高鐵科研“轉軌”
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作者: 賀濤
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公里調整至160公里。
對中國科學院力學研究所研（下稱力學所）究員楊國偉而言，他所領銜的“時速500公里條件下的高速列車基礎力學問題研究”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即被叫停，當時在CRH380A型車設計平臺基礎上開發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”動車追尾事故或將成為中國鐵路史上，高鐵從追求速度奇跡轉向保障安全、穩定運行的重要推力。
科研不足
2008年之前，楊國偉的研究項目從未與高鐵發生交會。其研究領域是計算流體力學，項目多涉及航空航天領域。
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新聯合行動計劃》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權、國際競爭力強的時速350公里及以上中國高速鐵路技術體系。
同年8月，科技部啟動“十一五”國家科技支撐計劃“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”重大項目，共分十個專項課題，科研經費10億元，鐵道部相關企業自籌20億元。
這也是與鐵道部向未關聯的高校和科研機構參與最多的一次。在此之前，鐵道部資助的科研項目，多由其所屬科研機構和關聯企業領銜。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、消化吸收與創新”課題招標結果公布，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研究院收入囊中。
“世界上最發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?！币晃粎⑴c“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”專項課題的人士對《財經》記者分析，迫于解決現實問題的壓力，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計劃的有25所高校，11個科研院所。
但從此時的課題設置上亦可看出，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優化設計及評估技術”，主要研究任務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，并盡快通過再創新實現京滬高鐵列車的整車減阻降噪設計。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，協助完成了CRH380A和CRH380B的定型設計，其中CRH380A總阻力減少6.1％，CRH380B總阻力減少8.6％，解決了當時牽引系統最大功率不足以支撐時速350公里的長距離運行和節約能耗問題。
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鍵技術是買不來的，“花錢只能買來設備，可以實現一定程度上的仿制，（核心技術的掌握）必須要靠原始創新”。北京交通大學電氣工程學院電力工程系主任吳俊勇教授對《財經》記者說。
高鐵有工務工程、牽引供電、通信信號、動車組、運營調度、客運服務六個主要系統。吳俊勇是高鐵牽引供電系統領域專家，據他所知，在這一系統的技術引進談判中，有些關鍵技術鐵道部并未拿到。
西門子生產的27.5千伏的真空斷路器是牽引供電系統一個比較核心的技術，能保證使用10萬次不出故障。高鐵是分段供電的，當動車經過段與段之間時，要通過斷路器的正確動作保持供電連續性，因此，真空斷路器的質量直接決定著高鐵供電系統的故障率。
盡管經過項目攻關，但吳俊勇透露，目前這一問題仍未突破，國產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，由于對核心技術的設計原理及設備相互之間的關聯關系沒有吃透，中國科學院軟件研究所主持的“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”重大項目中的專項課題“高速列車網絡控制系統”已經取得了成果，但在高速列車上進行系統運用還有一段距離。
網絡控制系統好比是高鐵動車組的大腦和密布全身的神經系統，對這一結構嚴密的系統“動刀”，意味著不僅要把相應的軟件編程出來，還要把所有相關設備的性能搞清楚。但有關性能的核心技術國外廠商并未轉讓，而是打包在控制系統里面。這給中國科學院軟件研究所的攻關設置了很大的障礙。
前述參與“中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制”專項課題的人士透露，“當軟件所的項目最終取得較大進展時，廠方又不敢貿然采用，因為這是人命關天的事情。”軟件所后來提出漸改方案，即從簡單設備開始，用自主研發的系統逐步替代原有系統，“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，國內差距都較大。”該人士說。
讓楊國偉最擔心的問題，則是一種被稱為“高周疲勞”的局部結構破壞現象：當結構受到高頻循環作用力時，盡管每一次的作用力不足以對材料造成破壞，但如果破壞循環次數達到一定量級，結構就會產生疲勞而影響性能，極端情況下會產生裂紋直至斷裂。
高鐵列車在高速行駛狀態中，其車身側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生“疲勞斷裂”，致列車脫軌。
然而，目前科學家還沒有完全摸透其中的規律。力學所科研人員在典型結構高周疲勞試驗中遇到過，依據目前檢測手段，在毫無預兆的情況下，有時試驗件會迅速產生裂紋，裂紋快速擴展并突然斷裂的現象?！澳壳暗臋z測技術都是先認識清楚材料結構特性，然后造出檢測儀器，但現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、轉向架、底板、裙板、懸吊件等結構均處在高周載荷作用環境中，目前應該將高速列車服役結構安全可靠性作為研究重點?！?楊國偉說。
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新，掌握了時速200公里－250公里高速列車制造技術；第二臺階，在掌握時速200公里－250公里高速列車技術的基礎上，自主研制生產了時速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。很多業內人士指出，從技術層面看，中國離高速鐵路的強國還有較大距離，特別是在安全性、風險控制、運營優化及配套維修等方面差距甚遠。
與速度極不匹配的是，中國高鐵在預警、應急機制上的滯后。德日等國家在該領域技術已經很成熟，中國高鐵的預警、應急機制則剛起步，在災害應對方面幾近空白。
在事故應急上，2007年國務院通過了《鐵路交通事故應急救援和調查處理條例》，但其主要是傷亡事故的處置、責任調查等，并未有包括故障應急的內容。鐵道部零星有一些災害預警制度，但亦非常粗放，沒有細分的應急處置。
通常而言，這部分預警機制有兩個方面：第一，通過故障的研究，發現故障規律，并做風險評估，在故障發生之前就消除隱患，屬于預防性維修；第二，一旦出現故障以后，快速恢復搶修機制。目前國內兩者都十分欠缺，7月13日、14日京滬高鐵接連發生三次故障，集中體現了這一問題，出現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。甬溫線動車追尾發生前幾十分鐘，杭州電務段即已發現該路段故障，但未能更精準地找到引發慘劇的故障點，亦是最大的遺憾。
吳俊勇的研究團隊正在進行一項研究，就是結合實時數值天氣預報的信息，對高速鐵路供電系統（包括牽引供電系統和鐵路專用電力供電系統）在大風、覆冰和雷擊等極端惡劣天氣下的綜合實時風險進行評估，為故障的早期預警提供理論依據，特別對雷擊停電事故開發故障定位系統，以縮短維修時間。
“但建立一套完整的應急和預警體制并真正實現，幾年內無法普及落實，要想全線實現，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日國家自然科學基金委員會和鐵道部共同設立了“高速鐵路基礎研究聯合基金”，該基金實施5年，總資助經費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整了研究路線，此前青島四方公司引進的高鐵技術基本都是長大距離線路的技術，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力學問題研究”雖被叫停，但楊國偉希望通過地面試驗和數值仿真來繼續研究?！翱隙ㄊ怯羞z憾的，所有工程上的產品一定要通過實踐檢驗才有更好的意義?！睏顕鴤ケ硎荆?00公里時速的相關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的可能性，為現有運行列車和今后研發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，“當高鐵運營速度恢復到設計時速后，更高速的（線路）實驗可能才會重新回到議事日程?！?
本刊記者高勝科對此文亦有貢獻
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