前沿拓展：

日本東京大學教授 日本鐵道技術協會副會長 曾根悟

譯/審校：軌道世界外文譯者小組 王飛 等

本文簡述了日本高速鐵路發展緩慢但穩定推進情況，以及中國高速鐵路快速發展情況，比較并分析了發展的路徑，討論了具體的系統構成。除此之外還簡要介紹了與日本十分不同的歐洲鐵路發展情況，比較中日兩國高鐵技術的優缺點，這將有助于改善世界鐵路客運發展，并以改進兩國各自系統的不足方面。

1.中日高鐵發展簡史

世界上第一條高速鐵路（高鐵）就是建于1964年的日本東海道新干線。這顯然意味著日本不僅擁有悠久的高鐵運營經驗，而且在高鐵上也擁有最多解決問題的經驗，因為日本的高鐵客流量遠比歐洲其他國家更密集。

另一方面，中國在20世紀90年代末才開始了列車提速的內部研討，并于1997年進行第一次最大速度超過140km/h的真正試跑，然而同時期的日本山陽新干線已經以300km/h運行。直至2003年前中國都是基于中國自身的認知和能力進行研究和發展，但進展緩慢而不能趕上國家經濟快速增長的需求，于是中國政府決定轉變基于自身內部的發展高鐵的路徑到引進發達國家技術上來。因此，基于以引進日本和德國的技術為主的戰略計劃和充足資源，隨著中國鐵路第六次提速，列車速度第一次大幅增加發生在2007年（其中CRH1、CRH2、CRH5和CRH3的技術和制造源國家，分別是德國、日本、意大利以及德國）。在這個時候，世界各地鐵路人員才突然驚詫地意識到，中國高鐵軌道線路長度超過了6000公里，這比包括其他任意國家包括日本、德國等都要長。

從2007年到2015年，僅八年之后，中國的線路長度超過16000公里，這比分別排在第二到第五位的西班牙（3400km）、日本（2800km）、法國（2100km）、德國（1800km）等所有國家加起來的總和還要長。

2.中日高鐵基礎交通數據比較

為比較數據和理解差異，一些主要數據見表2所示。

3.中日高鐵科技成就比較

3.1.概述

3.1.1.日本和中國的原始鐵路技術

可以認為幾乎所有關于高鐵的技術都起源于日本，因為日本是世界高鐵的先驅，但事實上并不是這樣。當日本決定建造東京到大阪之間的新干線時，這仍然是一個雙線電氣化鐵道，在東京附近和大阪附近四線，它已經接近其運輸能力的極限，盡快增加兩條或多條軌道是一個非常迫切的要求。日本國家鐵路的大多數管理者打算沿著傳統的窄軌鐵路附近添加一條雙線鐵路。穿越人口稠密區在短短五年內在同一線路上實現增加兩條鐵路軌道非常困難的，因此建設一條擁有必要換乘的獨立線路的可選方案是最可行的。19世紀末，在日本的第一條鐵路開始運行后的三十年間，一些人曾非常希望通過更換窄軌使其變為標準軌距來改進日本國有鐵路。日本國家鐵路公司的主席石河信二屬于這少數者之一，但是公司其他有影響力的人都不贊同這一想法。因嚴重的鐵路交通事故而辭職的島秀雄被石河信二任命為總工程師，他們一起極力主導用新雙線標準軌鐵路來代替傳統線路。石河信二和島秀雄耐心地說服了鐵路公司內的其他高層領導，因此，新干線項目成功啟動了。在這種情形下，新干線必須在開通時實現足夠的交通承載力來應對老線路越來越多的乘客、規模越來越大的貨物運輸。因此，所有的建設和列車連同運營系統的研發都是穩妥的，不容許出現任何重大的失誤。穩妥研發意味著沒有太多創新，寧可車軸很重，不能快速移動，更加保證安全，和很小的可能在未來軌道設計中去提高列車速度。

3.1.2.日本列車原始設計：開發運行在較高速度維持穩定運營的輕型轉向架

新干線列車是以小田急電鐵自主創新的快速列車組為基礎研發的，后者在1957年以108m長的車身、147t的空車重量在1067mm寬的窄軌上創造了145/km世界速度記錄。新干線0系列的列車，相比而言較重，平均每輛車56t，25m長。為了避免質量的基本不增加，新干線列車選擇了輪距為2.5m、輪徑為0.91m的輪對，并且證明了有足夠的穩定富余度跑到210km/h。日本國家鐵路公司計劃對為了每輛列車減少4t，實現15t的最大軸重，但是失敗了。這主要是因為牽引設備質量需要足夠的富余量，這就意味了16t的軸重能夠剛好滿足乘客滿載。

3.1.3.日本列車原始設計：動力分散

基于當時的日本私有鐵路標準，高性能動車組的設計，配備動力的車輛牽引系統擁有有8個牽引電動機，并由一個牽引控制器控制，這是一個自然而唯一的解決方案，而不是一些帶動力的和不帶動力的車輛（例如拖車）中的設計優化結果。在日本高鐵取得成功后，英國和法國分別在1976年和1981年開始跟進，但是，他們的的類型不同集中牽引系統。直到上個世紀90年代，交流電動牽引系統出現，除日本外的很多鐵路工程師意識到集中牽引系統要優于分散式牽引系統，牽引電機的維護量少和非動力軸的制動系統維護量大些。但是，在1992年日本的新干線，成功推出了世界上第一個帶有交流可再生制動系統的高速動車組新干線300，如圖1所示。在這一創新的動車組研發工作中（作者就是團隊成員之一），揭露了一個非常重要的發現：一個擁有必要制動系統的非動力軸比有動力軸質量更大，這將會產生更多熱量和更多的維護工作，因為從理論上說，制動系統會將動能轉換到熱能。因此，日本的新干線500系列列車從10M6T的形式改變成了16MT（0T），減少了空簧的和總的重量。這一重要的認知是在1994年于巴黎召開的鐵路研究世界大會（WCRR）由作者提出來的。

圖1 日本新干線300系列 世界首列采用再生制動的高速列車

3.1.4.中國設計理念

2003年，中國決定從發達國家引進高速動車組，其中不包括諸如法國TGV、德國ICE-1、意大利ETR-500動力集中式高速列車。這個明智而清晰的決定應該是建立在前文所述日本所取得的成果與中國在研發中華之星的困難之上。中華之星與長白山的分散動力不同，它是集中牽引式。所有引進的CRH1、CRH2、 CRH5，及CRH3都具有分布式牽引系統，但有兩種不同類型：CRH2含駕駛室頭車為拖車，其余的CRH1、CRH5、CRH3型，這些均是源于歐洲，駕駛室頭車帶有動力。

這個不同之處來自日本的研發經驗和以下所提及的兩個重要觀點：其一是從電磁兼容（EMC）上看,駕駛室頭車的前面轉向架上驅動電機造成信號電路發生多次故障，從粘著上看也是一樣。在雨天的情況下，由于是濕的，前轉向架的輪子趨向滑動和滑離。與此不同的是，含駕駛室拖車與中間電機的結構并不需要復雜的粘著控制，如果制動未運用到前面的轉向架，由于不會打滑，輪子可以用于可靠的速度和位置傳感器。

圖2 日本國有鐵路N700系列

運用車身傾斜控制列車可以以270km/h時速通過曲線半徑2500m區段

目前，中國設計的高速列車CRH380型，就是上述提到的兩種類型。CRH380A and AL 由含駕駛室拖車和帶動力中間車構成而其余的CRH380B, C, 和 D h由含駕駛室帶動力車和中間帶動力車及拖車組成，帶動力和不帶動力的車數相同即4M4T或8M8T. 如果中國鐵路要規范牽引系統，筆者強烈建議具有含駕駛室拖車及盡可能多的帶動力車組合，因為這在經濟上是可行的。即使運用復雜的、高性能的再粘著控制系統，在不利條件下微小打滑也不可避免，這就意味著所獲得的速度和位置有許多錯誤。如果14M2T編組的CRH380AL的設計被認為與使用相同牽引電機的6M2T編組CRH380A 提供太多富余量，太貴，則12M4T的方案可能是解決建造成本最好的方案。但是運營成本更好的還是14M2T，因為它有好得多的制動性能。

3.2.中日高鐵子系統成就比較

3.2.1.供電系統

在日本的原始技術中，其他國家還沒有采用的有準連續供電系統，其采用了兩個連續性接觸網段和軌旁轉換開關。該系統的動作原理如下：假設列車從A經由B到C運行，開關D保持關閉，直到整個列車進入B區。D關閉時，時間很短，一般為0.3秒，D打開后，開關E關閉。本系統利用兩個內部相連的受電弓結合簡單而較高的受流方式實現近乎完美的取電，因為不斷加速及含再生制動的減速和穩定的電氣連接，即使一個受電弓失去機械接觸，也能穩定供電。

目前歐洲體系禁止并聯兩受電弓系統的使用，防止不同段的兩個電源的使用造成短路。轉換開關是由原來的氣吹開關改進而來，然后改為真空開關，現在逐漸向半導體式發展。

圖3準連續供電系統

中國曾研究過使用一種準連續的電力系統，但現在已經放棄。這其中的原因應該是更容易采用歐洲型動車組和轉換開關從真空斷路器類型到半導體的改進還在過渡進程中。

3.2.2.電磁兼容性

在日本，基于過去經驗教訓，有很多特殊的設計，以避免電磁兼容問題。與上述提到的標準實踐不同的是，采用八節編組的N700系列的九州和三洋新干線不是帶含駕駛室拖車的6M2T，而是含駕駛室頭車帶有動力的8M0T，停在35‰較陡坡段有一半切除時能具備重新啟動牽引條件。為了應對由于驅動電機的EMC問題，從電磁散發或抗擾的角度來看，位于前面的牽引電機和轉向架、頭車后部的轉向架、其他車的轉向架都與之前的是略有不同的設計。至于關注的粘著，前兩個轉向架加速和減速的力被擠壓，而后面的和最后的車輛則輸出全部力。

3.2.3.引入再生制動列車后相位平衡措施

作者接觸到一個實踐例子，在三相電網獲取單相高壓電需要調整相位平衡措施。從1964年東海道新干線開始，使用斯柯特接線牽引變壓器，將三相交流轉換為矩形雙相交流。一個相位提供到上行軌道，另一個則提供到下行軌道。因此，在一般情況下平均方面，建立了一個更好的相位平衡，因為自上行和下行的列車之間平均電壓基本上是平衡的。情況在兩個方面發生了改變：在一個由吸流變壓器（BT）輸送系統到一個自耦變壓器（AT）系統的轉換方面，以及再生制動列車方面。

一個吸流變壓器用來把在運行軌道上產生的返回電流輸送到一個負極饋線上，這條饋線與接觸網的導線有著相同的高度，從而與相鄰電纜線產生的電子干擾消除了。這對避免電磁兼容來說是有利的，但在升壓變壓器區段受流存在缺點，即每當有列火車駛過吸流變壓器區域時，吸流變壓器的輸出電壓會被由受電弓產生的電弧打斷。為了解決這個問題，由吸流變壓器供電方式調整為自耦變壓器供電方式，使得運行在變電所一個供電臂和另一個供電臂的上下行列車的能量均衡。

另一個這種情況下的重要改變是在1992年引入可再生制動列車。牽引變壓器從三相到兩相轉換的原理是：當兩相之一的功率和等于另一相功率和，三相是平衡的。在引入再生制動之前，最壞的情況是一個相位處于最大功率而另一個相位為零。在這種最糟的情況下，三相到兩相的轉換沒有影響，三相的一個相位獲取的總功率相同，但在引進再生制動之后，最壞的情況是正的在一邊而負的在另外一邊，在此情況下，三相到兩相轉換有一個負面的影響，這種情況比從三相的一個相位獲取正或者負的電更為糟糕。

為了應對這一不利影響，連同網側和列車側的電壓穩定器，在必要地方增設一個額外的鐵路靜止功率調節器（RPC）。一個RPC能把有效電能從一側轉換到另外一邊，并且獨立地吸收兩側必要的的再生電能。

從單純技術角度來講，鐵路功率調節器有時可以看作是必要的，但從總體的系統整體設計的經濟性來講，它的設置是否合理還值得懷疑的。

3.2.4.車輛輕量化設計結果

輕量化車輛建造專有技術的掌握是日本目前最為先進的地方，主要有以下三個因素：

（1）道床和基建薄弱；

（2）許多私營列車運營商和車輛制造商；

（3）對于貨運重載列車沒有足夠多的緩沖強度。

第二次世界大戰后，大城市和郊區之間的交通需求迅速擴大，而其中大部分需求由JPRs的郊區線負擔。因此，輕量化和高性能電動車組在20世紀50年代由JPRs發展了起來，成為新干線基礎列車的一個院校，而另一個原型為JNR研發的交流電氣化型。一些歐洲列車制造商認為日本的車輛質量小在撞擊事故中沒有足夠的強度，還有一些制造商認為它沒有足夠的剛性來應對振動。

這些過去的批評在許多場合都被證明是錯誤的，一個典型的案例是2011年7月23日的溫州動車事故：輕質鋁合金車體的CRH2撞上堅硬的不銹鋼車體的CRH1，在這種情況下，毀損比CRH1列車嚴重的多。后面的批評是一半是對的，一半是錯誤的，因為這是一個乘坐舒適性和節能性之間的設計平衡問題。CRH2的原型，東部新干線E2列車的軸重不足12噸，是日本權衡的結果，而CRH380A的軸重大體為15噸是中國權衡的結果。

3.2.5.機車信號ATC系統

雖然在更小型的城鐵里，已有一些機車信號系統，但世界上第一個干線鐵路自動控制系統（ATC）采用機車信號的是新干線，雖然已過去了半個多世紀，但它至今仍然是不完善的，這樣的一個系統也沒有最終版本。日本的ATC系統不是為了無人駕駛而準備的，而是為了讓制動操作幾乎自動化，可以讓列車能以在低于30km/h的時速人工駕駛時停在指定位置。

然而法國高速列車（TGV）有不同設計理念，列車自動防護系統（ATP）應顯示一個即將到來的線路情況，幫助司機駕駛操作，只有當司機沒有反應時，系統才會自動進行駕駛干預。德國的設計理念和法國的相比有一點不同，但也沒有相差太多。

中國已從歐洲和日本引進了幾種信號系統，目前根據不同列車，不同系統在同一軌道上可共存。從駕駛員容易混淆的角度、更多維護量、系統沖突等方面來看，幾種信號系統共存在一個軌道上是不可取的，。

為了在將來更好的解決這個問題，現在有許多潛在的解決方案，如按照地區、線路類別、速度范圍和氣候條件等對系統進行分類。中國解決方案的成果和進展引起了發達國家的高度重視，雖然目前還沒有哪一個國家需要這樣的解決方案。

3.2.6.日本落后的軌道和基建

新干線的缺陷往往體現在基礎設施上，相鄰線路之間4.2米（在東海道新干線的情況下）或4.3米（三洋新干線和所有此后建設的線路）的線間距太短，雙線隧道斷面64平方米過小，不支持反向的信號系統，這在世界上絕無僅有，并且在經停車站道岔的進、出站有時速不超過70km/h的速度限制。

東海道新干線基礎設施落后是正常的，因為它是高鐵建設的先驅，它無法向別人學習，以及因為在1959年建設初期，日本自身的經濟力量不夠強大。山陽新干線較小改造后，符合世界標準的深度改造始終沒有實現。

與此相反，中國能選擇來自世界各地的許多產品，并且傳統的強大的重載線路，在適當的時候，可進一步改造實現高鐵。一些日本基建專家從限速問題認為，應該禁用落后道岔的兩個或多個移位電機來保持必要的可靠性，這被認為是道岔問題的主因。

4.其他發達國家的高鐵技術

4.1.英國

1976年，英國成功開通第一條時速200km/h鐵路。盡管高鐵（HST）的成功使那些日本牽引工程師大為震驚，他們曾自信地認為需要很多動力軸來滿足黏著限制，但由于這條高鐵是非電氣化線路，所以日本和其他許多國家忽視其影響或者并不重視。這項高鐵技術只出口到澳大利亞XPT，所有其他重要高鐵都是電氣化線路。

4.2.法國和德國

在完成機車牽引列車進行200km/h運行實驗后，只有少量列車在此線路上運行，而法國真正意義上的高鐵運營始于1981年，德國始于1991年，分別是法國的法國高速列車（TGV）和德國的德國高速動車組1代(ICE-1)，兩者都在首尾兩端使用機車集中牽引的固定編組。在法國人眼里,法國TGV是學習了日本新干線很多技術并有很大改進的高速系統。這一成功，加之在常規運行前創下的一個380km/h的超高速度記錄，在日本引起廣泛關注，特別是關系到日本很多技術難題主要成因之一——受流。法國鐵路專家了解了日本的供電難題后，想轉而使用燃氣輪機代替，它可以避免受流問題，但世界石油危機使得法國再次回到使用電力上來。TGV只設一個受電弓，置于車輛后部上方，通過使用車頂高壓電纜供電給前面的機車頭，來解決高速運行時的受流問題。經過嚴格的數量和受電弓位置測試，日本緊隨采用了相同的方式并加以改進，其中電氣連接處理與法國相似。結果表明最好的位置并不在總是有旋轉氣流的車頭或車尾，而最好在整流氣流的位置；并且受電弓的數量最好為兩個，即使其中一個受電弓從接觸網中掉線了，也能幾乎一直保持實現電連接。由于歐洲供電部門和法規禁止兩個或多個受電弓的運用，同樣的受流系統就不能被歐洲采用。

4.3.法國技術與日本技術比較

法國技術與日本技術非常不同。這是自然的事情，因為法國學習了日本的經驗，所以法國在許多方面超過日本，例如以下方面：

受流：平均間隔地放置很多單獨的受電弓和尾端上方一個受電弓相比，后者可單獨供應它自己所在的機車，并且通過車頂電纜為頭車牽引裝置供電。

列車自動防護系統：如上所述，給司機更多的自由。例如，在1981年，法國正常最高時速限制為260km/h，但實際可以提高到285km/h。

列車長度：在日本，1964年允許最大長度為300米，25米長的十二節列車編組；1970年為400米，由25米長的十六節列車編組，或者按要求由一對最大長度的一半即200米長的列車再編組（即兩個200米長的列車重聯在一起）。

適應不同需求的列車運行計劃：日本按照最繁忙需求進行固定模式調度，當某天或某時間段需求較少時取消空閑多余的列車運行。與之相對應的是法國的列車基本運營調度計劃，它是以最小需求時期來定，并可增加，如，兩列車重聯，在已發布的列車前增加列車運行。在日本，列車運營調度計劃會在列車開行的前一個月做好，來保證預定座位的售賣，而法國只需要根據運營前兩天的銷售數據情況確定就可以。

由于法國TGV采用不同方法，可被認為是法國鐵路的改善之處。下面的情形是日本認為沒有被改進的地方：

集中牽引系統：減少維護工作量意味著數量更少的高功率牽引電機，維護工作越多，所需無動力車軸越多。在日本的實際運營中，，為盡力避免額外的質量和火災的可能性導致的制動摩擦會增加維修工作。

鉸接式轉向架的配置：乘客腳下的無噪聲轉向架而較小的總質量與數量較少但大得多的軸重比較。日本的軌道比法國差，它優先考慮的是減少最大軸重。

空氣懸掛：法國人解釋說，相對于通勤列車滿載與自重之比很大，而TGV滿載與自重之比小，TGV不需要變量參數懸掛。

4.4.近年法國技術與日本技術的比較

距法國TGV最初于1981面世，已經35年過去了。上述提到的大部分差異，世界各地的鐵路工程師已經有了判斷。

受流一度曾是新干線的嚴重問題；法國TGV擺脫了不時發生的受流問題，但后來日本工程師也做了進一步改善，即，如上所述的并聯的受電弓受流系統。

ATP：彼此基本原則仍然不同，但日本ATC系統已經進行了提高完善，以此保證乘坐舒適性和準點運行；法國需要訓練有素、經驗豐富的司機而日本所有司機都滿足。

動車組長度：東海道新干線是非常特殊的新干線，其最大運輸能力還不足以滿足最大的交通需求。為此，JR東海中部鐵路公司，東海道新干線的運營商，不希望建造除16列編組以外的，也不希望設備改善后客運能力下降。但所有其他運營商，如JR East，Tohoku（東北）、Joetsu（上越），、和Hokuriku（北陸新干線）運營商、JR West，山陽新干線和部分北陸新干線運營商，以及JR Kyushu，九州新干線運營商，都有著不同的編組以滿足不同需求。由最大長度半長組成的重聯動車組連接在一起的方案，目前在日本沒有被廣泛采用，是由于在火災情況下疏散乘客有困難。在日本，火災逃生的方向認為必須是兩個方向，向前和向后都可以。這是為了實現乘客疏散，乘客須能夠穿過連接著的車廂；但要在新干線高流線型的車頭釋放旋梯并不可行。中國在實際中分布建造由8車的CRH380A和16車組成的CRH380AL車型,這似乎是從原來的TGV的實踐中學來的。JR West也曾經這樣做過，但近年來兩列8節車的重聯已不再運用。

分散式動力：當直流牽引電機使用時，在分布式與集中式牽引系統之間有過激烈的爭論，但是一當交流牽引電機出現，因其非常輕便且幾乎沒有維護工作，而且基本上都在使用，除了法國某些地方，其他地方仍然認為分布式牽引具有無可比擬的優越性。

空氣懸掛：在不只是在理論上且實際上空氣懸掛優越性證實以后，TGV也將引入了空氣懸掛以改善乘坐舒適性。

鉸接：1957年制造的OER（Odakyu Electric Railway ）超特快（SE）列車，為新干線的0系提供過很多的技術思路、部件和實踐，也是鉸接式構成。日本國有鐵路（Japanese National Railways） 和JR East對比并曾還實際建造過鉸接車，結果是既不多優越也不遜色。

5.中國技術起源

僅引進分布式牽引：顯然它和日本是一樣的，但原因是完全不同的。日本引進該系統作為唯一可行的高可靠性的速度解決方案，該方案1976年被英國HST否決、1981年被法國TGV否決、1991年被德國ICE-1也否決。日本無法向歐洲鐵路工程師說服分散式動力系統的優越性，直到上世紀90年代，牽引電機由直流電機向交流電機轉換，需要整流器維護，而交流電機質量小，無需維護。中國決定采用是在2003年，這被認為是聰明之舉，因為當時不少人仍相信TGV是世界上最好的。中國的決定應該是基于2003年以前的經驗基礎上的，當時新產品研發也沒有許可，而眼光敏銳的負責人評估了許多論文甚至包括作者的。

幾種不同系統并存：這是因為日本和歐洲的技術同時使用造成的。這有兩種作用，有利與不利：前者有利是可以從中國的經驗來評判；后者不利就是系統變得復雜和造價高，有時甚至因為各系統間的干擾難以維持安全。在許多子系統中，供電/受流和信號系統是極其重要的。日本采用的供電/受流是有優越性的，不間斷取電使得可連續供電、再生制動經過不同相區，也能直接從主變壓器獲得備用電力，而不是通過一個龐大、昂貴、笨重的帶AC-DC-AC轉換器的蓄電池來備用，這是對于16.7Hz接觸網必須的嗎，但50Hz或60Hz接觸網并不需要。

無論是車載還是軌旁，如果一條線上的列車使用不同的信號系統或是相同動車組經過不同信號系統的區間，系統將變得復雜。除了昂貴的建造，不同系統有時會彼此干擾；用初級的方式想要根除系統間的干擾幾乎是不可能的，因為系統A設計者不了解系統B，反之亦然。

在不久的將來，中國必須盡可能通過統一或分離系統的方式來解決這些問題：無論哪種方式都有優缺點；全國性的統一往往導致進一步改進步伐停止，而分離系統會限制必要的跨區運行或聯網運營。

狹義認識上的中國起源：真正高速動車組的流體動力設計被認為是這一類的

典型例子（圖4）。世界上第一個建造高鐵的日本，它的隧道直徑小，相鄰軌道線間距也小。為了應對惡劣條件，日本高速列車具有長而且奇怪的(車頭)前造型。

給世界范圍高鐵出力，中國工程師有必要給出一組功最大速度所需功能的最優或接近最優化的參數。雖然高速動車組的基本尺寸3.4米寬，1.3米高不是最優的解決方案，但由于日本和中國間的歷史聯系，這在日本新干線還是很常見的。在其他亞洲國家，交通需求量沒有在中國或在日本那么高，這些國家可能在最優尺寸以及在編組數量上都需要更多的設計。

圖4 中國高鐵CRH380A；基于新干線500系(車頭形狀)、E2(牽引系統)、ICE3(前面的駕駛室)，中國鐵路設計師進行了全面提升改進。

圖5 東日本的E5

E6借助車身傾斜控制列車可以實現目前最大320km/h時速通過曲線半徑4000m區段

6.日本技術和中國技術的進一步討論

6.1.最佳的動力車與非動力車數量之比及制動系統的設計

日本確立了一種固定編組動力車的最佳設計；如果車輛編組構成足夠多，比如10到16輛，所有中間車輛應該是帶動力的，而兩端的車為非動力的。有時這被認為是提供了過剩功率，過于浪費，但它實際上并不是如此。這意味著即使僅利用過剩功率用于制動，這也比產生摩擦或任何其他類型的動能轉化為熱能的剎車都要好。降低電流以利用已安裝的過剩功率很容易，所以變電所并沒有太多的負擔，而且有很大的可能性降低車輪在加速中打滑的概率。

對于一個較短的列車編組而言如6節或8節編組，在一些嚴峻的情況下，如一個牽引單元已切除并處于較陡坡段上，為了不使車輪打滑，所有車軸應具備動力并降低牽引力，否則會導致頭車列車速度及位置檢測方面明顯誤差。此外，應特別注意不要造成電磁兼容問題，如在節3.2.2所提到的。

與日本的做法截然不同的是，由ICE-1和ICE-2集中式列車組演變的德國ICE-3列車，為了達到法國高鐵線LGV最大軸重不超過17噸的目標，基于歐洲機車技術，形成了帶動力含駕駛室頭車、中間帶動力車和拖車組成的編組。研發CRH380B和CRH380BL過程中，由于帶動力的頭車的輻射(干擾)，中國高鐵工程師遇到了電磁兼容問題。

6.2.安全可靠的設計與運營

從高速動車組的設計來看，最重要的因素是安全、可靠和高性能的制動系統。雖然最終的制動性能必須通過機械制動保證，但考慮到各種電氣系統復雜多樣的故障，常用制動和緊急制動都應依賴于可再生模式下的電制動，這樣不會產生大量的熱量。如果一些電氣子系統不可靠，如供電中斷相當長的時間，或是在靠近供電區邊界較長的區域，電制動會通過電阻制動來輔助，并產生大量的熱。

從列車運營角度看，日本于列車運營期間的實踐，已經在列車運行時間、黏著、溫度升高、列車間隔、供電電壓波動等領域建立起了足夠優勢，可以說在14M2T列車組而不是12M4T列車組方面，功率富余和安全上都做得非常好。與歐洲的列車運營相比，日本工程師對他們列車運營的安全可靠性更有信心，這是因為通過從變電站獲得過剩電流幾乎沒有任何的負效應；從接觸網上的電流導入更容易實現。因此，當由七個單位組成的整體中的任一組(2M)被切除，其余六個組仍然可以在正常模式下運行列車，而并非在緊缺模式下運行。

6.3.列車自動防護系統（ATP）設計

關于司機們的職責，新干線和法國TGV的設計理念彼此是不同的。早期，法國TGV由于減速、能耗和某些情況下列車平均速度，有更好的乘坐舒適性。通過幾個階段的進步，新干線ATP，稱ATC，發展到今天的連續式數字型ATC，并非而非階梯式的，制動的可靠依賴于動車組性能。但作者和其他一些鐵路工程師并不認為這是防護系統的最終版本。原因如下：作為一種防護裝置，因為即使在最惡劣的情況下，可應用的制動性能應該是非常低的，如大雪覆蓋軌道，列車也必須防止撞毀；在正常情況下，人工駕駛時間明顯少于ATC自動駕駛。實際中，在2014年2月的一個雪天，東京某線列車采用高性能連續式控制的ATC，使用相同的設計理念，只是一個設備細節上不同于新干線的ATC，其最終也與前行列車發生了碰撞。

7.日本鐵路和中國鐵路的特點

在眾多有高鐵的國家之中，就日本幾乎沒有中速鐵路：新干線網絡2769公里，時速達260km/h或更高速度，眾多運營公司的傳統線路共計24900公里，其最高速度不超過130km/h；僅有兩家公司運營的70公里長的線路最高速度在130km/h到260km/h之間，一個是160km/h的京成電鐵，另一個是北海道州和北海道之間的140km/h的青函地下隧道段線。

日本鐵路最重要的社會角色之一就是市郊通勤交通。幾乎所有在東京大都會的通勤交通，都在約50公里半徑、總人口約達260萬的地方，它由軌道交通構成，并結合了家與火車站之間的其他交通方式，如巴士、自行車或私家車，它通過臨停接駁模式，而不是泊車換乘模式。東京高密集人口和有效的經濟運轉能持續保持，得益于這高密度的鐵路交通。

相反，中國有許多中速鐵路，但沒有高效的市郊鐵路。如果從外部原因看，這是非常奇怪的，這兩個國家都有許多的大城市，適合通過高鐵或中速鐵路連接，并且一些大城市諸如北京、上海、重慶等在市郊有大量的人口，可通過有效的市郊鐵路來連接。中國城市地區鐵路的一些線路是地下鐵路，但實際上在郊區的鐵路，線路大多是與國鐵網絡相獨立高架線路，車站位置、站間距、列車調度模式都并不是那么有效率。在世界上大城市的市郊鐵路網中，如在德國、奧地利、講德語的瑞士地區、PER(法國類似的線路，市郊快線)，都比中國城市網絡要好，但還是不如由JPRs（日本私有鐵路）和JRs（日本國鐵）聯合運營的鐵路，以及地方鐵路也是如此。

8.日本和中國高鐵保持重要聯系

在前面章節的分析中顯示，在相似社會條件和經濟活動下，以及基于現代鐵路技術，高鐵、中高速線和市郊線線的現狀彼此大不相同。

在高鐵領域，如果我們把日本的經驗和相關具有高可靠、安全性部件的專有技術，以及中國高效建設、制造的能力和快速發展結合起來，其成果將會為世界各地的高鐵帶來莫大的貢獻。

在日本，幾乎沒有任何現有的中速線路是被合理社會化運用的。山形和秋田新干線列車能在新干線軌道上快速運行，而傳統線路雖然已經從窄軌改造為了標準軌，但是因為平交道口和一些其他技術原因帶來的安全性問題，運行在其上時只允許速度不超過130km/h。在中國建立的實際專有技術，將有助于日本將有需求的傳統線路改造為中速鐵路。

地方政府經營的中國市郊鐵路，在許多方面與中國國鐵線路不同。在日本，1960年后，民營鐵路與地方政府鐵路（涵蓋地下鐵路)和國家鐵路開始相互談判在大東京地區互通運營的問題，并最終達成了互通運營協議。這是一個非常大的成功，專業的民營鐵路列車運營在日本的衛星城市逐漸盛行起來。涉及專業的重要點包括建造可步行到達的車站，如何結合快速、限停與在每站停車的慢速列車，以及如何在各主要車站組織跨站臺換乘。在如果中國能采用這種方式，考慮進出入時間，那么家與工作地點的旅行時間將能夠大大地縮短。

9.結論

日本和中國都有各自的優點和不足之處。在這樣的情況下，結合彼此優勢，一個國家同其他國家的人一起努力才將會為鐵路行業以及在高鐵、中速鐵路、市郊鐵路各領域的乘客帶來巨大的好處。如果這些重要領域實現了最佳聯合，那么兩國的事實上的標準，可幫助于世界其他地區的客運鐵路服務。

素材來源：軌道世界外文譯者小組 《浙江大學學報(英文版)》

拓展知識：