高速动车组技术发展：世界范围内的历程与趋势

···········工程6（2020）234工程成就高速动车组技术发展特点及趋势赵宏伟a，梁建英b，刘长青ca中国铁道科学研究院有限公司，有限公司、邮编：100081b中车青岛四方股份有限公司有限公司、邮编：266111c中车长春轨道客车股份有限公司有限公司、邮编：1300521. 世界高速列车高 速 铁 路 （ High-speed railway ， HSR ） 是 国 际 铁 路 联 盟（International Union of Railways，UIC）定义的设计速度超过250 km h-1，升级现有线路，速度可达200 km h-1[1].在中国，高铁是指为运行速度在250 km h-1或以上（实际或预留）的电动车组（EMU）列车设计的新建专用线路，其初始运行速度不低于200 kmh-1[2]。世界范围内高速铁路和高速动车组的发展大致可以分为三个阶段：初期运营、线路平台扩展和快速发展。1.1. 初期运行（1960年代至1970年代末1964年10月1日，世界上第一条高速铁路--东海道新干线（东京-新大坂）开通。由6辆动车组成的0系高速动车组投入使用，最高运行速度为210km·h-11.2. 线路站台扩建（1980年代初至20世纪末在这一阶段，高铁的发展从日本扩展到欧洲。法国、德国和意大利以及其他国家建造并开放了高速铁路。他们通过不同的技术路线开发了具有各自特色的新型动车组平台。动车组车型不断丰富，技术性能不断提高.最高运行速度逐步提高到300 km h-1。1983年，法国开通了LGV东南线（这条线路的开通是一个重要的里程碑随着高铁的运营速度达到300 km h-1，标志着日本高铁发展的开始去欧洲后来，法国开通了LGV大西洋线（300 km h-1，由阿尔斯通开发。 1991年，德国开通了采用西门子公司开发的ICE 1、ICE 2等型号的动力集中型高速电动车组，最高运行速度为280 km h-1。1992年，意大利分区段开通了罗马-佛罗伦萨高速铁路，最高运行速度为250 km h-1，采用了意大利都灵汽车制造公司（FIAT，现由阿尔斯通控股）自主研制的ETR 450、ETR 460等动力分散摆式列车。1992年，西班牙开通了马德里-塞维利亚高铁，采用S100集中动力动车组，最高运行速度为300 km h-1。阿尔斯通引进的技术应用于这些电动车组。在日本，新干线技术系统进一步发展。按照动力分配的技术路线，100、200、300、400、500、700系列和E1、E2、E3系列等多种型号的高速列车相继研制并投入使用。其中，500系动车组在1997年达到最高时速300公里。可以说，这一阶段世界建立了不同的动力集中和动力分配技术路线，出现了摆式和非摆式列车火车的型号不断丰富，速度不断提高.西门子和阿尔斯通等主要制造商开始站稳脚跟。高速公路对这些国家产生了巨大影响，为经济和社会发展带来了新的生机和活力。1.3. 快速发展（21世纪以来）进入21世纪以来，世界范围内高速铁路发展迅速。美国、俄罗斯、韩国、波兰、中国等国开始发展高速铁路。特别是中国高速铁路的迅速崛起，极大地促进了世界高速铁路的发展。在21世纪的第一个十年里，世界各地建成了总长近15000 km的高速铁路，是30年前建成的高速铁路的三倍多。随着高铁线路的发展，高速动车组的性能不断优化，https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.01.0082095-8099/©2020 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engH. Zhao et 等/工程6（2020）234235···············基于平台的欧洲货币联盟获得了动力。法国开发并运营了TGV巴黎-东法兰克福-南德意志（POS）和TGV Réseau Duplex电动车组，以及TGV Duplex Dasye，TGV Duplex RGV 2N 2和TGV Océane双层电动车组，最高运行速度为320 km h-1。阿尔斯通改变了以往的动力集中路线，成功开发了分布式动力自动导引车（AGV）电动车组，并由意大利私营铁路公司Nuovo Trasporto Viaggiatori（NTV）投入运营德国也改变了原有的动力集中技术路线，研制并投入使用了动力分散型ICE 3和最高运行速度为300 km h-1的新型ICE 3型电动车组。此外，德国还开发了弹性编组电动车组的前身-ICE-4型电动车组。几项技术创新被应用到这个动车组模型，它可以运行在高达230或250公里小时-1取决于7节车厢或12节车厢的列车配置。此外，还为既有曲线较多的线路开发了ICE T型摆式动车组（最高速度为230km h-1）和ICE TD型摆式内燃动车组（最高速度为200 km h-1意大利运营的红箭1000型电动车组设计速度为400 km h-1，计划运营速度为360 km h-1。这些电动车组是非铰接式和动力分布式的，由八节车厢和一个甲板组成。目前，它们的最大运行速度为300 km h-1。日本在东北新干线上运营E5和E6系列动车组H5系列电动车组服务于东北新干线，最高运行速度可达320 km h-1，并适应北海道寒冷和多雪的气候。 在这一阶段，动车组制造商开始拓展海外市场。例如，西门子的Velaro E系列电动车组技术被引入西班牙、俄罗斯等国，阿尔斯通的TGV技术被引入韩国和美国。总的来说，在这三个阶段，动车组发展成为模块化系列产品遍布全球[4]。 德国ICE系列电动车组包括ICE1、ICE2、ICE3、ICE3M和ICE4等多种型号。法国的TGV高速列车经历了四代的发展：第一代TGV-PSE和后高速列车;第二代TGV-A、AVE、TGV-R、TGV-TMST（欧洲之星）和TGV-PBKA;第三代TGV-2N等;第四代AGV高速列车。日本第一种是高速列车，编号为数百：0、100、200、300、400、500、700和800系列以及N700系列。另一种是E系列高速列车，包括E1、E2、E3、E4和E5。基于平台和模块化的方法更容易通过各种列车编组和模块化设计来满足市场需求，包括使用模式，运营环境等它还方便了列车的升级，缩短了鉴定时间和准入流程。1.4. 中国高速铁路的发展我国高速动车组技术的发展目前，我国独立探索阶段开始于20世纪末。1997年，中国启动了第一次大规模的提速工程。1999年，秦皇岛-沈阳铁路开工建设，客运专线线与一设计速度时速250公里在这一阶段，中国自主开发了中国之星和先锋电动车组。引进，同化，2003年开始进入再创新阶段。2004年，中国政府发布《中长期铁路网规划》，提出规划建设由四条南北线和四条东西线组成的高铁网络。京津线、郑西高铁、沪宁线、京沪线、哈大线投入运营[5]。在这一阶段，中国从庞巴迪、川崎、西门子和阿尔斯通引进了四辆原型动车组，并建造了四个中国铁路高速（CRH）动车组平台：CRH1、CRH2、CRH3和CRH5。其中，CRH 2C、CRH 3C和380系动车组的设计速度为300 km h-1或以上。CRH 2C 编组为6 M2 T（M：动车; T：拖车），CRH 3C编组为4 M4 T。两辆动车组均于2008 年 投 入 运 营 CRH380A 编 队 为 6M2T ， CRH380AL 编 队 为14M2T 。 CRH380B 和 CRH380D 均 为 8 节 编 组 （ 4M4T ） 。CRH380BG是在CRH380B的基础上专门设计的，用于寒冷和多雪地区。 CRH380BL和CRH380CL型动车组均为8M8T编组的长列车，专为京沪线、京广线等长干线设计。CRH系列动车组的最高运行速度为300 km h-1。中国的自主创新阶段始于2013年。在此阶段，中国铁路总公司组织研制了具有自主知识产权的中国标准动车组。复兴号系列动车组有CR400 AF和CR 400 BF两个平台，为8辆编组（4 M4 T）动车组，设计速度为350 km h-1，目前实际运营速度为350 km h-1。2018年CR 400AF-A、CR 400 BF-A、CR 400 AF-B、CR 400 BF-B动车组为满足京沪线等长干线的运输需求，这里，“-A”和“-B”分别代表8 M8 T地层和8 M9 T地层。截至2019年10月，中国已拥有3480辆动车组（转为8辆编组），这些动车组已超过百亿人次。目前，中国已成为高铁运营速度最快、规模最大、运营场景最多样化的国家。2. 提高综合技术性能高铁是一个复杂的系统。高速动车组作为移动设备，与接触网、轨道、周边空气等固定基础设施存在耦合关系。从某种意义上说，这种关系甚至比公路车辆、飞机或船舶等其他运输系统的关系更为复杂。为了进一步提高高速动车组的综合性能，需要妥善处理这些耦合关系。此外，还需要解决牵引与制动控制技术，提高牵引与制动性能，进一步提高行车安全监控水平。2.1. 改善轮轨关系确保良好的动力学性能在各种耦合关系中，轮轨关系是最基本、最具决定性的约束关系。高速动车组依靠轮轨粘着产生牵引力和制动力，依靠轮轨接触力保证垂直定位（支撑）和水平定位（侧向导向）。高速动车组转向架受轮轨关系的限制，当速度达到一定值时，会发生固有的蛇行失稳。电动车组的理论最高极限速度在很大程度上受到蛇行临界速度的限制。因此，高速动车组在最大运行236H. Zhao et 等/工程6（2020）234····速度不仅需要足够安全裕度，而且需要足够的临界速度裕度。根据文献[6]，高速列车在试验和认证时，必须以高于最高运营速度10%的速度通过动态性能试验，以验证其动态性能，包括运行稳定性、横向稳定性、运行品质和运行平稳性。影响动车组运行稳定性的因素很多。就动车组本身而言，转向架结构和悬挂是主要因素。世界各国都在研究如何提高列车的动力学性能;这些研究是以转向架的发展为先导，并以轮轨关系的研究为基础CR 400 AF/BF型复兴号动车组采用新型转向架结构、悬挂连接、牵引方式，实现了整体轻量化设计，降低了转向架悬质量，优化了转向架与车体间的悬挂参数。其特点是安全舒适，对线路适应性好，可靠性高，维护方便在转向架的设计中考虑了以下(1) 对线路的适应性：由于我国高铁线路长、运营区段跨度大，转向架必须充分适应不同的自然环境条件、线路条件和运营条件。(2) 运行安全性：转向架技术涉及轮轨动力学、静强度和疲劳强度设计理论。应考虑轮轨关系与转向架结构和悬挂的匹配，(3) 舒适性：转向架的设计应确保良好的乘坐舒适性。为了保持列车高速平稳运行，转向架结构采用两级悬挂，以隔离簧下振动并抑制车辆振动[7]。车内振动加速度应小于2.5 m s-2。通过仿真计算、实验室台架试验和线路试验，分析了该车的动力学性能，确定了悬架系统方案，并对悬架参数进行了优化。(4) 可靠性：无摇枕转向架采用高柔性空气弹簧和高阻尼抗横摆减振器，取代了结构复杂、零部件多、有摇枕甚至摆枕、摩擦式旁承的老式客车转向架。这一变化大大简化了结构，提高了运行可靠性。(5) 轻量化：通过优化结构，采用新型高强度轻量化材料，降低了车架质量和簧下质量。通过有限元分析，对转向架构架的静强度和疲劳强度进行了评估和模态计算，优化了转向架结构，并在部分零部件上适当采用了轻质高强材料。(6) 维修方便：采用模块化设计，使转向架主要零部件的拆卸和维修方便基于(7) 运行安全监测：配置转向架横向失稳监测、抱轴监测、轮对轴承温度监测装置此外，还设置了安全阈值进行警告或报警，以保证转向架的运行安全复兴号动车组有CR400AF和CR400BF两个平台。每个平台的转向架分为电机转向架或拖车敌机这两种转向架都是两轴无摇枕轻型结构。拖车转向架由构架、轮对、轴箱导向、一系悬挂、二系悬挂、制动装置和转向架辅助装置组成。电动转向架还配备有齿轮箱和电动机驱动装置。CR400AF型电动车组的动力转向架和拖车转向架分别见图1和图2。1和2.转向架承载能力的设计指标为17 t轴重。实验室滚动和振动试验结果表明，该动车组转向架的临界速度超过550 km h-1。线路试验结果表明，复兴号动车组的运行稳定性明显优于CRH动车组。复兴号动车组列车在京沪线上以350 km h-1运行时，车辆横向稳定性平均值下降约21%，垂向稳定性2.2. 解决弓网关系是高速铁路系统的另一个重要耦合关系。受电弓移动速度高速动车组必须与固定的接触线紧密接触，以实现良好的电流收集。受电弓与接触网之间发生摩擦，电力在两者之间传递。对于时速300 km-1以上的高速铁路，弓网受流性能直接影响到列车的运行速度和安全性。通过对弓网接触力、弧长、垂直加速度等指标的分析Fig. 1. CR400AF电动车组的电动转向架。图二. CR400AF动车组的拖车转向架。H. Zhao et 等/工程6（2020）234237············缩放盘非常重要。随着动车组速度的提高，弓头和接触网导线的振动幅度也随之增大，弓网接触力波动剧烈，受流质量下降。若弓网振动剧烈，弓网接触力降至零，弓网分离，产生电弧。这种电弧会烧毁受电弓和接触网导线，甚至可能造成输电中断，影响列车运行安全。如果接触力过大，接触网导线的升程将超过允许值，造成对于CR 400 AF/BF型动车组，为了优化弓网关系，需要采取以下技术措施：(1) 弓网参数的合理匹配(2) 主动控制受电弓的使用：对受电弓进行主动控制，改善受电弓的跟随性能，使弓网接触力保持在合理范围内，减少弓网与受电弓盘之间的磨损，延长使用寿命，增强动车组对不同线路运行的适应性。高速动车组受电弓的几何形状必须与接触网相适应，以实现受电弓与接触网导线的良好接触。弓网之间的摩擦和磨损是不可避免的，但过度磨损应避免接触网导线和受电弓盘的损坏(3)优化的动态性能：通过改善受电弓的动力学性能、空气动力学性能和弓网动力学性能，改善弓网关系和受流质量。通过稳定受流技术，减少电弧的产生和接触受流损耗，从而减少接触网导线的过大压力，减少弓网接触区的磨损(4) 强度分析：对整个受电弓进行强度计算，并对受电弓的具体零部件进行强度校核，使整个受电弓及各部件的静强度有较大的安全裕度(5) 快速降弓保护：采用非电控的紧急降弓系统，保证弓网事故发生时，弓头在1 s内下降200 mm以上高速铁路欧洲铁路公司正在研究应用多电压兼容受电弓技术，以减少受电弓数量。减少受电弓将减少列车重量、空气阻力、接触噪声以及运营和维护成本。每列车只有一个受电弓是理想的，在这种情况下，在受电弓的设计和安装备用受电弓时必须考虑当前的能力。多制式电动车组需要一个单一的多电压兼容的受电弓。2.3. 改善牵引动力性能优化电机控制和粘着控制策略交流传动技术的发展依赖于功率半导体器件的改进变换器技术，以及控制方法和装置的改进。后者可以使整个变流器-电机系统具有优良的控制性能，以满足不同应用场合的要求。性能要求包括：平稳启动，抑制车轮打滑和滑动，再生制动，以及广泛的速度调节。为满足动车组总体技术要求[8]，CR 400 AF/BF型动车组的牵引能力在直道上的座位能力负荷必须满足以下要求：①运行速度0-200kmh-1时平均加速度不得小于0.4 m s-2; ②运行速度350 km h-1时剩余加速度不得小于0.05m s-2。CR 400 AF和CR 400 BF电动车组的牵引/再生制动特性曲线如图1A和1B所示。3和4从系统效率、电压电流、电气参数、机械接口、重量等方面对CR400 AF/BF型电动车组进行了牵引系统设计、设备研制和匹配参数优化通过仿真分析和试验，最终实现了牵引系统的优良性能。(1) 考虑到牵引系统的轻量化设计，整车的功率重量比约为20.7kW t-1，牵引系统的效率在0.85以上牵引系统主要部件的功率密度明显高于同速度等级的CRH动车组①牵引/辅助变流器功率密度达到CRH380A和CRH 380 B分别为0.43 kVA kg-1和0.63 kVA kg-1。②牵引Transformer的功率密度为0.99 kVA kg-1，高于1998年的CRH 3C为0.91 kVA kg-1③牵引电动机功率密度为0.909kVA kg-1，高于CRH 380 B为0.78 kVA kg-1(2) 在动车组牵引冷却系统的冷量设计中，充分考虑了我国高速铁路的运行环境图3.第三章。CR 400 AF电动车组牵引/再生制动特性曲线图四、CR 400 BF型电动车组牵引/再生制动特性曲线238H. Zhao et 等/工程6（2020）234并为满负荷运行设置了15%的裕度。即使在中国独特的春季，当柳絮到处飞舞时，牵引系统仍然可以可靠地工作。因此，牵引变流器箱过滤器的清洗周期减少，变流器超温故障问题也减少。动车组的可用性得到了提高。(3) 在牵引系统控制方面，优化了高速动车组牵引传动系统的控制策略，实现了对牵引变压器、牵引变流器、牵引电机等设备的高性能控制和完善的故障诊断，满足了高速动车组启动和高速连续运行牵引控制系统具有高效、节能、安全、可靠的技术特点实现这一结果所需的两个步骤如下：第一步：采用两相双工四象限整流器控制策略，提高系统的稳定性和动态响应速度。采用移相技术，有效控制谐波，保证再生能源的回收质量。为有效改善网侧谐波分布，减轻供电网污染，对牵引逆变器实施基于电流谐波优化的混合脉宽调制（PWM）策略。第二步：实施高性能牵引电机控制策略，有效抑制牵引电机转矩脉动，使牵引逆变器大功率化在全速范围内实现良好的输出波形和控制性能[9]。图5示出了载波比的每个切换时间处的PWM波形。(4) 开发和使用新的半导体开关元件。CR 400型动车组采用高关断电压、大导通电流、高开关频率的6500 V/750 A绝缘栅双极型晶体管（IGBT），有效地降低了开关损耗，提高了牵引变流器系统的工作稳定性，保证了动车组的连续高速运行(5) 设计紧急牵引功能。即使动车组网络通信系统瘫痪，仍能通过有线信号按指令施加牵引力，使列车仍能下坡运行，避开危险地段。(6) 在无电返回作业/救援时，实现不停电的过相控制和自发电。辅助系统负荷，如空调、空压机等，在过相、无电回相运行时仍能正常工作从而提高了动车组的可用性、舒适性和服务质量。牵引系统及其控制技术一直是动车组产品更新换代的决定性因素。交流异步电动机的控制（调速）技术比直流电动机复杂图五、PWM波形在每个开关时间的载波比。（a）11脉冲到9脉冲切换;（b）9脉冲到7脉冲切换;（c）7脉冲到5脉冲切换;（d）5脉冲到3脉冲切换。H. Zhao et 等/工程6（2020）234239激励电机转差特性控制用于早期的交流驱动高速电动车组，如日本的300系列。80年代以来，国外三相交流传动机车和电动车组普遍采用矢量变换控制。典型代表是德国西门子公司的ICE系列高速电动车组（包括ICE 1-ICE 3）。1985年，德国和日本发明了一种先进的控制技术，即直接转矩控制（DTC），它具有与矢量控制相当的传动性能，但结构更简单。目前，这两种技术已广泛应用于国内外高速电动车组的牵引电机控制。我国CR400AF型电动车组采用直接转矩控制，CR400BF型电动车组采用矢量控制。2.4. 采用多种制动方式组合，优化制动控制和防滑策略CR 400 AF/BF型复兴号动车组制动系统控制采用了以下关键技术：(1) 该系统增强了微机直流电空制动系统的性能和可靠性，充分利用了再生制动，并能方便地调节制动力。采用复合制动方式。通常，在行车制动条件下，优先考虑电制动器这样，减少了制动衬片和制动盘之间的磨损，并且确保了节能和紧急制动采用电空联合紧急制动.纯气动紧急制动器仍然被用作最终的保障。(2) 列车制动力的管理、计算和分配全部由制动系统完成，并采用统一的减速度曲线控制，以达到满意的制动控制性能。(3) 随着速度的提高，为此，对高速制动过程中的制动力分配和制动控制防滑策略进行了优化。(4) 列车制动的动能与速度的平方成正比。高速列车制动时会产生巨大的热负荷。开发了能够吸收热负荷的制动盘和具有良好的抗热裂性和抗热衰退性(5) 改进了系统诊断和面向故障的安全控制动车组制动安全性主要涉及制动系统的制动能力、可靠性和面向故障的安全性设计(6) 在可靠性和可维护性方面，系统具有模块化、标准化的技术特点。CR 400 AF/BF型复兴号电动车组制动系统由制动控制系统、供气系统和基础制动装置组成。系统组成如图所示。 六、CR 400 AF/BF制动控制系统接收来自司机、列车控制与监控系统（TCMS）或列车自动速度控制系统（ATP）的制动命令，风源系统主要由主空压机组、干燥装置、辅助空压机、风缸及贯穿全列车的主风管组成。基础制动装置由制动盘、制动夹和制动衬片组成。它安装在转向架上。一个气动盘式基础制动装置用于这两个汽车和拖车。拖车使用轴上安装的制动盘，而汽车使用轮上安装的制动盘。电空复合制动机在各国高速电动车组然而，气动制动仍然是高速动车组最基本的制动方式例如，在法国，除第一代TGV电动车组采用自动电空制动机外，其余TGV电动车组均采用最新的微机控制电指令直通电空制动机。至于基础制动装置，第三代和第四代TGV动车组大多采用盘式制动器。各国高速动车组采用的电制动器主要有电阻制动器和再生制动器。电阻式制动器使动车组在电网故障的情况下产生制动力，并且安全。然而，如果使用它们再生制动具有与电阻制动相反的优点和缺点，因为它可以提高接触网供电系统的功率因数，从而节省能量。在日本，电动车组使用再生制动器-除了早期的高速电动车组，使用电阻制动器。在德国，所有ICE系列电动车组从一开始就使用再生制动器。2.5. 解决气动减阻和车体轻量化问题气动阻力是飞行器运行阻力的重要组成部分因此，减小气动阻力对于减小高速列车的阻力具有针对CR 400 AF/ BF型复兴号动车组，对影响列车运行阻力和能耗的头部外形设计、车体断面和型线、车体重量、转向架面积、受电弓面积等进行了大量的研究和试验CR400BF型复兴号动车组降低运行阻力的措施如图。7.第一次会议。(1) 头部外形优化：采用通过增大细长比等措施，提高了飞机的综合气动性能。(2) 表面平滑：对车顶空调机组进行了光顺处理;优化了车与车之间的挡风玻璃连接;优化改进了转向架区域的气动外形。(3) 流量控制：通过采用扰流器、沟槽等流控技术，对动车组表面流场进行修正和优化，以减小气动阻力，减轻受电弓流场对受电弓动力学性能的影响，降低空气阻力。(4) 等强度概念设计：为了防止车体重量轻影响车辆性能（如，从结构强度、刚度、气密性强度等方面对车体结构进行了优化设计。基于模拟计算，平衡了各部件的负载率。(5) 仿真分析与模型试验：建立典型高速动车组模型及轨道、隧道等环境模型，对不同速度等级的动车组在明线运行、明线交会、隧道通过等工况下的空气流场分布规律进行仿真分析。通过仿真分析、风洞试验和动模试验，系统研究了不同外形电动车组的空气动力学和气动噪声性能。240H. Zhao et 等/工程6（2020）234·图六、CR 400 AF/BF复兴号动车组制动系统组成BP：制动管。图7.第一次会议。降低CR400BF复兴号动车组运行阻力。(6) 车体轻量化设计：主要通过材料创新和结构优化，减轻车体重量。在保证车体强度和刚度的前提下，对复兴号动车组的生产工艺每辆车的整体都采用了超薄长中空铝合金挤压型材型材一步一步焊接成薄壁鼓，作为轴承结构。这样，残余应力有效地减小了焊接变形，提高了焊接效率 列车头部和车体的结构如图1和图2所示。8和9。通过气动减阻和车体轻量化设计，CR400型电动车组的运行阻力显著降低。CR 400 AF 在350 km h-1时的总阻力比CRH380A 低12.3%，CR 400 BF比CRH 380 B低7.5%其他国家则致力于加强列车空气动力学设计和高速铁路的研究日本在高速动车组头部造型设计中，对空气阻力、气动噪声、隧道微压波等进行了深入研究。从0系到500系的高速动车组车头逐渐加长。为了减轻微压力波，为700系列和E4系列开发了独特的头车形状日本自开发N700系列以来，在高速列车气动外形设计中采用了仿生外形设计理念。N700A和N700S具有通过车体的光滑化和车体形状的优化，降低了运行阻力。通过N700、E5、E6和E7系列的设计，这种经验已经变得成熟。为了提高列车的运行速度，所有拥有高速铁路的国家都非常重视高速列车的轻量化设计。采用双壳体结构，模块化、一体化结构设计，H. Zhao et 等/工程6（2020）234241见图8。 复兴号动车组的头车结构。见图9。复兴号动车组带受电弓中间车结构。已经使用材料来减轻车体重量。目前主要车体结构为双壳大型中空挤压铝结构，已广泛应用于700、N700、E6系列等日本主力车型。在德国，双壳结构也用于新的ICE列车。在意大利，许多轻合金材料用于ETR 1000高速列车的车厢外壳和内部。这样既可以减轻车体重量，又可以回收和再利用资源2.6. 采用综合监测诊断确保动车组安全运行随着动车组运营速度的不断提高，动车组系统设备状况和运营安全问题日益突出。动车组一旦发生热轴故障、锁轴打滑故障、横向失稳等故障，安全风险较高。为了监测动车组的设备状态和运行安全，动车组上安装了各种传感器传感器连接着大多数系统的控制设备，状态由控制设备采集。列车通信网络（TCN）系统共享各系统的信息，从而实现对整个动车组的控制、监测和诊断。连接到TCN的设备包括牵引设备、制动和防滑装置、列车辅助设备（例如，空调、供暖、通风和照明）、通信和信号设备、转向架不稳定性检测装置、轴箱温度检测装置、火灾和烟雾报警装置、乘客信息系统和诊断系统。每列CR 400 AF/BF型动车组列车上设置了2500多个监测点这些点上的传感器收集了超过1500个项车辆状态信息，实时诊断动车组运行故障，并在异常情况下进行自动报警或报警。例如，电动车组配备有监测轮对和齿轮箱轴承温度以及转向架横向稳定性的装置。当出现预警或报警时，这些设备及时提供应急处理和维护建议，并根据安全策略自动控制限速或列车停车，以确保动车组的运营安全。在所有拥有高速铁路的国家，高速动车组的关键部位都安装了各种传感器例如，法国庞巴迪为意大利铁路系统提供的ETR 1000高速列车（ferrovie dello stato（FS））配备了基于TCN系统的远程诊断系统。3. 提高舒适度，降低生命周期成本为了提高乘坐舒适性，我国和世界许多国家都采取了降低噪声和振动、使用倾斜装置、扩大客室空间、调整座椅间距、引入无障碍设施、微调车内温度控制等措施。3.1. 优化乘客舱空间CR 400 AF/BF型复兴号动车组乘客界面设计坚持以人为本的原则。基于工效学，乘客242H. Zhao et 等/工程6（2020）234···空间、上落车空间设计合理。动车组全部使用车辆限界所有车体横截面的宽度为3360 mm，高度为4050 mm。CR 400 AF/BF的横截面积比CRH380A大7%，比CRH 380 B大10.5%。复兴号动车组车体横截面如图所示。 10个。CR 400 AF/BF复兴号动车组配备了Wi-Fi系统，用于访问互联网资源和信号覆盖。动车组为乘客提供通过个人终端访问互联网或列车局域网的服务，如音频和视频娱乐、游戏互动、应用程序下载、社交联系/聊天和电子阅读。此外，电动车组设有座位信息显示系统，该系统通过互联网与12 306售票平台连接，以收集电动车组的售票信息该显示系统可实现电子座位号显示和实时座位售票状态显示。法国的AGV列车采用低地板设计，整个列车的地板水平保持不变，以方便乘客上下列车。此外，多辆新型高铁列车通过优化车厢结构设计、设置完善的卫生间、饮水装置和残疾人设施、优化旅客服务信息系统、提供无线网络接入、强化车厢内空调性能等方式进行了改进。3.2. 减振降噪动车组车内噪声控制是一项系统工程，涉及车体轻量化设计、气密性设计、车下设备布置、减振结构优化、隔声材料选择等。为提高CR400型动车组的乘坐舒适性，增大车体截面，但这导致了较高的气动噪声。为了减少运行阻力，空调、摄像机等设备采用下沉式安装，但这也对该区域的隔音效果有为此，从声源、振源、传播途径等方面对客车振动降噪系统进行了分析，并进行了综合治理，以降低客车车厢内的噪声水平。举例来说(1) 分析了噪声的传播途径，综合运用隔声和吸声方法，设计并应用了一种多层复合隔声吸声结构。(2) 采用流线型设计，降低了车身表面的空气动力学噪声。(3) 由于振动引起的低频结构噪声，采用传统的降噪措施难以降低。见图10。复兴号动车组车体断面图。以隔音和吸音为基础的安全措施。为此，对结构进行声振解耦，以降低结构噪声。对车体采取这些减振降噪措施后，CR 400 AF/BF型复兴号动车组车内噪声指标均优于CRH型动车组。复兴号动车组在京沪高速铁路上以350 kmh-1运行时在中国和其他国家，各种新技术已被整合并应用于铁路，以降低列车噪音。采取了如下措施：受电弓和隔音板采用新型低噪声结构，车体侧围裙板和地板采用新型吸声材料，车与车之间设置重叠金属屏蔽。例如，日本E5、E6和E7型电动车组采用的新型单臂多段低噪声受电弓，加上其他降噪措施，使列车以320 km h-1运行时，环境噪声保持在275 km h-1水平。此外，E5型动车组采用了低噪声、性能优良的隔声材料，车窗玻璃夹层加厚;车体侧采用了性能良好的隔声材料;转向架上设置了围挡，隔绝车下转动区域的噪声;整车车体高度变化小，轮廓平滑，车厢间无缝隙;车体吸声材料能有效吸收钢轨与车体之间的反射噪声。3.3. 节能环保节能环保是国内外高速动车组最重要的发展方向之一，可持续发展的的全球环境CR 400 AF/BF型复兴号动车组的制造商与国内外机车车辆制造商一样，在这方面采取了很多措施：(1) 牵引系统的效率得到了提高，包括使用了新的功率转换装置和牵引电机，并采用了最佳控制策略。(2) 通过优化各部件的设计，减轻了列车的重量，实现了列车整体轻量化的目标(3) 从高速列车空气动力学的角度出发，对高速列车的运行阻力进行了降低，改进了流线型结构设计，以达到降低阻力、增加节能的目的。(4) 采用自动/辅助驾驶技术，实现最佳运行控制，提高能效，降低能耗。(5) 我们采用低能耗设备和技术，如发光二极管（LED）照明技术，并使用高效智能空调来利用余热。(6) 变压器冷却油采用可降解、无污染、高阻燃的低能耗不仅有助于降低列车运营成本，还可以进一步增强高速铁路作为环保运输方式的优势在ICE 3和ICE 4列车设计中，优先考虑进一步降低能耗。在N700和N700A高速列车中，改善了车厢照明，降低了能耗。H. Zhao et 等/工程6（2020）234243图十一岁网络控制通信系统采用TCN + Ethernet +4G移动通信技术架构GPRS：通用分组无线业务（基于GSM）; WLAN：无线局域网; ECNN：以太网组成网络节点; EGWM：带以太网接口的网关模块; EVCM：带以太网接口的车辆控制模块; EDRM：以太网数据记录模块; WTD：无线发射装置;美联社：接入点; GSM-R：全球铁路移动通信系统; CARS：中国铁道科学研究院有限公司，有限公司; EOAS：动车组工程师操作分析系统; PTU：便携式单元（笔记本电脑）。在700系列的基础上加强了安全性和环保性。例如，LED照明技术应用于厕所;座椅由100%可回收的新型聚酯材料制成;转向架侧板使用不锈钢而不是纤维板;使用运行空气冷却系统实现无风扇转换器。3.4. 生命周期成本降低降低成本的考虑因素包括设计成本、维护成本、运行成本和维护成本。采用模块化设计，缩短了制造周期，降低了成本。同时，为了降低成本，部分企业采用双层动车组列车，降低单位座次成本，增加收入。法国日本此外，以定期维修为基础的通过车地无线通信将车载状态和故障信息传送到车辆维修段，以基于当前状态的维修代替传统的计划维修，是各国普遍采用的提高维修效率、降低维修成本的方法。复兴号动车组的使用寿命为30年。考虑到运用和维护成本，采用了基于互操作性和统一型式的设计，实现动车组的相互多重运用、救援和热备动车组采用标准的模块化系列产品设计，减少了备件的种类和数量，降低了运营、维护和维修成本。欧洲货币联盟-列车级采用有线列车总线（WTB），车辆级采用多功能车辆总线（MVB）。检修网络采用以太网，车地通信采用4G移动通信技术，如图所示。 十一岁动车组配备有无线传输装置，其执行故障数据的存储和远程数据的无线传输。地面专家系统接收无线传输数据并将其导入数据库。该应用平台实现了动车组运行状态监测、故障预警、安全评估、辅助维修、运维决策支持等功能。通过建立故障预测与健康管理（PHM）模型，进一步优化了基于智能管理的复兴号动车组部件维修流程和系统。未来，基于智能技术、专家系统故障诊断模型、大数据分析、数据挖掘等功能，动车组的故障预测和健康评估功能将进一步增强。‘‘Predictive” maintenance will be implemented in advance to ensuresafe and reliable EMU operation4. 结论为了实现高速动车组的高速、安全运行，必须解决轮轨关系、弓网关系、阻力和降噪等技术问题。应继续探索新的技术方案和先进技术的应用，提高动车组的综合技术性能。为了吸引更多的乘客，提高列车的舒适度也是许多国家的重要考虑因素在244H. Zhao et 等/工程6（2020）234·为了实现全球环境的可持续发展，人们越来越关注节能和环境友好。铁路运营企业和动车组制造企业在采购/研制动车组时，非常重视全寿命周期成本，全面考虑动车组列车的经济效益。综上所述，技术平台化、综合技术性能提高、节能环保、舒适性和经济性是当前动车组的主要技术未来，在新一轮科技革命的背景下，云计算、大数据、物联网、人工智能、宽带通信等技术以科技创新为动力，加快新技术、新材料、新工艺的应用和转化。高铁行业需要重大的技术创新，并拥有发展机遇。加快解决高铁智能化的科技难题，将物联网、大数据等新技术应用于高铁各领域，构建更加安全、可靠、经济、舒适、方便、快捷、节能、环保的高铁智能化系统，将成为中国乃至世界高铁发展的未来趋势。引用[1] 理事会指令96/48/EC。跨欧洲高速铁路系统的互操作性。布鲁塞尔：欧洲共同体委员会; 1996年7月23日。[2] 中华人民共和国国家铁路局。TB10621- 2014。高速铁路设计规范。中国标准。北京：中国铁道出版社，有限公司; 2014. 中文.[3] 国际铁路联盟（UIC）。世界上的高速线路（摘要）[互联网]。巴黎：铁路技术出版物; 2019 [更新于2019年10月1日;引用于2019年11月21日]。可从以下网址获得：https://uic.org/IMG/pdf/20191001_high_speed_lines_in_the_world.pdf。[4] 国际铁路联盟（UIC）。世界高速机车车辆[互联网].巴黎：铁路技术出版物; 2019[ 更 新 于 2019 年 10 月 1 日 ; 引 用 于 2019 年 11 月 21 日 ] 。 可 查 阅 ：https://uic.org/IMG/pdf/20191001_high_speed_rolling_stock.pdf。[5] 卢湾中国北京：中国铁道出版社，有限公司; 2017. 中文.[6] 天业发（2008）28号。高速电动车组整车试验规程。北京：中华人民共和国铁道部中文.[7] 黄春，梁S，曾健，范军，张玲。考虑车体柔性振动的车辆系统动力学和悬架设计。Railw Veh 2013;51（10）：1-7.中文.[8] 中国铁路。中国标准时速350 km-1电动车组暂行技术条件。北京：中国铁路; 2014年2月。[9] 赵志大功率牵引网谐波最小PWM控制策略的研究与实现