用于下一代高速列車的車載新型電力電子變壓器技術。

2.2.3.4 變流器技術

變流器技術的發展方向還是輕量化和大功率。主要目標是研究軌道交通用寬禁帶半導體晶體生長、微管缺陷、微米級高精度光刻等關鍵芯片設計、工藝技術；解決多種電壓等級器件的焊接、芯片低溫鍵合以及歐姆接觸等關鍵封裝及測試技術；研究苛刻應用環境下的驅動保護技術以及器件的串并聯技術；研究高開關頻率、高結溫應用技術，實現裝置小型化和高效率；建立系統及關鍵部件的可靠性評估模型，提高系統的可用性和可靠性；加載智能化的狀態監測與狀態評估也是下一代高速列車的發展方向。另外一個技術是直掛式牽引變流器技術，該技術可直接從接觸網取電驅動列車，這樣可將牽引變壓器的功能合二為一。這個技術更加先進，但還是要依賴碳化硅的工程化程度。

鬼子都打到龍游了，那蘭溪是不是早已失手？老三還能不能把報喪信送到志浩手上？甚至，志浩是不是早已為國捐軀都是件難說的事。雖說蘭溪離衢州不過六七十里地，趕船也就半天的腳程，但這兵荒馬亂的，即便志浩回來奔喪，沒個一天半截估計是到不了的。

2.2.3.5 列車運行管理與控制技術

隨著動力分散式高速列車的發展，輪軌黏著控制的壓力大大減少，研究的重點轉移到節能運控牽引技術，根據不同列車狀態(載客量)、線路特征、環境與氣候特征和列車運行圖要求的節能操縱技術?；谶@樣的節能操縱技術，下一步的可能設計目標，是實現高速列車的無人駕駛技術的研制。

2.2.3.6 制動控制技術

我國高速列車的空-電聯合制動模式，不僅因為制動副的摩擦磨損，引起維修成本的增加，而且因為機械制動無法對能量再利用，容易造成能源的浪費。因此，下一代高速列車一定會向全電制動與再生制動的方向發展。這需要解決低速時車輛運營速度的精確檢測，低速時牽引電機再生制動與反接制動優化匹配等基礎性技術。在牽引制動控制中，多數情況下強調全電制動。但是作為緊急制動，基礎制動必不可少?；A制動技術的發展，主要集中在制動材料的革命，比如新型的高速列車的制動盤材料采用碳-碳復合材，碳-陶復合材料等。這些新型材料因耐磨性好、摩擦系數高、摩擦穩定等優點而被逐步采用在新型高速列車的設計中。隨著這些材料的制備工藝突破、成本降低，下一代高速列車完全有機會廣泛應用。

2.2.4 材料與結構部分

目前，如何降低高速列車車輛結構的質量已經成為車輛技術研究的一項重要研究內容，尤其車體結構的輕量化設計不僅可以提高載客量，而且可以降低軸重，減少車輛整體結構對軌道的振動沖擊破壞和車輛能耗。輕量化的車輛結構可以通過幾個主要方式實現：其一是選擇輕量化的功能性結構部件和材料；其二通過多學科優化設計技術進行結構幾何特征的修改設計，滿足強度、剛度和振動頻率的綜合技術要求。這里以車體為例，作為旅客和設備主要承載的部件，車體技術的創新要在輕量化和安全等基本要素上不斷追求進步，要體現旅客對乘坐舒適度的要求。創新的建議是：多采用功能性的新材料和結構部件的多學科優化設計技術；基于輕量化設計的多目標安全設計技術(含碰撞性能、疲勞性能等)；增加載客能力新型結構與室內布置的設計技術等[22-23]。

(1) 輕量化材料的選擇

就材料選擇而言，在車輛結構的設計過程中，鋁合金夾層材料、碳纖維增強塑料(CFRP)以及其他復合材料等已經或正在逐步取代傳統的碳鋼材料。采用鋁鎂合金或者復合材料的車體結構，在結構整體性能上應該高于或等于現行的鋁合金材料的車體結構。近幾年來，德國學者在研制下一代高速列車的過程中也提出了利用集成化設計技術，在車輛結構的概念設計階段采用拓撲化的結構優化設計技術。在其他的設計案例中，正采用多功能材料逐步取代部分車輛結構的傳統材料。比如通過采用泡沫鋁或其他多孔材料作為車體結構的減振吸能和防碰撞材料。鎂合金的材料由于其低密度(2/3的鋁合金密度)和高強度性能也開始逐步在高鐵車輛中得到應用。鎂合金具有密度小，比強度、比剛度高，減振性能好，可加工，可循環再利用等突出優點，特別是其比強度和比剛度高，優于鋁合金和鋼，其作為重要的工程材料應用于高速列車不僅己是指日可待，而且也是高速軌道交通裝備制造技術未來發展的必然趨勢。碳纖維(Carbon Fiber)是指有機纖維經碳化和石墨化處理后得到的一種微晶石墨材料，其組成為高分子碳纖維，含碳量高達90%以上，是一種力學性能非常優異的新型材料。隨著軌道交通運輸行業對軌道客車的安全性、舒適性、綠色節能性提出了新的要求，碳纖維復合材料作為一種新型替代材料逐漸引起了世界各國的重視。碳纖維復合材料既可以應用于列車內飾、受電弓和設備艙等非承載、次承載部件，又可以應用于車體、轉向架這類主承載部件。碳纖維作為一種性能優異的替代材料，在高速列車上已經得到一些應用。

車體是高速列車結構部件的重要組成部分，為了進一步減輕車體的質量，采用新復合材料替代原有的鋁合金材料是必然發展趨勢。比如法國采用復合材料生產了雙層TGV掛車樣車并進行試驗，對耐火性、抗沖擊強度等因數進行測試[3]。測試結果表明，復合材料車體在振動性能和絕熱防火性能等方面具有突出的優點，提高了乘客乘車的舒適性。辛德勒客車公司用碳纖維纏繞的方法制成輕型列車車體，生產的樣車在鐵路線上進行運行試驗，速度可達140 km/h，且滿足強度和剛度的要求，達到了預期效果。韓國在2010年投入運營的TTX列車，車體外殼也是采用碳纖維復合材料蒙皮和鋁夾芯結構，這樣的設計使車體質量降低了40%，運行試驗過程中沒有出現明顯的安全問題，各項性能指標滿足設計要求。

高速列車的車體結構設計過程中普遍采用三明治結構的中空鋁合金型材，由于不是等強度和等剛度結構，車體底架中間位置的強度和剛度相對較低。能否采用等強度和等剛度概念的設計方式，保證車體結構的受力均衡，也可能是下一代高速列車選擇的一項設計目標。以德國在下一代高速列車集成設計為例，研究人員提出一種新的雙層高速列車設計理念。在車體結構設計上研究人員既考慮了動車的邊界條件，也考慮了車體內的動力配置。在這一結構條件下，充分利用理論上最優的可用設計空間。與傳統車體結構相比，跨距縮小，并在二系懸掛處產生與撓度成反比的力矩。這種設計理念根本上降低了列車質量，提高了車體結構的設計剛度，由于允許的最大軸重限制在其對走行部設計技術也提出了非常嚴格的技術要求。此外，加速、平穩運行和制動必需的節能等問題，以及安全減排環保和輕量化設計等因素，需要考慮采用多功能材料的設計原則，將各種材料使用在能夠發揮它最大潛力的地方。為了實現較低的結構質量，總體采用玻璃纖維增強板材(GFK)和三明治填充結構及其他輕金屬結構，同時大量采用碳纖維復合材料(CFK)筋板。此模塊化設計可以由復合纖維輕結構與帶有填充層的桁架結構組成，將車體分為不同功能的設計段。這種多功能材料的設計概念和新型筋板結構可以比目前結構質量降低30%。與此同時，車體結構盡可能地進行功能集成，以便最大限度地利用凈空限定的內部空間。在下一代動車設計過程中大量采取了集成化和模塊化設計技術的新型結構模式，見圖11[24]。

3 我國下一代高速列車設計技術的展望

根據下一代高速列車結構集成設計技術的調研和關鍵技術研究，說明研究我國未來高速列車的關鍵技術已經十分迫切而且必要，比如新型輕量化減振降噪材料的制備與應用技術的研制可以滿足車內低噪聲與低振動要求。利用面向廣域服役環境，復雜載荷工況，大型復雜結構的綠色、智能、高效的先進材料制備技術，可以為下一代高速列車提供更加可靠的安全保障[4,25-31]。

另外，降低能耗是研制下一代高速列車的重要技術指標之一，如何降低能耗是下一代高速列車設計需要重點關注的內容。實際上，降低能耗的需求體現在高速列車的生態設計和綠色設計的各個方面，比如列車氣動外形的優化設計可以降低空氣阻力、降低能耗；牽引制動系統的優化控制可以高效節省能源消耗；智能化的結構與材料設計技術等。也就是說，下一代高速列車能耗的降低不僅是牽引制動控制最優控制策略模式的選擇，也包括關鍵結構部件的外形優化設計和結構輕量化設計，新型智能化材料的選擇，智能運營與維護管理等，這就需要重點研究高速列車的最佳牽引制動的管理方式。包括研制未來列車的混合動力系統模型以滿足高速列車的新特性，如高速和節能的要求。列車能量效率的控制策略和再生制動方式的選擇，最佳牽引控制方式更是一種非線性系統的優化問題。列車在加速或上坡時會消耗能量，空氣阻力，輪軌阻力和舒適性需求，同樣需要消耗能量。如何通過再生制動方式的研究，再生和回收列車消耗的能量輸入以加速列車，可以極大地降低能耗[32]。下一代高速列車的關鍵技術，包含內容豐富，這里僅僅討論主要技術的具體特點。

3.1 互聯互通性的下一代高速列車設計技術平臺的建設

基于多目標、多學科的高速列車優化設計環境，探索研究下一代高速列車車體結構的研發與設計技術。這種技術主要基于已有的中國標準動車組相關技術，參考和學習歐洲與日本等國家的設計標準的最新技術要求，最終豐富和完善中國動車組設計標準，完成互聯互通性的下一代高速列車設計技術平臺的建設。

3.2 關鍵設計技術的創新和突破

3.2.1 關鍵技術研究

牽引技術包括受電弓技術，電機技術，變流變壓技術，電力電子和電傳動技術，列車控制與管理系統等；轉向架技術與動力學控制技術；車體技術-新材料新工藝設計技術；制動技術；通信網絡技術；智能監控技術等。這里以主動安全控制技術的應用為例簡單說明，這也是列車控制與管理系統中必須要重點考慮的技術難題，其核心內容是指列車和車輛在高速行駛狀態下操縱穩定性、制動穩定性、適應環境狀況和天氣變化等動態未知變化的能力。在下一代高速列車的研制過程中，僅僅依靠提高高速鐵路的被動安全性，不能高效地提高高速鐵路的可靠性。研究與被動安全相結合的主動安全方法顯得尤為重要。對高速鐵路中的主動安全控制系統建模分析，是列車安全運行的關鍵技術和方法，進一步通過經驗預測性分析、主動防御等，最終達到高速列車的主動安全控制。

3.2.2 關鍵結構部件的設計技術

前面介紹了轉向架部分關鍵設計技術，這里以車體設計為例簡單說明。就車體而言，提高列車綜合舒適度，建立高速列車車體結構設計的多學科優化設計技術。突破下一代高強、高韌、輕量化、變截面、變曲率、大斷面中空型材輕合金車體結構關鍵技術，實現車內環境綜合舒適度提升。采用全景式高速列車車體結構設計技術，最大限度利用最優設計空間，以安全、輕量化和節能降噪降耗，通過最優空間設計和能量傳輸理論、多功能材料設計概念，實現關鍵結構設計技術的提升，具體細節體現在等強度、等剛度結構；(型材)變截面；多功能材料設計(鋁鎂合金、碳纖維)；綜合舒適度；流線型(車體和轉向架)；3D打印技術。研究變截面、變剛度、等強度等新材料、新工藝，開展碳纖維、復合材料及輕合金應用于構架部件的技術研究，從根本上提高結構輕量化的水平。解決新型車體結構的輕量化設計、抗疲勞設計、先進設計與制造技術、耐碰撞技術、減振降噪、防寒防火阻燃技術等方面的一系列研究。另外，車體結構的設計還需要解決在服役環境下的聲振耦合、剛柔耦合、流固耦合、熱固耦合、傳聲和聲輻射、碰撞安全性等關鍵科學問題。

空氣動力學性能的優化設計也是高速列車結構部件外形設計的關鍵技術之一，其中包括了車體、轉向架以及受電弓等關鍵部件的氣動性能優化設計技術。比如通過優化車頭的形狀，減少運行空氣阻力和氣動噪聲；考慮列車進出隧道、會車以及橫風作用下的列車安全性與穩定性；優化列車壓差變化的不利影響(微氣壓以及列車前端與尾端的壓力的分布變化)；降低氣動噪聲，改善車體與周圍環境的空氣動力學影響等。為了抑制列車在進出隧道中的舒適度下降和振動加劇的問題，需要重點考慮列車頭部和列車截面外形的優化設計，以減少空氣作用力的作用。

3.2.3 列車智能化技術

智能化技術的特征體現，應該從以下幾點考慮：

(1) 全息化感知。充分利用車對地、地對車和車對車檢測手段，構建新型的檢測體系，以實現高速列車全息化的狀態感知功能。當然，這并不需要太多的車輛狀態感知傳感器，而是利用大數據、智能化、優化的傳感器布置技術，獲得列車安全運行所需要的車輛狀態測試數據。

(2) 定量化評估?；谲囕v結構的健康狀態評估，必須做到定量化，否則就無法針對狀態進行有效的運行、維護決策。定量化評估需要針對結構健康狀態進行正確評估，比如針對結構主要故障的準確定位，最重要的還是安全性的評判?？紤]到線路、環境狀態的高速列車運行安全性的影響，需應用高速列車耦合大系統動力學理論進行健康與安全評估。

(3) 健康化管理。智能化技術的另外一個重要功能就是支撐有效的車輛運營和維護，尤其基于狀態感知系統和狀態辨識與評估系統，更加需要對車輛的結構健康狀態，特別是剩余壽命實現準確判斷。結合高速列車的運行歷程，需要建立非狀態檢測的車輛結構的剩余壽命模型，實現高速列車的狀態修，也就是基于狀態評估和剩余壽命預測的動態計劃修，實現能力保持下的經濟性維修。

(4) 安全評估技術。在下一代高速列車設計時，需要重點考慮高速列車主動安全防護能力，包括先進的高速列車的感知技術與安全評估技術的研究。在全面感知高速列車狀態的基礎上，明確列車系統所有構成與安全相關的要素之間的互動關系，探明系統在行為異常、失效、故障、事故和安全事故等情況下狀態演化規律，進而構建車輛系統的全局安全作用關系網絡模型。在此基礎上，安全評估技術還需要實現系統安全狀態空間劃分，并形成系統安全綜合評價指標體系，實現系統全局安全狀態的量化表達，滿足對車輛系統安全評估的廣度、精度、效率、可靠性和綜合性的要求，見圖12。

3.2.4 大數據架構下的智能化評估技術

下一代高速列車還需要構建基于云計算分布式架構的智能決策的框架體系，具體包括：深度學習的系統安全狀態跨模態融合模型；離線、在線聯合的車輛系統安全隱患數據挖掘技術；基于知識、數據深度結合的系統風險預測與事故致因推理方法等。這樣可以逐步形成下一代高速鐵路大數據平臺下的安全智能評估決策系統，滿足下一代高速列車更豐富的感知、故障診斷、評估預警和維修決策的先進技術要求。大數據無線網絡技術見圖13。

3.2.5 關鍵設備狀態運營維護優化

大數據架構下的智能化維修決策技術：將車輛系統全局安全感知信息、歷史檢測數據、歷史維修數據等海量信息數據與維修決策支持系統聯合起來，形成一個智能化的維修決策支持系統，使維修決策軟件化。這種基于大數據的狀態信息對下一代高速列車的運營維護進行優化的方案有著十分重要的意義。維修決策方案見圖14。

4 結論

研制具有中國標準的下一代高速列車技術，需要站在國際高鐵技術的最前沿，學習和借鑒國內外不同領域的最新設計成果，在實現下一代高速列車設計平臺建設的總目標下，不斷建立與完善具體的下一代高速列車核心技術的實施細節。下一代高速列車的設計技術，不僅需要體現總體設計理念的革命性創新，突破傳統設計概念上的材料、形狀與結構的變革與創新，更要體現在智能化和運營維護及結構健康監控技術。關鍵技術應該包括走行部懸掛控制技術；列車系統的主動安全控制技術；大數據、互聯網和人工智能技術的綜合應用。下一代高速列車應該能夠有效地提高列車的預測、健康、管理(PHM)、狀態維修與智能維修等綜合水平，充分利用復雜系統集成設計和多學科優化設計技術，實現下一代高速列車的總體設計指標的足夠先進性。簡而言之，下一代的高速列車關鍵技術應該體現在如下這幾個方面。

(1) 結構創新

下一代高速列車應該在總體設計的理念，在總體結構設計上一定要有創新，建立與完善新一代的高速列車設計平臺。就車輛而言，必須要保證下一代高速列車在結構可靠性、系統安全性、維修經濟性和性能指標等方面得到明顯提升，量化改善目標應該達到30%以上。結構的創新更多反映在牽引傳動與制動技術、轉向架(走行部)、車體結構和關鍵結構部件上，通過結構設計上的創新，有效降低輪軌作用力，提高載客量的同時改善綜合性能指標等。

(2) 材料創新

材料創新性是下一代高速列車的車輛結構設計的一個重要環節，比如下一代車體具有的高耐寒、高耐雪特性。材料的應用上，不僅包括關鍵結構部件采用的常規材料(各種板梁結構，夾層材料等)、隔振材料(蜂窩板，泡沫鋁等)、隔熱保溫阻燃材料、碳纖維材料、高分子材料和其他類型的復合材料等。在車輛結構上將更多采用多功能材料和智能材料等。這就需要研制更多的新材料、新結構和新工藝在軌道車輛的應用，包括一些材料的可回收再利用。隨著鎂合金、碳纖維等材料的逐漸成熟，為走行部及車體的輕量化提供了良好的基礎條件；碳化硅材料的成功應用，可以給牽引系統的大功率和小型化、輕量化帶來可能；碳-碳、碳-陶復合材料的應用，也為制動系統輕量化及高可靠性帶來希望；無磨耗、長壽命與魯棒性的高分子材料發展，也使得車輛結構的懸掛元件(比如橡膠彈簧，轉向架的轉臂的橡膠節點)有了多樣化的選擇。

(3) 控制技術創新

下一代高速列車的一個核心思想就是要使車輛對線路有更好適應性，特別是對線路不平順有更好的適應性。這就需要提高列車與線路友好性，降低線路的建造與維護等級，提高系統的經濟性。懸掛系統的主動控制技術(包括半自動與自適應)有望在下一代高速列車中得到應用，通過先進的控制技術的應用，來極大提升車輛性能和車輛對線路的適應性。

(4) 互聯網、大數據、智能運營維護與結構健康監控的技術創新

下一代高速列車的一個重要特點主要體現在：智能化、網絡化、數字化和信息化技術的集成創新。通過智能化可以實現對車輛狀態的感知與安全評估。通過物聯網、大數據、人工智能等新技術，優化列車網絡控制系統和信息管理系統?；诮Y構健康監控可以滿足列車的服役狀態管理及智能運營維護；通過先進的車輛狀態修的科學管理體系，實現車輛狀態與運營能力的保持，有效減少維修作業，降低維修成本。另外，還需要研制其他相關的車輛結構健康監控的前沿技術，比如車輛結構關鍵部件的載荷識別與裂紋跟蹤系統的研制；提高抗地震安全性的“地震制動”功能，配備車載地震預警系統、緊急停車系統和防脫軌系統，以保證列車在地震時能夠有更短的列車制動距離； “轉向架振動檢測系統”和“車輛數據分析中心”的研制等。通過車輛主動與半主動控制技術降低車輛振動與噪聲，利用新技術抑制主要結構部件的噪聲影響等。

總之，為了保證下一代高速列車的先進性，需要采取各個研究領域的最新技術，綜合改善車輛的集成設計技術和總體設計技術，以保證車輛結構的綜合最優性能。