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      自主創新煉成中國高鐵名片

      2022年09月20日  已經被瀏覽

      作為中國高鐵關鍵核心技術之一,CTCS-3級列控系統的自主研發標志著中國高鐵技術裝備領域的突破,自主創新成為中國高鐵的“核心密碼”

      2021年6月底,我國高鐵已累計安全運行92.8億公里,相當于繞地球23.2萬圈,安全運送旅客141.2億人次,是世界公認最安全的高鐵

      讓130多米長、300多噸重、5節編組的磁懸浮列車懸浮于軌道上,并以時速600公里“貼地飛行”,是軌道交通技術的劃時代創新,也是中國高鐵新目標之一

      9月2日,由中國制造的首批雅萬高鐵列車運抵印尼雅加達港,標志著以中國標準建設的東南亞首條時速350公里的高速鐵路迎來又一重要里程碑。

      中國高鐵每往前突破一步,就為中國制造刻下一個新的領先標記。

      憑借具有獨立自主知識產權的高鐵建設和裝備制造技術體系,中國高鐵不僅開進了世界屋脊高寒、高原地區,實現了跨海過橋不減速,還以“中國標準”出海,為世界高鐵貢獻中國方案,不斷釋放影響力。

      從“一條線”到“一張網”,截至2021年底,中國高鐵運營里程突破4萬公里?!八目v四橫”高鐵網全面建成,“八縱八橫”高鐵網正加密成型,已通達93%的50萬人口以上城市,實現常態化時速350公里高標運營總里程超過3000公里。中國高鐵如同一條條生機勃發的“大動脈”,用速度重新定義時間,用組網改變區域經濟布局。

      從無到有,從引進、消化、吸收再創新到自主創新,黨的十八大以來,中國高鐵不斷以自主創新成就自我超越,為中國發展拓展延伸更大空間。

      從零“起跑”

      自主建造中國高鐵大腦

      2022年3月19日,搭載中國自主化高鐵列控核心技術的匈塞鐵路貝諾段正式開通運營。作為匈塞鐵路列控技術的主要主持人,中國通號研究設計院集團副總工程師江明見證了全套中國完全自主知識產權的CTCS-3級列控系統首次在歐洲國家成熟應用。

      列控系統是高速鐵路的大腦和神經中樞,是實現高鐵高速度、高密度、高安全運行的核心系統,是世界鐵路科技競爭的核心焦點。

      2012年以前,我國動車自主化列控系統應用處于空白,早期的高鐵只能用進口“大腦”,不僅價格貴,還受制于人?!拔覀儜阎撔膶W習的態度到了歐洲,可是技術人員既進不了對方的辦公區,又進不了實驗室,能接觸的只有產品說明和課件,能見到的只有項目助理和數據配置工程師。不但在線運營設備在故障分析、維修服務和信息安全等多方面受制于外方,在設備克缺和維護過程中也遇到過很多不配合的情況?!苯髡f。

      只有完全掌控全部核心技術,才能實現自主可控。中國鐵路通信信號股份有限公司(簡稱中國通號)在全系統內集聚起超過3000人的高端研發團隊準備攻克這一難關。他們一遍又一遍研討方案、一版又一版進行軟硬件開發、一輪又一輪測試,用3年時間實現了西方國家幾十年的技術跨越,完成了全套完全自主知識產權的CTCS-3級列控系統研發并實現成熟應用,解決了引進產品在工程建設支撐、運營維護、信息安全、知識產權等方面受制于人的問題,提升了中國列控裝備的智能高效水平、國際競爭力和信息安全等級,真正將高鐵列車運行控制核心技術牢牢掌握在自己手中。

      2017年,CTCS-3級列控系統首次在大西線試驗取得圓滿成功,滿足最高運營時速350公里、最小追蹤間隔時間3分鐘的運營要求,性能處于世界領先水平。

      2020年12月,中國通號全套自主化CTCS-3級列車運行控制系統裝備合安高鐵,并于2021年12月完成為期一年的整體匹配性試驗。

      2021年,CTCS-3級列控系統自主研發的4款國產芯片和安達操作系統實現應用,一批基于100%國產芯片的核心裝備進入產業化、工程化階段,中國高鐵擁有了100%國產化“大腦”。

      2023年,中國通號全套自主化標準和產品將裝備雅萬高鐵,打造中國高鐵首次全系統、全要素、全產業鏈走出國門的“樣板工程”。

      作為中國高鐵關鍵核心技術之一,CTCS-3級列控系統的自主研發標志著中國高鐵技術裝備領域的突破,也驗證了只有自主創新才是成就中國高鐵的核心密碼。

      不僅僅是列控系統,中國標準動車組的網絡控制系統研發也幾乎是從零開始。網絡控制系統的核心功能之一是“實時響應”能力,要求運行中的列車將不斷變化的數據采集反饋到“大腦”中,大腦以千分之一秒、百萬分之一秒為單位超高速發出指令,指揮飛馳的列車。

      “復興號”動車組總體技術專家組成員,中國鐵道科學研究院集團有限公司(簡稱鐵科院)首席研究員趙紅衛回憶當時的情形:“買不到網絡芯片,就按照通信協議標準進行研制;買不到網卡,就在芯片基礎上研制網卡。這一次,我們不再依賴國外的技術,不再在別人的平臺上‘打補丁’?!?

      這是一次“產學研用”的協同創新。趙紅衛帶領團隊突破高速列車網絡控制系統和核心技術,組織構建了自主化網絡控制系統軟硬件系統平臺。

      首次研制應用TCN網關,首次實現以太網列車控制,首次實現高速動車組網絡恒速控車……鐵科院與中車株洲電力機車研究所有限公司(簡稱中車株所)同步研發成功網絡系統,并將最前沿網絡控制技術——車載實時以太網關鍵技術應用在“復興號”上。

      主機廠也在技術“無人區”千錘百煉。軟件系統看不見、摸不著,中車長客股份公司副總工程師常振臣說,曾有一個溫度顯示故障讓大家苦惱不已,團隊歷時兩個多月,一行一行“啃”,才在上萬行代碼中揪出問題。

      中國中車青島四方股份公司(簡稱中車四方)研發團隊在地面搭建1:1仿真試驗臺,對選定的控制策略算法對應的上百種工況進行逐項驗證,保障大腦聰明高效地指揮列車運營。

      趙紅衛清晰地記得,2016年7月15日,兩列中國標準動車組在鄭徐高鐵成功完成交會試驗。擬運營高鐵動車組列車第一次跑出時速420公里。

      2017年6月25日,擁有完全自主知識產權的中國標準動車組正式命名為“復興號”。

      目前,我國已經形成涵蓋時速160~350公里等不同速度等級,能夠適應高原、高寒、風沙等各種運營環境的“復興號”系列產品。中國工程院院士劉友梅說,從引進到自主,核心的問題是要形成獨立的技術團隊和配套的產業能力。有自主創新的產品才能保障“交通強國”戰略的實現。

      協同“賽跑”

      齊心錘煉卓越性能

      精益求精讓“復興號”無論是運營速度,還是安全性、舒適性、節能降耗等主要技術指標,在全球都首屈一指,這種綜合性能的優越需要上下游協同和技術體系的系統進步。

      貼地飛行的“復興號”需要強勁的牽引動力。不僅僅是大轉矩,對牽引電機的功率密度、噪聲、諧波、電磁兼容性等性能指標要求十分嚴苛,這是“復興號”整車綜合性能是否處于世界領先的關鍵技術指標。

      為保證牽引電機中主輔一體牽引變流器成功研制,中車株所集中優勢資源,對各項性能指標、新增功能、對外接口、技術細節等進行多次研討,最終攻克技術難關:集牽引變流器、輔助變流器和冷卻系統于一體,具有集成度高、功率密度大、易維護等優點,各項指標達到國際領先水平。

      “復興號”要跑得又快又穩,需要攻克轉向架減震難題。中車四方轉向架開發部部長張振先說,為了找到最優懸掛參數,研發團隊在數十種參數組合方案中比選匹配,前后進行了110多項試制研究試驗,最終實現平穩性指標達到2以下,優于“小于2.5即為優級”的國家標準。

      高鐵列車的車體大都由鋁合金等各類高性能金屬板材焊接組裝而成?!昂腹な歉哞F生產過程中的重要工種,每一條焊縫都關系到列車安全?!敝熊囬L客首席操作師李萬君說,哪怕有1毫米的誤差,零件就會裝不上去、合不嚴實。

      一列“復興號”高速動車組,會用到近100種線型、近20000根導線、約100000個接線點,它們是列車的“神經”,接線這個看似簡單的小工序,卻是動車組裝配的一大難題。研發初期,數據傳輸的連接器中,芯體部位的7個金屬針分布在直徑僅有5毫米的圓形范圍內,每一根“針”都要焊接到位,像是用焊槍在針尖上繡花。中車長客高級技師胡俊祥憑借多年來練就的“超密集環境電氣焊接”技術,反復試驗,實現部件合格率達100%。

      2022年4月,由我國自主研發、世界領先的新型“復興號”高速綜合檢測列車上線運行。該車作為高速動車組新技術驗證平臺參與CR450動車組研制先期試驗,4月21日,在濟南至鄭州高鐵濮陽至鄭州段成功實現明線上單列時速435公里、相對交會時速達870公里,創造了高鐵動車組列車明線和隧道交會速度世界紀錄。

      屢創世界紀錄的背后,是中國高鐵堅持以我為主、開放合作、自立自強,為高鐵技術實現從跟跑到領跑的重大躍升提供了高效的實踐路徑,形成了具有自主知識產權的世界先進高鐵技術體系。

      ——在高鐵技術裝備領域。中國中車以“和諧號”動車組為基礎,成功研制擁有完全自主知識產權和世界先進水平的“復興號”中國標準動車組,其中“復興號”智能動車組在世界上首次實現時速350公里自動駕駛功能,標志著中國高鐵進入智能化時代。

      ——在高鐵工程建設領域。適應我國地質及氣候條件復雜多樣的特點,中國中鐵、中國鐵建等在高鐵路基、軌道、長大橋梁、長大隧道、大型客站和系統集成等方面攻克了大量世界性技術難題,系統掌握了不同氣候環境、不同地質條件下建造高鐵的成套技術。修建了滬蘇通鐵路長江大橋、五峰山長江大橋2座主跨超千米和武漢天興洲大橋等6座主跨超500米的世界級大跨度高鐵橋梁;建成了廣深港高鐵獅子洋隧道、西成高鐵秦嶺隧道群等100多座10公里以上的長大高鐵隧道。

      ——在高鐵運營管理領域。全面掌握了復雜路網條件下高鐵運營管理成套技術,創新了復雜路網條件下不同速度等級高速列車高密度跨線運輸調度技術,解決了不同動車組編組、不同速度、長大距離和跨線運行等運輸組織難題,實現了繁忙高鐵干線和城際鐵路列車高密度、公交化開行,高峰期發車間隔僅有4~5分鐘。

      ——在高鐵安全生產領域。充分發揮科技保安全作用,在智能型“復興號”動車組部署2700余項監測點,開發了自我感知、健康管理、故障診斷等列車運行在途監測技術,實現了對列車運行的全方位實時監測;建立了由高速綜合檢測車、沿線檢測傳感裝置等設備組成的高鐵線路設備在線監測系統,運用大數據分析,實現了對高鐵基礎設施運行狀態的精準掌握;研發了風雨雪等自然災害監測、異物侵限報警和地震監測預警系統,實現了對自然災害和治安風險的立體防控。

      截至2021年6月底,我國高鐵已累計安全運行92.8億公里,相當于繞地球23.2萬圈,安全運送旅客141.2億人次,是世界公認最安全的高鐵。

      競爭“長跑”

      科研走在前面

      在世界高鐵的競爭中,看得見的是中國動車組在運行速度、安全、舒適度等方面的比拼趕超,看不見的是背后面向中國鐵路發展重大需求,國內原創的高鐵科研成果,為自主創新打下堅實基礎;全國一盤棋,集中力量辦大事的體制保障。

      長期從事軌道交通工程動力學與振動研究的中國科學院院士翟婉明,開拓鐵路大系統動力學研究新領域,率先創建車輛-軌道耦合動力學理論體系,主持研究建立了高速列車-軌道-橋梁動力相互作用理論及設計安全評估技術。在國際上,其模型與算法被稱為“翟模型”和“翟方法”,他的理論方法與技術被成功應用于我國鐵路提速和高速鐵路的幾十個重點工程中,解決了高速行車安全性與乘車平穩性方面的一系列工程實際難題,支撐著中國高鐵的速度與安全。

      空氣動力學問題是制約高速鐵路發展的瓶頸之一。中國工程院院士田紅旗帶領的中南大學軌道交通安全關鍵技術創新團隊從零開始,構建起我國鐵路空氣動力學基礎與工程技術體系,創立列車氣動外形結構協同設計、列車/隧道耦合氣動結構優化等方法,為2022年4月21日“復興號”高速列車實現世界最高時速870公里明線相對交會運行提供了重要技術支撐。

      西南交通大學教授王平帶領團隊攻堅“高速鐵路軌道平順性保持技術”,十余年磨一劍,項目成果突破了我國高鐵軌道平順性診斷與保持技術瓶頸,打破了日、德等國的技術壟斷,形成了具有我國自主知識產權的成套理論與技術體系。王平告訴記者:“在過去,國外仗著技術壟斷,一組道岔報價500多萬元。在我國實現該項技術突破之后,他們立刻將價位降低到180萬元一組?!?

      科研始終是自主創新最堅實的底氣。集中力量辦大事則是自主創新最牢固的保障。時任中國國家鐵路集團有限公司董事長、黨組書記陸東福認為,堅持黨的全面領導,為高鐵發展取得歷史性成就提供了根本政治保證。堅持全國“一張網”、全路“一盤棋”,打破行業、區域的局限性,形成與國家重大戰略相貫通、與相關產業布局相銜接、與區域發展需求相結合的高鐵發展規劃,并保持了高鐵規劃的穩定性、連續性,實現了高鐵發展與經濟社會發展相互促進、相得益彰。

      堅持集中力量辦大事。從中央到地方,從科研創新、生產組織到產業化應用,從研究開發、規劃設計、工程建設、裝備制造到運營管理整個創新鏈產業鏈,為建成世界最發達的高鐵網匯聚了強大合力。

      堅持不懈加強關鍵領域技術攻關,形成了從高鐵基礎理論、技術應用到成果推廣乃至技術標準體系的完整創新鏈條,牢牢地將創新主導權、發展主動權掌握在自己手中,為高鐵技術實現從跟跑到領跑的重大躍升提供了高效的實踐路徑。

      堅持產學研用有機結合,推進協同創新、集成創新,形成推動高鐵創新的組合優勢;堅持正確的技術路線,實現技術政策、技術標準、技術平臺和技術布局的統籌協調、專業融合,使高鐵建設運營的成功經驗在全國范圍內快速復制推廣,形成規模產業效益,大大提高高鐵的發展效率和質量。

      追求“領跑”

      從國家名片邁向引領國際標準

      在中國標準動車組采用的254項重要標準中,中國標準占到84%,11個系統96項主要設備采用了統一的中國標準和型號,中國成為高鐵規則的重要制定者和重要主導者。

      日前,國際鐵路聯盟(UIC)發布實施由我國主持制定的《高速鐵路設計基礎設施》標準和《高速鐵路設計供電》標準,兩項標準均是相關領域的首部國際鐵路標準。國際鐵路聯盟是鐵路行業最具影響力的專業國際標準組織。

      近年來,國鐵集團專家主持參與了國際鐵路聯盟高速鐵路、列車網絡、制動系統等專業的60余項重要技術標準的制修訂,主持完成的《高速鐵路實施》和《高速鐵路設計》兩個系列等11項高速鐵路系統級標準,填補了高速鐵路實施、設計等關鍵領域的國際標準空白。

      從中國標準到世界標準,趙紅衛親歷了這段歷程。隨著中國高鐵的快速發展,趙紅衛當選UIC機車車輛分委會數據與通信專業組組長,參與國際和行業標準的制定及修訂工作?!斑^去的國際標準化組織會議上中國聲音不多。如今,國外同行總會主動邀請中國專家發言,傾聽中國的解決方案?!?

      在國際標準中納入我國的優勢技術與關鍵參數,為推廣中國鐵路技術,實現中國鐵路全系統、全要素、全產業鏈“走出去”提供了標準支撐,創造了有利條件。

      創新引領已經鐫刻進中國高鐵的骨髓。

      在中車四方股份公司廠內的調試線上,一列5節編組的高速磁浮列車在軌道上穩穩懸浮、啟動,流線型車頭、藍灰相間的車身,極具科技感。研發人員正在進行一項項精準調試,讓高速磁浮系統達到最佳狀態。

      中國中車科學家、中車四方股份公司副總工程師丁叁叁介紹,5節編組的磁浮列車長130多米、重達300多噸,讓如此龐然大物懸浮在軌道上,并以600公里/小時的速度“貼地飛行”,需要突破大量關鍵核心技術。

      例如,列車與軌道間的懸浮間隙必須穩定保持在10毫米左右,相當于一個火柴盒的厚度。當磁浮列車時速達到600公里,車體受到的氣動壓力急劇攀升。為了讓磁浮列車“浮得穩”,研發團隊在試驗現場整整進行了長達13個月的封閉式攻關,前后做了4000多次試驗。

      圍繞時速600公里高速磁浮的工程化應用,研發團隊還要解決一系列工程技術難題。如磁浮跨江穿山高速運行、氣動設計、高強度車體、牽引制動、低延時通信、長途多分區多車輛全自動追蹤、任意點停車、減震降噪等等,每一項都是極大的技術挑戰。僅以氣動設計為例。當磁浮列車時速達到600公里,車體受到的氣動壓力急劇攀升,可達到目前時速350公里高速列車的10倍,而氣動噪聲則隨速度攀升呈6~7次方增長,技術難度無先例可循。

      5年自主攻關,歷經1680余項仿真計算、4250余項地面臺架試驗和500余項線路試驗,啃下了一塊又一塊“硬骨頭”,清除了一個又一個攔路虎。2021年7月20日,時速600公里高速磁浮交通系統正式在青島下線,標志著我國掌握了高速磁浮成套技術和工程化能力。

      從時速350公里輪軌高鐵到時速600公里磁浮列車,中國,又一次引領世界鐵路技術邁向新的突破。
            來源:新華網


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