高速列車技術與產業發展機制及實施路徑

王 軍

(中國中車股份有限公司， 北京 100039)

技術與產業是高速列車發展方法論聚焦的兩大核心要素?！凹夹g”作為解決高速列車面臨的各型挑戰問題的核心手段，主要通過創新與工程實踐形成新的高速列車產品?！爱a業”作為經濟學核心概念，具有豐富的內涵與外延，涉及高速列車的設計、生產、運營、維護中的全鏈條要素。

高速列車作為移動裝備，是高速鐵路系統不可或缺的重要組成部分。在我國高速列車國產化、自主化創新歷程中，突破了來自產品、性能、功能、標準各維度的全面創新挑戰，高速列車技術快速發展，技術水平躍居世界先進行列，產業能力與規模居世界首位，成為中國高端裝備制造自主創新的典范和亮麗的國家名片。2019 年 9 月 19 日，中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》[1]，系統總結了前期鐵路發展的實施情況，詳細規劃了下一階段中國鐵路裝備的發展方向。

高速列車是復雜的大系統工程，涉及市場、資金、技術、人員、供應鏈等多重要素，技術創新及產業化的水平與效率很大程度上取決于系統管理的水平與效率。特別是在原高速列車產業基礎薄弱、協同開發能力不強、制造精益化不足情況下，我國鐵路機車車輛工業如何依托已有條件，在短時間內圍繞技術、產業、人才等多元要素，打造更完善的高速列車前沿技術集聚中心與產業化集群并快速形成產業能力?如何實施持續自主創新?開展相關創新機制與理論方法研究意義重大。

過去10余年來，中國高速鐵路在長期探索、實踐、積累基礎上走出了一條自主發展的創新之路。在此過程中，新的管理理論與創新方法不斷涌出，形成了面向工程建設管理[2-3]、一體化實施理念[4]、趕超型自主創新模式[5]、機車車輛創新戰略[6]、創新網絡布局[7]等系列理論性成果。然而，面向高速列車技術創新與產業化的系統級管理思路、經驗方法卻鮮見報導。

基于此，本文運用系統工程管理理論[8]，從高速列車技術與產業特征分析入手，解析兩者相互影響關系與內聚要素，探討實施路徑，構建以高速列車為載體的技術與產業創新管理機制，為我國高端裝備制造業升級發展提供思路參考。

1 我國高速列車技術與產業發展需求

自從新中國成立以來，我國鐵路機車車輛產業一直堅持自主發展。在持續探索準高速/高速技術基礎上，2004年4月國務院確定“引進先進技術，聯合設計生產，打造中國品牌”的十八字總體要求和“先進、成熟、經濟、適用、可靠”的十字基本方針。在此指導下，高速列車開啟了引進、消化、吸收、再創新的進程，已成為了我國高端裝備制造業的“黃金名片”，取得了舉世矚目的成就。

2004年以后，我國高速列車的發展歷程可大致分為：引進—消化—吸收階段、自主提升創新階段、全面創新階段和持續自主創新階段。在引進—消化—吸收階段，主要目標在于實現時速200 km等級高速列車的批量國產化，由于工業基礎相對較為薄弱，需重點解決產業配套問題，形成批量制造和質量控制能力。在自主提升創新階段，列車速度提升至時速300 km等級，需重點解決設計-制造一體化的產能快速提升問題，初步搭建創新體系。在全面創新階段，列車速度進一步提升，產業規模進一步擴大，面臨來自按需化定制的快速設計制造問題，需構建整車及子系統全面創新的產業體系；而在持續自主創新階段，面對來自復雜環境適應性下的高速列車完全自主化、體系化管理難題，需全面搭建高速列車技術創新與管理體系。我國高速列車發展主要歷程及需求見圖1。由圖1可知，高速列車技術與產業是兩個密切關聯的維度，科學認知兩者的內在特征與影響關系是推進高速列車持續自主創新發展的前提。

另一方面，在部分線路條件下，我國高速列車設計還需滿足跨線運行、客貨混跑的現實需求。受既有線條件限制，實現高速運營需突破不同軌線、軌型等幾何結構以及小線間距、小斷面隧道引發的運行穩定性、舒適性和安全性這一特有難題。

2 我國高速列車技術與產業特征分析

我國高速列車技術與產業是在契合國情的情況下逐漸發展的，不是簡單地通過技術提升來改變傳統制造模式形成的后發產業，而是不斷更迭、催生出的新產業模式，兩者具有鮮明的特征。

2.1 高速列車技術特征分析

高速列車技術依托科學理論與基礎方法，表現出系統性、前沿性和演進性三方面典型特征。

(1) 系統性

從空間維度上看：高速列車是復雜的大系統，可分為車體、轉向架、牽引電機、牽引變壓器、變流器、制動、牽引控制系統、列車網絡控制系統和系統集成9大關鍵技術[9]，以及空調系統、集便裝置、車門、車窗、風擋、鉤緩裝置、受流裝置、輔助供電系統、車內裝飾材料和座椅等10大配套技術，見圖2。要進一步提升高速列車的綜合性能，不僅需逐一攻克此9大關鍵技術、10大配套技術，還需處理好系統級耦合關系，如輪軌耦合、流固耦合、弓網耦合關系。除此之外，還需解決復雜環境下的行車安全監測等技術難題[10]。

從時間維度上看：高速列車是面向全生命周期的系統工程，自設計概念萌生、方案確定、圖紙繪制、生產制造、商業運營、維修維護，直到報廢的整個過程均需全面、系統地考慮。隨服役時間的變化，高速列車關鍵結構也會出現性能劣化，必須進行相應的維護保養，使列車技術狀態與性能參數得到穩定保持。

(2) 前沿性

高速列車自誕生以來，不斷向世人展示著先進前沿技術。在2004年以前的長期技術積累中，我國高速列車技術出現了各種新型的技術，如動力集中型、動力分散型高速動車組等。在2004—2013年“引進、消化、吸收、再創新”歷程中，攻克了高速運行條件下列車氣動阻力/升力減低(圖3)、振動噪聲控制、高激擾模態抑制等一系列前沿科技難題，CRH380A研制成功并投入運營，創造486.1 km/h運營列車世界最高試驗速度。2013年以來，“復興號”中國標準動車組，重點攻克了極端氣候條件下環境適應性及可靠性等前沿科學難題。2020年，由中車青島四方機車車輛股份有限公司研發的時速 600 km高速磁懸浮列車試驗樣車成功試跑，突破了懸浮、走行、制動等一系列世界科技難題。

由此來看，高速列車技術持續站立在科技前沿，備受關注。

(3) 演進性

高速列車技術經過幾十年的發展，技術能力與目標需求逐漸演進。在速度方面：2004年以來，高速列車速度由引進初期的200 km/h 升級至250、300、350 km/h；2012年，我國啟動研制速度500 km/h的試驗列車；2016年，啟動時速 400 km等級高速輪軌(含可變軌距)客運列車系統、600 km等級高速磁懸浮系統研發，運行速度不斷攀升。

在目標需求方面：高速列車技術由發展初期滿足運能、速度、安全等功能性需求，逐漸向低成本、低能耗、高效率的經濟性轉變，再轉向低噪聲、低輻射、人-機-環生態友好的綠色化、環?；?、生態化，以及信息化、智能化方向演進[11]，見圖4?！皬团d號”高速列車解決了標準化、系列化和模塊化難題。2019年12月，京張智能高速動車組投入運營，首次采用了我國自主研發的北斗衛星導航系統，是世界首個具備時速350 km自動駕駛能力并具有列車從車站自動發車、在站間自動運行、運行時間按計劃自動調整等功能的新裝備。

2.2 高速列車產業特征分析

(1) 市場性

高速列車裝備是應對市場需求而發展的。在1994年啟動高速鐵路建設和高速列車研制以來，長期面臨著迫切的運力、運能提升需求。作為為旅客提供高速、便攜的運輸裝備，雖屬于準公共的服務性產業，然而它卻同樣具有價格、產量、成本、利潤、產品質量和品種以及技術進步、服務水平等方面的最終經濟成果[12]，也是生產作業活動之一，且隨市場呈現節律性變化，與經濟增長有著密切的聯系，呈現鮮明的市場性。

(2) 結構性

從產業屬性上看，高速列車的產業結構不僅包括傳統的機械制造業、信息業、物流運輸業等，還涉及人才服務、知識服務等，受到多重因素影響，諸如國家政策、營商環境、勞務能力、技術水平等供給因素的變化，以及乘客消費需求的變化等；國際環境也在一定程度上推動產業結構的發展。

從結構主體上看，根據其技術構成，高速列車共涉及車體、轉向架、牽引、制動、網絡等主要部件，由50多萬個零部件組成；從產業鏈條上看，高速列車的結構性受上、中、下游產業鏈的影響。高速列車產業的上、中、下游產業鏈，見表1。

表1 高速列車產業的上、中、下游產業鏈

從空間布局看，我國高速列車產業結構具有區域集中性，分布于6大洲、20多個國家，形成了立體式全球化的產業格局。此外，我國高速列車產業結構具有高度化特征，從低水平向高水平狀態逐漸發展，呈現出一個動態的發展過程。

高速列車產業結構內部各生產要素之間、產業之間，在時間、空間、層次上互為關聯?？傮w而言，高速列車產業結構的演進是促進經濟總量增長的；反之，國家經濟水平的不斷攀升，也一定程度上加速了高速列車產業結構向著經濟型、集約型演進。

(3) 協同性

高速列車產業具有鮮明的關聯屬性，作為各種投入品和產出品的聯系紐帶，高速列車產業發展，存在單向聯系與多向聯系、順向聯系與逆向聯系、直接聯系與間接聯系等多重關系。與機械制造、鋼鐵業/鋁業、電力電子業、新興材料業、信息計算機、精密儀器、物流、文教等密切關聯、協同并進[13]，共同推動高速列車主體產品創新升級，見圖5。

2.3 高速列車技術與產業的共生關系

高速列車技術的最終目的是形成產品、服務國家交通發展。高速列車各型產品是其技術的有機載體，是整個產業的中心。以高速列車產品為紐帶建立了技術與產業間不可分割的血肉聯系，在此過程中，兩者相互促進，是典型的共生關系。

高速列車技術的不斷進步是其產業發展的內生動力。作為動力源泉，它的不斷進步，使得生產工具、生產效率、生產水平不斷得到改進和更新，大幅促推高速列車的產業化。另一方面，高速列車產業的蓬勃發展為其技術升級帶來需求，驅動提供良好的物質條件與經驗積累，大幅刺激了原始創新動力，激發了創新活力，營造了優越的技術創新環境。

3 “技術+產業”雙元驅動機制

在高速列車自主創新過程中，在國家戰略牽引框架下，通過充分利用生態圈中的合作力量，技術和產業雙元驅動，構建起高速列車技術創新和產業融合升級的新發展機制。

3.1 機制內涵

“技術+產業”雙元驅動的主體在于通過頂層設計，同步推進技術能力和產業體系建設，即堅持全產業鏈協同發展的總體思路，實現“兩手抓、兩手硬”。

在高速列車研制過程中，按照“支撐整機、一體協同、構建平臺、技術引領”的原則，對高速列車技術研發實施整體布局，著力打造高速列車核心技術鏈與產業鏈。有了頂層的高需求、頂層指標分解的模式、完整的創新制造質量體系和供應鏈支撐，構建起鏈條完整、邏輯嚴謹的體系，支撐面向不同市場需求的產品。其核心內涵可以采用表達式

Q=φ·f(u1,u2,u3,…)+

δ(φ)·g(v1,v2,v3,…)

(1)

式中：Q為技術與產業所取得的綜合效果；f、g分別為技術、產業貢獻度，此二者是關于各內在要素u、v的嵌套函數，呈現出螺旋函數的形貌特征；φ、δ(φ)分別為f、g的影響權重。φ、δ(φ)是關于技術與產業兩者內聚要素的關系函數。內聚要素包括戰略與市場需求、產業與技術資源、協同創新機制、人才隊伍等。

通過以高速列車技術要素為牽引、產業要素為拉動，技術促產業，產業拉技術，螺旋式向前發展，見圖6。

雙元驅動的內涵在于通過戰略引領、需求牽引，在內聚要素的串聯與激發作用下，從技術維度層面，以開放、協同、共享的理念推動協同機制、能力建設、平臺建設等的不斷升級，產出理論方法、關鍵技術、部件系統及整車產品的系列新成果，以此為載體，對產業發展注入新鮮血液，從而進一步在產業維度層面，以聯合、協作、共贏為內生動力，持續強化供應鏈管理、質量管理和制造體系建設，并催生出高安全、高速度、綠色、環保、便捷的新一代列車技術與產品新需求，由此循環，螺旋式發展，具體見圖7。

3.2 機制動力

“技術+產業”雙元機制的動力泵在于以需求拉動的多元復雜要素高效協同管理，關鍵在能力建設。

要素管理即在高速列車全鏈條過程中，抓住圍繞頂層目標需求的核心要素，使得技術鏈、工藝鏈、人才鏈流向具有先進技術水平的目標產品。通過以科研項目聚集技術鏈，以市場整合產業鏈，整機帶部件、部件促整機，綜合管理全鏈條要素，推進整車、系統、關鍵零部件研發制造到運營維護的全產業鏈協同發展，在此過程中，不斷循環迭代、優化要素組合、重構要素邏輯，實現大規模、繁雜要素高效管控。

雙元驅動機制高效、順暢運行的基礎在于與之相關的技術、產業及人才能力建設。只有擁有強大的研發和生產能力，對需求的挖掘才能更豐富、更精準。高速列車是一個有機整體，需要與之相對應的理論與平臺，建立與列車產品設計密切關聯的“列車學科體系”，并結合設計、試驗、制造、運維平臺，構建起完善的創新體系。

以動車組的輕量化和薄壁大斷面鋁合金型材國產化為例，主機企業基于產品升級需求，通過聯合供應商及科研單位共同攻關，在短時間內攻克了輕量化大斷面鋁型材的設計、制造、檢驗等技術能力與產業能力，打破了國外技術的壟斷，全面實現國產化，并以此為基礎設計了全新的車體結構，適用高速、安全、可靠的產品要求。新車體結構的應用進一步促進了大型鋁材工業技術的發展與繁榮，市場活力得以再次激發。

3.3 效果分析

(1) 技術與產業持續進步

在產業的帶動下，我國高速列車技術不斷翻新，走出了一條自主創新的道路。經過幾十年的發展，我國已成功攻克了高速列車氣動設計、減阻降噪、走行安全、牽引傳動、系統集成等基礎應用技術，技術水平不斷攀升，見表2。已建成具有國際先進水平和能力的高速列車技術設計-試驗-制造三大平臺；初步形成了包括標準、設計、仿真、實驗、制造、運營維護在內的中國高速列車技術體系；打造了一支結構合理、學科完整的高速列車技術人才隊伍。

表2 CRH380、CR400動車組技術水平對比

在產業能力方面，建立了完整的高速列車制造能力體系；形成了從整車制造、關鍵零部件到配件在內的完整產業鏈，產業規模居世界首位。營造了我國高速列車自主化產業生態、形成了國際領先的高速列車研發和制造能力，2019年動車組新造年產能 550 組，支撐了“和諧號”“復興號”高速列車的自主化批量生產。

截止目前，研制了滿足高原、高寒、高溫、高濕、強風沙等不同運用環境、不同編組型式及用途的高速列車系列產品；至2020年底，累計交付動車組 3 258列，共生產各型動車組 40余款，高速列車安全穩健地運營在全國高速鐵路線路上。

(2) 產業集聚效應分析

在雙元驅動作用下，高速列車產業逐漸呈現出區域集聚發展態勢，在適當大的區域范圍內，以高速列車整機或關鍵部件為主體的若干個同類企業、為這些企業配套的上下游企業以及相關的服務業，高密度地聚集在一起，形成了相應的軌道交通產業集群[14]。

目前在我國大陸區域形成的軌道交通產業集群主要有：青島產業集群、長春產業集群、株洲產業集群、唐山產業集群、常州-南京產業集群、珠三角產業集群、成都產業集群等。以青島軌道交通產業集群為例，青島有大型鐵路機車車輛制造企業三家，車輛研究所一家，裝備制造企業相對集中，技術實力強勁，裝備水平和制造能力較高，研發和制造能力居國內行業領先水平。軌道交通裝備產品幾乎覆蓋行業所有領域，形成集產品研發、生產制造和售后服務、物流配套于一體的完整產業鏈條。2019年，青島市軌道交通產業規模進一步壯大，全產業鏈產值突破1 000億。

(3) 產業拉動效應分析

高速列車產品處于產業鏈高端位置，對產業鏈的帶動力強，對經濟拉動力大，不僅能夠帶動與之直接相關的材料行業、機械行業、電子行業、電器等行業的發展，還可帶動精密儀器、服務、物流等行業協同發展。高速列車產業的拉動效應，往往跨省、跨行業展開，拉動比很高。據不完全統計，動車組零部件供應商涉及到20多個省份，僅參與其中的一級、二級供應商達到了近2 000多家。據不完全統計，高速列車對經濟的拉動效應比例可以達到1∶5。

4 實施路徑

“技術+產業”雙元驅動機制需以政府為主導、以市場需求為牽引、以能力建設為根本、以產業強化為抓手，實施融合發展。在準確把握內聚要素基礎上，以高速列車的技術特征、產業特征為切入點，將與之關聯的人、財、物等核心要素融合到雙螺旋框架之下，形成合力。主要實施路徑包括：

(1) 打造高端研究平臺，推動基礎研究縱深發展

構建開放多元的協同創新機制，通過營造開放多元的創新共贏體系，提升整體研發水平以及解決關鍵技術的能力和效率。由于企業在基礎學科和研發領域的局限性，在自主創新實踐中，要善于借助外腦，以市場為紐帶，聯合政府、企業、高校、科研院所及用戶形成創新共贏體，構建開放式技術創新體系，實現資源聯結、能力互動，這是快速實現自主研制高性能高速列車產品的有效途徑。2016年9月，我國第一個國家技術創新中心(國家高速列車技術創新中心)啟動建設，致力于以高速列車產業前沿引領技術和關鍵共性技術研發與應用為核心，開展跨領域、跨學科、跨專業的應用基礎國際化協同研究。

(2) 構建“政-產-學-研-用-金-服”全資源協同機制

中國高速列車的創新主體不是任何一個獨立主體，而是各盡其能的產-學-研人才隊伍，是將這些人才組織起來的戰略性產業活動體系。

在高速列車研發過程中，通過構建開放的產業科技創新體系，與高校、科研院所、上下游企業聯合研發設計，構建起高速列車“政-產-學-研-用-金-服”全資源協同創新模式，促進與產業相關的多領域、多學科的協同發展，形成重大產品創新帶動關鍵技術發展、新技術工程應用推動產品持續創新的螺旋式發展模型，突破高速列車系統關鍵技術，加快了前沿理論方法與先進技術在高速列車上的落地運用。

(3) 以“列車學科”為載體的工程化路徑優化

高速動車組產品設計需要考慮多系統耦合關系下的工程化實現，需要深度的專業支撐。高校具有深度的專業研究優勢，而企業是工程化產品研發的實施主體，為實現工程需求和專業優勢的結合，企業通過構建專業學科，搭建起基礎理論研究向產品工程化應用的轉化橋梁。圍繞高速列車滿足安全、可靠、舒適、環保、智能的發展需要，構建了涵蓋列車空氣動力學、車輛動力學、人機工程學在內的8個學科、35個專業方向的“列車學科”體系，打通了院校前沿技術向產業輸送的快車道，大幅縮短了從理論到產品的開發周期。

(4) 高速列車譜系化發展

針對多樣化、定制化高速列車產品需求快速實現的挑戰，提出并建立高速列車“譜系”理論與技術架構；基于產品結構樹，構建需求、過程及產品元模型，搭建需求驅動的設計制造一體化平臺[15]，形成滿足定制化需求的高速列車產品自主持續創新能力。依托該平臺研制的CRH6、CRH3A系列城際動車組，設計周期減少了35%，設計人工成本降低了50%，驗證了譜系化平臺的適用性; 構建了涵蓋速度200～350 km/h等級，滿足高寒、高溫、高濕、高風沙、高原等不同運用環境的產品譜系。

(5) 建立技術合作體系

我國高速列車技術不僅在硬件領域，而且在列車網絡控制、通信信號等軟件領域實現了突破；不僅在應用研究，而且在前沿技術和基礎理論方面站在了全球的技術前沿。而核心零部件、軟件、前沿技術和基礎研究，正是我國大部分制造業的短板。從用戶到供給方、從集成企業到核心零部件供應商、從硬件制造商到軟件開發企業、從應用開發主體到前沿技術研發和基礎研究機構，隨著動車組國產化的不斷深入，產業集群化、供應鏈和物流供給延伸將形成高速列車產業化基地。這需要技術聯合體間深度合作，攜手共贏。

(6) 堅持上下游產業鏈協同發展

高速列車結構組成復雜、涉及專業領域廣，這一龐大工程需要大量企業共同參與，作為主機企業，必須獲得穩定的供應商支撐。高速列車的批量生產，對鋁型材、玻璃鋼、電子元件等金屬產品和非金屬產品供應鏈的相關企業也提出了更高要求。

為全面加強供應商管理，通過建立供應商尋源、準入、培育、監管、評價、激勵的全生命周期動態管理機制、評估標準及卡控規范，搭建數字化的供應商協同管理平臺，實現了整個產業鏈內的信息互通和快速反應，以主機需求帶動部件供給能力建設，拉動供應商技術和質量管理能力提升[16]。高速列車供應商從初期的260余家發展到現在的820余家，打造了零件、部件、系統、整機良性循環的生態鏈和配套能力，全面實現高速列車自主化生產。

5 結束語

以系統工程管理理論為框架的高速列車“技術+產業”雙元驅動發展機制，大幅促推了我國高速列車技術與產業的蓬勃發展，被實踐證明是科學可行、可實施的成功模式。面向未來，更高速、更綠色、更智能的發展需求對高速列車創新發展的管理理論與方法提出了更高層次的挑戰。直面挑戰，從以下幾方面尋求新突破：

(1) 瞄準世界科技前沿，持續提升技術創新能力：融合大數據、人工智能、新能源等，實施高速列車綠色、生態融合性設計；加快推進高速磁浮、更高速動車組等一批前沿技術攻關，進一步提升我國軌道交通裝備的國際競爭力；加快攻克高速列車關鍵零部件“卡脖子”技術并工程化，形成自主可控的產業化能力。

(2) 突破制造行業壁壘，著力打造產業共享生態：構建貫穿全產業鏈設計、工藝、生產、管理、運用等各個環節的“產品+服務”一體化解決方案；進一步升級產業鏈集群，尋求與相關行業先進企業跨界技術融合。

(3) 強化內聚要素管理，完整構建創新體系模式：以“技術+產業”雙元驅動機制為基礎，拓展雙元驅動內涵；強化戰略與市場需求、產業與技術資源、協同創新機制、人才隊伍等內聚要素管理，加快螺旋式發展。

綜上，在新一輪科技革命浪潮下，堅持科技自立自強，“技術+產業”雙元驅動，高速列車技術與產業化將繼續走在時代前沿，不斷推出更綠色、更環保、生態融合、快捷舒適的高速列車產品，未來可期。