第1章 轨道交通概论
1.1 轨道交通体系
一般来说，轨道交通是一个比较广义的词汇，包括多种基于固定线路运行的交通模式，如铁路、地铁、轻轨、磁悬浮列车等。近年来随着我国在轨道交通领域的大力投入，作为国家基础设施关键的组成部分，铁路和城市轨道交通取得了前所未有的发展。我国的《中长期铁路网规划》确定到2025年全国铁路网规模要达到17.5万km，到2030年实现铁路全国县域基本全覆盖；另外，截至2022年末我国已有53个城市开通了城市轨道交通，运营里程逐年增加，预计2025年超过1.2万km。轨道交通已经成为国民经济发展的重要支柱行业并将持续发挥支撑国家和城市发展的“动脉”作用。客运高速化、货运重载化、城际公交化已经成为轨道交通的必然趋势。本章简单介绍几种轨道交通方式（包括高速铁路客运专线、重载货运、城市轨道交通等）和关键子系统及技术，为后面章节奠定基础。
1.1.1 客运动脉的高速铁路
高速铁路作为我国自主创新的典范，与航空航天并列成为我国的两大名片。虽然经历了类似“7 23”事故这样的曲折，但广大铁路工作人员历经多年努力所取得的成绩有目共睹，为我国国民经济发展做出了巨大贡献，也为国家下一步的战略发展奠定了基础。一方面，高速铁路大幅提高了客运能力，缩短了区域和城乡间的时空距离，推动了工业化和城镇化进程，促进了区域和城乡协调发展，加快了产业结构优化升级，取得了显著的社会与经济效益；另一方面，高速铁路极大地释放了既有线的货运能力，为实施客货分线运输创造了条件。
中国高速铁路的建设始于1999年兴建的秦沈客运专线（设计速度250km/h），经过20多年的高速铁路新线建设和既有铁路的提速改造，中国目前已经建成了世界上*大规模以及*高运营速度的高速铁路网。截至2022年底，速度达200km/h以上的高速铁路里程超过4.2万km，铁路总运营里程突破15.5万km。按照《国家综合立体交通网规划纲要》要求，在接下来的3个“五年规划”（2021～2035年）期间，中国还将建设5万km的铁路，其中高速铁路2.9万km，普速铁路2.1万km。根据《中长期铁路网规划》和中国国家铁路集团有限公司（国铁集团）的《新时代交通强国铁路先行规划纲要》，至2035年底，中国将基本建成以“八纵八横”为骨架的全国快速客运网（八纵通道包括沿海通道、京沪通道、京港（台）通道、京哈—京港澳通道、呼南通道、京昆通道、包（银）海通道、兰（西）广通道，八横通道包括绥满通道、京兰通道、青银通道、陆桥通道、沿江通道、沪昆通道、厦渝通道、广昆通道），高速铁路里程达到7万km，实现高速铁路通达50万人口以上城市，形成以北京为中心可以基本实现1～8h到达全国主要城市的高速铁路交通圈。
通过京津、武广、京沪、哈大等几条典型高速客运专线的建设与积累，我国的高速铁路在各个方面（车辆、线路、控制、管理等）均取得了令人瞩目的成绩。
在高速列车方面，中国铁路建立了速度为250km/h、350km/h及以上动车组技术体系；研制了坐、卧、16辆长编组动车组系列产品，适应不同运营条件；掌握了动车组设计与制造关键技术。“和谐号”CRH380、“复兴号”CR400等新一代高速动车组在低阻力流线型、高气密强度和气密性车体、振动模态系统匹配、安全可靠的高速转向架、先进的噪声控制、高性能的牵引系统、高速双弓受流性能、安全环保的制动系统和人性化的旅客服务等方面取得新突破。2010年12月3日，“和谐号”高速列车在京沪高速铁路先导段运行试验中，*高速度达486.1km/h（2007年法国试验列车曾创造了速度574.8km/h的纪录），能够在长达上千公里保持350km/h充分说明我国在高速列车方面的发展水平。
在工程建造方面，围绕线桥隧、客运枢纽以及牵引供电等方面积累了丰富的工程经验，掌握了系列关键技术，具体包括：
（1）路基—突破了地基处理、路基填筑、线下构筑物刚度均匀化技术难题，实现路基沉降变形收敛可控。
（2）无砟轨道—突破了与信号轨道电路适应性、大跨桥上变形控制等技术难题，掌握了无砟轨道大规模应用设计、制造、施工及精调成套技术。
（3）桥梁—解决了900t双线整孔箱梁制造运输与架设，以及大跨高墩等一批新结构特殊桥梁技术难题，实现了工厂化、机械化快速施工。
（4）隧道—解决了艰险山区、复杂地质、江河水下修建隧道技术难题，实现高速列车隧道内速度350km/h安全运行和交会。
（5）客运枢纽—解决了过去交通方式分治和换乘不便难题，实现了平面换空间，通过城市轨道、公交、出租车乃至空港多种交通方式融合构建立体现代客运综合交通枢纽。
（6）牵引供电—研发并广泛应用抗拉强度高、导电性能好的接触线与承力索，掌握了36～40kN大张力接触网设计与施工技术，实现速度350km/h动车组重联双弓安全运行。
在列车运行控制方面，研发装备了适用于既有线提速和新建速度250km/h高速铁路的中国列车运行控制系统（Chinese train control system，CTCS）-2级、适用于新建速度高于250km/h高速铁路的CTCS-3级。CTCS-3级可实现*小追踪间隔3min并兼容CTCS-2级，确保250km/h和350km/h两个速度等级高速列车的跨线运行。
在系统集成与运营管理方面，中国铁路建立了集成技术标准和管理体系，把联调联试及试运行等技术要素与建设及运营有机衔接起来，实现了高速铁路各子系统的集成与优化。图1.1是高速铁路各子系统及技术接口示意图。
高速铁路作为复杂的巨系统，涉及许多学科和技术，而且以交叉学科研究为主（图1.2）。例如，从动力学角度来看，高速铁路运行距离长，电磁环境、地理环境和气象环境复杂，既要考虑高速列车与空气之间的动力学，还要考虑列车与轨道之间的耦合动力学，甚至要考虑轨道与路基桥梁等之间的耦合关系，这些复杂的关系使得高速铁路的研究更具有挑战性。
RS指遥感（remote sensing），GIS指地理信息系统（geographic information system），GPS指全球定位系统（global positioning system），CAD指计算机辅助设计（computer aided design），CAM指计算机辅助制造（computer aided manufacturing）
1.1.2 多拉快跑的重载铁路
货运重载化是铁路现代化发展的必然趋势之一，重载铁路是支撑重载运输发展的基础。重载运输是指在一定的铁路技术装备条件下（重载铁路系统），采用大功率机车扩大列车编组长度，大幅度提高列车车载质量，达到一定载重量标准的运输方式。国际重载运输协会先后三次给出了重载铁路的定义，要求至少满足三条标准中的两条，*新2005年版对应的三条标准包括：列车质量不小于8000t；轴重达27t以上；在长度不小于150km线路上年运量不低于4000万t。
重载运输已有近50年的历史，美国、加拿大、巴西、南非、澳大利亚、俄罗斯等10多个资源型国家都开展了重载运输，充分体现了高效率、低成本的巨大优势，是铁路运输规模经济和集约化经营的典范。
20世纪80年代后，由于新材料、新工艺、电力电子、计算机控制和信息技术等现代高新技术在铁路上的广泛应用，铁路重载运输技术及装备水平有了很大提高，特别是重载机车技术、重载货车技术、同步操纵和电空制动技术、线路技术四大关键技术的新突破，更大地促进了重载运输的发展。
具体来说，世界各国铁路在发展重载运输的过程中，都积极研究采用大功率内燃和电力机车，增加轮周牵引力；研制安装机车同步牵引遥控和通信联络操纵系统，以保证机车分布在不同位置时实现多机牵引重载列车安全运行的需要；采用轴重大、自重轻、载重量大的大型货车，车辆连接采用刚性结构，并装设性能可靠的制动装置及高强度车钩和大容量缓冲器；在改造既有线或修建新线（专线）适应重载运输要求时，强化线路结构，铺设重型钢轨和为减少重载列车在线路上运行时轮轨间有害作用力的影响，采用异型轨头和钢轨涂油润滑、打磨技术等。此外，对于既有线重载列车运行方向上的车站站场股道进行能够容纳整列车的相应改造和延长，并且在铁路运营中实现货车装卸机械化和行车调度指挥、运营管理自动化等。所有这些技术与措施都极大地推动了铁路重载运输技术水平的不断提高。值得指出的是，重载列车对线路的冲击破坏作用较普通铁路大得多，尤其是曲线、道岔、钢轨等薄弱环节，极易出现脱轨或其他问题，因此重载铁路线路的状态监测尤为重要。
关于国外重载铁路发展，读者可以参考其他资料，这里重点介绍我国重载铁路运输发展的标志—大秦铁路建设与运营实践。大秦铁路自山西省大同市至河北省秦皇岛市，全长653km，除了作为我国西煤东运的主要通道之外，更是连接“三西”（内蒙古西部、陕西和山西）煤炭基地与华北、东北等地区间的运输大通道。大秦铁路是中国新建的第一条双线电气化重载运煤专线，1992年底全线通车，2002年运量达到1亿t设计能力。为*大限度地发挥大秦铁路的作用，有效缓解煤炭运输紧张状况，自2004年起，铁道部对大秦铁路实施持续扩能技术改造，大量开行1万t和2万t重载组合列车，全线运量逐年大幅度提高，到2008年运量就突破3.4亿t，2014年达到4.5亿t，成为世界上年运量*大的铁路线，全线开通30年来，累计运量超过60亿t。
大秦铁路研发了大量支撑重载运输的关键技术，例如，实现了网络化无线同步操控系统，将机车同步操控（LOCOTROL）技术与铁路数字移动通信系统（global system for mobile communications-railway，GSM-R）技术的结合成功应用于2×1万t重载组合列车，可实现列车编组内机车台数、主控和从控机车距离以及控制的列车对数不受限制，同时将800MHz数据电台与机车无线同步操纵技术结合，通信传输距离由450MHz的650m提高到800MHz的790m；采用了额定功率9600/10000kW的和谐型大功率交流传动电力机车；采用了25t轴重，载重80t的C80铝合金运煤专用敞车及C80B型不锈钢运煤专用敞车；采用了桥涵加固技术和延长钢轨使用寿命等技术，研制了新型75kg/m钢轨，强化线桥设备；采用了“5T”车辆运行安全监控系统，利用红外测温、力学检测、声学诊断、图像检测等检测手段和信息化技术，对运行中的车辆进行动态检查，确保安全，提高运输效率。近年来随着各种新技术的涌现及采用，大秦铁路更加成为国内外重载运输的典范。
以大秦重载运输技术为支撑，北同蒲线、云岗支线、迁曹线先后开行了1万t和2万t重载组合列车，大包线、口泉支线、大准线等开行了1万t重载列车。以这些线路为基础进一步构建了我国的重载货运骨干网络。
1.1.3 离不开的城市轨道交通
城市交通问题一直是困扰各大城市发展的关键环节之一，如何合理利用与优化不同城市交通方式（包括轨道交通、公共汽车、准公共交通、私家车、自行车等）似乎成为一个永恒的主题。图1.3给出了不同交通方式的使用范围和优势范围。
城市轨道交通是在城市（包括周边）地理区域范围内利用轨道（包括单根和双根）输送旅客或货物的运输系统，由一系列相关设施组成，包括车站、线路、列车、控制以及通信信号系统等。尽管各国轨道交通的技术和经济特性略有差异，但从概念和内涵上基本一致。典型的城市轨道交通系统及其特性指标如表1.1所示。由于城市轨道交通技术复杂度相对简单，本书重点介绍高速铁路方面的相关技术。
1.1.4 何时普及的磁悬浮列车
磁悬浮列车是一种靠磁悬浮力（即磁的吸引力和排斥力）来推动的列车。由于其轨道的磁力使之悬浮在空中，行驶时不需接触地面，因此只受来自空气的阻力。磁悬浮列车的*高速度超过600km/h，比轮轨高速列车的300km/h还要快。磁悬浮技术的研究源于德国，早在1922年，德国工程师赫尔曼 肯佩尔就提出了电磁悬浮原理，并于1934年申请了磁悬浮列车的
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