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20世紀50—60年代, 隨著汽車和飛機制造業(yè)的迅速發(fā)展, 公路和航空運輸打破了鐵路長期以來的壟斷地位, 一些國家的鐵路出現(xiàn)了短途運輸被轎車排擠, 長途客運受航空威脅, 貨物運輸由大型集裝箱卡車取代的被動局面。尤其是旅客運輸, 由于社會生活節(jié)奏的加快, 人們的時間價值觀念進一步增強, 對縮短旅行時間的要求更為迫切, 而傳統(tǒng)鐵路火車運行速度長期在60～70 km/h徘徊, 已越來越不能適應(yīng)市場需求。

計算機技術(shù)、信息技術(shù)、機電和自動控制技術(shù)、現(xiàn)代施工技術(shù)及新材料、新工藝等一系列高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展, 使列車實現(xiàn)高速運行成為可能。1964年日本建成東海道新干線, 首次開行時速210 km的高速列車, 為鐵路的發(fā)展注入了新的活力。與此同時, 由于能源危機、環(huán)境污染、交通堵塞、車禍及空難等社會性問題日益嚴重, 促使許多國家的政府重新審視和修訂交通運輸發(fā)展戰(zhàn)略, 鐵路作為最省能源的運輸方式再次受到關(guān)注。

在這樣的歷史背景下, 高速鐵路應(yīng)運而生, 先后在日本和法國投入運營, 德國也急起直追, 著手進行高速鐵路試驗。1981年法國高速列車最高運行速度達到270 km/h, 1988年德國最高試驗速度為406.9 km/h, 1990年法國又創(chuàng)造了515.3 km/h的世界紀錄。高速鐵路所展現(xiàn)的速度高、運能大、安全好、占地少、造價低、能源省、污染輕及經(jīng)濟效益好等優(yōu)勢, 普遍受到世界各國青睞, 90年代以來, 在全世界掀起了建設(shè)高速鐵路的熱潮。

高速鐵路一般指運行速度達到200 km/h以上的鐵路, 是由適于高速運行的基礎(chǔ)設(shè)施、固定設(shè)備、移動設(shè)備、完善的科學的安全保障系統(tǒng)和運輸組織方法有機結(jié)合起來的龐大的系統(tǒng)工程, 是當代高新技術(shù)的綜合集成。

高速鐵路按列車的支承和推進原理可分為輪軌式和磁浮式;按建造和運營方式, 輪軌式可分為新建客運專線、新建客貨共線和既有線改造提速三種類型;輪軌高速列車按動力分布和驅(qū)動設(shè)備的設(shè)置可分為動力分散式和動力集中式, 按轉(zhuǎn)向架布置和車輛間連接方式可分為獨立式和鉸接式;以上各種類型又有單層和雙層列車之分;磁浮列車按懸浮機理可分為電磁式和電動式, 按材料可分為常導(dǎo)型和超導(dǎo)型。本文以下所談及的高速鐵路均指輪軌式。

高速鐵路與高速公路和航空運輸相比, 其技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢主要表面在以下幾方面:

1. 速度快

目前高速列車最高運行時速為300 km, 預(yù)計2001～2004年間, 最高時速為320～350 km的高速列車將相繼投入運營。與高速公路最高時速120 km的小汽車和經(jīng)濟巡航時速500 km的國內(nèi)客機相比, 考慮門到門運輸, 高速鐵路的優(yōu)勢運距在100～1 500 km范圍, 如果再考慮到安全、舒適、可利用夜間乘車時間睡眠等因素, 則高速鐵路在1 500～2 000 km運距內(nèi)同樣具有競爭力。

2. 運輸能力大

高速列車行車間隔約為4 min, 行車密度可達到15列/h, 列車最大載客量可達1 300人/列, 每日單向輸送旅客可達20余萬人。以日本東海道新干線為例, 其年運量達到1.3億人次以上。這是高速公路和航空等現(xiàn)代交通運輸方式不可比的。

3. 安全性好

高速鐵路自投入運營以來, 除德國1998年6月3日發(fā)生的事故外, 從未發(fā)生乘客傷亡事故, 其中日本新干線投入運營已有35年, 安全運送旅客達60億人次;而旅客飛機空難事件卻時有發(fā)生, 全球公路交通事故每年死亡人數(shù)約為25～30萬, 相比之下, 高速鐵路是當今最安全的現(xiàn)代高速交通運輸方式。

4. 乘坐舒適

高速列車設(shè)施先進, 運行平穩(wěn), 舒適性好, 車廂內(nèi)的個人活動空間大大優(yōu)于飛機和汽車, 乘坐過日、法、德高速列車的人無不稱道。

5. 運行正點, 全天候

高速鐵路是最穩(wěn)定的運輸系統(tǒng), 運行正點率高, 日本新干線平均晚點時間只有0.3 min, 西班牙AVE高速列車承諾, 晚點5 min即可退回全部票款。高速列車是全天候運行, 一般不受惡劣氣候條件的影響。

6. 與既有線兼容

高速鐵路與傳統(tǒng)鐵路網(wǎng)絡(luò)具有良好的兼容性, 高速列車可下到既有線行駛, 既有線車輛也可進入高速線運行。法國新建高速線路僅1 280 km, 而TGV列車服務(wù)網(wǎng)達到5 700 km;德國新建高速線路僅600 km左右, 而ICE列車服務(wù)線路已延長到4 000 km以上。這是高速鐵路經(jīng)濟效益良好, 得以蓬勃發(fā)展的重要原因之一。

7.占地少, 工程造價低

按完成單位換算周轉(zhuǎn)量占用的土地計算, 國外公路一般為鐵路的5～10倍;一條高速鐵路的用地寬度約為一條四車道高速公路的1/3, 而一條高速鐵路完成的運量至少相當于一條八車道高速公路。

線路的工程造價較低。以法國為例, 高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施造價比四車道高速公路低約17 %, TGV列車每座席造價約為短途飛機每座席造價的10 %。

8. 能耗少

高速列車每人·公里能耗約為汽車、飛機能耗的1/5。由于高速列車是采用電力牽引, 與消耗石油的飛機、汽車相比, 更顯示出節(jié)約資源的優(yōu)勢。

9. 環(huán)境污染輕

高速列車對城市和環(huán)境幾乎不造成污染, 排放的有害氣體遠小于其他交通工具, 以主要有害物CO₂為例, 日本高速列車、小汽車和飛機平均每座席公里排放量比例為1∶7.96∶5.39, 治理污染的費用為1∶5.2∶4。

10.社會經(jīng)濟效益好

高速鐵路實現(xiàn)了大量、快速、高密度的旅客運輸, 可大大縮短旅行時間, 加速沿線經(jīng)濟發(fā)展, 增加就業(yè)機會, 同時由于在安全、環(huán)保、節(jié)能等方面的優(yōu)勢而使外部運輸成本降低, 因而具有顯著的社會經(jīng)濟效益。

早期的高速鐵路雖然是在傳統(tǒng)鐵路基礎(chǔ)上, 運用了當時的電子、信息等新技術(shù)的成果, 但是, 作為一種新型交通系統(tǒng), 它已經(jīng)突破了傳統(tǒng)鐵路的概念。其主要特點表現(xiàn)在：首先, 它的各組成部份都體現(xiàn)著高新技術(shù)成果的應(yīng)用并隨著新技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展;其次, 它從設(shè)計開始, 就把線路、橋梁、列車、通信、信號以及運輸組織等系統(tǒng)納入一個整體運輸系統(tǒng)之中。高速鐵路運輸系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)的設(shè)備, 由于采用了最新科技成就, 保障了安全可靠的良好工作狀態(tài);在運行管理過程中, 先進的智能管理系統(tǒng)可避免依靠人操作而產(chǎn)生的任何可能的差錯或延誤。所以高新技術(shù)的綜合集成, 實現(xiàn)了高速鐵路的高速度、高密度、高正點率、高安全性、高舒適度、高服務(wù)質(zhì)量和高社會經(jīng)濟效益的運營特征。保證這些運營特征的諸多關(guān)鍵技術(shù)分別包含于高速鐵路工程的基礎(chǔ)設(shè)施, 牽引動力及車輛, 運輸指揮信息與控制, 以及安全監(jiān)測保障系統(tǒng)之中。

（一）高速行車的基礎(chǔ)——高速鐵路線路

長達幾百米的高速列車, 必須在一條高度平順的線路上行駛, 才能順利、安全地通過并保證旅客乘坐的平穩(wěn)舒適。但是, 由于地勢的起伏不平和途徑的復(fù)雜多變, 由兩條鋼軌構(gòu)成的“路面”勢必形成一個連續(xù)變化的空間曲面。作為軌道的基礎(chǔ), 路堤、橋梁、隧道和站場交替相連。因此, 高速鐵路的線路不但線形的平縱斷面要求比傳統(tǒng)鐵路具有特別平緩變化的設(shè)計, 而且當多輛編組的列車高速通過時, 由不同基礎(chǔ)設(shè)施連成的軌道線路不會產(chǎn)生危及安全和影響舒適的運動學和動力學響應(yīng), 并且要求線路的平順狀態(tài)在高密度行車的條件下, 得以長期保持, 也就是要求線路具有高穩(wěn)定性。建設(shè)這樣高要求的高速線路, 必須開發(fā)和采用一系列技術(shù), 比如:

1. 路基建設(shè)新技術(shù)

剛度均勻、沉降小而且均勻、穩(wěn)定性高的路基是高速鐵路軌道保持高平順性的基礎(chǔ)。高速鐵路的路基建設(shè)主要包括控制路基工后沉降技術(shù)、基床和路橋過渡段設(shè)計與施工技術(shù)。高速鐵路路基的工后沉降要求在竣工后15～20年內(nèi)總和不大于10 cm (遠小于高速公路一般地段的30 cm) , 橋臺臺尾過渡段路基工后沉降量不大于5 cm。由于土壤的性質(zhì)復(fù)雜多變, 該項新技術(shù)要求對每一工點的地質(zhì)成因, 土層及土壤的性質(zhì)有詳細研究資料, 并在施工過程中設(shè)置沉降觀測裝置, 根據(jù)觀測數(shù)據(jù)進行二次設(shè)計, 指導(dǎo)施工。對于軟土路基, 還必須采用特殊的物理、化學處理技術(shù)和施工方法。

路基基床及其表層的厚度、結(jié)構(gòu)形式、材料以及壓實標準, 與地基條件和列車動力響應(yīng)有關(guān), 它的設(shè)計既要控制頂面變形又要保持一定的強度以承受列車動應(yīng)力。

剛度平緩漸變的路橋過渡段技術(shù)是面對路基、橋梁和隧道的材料、強度、剛度、變形等差異巨大的情況下, 為保證過渡不產(chǎn)生過大的變形差異并導(dǎo)致線路軌面不平順而采用的一些特殊技術(shù)措施。

路基的工后不均勻沉降和初始不平順問題是國外高速鐵路實踐后較晚時期才認識到的新問題, 也是常規(guī)鐵路未予以重視或嚴格規(guī)定的問題。由于土壤物理、力學、化學性質(zhì)的復(fù)雜多變性, 沒有一個理論模型可以全面地量化, 一個地區(qū)的成功經(jīng)驗又不一定適用于另一地區(qū)。因此, 高速鐵路的路基技術(shù)必須配合先進的檢測儀器和施工設(shè)備, 在實踐和試驗中積累經(jīng)驗, 不斷完善。

2. 高精度的軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)

高速鐵路的軌道結(jié)構(gòu)是軌道平順性的基本保證。高精度、高穩(wěn)定性的軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)除了道床結(jié)構(gòu)和道碴材質(zhì)的設(shè)計和大號碼道岔的選型之外, 主要是一次鋪成跨區(qū)間無縫線路技術(shù)及高精度高質(zhì)量的鋼軌冶煉、軋制、冷卻與校直技術(shù)。

高速鐵路鋼軌與普通鐵路鋼軌的重要差別就在于外形尺寸的精確度和內(nèi)部化學成分的純凈度大不相同。我國目前尚不能生產(chǎn)高速鐵路鋼軌。我國標準規(guī)定鋼軌的垂直向上和水平平直度公差為≤0.8 mm/1 m, 而法國TGV規(guī)定的相應(yīng)限值分別為≤0.4 mm/2 m和≤0.5 mm/2 m;鋼軌表面熱傷, 我國目前標準為≤1.0 mm, 法國TGV為≤0.35 mm;焊接接頭幾何尺寸公差, 我國為±0.5 mm/1m, 而TGV為mm/1m等。經(jīng)分析, 我國必須在提高冶煉技術(shù)的同時, 引進先進設(shè)備和技術(shù), 如鐵水預(yù)處理、堿性氧氣轉(zhuǎn)爐或電弧冶煉、爐外精煉、真空脫氣、連鑄、高壓水除磷以及萬能法軋制、立臥復(fù)合矯直, 壓力機補矯等, 才能逐步滿足需要。

3. 控制軌道鋪設(shè)精度, 保障軌道高平順的管理技術(shù)

高速鐵路有碴軌道的鋪設(shè)精度在10 m管理波長內(nèi), 高低、軌向、水平幅值為2 mm;軌距幅值為±2 mm;2.5 m長度內(nèi)的扭曲值為1.5 mm。要保證這樣高的軌道鋪設(shè)精度, 除必須采用高精度鋼軌, 達到允許的焊接公差外, 在開通前, 還須經(jīng)過風鋼軌打磨車數(shù)次全線打磨;線路投入運營后, 還需要配備一整套作業(yè)精度高的大型養(yǎng)路機械和現(xiàn)代化的軌道檢測設(shè)備, 建立一套軌道不平順檢測、評定、維修的科學管理系統(tǒng)。

4. 適應(yīng)高速列車動力作用的橋梁

雖然高速列車質(zhì)量比普通鐵路列車小, 但當列車高速通過橋梁時, 車/橋相互作用將產(chǎn)生動力響應(yīng), 橋梁的設(shè)計應(yīng)采用與普通鐵路橋梁以活載計算強度不同的設(shè)計思想和計算方法。高速鐵路橋梁必須保證在高速列車作用下不致出現(xiàn)過大的動撓度, 造成結(jié)構(gòu)物承受很大的沖擊力, 甚至影響乘客舒適度及行車安全。此外還應(yīng)充分考慮溫度變化、行車制動等引起的結(jié)構(gòu)物較大的縱向位移。

（二）高速行車的核心——高速列車

高速列車必須具有大的牽引功率和相應(yīng)大的制動功率;為了節(jié)省能源和減小對鋼軌的動力破壞作用, 還必須減小列車所受的空氣阻力和列車自身的質(zhì)量;在高速運行下的列車“輪/軌”之間和受電弓與供電接觸網(wǎng)之間都會出現(xiàn)特有的動力學問題, 為保證列車運行安全, 必須研究和設(shè)計新型的列車走行部——轉(zhuǎn)向架和新型的接觸網(wǎng)和受電弓;由于高速下的空氣動力學性能, 旅客車廂必須高度密封, 同時必須保證乘坐環(huán)境舒適;高速列車車輛的環(huán)控 (空氣調(diào)節(jié)和氣壓調(diào)節(jié)) 、衛(wèi)生條件、通信服務(wù)條件等都必須采用民航飛機的全套裝備和技術(shù);此外, 高速列車還必須采用先進的自動控制、故障診斷和信息傳輸系統(tǒng), 以保證列車在無人工操縱下安全、可靠地運行。這些都是普通鐵路列車所未曾采用過的現(xiàn)代高新技術(shù)的應(yīng)用和集成。

1.交-直-交牽引動力技術(shù)

傳統(tǒng)的直流牽引電機, 因其單位功率的質(zhì)量、體積大, 成為高速列車牽引電機發(fā)展的障礙。現(xiàn)已采用交流電機牽引、逆變器供電、變頻變壓控制調(diào)速的列車電傳動系統(tǒng), 簡稱交-直-交牽引動力系統(tǒng)。它由交流電機, 交-直-交變流技術(shù)和傳動控制技術(shù)組成, 是電力電子器件、變流技術(shù), 控制技術(shù)及計算機技術(shù)發(fā)展的反映。

每千瓦質(zhì)量僅1 kg左右的交流異步牽引電機, 以其體積小、質(zhì)量輕、無維修以及高絕緣強度、高溫升等級和先進的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制等新的控制技術(shù), 使得高速列車的牽引電機成為集中反映新材料、新工藝和新控制技術(shù)的新型電機產(chǎn)品。

大功率電子元件是變流技術(shù)的支柱, 由于元件的發(fā)展, 目前已大量采用開關(guān)頻率高 (2kHz) 、損耗小、周圍電路和冷卻裝置體積小、質(zhì)量輕的IGBT (門極雙極晶體管) 及其智能化模塊替代GTO (門極關(guān)斷晶閘管) 。IGBT的進一步發(fā)展是IPM元件。近一兩年才研制的元件IGCT又以其電壓高、容量大、損耗低、開關(guān)速度快、所需部件數(shù)量少等優(yōu)勢, 可用它設(shè)計出低成本、高可靠性和高效率、結(jié)構(gòu)緊湊的逆變器。

交-直-交傳動控制技術(shù)主要包括網(wǎng)側(cè)變流器控制和電機側(cè)逆變器控制兩部份, 前者采用四象限變流器雙閉環(huán)控制, 將單相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的直流電, 作為牽引逆變器電源, 并可迅速、平滑、無接點地實現(xiàn)牽引與再生制動的轉(zhuǎn)換;后者由可調(diào)頻調(diào)壓三相交流電生成控制 (采用PMW方法) 和交流異步電機調(diào)速控制組成。

2.復(fù)合制動系統(tǒng)

高速列車運行中必要時能停得住, 必須采用能提供強大制動力, 同時能消耗大量功率的多種方式構(gòu)成的復(fù)合制動系統(tǒng)。它主要由空氣制動、動力制動、非粘著制動、防滑裝置和控制系統(tǒng)組成, 而傳統(tǒng)的列車只有動力制動和空氣制動。

磁軌制動或軌道渦流制動是非粘著制動的一種, 是用以彌補粘著制動之不足的必要的輔助制動裝置。高速列車制動的關(guān)鍵技術(shù)是由控制系統(tǒng)和各種制動方式構(gòu)成的智能控制復(fù)合制動的系統(tǒng)性及其合理設(shè)計。

3.航空技術(shù)的應(yīng)用

與普通鐵路機車車輛不同, 高速列車要求減輕質(zhì)量, 避開或減小空氣動力的影響, 提高旅客乘坐環(huán)境的舒適性。這些都與民航飛機的技術(shù)要求基本一致, 因此，高速列車必然會大量借鑒或采用先進的航空技術(shù)。

減輕車體結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向架乃至車內(nèi)設(shè)備的質(zhì)量, 其辦法是一方面應(yīng)用可靠性及有限壽命設(shè)計理論, 采用大型有限元通用分析軟件對零部件和機構(gòu)進行精確計算分析;另一方面是大量采用鋁合金、復(fù)合材料及各種輕型結(jié)構(gòu), 如飛機所采用的鋁合金擠壓型材、蜂窩結(jié)構(gòu)等。

氣動特性設(shè)計包括列車頭型、斷面外形和列車表面整體形狀的良好氣動性能, 以減小列車的空氣阻力和氣動噪聲;車廂采用密封和車內(nèi)氣壓調(diào)節(jié)設(shè)計, 以消除高速列車進出隧道或會車時氣壓波對乘客造成的不適感覺。在密封、高速運行條件下, 車廂內(nèi)的空調(diào)、供水、排污、噪聲、振動乃至照明、座椅、活動空間等環(huán)境條件都應(yīng)該借鑒大型客機的相關(guān)技術(shù)。

4.高速列車轉(zhuǎn)向架與高速受流技術(shù)

高速列車轉(zhuǎn)向架除必須減輕質(zhì)量, 特別是簧下部分質(zhì)量外, 由于輪軌之間的固有關(guān)系, 在直線高速運行時會產(chǎn)生“蛇行”運動, 在一定條件下, 這種運動可能失去穩(wěn)定, 導(dǎo)致嚴重后果。為了兼顧直線運動穩(wěn)定性和曲線通過性能以及振動性能, 在轉(zhuǎn)向架的懸掛參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)實現(xiàn)方面, 正在發(fā)展采用有源控制技術(shù), 改善轉(zhuǎn)向架的動力學性能。

接觸網(wǎng)/受電弓組成的列車受流系統(tǒng)是一個有帶電摩擦副的非線性動力學系統(tǒng)。為了保證在高速下的受流性能穩(wěn)定, 該系統(tǒng)在空氣動力作用下的動態(tài)特性是一個十分雜復(fù)的動力學問題。該項技術(shù)目前尚需要引進。

5.列車控制及診斷系統(tǒng)

高速列車必須具備一套完善的控制與診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)集現(xiàn)代計算機信息傳輸、存儲與處理技術(shù)、智能控制技術(shù)、傳感技術(shù)及執(zhí)行裝置于一體, 保障列車的各部份處于最佳工作狀態(tài)并相互協(xié)調(diào), 實現(xiàn)安全、正點運行。當運行中出現(xiàn)故障時, 該系統(tǒng)可確定故障位置并提出應(yīng)急處理方案, 必要時通知地面指揮中心和維護部門采取措施。

列車控制、診斷系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。該系統(tǒng)是一個包括超速防護、牽引/制動控制和車輛控制的測控系統(tǒng), 它既要執(zhí)行整列車的控制, 又要傳輸大量信息、處理信息并顯示故障及執(zhí)行狀態(tài)。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分三個層次:列車控制級, 車輛控制級及子系統(tǒng)級。

圖1 高速列車控制、診斷系統(tǒng)框圖

診斷系統(tǒng)主要作用是故障監(jiān)測、故障數(shù)據(jù)保存、故障性質(zhì)評估及故障數(shù)據(jù)編碼傳送等。診斷離不開控制, 但診斷系統(tǒng)不附屬于控制系統(tǒng)。

（三）高速行車的中樞——行車指揮系統(tǒng)

高速鐵路行車指揮系統(tǒng)包括綜合調(diào)度系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、車站聯(lián)鎖系統(tǒng)和專用通信系統(tǒng)。在現(xiàn)代信息技術(shù)與計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的情況下, 該系統(tǒng)的構(gòu)成及關(guān)鍵設(shè)備與傳統(tǒng)鐵路的通信信號相比, 已是一種全新概念的系統(tǒng)。目前各國高速鐵路都在發(fā)展基于數(shù)字軌道電路, 采用一級制動模式并可向無線控制發(fā)展的列控系統(tǒng);綜合調(diào)度控制系統(tǒng)已由傳統(tǒng)的單一列車運行調(diào)度向包括車、機、工、電、輛以及安全監(jiān)測在內(nèi)的綜合調(diào)度控制管理發(fā)展, 由集中控制模式向分散控制模式發(fā)展。車站聯(lián)鎖設(shè)備為計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)。因此, 在高速鐵路的通信信息系統(tǒng)中, 除鐵路專用設(shè)備和車站微機聯(lián)鎖設(shè)備需要引進部分關(guān)鍵技術(shù), 由國內(nèi)鐵路開發(fā)研制外, 其余主要設(shè)備, 如光纖傳輸設(shè)備, 綜合業(yè)務(wù)交換設(shè)備、綜合無線通信設(shè)備、ATM節(jié)點設(shè)備, 光纜、視頻監(jiān)視設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備、旅客信息向?qū)гO(shè)備, 以及網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)、管理信息數(shù)據(jù)庫等軟件平臺, 都是信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的高新技術(shù)設(shè)備, 需要在引進國外先進設(shè)備與技術(shù)的基礎(chǔ)上, 與國內(nèi)信息科技產(chǎn)業(yè)部門合作開發(fā)。

由于信息技術(shù)的飛躍發(fā)展, 高速鐵路的行車指揮系統(tǒng)無法停留于一種固定的模式和標準之下。為了對高速度、高密度的列車群實行高效、可靠、安全的管理, 在微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)及信息技術(shù)的基礎(chǔ)上, 通信信號一體化是必然的趨勢。它將包括微機聯(lián)鎖系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、安全保障系統(tǒng)乃至車載列車操縱系統(tǒng)的信息都納入統(tǒng)一的綜合調(diào)度指揮系統(tǒng)之中, 它可以完成運輸計劃編制, 執(zhí)行、控制和監(jiān)視行車狀態(tài), 對各子系統(tǒng)進行管理, 還可采用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)跟蹤列車位置和速度, 采用人工智能技術(shù)進行運行模擬、監(jiān)視和調(diào)整被干擾的列車運行圖等等。總之, 隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用, 高速鐵路的運行指揮將向綜合、集中、自動化、智能化方向發(fā)展。

（四）高速行車的保障——安全監(jiān)控系統(tǒng)

高速鐵路是一個通過行車指揮系統(tǒng)將基礎(chǔ)設(shè)施、固定設(shè)備和移動設(shè)備 (列車) 聯(lián)系起來并協(xié)調(diào)運作的大系統(tǒng)。如前所述, 與普通鐵路不同的是高速鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施要求具有高精度和高穩(wěn)定性;供電、信號等各種固定設(shè)備的硬件都是大容量、自動化程度很高的機、電裝備;作為移動設(shè)備的列車, 是在一整套監(jiān)測控制系統(tǒng)及信息傳輸系統(tǒng)監(jiān)控下, 由司機與地面指揮中心統(tǒng)一管理, 從而實現(xiàn)高速度、高密度、安全運行。高速鐵路之所以成為目前世界上最安全的交通工具, 除了它在設(shè)計與建設(shè)中就加強設(shè)施、設(shè)備的可靠性之外, 建立一個安全實時監(jiān)控系統(tǒng)也是必不可少的。

安全監(jiān)控系統(tǒng)作為高速鐵路綜合調(diào)度中心的一個組成部分, 必須以高新技術(shù)為依托, 根據(jù)沿線自然環(huán)境特征和自然災(zāi)害的歷史情況, 盡可能考慮到發(fā)生事故的因素, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理及決策。它應(yīng)具有的功能包括移動設(shè)備、固定設(shè)備的狀態(tài)診斷, 對自然災(zāi)害進行監(jiān)測、預(yù)警, 對突發(fā)事故加以處理和救援, 防侵入物及有關(guān)安全信息的傳輸、處理和決策指揮。這些功能都通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。

安全監(jiān)測保障系統(tǒng)的硬件部分包括:

a. 不安全信息的監(jiān)測儀器、設(shè)備, 除移動設(shè)備——列車監(jiān)測設(shè)備由車載故障診斷系統(tǒng)中的傳感器承擔, 供電系統(tǒng)由變電站安全監(jiān)測裝置和接觸網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測裝置實施外, 屬基礎(chǔ)設(shè)施的有隧道災(zāi)害監(jiān)測、大橋災(zāi)害監(jiān)測、限界監(jiān)測、侵入物監(jiān)測以及站臺安全監(jiān)測等, 屬自然災(zāi)害監(jiān)測的有地震、風速、雨量、雪害及軌溫、河流水位和滑坡監(jiān)測;

b. 安全防護設(shè)備, 如線路防護設(shè)備 (護欄、防侵入物落下工程, 橋墩防護工程) 、隧道消防、供電設(shè)備等;

c. 信息傳輸、存儲、處理及管理設(shè)備, 如光纖、無線通訊設(shè)備, 計算機終端及服務(wù)器等。它們都要求由精度和可靠性很高的儀器、設(shè)備承擔。

安全監(jiān)測保障體系的軟件部分應(yīng)包括:

a. 制定安全管理法規(guī);

b. 研究制定各項安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的限值;

c. 安全信息處理, 安全對策及管理軟件;

d. 系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)管理軟件。

綜上所述, 安全監(jiān)控系統(tǒng)是一個涉及機、電設(shè)備故障診斷技術(shù)、災(zāi)害預(yù)報與防治科學、電子傳感技術(shù)、圖像處理技術(shù)、信息與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、電子計算機技術(shù)以及公安、消防、醫(yī)療救護和緊急救援技術(shù)等科技領(lǐng)域的龐大綜合系統(tǒng), 在高速鐵路設(shè)計、施工中須給予足夠的重視, 并需要在運用中不斷充實完善。

三十余年來, 輪軌高速技術(shù)發(fā)展迅速, 自1964年日本東海道新干線以時速210 km投入運營以來, 全世界已有日、法、德、意、西班牙、比利時等6個國家建成了4 600余km高速鐵路并投入運營, 正在建設(shè)高速新線的國家有11個, 共15個項目, 長約3 300 km, 其中日、法等國家已從原有高速線向其他干線延伸, 逐步形成高速網(wǎng), 表1示出各國建設(shè)高速鐵路的情況, 表2為正在研究和準備立項的高速鐵路項目, 可以看到, 全世界正在進行研究并準備建設(shè)的高速新線有30條, 總長約8 000 km。

 表1 各國高速鐵路的建設(shè)情況

表2 正在進行研究和準備立項的高速鐵路

綜觀高速鐵路的發(fā)展史, 可將其分為三個時期:

a.高速鐵路初創(chuàng)時期, 日、法、德三國建成高速鐵路;

b.高速鐵路網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃及初步建設(shè), 日本和歐洲開始建設(shè)高速鐵路網(wǎng)并帶動周邊國家;

c.更多的國家開始研究和建設(shè)高速鐵路。

隨著世界高速鐵路建設(shè)高潮的到來, 其發(fā)展趨勢具有以下幾個特點:

a.干線通道和人口密集大城市間新建時速300 km的高速鐵路;

b.將建設(shè)標準不高的線路改造為高速鐵路;

c.在運輸不繁忙的既有線上采用擺式列車。

可以預(yù)料, 隨著高速鐵路的進一步發(fā)展, 將有越來越多的國家加入建設(shè)高速鐵路的行列, 輪軌高速鐵路將是21世紀陸上旅客運輸高速化的主要發(fā)展方向。

注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文。