中国高铁技术：世界领先的大国重器

2017年6月25日，中国标准动车组正式命名为“复兴号”，26日在京沪高铁正式双向首发，9月21日，“复兴号”动车组在京沪高铁正式开始以350千米的时速运行，是世界上运行速度最快的列车。上海与北京之间的高铁运行时间最短已至4小时18分。

高铁是中国的一张名片，是中国科技水平、制造实力的典型代表，是国家荣誉的体现，但高铁更多的是在日常生活中服务普通百姓。放眼全国，2018年，铁路完成旅客发送量33.7亿人次，其中动车组共发送20.05亿人次。中国的高速铁路网已经基本覆盖各省会及50万以上人口城市，东部地区密度最大，中西部正在加速建设。2017年12月6日，西安至成都的西成高铁全线开通运营，运行时间由普快列车的11个小时缩短为4小时，关中与蜀地之间的千年交通瓶颈制约得到极大缓解。长三角、京津冀、珠三角地区更是形成了一小时生活圈。如上海到杭州高铁最快仅需45分钟，这个时间可能比市内交通花费的时间还要短。可以说，高铁出行已经成为人们的一种生活方式。

那么高铁与普通列车有什么不同呢？它的快又是如何定义的呢？简单来说，高铁指的是高速铁路运输系统，采用的列车是动车组列车。

火车发明于19世纪早期，是由铁路机车（俗称“火车头”）提供动力，再连接数量众多的铁路车辆组成的，那时的火车都是蒸汽机车。20世纪初开始更换为柴油机车，后来又逐渐换成电力机车。更换成电力机车之后要对铁路线进行电气化改造，火车运行需要的电力一般由高架电缆提供。按照提供动力的位置来划分，火车可以分为动力集中式列车与动力分散式列车两种。早期火车由铁路机车提供动力，其他铁路车辆被动牵引的方式称为动力集中式，也就是“一带多”。动力分散式列车，它的动力分布在多个车厢，不是集中在机车上，也就是“多带多”。这样有利于实现较大的牵引力，可以灵活编组，制动时效率高。

北京南站夜景。北京南站是中国最大的客运特等站，客流量名列世界第三，被誉为“亚洲第一站”

中国普通意义上的动车，指动力分散式列车。动车组的动力系统在车厢的下部（我们在乘坐动车时听到列车员英文广播，称呼为“EMU Train”，这里的EMU即是电力动车组的英文Electric Multiple Unit的缩写），每一个车厢都可以搭载乘客或者货物，车头和车尾只是多了驾驶室，并没有单独的动力机车。

而高铁的意思是高速铁路，世界各国对高铁的定义不尽相同。在中国，高铁是指设计开行时速250千米以上（含预留），并且初期运营时速200千米以上的客运专线铁路。

中国要大力发展高铁事业，是基于国情及长远发展考虑的。

第一，高效的交通是现代化的一大特征，也是必要条件。相比古代社会，现代化的一大特征就是交通的便利，不管是人、货物还是信息，运输和交流的速度快，体量大。通过高铁的建设，受益最直接的是人们的出行。再者，现有铁路线会释放出大量的运能，缓解货运能力紧张的局面，之前依赖公路的物流将会转向成本较低的铁路运输。这样全社会人流、物流的速度加大、通量增大效应会很明显。

举一个简单的例子，一个人要从武汉出发去深圳会客，如果开车前往可能需要12个小时以上，乘坐高铁仅仅需要不到5个小时，大大节省了时间。再比如我们从新疆网购干果，在物流不通畅的时候可能需要将近一周才能收到，习惯了“次日达”的人们肯定无法接受。现有普通列车的时速约为120千米，与汽车相当，对于长途旅行来说还是太慢了。高速铁路的时速可以达到350千米，甚至更高，当出行距离在1000千米之内时，高铁有绝对的速度（针对汽运）和时间（针对空运）优势。

第二，中国人口多，密度大。2018年，中国总人口数接近14亿，铁路是服务大多数人出行的最有效方式。以效率和速度论，铁路运输大幅优于公路运输；以运力论，铁路运输又大幅优于空运；以能耗及污染物排放论，铁路运输均优于这两者。现在以及将来，高铁是提高交通运力的不二之选。

现有关于高铁建设的争论主要集中于成本上。俗语有云“要致富，先修路”，从长远来看，高铁的兴建是绝对有利的。中国的人口分布密度大，除去边疆地区密度小外，各省份的人口平均密度，约在每平方千米几百人；这么大的运输量只有高铁能够承受，同时，这个运输量也会保证一段时间后高铁能够收回成本，2015年，地理位置最好的京沪高铁在建成五年后率先实现盈利。

第三，兴建高铁对社会发展有强劲的拉动作用。大规模高铁建设对工程建筑、制造行业有直接的拉动和促进作用。除此之外，高铁的兴建还会带动电力、信息、冶金、计算机、橡胶和精密仪器等一系列产业的发展和升级，对制造强国有很大的帮助。

在经济发展上，高铁的建设会显著促进区域一体化进程，中心城市的辐射作用加强，周围二线城市被带动起来，这就是高铁开通的“协同效应”。使区域之间加快“同城化”，实现互联互通之后，区域资源共享，产业梯度转移加快，有效推动区域内产业优化分工。例如，随着长三角地区高铁的完善，三个中心城市上海、南京、杭州之间的高铁运行时间最短为1小时以内，这样畅通、便捷的交通带动了长三角地区协同分工，错位发展，建立等级、分工不同的产业体系，减小了内耗，使苏州、无锡、常州、嘉兴、绍兴等周边城市能够享受到中心城市带来的辐射福利，形成大规模城市群，实现区域协同发展。进入2019年，随着京津冀协同发展、长三角一体化、粤港澳大湾区等区域战略的启动，新的中国区域经济版图逐渐形成。

对比世界其他国家和地区，我们可以更清晰地认识高铁的兴建。

日本新干线是第一个投入商业运营的高铁线路。1964年10月1日，第一条联结东京与大阪的东海道新干线开通运营，列车最高运营时速210千米，使东京、大阪之间实现了当日往返，也接通了京滨、中京等城市，形成一个“4小时经济圈”。经过后续多年的修筑，新干线将日本大多数的重要都市联结起来，几乎覆盖从最北端的北海道至南部九州岛的整个日本列岛。

湖北武汉高铁站

就整个欧洲而言，其面积与中国大致相当，人口7亿多，密度低于中国。然而，欧洲的铁路密度世界第一。法国、意大利、德国、西班牙、比利时、荷兰等国相继建设高铁，是高铁技术发展较为完善的地区。

就美国而言，其铁路总长度25万千米，居世界第一，但大部分修筑于19—20世纪，技术落后，运营速度慢。美国人口密度不大，城市与城市之间常相隔甚远，因此发展出了发达的航空业。

中国的高铁列车施行的是引进、消化吸收、再创新相结合的发展模式。“和谐号”动车组是引进和消化吸收阶段的产品，“复兴号”动车组则是自主创新阶段的产品。

2000年前后，中国先后自主研发了“先锋号”“长白山号”“中华之星”等高速列车，“中华之星”更是在秦沈客运专线创造了时速321.5千米的纪录。但由于许多关键技术没有掌握，设备的可靠性、稳定性不足，国产列车距离商业运营还有很大距离。2004年起，国内机车制造商与国外厂商签订协议，同时引进了国外顶尖的四家厂商的先进技术。中国坚持以市场换技术的策略，让外方向中国企业全面转让技术，在国内合资搭建生产线，以便国内企业日后可以自主生产，掌握核心技术。中国还要求国外厂商为国内企业提供必要的技术服务与人员培训，提高国内设计、制造和管理人员的水平。通过这一系列措施，中国制造出了第一代技术先进的动车组“和谐号”。这是从无到有的转折点，我们初步掌握了高铁列车的生产、制造技术，一些核心的部件能够自产，如牵引变频器、受电弓、高速转向架等。

“和谐号”的主要型号有：

CRH1，由加拿大庞巴迪与中车青岛四方机车车辆股份有限公司的合资公司生产，以庞巴迪的Regina C2008动车组为原型。

CRH2，由中车青岛四方机车车辆股份有限公司生产，以日本川崎重工的E2-1000动车组为原型。

CRH3，由唐山轨道客车有限责任公司生产，以德国西门子ICE3动车组为原型。

CRH5，由长春轨道客车股份有限公司生产，以法国阿尔斯通Pendolino动车组为原型。

中国铁道博物馆陈列的“和谐号”客、货机车模型

国内厂商在学习、消化的基础上，逐步开始了列车的研制工作，如以下两种型号：

CRH6，由南京浦镇车辆和青岛四方联合设计生产的短途城际列车。

CJ1，由长春轨道客车和唐山轨道客车设计生产的城际动车组列车。

需要特别提出的是CRH380系列动车组。该系列列车是中国厂商自主研发设计并生产的新一代动车组，是我们的高铁技术逐步赶上并超越国外厂商的一大标志。

CRH动车组车辆均命名为“和谐号”

2010年12月3日，由青岛四方机车生产的CRH380A型动车组，在京沪高铁枣庄与蚌埠段实现了时速486.1千米，是轮轨列车运营线路上实现的最高速度。然而仅仅一个月后，这个世界纪录就被打破。2011年1月9日，由长春轨道客车和唐山轨道客车联合研制生产的CRH380B系列动车，在京沪高铁运行试验中，创下了每小时487.3千米的极限速度。

截至2018年底，共有3268辆（标准列）动车组奔驰在中国的大地上，其中绝大多数是“和谐号”动车组。十多年的运行，充分验证了列车的先进技术和可靠性能。

既然“和谐号”系列动车组已经实现了高铁从无到有的转变，为什么还要开发“复兴号”动车组呢？或者说“复兴号”进步的地方在哪里？最重要的原因是，型号不统一，运营维护成本高。

中国高铁的运营里程比全球其他地方运营里程总和还要长，这就意味着维护、运营成本是巨大的挑战。

“和谐号”车厢内部干净整洁

前述中国现有高铁列车，基于国外的4个技术平台，细细划分有将近20种型号，而且不同型号之间技术标准很不一致。各车型在座位数、零配件、控制方式、检修设备等方面均存在差异，相互之间不能实现互联互通，出现问题不能相互救援。这就需要铁路局针对每一种型号的列车都有不同的维护队伍、设备，这样既增加了成本，也增加了复杂度。而伴随着中国高铁里程数的不断增加，上述成本也以更快的速度增加，所以，高铁动车的中国标准已经呼之欲出。

让我们来看一系列时间点：2013年6月，中国铁路总公司正式启动“中国标准动车组研制项目”，涉及牵引、制动、网络控制、车体、转向架等9大关键技术，以及车钩、空调、风挡等10项主要配套技术。6个月后，中国标准动车组完成了总体技术条件制定。2014年9月，动车组方案设计完成。2016年8月15日，中国标准动车组首次载客试运行。2017年6月26日上午，中国标准动车组从北京南站和上海虹桥站同时对开首发，这就是“复兴号”。

“复兴号”是中国铁路总公司组织中国中车公司研发制造的中国标准动车组，最高运营时速350千米，是目前运行速度最快的高铁。相比之前，“复兴号”在安全、经济、舒适以及节能环保等方面有较大提升。最大的优势在于，列车使用的254项重要标准中，中国标准占84%。列车从整体设计到车体等关键技术都是自主研发。“复兴号”的诞生，证明中国全面掌握了高铁动车组的核心技术，提高了安全掌控能力，降低了运营、维护等成本，提高了核心竞争力。

通俗来讲，“复兴号”就是按照中国需要统一设计而成的，中国的需要就是中国标准。无论出自中国中车旗下哪个子公司、哪种型号，从内到外、从软件到硬件，都会有统一的标准。中国拥有世界上系统技术最全的高速铁路技术，在高铁最重要的速度和安全两个方面都有出色的表现。

“复兴号”现有“CR400AF”和“CR400BF”两种型号投入正式运营，正在开发CR300与CR200J系列。命名中CR是中国铁路总公司的英文China Railway的缩写。数字代表速度等级，根据规划，设计最高时速分别是每小时200千米、300千米和400千米，对应的运营时速是每小时160千米、250千米和350千米。之后的第一个字母代表厂商，A是青岛四方机车，B是长春轨道客车。最后一个字母，F代表动力分散式，J代表动力集中式。

“复兴号”的里里外外体现着中国制造的进步和成就。

外形设计。得益于国内在超算和空气动力学方面的发展，“复兴号”采用全新低阻力流线型车头和车体平顺化设计，空调及受电弓等设备采取沉入式安装。列车阻力比CRH380系列降低7.5%—12.3%，时速350千米时人均能耗下降17%左右。

牵引动力。“复兴号”的牵引动力最少提升4%，达到10000千瓦以上。牵引传动系统是动车组的心脏，包括牵引变压器、牵引变流器、牵引电机等，在硬件和软件上全部实现了自主设计、制造，成为世界上少数全面掌握这一技术的国家之一。

智能感知。“复兴号”全车部署了2500余个监测点，全面监测列车运行状况。

旅客体验。车厢内实现了Wi-Fi网络全覆盖，设置USB充电插座，为旅客提供良好的乘坐体验。

控制系统。相比于“和谐号”，“复兴号”在控制系统方面的进步是最大的。列车控制系统与轨道、动车并称高铁最关键的三项核心技术，负责列车上的高压、牵引、制动、辅助供电、车门、空调等各个子系统的控制、监视，以及这些控制信息和故障信息的传输、处理。列车控制系统是对列车进行中央控制、指挥列车安全运行的主要工具，是动车组最关键的核心技术之一，也是国外技术封锁的重点。

“复兴号”的设计生产中，中国攻克了列车控制的难关，实现了中国标准动车组列车网络控制系统的硬件和软件全部自主化，使动车组真正有了“中国脑”。中国标准动车组实现了车载设备信息能够互联互通，实现了不同厂家生产的相同速度等级的动车组能够重联运行，不同速度等级的动车组能够相互救援。

列车调度。中国通号（中国铁路通信信号股份有限公司）研发的中国列车运行控制系统（Chinese Train Control System，缩写为CTCS），实现了高铁全自动调度的“全国一张网”模式。目前，中国的CTCS-3（简称C3，3是等级数）是世界最先进的高铁列车运行控制系统。该系统又根据功能要求和配置将应用等级划分为0—4级。

CTCS能够满足列车时速350千米、最小运行间隔3分钟的运营要求。在如此高速度、高密度条件下，保证车辆的正常行驶就显得很重要且必要。时速350千米的列车刹车制动后还要滑行6500米。C3系统可以保证每辆列车自身不超速，前后两车之间保持安全行车距离。当系统检测到任何不利因素时，包括设备故障切换、降级运行、减速停车等，都会自动采取措施，避免出现事故及运营秩序混乱。

2018年4月，由中国通号研发的全球首套时速350千米的高铁自动驾驶系统（C3+ATO）顺利完成实验室测试，接下来即将进入现场试验。C3+ATO意为在中国列车运行控制系统基础上增加列车自动驾驶功能（Automatic Train Operation，英文缩写为ATO）。该项技术的完全自主化以及中国技术标准的建立，标志着中国高铁智能化运营水平领跑全球，将迎来自动驾驶时代。

“复兴号”中国标准动车组模型

中国高速铁路是目前世界上最大规模的高速铁路网。国际高铁联盟的统计数据显示，截至2018年底，中国高铁运营里程超过2.9万千米，超过世界高铁总里程的三分之二。中国高铁动车组累计运输旅客突破90亿人次，中国高铁的安全可靠和运输效率世界领先。接下来依次是日本、西班牙和法国，高铁里程在3000千米左右。德国里程不到2000千米，其余各国都在100千米量级。

中国幅员辽阔，各地气候和地形不一，为高铁建设带来巨大挑战。不同地区的高铁需有独特的线路、运营调度、通信和网络、机械、材料等。例如，中国最南端的高铁——海南环岛高铁，处在热带地区，温度、湿度都高，台风频发。兰新高铁经过茫茫戈壁，湿度很低，尘土飞扬，风力极大。贵广高铁贯通群山，地形结构复杂，隧道长度超过总长度一半。于2012年12月26日开通的京广高铁，是世界单条运营里程最长的高铁，北起北京，经石家庄、郑州、武汉、长沙等地，南至广州，全长2298千米。

这里要介绍一下世界首条高寒高铁——哈大高铁。哈大高铁于2012年12月1日开通运营，总里程921千米，设计时速350千米，贯穿黑龙江、吉林、辽宁三省，全年最低气温低于－40℃，温差达到80℃，覆盖的是中国最为寒冷，也是温差最大的地区。

青藏铁路也是修筑在严寒地区，难点主要在冻土上。东北的情形又不一样，问题在于“冻融循环”。夏天修筑的铁路，冬天时土壤中的水分结冰膨胀，会使路基变形。一年一个冻融循环，不采取措施，来年铁轨就严重变形了。然而动车组因运行速度极快，对于路的平整度要求极高。只要线路上有一个小的起伏，就会给飞驰的列车带来严重的安全威胁。在哈大高铁建成之前，寒冷地区建设高铁轨道没有可以借鉴的国外经验。经过多次实验和改良，中国最终解决了这个难题。先通过强夯、冲击碾压等方式将一定厚度的土壤硬化，减弱吸水性能。随后，在土层上面铺上较厚的路基，并在路基下部加了防水隔断层，阻隔地表水渗入路基。

还有道岔融雪问题。冬天，哈大全线最大积雪厚度为17—30厘米，道岔容易被雪埋住，在有变轨动作时会将积雪挤压成冰状，使列车进路的选排受到影响。为了保证高速行车安全畅通，哈大高铁沿线27个车站（场、所）全部设置了道岔融雪装置。

中国现已完成四纵四横铁路客运专线布局。四纵四横是铁道部原《中长期铁路网规划（2008年调整）》中设定的客运专线，客车速度目标值为每小时200千米以上（宜万铁路时速160千米）。四纵（南北向）是指：京沪高速铁路、京广深港高速铁路、京哈客运专线、杭福深客运专线；四横（东西向）是指：青太客运专线、徐兰高速铁路、沪汉蓉客运专线和沪昆高速铁路。

青藏铁路被誉为“天路”

2016年7月经国务院批复的《中长期铁路网规划》，提出“八纵八横”的高速铁路主通道，同时规划布局高速铁路区域连接线，并发展城际客运铁路。

“八纵”通道包括沿海通道、京沪通道、京港（台）通道、京哈-京港澳通道、呼南通道、京昆通道、包（银）海通道和兰（西）广通道。“八横”通道包括绥满通道、京兰通道、青银通道、陆桥通道、沿江通道、沪昆通道、厦渝通道和广昆通道。

按照规划，到2020年动车组保有量达到3800标准列左右，其中“复兴号”动车900列以上。到2025年，铁路网规模达到17.5万千米左右，其中高铁3.8万千米左右；到2035年，中国高铁将努力实现500千米以内的通勤化交通、1500千米的同城化交通和2000千米的走廊化运输，率先建成发达完善的现代化铁路网。到本世纪中叶（2050年），努力实现3万吨级重载列车和时速250千米级高速货运列车等方面的重大突破，合理统筹安排时速400千米级高速轮轨客运列车系统、时速600千米级高速磁悬浮系统等技术储备研发。中国将形成运输保障能力强大、战略支撑有力、运输服务高效、资源环境友好的功能完善、服务一流、绿色环保的现代化铁路网。

中国的公路系统也十分完善。几十年来中国建立起了从中心城市到乡村的完整的公路网。尽管中国的公路总里程还不是世界领先的，但以高速公路而论，截至2018年底，中国高速公路通车里程突破14万千米，居世界第一，基本覆盖所有中等及以上城市。

从全国范围来看，现在修好的四纵四横高铁线路基本处在东部发达地区，是最容易盈利的线路。正在修筑的八纵八横则覆盖更广大的中西部地区，这些线路短期内根本不可能盈利。

如果我们将眼光再放长远一些，高铁、公路，加上房地产、电力、水利这些基础建设，大部分中国人都享受到了它们带来的便利和服务。随着小康社会的建设，它们正在努力服务更多的人。中华人民共和国成立以来，中国建立了完整的工业体系、医疗保障体系、粮食保障体系等，这些体系的强大是人民幸福、国家富强的大前提，借助这些体系，全民才能享受到科技进步带来的福利。我们国家的现代化起步很晚，但更要注重基础。基础建设好了，现代化的宏伟蓝图变为美好现实，也就为期不远了。

高铁为人们出行带来巨大的便利