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从零“起跑”,自主创新炼成中国高铁名片

202209/2014:10
2022-09-2014:10
来源: 瞭望

从零“起跑”,自主创新炼成中国高铁名片

核心提示: 作为中国高铁关键核心技术之一,CTCS-3级列控系统的自主研发标志着中国高铁技术装备领域的突破,自主创新成为中国高铁的“核心密码”。

9月2日,由中国制造的首批雅万高铁列车运抵印尼雅加达港,标志着以中国标准建设的东南亚首条时速350公里的高速铁路迎来又一重要里程碑。

中国高铁每往前突破一步,就为中国制造刻下一个新的领先标记。

凭借具有独立自主知识产权的高铁建设和装备制造技术体系,中国高铁不仅开进了世界屋脊高寒、高原地区,实现了跨海过桥不减速,还以“中国标准”出海,为世界高铁贡献中国方案,不断释放影响力。

从“一条线”到“一张网”,截至2021年底,中国高铁运营里程突破4万公里。“四纵四横”高铁网全面建成,“八纵八横”高铁网正加密成型,已通达93%的50万人口以上城市,实现常态化时速350公里高标运营总里程超过3000公里。中国高铁如同一条条生机勃发的“大动脉”,用速度重新定义时间,用组网改变区域经济布局。

从无到有,从引进、消化、吸收再创新到自主创新,党的十八大以来,中国高铁不断以自主创新成就自我超越,为中国发展拓展延伸更大空间。

从零“起跑”

自主建造中国高铁大脑

2022年3月19日,搭载中国自主化高铁列控核心技术的匈塞铁路贝诺段正式开通运营。作为匈塞铁路列控技术的主要主持人,中国通号研究设计院集团副总工程师江明见证了全套中国完全自主知识产权的CTCS-3级列控系统首次在欧洲国家成熟应用。

列控系统是高速铁路的大脑和神经中枢,是实现高铁高速度、高密度、高安全运行的核心系统,是世界铁路科技竞争的核心焦点。

2012年以前,我国动车自主化列控系统应用处于空白,早期的高铁只能用进口“大脑”,不仅价格贵,还受制于人。“我们怀着虚心学习的态度到了欧洲,可是技术人员既进不了对方的办公区,又进不了实验室,能接触的只有产品说明和课件,能见到的只有项目助理和数据配置工程师。不但在线运营设备在故障分析、维修服务和信息安全等多方面受制于外方,在设备克缺和维护过程中也遇到过很多不配合的情况。”江明说。

只有完全掌控全部核心技术,才能实现自主可控。中国铁路通信信号股份有限公司(简称中国通号)在全系统内集聚起超过3000人的高端研发团队准备攻克这一难关。他们一遍又一遍研讨方案、一版又一版进行软硬件开发、一轮又一轮测试,用3年时间实现了西方国家几十年的技术跨越,完成了全套完全自主知识产权的CTCS-3级列控系统研发并实现成熟应用,解决了引进产品在工程建设支撑、运营维护、信息安全、知识产权等方面受制于人的问题,提升了中国列控装备的智能高效水平、国际竞争力和信息安全等级,真正将高铁列车运行控制核心技术牢牢掌握在自己手中。

2017年,CTCS-3级列控系统首次在大西线试验取得圆满成功,满足最高运营时速350公里、最小追踪间隔时间3分钟的运营要求,性能处于世界领先水平。

2020年12月,中国通号全套自主化CTCS-3级列车运行控制系统装备合安高铁,并于2021年12月完成为期一年的整体匹配性试验。

2021年,CTCS-3级列控系统自主研发的4款国产芯片和安达操作系统实现应用,一批基于100%国产芯片的核心装备进入产业化、工程化阶段,中国高铁拥有了100%国产化“大脑”。

2023年,中国通号全套自主化标准和产品将装备雅万高铁,打造中国高铁首次全系统、全要素、全产业链走出国门的“样板工程”。

作为中国高铁关键核心技术之一,CTCS-3级列控系统的自主研发标志着中国高铁技术装备领域的突破,也验证了只有自主创新才是成就中国高铁的核心密码。

不仅仅是列控系统,中国标准动车组的网络控制系统研发也几乎是从零开始。网络控制系统的核心功能之一是“实时响应”能力,要求运行中的列车将不断变化的数据采集反馈到“大脑”中,大脑以千分之一秒、百万分之一秒为单位超高速发出指令,指挥飞驰的列车。

“复兴号”动车组总体技术专家组成员,中国铁道科学研究院集团有限公司(简称铁科院)首席研究员赵红卫回忆当时的情形:“买不到网络芯片,就按照通信协议标准进行研制;买不到网卡,就在芯片基础上研制网卡。这一次,我们不再依赖国外的技术,不再在别人的平台上‘打补丁’。”

这是一次“产学研用”的协同创新。赵红卫带领团队突破高速列车网络控制系统和核心技术,组织构建了自主化网络控制系统软硬件系统平台。

首次研制应用TCN网关,首次实现以太网列车控制,首次实现高速动车组网络恒速控车……铁科院与中车株洲电力机车研究所有限公司(简称中车株所)同步研发成功网络系统,并将最前沿网络控制技术——车载实时以太网关键技术应用在“复兴号”上。

主机厂也在技术“无人区”千锤百炼。软件系统看不见、摸不着,中车长客股份公司副总工程师常振臣说,曾有一个温度显示故障让大家苦恼不已,团队历时两个多月,一行一行“啃”,才在上万行代码中揪出问题。

中国中车青岛四方股份公司(简称中车四方)研发团队在地面搭建1:1仿真试验台,对选定的控制策略算法对应的上百种工况进行逐项验证,保障大脑聪明高效地指挥列车运营。

赵红卫清晰地记得,2016年7月15日,两列中国标准动车组在郑徐高铁成功完成交会试验。拟运营高铁动车组列车第一次跑出时速420公里。

2017年6月25日,拥有完全自主知识产权的中国标准动车组正式命名为“复兴号”。

目前,我国已经形成涵盖时速160~350公里等不同速度等级,能够适应高原、高寒、风沙等各种运营环境的“复兴号”系列产品。中国工程院院士刘友梅说,从引进到自主,核心的问题是要形成独立的技术团队和配套的产业能力。有自主创新的产品才能保障“交通强国”战略的实现。

协同“赛跑”

齐心锤炼卓越性能

精益求精让“复兴号”无论是运营速度,还是安全性、舒适性、节能降耗等主要技术指标,在全球都首屈一指,这种综合性能的优越需要上下游协同和技术体系的系统进步。

贴地飞行的“复兴号”需要强劲的牵引动力。不仅仅是大转矩,对牵引电机的功率密度、噪声、谐波、电磁兼容性等性能指标要求十分严苛,这是“复兴号”整车综合性能是否处于世界领先的关键技术指标。

为保证牵引电机中主辅一体牵引变流器成功研制,中车株所集中优势资源,对各项性能指标、新增功能、对外接口、技术细节等进行多次研讨,最终攻克技术难关:集牵引变流器、辅助变流器和冷却系统于一体,具有集成度高、功率密度大、易维护等优点,各项指标达到国际领先水平。

“复兴号”要跑得又快又稳,需要攻克转向架减震难题。中车四方转向架开发部部长张振先说,为了找到最优悬挂参数,研发团队在数十种参数组合方案中比选匹配,前后进行了110多项试制研究试验,最终实现平稳性指标达到2以下,优于“小于2.5即为优级”的国家标准。

高铁列车的车体大都由铝合金等各类高性能金属板材焊接组装而成。“焊工是高铁生产过程中的重要工种,每一条焊缝都关系到列车安全。”中车长客首席操作师李万君说,哪怕有1毫米的误差,零件就会装不上去、合不严实。

一列“复兴号”高速动车组,会用到近100种线型、近20000根导线、约100000个接线点,它们是列车的“神经”,接线这个看似简单的小工序,却是动车组装配的一大难题。研发初期,数据传输的连接器中,芯体部位的7个金属针分布在直径仅有5毫米的圆形范围内,每一根“针”都要焊接到位,像是用焊枪在针尖上绣花。中车长客高级技师胡俊祥凭借多年来练就的“超密集环境电气焊接”技术,反复试验,实现部件合格率达100%。

2022年4月,由我国自主研发、世界领先的新型“复兴号”高速综合检测列车上线运行。该车作为高速动车组新技术验证平台参与CR450动车组研制先期试验,4月21日,在济南至郑州高铁濮阳至郑州段成功实现明线上单列时速435公里、相对交会时速达870公里,创造了高铁动车组列车明线和隧道交会速度世界纪录。

屡创世界纪录的背后,是中国高铁坚持以我为主、开放合作、自立自强,为高铁技术实现从跟跑到领跑的重大跃升提供了高效的实践路径,形成了具有自主知识产权的世界先进高铁技术体系。

——在高铁技术装备领域。中国中车以“和谐号”动车组为基础,成功研制拥有完全自主知识产权和世界先进水平的“复兴号”中国标准动车组,其中“复兴号”智能动车组在世界上首次实现时速350公里自动驾驶功能,标志着中国高铁进入智能化时代。

——在高铁工程建设领域。适应我国地质及气候条件复杂多样的特点,中国中铁、中国铁建等在高铁路基、轨道、长大桥梁、长大隧道、大型客站和系统集成等方面攻克了大量世界性技术难题,系统掌握了不同气候环境、不同地质条件下建造高铁的成套技术。修建了沪苏通铁路长江大桥、五峰山长江大桥2座主跨超千米和武汉天兴洲大桥等6座主跨超500米的世界级大跨度高铁桥梁;建成了广深港高铁狮子洋隧道、西成高铁秦岭隧道群等100多座10公里以上的长大高铁隧道。

——在高铁运营管理领域。全面掌握了复杂路网条件下高铁运营管理成套技术,创新了复杂路网条件下不同速度等级高速列车高密度跨线运输调度技术,解决了不同动车组编组、不同速度、长大距离和跨线运行等运输组织难题,实现了繁忙高铁干线和城际铁路列车高密度、公交化开行,高峰期发车间隔仅有4~5分钟。

——在高铁安全生产领域。充分发挥科技保安全作用,在智能型“复兴号”动车组部署2700余项监测点,开发了自我感知、健康管理、故障诊断等列车运行在途监测技术,实现了对列车运行的全方位实时监测;建立了由高速综合检测车、沿线检测传感装置等设备组成的高铁线路设备在线监测系统,运用大数据分析,实现了对高铁基础设施运行状态的精准掌握;研发了风雨雪等自然灾害监测、异物侵限报警和地震监测预警系统,实现了对自然灾害和治安风险的立体防控。

截至2021年6月底,我国高铁已累计安全运行92.8亿公里,相当于绕地球23.2万圈,安全运送旅客141.2亿人次,是世界公认最安全的高铁。

竞争“长跑”

科研走在前面

在世界高铁的竞争中,看得见的是中国动车组在运行速度、安全、舒适度等方面的比拼赶超,看不见的是背后面向中国铁路发展重大需求,国内原创的高铁科研成果,为自主创新打下坚实基础;全国一盘棋,集中力量办大事的体制保障。

长期从事轨道交通工程动力学与振动研究的中国科学院院士翟婉明,开拓铁路大系统动力学研究新领域,率先创建车辆-轨道耦合动力学理论体系,主持研究建立了高速列车-轨道-桥梁动力相互作用理论及设计安全评估技术。在国际上,其模型与算法被称为“翟模型”和“翟方法”,他的理论方法与技术被成功应用于我国铁路提速和高速铁路的几十个重点工程中,解决了高速行车安全性与乘车平稳性方面的一系列工程实际难题,支撑着中国高铁的速度与安全。

空气动力学问题是制约高速铁路发展的瓶颈之一。中国工程院院士田红旗带领的中南大学轨道交通安全关键技术创新团队从零开始,构建起我国铁路空气动力学基础与工程技术体系,创立列车气动外形结构协同设计、列车/隧道耦合气动结构优化等方法,为2022年4月21日“复兴号”高速列车实现世界最高时速870公里明线相对交会运行提供了重要技术支撑。

西南交通大学教授王平带领团队攻坚“高速铁路轨道平顺性保持技术”,十余年磨一剑,项目成果突破了我国高铁轨道平顺性诊断与保持技术瓶颈,打破了日、德等国的技术垄断,形成了具有我国自主知识产权的成套理论与技术体系。王平告诉记者:“在过去,国外仗着技术垄断,一组道岔报价500多万元。在我国实现该项技术突破之后,他们立刻将价位降低到180万元一组。”

科研始终是自主创新最坚实的底气。集中力量办大事则是自主创新最牢固的保障。时任中国国家铁路集团有限公司董事长、党组书记陆东福认为,坚持党的全面领导,为高铁发展取得历史性成就提供了根本政治保证。坚持全国“一张网”、全路“一盘棋”,打破行业、区域的局限性,形成与国家重大战略相贯通、与相关产业布局相衔接、与区域发展需求相结合的高铁发展规划,并保持了高铁规划的稳定性、连续性,实现了高铁发展与经济社会发展相互促进、相得益彰。

坚持集中力量办大事。从中央到地方,从科研创新、生产组织到产业化应用,从研究开发、规划设计、工程建设、装备制造到运营管理整个创新链产业链,为建成世界最发达的高铁网汇聚了强大合力。

坚持不懈加强关键领域技术攻关,形成了从高铁基础理论、技术应用到成果推广乃至技术标准体系的完整创新链条,牢牢地将创新主导权、发展主动权掌握在自己手中,为高铁技术实现从跟跑到领跑的重大跃升提供了高效的实践路径。

坚持产学研用有机结合,推进协同创新、集成创新,形成推动高铁创新的组合优势;坚持正确的技术路线,实现技术政策、技术标准、技术平台和技术布局的统筹协调、专业融合,使高铁建设运营的成功经验在全国范围内快速复制推广,形成规模产业效益,大大提高高铁的发展效率和质量。

追求“领跑”

从国家名片迈向引领国际标准

在中国标准动车组采用的254项重要标准中,中国标准占到84%,11个系统96项主要设备采用了统一的中国标准和型号,中国成为高铁规则的重要制定者和重要主导者。

日前,国际铁路联盟(UIC)发布实施由我国主持制定的《高速铁路设计基础设施》标准和《高速铁路设计供电》标准,两项标准均是相关领域的首部国际铁路标准。国际铁路联盟是铁路行业最具影响力的专业国际标准组织。

近年来,国铁集团专家主持参与了国际铁路联盟高速铁路、列车网络、制动系统等专业的60余项重要技术标准的制修订,主持完成的《高速铁路实施》和《高速铁路设计》两个系列等11项高速铁路系统级标准,填补了高速铁路实施、设计等关键领域的国际标准空白。

从中国标准到世界标准,赵红卫亲历了这段历程。随着中国高铁的快速发展,赵红卫当选UIC机车车辆分委会数据与通信专业组组长,参与国际和行业标准的制定及修订工作。“过去的国际标准化组织会议上中国声音不多。如今,国外同行总会主动邀请中国专家发言,倾听中国的解决方案。”

在国际标准中纳入我国的优势技术与关键参数,为推广中国铁路技术,实现中国铁路全系统、全要素、全产业链“走出去”提供了标准支撑,创造了有利条件。

创新引领已经镌刻进中国高铁的骨髓。

在中车四方股份公司厂内的调试线上,一列5节编组的高速磁浮列车在轨道上稳稳悬浮、启动,流线型车头、蓝灰相间的车身,极具科技感。研发人员正在进行一项项精准调试,让高速磁浮系统达到最佳状态。

中国中车科学家、中车四方股份公司副总工程师丁叁叁介绍,5节编组的磁浮列车长130多米、重达300多吨,让如此庞然大物悬浮在轨道上,并以600公里/小时的速度“贴地飞行”,需要突破大量关键核心技术。

例如,列车与轨道间的悬浮间隙必须稳定保持在10毫米左右,相当于一个火柴盒的厚度。当磁浮列车时速达到600公里,车体受到的气动压力急剧攀升。为了让磁浮列车“浮得稳”,研发团队在试验现场整整进行了长达13个月的封闭式攻关,前后做了4000多次试验。

围绕时速600公里高速磁浮的工程化应用,研发团队还要解决一系列工程技术难题。如磁浮跨江穿山高速运行、气动设计、高强度车体、牵引制动、低延时通信、长途多分区多车辆全自动追踪、任意点停车、减震降噪等等,每一项都是极大的技术挑战。仅以气动设计为例。当磁浮列车时速达到600公里,车体受到的气动压力急剧攀升,可达到目前时速350公里高速列车的10倍,而气动噪声则随速度攀升呈6~7次方增长,技术难度无先例可循。

5年自主攻关,历经1680余项仿真计算、4250余项地面台架试验和500余项线路试验,啃下了一块又一块“硬骨头”,清除了一个又一个拦路虎。2021年7月20日,时速600公里高速磁浮交通系统正式在青岛下线,标志着我国掌握了高速磁浮成套技术和工程化能力。

从时速350公里轮轨高铁到时速600公里磁浮列车,中国,又一次引领世界铁路技术迈向新的突破。(记者 苏晓洲 段续 王凯)

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