財(cái)經(jīng)雜志：高鐵科研“轉(zhuǎn)軌”

在慘痛的代價(jià)下，高鐵科研或?qū)淖非笏俣绕孥E正轉(zhuǎn)向保障安全運(yùn)行

僅僅過去兩個(gè)月，鐵道部再次勒緊了高鐵的“韁繩”。

從8月28日零時(shí)起，“降”字當(dāng)頭的新版鐵路運(yùn)行圖實(shí)行。京津城際、滬杭、合寧、合武、石太、昌九、長(zhǎng)吉、秦沈等多條高鐵線路，都將時(shí)速下調(diào)了50公里，而客貨混跑的既有線動(dòng)車組列車時(shí)速由200公里調(diào)整至160公里。

對(duì)中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研(下稱力學(xué)所)究員楊國(guó)偉而言，他所領(lǐng)銜的“時(shí)速500公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究”的實(shí)車線路實(shí)驗(yàn)，將因此遙遙無期。而年初，鐵道部部長(zhǎng)盛光祖上任不久，該項(xiàng)目的試驗(yàn)列車研發(fā)即被叫停，當(dāng)時(shí)在CRH380A型車設(shè)計(jì)平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā)的樣車已基本進(jìn)入總裝階段。由中國(guó)南車股份有限公司(601766.SH，下稱中國(guó)南車)研制的CRH380A在京滬高鐵試運(yùn)行時(shí)，最高運(yùn)行時(shí)速已達(dá)到486.1公里。

楊國(guó)偉遇到的變化并非個(gè)案。高鐵兩次降速，說明中國(guó)高鐵技術(shù)在理論層面上還有大量問題需要進(jìn)一步研究。“7·23”動(dòng)車追尾事故或?qū)⒊蔀橹袊?guó)鐵路史上，高鐵從追求速度奇跡轉(zhuǎn)向保障安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要推力。

科研不足

2008年之前，楊國(guó)偉的研究項(xiàng)目從未與高鐵發(fā)生交會(huì)。其研究領(lǐng)域是計(jì)算流體力學(xué)，項(xiàng)目多涉及航空航天領(lǐng)域。

但在2008年2月26日，鐵道部和科技部簽署《中國(guó)高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃》明確提出，研制符合京滬高速鐵路運(yùn)營(yíng)需求的時(shí)速350公里及以上高速列車，建立并完善具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的時(shí)速350公里及以上中國(guó)高速鐵路技術(shù)體系。

同年8月，科技部啟動(dòng)“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃“中國(guó)高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”重大項(xiàng)目，共分十個(gè)專項(xiàng)課題，科研經(jīng)費(fèi)10億元，鐵道部相關(guān)企業(yè)自籌20億元。

這也是與鐵道部向未關(guān)聯(lián)的高校和科研機(jī)構(gòu)參與最多的一次。在此之前，鐵道部資助的科研項(xiàng)目，多由其所屬科研機(jī)構(gòu)和關(guān)聯(lián)企業(yè)領(lǐng)銜。比如2006年11月，同為“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃的“高速輪軌鐵路引進(jìn)、消化吸收與創(chuàng)新”課題招標(biāo)結(jié)果公布，中國(guó)北車股份有限公司(601299.SH，下稱中國(guó)北車)是項(xiàng)目組織單位，在全部8項(xiàng)課題中，其所屬的長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司承擔(dān)了4項(xiàng)課題，四方車輛研究所獲得1項(xiàng)課題，而剩下的3項(xiàng)課題則被中國(guó)鐵道科學(xué)研究院收入囊中。

“世界上最發(fā)達(dá)的高速列車引進(jìn)來了，在消化吸收的過程中，光靠鐵道部的力量顯然不夠。”一位參與“中國(guó)高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”專項(xiàng)課題的人士對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者分析，迫于解決現(xiàn)實(shí)問題的壓力，鐵道部不得不敞開門戶。最終，參加350公里及以上高速列車攻關(guān)計(jì)劃的有25所高校，11個(gè)科研院所。

但從此時(shí)的課題設(shè)置上亦可看出，研究依然以速度為先。

以楊國(guó)偉為首的團(tuán)隊(duì)主持的一項(xiàng)課題是“高速列車空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)及評(píng)估技術(shù)”，主要研究任務(wù)就是對(duì)從川崎重工引進(jìn)的CRH2型車和從西門子引進(jìn)的CRH3型車進(jìn)行消化吸收，并盡快通過再創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)京滬高鐵列車的整車減阻降噪設(shè)計(jì)。這一項(xiàng)目通過與南車青島四方、北車唐山軌道客車、長(zhǎng)春軌道客車的合作，協(xié)助完成了CRH380A和CRH380B的定型設(shè)計(jì)，其中CRH380A總阻力減少6.1%，CRH380B總阻力減少8.6%，解決了當(dāng)時(shí)牽引系統(tǒng)最大功率不足以支撐時(shí)速350公里的長(zhǎng)距離運(yùn)行和節(jié)約能耗問題。

不過，這一研究實(shí)際上也只是起到“錦上添花的作用”。

先進(jìn)理念和真正的關(guān)鍵技術(shù)是買不來的，“花錢只能買來設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)一定程度上的仿制，(核心技術(shù)的掌握)必須要靠原始創(chuàng)新”。北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院電力工程系主任吳俊勇教授對(duì)《財(cái)經(jīng)》記者說。

高鐵有工務(wù)工程、牽引供電、通信信號(hào)、動(dòng)車組、運(yùn)營(yíng)調(diào)度、客運(yùn)服務(wù)六個(gè)主要系統(tǒng)。吳俊勇是高鐵牽引供電系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)＜?，?jù)他所知，在這一系統(tǒng)的技術(shù)引進(jìn)談判中，有些關(guān)鍵技術(shù)鐵道部并未拿到。

西門子生產(chǎn)的27.5千伏的真空斷路器是牽引供電系統(tǒng)一個(gè)比較核心的技術(shù)，能保證使用10萬次不出故障。高鐵是分段供電的，當(dāng)動(dòng)車經(jīng)過段與段之間時(shí)，要通過斷路器的正確動(dòng)作保持供電連續(xù)性，因此，真空斷路器的質(zhì)量直接決定著高鐵供電系統(tǒng)的故障率。

盡管經(jīng)過項(xiàng)目攻關(guān)，但吳俊勇透露，目前這一問題仍未突破，國(guó)產(chǎn)仿制的真空斷路器沒有那么耐用，能保證使用七八萬次不出故障，一旦出現(xiàn)問題就得更換，亦增加了維護(hù)成本。

與此同時(shí)，由于對(duì)核心技術(shù)的設(shè)計(jì)原理及設(shè)備相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系沒有吃透，中國(guó)科學(xué)院軟件研究所主持的“中國(guó)高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”重大項(xiàng)目中的專項(xiàng)課題“高速列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)”已經(jīng)取得了成果，但在高速列車上進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)用還有一段距離。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)好比是高鐵動(dòng)車組的大腦和密布全身的神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)這一結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的系統(tǒng)“動(dòng)刀”，意味著不僅要把相應(yīng)的軟件編程出來，還要把所有相關(guān)設(shè)備的性能搞清楚。但有關(guān)性能的核心技術(shù)國(guó)外廠商并未轉(zhuǎn)讓，而是打包在控制系統(tǒng)里面。這給中國(guó)科學(xué)院軟件研究所的攻關(guān)設(shè)置了很大的障礙。

前述參與“中國(guó)高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”專項(xiàng)課題的人士透露，“當(dāng)軟件所的項(xiàng)目最終取得較大進(jìn)展時(shí)，廠方又不敢貿(mào)然采用，因?yàn)檫@是人命關(guān)天的事情。”軟件所后來提出漸改方案，即從簡(jiǎn)單設(shè)備開始，用自主研發(fā)的系統(tǒng)逐步替代原有系統(tǒng)，“最難的部分可能還要很長(zhǎng)的時(shí)間才能攻克，因?yàn)殡娮泳€路、計(jì)算機(jī)控制等方面，國(guó)內(nèi)差距都較大。”該人士說。

讓楊國(guó)偉最擔(dān)心的問題，則是一種被稱為“高周疲勞”的局部結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象：當(dāng)結(jié)構(gòu)受到高頻循環(huán)作用力時(shí)，盡管每一次的作用力不足以對(duì)材料造成破壞，但如果破壞循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定量級(jí)，結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生疲勞而影響性能，極端情況下會(huì)產(chǎn)生裂紋直至斷裂。

高鐵列車在高速行駛狀態(tài)中，其車身側(cè)下部和底部由于離地面較近，受氣流擾動(dòng)影響大，面臨“高周疲勞”的威脅。1998年釀成101人死亡的德國(guó)高鐵事故，事后查明就是車輪因材料老化產(chǎn)生“疲勞斷裂”，致列車脫軌。

然而，目前科學(xué)家還沒有完全摸透其中的規(guī)律。力學(xué)所科研人員在典型結(jié)構(gòu)高周疲勞試驗(yàn)中遇到過，依據(jù)目前檢測(cè)手段，在毫無預(yù)兆的情況下，有時(shí)試驗(yàn)件會(huì)迅速產(chǎn)生裂紋，裂紋快速擴(kuò)展并突然斷裂的現(xiàn)象。“目前的檢測(cè)技術(shù)都是先認(rèn)識(shí)清楚材料結(jié)構(gòu)特性，然后造出檢測(cè)儀器，但現(xiàn)在我們沒有搞清楚高周疲勞機(jī)制，所以就很難檢測(cè)出來。高速列車的輪軸、轉(zhuǎn)向架、底板、裙板、懸吊件等結(jié)構(gòu)均處在高周載荷作用環(huán)境中，目前應(yīng)該將高速列車服役結(jié)構(gòu)安全可靠性作為研究重點(diǎn)。” 楊國(guó)偉說。[!--empirenews.page--]

否則，一旦出事，必是大事。

重找安全

年初，鐵道部前副總工程師兼運(yùn)輸局局長(zhǎng)張曙光對(duì)媒體分析，中國(guó)高鐵跨越了三個(gè)臺(tái)階：第一臺(tái)階，通過引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，掌握了時(shí)速200公里－250公里高速列車制造技術(shù)；第二臺(tái)階，在掌握時(shí)速200公里－250公里高速列車技術(shù)的基礎(chǔ)上，自主研制生產(chǎn)了時(shí)速350公里高速列車；第三臺(tái)階，成功研制時(shí)速380公里新一代高速列車，用于京滬高鐵。

但在時(shí)間短、任務(wù)重的巨大壓力下，高鐵科研還不足以完全支撐高鐵的安全運(yùn)行。很多業(yè)內(nèi)人士指出，從技術(shù)層面看，中國(guó)離高速鐵路的強(qiáng)國(guó)還有較大距離，特別是在安全性、風(fēng)險(xiǎn)控制、運(yùn)營(yíng)優(yōu)化及配套維修等方面差距甚遠(yuǎn)。

與速度極不匹配的是，中國(guó)高鐵在預(yù)警、應(yīng)急機(jī)制上的滯后。德日等國(guó)家在該領(lǐng)域技術(shù)已經(jīng)很成熟，中國(guó)高鐵的預(yù)警、應(yīng)急機(jī)制則剛起步，在災(zāi)害應(yīng)對(duì)方面幾近空白。

在事故應(yīng)急上，2007年國(guó)務(wù)院通過了《鐵路交通事故應(yīng)急救援和調(diào)查處理?xiàng)l例》，但其主要是傷亡事故的處置、責(zé)任調(diào)查等，并未有包括故障應(yīng)急的內(nèi)容。鐵道部零星有一些災(zāi)害預(yù)警制度，但亦非常粗放，沒有細(xì)分的應(yīng)急處置。

通常而言，這部分預(yù)警機(jī)制有兩個(gè)方面：第一，通過故障的研究，發(fā)現(xiàn)故障規(guī)律，并做風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在故障發(fā)生之前就消除隱患，屬于預(yù)防性維修；第二，一旦出現(xiàn)故障以后，快速恢復(fù)搶修機(jī)制。目前國(guó)內(nèi)兩者都十分欠缺，7月13日、14日京滬高鐵接連發(fā)生三次故障，集中體現(xiàn)了這一問題，出現(xiàn)故障后都是停車檢修幾個(gè)小時(shí)。

吳俊勇介紹，中國(guó)高鐵的難點(diǎn)不是修，難點(diǎn)是找到故障點(diǎn)。往往修好需要10多分鐘，但找到故障點(diǎn)則需要很長(zhǎng)時(shí)間，花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)等。甬溫線動(dòng)車追尾發(fā)生前幾十分鐘，杭州電務(wù)段即已發(fā)現(xiàn)該路段故障，但未能更精準(zhǔn)地找到引發(fā)慘劇的故障點(diǎn)，亦是最大的遺憾。

吳俊勇的研究團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行一項(xiàng)研究，就是結(jié)合實(shí)時(shí)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的信息，對(duì)高速鐵路供電系統(tǒng)(包括牽引供電系統(tǒng)和鐵路專用電力供電系統(tǒng))在大風(fēng)、覆冰和雷擊等極端惡劣天氣下的綜合實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，為故障的早期預(yù)警提供理論依據(jù)，特別對(duì)雷擊停電事故開發(fā)故障定位系統(tǒng)，以縮短維修時(shí)間。

“但建立一套完整的應(yīng)急和預(yù)警體制并真正實(shí)現(xiàn)，幾年內(nèi)無法普及落實(shí)，要想全線實(shí)現(xiàn)，需要至少10年或者更長(zhǎng)的時(shí)間。主要困難是在一些故障機(jī)理和可靠性理論的基礎(chǔ)研究上還有待突破。”吳俊勇說。

在甬溫線動(dòng)車追尾事故之前，4月27日國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和鐵道部共同設(shè)立了“高速鐵路基礎(chǔ)研究聯(lián)合基金”，該基金實(shí)施5年，總資助經(jīng)費(fèi)1.5億元。在追尾事故之后三天，7月26日該基金公布了2011年度項(xiàng)目指南，擬在2012年資助10項(xiàng)“培育項(xiàng)目”和8項(xiàng)“重點(diǎn)支持項(xiàng)目”。這18個(gè)項(xiàng)目主要圍繞“安全”立題。

與此同時(shí)，楊國(guó)偉與青島四方的合作也調(diào)整了研究路線，此前青島四方公司引進(jìn)的高鐵技術(shù)基本都是長(zhǎng)大距離線路的技術(shù)，目前，其將時(shí)速200公里－250公里的城際列車作為研究重點(diǎn)。城際線路的特點(diǎn)是車站數(shù)量多，班次間隔短，因此對(duì)列車即開即停的性能要求較高，列車設(shè)計(jì)更注重“公交化”的模式。

此外，“時(shí)速500公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究”雖被叫停，但楊國(guó)偉希望通過地面試驗(yàn)和數(shù)值仿真來繼續(xù)研究。“肯定是有遺憾的，所有工程上的產(chǎn)品一定要通過實(shí)踐檢驗(yàn)才有更好的意義。”楊國(guó)偉表示，500公里時(shí)速的相關(guān)試驗(yàn)并不意味著高鐵要在這一時(shí)速運(yùn)營(yíng)，而是通過更高時(shí)速下的試驗(yàn)，驗(yàn)證超高速有軌列車實(shí)現(xiàn)的可能性，為現(xiàn)有運(yùn)行列車和今后研發(fā)更高速度級(jí)列車的安全性和舒適性提供理論支撐。

不過，楊國(guó)偉估計(jì)，“當(dāng)高鐵運(yùn)營(yíng)速度恢復(fù)到設(shè)計(jì)時(shí)速后，更高速的(線路)實(shí)驗(yàn)可能才會(huì)重新回到議事日程。”