国内外高速动车组的关键技术分析.(3)

感的部位,然后针对这些敏感部位重新设置变量,利用有限元软件hypermesh中的optistruct模块进行优化计算,获得车体轻量化结果,车体重量从4.97012t下降至4.5573t,下降了8.3% 6）列车控制网络系统

随着中国高速动车组的发展及对其研究的深入,列车网络控制作为其关键技术之一,得到越来越多的研究者的关注。由于动车组采用动力分散方式，如何通过列车通信网路实现整列车的实时控制和信息传递显得尤为重要。动车组的列车通信网络是指采用分布式机通信网络控制技术，集中监控牵引、制动和辅助系统等车载设备，借助列车通信网络，自动监测车载设备状态和数据，与地面进行实时通信，实现列车安全运用和高效检修。

我国生产的CRH型高速动车组，由于生产厂家和设计系统本身存在差异，使得每种动车组的网络控制系统和和通信网络总线、动车组网络控制系统网络结构、系统设备、系统主要控制对象也不尽相同。我国CRH?型动车组通信网络总线有以下几种：基于TCN标准的CRH1、CRH3?和CRH5，基于ARCNET?的列车总线和基于HDLC的CRH2型动车组，以及一些在列车上常用的工业总线，如CAN总线、HDLC车辆总线。

1 三类网络总线 我国CRH 型动车组采用的网络总线主要有TCN、ARCNET和CAN3 类，其中TCN的WTB和MVB分别作为列车总线和车辆总线进行信息传输，不同总线的应用和工作特性如下： 1.1 TCN总线 CRH1、CRH3 和CRH5 动车组均基于TCN 标准构建其网络控制系统，列车总线和车辆总线通过节点来连接，一般每节车辆有一个节点。WTB 和MVB 均采用集中控制、周期性预分配的主从方式对总线介质进行访问控制。WTB 负责列车车辆间的数据通信，是一种用于连接各节点可动态编组的车辆间的绞线式列车总线, 能自动识别车辆在列车编组中的位置和方向。MVB 负责车辆内部的数据通信，是一种用于连接车辆（或固定编组的车辆单元）内部设备的多功能车辆总线。 1.2 ARCNET总线 CRH2 动车组基于ARCNET 的网络控制系统，是一种基于令牌传递协议的现场总线，网上的各个节点轮流支配这个网络，所有总线上的站是平等的，网络中每个节点保存有下一个节点的逻辑地址，可以生成一个网络活动节点地址表，使用光纤作为传输总线，传输速率为2.5Mbps，拓扑结构采用双环形网络。ARCNET 的网络可以采用3 种物理介质：同轴电缆、双绞线、光纤；其接线方案也非常灵活，支持总线型、星型以及分布式星型等拓扑。ARCNET协议支持网络自动重构，可以自动适应网络的变化，当网络中加入或删除一个字节，ARCNET将自动重新分配网络。 1.3 CAN 总线 CRH5 还采用CAN 总线用于连接对网络性能要求低、重要性也比较低的设备。CAN 是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信总线，具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其传输介质可采用双绞线、同轴电缆和光纤等，支持总线型拓扑结构。CAN 采用带优先级机制的载波监听／冲突避免（CSMA／CA）

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方式对通信介质进行访问控制。CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式接收数据，无需专门的“调度”。

（五）新一代中国高速铁路动车组面临的技术挑战与策略研究

高速铁路运输不仅已经成为世界经济发展的 重要引擎，而且高速铁路技术发展也带动了不同的 相关技术研究领域的发展。也就是说如何拥有更 多、更先进的集成设计技术的高速铁路已经成为目 前各个国家铁路的核心竞争技术的要求所在。世 界铁路旅客运输的形式和范围在不断扩大，传统的 轨道车辆运输形式也正在不断地改变。除了那些 高速铁路发达国家之外，一些发展中国家，其中包 括东南亚国家和其他亚非拉地区，对新一代的高速 铁路技术都呈现了异样的热情。这是因为先进的 高速铁路技术不仅能够加快世界经济运输服务领 域的沟通，解决许多世界经济面临的实际课题，而 且为了促进世界经济的发展和融合也提供了极大的助力。考虑到未来20年内世界高速线路网长度 的明显增加、各国对新高速铁路线路的建设计划和 热情，高速列车车辆产品换代和性能提高将会更加 频繁且得到不断改善。

在过去，轨道车辆结构主要追求的是车辆结构 轻量化、服役长寿命、免（少）维修性、降低成本等， 而近十年来，各个国家在看到高速铁路带动国家和 区域经济发展的强大动力后，对高速铁路的重视和 热情空前高涨，也使得高速铁路技术的功能性或经 济性呈现多样化和高度化的发展。这必然导致高 速铁路车辆的新产品的更新换代日益频繁，而且将 给世界主要高速铁路制造厂家带来巨大的压力和 挑战，也给很多高速铁路的研发部门的技术人员对 于未来高速铁路车辆的发展趋势带来很多困惑。 但是，经济市场中出现的任何新鲜事物或者说新一代产品的研发，都必须遵循一个基本的原则，即必 须要遵循其可持续性的科学发展规律。作为主要 的公共交通工具，高速铁路车辆和其他主要交通运 输工具（汽车、航空和船舶等）同样必须要面对社会 多样化的技术需求，比如为乘客提供安全、舒适和 经济的乘坐环境服务；必须要考虑经济效益的同 时 ，还 需 要 考 虑 社 会 效 益 ，比 如 必 须 要 重 视 LCA(寿命周期评价)的生态设计，降低 CO2 的排放等 。

尽管中国高速铁路的快速发展是近十年的事 情，在吸纳和融合国外先进高速铁路技术的基础 上，结合自身铁路系统的特点进行多元创新，也已 经迅速发展成为世界高速铁路车辆的主要制造国 家和未来技术发展的风向标。但是应该客观地看 到，中国高速铁路和那些已经发展和积累了几十年 的高速铁路先进技术的发达国家，比如德国、法国 和日本依然存在着很多技术上的差距，各种关键技 术的积累和技术难题依然客观存在。这不仅是某 一个技术领域的问题，而是和高速铁路车辆相互关 联的多个基础学科（力学、材料和制造与装配工程 等）均面临着各种严峻的技术课题的挑战。本文将 结合世界几个主要高速铁路先进技术国家的特点， 在对国内外高速铁路车辆最新文献研究的基础上 对研制新一代中国高速铁路的最新技术发展趋势提出个人的一些浅薄建议。

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这里的高速铁路技术主要是指运营最高速度 高于 200 km/h 、两站间不停车运行速度不低于 150 km/h 的现有商业运营的高速电气化干线，以及 最近可能将运行的高速干线。目前符合这些线路 的国家有中国、日本、法国、德国、西班牙、英国、意 大利、瑞典、芬兰、美国、韩国和俄罗斯等，以及巴黎 —布鲁塞尔—科隆/阿姆斯特丹高速线(法国、比利 时、德国和荷兰区域) 和“欧洲之星”线(英国、法国和 比利时区域)。高速干线铁路可区分为以下几种类 型[3] ：a.新建专线，仅用于运行最高速度为250 km/h 及以上的列车；b.改建线路Ⅰ，全长或个别区段可运 行速度为200～220 km/h 的列车；c.改建线路Ⅱ，全 长或个别区段可运行速度为200～230 km/h 的由摆式车辆组成的列车。

未来中国高速铁路车辆新技术的发展趋势在 哪里？如何在研究世界高速铁路发展强国的技术 基础上，进行技术的不断创新，继续站在世界高速 铁路发展的前列？如何在追求经济价值的同时努力适应未来技术多样化、高度功能化的社会效益需 求。本文将从技术层面的角度，多层次研究国外发 展新一代高速铁路动车组的设计和开发理念技术 基础，针对未来中国高速铁路车辆发展可能面临的 一些技术难题，比如“绿色（生态）设计的概念”，“降 低寿命周期成本”、“安全、降噪、环保的概念”等主 要课题逐层次地分析和讨论。在实施新一代产品 设计理念的构筑或关键技术基础研讨的同时，也希 望中国高速铁路技术在未来经过新一代车辆的研 制或可靠性试验的基础上，建立一套完整的新一代 中国高速铁路车辆架构系统和技术标准，且为中国 高速铁路的未来技术发展提出一些浅薄的技术性 建议。下面，将回顾国外著名轨道车辆制造商最近 研制的一些代表性车辆最新发展趋势，逐步分解和 介绍其主要的设计理念与技术构成，在其基础上逐 步归纳出中国高速铁路车辆未来可能面临的一些 技术挑战和难题。

2 概述

在高速轮轨技术上，德国西门子公司（SIEMENS，简称西门子）和法国阿尔斯通轨道制造公司 （ALSTOM，简称阿尔斯通）、日本川崎公司（KAWASAKI）、加拿大庞巴迪公司（BOMBARDIER，简称 庞巴迪）的铁路公司技术世界领先，这些国家在高 速铁路车辆产品的技术上各有优势和劣势，也各有 自己的核心设计理念和独特的技术特点。在世界 轨道车辆的发展历史上，轨道车辆结构主要的设计 理念在于结构轻量化、服役长寿命、免（少）维修性、 降低成本等[8] 。而近十年来，车辆结构已经逐步实 现轻量化、模块化的设计原则，在很多车辆上也采 用合适的最佳材料（不锈钢、铝合金、复合材

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料、玻 璃钢、碳纤维等）。但是在最近的社会环境急剧变 化或技术革新中，也对新一代高速铁路车辆结构提 出了很多的技术要求，比如车辆功能或特性的多样 化，环境的生态化和绿色化发展趋势。为了应对这 种生态设计的发展趋势，一些传统的车辆制造技术 和方法难以延续下去，必须要进行大量的技术革新 和改革。比如一些著名铁路公司已经将设计理念 定义为：为客户提供高效、快捷、完善的高速铁路新 技术（新研究）、提供技术咨询、技术测试、系统工程 的检查和技术培训，并以高度安全的方式和标准提 供相关技术支持，确保诚信的最高水平，同时为公 司本身营造一个具有挑战性的和可持续发展的工作环境。这就要求各个国家在开发新一代高速铁 路车辆产品的时候，必须要有一个创新的设计理 念，对未来高速铁路车辆的发展有一些前瞻性的研 究，并提出具体的基础技术构成。

日本是世界上第一个实现高速铁路运营的国 家，1964 年开始东海道(东京—大阪)高速铁路运 输。它的成功运营促进了世界其他高速铁路干线 的建设。可以说日本是第一个研发高速列车的国 家，并不断吸纳新技术发展自己的高速铁路交通网 和不同系列的高速列车（新一代日本高速铁路主要 代表是新干线E7系、N700系、efSET系）。欧洲凭借 着浓厚的技术底蕴，在近三十年来已经迅速建立了 全欧洲范围的高速铁路网，也在根据不同的需求进 行产品的更新换代（主要代表为阿尔斯通的 TGV/ AGV、西门子的ICE系列、VELARO-X系列）。加拿 大庞巴迪是轨道交通领域的一个世界铁路技术巨 头，ZEFIRO系列动车组是庞巴迪运输（Bombardier transportation）2005 年公布的超高速铁路旅行最新 概念的高速电动车组设计平台，由庞巴迪公司工业 设计组与意大利工业设计公司Zagato共同设计，但 一直没有得到实用，最近几年重新启动研发计划。 庞巴迪开发了三种不同型号：ZEFIRO 380（主要瞄 准中国市场，设计最高时速 380 km/h）；ZEFIROV300（主要瞄准欧洲市场，设计最高时速300 km/h）； ZEFIRO-250（主要瞄准普通市场，设计最高时速 250 km/h）。采用 ECO4 的理念进行高速铁路车辆设计，也称为ECO4计划项目。

中 国 新 一 代 的 高 速 列 车 代 表（CRH-380A、 CRH380B等）也已经成为高速铁路车辆新技术的典 型代表。实际上，除日本在积极准备新一代新干线 列车，拓展海外市场。其他的国家和地区，包括中国、欧洲等主要厂家都将面临着可以预见的世界高 速列车巨大的市场需求和残酷的技术竞争，实际上 德国的 VELARO-D、AGV-11 均是其第 4 代高速列 车。由于中国高速铁路技术的迅猛发展，其性价比 的优势逐渐成为世界和亚洲许多国家渴望的产品， 而邻国日本、韩国高速铁路车辆的保有量也在不断 增加，亚洲的高速铁路市场和线路综合总量已经处 于世界领先水平。在亚洲高速铁路市场出现异乎 寻常的高速增长的同时，欧洲高速铁路网规划2020 年也开始加大投入，预计其新增高速铁路线路约 10 000 km。

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简单地来说，0 系车辆是最早研制的主力车型 （1964）；200系车辆耐寒、抗风雪（1982）；100系车辆 是0系车辆的后继车型，追求高舒适度（1985）；300 系 车 辆 是 新 干 线（东 海 道 、山 阳 线）主 力 车 型 （1992），主要运营于山区道路，首款使用交流牵引 电动机的列车，有着很好的静音技术；400系是实现 新干线和既有线直通的车辆（1992）；E1 系车辆为 双层编组（1994）；E2 系车辆为双频、环境保护 （1997）；E3 系车辆则采用新机轴应用于秋田干线 （1997）；500 系车辆真正实现 300 km/h 等（1997）。 E5系车辆（2011年投入商业运营）的车身采用了铝 合金空心桁架断面和双皮层构造。为了减少通过 隧道时的微压力波，车辆的高度和试验车E954型车辆（FASTECH360 S）的3 650 mm相同，车辆宽度同 为3 350 mm。考虑到车体倾斜，车侧结构主体内侧 设计为倾斜式样，E6系车辆(2013年投入运营)主要 运营于北日本海[6~8] 。

日本川崎最新研制的E7系新干线列车(2014年 投入运营，见图 2)，是融入日本传统樱花风格的豪 华列车，也是面向美国加州地区推销的主导高速铁 路车辆产品，藉此面对美国加州高速铁路线路的竞 争。该型车辆于2013年亮相于日本车辆展，并作为 日本新干线高速列车50周年庆贺的纪念品（运营于 日本东京—长野）。预计2015年运营于日本沿海地 区，2025年运营于大阪地区。最高速度160 mph(约 256 km/h，1 mph = 1.609 344 km/h)。

3.2 德国高速铁路发展的循序渐进性

德国高速铁路是从20世纪80年代初期开始发 展，其中 VELARO 系列平台是由德国铁路运营的 ICE-3列车发展而来的第4代产品。实际上，ICE列 车的各款型号主要是在 20 世纪 90 年代出现，由西 门子为首的多家公司组成的制造商联盟进行开发。VELARO系列是一款纯粹的西门子产品，主要 面向国际铁路市场。为此针对不同的设计标准西 门子公司对动车组进行了很多一般适用性的修 改。特别是针对欧盟出台的互操作性技术规范和 进一步的标准，当中对包括新的消防标准及各项复 杂的要求进行了技术修改。

整体结构采用铝质构造的VELARO-D列车目 前已经被设计为新一代高速列车设计平台概念，它 可以针对不同国家客户的具体需求进行技术修 改。可根据当地要求进行调整的范围包括传动功率、配电系统、空调、座位数量、车身宽度及轨距。 车厢连接处与ICE-3列车相比也有明显的改变。乘 降门为电动塞拉门，其净宽及净高分别为 900 mm 及 2 050 mm。不同于ICE-3列车，VELARO的辅助 牵引设备，例如，整流器冷却水泵、逆变器冷却风 机、电动机风机以及制动器风机均可以独立于接触 网供电运行。它解决了ICE-3列车在法国高速铁路 东线上通过分相区时反复出现的冷却中断问题[14] 。

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