下一代高速列车关键技术特征分析及展望

缪炳荣， 张卫华， 池茂儒， 周 宁， 宋冬利， 杨树旺

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室， 四川 成都 610031)

目前，欧洲和日本等几个主要国际著名轨道车辆制造商均在积极开展未来高铁技术的研制计划，探索下一代高速列车关键技术的研制方向和具体内容。他们期望通过融进更多领域的先进设计技术，寻求掌握未来高铁的关键技术[1]。根据相关文献，下一代高速列车的技术设计目标可以简单归纳为：在现有高速列车的设计基础上提高车辆的最大运营速度，如达到高于400 km/h的运营速度目标，且要满足更严格和更高技术要求的车辆设计标准；降低车辆能耗及全寿命周期成本；大幅降低车辆振动烈度和噪声；列车综合舒适度指标进一步增强。这不仅要满足车辆生态设计(废气和噪声等的排放)的巨大压力，还要面对车厢内空气压力变化、气温控制，环境、振动和声学指标等影响。此外，大数据、互联网、智能系统的集成设计和模块化设计技术等也对下一代高速列车的设计目标提出了更加严格的技术要求。这些技术指标必然通过技术细化和分解具体落实到高速列车的各个设计环节中，以促进人们加快下一代轨道交通关键技术的研发工作。显然，在相关技术的研制过程中，人们无疑将面临更多更新的技术难题[2-3]。

作者结合中国铁路总公司下一代列车发展计划研究项目，针对中车公司几个主要制造厂商进行了相关技术调研，并在青岛四方和长春轨道客车股份有限公司研发中心的技术人员大力协助下进行了资料收集、分析和整理工作。本文结合国内外正在研制的下一代高速列车的文献分析结果，对我国下一代高速列车的一些关键技术进行全方位的分析与思考，从产品系统集成设计和多学科优化设计的角度，深入探讨下一代高速列车车体结构集成设计技术的具体应用技术，提出相关内容的技术展望，为国内下一代高速列车的设计提供重要的技术参考和建议[4]。

1 下一代列车发展计划项目

面对未来轨道车辆国际市场的剧烈竞争，国内外著名的轨道车辆产品制造商，如西门子、阿尔斯通、庞巴迪等均已经互相联合，大力投入到下一代高速列车关键技术的研发，并积极开展研制计划项目。国内2017年投入运营的标准动车组是中国第三代动车组，是目前世界上最先进的高速列车技术的重要代表之一。这说明我国通过十多年来动车组研制技术经验的不断积累，已经可以利用正向技术研制具有中国标准的先进动车组。标准动车组不仅实现了2种不同设计平台体系的技术融合，也在此基础上实现了不同标准动车组的互联互通和零部件产品互换的关键技术。产品不仅体现了中国民族特色的造型设计，也在一定程度上实现了节能、降耗的设计目标，统一了维修标准，降低了运营维护成本，具有一定的先进性。与欧盟正在投入的下一代高速列车的研制计划(水平线计划和Shift2Rail计划)相比，我国下一代高速列车的主要发展趋势还需要进行综合性研究。新投入运营的中国标准动车组见图1[5]。

近年来，面临全球铁路产品的竞争压力，欧盟首次提出加大对铁路运输系统的投资力度，且决定立项一系列支持欧洲高速铁路部门的基础与应用研究项目，其根本目的在于利用一些革命性的产品设计技术提高欧洲铁路产品在全球的市场竞争力。Shift2Rail是欧盟第一个加速将最新技术与先进技术整合到一起的铁路发展计划项目，也是为了实现欧盟2020战略和欧盟运输政策的关键目标，提供有重点的研发与创新以及市场驱动解决方案的欧洲铁路发展计划项目[2-3,6-7]。

Shift2Rail项目涵盖包括铁路基础设施的许多研究子计划。比如，Roll2Rail是侧重车辆和轨道的基础研究，目标是研制“新型、可持续发展的智能和舒适的欧洲铁路轨道车辆”，旨在提出革命性、关键性的轨道车辆设计新技术；该计划于2015年5月被欧盟委员会选中后正式启动，属于“欧盟2020地平线发展计划”项目的第一个增长动力的基础项目，其中合作者包含不同领域和专业的全球著名的31个产品制造商。他们希望开展这项重要的欧洲高速铁路的创新和发展项目，利用下一代高铁的研制计划不断推动欧洲铁路产品在全球的创造力和竞争力。该项目侧重于车辆不同子系统和总体设计过程中的技术集成创新，也有助于实现项目计划目标中提出的对下一代高速列车整车和整个铁路系统水平的提高，包括运载能力，车辆的可靠、高效、舒适和全寿命周期成本的最优化。项目在具体实施过程中，分解为8个不同领域的课题，又称工作包(Work Package，WP)，包括牵引动力及相关电子技术，信号与通信技术，车体技术，走行部技术，制动技术，综合舒适性与内饰技术，横向交叉技术(噪声与能量传递等)，系统集成设计技术等。每个项目都设定了具体的技术挑战目标。其根本目的是提高列车运能，降低全寿命周期成本，更加节能降耗，安全可靠，提高综合舒适度等。

Roll2Rail计划项目中的课题1，主要研究更加高效节能、性能更好、更轻和更安静的较小体积牵引系统。根本目标是基于新兴的电子元器件和电机技术提出一种新型牵引技术。课题2主要研究新一代列车通信系统，开发新的无线电子技术应用到列车的控制功能。课题3研究轻型复合材料的列车，以降低车辆重量。课题4研究走行部(转向架)技术方面的创新，目标是降低现有和新的走行部技术的全寿命周期成本。课题5旨在打破制动系统创新的障碍，研究列车制动系统未来更高技术的需求。课题6研究综合舒适性和相关的内饰及车厢内环境问题，从乘客的角度研究评估列车吸引力和舒适性的标准化设计方法。课题7和8研究新型和更高效的噪声和能源方案，特别是研究噪声能源的传递与分离技术方法，包括下一代高速列车的最新能源消耗的技术方法。其他课题还包括系统集成设计技术和项目的集中管理等。项目组成框架见图2[8]。

除此之外，2014年英国启动一项“未来列车在今日的设计”计划，德国航空航天中心为此与其他研究机构合作积极研制一种最高速度400 km/h的双层高速列车AeroLiner3000，见图3。其设计目标是保证新型高速列车在既有线路的基础设施不做任何改变的前提下，将线路运输能力至少提高30%。同时他们还针对性开展了另外一项下一代高速列车(NGT)研制计划项目，通过采用多学科优化设计的方法解决未来的关键技术问题(快速、安全、舒适、环保)，其中主要技术设计目标包括：车辆的运营速度提高至400 km/h；比ICE3以300 km/h运行时的能耗降低50%；降低轮轨和气动噪声；提高乘坐舒适度；改善车辆安全性；降低轮轨磨耗和全寿命周期费用；采用模块化设计方法和系统集成设计技术加快产品设计制造过程；提高新产品的开发效率；缩短产品开发周期等[9-10]。

德国下一代高速列车(Next Generation Train，NGT)的主要技术特征见图4[11-12]。其主要设计目标为：

(1) 制造较低成本且可靠的高速列车，包括提高载客量等。未来核心技术的一系列研究主要侧重于如何提供更高效服务，提高欧洲铁路车辆产品在全球的竞争力。

(2) 开发轨道车辆发展的创新性关键技术，旨在提供更可持续、智能、舒适、可靠的车辆，并最终形成革命化的轨道车辆长期发展战略。

(3) 保证铁路系统产能比ICE3列车增长15%，车辆运行可靠性和准时率增加50%，整个系统节能提高30%，全寿命周期成本减少40%，同时提高乘客的综合舒适性。

(4) 实现高铁温室气体排放量的减少，缓解城市拥堵，并提供更高灵活性的铁路交通运输形式，满足日益增长的高效和绿色需求，铁路部门需要增强服务形式，降低能源和寿命周期成本，提高互操作性能，在降振、降噪的质量方面取得进步。

法国国铁与阿尔斯通公司合作，也正在研发性能将大幅提升的下一代高速列车。预计到2022年中期，新型列车正式进入商业运营，成为阿尔斯通既有AVELIA系列高速列车大家庭的一员，见图5[13]。同时，2015年底，法国三家部委联合环境和能源控制署与阿尔斯通公司共同成立合资公司SpeedInnov，研发法国下一代高速列车，进一步减少铁路运输对环境的影响，提高法国在全球高速铁路制造业的专业影响力。在研制下一代高速列车的项目中他们也提出需要大力降低产品的设计与制造成本，列车的各个关键制造环节比目前最新列车至少降低20%～35%；进一步提高产品的集成设计水平，保证生态设计，材料与结构的再循环利用率要高于90%，大幅减少列车整个生命周期的维护成本。改善乘客的乘坐综合舒适度，增强结构模块化设计与制造水平，比如加强新型材料的利用，车体结构内饰设计布局的优化，使得可利用空间扩大20%，保证更多的载客量。

日本川崎公司曾经提出21世纪高铁发展的关键技术，主要集中在车辆、电子信息、通信信号系统、动力系统、基础设施等方面，见图6[14]。日本正在研制东海道新干线上第六代高速列车，比如N700S型的试验列车，预计2020年，N700S将在东海道新干线运营，最高运行速度提高到320 km/h左右。在主变流和主变压器装置，摆式列车控制系统，空气压缩机，空调装置和转向架等关键部件实现轻量化与小型化等[15-17]。

2 主要技术特征分析

最近几年，为了提高产品在世界市场的竞争力，各国著名铁路车辆制造商均在积极针对下一代高速列车的前沿技术开展系统研究。这里以欧盟Shift2rail发展计划中提出的铁路创新发展计划项目为例，进行主要技术特征分析，其中包括：降低制造成本，提高列车可靠性，保证更高的运能和运营速度；优化与改善轨道交通通信管理(列车与列车，列车与地面)和控制系统；降低运营维护成本和保证高运能下可靠的基础设施；发展智能轨道交通运输系统；研制可持续发展的高速货运系统。

2.1 下一代高速列车的设计思想

以德国下一代高速列车为例，其主要目标是：保证列车设计技术在高速运行时性能足够强大，安全、高效，具有良好的综合性能(诸如节能降耗、生态绿色、高效智能等)，保证车辆更加优越的运营、维护性能等。通过采用关键设计技术的研制，在保证高速安全运营的前提下，进一步降低整车结构质量，提高载客量和综合舒适度等。下一代高速列车的车体头型将会采用更加流线型的头型设计，采用轻质复合材料的结构轻量化设计以减轻车辆质量。利用光学测控技术实现高速列车在运行过程中精确的连挂或者解钩。其设计内容还包括：建设新型轨道车辆的柔性模块化先进技术设计平台。提高列车的运营速度，改善轨道车辆的综合性能；增加车辆的载客能力。基于噪声、振动、温度等环境因素，进一步提高和改善乘客的综合舒适度。增强下一代高速列车的安全可靠性；优化轨道车辆关键结构部件(车体和构架等)的安全设计，比如相关的高速列车的碰撞吸能设计。优化机电耦合系统；降低轮轨接触磨耗。与ICE3新型高速列车相比，降低能耗目标需要达到50%；与ICE2车型相比，需要降低头型的空气阻力达到25%；采用新型的智能化能耗管理策略；针对关键部件进行一系列的轻量化结构设计和制造等。为了能够为下一代高速列车定义最佳的技术设计解决方案，需要针对先进的高速列车的设计平台思想(动力分散式和集中式，以及不同转向架结构类型的布局设计)，车体结构(单层和双层，以及最大宽度车体的选择)和牵引动力(不同能源类型)系统地使用可互换的不同标准进行分析和评估。考虑更多车辆设计的新概念的技术实施的可能性，包括最大载客能力，减少能源消耗措施，改善空气动力学特性和能源转换方式，轻量化结构分析，以及比较其他代表性高速列车的设计概念优缺点导致的走行部技术(转向架技术)原理的选择等[21]。

关于下一代轨道车辆概念设计阶段的优化环节，为提高车辆的安全性和舒适性提供了极大的发展潜力，需要考虑每个座椅的能耗需求，比如是否需要采用双层车辆，是否采用新的机电一体化系统的转向架控制技术。除了增强运行稳定性，减少车轮磨损和降低轮轨噪声之外，机电一体化的转向架系统将为双层车辆的乘客提供安全、平稳、舒适的乘坐环境。轮对是单独控制的驱动轮，具有相关联的车轮安装机构，可以跟随线路曲率的变化自动转向。单个轮对的牵引电机既可以作为驱动系统又可作为轮对的2个独立车轮上施加不同转矩的致动器，允许转向架与轨道的路径对齐并转向曲线，使得车轮更安静平稳地运行并减少磨损。其主要设计思想为

(1) 制造出成本有效且可靠的列车，包括高载客量的智能列车。Shift2Rail计划中是针对未来高速列车的核心技术开展一系列研究，主要侧重于如何高效服务于铁路行业，提高车辆产品的核心竞争力。主要创新项目涉及牵引技术、转向架(走行部)、车体技术、制动技术、通信网络技术等。研制高速列车技术发展的创新性关键技术，保证更加可靠、可持续发展、智能、舒适的车辆，将革命化的下一代高速列车先进的车辆设计技术设为长期战略目标。

(2) 轻量化的设计目标包括在目前ICE3列车基础上，保证产能增加15%；运行可靠性和准时率增加50%；系统节能提高30%；车辆和轨道寿命周期成本减少40%等。为了提高乘客的舒适性，还需要开发新型牵引技术，基于新型电子电气元件和电动车轮技术研制高速列车关键装备；开发满足车辆间更加灵活可靠的新连接方式需要的新控制技术，比如无线传感技术等。为了增加乘客使用空间和提高载客量，需要进行结构轻量化设计，比如采用大量轻质复合材料以降低车辆结构部件的整体质量。为了实现走行部(转向架)技术的根本性创新，降低全寿命周期成本，还需要提出新的高铁管理技术解决方案。通过征集欧洲铁路市场的广泛需求，在制动系统、舒适度、环境降噪、能耗技术方面，实现更多创新技术的突破和应用。

2.2 未来技术方案可行性分析

根据更高速、更安全、更环保、更经济、更舒适的总体设计技术目标要求，中国的下一代高速列车需要建立属于中国标准和特色的高速列车设计平台系统，真正实现多国标准的互换性、兼容性和设计平台的足够先进性。下面针对一些研究分析结果，对我国下一代高速列车的主要技术方案进行技术分析与展望。

2.2.1 下一代高速列车的先进设计平台的搭建

最近十年，国外著名的轨道车辆制造商一直在进行下一代动车组设计平台的建设。下一代高速列车设计平台应具有一定的技术特征。简单可以归纳为：如何降低能耗和噪声，实现生态绿色设计，提高产品的全寿命周期性能最优。全寿命周期最重要的特点体现在高速列车产品的集成设计，并行优化设计和多学科优化设计领域。下一代高速列车在总体设计上不仅需要满足日益增长的乘客综合舒适度需求，还需要体现更高的安全设计标准和突破性核心技术的创新要求。这些因素均要求建立先进的下一代高速列车的设计平台，并以此作为未来发展计划，积极开展下一代高速列车相关创新性项目的基础理论和工程应用技术的创新性研究。这里简单列出一个下一代高速列车设计平台的建设框架示意图，见图7。

2.2.2 转向架技术设计

转向架(简称走行部)系统的设计是下一代高速列车的核心技术。更高的运营速度必然会对转向架设计提出更加严格的技术要求，未来的技术需求必然迫使结构设计向轻量化，安全可靠，降低维护成本、轮轨间作用力等目标发展。为此，下一代高速列车转向架结构的设计还需要进行结构优化与轻量化设计，降低维修成本，利于提高运行经济性和安全可靠性。要实现下一代高速列车更高速度与更高性能的追求，创新设计转向架技术是一个重要的发展途径。

从结构与悬挂系统的功能看，国内外专家一直在思考是否可以将一系悬挂和转向架侧梁的功能合二为一，做成弹性侧梁。这种思路可以简化转向架的结构，减少部件数量，根本上实现轻量化的设计目标，在某种程度上通过大幅度的弹性变形缓和轮轨作用力较大的问题，降低轮轨冲击和振动。其根本思路在于两个方面：一方面是材料的选择，可以选择具有良好机械性能和多功能复合材料，比如采用高性能的碳纤维材料。这种材料轴向强度和模量十分高，密度低，耐腐蚀耐疲劳，具有相当优异的机械性能，在同等强度下，结构可以设计的比较简洁；另一方面，悬挂形式的选择，比如板簧层叠结构，满足转向架构架具有良好的弹性。日本川崎重工公司在世界上首次采用的碳纤维增强塑料(Carbon Fiber Reinforced Plastic，CFRP)的efWING新型转向架就是考虑这种结构形式的实例，相比传统转向架，每台减重约450 kg，轮重减载约50%，舒适性也有很大提升。efWING弹性转向架结构形式见图8[18]。

其他结构类型的创新式转向架技术还包括如下几条，这里仅仅做简单介绍。

(1) 轴箱内置转向架

轴箱内置转向架将轴箱置于车轮内侧，使得转向架体积变小，质量比传统转向架减重30%左右，满足轨道车辆及转向架轻量化设计的要求，一定程度上优化了车辆动力学性能，降低了运营维护成本。西门子SF7000内置转向架见见图9[19-20]。

(2) 架悬齿轮箱

由于转向架的簧下质量对轮轨作用力影响显著，减小簧下质量可明显减轻轮轨作用力，有利于改善车辆和轨道运行条件，延长车辆和线路寿命。对下一代高速列车，由于其速度更快，簧下质量对轮轨关系的不利影响会明显放大，以减轻转向架的簧下质量来改善轮轨关系十分必要和关键。我国高速动车组转向架传动机构尽管在驱动装置上已经采用了架悬或者体悬的方式，但由于齿轮箱和牵引大齿轮一端还是悬挂在车轴上，牵引齿轮的质量和齿轮箱质量的一半仍然属于簧下质量，要达到减轻簧下质量，采用架悬或者体悬的方式，将齿轮箱质量转移到转向架构件或车体底架上，是一个可以考虑的有效措施[21]。

2.2.3 牵引制动技术

牵引制动技术是高速列车核心技术之一。其主要作用是为高速列车提供可靠有效的牵引和制动动力。牵引系统功能是将电能转化成动能，转换过程的效率高低影响到系统能量使用效率。从受电弓、电机与电力电子传动技术、变压器、变流器等到齿轮传动系统，往往体积大且结构笨重。下一代高速列车的牵引系统，不仅要提高能量传递效率，同时要通过功率质量比进行量化考核，提高牵引效率。具体有如下几个方面需要考虑[22]。

2.2.3.1 受电弓技术

随着高速列车最高运行速度的不断提升，受电弓-接触网系统服役环境发生显著变化。高速气流的作用加剧了受电弓的气动噪声和复杂的受流环境，也容易引起弓网动态接触行为的不良变化，进而影响弓网受流性能。另外，运营速度的提高易导致载荷频变特性恶化，影响弓网匹配关系，缩短弓网关键零部件的运用寿命。为了使受电弓产品满足下一代高速列车安全高效运营要求，需要研发具有自主化的低噪声、低阻力、高可靠、高平稳、智能化受电弓，改善下一代高速列车弓网关系，提升受电弓运用可靠性，为我国高速铁路的健康发展和高铁走出去战略提供重要保障。具体而言，下一代高速列车受电弓技术体现在以下几个方面：

(1) 结构设计方面。尽可能采用流线型设计，满足低噪声和低阻力的高速运行需求，同时利用组合臂设计方案，进行包裹处理也是可以尝试的技术方案。高速受电弓设计方案见图10，测试结果也证实对降低阻力和噪声是可行的。

(2) 智能化方面。考虑关键部件的智能化，如滑板、悬挂系统、拉杆、升弓机构等。在设计和制造阶段考虑传感器的预埋，使得整体结构在出厂时，自带智能化的结构部件。状态感知的智能化，结合智能结构部件，通过接触或非接触式的传感元件，实现运行状态的实时感知，如接触状态，受力状态，升弓状态，服役环境状态(温度、湿度、气流等)。故障诊断的智能化，通过实时监控受电弓运行状态关键参数，借助专家诊断系统或模型，对出现的受电弓故障状态进行诊断，自动给出相应的报警信息。健康状态的智能化管理，通过受电弓运行状态参数的大数据累积，进行同时空环比以及相应的大数据智能化分析，掌握受电弓的健康状态，动态给出相应的维修维保策略，同时对其剩余寿命作出合理的估计。

(3) 控制系统方面。基于智能化受电弓技术，以受电弓健康状态征兆向量为控制参数，提出半闭环控制算法，通过自动切换控制目标、控制参数，实现不同受电弓服役环境下的自适应控制策略。突破传统开环控制无法自动优化，自动调整控制目标或控制参数的缺点。

2.2.3.2 电机与传动技术

电机与传动技术中包含永磁电机、多相电机、新型结构电机和联轴器、齿轮传动系统与轴承等关键技术，具体介绍如下：

(1) 永磁电机。永磁同步电机与普通交流变频电机相比具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度，属于环保低碳电机。但需要解决诸多关键技术，如基于多目标协同优化的永磁同步直驱系统集成技术，低噪高效、低速高转矩永磁直驱电机的电磁特性和新结构，非线性耦合多阶模型和参数实时辨识方法，高稳定性、低脉动的转矩控制技术，以及相应的牵引变流器技术。目前永磁电机在国外得到良好应用，我国研制的永磁电机系统已经初步运用，且在科技部项目的支持下，已经生产出永磁电机高速列车，相关技术还在继续研制过程中。

下一代高速列车也有可能会采用交直交技术，即应用多相永磁电机技术。由于多相永磁无刷直流电动机是功率密度最高的一种电机，是多台三相电动机的集成，不仅提高了系统的可靠性，改善了电动机性能，削弱了换相转矩波动，还提供多个三相系统间相互对称，或不对称的条件，以及多个三相系统的相电流不叠加的条件来减小蓄电池大电流放电。目前，多相电机随着永磁电机的应用，也在不断发展，5相甚至15相电机已经出现，在下一代高速列车中也可能应用此类电机技术。

另外，永磁电机最大的技术障碍是电机发热，而过热有可能会导致电机的永磁材料失磁。电力传动技术中的永磁电机有时也会采用液态主动冷却的方式。电机结构的创新，可以实现要求不高的自冷却，当然，这必须基于直驱式永磁同步电机的机-电-热-磁耦合作用机理及优化设计方法的突破。另外，永磁电机的永磁性能，必须要控制电机的振动问题，强烈的电机振动同样导致失磁现象的发生。如何从电机结构设计的角度进行隔振设计避免振动，也需要选择新型的结构装配形式。但是对于未来的直驱技术，必须研究直驱式永磁同步电机复合式转轴受轮轨振动的建模与理论分析方法，在结构上避免强烈振动的影响。

(2) 联轴器。目前的高速列车从电机到齿轮箱，一般采用鼓形齿联轴器，但是联轴器的漏油、发热、连接螺栓断裂是经常发生的故障现象。为了解决这一技术难题，需要发展其他高速列车采用的柔性联轴器，如无磨损的碟片式联轴器。另外，为了根本上解决这个技术问题，考虑是否取消联轴器，比如采用降低簧下质量的空心轴齿轮箱结构，可以满足电机直接连接齿轮箱，省掉联轴器，联轴器的设计技术在下一代高速列车中也是一项关键技术。

(3) 齿轮传动系统与轴承。齿轮传动系统是高速列车关键部件之一。由于速度高、运营里程长等特点，对齿轮传动系统安全性、可靠性的技术要求也越来越高。如何保障高速列车齿轮传动系统高质量、高性能的安全运营尤为重要。齿轮传动系统的状态监测、状态评估及寿命评估的智能化研究作为重大关键技术尤为迫切。齿轮传动系统的监测系统主要是轴承的温度监测，存在很大的局限性，很难全面准确反应系统的整体特性。由于智能化传感器和测试技术的发展，使得集油温、金属含量及振动监测于一体的智能化传感器成为可能。另外，齿轮箱的故障大部分是源于大小齿轮的轴承，轴承的选型和设计至关重要。由于齿轮箱服役载荷和振动情况复杂，下一代高速列车的轴承设计新技术的发展迫在眉睫。轴承设计需要从稳态设计向动态设计转变，通过复杂转子动力学建模掌握齿轮箱实际服役状态下的状态。另外，结合高速列车大系统耦合的动力学计算方法，通过理论仿真和实验验证，下一代高铁的安全服役也迫切需要人们积极开展齿轮传动系统与轴承的核心技术研究。

2.2.3.3 变压器技术

为了提高电机输出功率和电机质量的比值，需要着重解决传统车载工频牵引变压器体积庞大、笨重等缺点。在下一代高速列车中，可以尝试采用高速列车的车载新型变压器技术。比如电力电子变压器是有应用价值的新型变压器技术。基于碳化硅功率模块的发展，电力电子变压器从小功率向大功率发展的进程会大大加快。从变压器的工作原理看，提高工作频率，可以减少变压器的体积和质量，从而提高单位体积(或质量)下的传输功率。日本三菱公司已经做出大功率的碳化硅功率模块，我国在电机小功率模块方面虽然在近些年来也取得较大进展，但是要在下一代高速列车将电力电子变压器应用到车上，成为下一代高速列车牵引传动最大的标志性特征，还有一段艰巨的任务去做。为了解决传统车载工频牵引变压器体积庞大、笨重等缺点问题，还需要研究适用于下一代高速列车的车载新型电力电子变压器技术。

2.2.3.4 变流器技术

变流器技术的发展方向还是轻量化和大功率。主要目标是研究轨道交通用宽禁带半导体晶体生长、微管缺陷、微米级高精度光刻等关键芯片设计、工艺技术；解决多种电压等级器件的焊接、芯片低温键合以及欧姆接触等关键封装及测试技术；研究苛刻应用环境下的驱动保护技术以及器件的串并联技术；研究高开关频率、高结温应用技术，实现装置小型化和高效率；建立系统及关键部件的可靠性评估模型，提高系统的可用性和可靠性；加载智能化的状态监测与状态评估也是下一代高速列车的发展方向。另外一个技术是直挂式牵引变流器技术，该技术可直接从接触网取电驱动列车，这样可将牵引变压器的功能合二为一。这个技术更加先进，但还是要依赖碳化硅的工程化程度。

鬼子都打到龙游了，那兰溪是不是早已失手？老三还能不能把报丧信送到志浩手上？甚至，志浩是不是早已为国捐躯都是件难说的事。虽说兰溪离衢州不过六七十里地，赶船也就半天的脚程，但这兵荒马乱的，即便志浩回来奔丧，没个一天半截估计是到不了的。

2.2.3.5 列车运行管理与控制技术

随着动力分散式高速列车的发展，轮轨黏着控制的压力大大减少，研究的重点转移到节能运控牵引技术，根据不同列车状态(载客量)、线路特征、环境与气候特征和列车运行图要求的节能操纵技术。基于这样的节能操纵技术，下一步的可能设计目标，是实现高速列车的无人驾驶技术的研制。

2.2.3.6 制动控制技术

我国高速列车的空-电联合制动模式，不仅因为制动副的摩擦磨损，引起维修成本的增加，而且因为机械制动无法对能量再利用，容易造成能源的浪费。因此，下一代高速列车一定会向全电制动与再生制动的方向发展。这需要解决低速时车辆运营速度的精确检测，低速时牵引电机再生制动与反接制动优化匹配等基础性技术。在牵引制动控制中，多数情况下强调全电制动。但是作为紧急制动，基础制动必不可少。基础制动技术的发展，主要集中在制动材料的革命，比如新型的高速列车的制动盘材料采用碳-碳复合材，碳-陶复合材料等。这些新型材料因耐磨性好、摩擦系数高、摩擦稳定等优点而被逐步采用在新型高速列车的设计中。随着这些材料的制备工艺突破、成本降低，下一代高速列车完全有机会广泛应用。

2.2.4 材料与结构部分

目前，如何降低高速列车车辆结构的质量已经成为车辆技术研究的一项重要研究内容，尤其车体结构的轻量化设计不仅可以提高载客量，而且可以降低轴重，减少车辆整体结构对轨道的振动冲击破坏和车辆能耗。轻量化的车辆结构可以通过几个主要方式实现：其一是选择轻量化的功能性结构部件和材料；其二通过多学科优化设计技术进行结构几何特征的修改设计，满足强度、刚度和振动频率的综合技术要求。这里以车体为例，作为旅客和设备主要承载的部件，车体技术的创新要在轻量化和安全等基本要素上不断追求进步，要体现旅客对乘坐舒适度的要求。创新的建议是：多采用功能性的新材料和结构部件的多学科优化设计技术；基于轻量化设计的多目标安全设计技术(含碰撞性能、疲劳性能等)；增加载客能力新型结构与室内布置的设计技术等[22-23]。

(1) 轻量化材料的选择

就材料选择而言，在车辆结构的设计过程中，铝合金夹层材料、碳纤维增强塑料(CFRP)以及其他复合材料等已经或正在逐步取代传统的碳钢材料。采用铝镁合金或者复合材料的车体结构，在结构整体性能上应该高于或等于现行的铝合金材料的车体结构。近几年来，德国学者在研制下一代高速列车的过程中也提出了利用集成化设计技术，在车辆结构的概念设计阶段采用拓扑化的结构优化设计技术。在其他的设计案例中，正采用多功能材料逐步取代部分车辆结构的传统材料。比如通过采用泡沫铝或其他多孔材料作为车体结构的减振吸能和防碰撞材料。镁合金的材料由于其低密度(2/3的铝合金密度)和高强度性能也开始逐步在高铁车辆中得到应用。镁合金具有密度小，比强度、比刚度高，减振性能好，可加工，可循环再利用等突出优点，特别是其比强度和比刚度高，优于铝合金和钢，其作为重要的工程材料应用于高速列车不仅己是指日可待，而且也是高速轨道交通装备制造技术未来发展的必然趋势。碳纤维(Carbon Fiber)是指有机纤维经碳化和石墨化处理后得到的一种微晶石墨材料，其组成为高分子碳纤维，含碳量高达90%以上，是一种力学性能非常优异的新型材料。随着轨道交通运输行业对轨道客车的安全性、舒适性、绿色节能性提出了新的要求，碳纤维复合材料作为一种新型替代材料逐渐引起了世界各国的重视。碳纤维复合材料既可以应用于列车内饰、受电弓和设备舱等非承载、次承载部件，又可以应用于车体、转向架这类主承载部件。碳纤维作为一种性能优异的替代材料，在高速列车上已经得到一些应用。

车体是高速列车结构部件的重要组成部分，为了进一步减轻车体的质量，采用新复合材料替代原有的铝合金材料是必然发展趋势。比如法国采用复合材料生产了双层TGV挂车样车并进行试验，对耐火性、抗冲击强度等因数进行测试[3]。测试结果表明，复合材料车体在振动性能和绝热防火性能等方面具有突出的优点，提高了乘客乘车的舒适性。辛德勒客车公司用碳纤维缠绕的方法制成轻型列车车体，生产的样车在铁路线上进行运行试验，速度可达140 km/h，且满足强度和刚度的要求，达到了预期效果。韩国在2010年投入运营的TTX列车，车体外壳也是采用碳纤维复合材料蒙皮和铝夹芯结构，这样的设计使车体质量降低了40%，运行试验过程中没有出现明显的安全问题，各项性能指标满足设计要求。

高速列车的车体结构设计过程中普遍采用三明治结构的中空铝合金型材，由于不是等强度和等刚度结构，车体底架中间位置的强度和刚度相对较低。能否采用等强度和等刚度概念的设计方式，保证车体结构的受力均衡，也可能是下一代高速列车选择的一项设计目标。以德国在下一代高速列车集成设计为例，研究人员提出一种新的双层高速列车设计理念。在车体结构设计上研究人员既考虑了动车的边界条件，也考虑了车体内的动力配置。在这一结构条件下，充分利用理论上最优的可用设计空间。与传统车体结构相比，跨距缩小，并在二系悬挂处产生与挠度成反比的力矩。这种设计理念根本上降低了列车质量，提高了车体结构的设计刚度，由于允许的最大轴重限制在其对走行部设计技术也提出了非常严格的技术要求。此外，加速、平稳运行和制动必需的节能等问题，以及安全减排环保和轻量化设计等因素，需要考虑采用多功能材料的设计原则，将各种材料使用在能够发挥它最大潜力的地方。为了实现较低的结构质量，总体采用玻璃纤维增强板材(GFK)和三明治填充结构及其他轻金属结构，同时大量采用碳纤维复合材料(CFK)筋板。此模块化设计可以由复合纤维轻结构与带有填充层的桁架结构组成，将车体分为不同功能的设计段。这种多功能材料的设计概念和新型筋板结构可以比目前结构质量降低30%。与此同时，车体结构尽可能地进行功能集成，以便最大限度地利用净空限定的内部空间。在下一代动车设计过程中大量采取了集成化和模块化设计技术的新型结构模式，见图11[24]。

3 我国下一代高速列车设计技术的展望

根据下一代高速列车结构集成设计技术的调研和关键技术研究，说明研究我国未来高速列车的关键技术已经十分迫切而且必要，比如新型轻量化减振降噪材料的制备与应用技术的研制可以满足车内低噪声与低振动要求。利用面向广域服役环境，复杂载荷工况，大型复杂结构的绿色、智能、高效的先进材料制备技术，可以为下一代高速列车提供更加可靠的安全保障[4,25-31]。

另外，降低能耗是研制下一代高速列车的重要技术指标之一，如何降低能耗是下一代高速列车设计需要重点关注的内容。实际上，降低能耗的需求体现在高速列车的生态设计和绿色设计的各个方面，比如列车气动外形的优化设计可以降低空气阻力、降低能耗；牵引制动系统的优化控制可以高效节省能源消耗；智能化的结构与材料设计技术等。也就是说，下一代高速列车能耗的降低不仅是牵引制动控制最优控制策略模式的选择，也包括关键结构部件的外形优化设计和结构轻量化设计，新型智能化材料的选择，智能运营与维护管理等，这就需要重点研究高速列车的最佳牵引制动的管理方式。包括研制未来列车的混合动力系统模型以满足高速列车的新特性，如高速和节能的要求。列车能量效率的控制策略和再生制动方式的选择，最佳牵引控制方式更是一种非线性系统的优化问题。列车在加速或上坡时会消耗能量，空气阻力，轮轨阻力和舒适性需求，同样需要消耗能量。如何通过再生制动方式的研究，再生和回收列车消耗的能量输入以加速列车，可以极大地降低能耗[32]。下一代高速列车的关键技术，包含内容丰富，这里仅仅讨论主要技术的具体特点。

3.1 互联互通性的下一代高速列车设计技术平台的建设

基于多目标、多学科的高速列车优化设计环境，探索研究下一代高速列车车体结构的研发与设计技术。这种技术主要基于已有的中国标准动车组相关技术，参考和学习欧洲与日本等国家的设计标准的最新技术要求，最终丰富和完善中国动车组设计标准，完成互联互通性的下一代高速列车设计技术平台的建设。

3.2 关键设计技术的创新和突破

3.2.1 关键技术研究

牵引技术包括受电弓技术，电机技术，变流变压技术，电力电子和电传动技术，列车控制与管理系统等；转向架技术与动力学控制技术；车体技术-新材料新工艺设计技术；制动技术；通信网络技术；智能监控技术等。这里以主动安全控制技术的应用为例简单说明，这也是列车控制与管理系统中必须要重点考虑的技术难题，其核心内容是指列车和车辆在高速行驶状态下操纵稳定性、制动稳定性、适应环境状况和天气变化等动态未知变化的能力。在下一代高速列车的研制过程中，仅仅依靠提高高速铁路的被动安全性，不能高效地提高高速铁路的可靠性。研究与被动安全相结合的主动安全方法显得尤为重要。对高速铁路中的主动安全控制系统建模分析，是列车安全运行的关键技术和方法，进一步通过经验预测性分析、主动防御等，最终达到高速列车的主动安全控制。

3.2.2 关键结构部件的设计技术

前面介绍了转向架部分关键设计技术，这里以车体设计为例简单说明。就车体而言，提高列车综合舒适度，建立高速列车车体结构设计的多学科优化设计技术。突破下一代高强、高韧、轻量化、变截面、变曲率、大断面中空型材轻合金车体结构关键技术，实现车内环境综合舒适度提升。采用全景式高速列车车体结构设计技术，最大限度利用最优设计空间，以安全、轻量化和节能降噪降耗，通过最优空间设计和能量传输理论、多功能材料设计概念，实现关键结构设计技术的提升，具体细节体现在等强度、等刚度结构；(型材)变截面；多功能材料设计(铝镁合金、碳纤维)；综合舒适度；流线型(车体和转向架)；3D打印技术。研究变截面、变刚度、等强度等新材料、新工艺，开展碳纤维、复合材料及轻合金应用于构架部件的技术研究，从根本上提高结构轻量化的水平。解决新型车体结构的轻量化设计、抗疲劳设计、先进设计与制造技术、耐碰撞技术、减振降噪、防寒防火阻燃技术等方面的一系列研究。另外，车体结构的设计还需要解决在服役环境下的声振耦合、刚柔耦合、流固耦合、热固耦合、传声和声辐射、碰撞安全性等关键科学问题。

空气动力学性能的优化设计也是高速列车结构部件外形设计的关键技术之一，其中包括了车体、转向架以及受电弓等关键部件的气动性能优化设计技术。比如通过优化车头的形状，减少运行空气阻力和气动噪声；考虑列车进出隧道、会车以及横风作用下的列车安全性与稳定性；优化列车压差变化的不利影响(微气压以及列车前端与尾端的压力的分布变化)；降低气动噪声，改善车体与周围环境的空气动力学影响等。为了抑制列车在进出隧道中的舒适度下降和振动加剧的问题，需要重点考虑列车头部和列车截面外形的优化设计，以减少空气作用力的作用。

3.2.3 列车智能化技术

智能化技术的特征体现，应该从以下几点考虑：

(1) 全息化感知。充分利用车对地、地对车和车对车检测手段，构建新型的检测体系，以实现高速列车全息化的状态感知功能。当然，这并不需要太多的车辆状态感知传感器，而是利用大数据、智能化、优化的传感器布置技术，获得列车安全运行所需要的车辆状态测试数据。

(2) 定量化评估。基于车辆结构的健康状态评估，必须做到定量化，否则就无法针对状态进行有效的运行、维护决策。定量化评估需要针对结构健康状态进行正确评估，比如针对结构主要故障的准确定位，最重要的还是安全性的评判。考虑到线路、环境状态的高速列车运行安全性的影响，需应用高速列车耦合大系统动力学理论进行健康与安全评估。

(3) 健康化管理。智能化技术的另外一个重要功能就是支撑有效的车辆运营和维护，尤其基于状态感知系统和状态辨识与评估系统，更加需要对车辆的结构健康状态，特别是剩余寿命实现准确判断。结合高速列车的运行历程，需要建立非状态检测的车辆结构的剩余寿命模型，实现高速列车的状态修，也就是基于状态评估和剩余寿命预测的动态计划修，实现能力保持下的经济性维修。

(4) 安全评估技术。在下一代高速列车设计时，需要重点考虑高速列车主动安全防护能力，包括先进的高速列车的感知技术与安全评估技术的研究。在全面感知高速列车状态的基础上，明确列车系统所有构成与安全相关的要素之间的互动关系，探明系统在行为异常、失效、故障、事故和安全事故等情况下状态演化规律，进而构建车辆系统的全局安全作用关系网络模型。在此基础上，安全评估技术还需要实现系统安全状态空间划分，并形成系统安全综合评价指标体系，实现系统全局安全状态的量化表达，满足对车辆系统安全评估的广度、精度、效率、可靠性和综合性的要求，见图12。

3.2.4 大数据架构下的智能化评估技术

下一代高速列车还需要构建基于云计算分布式架构的智能决策的框架体系，具体包括：深度学习的系统安全状态跨模态融合模型；离线、在线联合的车辆系统安全隐患数据挖掘技术；基于知识、数据深度结合的系统风险预测与事故致因推理方法等。这样可以逐步形成下一代高速铁路大数据平台下的安全智能评估决策系统，满足下一代高速列车更丰富的感知、故障诊断、评估预警和维修决策的先进技术要求。大数据无线网络技术见图13。

3.2.5 关键设备状态运营维护优化

大数据架构下的智能化维修决策技术：将车辆系统全局安全感知信息、历史检测数据、历史维修数据等海量信息数据与维修决策支持系统联合起来，形成一个智能化的维修决策支持系统，使维修决策软件化。这种基于大数据的状态信息对下一代高速列车的运营维护进行优化的方案有着十分重要的意义。维修决策方案见图14。

4 结论

研制具有中国标准的下一代高速列车技术，需要站在国际高铁技术的最前沿，学习和借鉴国内外不同领域的最新设计成果，在实现下一代高速列车设计平台建设的总目标下，不断建立与完善具体的下一代高速列车核心技术的实施细节。下一代高速列车的设计技术，不仅需要体现总体设计理念的革命性创新，突破传统设计概念上的材料、形状与结构的变革与创新，更要体现在智能化和运营维护及结构健康监控技术。关键技术应该包括走行部悬挂控制技术；列车系统的主动安全控制技术；大数据、互联网和人工智能技术的综合应用。下一代高速列车应该能够有效地提高列车的预测、健康、管理(PHM)、状态维修与智能维修等综合水平，充分利用复杂系统集成设计和多学科优化设计技术，实现下一代高速列车的总体设计指标的足够先进性。简而言之，下一代的高速列车关键技术应该体现在如下这几个方面。

(1) 结构创新

下一代高速列车应该在总体设计的理念，在总体结构设计上一定要有创新，建立与完善新一代的高速列车设计平台。就车辆而言，必须要保证下一代高速列车在结构可靠性、系统安全性、维修经济性和性能指标等方面得到明显提升，量化改善目标应该达到30%以上。结构的创新更多反映在牵引传动与制动技术、转向架(走行部)、车体结构和关键结构部件上，通过结构设计上的创新，有效降低轮轨作用力，提高载客量的同时改善综合性能指标等。

(2) 材料创新

材料创新性是下一代高速列车的车辆结构设计的一个重要环节，比如下一代车体具有的高耐寒、高耐雪特性。材料的应用上，不仅包括关键结构部件采用的常规材料(各种板梁结构，夹层材料等)、隔振材料(蜂窝板，泡沫铝等)、隔热保温阻燃材料、碳纤维材料、高分子材料和其他类型的复合材料等。在车辆结构上将更多采用多功能材料和智能材料等。这就需要研制更多的新材料、新结构和新工艺在轨道车辆的应用，包括一些材料的可回收再利用。随着镁合金、碳纤维等材料的逐渐成熟，为走行部及车体的轻量化提供了良好的基础条件；碳化硅材料的成功应用，可以给牵引系统的大功率和小型化、轻量化带来可能；碳-碳、碳-陶复合材料的应用，也为制动系统轻量化及高可靠性带来希望；无磨耗、长寿命与鲁棒性的高分子材料发展，也使得车辆结构的悬挂元件(比如橡胶弹簧，转向架的转臂的橡胶节点)有了多样化的选择。

(3) 控制技术创新

下一代高速列车的一个核心思想就是要使车辆对线路有更好适应性，特别是对线路不平顺有更好的适应性。这就需要提高列车与线路友好性，降低线路的建造与维护等级，提高系统的经济性。悬挂系统的主动控制技术(包括半自动与自适应)有望在下一代高速列车中得到应用，通过先进的控制技术的应用，来极大提升车辆性能和车辆对线路的适应性。

(4) 互联网、大数据、智能运营维护与结构健康监控的技术创新

下一代高速列车的一个重要特点主要体现在：智能化、网络化、数字化和信息化技术的集成创新。通过智能化可以实现对车辆状态的感知与安全评估。通过物联网、大数据、人工智能等新技术，优化列车网络控制系统和信息管理系统。基于结构健康监控可以满足列车的服役状态管理及智能运营维护；通过先进的车辆状态修的科学管理体系，实现车辆状态与运营能力的保持，有效减少维修作业，降低维修成本。另外，还需要研制其他相关的车辆结构健康监控的前沿技术，比如车辆结构关键部件的载荷识别与裂纹跟踪系统的研制；提高抗地震安全性的“地震制动”功能，配备车载地震预警系统、紧急停车系统和防脱轨系统，以保证列车在地震时能够有更短的列车制动距离； “转向架振动检测系统”和“车辆数据分析中心”的研制等。通过车辆主动与半主动控制技术降低车辆振动与噪声，利用新技术抑制主要结构部件的噪声影响等。

总之，为了保证下一代高速列车的先进性，需要采取各个研究领域的最新技术，综合改善车辆的集成设计技术和总体设计技术，以保证车辆结构的综合最优性能。