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台湾专家论高铁车辆发展趋势
2016-03-19 高铁车辆发展趋势 by台湾专家
张有恒 | 成功大学交通管理科学系
苏昭旭 | 高铁探索馆
注：因使用习惯，部分术语或专有称谓与大陆有差异
现代的高铁列车不停地推陈出新，朝向速度更快、能源使用更经济、运用更具弹性等多重目标迈进。归纳下全球高铁科技的「发展趋势」共有8项重点。
车体轻量化
为了让高铁列车的加速性与爬坡力更好，车体轻量化是趋势之一。早年日本新干线用钢制车体，让高铁列车坚固如坦克车，但这样的观念已经过时，先进的号志与控制系统(小编注：即中国大陆所指的信号，signalling)比厚重的钢板更能保障行车安全。而铝合金车体可以符合新的要求，例如日本700系新干线的车体，车壳采用双面铝挤型中空面板结构，具有与飞机同等级的隔音装置，以维持旅客车厢的静音，提供舒适的车厢环境。现代的高铁生产制程愈来愈像飞机，造价也愈趋昂贵。
日本新干线在1994年之后完全不再生产钢制车体，同等级的旧型钢制列车，也陆续以铝合金车汰换。法国高铁自1996年的TGV－D开始全面采用铝合金车体，德国高铁在1991年第1代ICE1推出时，就是采用铝合金车体。台湾高铁700T列车车壳采用铝挤型中空面板结构，也符合这个科技趋势。
更佳的能源效率
高速铁路早年发展时，因为直流马达扭矩大，加速力佳，大部分都采用大功率的直流马达。然而，随着现代电子科技的进步，现代高铁都使用VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制的交流感应马达，取代能源损失高、维修成本高的直流马达。不但列车功率提升，对于电子变速机的切换、爬坡路段高扭力低转速、水平路段低扭力高转速等，也都有更佳的能源效率。
例如法国高铁在1989年的TGV-A采用这样新的动力系统，以最高时速300公里称霸全球，也创下1990年515.3公里／时的世界纪录。德国高铁在1991年第1代ICE1推出时，也用一样的交流动力系统。1991年日本新干线300系诞生时，开始全面采用VVVF控制的交流马达。台湾高铁700T型在动力系统方面比照500系规格采用285 KW交流马达，功率比700系275 KW交流马达还高，合乎这项科技趋势。包含2007年4月3日，法国TGV-V150动力技术提升也不例外。
提高列车舒适性
当火车速度增快时，因为流体力学的频率性震动，车体蛇行晃动与噪音也相对大增，尤其标准轨列车时速在高达200公里以上时，问题更为明显。
先进的高铁列车为适应高速行驶的环境，车体采用半自动式横向减震系统、车身间止晃减震器、以及无枕梁式转向架等装置，可以抑制车身高速摇晃。而T型低噪音集电弓和集电弓整流罩，可以减低行驶时的噪音及阻力。台湾高铁700T型、日本新干线700系与800系都采用以上装置，可以提高旅客乘坐的舒适性，并能有效降低车内噪音。
并结运行提升营运弹性
早年日本新干线采固定16辆编组，用于东海道新干线，这在东京大阪之间起讫两端运量都很大时并无问题。然而随着路网不停地扩充，当同一路线上运量分布不均时，并结功能更可以发挥营运弹性。例如东北新干线，东京到仙台运量很大，以E4 + E4双组16节并结运行，提供最多座位数。但是仙台到盛冈运量减少，则只留下一组E4单组8节运行，以提高座位利用率。这样的分割运行称为「弹性运量编组」，相同的情形也运用在上越新干线，东京至高崎E4 + E4，在高崎拆解编组，以单组运行至越后汤泽。
法国TGV全系列都有并结双组运行的功能
法国TGV从第1代列车TGV－PSE开始迄今，全系列都有并结双组运行的功能。也就是两组车行驶至某车站后，会拆开各自开往不同目的地。例如巴黎至布鲁塞尔的TGV Thalys列车，在布鲁塞尔停站后分成两列，一列向西开往奥斯坦德，一列向北到阿姆斯特丹。这对于不规则的路网营运很重要，相当于两班车在前段合并成一班车，以提高运行效率。
德国高铁1991年第1代ICE1没有这项功能，但在1997年第2代ICE2便加入并结运行的设计，后期包含ICET、ICE3都采用5～8辆的短编组，黄金路线双组并结运行，次级路线单组运行。台湾高铁目前是单一路线，暂时用不到这项功能。
减低风阻
高铁为了减低风阻与通过隧道时的「活塞效应」产生的阻力，车头形状更具流线型，甚至在设计阶段经过风洞试验，让现代的高铁车体设计愈来愈像飞机。例如日本新干线500系铝合金的轻量化车体，车体浑圆像飞机机舱，打破历来车辆结构的四角概念。为有效降低风阻，车头前端与驾驶室座舱罩仿F－16战机，创造出500系长达15公尺的尖锐车鼻，赢得路上战斗机的称号。而700系的鸭嘴状车头，也是相同的道理。德国高铁2000年ICE3流线型的美感，更是艺术的杰作。
台湾高铁700T列车的鸭嘴状车头
由于高铁通过隧道时气压骤变，会造成旅客耳朵疼痛，因此全车气密结构是必须的，也就是须有类似飞机的恒压舱。从1991年之后生产的高铁都有这项设计，包含台湾高铁在内。不过，台湾高铁的隧道已设洞口环构造，有助于列车进入时排出空气，因此700T的车鼻略短呈尖锐状，比日本700系短1公尺。
多重电力与号志
高铁列车可以行驶各国不同的电压，甚至不同的号志系统。这一项在欧洲是最常见的，以实现欧盟铁道国际互通性。
例如欧洲国际列车TGV Thalys PBKA的营运路网，包含巴黎、布鲁塞尔、阿姆斯特丹、以及德国科隆4个城市，因此必须具备4种电力系统，即法国SNCF AC 25 KV 50 Hz、荷兰NS DC 1500 V、比利时SNCB DC 3000 V、与德国DB及瑞士SBB的电力系统AC 15 KV 16又2/3 Hz，如此Thalys PBKA可行驶包含法比荷德瑞5国。德国高铁ICE3M因为定位在国际线列车，因此也具备同样的电力系统。Thalys PBKA与ICE3M可称为实现国际互通性的空前杰作！
Thalys PBKA行驶至德国科隆大教堂之前的画面
类似的情形在日本也有，因为东京地区使用电压频率与长野不同，列车必须可以切换电压频率，所以E2系在行进间可切换50Hz和60Hz电压频率。这项功能比较特殊，只有E2系堪称是代表之作。而台湾高铁700T目前是单一电压AC 25 KV 60 Hz，用不到这项功能。
此外，驾驶座设于中间，可适应左行与右行号志系统，与弹性双向号志系统，例如欧洲之星Eurostar、Thalys PBKA、德国高铁ICE3M都是驾驶座设于中间。台湾高铁700T虽然不是国际列车，由于原始设计是双向号志系统，必要时可切换至对向轨道，增加营运弹性，因此也追随这一国际趋势，把驾驶座设于中间。
700T驾驶室
数位ATC系统保障行车安全
(小编注：此处“数位的”即大陆书面中“数字的”)
ATC（Automatic Train Control System）号志系统于1964年已经在日本诞生，成效良好，创造日本新干线长达40年零肇事的纪录。随着电子科技进步，ATC号志系统从传统类比电流，进步到数位编码，可进一步缩短列车间距，保障行车安全。先进的数位ATC系统，应用在九州新干线800系，台湾高铁700T型也采用这一先进系统。
而且ATC系统可结合GPS卫星定位与GIS电子地理信息系统，在现有轨道电路之外复制另一套列车侦测系统，CTC行控中心掌控列车更加一览无遗，让安全更有保障。欧盟主要国家已把这个装置界面列入欧洲国际高铁的技术协定中。
倾斜装置高速过弯
所谓的倾斜列车是指列车行经弯道时，利用车身向内侧的倾斜来提高列车的速度，以求得整体营运速度的提升。这种列车最大的好处，在于不需要立即兴建高速新线，可以就现有路线提高营运速度，等时机成熟经费足够，再逐步改善旧线或兴建高速新线，以达到渐进完成「传统铁路高速化」的目的。
倾斜列车可分成被动式与主动式两大类。被动式是指利用离心力让列车过弯时自然倾斜，倾斜角大约在3.5～5度左右，约可提高行车速度15～20％。例如日本的381系电车，利用车体下方装有滚轮等滑动结构，与西班牙的Talgo Pendular利用车体间框架上的两颗空气弹簧，类似不倒翁原理般把车体往外甩，都是著名实例。
针对被动式倾斜列车的效果有限，而且有过弯之后的反应延迟、S型连续弯道产生误动作等问题，便发展出主动式倾斜列车。主动式倾斜列车利用飞机陀螺仪的原理，行经弯道时侦测出列车弯道超高倾斜的矢量，连同行车速度一并经由微处理机运算，计算出最佳的增加倾斜角度、角速度与行车速度。以高速通过弯道，倾斜角大约在8～10度左右，约可提高行车速度35％。除了日本的窄轨系统之外，德国ICE－T、意大利的ETR与瑞典X2000，可说是全球标准轨主动式倾斜列车的佼佼者。
德国ICE－VT主动式倾斜列车
其实，倾斜列车也有一些缺点，就是在高速过弯时，会令车上旅客产生晕眩等不适。因此尽管实验上倾斜列车的效率可以更高，但主动式的倾斜角限制在8度左右，并加入全车气密结构，让旅客的可能不适降低。台湾自2007年5月8日起也开启太鲁阁号「倾斜列车」的营运之门，最高时速130公里，由于弯道速度提升，台北至花莲只需1小时59分钟，让北花航线饱受压力。
虽然倾斜列车是现在许多欧洲国家发展高铁时的另一种技术选择，但也可能出现在现有的高铁在线。例如日本东海道新干线，由于年代久远，许多弯道限制了车辆的性能，不能以全速行驶。因此下一代的日本N700新干线，会加入倾斜装置，让最高时速的行驶区间，从现有的三分之一增加至三分之二，缩短旅行时间15％以上，让东海道新干线的营运效率进一步提升。
挑战速度极限
除了以上8项之外，提高火车过弯的速度，可以再打破原有的速度极限。2007年4月3日，法国高铁TGV－V150试验车刷新世界纪录，创下时速574.8公里／时，直逼磁浮列车MLX901所保持的581公里／时，6月10日起东欧线通车，TGV－POS也将修正营运时速为320公里。因此很多高铁，下一阶段高速铁路的目标时速，将提升至350公里。目前全球高铁普遍的营运时速是300公里，包含1989年法国TGVA、1997年日本新干线500系、台湾高铁，与2000年德国高铁ICE3所创造的纪录，又将成为一页历史。
高质量的运输服务
其实以全球高铁发展趋势来看，台湾高铁700T列车无疑地是一款相当杰出的列车，8项趋势中除第4、6、8项暂时用不到而无配备之外，该有的先驱指标都已具备。而减少这3项，也可减少营运初期车辆维修的复杂度。因此就硬件而言，台湾高铁700T列车的质量是无庸置疑的。
然而，高铁的服务对象是民众，高质量的运输服务，除了有高质量的「硬件」做后盾，更应有优良的「软件」去发挥，才能产生效果。这好比买了一款杰出亮丽的轿车，还需要有驾驶人娴熟的开车技术，遵守交通规则的道德修养，定期用心与细心的保养，才能让每个搭车的旅客感受宾至如归的喜悦，也才可以使这部车的使用年限更久，路走得更长更远。企业体的永续经营，何其不然！
附：台湾高速铁路的速度历史纪录
民国93年1月，台湾高铁700T型列车在日本出厂正式亮相，5月25日700T型列车运抵台湾高雄港，送往高雄燕巢总机厂进行组装。民国94年1月于高雄大社至台南六甲，长约60公里的试车线开始运行，1月27日在台南站举办试车典礼，南部民众开始可以看到700T型高铁列车在高架桥上奔驰。
民国94年3月31日700T试车，时速达到120公里。民国94年8月30日14：25列车时速首度达到200公里，达到高速铁路的基础门槛。民国94年10月29日12：42达到营运时速目标300公里，写下台湾铁道史上的历史新页。民国94年10月30日12：03，700T型列车更超越营运时速，达到315公里。民国96年1月5日，台湾高铁正式营运，以时速300公里行驶，台北至左营直达车，中途只停板桥和台中，最快只需96分钟。
素材来源： 中国台湾“科技部”官网，略有修订 ，图片源自搜素引擎
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发表于 2016-3-20 18:33:01
