我國重載鐵路運輸技術發展目標體系設計

萬繼志

（河南省交通規劃勘察設計院有限責任公司，河南 鄭州 450006）

1 引言

隨著經濟社會的快速發展，我國的煤炭需求日益增加。為了解決不斷增長的煤炭需求與有限的運輸能力之間的矛盾，我國十分重視重載鐵路運煤通道的建設，積極研發引進先進的重載鐵路技術裝備，進行重載線路的擴能改造。目前，作為我國重載鐵路運輸主通道的大秦線和朔黃線均通過既有線擴能改造，分別大量開行2 萬t 和1 萬t 長大編組重載列車，將年運量分別提升至4億t和2億t，運輸能力基本趨于飽和。

根據我國能源部門的預測，到2015年“十二五”將增加12億t 的煤炭需求[1]，對重載鐵路運輸擴能技術和安全保障技術提出了更迫切的需求。因此，重載鐵路作為我國“西煤東運”的主要運輸方式，其運輸技術的發展不僅關系到我國煤炭需求是否能得到滿足，而且影響我國煤炭供應的質量。

圖1為我國重載鐵路運輸技術發展目標體系設計框架。

圖1 我國重載鐵路運輸技術發展目標體系設計框架

2 重載鐵路運輸技術系統結構界定

從系統結構組成的角度分析，鐵路重載運輸系統可分為車務、機務、工務、電務、供電、車輛和貨運7大子系統，包括車站、線路等多種固定設備子系統和機車車輛等多種移動設備子系統組成的復雜大系統[2]。重載鐵路運輸技術系統作為鐵路重載運輸系統的子系統，主要由機車車輛技術和基礎設施、列車控制系統等多個分系統組成，載運裝備作為煤炭運輸的具體載體，同時也是其它技術分系統服務的核心。各分系統既相互獨立，又相互關聯，為重載運輸提供相應的技術服務。重載鐵路運輸技術系統結構如圖2所示。

3 我國重載鐵路運輸技術現狀

3.1 機車車輛技術

目前，國內已先后研制出HXD1、HXD2、HXD3等3種型號的大功率電力機車和HXN3、HXN5 等2 種型號的大功率內燃機車，掌握了大功率機車的綜合集成技術并實現國產化應用；針對大功率機車檢修所需的配套設施及技術體系也已基本形成，實現了大功率機車檢修的規模化和集約化[3]。軸重25t、載重80t、運行速度100km/h 的C80 型鋁合金運煤專用敞車和C80B 型不銹鋼運煤專用敞車已經成為我國重載鐵路運輸通道特別是大秦線2萬t重載運輸線上的主型車輛。為了與我國重載鐵路運輸25t軸重車輛的研發應用相適應，車體結構設計與材料應用、加強型車鉤鍛造、大容量緩沖器、新興交叉桿等配套技術也得到了同步發展，已逐步形成了較為完善的國產25t軸重車輛研制體系[4]。

3.2 基礎設施

目前，我國共計16 144km 的重載鐵路線路建造統一采用中活載作為標準活載，全線鋪設了滿足25t 軸重條件下的路基、橋梁和軌道設施。同時，針對重載鐵路線路建造技術開展了深入研究，并形成了25t軸重條件下比較完善的技術體系及標準，主要包括：適用于我國重載鐵路的線路技術標準、重載鐵路路基結構設計及地基處理關鍵技術、重載鐵路橋梁設計技術體系和重載鐵路有砟軌道設計關鍵技術等。根據大秦線的運輸需求，針對橋梁、路基和軌道結構等線路基礎設施進行了相對全面的狀態評估和強化改造，已經滿足了軸重25t、載重80t 級、運行速度80km/h、牽引質量20 000t 的重載運輸，并積累了一定的評估和強化技術基礎。

3.3 列車控制系統

我國重載鐵路已形成了由鐵道部TDCS、鐵路局TDCS 和車站等3 層網絡結構組成的列車調度指揮系統（TDCS），此系統能夠很好地覆蓋全路的現代化鐵路運輸。以TDCS 為平臺研發出分散自律調度集中系統（CTC），并于2007 年在大秦線投入使用。CTC是在TDCS的基礎上，組建分散自律、智能化、高安全、高可靠的新一代調度集中系統，解決了列車作業與調車作業的沖突，實現列車與調車作業的統一控制，滿足了重載運輸列車高密度運行和復雜多變情況的要求[5]。

目前，我國已完善并推廣了機車和車輛故障檢測診斷系統、對固定設施進行多層次多方位檢測的技術和裝備、機車車輛安全運行的地面檢測系統（5T系統），形成了分散檢測、集中報警、網絡監控、信息共享的安全監控體系，以保障重載列車提速和運行安全。

我國GSM-R無線通信系統不僅實現了無線列調、平面調車無線通信和區間移動通信等話音通信功能，同時還承擔了車次號、尾部風壓和道口無線預（報）警等數據的無線傳輸任務[6]。現階段，我國大秦重載鐵路基于鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R）平臺，成功推廣運用了Locotrol機車同步操縱技術，解決了機車間通信距離受限的關鍵問題。

4 重載鐵路運輸技術發展趨勢分析

重載鐵路運輸以其運能大、效率高、成本低、能耗小等獨特的技術經濟優勢在各國發揮著重要作用，這些特點決定了重載鐵路運輸技術的發展方向之一就是高效、節能。發達國家重載運輸主要是通過研制大功率交流傳動機車（單軸功率達1 600kw）[7]，提高列車牽引質量和運行速度，縮短機車周轉時間來提高運輸效率。此外，還通過改變編組信息（編組輛數、空重車數和牽引總重等）、機車屬性（機車的運行阻力和能耗利用效率等）、車輛屬性（車輛的自重、基本阻力計算參數和載重等因素）和運行狀態（列車在運行過程中的啟停、牽引運行、制動、惰行等）[8]等來達到節能目的。這些技術措施主要包括研制高效、節能的大功率交流傳動機車，提高列車牽引動力；研制大軸重、輕量化的重載車輛，并采用多聯車組技術，增加有效載重；采用長大編組列車增加牽引重量，提高運輸效率；研制高效的裝卸裝備，加快機車車輛周轉速度，提高使用效率。

隨著重載運輸行業的快速發展，重載運輸系統安全運行形勢不容樂觀，造成了巨大的經濟損失，如2003年的萬噸重載列車顛覆事故，事故直接損失費達1 751 850 元。因此，以先進的技術保證重載運輸的安全可靠性也成為重載鐵路運輸技術的發展方向[9]。綜合國內外重載鐵路運輸安全保障技術，主要包括：研制高可靠性的機車車輛關鍵部件，確保行車安全；強化軌道結構，保持線路的耐久性和平順性；配備大型養路機械并采用準確可靠的檢測技術確保重載基礎設施的使用安全，并側重于預防性保養；采用智能化、網絡化、自動化的列車控制技術（如Locotrol和ECP等），實現列車的安全運行。

5 我國重載鐵路運輸技術發展目標體系的設計

5.1 目標體系設計的必要性

首先構建我國重載鐵路運輸技術發展目標體系，為重載鐵路運輸技術指明發展方向，并以具體指標體系指導技術研發工作，保證技術選擇的準確性。

其次通過對重載鐵路運輸技術發展目標體系的細分，逐漸到執行層目標，進一步論證技術發展總目標的可執行性，并通過可執行目標指導具體的工作，通過對執行目標的檢驗，往更高層次反饋可以檢驗整體目標的執行程度，為技術發展過程中的評價糾偏提供依據。

最后科學的重載鐵路技術發展目標體系能給運營者、裝備制造商和技術研發單位產生一個較高的效價及期望概率，從而產生較強的激勵力量[10]。

5.2 目標體系的設計原則

制定我國重載鐵路運輸技術發展目標必須同時考慮市場需求、技術發展的現實基礎、國家和鐵道部政策環境、國內外技術發展動態及資源等多種因素。由于我國重載鐵路運輸技術發展的首要任務是滿足我國重載鐵路運輸發展的具體需求，而不是將重載鐵路運輸發展成為領先的國際化產業，因此“利潤極大化”不是我國重載鐵路運輸技術發展的主要目標,也就是說中國重載鐵路運輸技術發展有自己獨有的目標，這個總目標就是保障我國煤炭需求。

（1）全面性原則。目標的制定要覆蓋所有技術領域，而不是只針對個別技術領域。重載鐵路運輸技術組成主要包括機車車輛、基礎設施和列車控制等技術領域，各技術領域相互影響，單一技術領域目標的實現都無法完成確保滿足煤炭需求的總目標，各技術目標共同組成技術總目標的支撐目標體系。

（2）現實基礎原則。目標的制定要與我國重載鐵路運輸技術發展的現實基礎相適應，主要考慮技術可開發儲量、技術機會和威脅、技術的可實現性等。發展基礎好的技術領域可制定較高的發展目標，對于尚無發展基礎的技術，要慎重提出技術發展目標，以此確保技術發展目標的可執行性。

（3）市場需求導向原則。技術發展目標的制定不但要考慮技術自身的發展，還要考慮未來經濟社會對技術發展的要求。也就是說我國重載鐵路運輸技術發展目標的制定要與我國煤炭市場需求的發展趨勢相適應，不能低于亦不能過高于我國未來市場所需煤炭運量，要與我國煤炭需求的評估結果相適應。

（4）突出優勢原則。技術發展目標的制定要始終圍繞重載鐵路運輸的優勢展開，突出重載鐵路運輸運能大、效率高、成本低、能耗小等技術經濟優勢，重點發展與此相關的關鍵技術。

5.3 目標體系的構建

構建設計我國重載鐵路運輸技術發展目標體系關系到對技術發展目標的確認，對目標實現的多種途徑的認識以及總目標體系的選擇和確定。為保障煤炭需求的總目標,應有其支撐分目標集和分目標的子目標集，構成一個樹狀或網狀結構，目標的這種關聯結構稱為目標體系。

通過分析重載鐵路運輸技術系統組成，國內外重載鐵路運輸技術的發展趨勢以及技術差距，我國重載鐵路運輸技術的發展目標體系主要包括提高列車牽引質量和運行速度強化基礎設施以及裝備先進的列車控制系統等三個方面。提高列車牽引質量和運行速度是為了擴大重載鐵路運輸能力，強化基礎設施與裝備先進的列車控制系統是為了保障運輸安全。

（1）提高列車牽引質量和速度。目前我國重載機車單軸功率達到1 600kw，機車功率達到9 600kw。雖然我國重載機車功率大幅提高，但由于輪軌黏著系數的限制，使啟動和持續牽引力并未明顯提高。我國煤運貨車凈載重為80t，軸重僅為25t,上升空間很大；車體輕量化技術相對薄弱，限制貨車載重量的提高。目前，我國低動力作用轉向架技術與國外差距較大，限制了貨車的運行速度[11]。

綜上，我國重載鐵路需要攻克輪軌黏著力、車體結構輕量化、低動力作用轉向架3個方面核心技術瓶頸，才能為我國重載列車質量和速度的提高創造條件。

（2）強化基礎設施。由于機車和車輛軸重的提高，重載列車質量、長度和運行速度的增加，導致重載線路承重能力的大幅提升，使得在大軸重、高密度的運營條件下，我國重載鐵路軌道和結構狀態及破壞特性較一般傳統線路十分明顯。在橋梁方面，由于貨車軸重和載質量的逐年提高，現行規范使用的中-活載圖式已經不能適應30t軸重列車的開行[12]。因此，需根據我國重載鐵路運營條件、路橋軌結構特點和線路變化規律，研究適用于軸重30t及以上的既有重載線路基礎設施強化關鍵技術和安全保障技術，強化基礎設施的同時延長其使用壽命。

（3）裝備先進的列車控制系統。在列車調度指揮方面，我國的CTC 調度集中系統主要側重于實現行車控制的智能化，忽略了重載鐵路的網絡化安全監控和綜合運輸業務的自動化管理，因此，我國需要研究智能化、網絡化和自動化的列車調度系統，提高重載列車的行車效率。

在列車安全運行控制方面，我國大秦線開行的2萬t重載列車，采用了美國LOCOTROL 系統的同步操控方式運行重載組合列車，不僅在動力同步控制、牽引、網絡、制動等核心技術知識產權為外方所有，而且“同步操控方式” 不能完全滿足在多坡道和多彎道上列車縱向力控制，以及組合式和混編式重載列車的運行狀態控制，仍然存在列車縱向力控制難度大、車鉤受力大等安全隱患。另外，國內重載列車安全狀態在線實時監測技術仍處空白，難以及時發現列車存在的安全隱患進行故障預警。因此我國需要攻克列車同步操控關鍵技術和列車安全狀態在線實時監測技術。

在無線通信方面，由于既有的GSM-R網絡早期規劃時主要針對語音傳輸等簡單業務需要，傳輸速率低、帶寬窄、覆蓋范圍小，難以完全滿足重載鐵路集列車同步、移動閉塞、行車調度和安全監控等多種業務為一體的綜合無線通信需求。因此，我國需要構建高可靠性、高安全性、大容量、高速率、快速接入的車地間安全監控、調度指揮和行車信息傳輸的綜合移動通信系統。

綜上，我國重載鐵路運輸技術發展目標體系見表1。

表1 我國重載鐵路運輸技術發展目標體系

6 結語

本文設計的我國重載鐵路運輸技術發展目標體系是在充分考慮我國重載鐵路運輸技術現狀和技術發展趨勢的基礎上提出的，目標體系的設計符合全面性、現實基礎、市場需求導向和突出優勢的原則，因此，本目標體系制定過程是科學合理的，對于我國重載鐵路運輸技術發展目標的制定具有一定的理論指導意義。本文未對我國重載鐵路運輸技術發展目標體系進行量化研究，這也是本文的不足之處和以后需要研究的重點。

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