日本新干线速度等级影响因素及提速对策分析

史俊玲，荆晓霞，刘 坦，杨 磊

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 科学技术信息研究所，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081)

高速铁路运营速度是一个国家铁路技术水平和运营管理水平的集中体现，选择合理的速度等级一方面能够有效降低铁路运输企业的运营成本，优化运输效率和效益；另一方面能够提高铁路的市场竞争力和影响力。日本新干线经过半个多世纪的运营实践，在速度等级确定和提速改造方面积累了丰富的经验。我国拥有世界上规模最大的高速铁路网，研究日本新干线的速度等级影响因素及提速对策，能够为我国高速铁路速度等级优化提供参考和借鉴。

1 新干线速度发展历程

1964 年10 月1 日，全长515.4 km、设计速度210 km/h 的东海道新干线以200 km/h 开通运营，旅行时间4 h、旅行速度128.9 km/h，1965 年11 月1 日达速至210 km/h，旅行时间缩短到3 h10 min、旅行速度提至162.8 km/h[1]。20 世纪60 年代，随着波音727、波音737 等喷气式客机陆续投入使用，日本国铁技术委员会认为如果新干线设计和运营速度仍保持210 km/h，铁路会在未来市场竞争中输给航空。随着20 世纪60 年代日本经济的快速发展，为缩短区域间时空距离，避免人口和产业过度集聚，缩小地区发展差异，日本开始规划全国新干线路网。在总结设计速度为210 km/h 的东海道新干线建设运营经验的基础上，基于当时的技术水平、资金能力、地理格局等因素，将第二条新干线——山阳新干线的最高运营速度确定为250 km/h，设计速度预留10 km/h 的裕量，确定为260 km/h。1973 年发布的“新干线整备计划”将后续规划建设新干线的设计速度确定为260 km/h，这一速度成为后续新干线铁路网建设的法律依据，沿用至今[1]。

此后，新干线线路不断增加，逐渐延伸至日本本州、九州岛的大部分地区。截至2022 年7 月，日本已全线或部分开通7 条新干线，分别为：东海道、山阳、上越、北陆、东北、九州和北海道新干线，线路总长约为2 765 km。其中，东海道、山阳、东北和上越新干线均经历多次提速，最高运营速度分别为：285 km/h，300 km/h，320 km/h，275 km/h。日本新干线速度提升路径总体分为2 条：一是承担关东平原以西地区线路运营的JR 东海铁路公司、JR 西日本铁路公司在东海道和山阳新干线实行的210→220→230→270→285 km/h (300 km/h)提速路径；二是承担关东平原以东地区线路运营的JR 东日本铁路公司在上越和东北新干线实行的210 →240 →275 km/h (300 →320 km/h)提速路径；而北陆、九州和北海道新干线则按照整备计划确定的速度等级260 km/h 建设运营，开通后未再提速。总体来看，日本新干线半个多世纪以来一直致力于速度提升，但提速幅度不大，大约在10～ 50 km/h不等，且提速过程较为缓慢[2-3]。日本新干线速度变迁一览表如表1 所示[1，3-5]。

表1 日本新干线速度变迁一览表Tab.1 Japan Shinkansen speed changes

2 新干线速度等级影响因素分析

日本于20 世纪60 年代将山阳新干线的设计速度确定为260 km/h 时，考虑的主要因素为技术水平、资金水平、地理格局等。这一速度等级被纳入70 年代出台的“新干线整备计划”，即在法律层面规定了后续新干线建设的速度等级，但近年来这一速度等级已缺乏市场和国际竞争力，日本方面十分希望能够升级提速，但碍于“新干线整备计划”的制约，不得不按照260 km/h 的设计速度进行建设，开通后再实施提速。而新干线开通后提速则受到260 km/h 设计速度条件下基础设施标准低的限制，另外还需满足新干线沿线噪声标准以及动车组制动距离的要求，并具备经济可行性。综合分析260 km/h 速度等级确定以及后续的提速过程，将新干线速度等级的影响因素归纳为旅行时间、地理格局、技术水平、经济可行性4 个方面，日本新干线速度等级影响因素示意图如图1 所示[6-7]。

图1 日本新干线速度等级影响因素示意图Fig.1 Factors influencing speed grades of Japan Shinkansen

2.1 旅行时间

新干线速度等级最初论证都是基于提高市场竞争力先提出预期的旅行时间目标，然后再反推达到这一旅行时间目标需要的最高运营速度和平均旅行速度。日本一般认为新干线竞争优势在旅行时间4 h 以内，如果旅行时间超过4 h 旅客可能会优先选乘飞机，因而日本致力于通过提升速度来压缩旅行时间。例如，东海道新干线最初论证时的目标是将东京至大阪的旅行时间控制在4 h 以内，1986年提速至220 km/h 时旅行时间缩短至3 h 之内，2021 年已经缩短至2 h 21 min[8]。此外，日本正在测试最高试验速度400 km/h 的ALFA-X 高速试验车，目的是通过将在建北海道新干线(新函馆北斗—札幌段)的最高运营速度提至360 km/h，使得札幌—东京的旅行时间压缩至4 h 左右。东海道新干线开通运营以来旅行时间及旅行速度变化情况如图2 所示。

图2 东海道新干线开通运营以来旅行时间及旅行速度变化情况Fig.2 Travel time and operation speed changes of Tokaido Shinkansen

2.2 地理格局

日本是狭长的岛国，平原地区仅占国土面积的39%，城镇密度很高，为力求新干线国民利用效率的最大化，新干线站间距的设置优先考虑旅客从出发地到车站的交通费用支出。因此，新干线的平均站间距、最小站间距都较小，其中东海道、山阳、东北新干线的平均站间距分别为34.4 km，30.8 km和29.7 km，最小站间距分别为6.8 km，10.6 km 和3.6 km[1]。在车站密集设置的情况下，进一步提升新干线速度对于缩短旅行时间的效果并不明显，这在一定程度上影响其采用更高等级速度。

2.3 技术水平

日本20 世纪50 年代以来针对新干线运营速度的选择进行了一系列综合性、系统性的研究和试验，陆续开展了减阻降噪轻量化动车组、强化材质的复式链型悬挂接触网、新型轨道结构、列车超速防护系统、调度集中系统等相关技术研究，并于1972 年采用E951 型试验动车组达到了286 km/h 的试验速度。试验结果表明，运营速度达到250 km/h 具有可行性。然而试验也暴露了诸多问题，主要体现在轮轨关系、弓网关系、噪声排放方面。因此，受限于当时的技术水平，从长期运行安全性、运营维护成本及环境噪声角度考虑，当时将新干线运营速度目标值设定为250 km/h已具有一定的前瞻性。但是，20 世纪80 年代后新干线提速受到基础设施标准低、环境噪声限制严、制动距离要求高等因素制约，需要通过技术研究、具备可行性之后再实施提速[1]。

（1）基础设施标准低。由于日本新干线建成年代早，其基础设施标准较低，特别是东海道新干线主要采用有砟轨道结构，且存在多处软土路基、显著工后沉降的路段，是开通之初未能达速的主要原因；正线最小曲线半径仅为2 500 m，全线共有50段这一半径的曲线，约占线路全长的21%，曲线段的通过能力是新干线运营速度提升面临的主要挑战之一；同时，新干线隧道断面较小，直线段隧道净空面积仅为62 m2，随着动车组速度的提升，车内空气压力变化和隧道洞口微气压波控制是新干线运营速度提升面临的主要挑战之二；此外，在同等车辆轴重和线路条件下，随着速度的提升，轮轨相互动力作用将随之增大，直接影响列车运行的安全性和舒适性，同时轨道结构和线下基础也将面临实际载荷超出设计载荷的风险，大大制约了新干线的提速[1]。

（2）环境噪声限制严。1964 年东海道新干线运营之初，由于未采用环境噪声控制措施，列车通过噪声声级高达95 dB(A)，沿线居民对此非常不满。1975 年日本环境省制定了《新干线铁路噪声环境标准》，对沿线区域进行分类，规定I 类地区(主要指居民区)不超过70 dB(A)，II 类地区(除居民区外的其他地区)不超过75 dB(A)，按运输条件等同比较分析，同样边界条件下，日本新干线的噪声标准要比我国铁路边界噪声限值严格8 dB(A)左右。同等条件下，环境噪声与车辆运行速度的3～ 5 次方成正比，因此噪声问题成为新干线提速的主要制约因素。

（3）制动距离要求高。日本铁路技术标准规定新干线列车制动距离不能超过4 000 m。N700A 高速列车在初速度285 km/h 时制动距离为3 000 m。如果在现有制动性能条件下提速至360 km/h，以E2系275 km/h 列车为例，其紧急制动距离将延长至7 000 m。而中国CR400 复兴号高速列车以350 km/h运行时的紧急制动距离为6 500 m。可见，日本新干线的制动距离要求比我国更高，速度进一步提升且要满足制动距离要求就需要采取相应的技术对策。

2.4 经济可行性

1964 年平均造价为7.4 亿日元/km 的东海道新干线建成运营后，日本国铁开始出现亏损，而且亏损数额快速增加，资金压力逐步增大。而新干线设计速度从210 km/h 提升为260 km/h，需要将线路的最小曲线半径从2 500 m 增加到4 000 m，日本作为多山国家，曲线半径增大会大大增加隧道工程的施工量，山阳新干线工程造价也会随之增至16.4 亿日元/km。如进一步提升设计速度，工程造价和资金压力还将随之增大，对于当时亏损日益严重的日本国铁来说难以承受[1]。

1987 年日本国铁实施民营化改革后，拥有新干线的JR 东海、JR 东日本、JR 西日本、JR 九州铁路公司已经逐步完成上市，成为自负盈亏的运输企业，因此会重点考量新干线提速的经济性。只有在预期增加的收益能够弥补增加的成本并且有望提高铁路竞争力时才会提升速度等级。

速度提升会带来能耗的提升，能耗成本约占新干线运营成本的1/3，是经济可行性的重要考虑因素。测算结果显示，列车单位牵引能耗与最高速度的二次方相关，其增长率远高于最高速度的增长率，速度提升就需要从技术角度寻求更节能降耗的对策措施。

从实际来看，新干线速度等级是经济可行性与技术可行性综合考量和博弈的结果，这也导致新干线有多个速度等级而且提速幅度不固定，包括最初的200 km/h，210 km/h，220 km/h，230 km/h，240 km/h，以及后来的270 km/h，275 km/h，285 km/h，300 km/h，320 km/h等，提速幅度10～ 50 km/h不等[3]。

3 新干线提速对策

通过上述分析，日本新干线提速的速度等级主要是对技术可行性与经济可行性的综合考量与博弈。日本围绕新干线提速受限因素，重点从技术角度寻求应对策略。

3.1 基础设施标准低的对策

针对曲线半径小和隧道气动效应问题，主要从以下技术措施角度进行改进。

（1）曲线通过能力方面。东海道新干线将2 500 m曲线半径的实设超高由180 mm 调整为200 mm，将欠超高允许值放宽到110 mm，延长缓和曲线长度，在300 系“希望”号列车最高运营速度达到270 km/h 的背景下，首先实现2 500 m 曲线半径能够使其通过速度达到255 km/h；研发采用主动控制空气弹簧摆式技术，倾摆角为1°的N700 系动车组，于2007 年实现全线运营速度270 km/h[1，10]。

（2）隧道气动效应方面。通过优化列车头型、减小车辆断面降低隧道阻塞比、提高车体气密性、增设隧道洞口缓冲结构等措施，降低隧道气动效应影响，如将210 km/h 运营动车组气密性要求由4 kPa 提高到270 km/h 运营动车组的7.4 kPa 等。

（3）轮轨相互作用方面。一是通过将车体由钢结构改为铝合金，并采用无摇枕构架、空心车轴、铸铝合金齿轮箱体、浮动夹钳式制动装置、优化电气设备等措施减轻车辆轴重，将以210 km/h 运营的0 系动车组16 t 轴重减轻为以270 km/h 运营的300系动车组11.3 t 轴重；二是通过采用主动控制悬挂、增加车间减振器、优化轴箱定位方式等措施提升列车运行的安全性和平稳性；三是通过铺设弹性轨枕和道砟垫、调整扣件刚度、在钢轨接头处采用淬火轨、提高轨道几何状态和钢轨表面粗糙度要求等降低轮轨相互作用对轨道和线下基础的损伤[1，9]。

3.2 环境噪声限制严的对策

针对环境噪声问题，主要从以下技术措施角度改进。

（1）降低噪声源。一是研发低噪声受电弓、优化受电弓区域气动外形、设置受电弓隔声罩、优化受电弓在列车编组中的设置等，以降低受电弓区域噪声；二是优化头型设计，减小车窗及车门高低差、设置车间间隙全包罩等，以降低车体区域气动噪声；三是减轻车辆轴重、铺设弹性轨枕和道砟垫、定期打磨钢轨、减少钢轨现场焊接接头、VVVF 逆变器采用IGBT 元件、优化齿轮箱结构及制造工艺、设置外包转向架裙板等，以降低轮轨区域和线下基础振动噪声[10]。

（2）控制噪声传播。设立隔声墙、吸音板，在直立式声屏障上增加顶部衍射结构，研发新型吸隔声材料等物理阻隔控制噪声传播，提高声屏障降噪效果。

此外，JR 东海铁路公司在沿线设置了4 个环境监督站，每个监督站设置2～ 3 名专人负责噪声测试及与居民和地方团体沟通谈判；日本环境省对新干线噪声也进行定期监测，2017 年开展的监测结果表明，东北新干线仍存在3 处、山阳新干线仍存在1 处噪声水平超过标准限值，但基本得到了居民的认可。

3.3 制动距离要求高的对策

日本新干线列车目前能够仅靠粘着制动方式将320 km/h 运行时的紧急制动距离控制在4 000 m以内，进一步提速则需要增加非粘着制动，如空气阻尼制动、线性涡流制动、数字ATC 制动模式优化等。JR 东日本铁路公司2019 年5 月下线的ALFA-X 高速试验车，最高测试速度达400 km/h，计划运营速度360 km/h，为了将制动距离控制在4 000 m 以内，采用再生制动和带空-重车调节的电空制动作为主要制动方式，并在车底增设了基于德国ICE 技术的线性涡流制动，车顶增加了纵向安装的空气阻尼板(俗称“猫耳”)制动，还设置了考虑发生地震时走行安全性的横向阻尼器、地震-制动控制模式曲线等以缩短地震时的制动距离，旨在通过上述制动措施的综合作用将ALFA-X 以速度360 km/h运行时的制动距离控制在4 000 m以内，具体制动效果正在验证中。ALFA-X 车顶上的空气阻尼板如图3 所示。

图3 ALFA-X 车顶上的空气阻尼板Fig.3 Air damping plate installed on ALFA-X roof

3.4 经济可行性的对策

为了弥补新干线提速带来的成本增加，日本一直致力于研究更为节能的高速列车，高速列车是高新技术的集成，需要攻克多项工程应用和新材料等学科难题，研制周期较长，这也是新干线提速较慢的原因之一。为了用好既有资源、最大化节约成本，日本一般将新干线的提速时间节点安排在动车组更新换代之际。例如，为了将东海道新干线的运营速度由270 km/h 提至285 km/h，2013 年投入运营的新型N700A 高速列车能够实现以速度285 km/h 运行时的单位编组能耗比300 系和700 系与以速度270 km/h 运行时的单位编组能耗分别降低23%和16%，即在提速的同时实现了降低能耗的目标，能耗成本约占新干线运营成本的1/3，有效弥补了因提速而增加的基础设施改造和车辆购置成本；而东海道新干线2015 年提速至285 km/h后，旅客周转量和运输收入同比有明显增长，而同年JR 东海铁路公司的运输支出却呈小幅下降态势，因而收益明显提升；此次提速也使得东海道新干线的市场份额得到增长，其2015 年至2018 年为85%，2019 年为86%，2021 年提高到90%，对应年份民航在东京—大阪之间的市场份额分别为15%，14%和10%，从某种程度上说明新干线提速有助于提升市场竞争力。另外，日本持续推进更节能高速列车的研制，如2020 年7 月在东海道新干线上投入运营的N700S 高速列车，通过采用更轻量化车体、降低空气阻力的造型、全SiC 功率模块等措施，实现以285 km/h 运行时单位编组能耗比同速度的N700A 降低6%。2012—2021 年东海道新干线及JR 东海铁路公司的主要指标变化情况如表2 所示[10]。

表2 2012—2021 年东海道新干线及JR 东海铁路公司的主要指标变化情况Tab.2 Main indicator changes of Tokaido Shinkansen and Central Japan Railway Company from 2012 to 2021

4 结论

日本新干线半个多世纪以来一直致力于速度的提升，但受到诸多因素的制约，提速过程较为缓慢，其主要经验和教训主要包括以下几点。

（1）规划制定要为后续发展预留空间。日本于20 世纪70 年代将山阳新干线的设计速度确定为260 km/h，而且该速度在纳入“新干线整备计划”时具有一定的先进性和前瞻性。但近年来这一速度明显落后于时代发展，日本方面有意愿建设更高速度等级的线路，但碍于整备计划的限制，只能采取先建设、开通后再提速的策略。因此，制定高速铁路相关规划时，要具有前瞻性，并为后续的调整和优化预留一定的空间，避免使规划成为阻碍未来发展的因素。

（2）实现高速铁路速度等级优化管理。新干线速度等级是以旅行时间作为需求牵引所提出的，并从技术和经济角度进行系统论证，是对多个因素进行综合权衡博弈后的结果，这也使得新干线提速过程中出现了多个速度等级。目前，各条新干线上(东北、上越新干线除外)虽然开行不同等级的客运产品，但采用的各型号高速列车的最高运营速度相同，以最大化提高线路运输能力和效率。而合理的速度等级也为新干线提高运输能力、增加运量、提升收益和市场竞争力起到了积极作用。

（3）通过技术手段实现合理的速度等级。日本新干线速度提升受到地理格局、环境噪声、制动距离等因素的限制，提速之路较为艰难，只能寻求技术解决方法：包括采用摆式列车以提高曲线路段的速度；通过调整曲线半径、实际设计超高的允许值等改善基础设施条件；高速列车采用封闭式裙板、低噪声受电弓等以降低噪声，采用再生制动、涡流制动、空气阻尼板制动相结合的方式以缩短制动距离；通过采用轻量化车体、降低空气阻力的造型、全SiC 功率模块等措施实现牵引能耗性能的提升等。

总体而言，日本新干线半个多世纪以来一直致力于速度的提升，但由于受到地理格局、居民密集带来的噪声振动环境标准的严格限制，以及在减振降噪、列车制动等提速关键技术上的制约，长期未能取得突破性进展，经过多年探索，走出了一条以技术促发展的道路。我国高速铁路网规模位居世界第一位，借鉴日本新干线速度影响因素及提速对策，实施高速铁路速度等级的优化管理，对于铁路部门节支降耗、提高收益、更好地服务于经济社会发展具有重要意义。