现代轨道交通工程科技前沿与挑战

翟婉明, 赵春发

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 四川 成都 610031)

现代轨道交通工程科技前沿与挑战

翟婉明, 赵春发

(西南交通大学牵引动力国家重点实验室, 四川 成都 610031)

围绕现代轨道交通的四大重点领域:高速铁路、重载铁路、城市轨道交通和磁悬浮交通，介绍了当前国内外最新发展动态，特别是我国轨道交通发展现状及其在国际上所处的地位与水平.结合轨道交通工程学科发展趋势与应用需求，分析了轨道交通工程建设与运营过程中涉及系统安全性、运营可靠性和环境适应性等方面的主要技术瓶颈，指出了高速铁路、重载铁路、城市轨道交通和磁悬浮交通领域当前值得关注的前沿科学问题和技术挑战，为今后深入开展轨道交通科学技术研究(特别是针对处于快速发展期的中国轨道交通科技研究)提供有益参考.

铁道工程;轨道交通;发展动态;科技前沿;技术挑战;述评

铁路是国家重要基础设施和交通运输的大动脉，世界各国都高度重视铁路交通的发展.特别是进入21世纪以来，我国在高速铁路、重载铁路、城市轨道交通和磁悬浮交通四大领域发展迅猛，取得了举世瞩目的重大成就.轨道交通的迅猛发展，缩短了人们的时空距离，改善了人们的生活方式，极大地促进了社会进步和经济发展.

轨道交通的发展，不仅带动了信息、材料、能源、制造等领域高新技术的进步与发展，还促进了制造业、建筑业、农业、能源工业、旅游业等行业的繁荣发展；同样，这些领域和行业的理论创新和技术进步亦促进了铁路的大发展.当前，轨道交通不仅延续着半个世纪以来的高速化、重载化、电气化的技术革新之路，而且新时期绿色、环保、智能、可持续等社会经济发展理念，还使得公众对轨道交通安全、舒适、环保、可靠的期望不断提高，迫使铁路运输必需持续吸收和利用高新科技成果，不断提高轨道交通工程建设与运营水平.

例如，我国高速铁路服役环境与国外差别显著，跨越了高原、沙漠、冻胀土、湿陷性黄土、软土等特殊地质条件区域，动车组经常长距离穿越高寒、湿热、多雨、大风等极端气候区域.在我国高速铁路大规模“设计建造”阶段，通过大量科技研究已很好地解决了诸多工程建设难题.但在我国高速铁路转入长期“运营维护”阶段后，如何在复杂环境气候条件下保持动车组优良的工作状态,如何维持不同地质条件下多种结构型式线路的高平顺性和高稳定性,是新时期事关我国高速铁路长期安全运营的主要科学技术挑战.又如，近年来我国城市轨道交通进入飞速发展期，截止2015年底，中国城轨交通运营里程超过3 600 km，在建线路超过4 000 km，如此规模的快速建设，必将面临各种复杂地质环境下的工程施工安全问题、运营线路的变形沉降问题、地铁环境振动问题和轻轨噪声问题等，需要持续开展系统性研究.

总之，当前我国轨道交通发展仍面临着诸多的工程难题与挑战，亟需厘清其中的关键科学与技术问题，把握前沿发展方向，规划布局并推进关键基础理论和技术研究，从而更好地支撑轨道交通事业的健康快速发展.本文将分别针对高速铁路、重载铁路、城市轨道交通和磁悬浮交通四大领域的发展现状与动态，探讨与分析轨道交通工程科技前沿与挑战，特别是结合我国轨道交通发展中遇到的实际问题，提出一些值得重点关注的研究方向，为新时期轨道交通科学技术研究提供参考.

1 轨道交通工程发展现状

1.1 高速铁路发展现状

世界高速铁路大致经历了探索初创、扩大发展和快速发展3个阶段，其中，前两个阶段以日本和欧洲的高速铁路发展为代表，第3个阶段以中国高速铁路的快速崛起为代表[1-4].迄今为止，全球已运营的高速铁路线路里程已超过3万km.

1964年，世界上第一条高速铁路日本东海道新干线开通运营，全程515.4 km，列车最高运行速度210 km/h；随后日本大力发展新干线，截止2016年3月，日本有8条投入运营的新干线，最高运营速度320 km/h，营业里程合计2 765 km.法国TGV高速列车试验速度屡创世界纪录，1981年建成欧洲第一条高速铁路——巴黎至里昂东南线，全程417 km；法国共有7条投入运营的高速铁路，营业里程合计2 036 km.1991年德国建成本国第一条高速铁路，目前投入运营的新建高速铁路有5条，营业里程合计949 km，最高运营速度320 km/h；德国还改建了部分既有铁路，新建和改建高速铁路线路总长约1 560 km.

近年来，中国高速铁路发展突飞猛进，逐渐成为世界高速铁路的领跑者.自2008年开通第一条时速350 km的京津城际高速铁路以来，我国陆续建成世界上等级最高的高速铁路——京沪高速铁路，世界上首条高寒高速铁路——哈大高速铁路，世界上最长的高速铁路——京广高速铁路(全长2 298 km)等.截至2015年底，中国已基本建成“四横四纵”高速铁路骨干网，高速铁路营业里程达1.9万km，居世界第一位，占世界高速铁路总里程的60%以上.最近国家“十三五”规划又指出：将加快完善高速铁路网，至2020年高速铁路营业里程将达到3万km，覆盖80%以上的大城市.中国高速铁路已经成为闪亮的国家名片，2015年我国分别与俄罗斯、印尼达成协议，合作修建莫斯科—喀山高速铁路和雅加达—万隆高速铁路.可以预见，具有建设成本低、建设周期短、综合优势明显的中国高速铁路，必将伴随着“一带一路”战略走出国门，在世界范围内得到更为广泛的应用.

伴随着世界高速铁路的快速增长，高速列车试验速度也不断攀升.2007年4月，法国TGV试验列车最高速度达到574.8 km/h，创下轮轨铁路试验速度世界纪录.2008年6月，我国CRH3型高速动车组在京津城际铁路上跑出了394.3 km/h的最高试验速度；2010年9月，CRH380A型高速动车组在沪杭高速铁路运行试验中，将最高试验速度纪录改写为416.6 km/h；同年12月，CRH380A在京沪高速铁路的试验速度达到486.1 km/h，刷新中国纪录的同时，也成为世界铁路运营列车试验的第一速度.

1.2 重载铁路发展现状

重载货运是铁路运输的重要组成部分，对各国境内及国际间的货物流通、资源配置发挥着重要作用.在一些地域广阔、矿藏丰富，煤炭、矿石等大宗货物运输占较大比重的国家，如美国、南非、澳大利亚、加拿大、中国等，重载铁路技术凸显出巨大的优势.重载铁路以其牵引重量大、运输效率高的特点越来越受到重视，近年来发展颇为迅速.

重载铁路的发展始于20世纪50年代，到现今已具备庞大规模[5-7].美国是开展重载运输较早的国家，其重载线路里程约16万km，列车由120～150节车辆组成，总重在1.4～1.6万t，标准轴重32.5 t.南非重载线路集中在Richards Bay煤炭线和Sichen-Saldanha铁矿石出口线，合计全长不足1 500 km，但货物运输总量却占整个铁路网络货运量的62%，长大编组列车的轴重达到了30 t.加拿大铁路里程约5.7万km，列车牵引质量在1.3～1.6万t，货车轴重为33 t.澳大利亚拥有窄轨、宽轨等重载铁路超过2.5万km，列车平均轴重35 t，最大轴重高达40 t.在高速铁路发达的国家，如德国和法国，近年来也相继开行重载列车.此外，巴西、印度、瑞典等国家也拥有一定里程的重载线路.

我国拥有大秦线和朔黄线两条已长期运营的重载铁路，近年来两条线路上分别试验开行了3万t级重载列车和30 t轴重重载列车[8-9].在重载铁路新线建设方面，我国也取得了较大进展，2014年批复新建蒙西至华中地区铁路煤运通道，线路全长1 806 km，列车牵引质量为1万t；同年底，我国第一条设计标准为30 t轴重的山西中南部通道重载铁路建成通车，线路长度1 260 km.我国铁路重载运输提出的发展目标及要求是：专用线按轴重30 t标准设计，既有线采用27 t轴重.目前，27 t轴重通用货车、30 t轴重专用货车已开始试运行.

1.3 城市轨道交通发展现状

城市轨道交通具有运量大、效率高、能耗低、集约化、乘坐方便、安全舒适等特点，是解决城市交通拥堵问题、实现城市空间布局调整及城市均衡发展的重要途径[10-11].城市轨道交通类型繁多，按车辆类型、运送范围及技术参数等特征，可分为地铁、轻轨、单轨、有轨电车、磁浮交通、自动导向轨道和市域快速轨道系统.按照修建方式，主要分为地面线、高架线和地下线3种.

城市轨道交通的诞生已有150多年的历史，但国际上大规模修建城市轨道交通系统始于20世纪70年代，纽约、伦敦、巴黎、东京、莫斯科等大城市早已建成发达的地铁设施，目前世界上有50多个国家的150多座城市开通了地铁，线路总长超过1万km[12-13].我国城市轨道交通建设起步晚，但发展迅猛.中国城市轨道交通协会的统计数据显示:截止2015年底，我国开通运营城市轨道交通的城市共计26座，运营线路共计116条，线路总长为3 612 km；其中，地铁2 658 km，占线路总长的73.6%；市域快轨412 km，占线路总长的11.4%；轻轨239 km，占线路总长的6.6%；有轨电车161 km，占线路总长的4.5%；单轨、磁浮和APM线共142 km，占线路总长的4%.

2015年底，我国上海和北京已开通运营的轨道交通线路分别达到677 km和631 km，其中，两者的地铁运营里程均超过500 km，位居世界前两位.此外，我国有40多座城市正在进行城市轨道交通规划与建设，在建规模世界第一.国家“十三五”规划还提出：完善优化超大、特大城市轨道交通网络，加快300万以上人口城市轨道交通成网，新增城市轨道交通运营里程约3 000 km.预计到2020年，我国将有50余座城市开通运营城市轨道交通，运营里程超过6 000 km，这标志着我国已经进入了城市轨道交通急速、全面发展的新时期.

1.4 磁悬浮交通发展现状

磁悬浮列车与轨道之间无直接机械接触,不受传统轮轨系统粘着极限的限制，具有振动小、噪声低、加速快、线路适应性强等技术特点.20世纪60年代以来，德、日、美、英、中、韩等国相继开展磁浮列车技术研究，目前国际上已形成较成熟的常导电磁型和低温超导磁悬浮交通技术体系[14-15].

德国Transrapid(TR)是最具代表性的高速常导磁浮列车系统，至今共研发了9代车型.2003年，采用TR08技术的上海高速磁浮示范线开通运营，最高运营速度430 km/h，是目前世界上唯一一条高速磁浮交通商业运营线.日本经过40余年的研究，共研制出7代低速常导磁浮列车[16]，2005年开通运营8.9 km长TKL磁浮线，是世界上首条低速磁浮交通运营线，列车最高时速100 km.20世纪80年代末，韩国开始低速常导磁浮列车技术研究，相继推出两代实用型磁浮列车[17]；2014年5月，韩国建成6.1 km长仁川国际机场磁浮线，今年2月正式投入商业运营，列车最高时速110 km.20世纪80年代，我国西南交通大学、国防科技大学等在国内率先开展了中低速磁浮列车研究，成功研制出4～5代车型.我国中低速磁浮交通已进入应用推广阶段，近年来分别在上海临港、唐山机车厂和株洲机车厂建成中低速磁浮交通工程试验线.2015年底，国内首条中低速磁悬浮交通商业线——全长18.5 km的长沙磁浮线建成并开始试运行.我国北京也正在修建中低速磁浮线(S1线)，一期工程全长10.2 km，预计2016年底建成通车.

日本还致力于研发高速低温超导磁浮列车，至今已开发6代低温超导磁浮车，建成18.4 km长山梨试验线[18].2015年4月，日本L0系超导磁浮列车试验速度达到603 km/h，创造出地面交通速度新的世界纪录.近年来，中国、德国、日本、巴西等还开展了高温超导磁浮技术研究，高温超导磁浮车辆可静悬于轨道上方，悬浮间隙20～40 mm，是未来超高速真空管道运输的候选悬浮制式.我国高温超导磁浮技术研究处于国际领先，2000年西南交通大学研制成功世界首台高温超导磁悬浮实验车[19]，2013年建成高温超导磁悬浮测试环线.

2 轨道交通工程科技前沿与面临的挑战

2.1 高速铁路工程科技前沿与挑战

随着我国高速铁路运营里程和运营时间的增长，一些工程问题逐渐暴露出来，如车轮多边形磨耗严重，部分路段轨道板出现裂纹、离缝以及基础结构异常沉降等，有些问题已对高速行车安全形成隐患，迫切需要采取合理的防控措施.

要解决这些工程问题，面临着艰巨的科学技术挑战，至少包括高速动车组关键部件振动失效和疲劳损伤问题、高速条件下轮轨磨耗问题、基础结构动态性能演变及损伤问题等.另外，针对表现突出的典型工程问题，在研究确定合理的防控技术措施之后，需要尽快建立和完善中国高速铁路运营维护技术标准体系和安全保障技术体系，从而全面提升我国高速铁路设计、建造和运营维护水平.

2.1.1 高速铁路基础结构性能演化

我国高速铁路沿线地质、水文、气候条件复杂，线路建设周期短，开通运营时间短，养护维修经验相对缺乏，运营线上基础结构的劣化已进入显现期，部分路段结构局部伤损严重，如不及时进行控制，今后可能很难抑制其加速恶化态势.

现场调查结果表明，无砟轨道已出现诸多结构性伤损与破坏(见图1)，主要有轨道板、底座或支承层裂纹，砂浆充填层碎裂，道床板与支承层、轨道板与砂浆充填层之间粘结失效破坏，扣件弹条断裂等.部件损伤和层间联结失效降低了轨道的稳定性和承载能力，而且雨水的侵入还将急剧增大裂纹尖端应力水平，促进混凝土材料的钙溶蚀，从而加快了轨道结构材料和部件的劣化，对轨道结构服役性能和行车安全产生不可忽视的影响[20].

因此，当前最紧迫的任务是建立和完善我国高速铁路无砟轨道线路维修标准.而合理确定相关管理规程及指标限值，需要研究无砟轨道结构疲劳载荷表征、结构失效机理与演变规律等，从而在轨道结构伤损评估与预防技术、运用安全性评价指标与方法等方面取得突破性进展.

(a)道床板裂纹(b)层间离缝(c)砂浆充填层碎裂(d)底座裂缝

图1 高速铁路轨道结构伤损
Fig.1 Damages of high-speed railway track structures

路基、桥梁和隧道的变形与沉降会引起轨道结构变形，并表现为轨面几何不平顺和结构“动力型”不平顺，进而通过轮轨动力作用影响列车安全舒适运行[21-24].图2是中国铁道科学研究院在京津城际高速铁路武清段监测得到的轨道沉降对比曲线.

图2 京津城际铁路武清段轨道沉降对比曲线Fig.2 Comparison of track settlements of Wuqing section on Beijing-Tianjin intercity railway

图2的结果表明，2011年9月至2013年3月，该区间发生了19.6～27.5 mm的差异沉降，逼近扣件的最大调高量30.0 mm，最大绝对沉降量达206.5 mm.监测结果还显示，京津城际高速铁路亦庄沉降区段相邻桥墩的沉降差达到近20.0 mm，大大超出我国5.0 mm的限值标准.可见，我国高速铁路运营线上个别路段的基础沉降问题相当严重，目前虽未出现行车安全问题，但基础沉降仍会随着时间的推移而增大，因此，研究基础沉降的演变趋势及其对行车性能的影响，合理确定相应的维护和管理限值，具有重要的理论和现实意义.最近，笔者所在课题组就此问题进行了初步探索，研究表明，仅从车辆运行安全性及平稳性指标单方面来看，我国32 m标准简支箱梁桥的相邻桥墩沉降差限值可达23.6 mm[24]，至少说明暂行规范具有调整空间.

过大的结构变形和基础沉降增加了线路维修难度和维护工作量，而且降低旅客乘车舒适性，严重时危及行车安全，列车不得不降速或停止通行，这会造成恶劣的社会经济影响.在此方面我国前期研究未予足够重视，当前需要加强对高速铁路基础沉降的全面观测，加快研究列车荷载、水、温度等对基础结构变形与累积沉降的影响，弄清基础沉降与轨面不平顺的映射关系、基础沉降与行车安全性和平稳性的关系等，并确定变形和沉降控制指标和管理限值.另一方面，我国中西部和沿海地区高速铁路的速度等级不同，从行车安全性和乘车舒适性角度，研究确定不同速度等级高速铁路的基础沉降控制标准限值，也是一件有意义的科学任务.

此外，钢轨的波浪形磨耗、剥离原因相当复杂，对高速列车行车安全危害大，是困扰铁路运输的世界性难题.研究钢轨波浪形磨耗、接触疲劳损伤机理及其控制技术措施(如钢轨打磨、换轨周期等)，仍具有十分重要的现实意义，这其中针对不同线路条件的高速铁路钢轨打磨标准值得深入研究.

2.1.2 高速铁路运营维护技术标准体系

我国高速铁路运营时间短，尚未形成完整的运营维护技术标准体系.运营维护标准对任何国家的高速铁路安全运营均至关重要，尤其是对于拥有如此大规模高速铁路的中国来说更显重要，是实现高速铁路安全稳定运营的根本保障.当前我们面临的挑战是尽快建立一套属于中国高速铁路的运营维护标准体系.

高速铁路基础结构运营维护标准体系包括诸多方面的内容，例如：针对车轮不圆和多边形磨耗的镟轮标准、轨道几何不平顺安全维护控制限值、钢轨波浪形磨耗打磨深度阈值、钢轨焊缝不平顺安全限值、钢轨表面剥离限值、轨道结构层间离缝维护准则等等，而这些限值(标准)的确定都离不开大量的基础研究与实践积累，特别是基于高速列车-轨道-桥梁耦合系统动力学的分析研究工作[25-29]，任重道远，需要今后一段时间内加以重点研究.

2.1.3 高速铁路环境保护技术

随着社会经济的快速发展，高速铁路面临的环境保护问题愈发严峻，主要包括噪声、环境振动和电磁辐射.其中，高速铁路噪声问题尤为突出，而现场试验结果表明，高速铁路引起的地面振动问题并不突出[30-31].我国高速动车组的运行平稳性和乘坐舒适性明显优于国外同类产品，即使列车速度由250 km/h提高到350 km/h，其运行平稳性变化甚小[32]，但高速铁路噪声水平随速度的增加而迅速上升，且降噪难度大、成本高，是公认的国际性难题.事实上，国际上系统开展铁路噪声研究已有50余年的历史，在理论模型、预测方法和控制技术方面均取得不少研究成果[33-43]，但综合使用多种技术措施后的降噪效果仍不能很好满足越来越严格的工程应用需求，有时还不得不降低敏感路段列车通行速度.

高速铁路噪声中空气动力噪声和轮轨噪声占主导作用.国内外研究表明[33]，铁路轮轨滚动噪声的声功率大约以速度v的3次方增长，相应的声压级以30lgv增长；而气动噪声的声功率增速更快，甚至呈速度的6～8次方增长(见图3[33]).图4进一步给出了不同列车运行速度(200～350 km/h)下车外噪声频谱的变化情况[33].通常认为，当列车速度低于300 km/h时，轮轨噪声在高速铁路总噪声中占主导地位，因此，了解轮轨高频振动特性及其辐射机理，从声源上降低轮轨噪声是十分重要的.目前更多的工作是围绕车辋和辐板形状、结构与材料以及轮轨型面等方面进行降噪设计，今后应该全面地考虑轮轨粗糙度、钢轨短波不平顺、动态轮轨接触以及车线耦合作用等对轮轨噪声的综合影响，从系统工程的角度探寻轮轨降噪新方法和新技术.

图3还表明，当速度超过350 km/h之后，高速列车的气动噪声将超过轮轨噪声，在高速铁路总噪声中起主导作用.因此，今后若要进一步提高高速列车的运营速度，突破350 km/h甚至400 km/h，列车降噪将面临巨大的挑战.最近，Thompson[33]在高速列车气动噪声研究述评文章中，详细回顾了国外的最新研究进展，指出了高速列车气动噪声理论分析、数值预测和试验研究的若干方向，很有参考价值.总而言之，尽管国内外已开展了大量的高速列车气动噪声研究，但对更高速度的运营目标而言，如何能够大幅度降低急速增长的气动噪声，将面临严峻挑战.

图3 高速铁路(距线路中心25 m处)噪声测试结果Fig.3 Measured noise results at 25m from high-speed railway track centerline

图4 不同运行速度条件下高速铁路噪声谱Fig.4 Spectra of noise at 25m from high-speed railway track centerline under different train speeds

另一方面，国际上对弓网气动噪声的研究不多，近年来逐渐得到重视，未来会有较大的技术改善空间.弓网噪声中的气动噪声、火花噪声和滑动噪声与弓网材料、弓头外形和弓网压力等直接相关，还受到车辆振动的影响，其机理和降噪技术研究涉及空气动力学、摩擦学、电磁学等多个学科，是有挑战意义的研究方向.此外，在高速铁路主动、被动降噪方面，声屏障、吸音板、橡胶减振垫等措施的降噪率和可靠性并不令人满意，还有提升空间，例如，矿棉材料的插板式声屏障容易出现滑脱和腐化，使用一段时间后的降噪效果不理想，探索高速铁路降噪新材料、新结构、新工艺仍大有可为.

过大的电磁辐射对人体健康有影响，也会对日常生活中的电视、无线电广播等设施产生影响，是近年来公众关注的热门话题.高速列车从27.5 kV的接触网上获取电能以驱动列车行进，在弓网接触部位会有电弧以及局部放电产生，会对周围环境辐射高频电磁波[44-45].国内外现场测试结果表明，高速动车组电磁辐射各项指标均小于国际权威标准限值.但为了消除公众的疑虑，我国仍需进一步研究高速铁路电磁辐射评估和干扰防护技术，尽早形成完整、完善的动车组电磁环境设计与应用评价标准体系.

2.1.4 高速铁路运营安全保障技术体系

安全问题永远是高速铁路的首要话题，必须予以足够的关注.特别是7.23事故以来，铁路安全问题更是得到国内外广泛关注[46]，我国应当逐步建立与完善针对各种地域与复杂环境条件下的中国高速铁路安全预警与保障技术体系，这是摆在我们面前的一项极具挑战性的任务.

高速铁路的安全管理问题应从三方面进行研究，分别为施工管理、运营管理以及灾害预警.我国已积累了丰富的高速铁路建设与施工经验，当前需要完善适合我国国情、综合考虑质量和成本的高速铁路安全管理体系.但是，我国在高速铁路运营管理和灾害预警方面落后于施工管理，这也符合世界各国高速铁路发展的基本规律，当前应及时总结我国高速铁路运营实践经验，大力支持相关基础理论和关键技术研究.例如，高速铁路通信信号管理及指挥调度是决定高速铁路运行安全的关键因素，为了保证高速铁路运营安全，应杜绝人为因素导致的安全问题.从本质上提高通信信号和指挥调度系统的技术冗余性、容错性以及智能化水平，是今后需要重点关注的方向.

地震、强风、雷电、泥石流等突发性自然灾害都会对高速列车运行安全性产生极大的影响，应当依靠现代科学技术避免或最大限度地减少人员伤亡事故的发生.日本等发达国家经过多年的实践研究，已经针对相关灾害形成了预警系统[47-48].我国高速铁路发展时间尚短，对这些灾害的预警机制和技术研究不多，还未引起足够重视，而对于灾害形势严峻、网络规模庞大的中国高速铁路，建立完备可靠的监测与预警、应急处理与救援、恢复与重建的高速铁路应急安全保障系统，是一项极具挑战性的系统工程.

2.2 重载铁路科技前沿与挑战

长编组、大轴重重载列车在提高铁路运能的同时，对机车车辆和轨道结构的安全服役带来了极为严峻的考验.由于轴重提高带来的轮轨磨耗和疲劳伤损问题，轨道结构和线路状态恶化问题，以及牵引重量增大导致的断钩事故和列车纵向冲动等，严重影响到重载运输安全与效率，是世界重载铁路发达国家普遍面临的工程难题[6-7].

应该说，我国重载铁路技术与世界先进水平仍有一定差距，而我国重载铁路又具有“速、密、重”并举的中国特色，在牵引重量、运输密度及行车速度上均逼近或超过国外记录.目前我国基本掌握轴重30 t和牵引重量3万t重载运输成套技术，处于全面赶超世界领先水平的关键时期.因此，我国重载铁路的进一步发展，需要重点突破一些长期困扰世界重载铁路运输发展的瓶颈技术.

2.2.1 重载铁路轮轨磨耗问题

轮轨磨耗和疲劳伤损是重载铁路运输的突出难题，它严重影响车辆及轨道结构使用寿命，并对列车运行安全造成影响.图5是我国朔黄铁路某曲线段钢轨侧磨和损伤照片.

(a)外轨侧磨(b)内轨剥离掉块

图5 重载铁路曲线钢轨侧磨和剥离掉块
Fig.5 Wear and desquamate of rails on heavy haul railway curve

现场测试分析表明，朔黄铁路小半径曲线外侧钢轨的侧磨十分严重，严重地段侧磨量常常接近20 mm，内侧钢轨易于出现鱼鳞状剥落掉块.要预防这些问题的出现或减缓其恶化发展，首先需要解决复杂的重载轮轨关系问题.例如，轴重大幅提升以后，轮轨接触几何状态发生了显著的变化，轮轨多点接触和共形接触不可避免[49-52]，如何处理和应对这种复杂接触状态对轮轨作用、轮轨磨耗与伤损的不利影响，是对高负荷作用下轮轨接触关系与合理匹配问题提出的基础性研究挑战.

钢轨及车轮的磨耗与轮轨型面、轮轨表面硬度、轮轨接触状态、轨道结构、线路参数等众多因素有关.因此，简单地处理轮轨关系是不够的，应从重载车辆-轨道相互作用耦合系统的角度出发，构建综合考虑轮轨动力学、轮轨接触力学、轮轨材料、轮轨摩擦及伤损模式等主要方面的轮轨相互作用整体系统，用系统论的方法研究轮轨作用行为[25].采用这种系统论的方法，探讨大轴重条件下轮轨型面的适应性及其改进的可行性，提出减轻重载轮轨相互作用、降低磨耗及损伤、提高轮轨使用寿命的新型轮轨匹配技术，是非常有意义的研究工作.

钢轨打磨是国际上延长重载钢轨使用寿命的通用做法，国内外已有较多应用，但怎么打磨、打磨深度多少、打磨成何种形状等,至今并没有一套成熟的理论和方法.图6是基于轮轨动态相互作用分析得到的朔黄重载铁路小半径曲线段钢轨的非对称型面预打磨方案实例.应用实践证明其实际减磨效果良好[6，53]，为延长重载铁路曲线段钢轨使用寿命提供了新思路.可见，综合运用轮轨接触理论和轮轨系统动力学理论，研究适合于我国重载铁路运营条件的钢轨打磨技术，从而逐步建立我国重载钢轨打磨技术标准体系，是今后需要重点关注的研究方向.

(a) 外侧钢轨型面打磨方案

(b) 内侧钢轨型面打磨方案图6 重载铁路小半径曲线钢轨非对称打磨型面的设计Fig.6 Design of asymmetric profiles for rail grinding on small radius curves of heavy haul railway

2.2.2 长大重载列车纵向冲动问题

牵引和制动是重载铁路技术革新过程中所面临的两个重大科技难题，其中的一个关键问题是要解决列车纵向冲动问题.重载列车鲜明的特点在于“重”和“长”，目前我国已成功运行总重达3万t、总长约4 km的重载列车.巨大的重量、几千米的列车长度使重载列车在牵引、运行及制动过程中不可避免地产生强烈的纵向冲击行为，巨大的车间作用力势必对列车结构可靠性和列车运行安全性造成严重威胁[54-56].因此，解决好长大重载列车的纵向冲击问题，对我国重载铁路发展至关重要.

由于重载列车编组形式的多样性和线路条件的复杂性等，多种因素耦合作用下长大列车的纵向冲击行为十分复杂.其中，长大坡道、曲线段的长大列车纵向冲动尤为复杂，对列车制动特性、车钩缓冲器特性以及司机操纵方式等提出了很高的要求，稍有不慎，就有可能导致断钩等重大安全事故.面临的主要科学挑战有：不同列车编组、不同车辆配置、不同运行工况及不同线路条件下组成列车的车辆间的纵向冲击行为和作用机理，以及钩缓系统特性、空气制动波传递特性以及列车操纵形式等对列车纵向冲击的影响规律等[57-63].同样，为解决好长大列车纵向冲动问题，在长大列车制动技术、车间联接技术、列车操纵控制技术等方面均需要加大研究深度，从而为长大重载列车的安全运行保驾护航.

2.2.3 重载铁路基础结构损伤问题

重载铁路因其运量大、轴重大，严重加剧了轨道结构的伤损，对轨道结构提出了更为苛刻的要求.大轴重重载铁路轨道主要存在如下问题：钢轨的疲劳核伤、焊接接头伤损、弹条断裂、轨枕环裂、纵裂、道床板结及翻浆严重等.图7给出了几种典型的重载轨道结构劣化与破损现象，这些问题都会影响轨道结构的服役性能，并最终威胁重载列车运行安全.发展轮轨低动力作用技术和基础设施强化技术，是发展大轴重重载铁路运输需要面对的挑战.

目前，国内外重载铁路线路结构强化主要集中在轨道结构部件和桥隧结构上[56,64-68]，如研发轨下

(a)轨枕和扣件折损(b)枕下胶垫压溃(c)道床脏污(d)道床翻浆冒泥

图7 重载铁路轨道结构劣化
Fig.7 Degradation of heavy haul railway track structure

胶垫以及道砟垫、新型轨枕和扣件等，但对重载铁路道床和路基强化技术研究相对较少.实际上，重载铁路运营实践表明，道床或路基病害是造成线路结构变形和破损的根本原因之一.因此，重载铁路发展需要在道床和路基状态检测、评估与维护方面取得更大的进展，而重载铁路有砟道床的散粒体特性、隐蔽路基土工物特性，加大了这项研究工作的难度与挑战性.

另一方面，单独对重载铁路轨道结构部件进行优化，有时并不能取得理想的效果，因为某个部件的局部强化可能引发出其它部件或系统的新问题.因此，从车辆、轨道、路基或桥梁、隧道整体系统的层面上进行优化和匹配，提出重载铁路线路结构系统设计的新理论和新方法，实现重载列车和轨道性能的匹配设计，是重载铁路技术研究的新趋势.

2.3 城市轨道交通科技前沿与挑战

我国城市轨道交通运营规模和在建规模均十分庞大，正在从以建设为主向“建养”并重转化，轨道交通施工安全问题和运营安全问题时有显现，安全事故较为频繁发生.例如，我国多个城市轨道交通施工中遇到过塌陷、渗水、爆炸、火灾等事故，地铁运营线上出现了列车追尾、供电系统跳闸断电、信号错误、火灾等事故.这些事故的发生说明我国城市轨道交通发展还面临着诸多的工程技术难题.

2.3.1 复杂地质环境下地铁的施工安全

城市轨道交通建设兼具隧道工程、市政工程、公路工程等施工特点，同时又存在体量大、工期紧、工程地质条件复杂、周边环境复杂、工艺工法多样、质量安全风险高等特殊性，因此，施工建设过程中的安全问题显得尤为重要.

城市轨道交通多为地下工程，我国幅员辽阔，各地的大地构造、地形地貌、水文气象等基础条件不同，地质现象众多，导致各地城轨施工的地质条件具有明显的复杂性和差异性，且伴随着城市建设的高速发展，留给城轨交通的修建空间正不断压缩，大深度、急曲线、复杂立交、多重交叉等困难情况不断涌现[69-71].这对城市轨道交通的施工工法、施工装备、施工状态监测与控制等提出了巨大挑战.为了避免施工坍塌、沼气释放、渗水等现象的发生，保障施工安全，需要明确掌握当地地质特征及周边环境特征，针对不同的施工条件合理选择施工工法，深化施工过程中相关力学理论研究，包括散体力学、流固耦合理论等，并结合实际情况不断改进、完善现有的施工技术设备及施工力学理论.

另外，大城市建设密度普遍较高，城市轨道交通的施工环境越来越苛刻，建设过程中不可避免地出现近接既有铁路、下穿站场、毗邻古建筑等情况.近接施工面临着复杂的工程挑战，例如，如何在抵御既有结构影响(如铁路行车荷载、货车动力作用等)的前提下，减小对既有结构本身的干扰，防止既有结构发生倾斜、变形、破损等[72-74].又如，为保护近接结构不受影响，城市轨道交通工程对施工变形控制提出了极为严苛的要求，尤其是下穿高速铁路线时，需要同时满足无砟轨道的变形要求和高速列车的舒适性要求，常常面临着毫米级的变形控制技术.因此，明确近接结构的特点和要求，建立合理、细致的施工力学模型，提出有针对性的施工变形控制技术及其指标限值，对保护城市轨道交通施工近接结构十分重要，也是颇具科学性的基础研究工作.

2.3.2 地下结构服役性能劣化

城市轨道交通地下结构的变形、沉降和伤损，短期内影响列车运行平稳性，长期发展就有可能产生大的结构病变，诱发重大工程灾害，引发重大安全事故.特别是近年来我国城市轨道交通建设快，开通运营的新线多，地下结构的安全服役面临考验，其安全运营与维护面临巨大挑战.

受土层差异、临近建筑施工加卸载、地基水土流失等因素的影响，城市轨道交通在服役期间受到长期线路变形的困扰[75-77].例如，上海地铁1、2号线运营不久后结构即发生了大范围的沉降，且沉降一直在持续发展；又如，自2006年6月至2013年6月，南京地铁1号线西延线某区段最大累积沉降差高达240 mm(见图8)，因而不得不对地基进行十分困难的加固处理.今后，我国长三角地区投入运营的地铁线路越来越多，地铁隧道的长期沉降问题将日益突出.隧道结构过大的不均匀沉降会导致轨道不平顺超标，轮轨动力作用加剧，影响旅客乘车舒适性，甚至危及行车安全；而且，运营地铁隧道天窗时间短、维修空间小，在运营期间进行沉降治理极为困难.可见，为确保地铁运营安全，加强隧道结构变形与沉降的检测，掌握地铁线路状态演变机制和规律，确定合理的控制指标限值，研发相应的修复与控制技术，是非常紧迫的重要任务.

图8 南京地铁1号线西延线上行线累计沉降变化曲线Fig.8 Accumulative settlement curves of west extension line of Nanjing metro line 1

地下结构服役期内，混凝土隧道普遍存在结构性能劣化现象，主要病害有结构开裂、水渗漏和结构腐蚀劣化等，如图9所示.这些问题在国内外老旧线和新开通地铁线上都曾出现过，而且已见一些关于腐蚀开裂原因及改进技术方面的探索研究[78-80].我国由于地铁大规模建设较晚，运营时间较短，对此问题还不够重视，因此，加强地铁隧道结构全寿命周期设计与管理，前瞻性地开展地铁隧道抗老化技术和修复技术研究，对我国地铁安全健康服役十分重要.

地下结构劣化除了会引起地铁运营安全、服役寿命问题之外，根据美国土木工程协会提出的五倍定律，如果维修不及时，服役期土木结构的维修费用将以其建造费的5倍级数增长，因此预防控制很重要.解决城市轨道交通结构服役问题的关键科学问题和技术突破点在于，要明确结构性能的演化机制，开发相应的结构健康状态识别与评估技术，实现结构变形的快速修复及控制.

(a)边墙裂缝及渗漏(b)环向贯穿裂缝(c)顶部纵向裂缝(d)道床裂缝及渗漏

图9 地铁隧道结构病害实例
Fig.9 Examples of structure damages in a metro tunnel

2.3.3 城市轨道交通环境振动与噪声控制

随着人们环保意识的日益增强，对城市轨道交通引起的环境振动和噪声的重视程度也越来越高，高要求的减振降噪成为城市轨道交通发展面临的一项重大挑战.以北京地铁为例，高峰时段内同时有490列编组车在地下运行，再叠加日益增加的路面交通量，导致市区距离行车道100 m以内区域的环境振动水平在短期内提高了近20 dB，对临近人员的工作生活、毗邻研究机构精密仪器的正常使用和附近历史文物古建筑的保护产生不良影响[81].

城市轨道交通引起的振动噪声与诸多因素有关，如车辆状况、行车速度、线路及轨道条件、铺设方式、地质条件、敏感目标的类型及其与线路的距离等[82-84].因此，其减振降噪应该从系统的角度综合整治.但近年来的轨道交通工程设计中，往往一旦涉及振动噪声问题，就在“轨道减振”上做文章，使减振轨道的铺设比例逐年上升.然而，减振轨道并非万能，有时反而会引起新的问题，比如导致钢轨出现异常波浪形磨耗.即便是减振性能较好的钢弹簧浮置板轨道，对于衰减缓慢、传播距离远、对建筑和人体影响较大的地铁低频振动的减弱效果也并不理想[85-86]，想要扩大其隔振频带，提高减振效率，不能一味地增厚浮置板，而需要在掌握其动力特性的基础上，针对不同的使用环境，进行结构优化设计.城市轨道交通减振降噪宜从源头入手，针对具体场合与应用要求，遵循以下技术路线开展系统研究：掌握轨道交通的振源特性和传播途径及规律，采用合理的振动噪声预测理论与方法，结合必要的现场试验，发展高效的减振降噪技术.

此外，一些新型轨道交通如跨座式单轨交通、空中悬挂式轨道交通和直线电机轨道交通等，虽然它们引起的环境振动和噪声要小于传统轮轨交通，但也应积极开展各自有针对性的减振降噪技术研究，最大限度地发挥它们的优越性.

2.3.4 城市轨道交通通信信号可靠性

尽管轨道交通的安全性和可靠性要远高于其它城市交通方式，但近年来各城市轨道交通系统中因通信信号问题而引发的事故时有发生.例如，2011年9月27日，上海地铁10号线因信号设备故障，采用人工调度的方式，导致隧道内列车追尾；2011年11月，深圳地铁多次出现列车紧急制动(停运)事件.可见，通信信号系统作为列车运行控制的核心装备，其安全性和可靠性与城市轨道交通运行安全息息相关，而目前我国城市轨道交通已有相当规模的运营网络，其运行控制更显重要，也更加复杂.因此，发展高安全、高可靠的通信信号系统，是摆在我们面前的重要任务[87-89].

我国轨道交通信号系统的研究、开发起步晚，前期工程建设中大量使用了国外核心装备.近年来，随着我国城市轨道交通技术的蓬勃发展，国内自主开发的城市轨道交通信号系统开始得到应用，但在信号系统的互联互通、自动化、全天候、全生命周期可靠性等方面，全面实现技术突破还相当艰巨，也是我国城市轨道交通发展中面临的一项科技挑战.

2.4 磁悬浮交通科技前沿与挑战

目前常导磁浮交通的工程应用规模很小，其推广应用不仅受到不兼容轮轨网络的制约，而且需要持续创新来提高技术成熟度，降低系统建造和运营成本.在超导磁浮交通方面，日本低温超导方案尚未在其他国家得到应用，而高温超导磁浮交通技术还缺乏实质性的研究进展，今后需要加强基础理论和技术应用研究.

磁浮交通相较于轮轨交通具有独特的技术优势，比较适合于超高速(500 km/h以上)长途客运，也符合绿色城市轨道交通的发展趋势，我国可将其作为一种战略性、前沿性产业进行长远规划，持续推进磁浮交通技术创新与产业化发展.

2.4.1 常导磁浮车辆的悬浮稳定性及车轨耦合共振

常导磁浮列车通过主动控制电磁铁电流动态维持10 mm左右的悬浮间隙，但电磁悬浮本质上是不稳定的，当车辆、轨道梁、悬浮控制系统的动力学参数匹配不合理时，容易诱发车轨耦合共振.例如，日本HSST低速磁浮车曾发生过强烈的车轨耦合共振而导致磁浮列车运行试验失败[90-91].上海高速磁浮线也曾发生磁浮车辆起浮或下落时车轨之间强烈共振，其原因是上海高速磁浮车较德国原型车在结构上略有改变，导致车辆悬浮稳定性变差，后来通过调整悬浮控制器参数使问题得以解决.

磁浮车轨耦合共振主要发生在车辆静悬于轨道梁或低速通过道岔及维修基地钢梁时，工程上通过提高轨道梁刚度或阻尼缓解其振动响应，一般不对悬浮控制系统、车辆转向架结构进行修改，这增加了磁浮线路建造成本，本质上并没有改善磁浮车辆适应不同线路结构的能力[91-96].显然，常导磁浮交通车轨耦合共振问题是其推广应用的痛点，日本、德国、韩国和中国虽有多年的研究，但目前仍是常导磁浮交通发展面临的首要技术难题.其技术突破点在于：充分考虑车辆走行部和轨道梁的动态相互作用，探寻可适应不同线路结构的电磁悬浮控制技术，从根本上提高悬浮控制系统的鲁棒稳定性.此外，常导磁浮车辆走行部和轨道上部结构是车轨耦合共振的物理界面，至今国内外同类车辆均采用了相似的结构形式，十余年来甚少变化，对其开展结构优化与创新设计，用以提高转向架机械解耦能力和轨道结构的整体性，避免车轨系统发生共振，也是常导磁浮交通技术发展的方向之一.

2.4.2 低振动长寿命磁浮道岔技术

常导磁浮列车环抱轨道运行，从结构上避免了列车脱轨，但对磁浮道岔结构设计提出了难题.常导磁浮道岔采用了钢结构连续梁或分段铰接式钢梁，一方面要求道岔转辙灵活，这就要求梁的横向刚度小，另一方面要求列车平稳过岔，势必要求其竖、横向刚度越大越好，这两者之间的矛盾导致道岔结构设计(包括横向推进及定位机构设计等)困难.图10是上海高速磁浮线的五跨钢结构道岔梁结构图.由图10可见，磁浮道岔完全不同于传统铁路道岔，由于钢结构梁阻尼小、中低频模态丰富等因素，磁浮车辆在岔区静悬失稳、低速过岔耦合共振问题在工程中并未得到彻底解决[97-101].

图10 上海高速磁浮线五跨连续梁道岔Fig.10 Turnout with 5-span continuous beam on Shanghai high-speed maglev line

图11是高速磁浮车辆在道岔梁第三跨跨中起浮、静悬、落车过程中的跨中振动加速度响应测试结果[99]，竖向最大振动加速度高达16.8 m/s2.如此剧烈的车岔耦合振动不仅危及行车安全，还会导致道岔梁动应力(应变)过大，降低道岔疲劳寿命与耐久性.

(a) 右侧翼缘垂向

(b) 右侧翼缘横向图11 磁浮车辆在道岔梁上静悬时的跨中振动加速度实测结果Fig.11 Measured results of beam vibration acceleration at mid-span during the static levitation of maglev vehicle stayed on turnout

针对这类问题，需要加强磁浮列车-道岔梁耦合振动机理研究，分析不同工况下道岔梁的荷载与应力-应变特征，并在此基础上探索车岔耦合振动控制技术，开展低振动长寿命磁浮道岔结构创新设计，这对我国中低速磁浮交通技术的应用推广具有重要的现实意义.

2.4.3 真空管道磁浮交通的基础科学问题

国外很早就提出了真空管道交通的概念，但迄今为止没有实质性的工程科技研究进展.高温超导磁悬浮具有自稳定(无需主动悬浮控制)、悬浮间隙较大等优点，被认为是超高速真空管道交通的候选悬浮制式[102-106].西南交通大学在此方面开展了前期研究工作，2014年在实验室内建成真空管道磁悬浮车辆原型测试平台(图12)，可望用于真空管道高温超导磁浮技术初步原理性实验，但如何建立真空管道高速(特别是超高速)磁浮车辆实验系统,才是真正进入超高速真空管道交通研究之关键，目前还存在大量的基础科学问题有待研究.

首先，超高速运动场中超导体的物理与力学特性是目前尚需深入研究的基本科学问题.虽然已有研究表明低速准静态条件下高温超导悬浮与导向是稳定可靠的，但在超高速运动、高频振动环境下超导体是否稳定,超高速运行时热-力-磁耦合是否会引起超导体失超或承载力变化,要回答以上问题至少需要在以下方面取得研究进展：运动速度对超导体感应电流和捕获磁通的影响机制；超导体电磁-热-力多物理场耦合作用机理；高速运动场中悬浮导向力与超导材料物性的关系等.

其次，真空管道内磁浮列车超高速运行状态下的动力学安全性、乘坐舒适性等是真空管道交通工程应用必须解决的问题，这需要深入研究超高速条件下车-磁-轨-管-气耦合作用机制，了解超高速运行时车-磁-轨-管-气振动形态和悬浮导向间隙变化规律，以及轨道结构几何不平顺、永磁导轨磁场不均匀性等对列车超高速运行动力性能的影响规律等.

图12 真空管道高温超导磁浮交通原理性实验装置Fig.12 Experimental facility for evacuated tube transport with high temperature superconducting maglev vehicle

总之，超高速真空管道磁浮交通研究还处于概念设计和原理车实验阶段，其实用化技术开发和工程化应用在世界范围内都将是巨大挑战.

3 结束语

本文系统阐述了轨道交通四大重点领域发展的最新动态，紧密结合我国轨道交通工程实际，重点讨论了轨道交通建设和运营过程中存在的突出问题、面临的挑战以及应对措施和方法.当前及今后亟需重点关注的核心科学问题和技术挑战总结如下：

(1)在高速铁路领域，针对我国高速铁路由大规模“设计建造”阶段转入长期“运营维护”阶段后所面临的安全稳定运营维护之挑战，需要研究关注的核心科学问题是高速动车组与承载基础结构系统动态性能演变及疲劳可靠性，近期需要重点研究环境与高速动荷载作用下高速铁路基础结构部件性能劣化与损伤机理、无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层钙溶蚀机理、基础沉降变形与轨面几何形态的空间映射关系及其对高速行车安全平稳性的影响与控制等等.钢轨波浪形磨耗在高速铁路中同样存在，而且危害更大，其成因仍然属于世界性科学难题，一直是期待突破的焦点.此外，高速铁路安全、经济、合理的运营速度究竟是多少,涉及到运行安全性、乘车舒适性、运营经济性和环境可持续性等诸多因素，这也是中国铁路应该面对的挑战.

(2)在重载铁路领域，钢轨磨耗(特别是侧面磨耗)是一个突出问题，需要从非线性轮轨接触关系的源头开展基础研究，进而寻求重载铁路轮轨型面合理匹配设计的技术突破；重载列车轴重不断提高而带来的列车对线路动力作用加强、轨道部件疲劳伤损加剧和线路变形恶化等是重载铁路面临的另一难题，需要深入研究的核心科学问题是重载铁路机车车辆与线路结构的动态相互作用机制，其技术突破点是轮轨低动力作用技术.

(3)在城市轨道交通领域，存在的挑战之一是地铁运营线路的变形与控制，涉及到结构性能演化机制、结构状态诊断识别、结构变形修复等关键科学技术问题；另一挑战是长期困扰并影响世界各大城市居民生活的城市轨道交通引起的环境振动与噪声问题，涉及的科学问题是列车诱发环境振动的振源特性及振动在复杂工程环境中的传播规律，其技术挑战在于寻找针对不同环境及应用需要的轨道交通综合减振降噪技术.

(4)在磁悬浮交通领域，高、低速常导磁浮交通技术推广应用中所面临的挑战是车辆的稳定悬浮控制、长寿命低振动道岔梁等瓶颈技术的突破，涉及到的关键科学问题有磁浮车辆-轨道(道岔)耦合振动机制及其控制等；在磁悬浮交通的战略性前沿方向——时速1 000 km以上超高速真空管道磁浮交通，尚未系统开展面向工程应用的实质性基础科学研究，其中将面临很多科学挑战，例如，超高速运动场中高频、高荷载作用下高温超导体的物理与力学特性，又如，超高速条件下车-磁-轨-管-气动力相互作用机制等；而一旦进入工程应用，又会面临大量前所未有的技术挑战，例如，真空管道的建设标准及长大管道的低真空保持技术，又如，轨道结构几何不平顺及永磁导轨磁场不均匀性对列车超高速运行安全性与乘车舒适性的影响，等等.

致谢：感谢陈再刚副研究员对本文初稿的整理以及与王开云研究员的有益讨论；第一作者的博士研究生陈兆玮、张大伟、张徐和郭宇协助完成了大量文献搜集与整理工作，付出了辛勤劳动，一并表示感谢!

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翟婉明(1963—)，博士，中国科学院院士.现为西南交通大学首席教授、博士生导师、校学术委员会主任，兼任国务院学位委员会学科评议组成员、成都市科协主席、西南交通大学学报主编、国际轨道交通学报International Journal of Rail Transportation(英国)主编.长期从事轨道交通工程动力学与振动研究，开拓了铁路大系统动力学研究新领域，创建了机车车辆-轨道耦合动力学理论体系，提出了机车车辆与线路动力性能最佳匹配设计原理及方法，主持研究建立了高速列车-轨道-桥梁动力相互作用理论及安全评估技术.获得国家科技进步一等奖、二等奖，中国青年科学家奖，何梁何利科学与技术创新奖，长江学者成就奖一等奖，以及全国五一劳动奖章.

E-mail:wmzhai@home.swjtu.edu.cn

赵春发(1973—)，博士，教育部新世纪优秀人才支持计划和四川省杰出青年科学基金入选者，西南交通大学牵引动力国家重点实验室研究员，博士生导师.主要从事铁路车辆与轨道系统动力学、轨道性能劣化与伤损及磁悬浮车辆与线路技术研究，主持和参加国家自然科学基金、国家973计划、国家863技术和国家支撑计划等国家级科研课题10余项，曾获国家科技进步一等奖、四川省科技进步一等奖、霍英东青年教师奖和茅以升铁道科技奖，国家自然科学基金委员会“十二五”学科战略规划撰写组专家，中国科学院学部“轨道交通工程”学科发展战略研究项目专家.

E-mail: cfzhao@swjtu.edu.cn

(中文编辑:唐 晴 英文编辑:周 尧)

Frontiers and Challenges of Sciences and Technologies in Modern Railway Engineering

ZHAIWanming,ZHAOChunfa

(State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The article reviews the most recent developments in China and abroad in four key fields of modern railway engineering: high-speed railway, heavy-haul railway, urban rail transit and maglev transport, with particular emphasis on the status and position of Chinese railways in the world. Focusing on the safety, reliability and environmental suitability of railway transportation system, key frontier problems and challenges of sciences and technologies in the domains of high-speed railway, heavy-haul railway, urban rail transit and maglev transport are pointed out, respectively, which provides valuable references for future researches, and is especially helpful for the rapid development of Chinese high-speed railways and urban rail transits.

railway engineering; rail transit; development trend; frontier of science and technology; technology challenge; review

2016-04-18

国家973计划资助项目(2013CB036200); 国家自然科学基金-高铁联合基金重点项目(U1234209); 中国科学院学部“轨道交通工程”学科发展战略研究项目

翟婉明,赵春发. 现代轨道交通工程科技前沿与挑战[J]. 西南交通大学学报,2016,51(2): 209-226.

0258-2724(2016)02-0209-18

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.001

U238; U239

A