財經(jīng)雜志：高鐵科研“轉(zhuǎn)軌”

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

僅僅過去兩個月，鐵道部再次勒緊了高鐵的“韁繩”。

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

對中國科學(xué)院力學(xué)研究所研(下稱力學(xué)所)究員楊國偉而言，他所領(lǐng)銜的“時速500公里條件下的高速列車基礎(chǔ)力學(xué)問題研究”的實車線路實驗，將因此遙遙無期。而年初，鐵道部部長盛光祖上任不久，該項目的試驗列車研發(fā)即被叫停，當(dāng)時在CRH380A型車設(shè)計平臺基礎(chǔ)上開發(fā)的樣車已基本進入總裝階段。由中國南車股份有限公司(601766.SH，下稱中國南車)研制的CRH380A在京滬高鐵試運行時，最高運行時速已達到486.1公里。

楊國偉遇到的變化并非個案。高鐵兩次降速，說明中國高鐵技術(shù)在理論層面上還有大量問題需要進一步研究。“7·23”動車追尾事故或?qū)⒊蔀橹袊F路史上，高鐵從追求速度奇跡轉(zhuǎn)向保障安全、穩(wěn)定運行的重要推力。

科研不足

2008年之前，楊國偉的研究項目從未與高鐵發(fā)生交會。其研究領(lǐng)域是計算流體力學(xué)，項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《中國高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動計劃》明確提出，研制符合京滬高速鐵路運營需求的時速350公里及以上高速列車，建立并完善具有自主知識產(chǎn)權(quán)、國際競爭力強的時速350公里及以上中國高速鐵路技術(shù)體系。

同年8月，科技部啟動“十一五”國家科技支撐計劃“中國高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”重大項目，共分十個專項課題，科研經(jīng)費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)的高校和科研機構(gòu)參與最多的一次。在此之前，鐵道部資助的科研項目，多由其所屬科研機構(gòu)和關(guān)聯(lián)企業(yè)領(lǐng)銜。比如2006年11月，同為“十一五”國家科技支撐計劃的“高速輪軌鐵路引進、消化吸收與創(chuàng)新”課題招標(biāo)結(jié)果公布，中國北車股份有限公司(601299.SH，下稱中國北車)是項目組織單位，在全部8項課題中，其所屬的長春軌道客車股份有限公司承擔(dān)了4項課題，四方車輛研究所獲得1項課題，而剩下的3項課題則被中國鐵道科學(xué)研究院收入囊中。

“世界上最發(fā)達的高速列車引進來了，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“中國高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”專項課題的人士對《財經(jīng)》記者分析，迫于解決現(xiàn)實問題的壓力，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)計劃的有25所高校，11個科研院所。

但從此時的課題設(shè)置上亦可看出，研究依然以速度為先。

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

不過，這一研究實際上也只是起到“錦上添花的作用”。

先進理念和真正的關(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《財經(jīng)》記者說。

高鐵有工務(wù)工程、牽引供電、通信信號、動車組、運營調(diào)度、客運服務(wù)六個主要系統(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)動車經(jīng)過段與段之間時，要通過斷路器的正確動作保持供電連續(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)過項目攻關(guān)，但吳俊勇透露，目前這一問題仍未突破，國產(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，亦增加了維護成本。

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

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)好比是高鐵動車組的大腦和密布全身的神經(jīng)系統(tǒng)，對這一結(jié)構(gòu)嚴(yán)密的系統(tǒng)“動刀”，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)國外廠商并未轉(zhuǎn)讓，而是打包在控制系統(tǒng)里面。這給中國科學(xué)院軟件研究所的攻關(guān)設(shè)置了很大的障礙。

前述參與“中國高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”專項課題的人士透露，“當(dāng)軟件所的項目最終取得較大進展時，廠方又不敢貿(mào)然采用，因為這是人命關(guān)天的事情。”軟件所后來提出漸改方案，即從簡單設(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的時間才能攻克，因為電子線路、計算機控制等方面，國內(nèi)差距都較大。”該人士說。

讓楊國偉最擔(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，盡管每一次的作用力不足以對材料造成破壞，但如果破壞循環(huán)次數(shù)達到一定量級，結(jié)構(gòu)就會產(chǎn)生疲勞而影響性能，極端情況下會產(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，受氣流擾動影響大，面臨“高周疲勞”的威脅。1998年釀成101人死亡的德國高鐵事故，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)高周疲勞試驗中遇到過，依據(jù)目前檢測手段，在毫無預(yù)兆的情況下，有時試驗件會迅速產(chǎn)生裂紋，裂紋快速擴展并突然斷裂的現(xiàn)象。“目前的檢測技術(shù)都是先認(rèn)識清楚材料結(jié)構(gòu)特性，然后造出檢測儀器，但現(xiàn)在我們沒有搞清楚高周疲勞機制，所以就很難檢測出來。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。” 楊國偉說。[!--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輸局局長張曙光對媒體分析，中國高鐵跨越了三個臺階：第一臺階，通過引進消化吸收再創(chuàng)新，掌握了時速200公里－250公里高速列車制造技術(shù)；第二臺階，在掌握時速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)了時速350公里高速列車；第三臺階，成功研制時速380公里新一代高速列車，用于京滬高鐵。

但在時間短、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行。很多業(yè)內(nèi)人士指出，從技術(shù)層面看，中國離高速鐵路的強國還有較大距離，特別是在安全性、風(fēng)險控制、運營優(yōu)化及配套維修等方面差距甚遠(yuǎn)。

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

在事故應(yīng)急上，2007年國務(wù)院通過了《鐵路交通事故應(yīng)急救援和調(diào)查處理條例》，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)警機制有兩個方面：第一，通過故障的研究，發(fā)現(xiàn)故障規(guī)律，并做風(fēng)險評估，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)搶修機制。目前國內(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小時。

吳俊勇介紹，中國高鐵的難點不是修，難點是找到故障點。往往修好需要10多分鐘，但找到故障點則需要很長時間，花費幾個小時等。甬溫線動車追尾發(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，亦是最大的遺憾。

吳俊勇的研究團隊正在進行一項研究，就是結(jié)合實時數(shù)值天氣預(yù)報的信息，對高速鐵路供電系統(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時風(fēng)險進行評估，為故障的早期預(yù)警提供理論依據(jù)，特別對雷擊停電事故開發(fā)故障定位系統(tǒng)，以縮短維修時間。

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

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

與此同時，楊國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的高鐵技術(shù)基本都是長大距離線路的技術(shù)，目前，其將時速200公里－250公里的城際列車作為研究重點。城際線路的特點是車站數(shù)量多，班次間隔短，因此對列車即開即停的性能要求較高，列車設(shè)計更注重“公交化”的模式。

此外，“時速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，但楊國偉希望通過地面試驗和數(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)品一定要通過實踐檢驗才有更好的意義。”楊國偉表示，500公里時速的相關(guān)試驗并不意味著高鐵要在這一時速運營，而是通過更高時速下的試驗，驗證超高速有軌列車實現(xiàn)的可能性，為現(xiàn)有運行列車和今后研發(fā)更高速度級列車的安全性和舒適性提供理論支撐。

不過，楊國偉估計，“當(dāng)高鐵運營速度恢復(fù)到設(shè)計時速后，更高速的(線路)實驗可能才會重新回到議事日程。”