三 中国铁路40年技术创新
（一）电气化改造
电气化改造，是指将非电气化铁路改造转化成电气化铁路的工程，而电气化铁路是指以电能为主要供能来源运行货车的铁路，电气化铁路的沿线都需要配套相应的电气化设备为列车提供电力保障，它包括电力机车、机务设施、牵引供电系统、各种电力装置以及相应的铁路通信设备。电气化铁路的主要优势是运输能力大、运行速度快、能耗低、运行费用低（见表2-2）。
表2-2 电气化铁路的优势
电气化的铁路伴随着电力机车的出现应运而生，电气化铁路需要持续的供电来驱动车辆。经历了半个世纪的发展，中国的电气化铁路超越了电气化铁路发达国家，100多年来，电气化铁路经历了从无到有、从恒速到高速、从低吨位到重载的飞跃。
如图2-15、图2-16所示，截至2016年末，中国电气化铁路总里程已达8万公里，相比1980年的0.17万公里，复合增长率为11.3%。1980年，铁路电气化率仅为3.28%，而2016年，铁路电气化率已达64.8%，位居世界第一位。预计到2020年，我国铁路的电气化里程、电气化率将分别达到9.38万公里、65.5%。
1.铁路电气化40年发展历程
图2-15 中国电气化铁路营运里程及其增长率
资料来源：国家统计局，http：//www.stats.gov.cn/。
图2-16 中国铁路电气化率
资料来源：国家统计局，http：//www.stats.gov.cn/。
中国第一条电力铁路宝成路段于1961年8月正式交付作业，全长93公里。后来由于国民经济暂时遇到困难，基建前线缩短，加之人们对电气化铁路在提高运力和促进当时国民经济发展中的重要作用认识不足，我国刚刚起步的电气化铁路建设停了下来。到了1968年，为了加速大西南的建设，沟通西南地区与全国的物资交流，宝成铁路凤州至成都段的电气化工程又重新进行建设，经过建设者们7年的艰苦奋战，1975年7月1日，宝成电气化铁路终于全线建成通车，全长676公里，是我国铁路建设史上的重大里程碑。铁道部于1977年制定了“内电并举、以电为主”的技术政策，自此，随着改革开放的步伐，中国电气化铁路建设也实现了有计划的发展进步。1978年十一届三中全会，确定了将工作重点转移到社会主义现代化建设上来，尤其是改革开放，大大拓展了铁路电气化的发展空间。1978年3月石太线石家庄至阳泉段、1979年10月陇海线宝鸡至天水段、1980年4月成渝线成都至资阳段相继动工修建，电气化铁路的建设速度逐年加快，建设规模也逐步扩大，从在一条线、一个区段内施工，发展到了同时在几条线上施工，而且电气化铁路开始由山区铁路向运输繁忙的煤运通道发展，由单线电气化向复线电气化发展。1980年，电气化铁路总长1679.6公里，电气化率为3.28%。
改革开放后，电气化铁路建设加快了步伐。“六五”期间修建了电气化铁路2507.53公里，“七五”期间修建了2787.10公里，“八五”期间修建了3012.21公里，“九五”期间修建了4783.77公里，而且建成了我国第一条时速200公里的广深准高速电气化铁路，建设速度一年比一年快，建设规模也一年比一年大。“十五”期间，我国电气化铁路建设步伐进一步加快。2001年一年就建成了电气化铁路2652.40公里，如果加上株六铁路复线娄底至六盘水段873公里和广深铁路第三线140公里，建成的电气化铁路里程达3665.40公里，建设速度创造了世界电气化铁路建设史上的最高纪录。2002年又建成了电气化铁路1193.12公里，还建成了我国第一条快速客运专线——秦沈电气化铁路。截至2002年底，我国已建成了41条电气化铁路干（支）线，电气化铁路建设里程达到了18615.73公里，已经超过了日本、印度，跃居亚洲第一位、世界第三位，成为世界电气化铁路大国。[7]“十一五”期间，建成京津城际铁路，京津城际铁路是我国第一条时速达250公里的高速电气化铁路，全程120公里，运行时间30分钟，是中国电气化铁路建设史上的一个新的里程碑。截至2016年底，中国电气化铁路总里程已达80000公里。
2.电气化改造中关键技术
在中国铁路电气化改造的过程中，主要有两项关键的核心技术。[8]
（1）牵引供电系统。电气化牵引供电系统是指从电力系统得到电能，通过变流、变相或换流后，向电力机车提供所需的电能，并完成电能传输、配电等功能的完整系统。电气化牵引供电系统是电气化改造中的核心技术之一。
（2）供电制式。在世界电力牵引发展的今天，电气化铁路供电系统已经从低压直流、三相交流、单相低频交流向单相工频交流演变。中国电气化铁路一开始就选择了先进的单相工频交流供电系统，单相工频交流的供电制式能够直接从具有巨大容量的电力系统中获取电能，不需要在牵引变电所内设置整流和变频设备，又能以较高的电压向电力机车供电，因而大大简化了牵引变电所的供电设备，增大了牵引变电所之间的距离，缩小了接触导线的截面，减少了电能损失，降低了建设投资和运营费用，避免了重走世界各国先直流后交流、先低压后高压的发展老路，避免了交流与直流接轨的技术难题，为我国电气化铁路的发展打下了良好的基础。而近年来，由于各国铁路运量急剧增大，行车速度不断提高，逐渐向高速、重载、大密度发展，自耦变压器供电方式得到了极大的发展，我国的京秦、大秦、郑武铁路都采用这种供电方式。
（二）高原铁路
1.高原铁路建设成就
顾名思义，高原铁路是指在高原地区进行建设运营的铁路。最为著名的高原铁路是家喻户晓的青藏铁路。青藏铁路，是世界上海拔最高的高原铁路。青藏铁路第一期完工的线路是自1958年开工建设，1984年投入运营，从西宁至格尔木，全长814公里的线路；青藏铁路第二期完工的线路是2001年开工，2006年建成通车，从格尔木至拉萨，全长1142公里的线路。格尔木至拉萨段有550公里长的冻土地段，以及占线路总长近90%的海拔4000米以上的地区，格拉段海拔最高点为5072米。
青藏铁路的建设过程中，攻克了三大高原铁路建设难题（高原缺氧、多年冻土、生态脆弱）。[9]青藏铁路开通以来，冻土工程安全稳定，运营平稳有序，没有对生态环境造成破坏。青藏铁路为西藏地区的发展注入了巨大的活力，2006年青藏铁路开通当年，西藏经济增长13.2%，增幅最高，人均GDP突破万元（见图2-17）。
图2-17 百年高原行，天堑变通途
2.高原铁路建设的关键技术
（1）高原冻土技术。[10]冻土是一种对温度变化反应剧烈的土体。在冬季，冻土十分坚硬，并且，随着温度的降低，体积会发生巨大的膨胀，在这种情况下，冬季的冻土会对上层的路基产生向上的作用力。在夏季，随着温度升高，冻土逐渐融化，体积会变小，这样就会使上层路面发生沉降，冻土的这种特点，很容易导致路面路基的下沉、塌陷、变形、破裂等后果。冻土问题，是青藏铁路建设中的核心技术问题之一。
青藏铁路建设中采用的冻土技术如下。[11]
片石气冷措施。片石气冷措施主要是在路基上铺设具有一定厚度的片石，铺设的片石上层和下层温度不一样，所以，片石层内会产生空气对流，从而产生热交换作用。所以，片石层的铺设有利于路基底层的热量散发，能够降低地面温度，保护冻土层。青藏铁路的建设铺设了1.5米左右厚度的片石层，此外，以桥梁跨越特殊不良冻土地段，全线冻土区段桥梁总长120公里，占冻土区段线路长度的21.8%。全线片石气冷路基总长116公里，占冻土区段线路长度的21%。全线采用热棒措施的路基总长30.3公里，占冻土区段线路长度的5.5%。在路基内埋设通风管，降低冻土层温度，提高冻土稳定性，冻土路基、桥梁和隧道结构稳定、线路平顺，绝大多数观测点冻土路基年沉降小于2厘米，列车运行速度达100公里/小时，高原机车采用NJ2型，能提供氧气、防止紫外线以及高原低气压。
碎石（片石）护坡措施。在路堤的一侧或两侧堆积碎石或石板，形成护坡或护栏。砾石（板石）边坡防护能够使空气在一定的温度梯度作用下产生对流。空气对流强、热交换有利于底部的热量保护，暖季砾石在空气对流中减弱，屏蔽热效应入地，从而提高了寒冷季节的地层冷却，减少了热量的传递，在温暖的季节达到降低地温、保护冻土的效果。文献表明，1～1.5米砾石护坡厚度有较好的降温效果。通过改变路基边坡的护坡厚度，可以调整路基温度场的不平衡，对解决多年冻土路基边坡变形引起的不均匀变形起着重要的作用。
通风管措施。水平路基埋在路基的底基内，冬季管道内的冷空气对流增强了路基填土的散热性，降低了地温，提高了冻土的稳定性。现场试验研究表明，通风管道应设置在路基下部不小于0.7米处，其间距不超过1.0米，直径0.3～0.4米。通风管道的冷却效果受管径、风向和管内积雪的影响，管内的热量，特别是管内热空气的夏季对流，对冷冻土的使用有一定的限制。青藏铁路部分地段具有建设通风管道基础。
（2）生态恢复技术。青藏铁路建设工程中，很容易因为铁路建设而破坏沿线的生态环境，例如，征占用地、破坏沿线植被，扰动、改变地表的结构，可能会对脆弱的生态系统造成破坏，导致荒漠化的形成。青藏铁路建设过程中，可能还会影响野生动物栖息和生活场所，破坏野生动物的生活规律。青藏铁路的建设由于对河谷地区的切入，会影响生态用水，采砂作业对河道的堵塞也会影响生态用水的补给，易在高原地带形成荒漠化。在这样的背景下，我国生态专家进行了研究和实践，实施了建设过程中对高原生态系统保护的措施，主要应用了植被防护恢复技术、野生动物保护手段和生态用水阻隔防护等技术，实现了对高原地区生态环境的保护。
（三）重载铁路
1.重载铁路发展历史
重载铁路是指用于运载大宗货物的运输量大于5000吨、总重1万～2万吨、轴重25吨以上、年运量2亿吨以上的铁路。重载铁路的优点在于运输效率极高。美国是世界铁路运输史上首次开行重载铁路的国家，美国重载铁路开行于20世纪60年代。20世纪80年代后，随着高新技术的广泛应用，运能大、效率高、成本低、能耗小的重载运输得到世界广泛认可，发展迅猛。[12]
我国重载铁路从20世纪80年代开始迅速发展。在30年的时间里，中国重载铁路取得了举世瞩目的成就。1984年，中国首先选择晋煤外运的北通道——丰沙大线作为试点，试验开行了双机牵引7400吨的重载组合列车。20世纪80年代中期至20世纪90年代初，中国分三期修建了第一条双线电气化重载运煤专线——大秦铁路，开行重载单元列车。在此期间，中国铁路中的京沪、京广、京哈三大干线也相继开行了5000吨级重载列车。2002年，全国铁路日装车需求量最高达到30万辆，铁路全力确保国计民生重要物资运输，日装车也只能满足1/3。2004年铁道部颁布《铁路主要技术政策》，明确货物运输重载化是我国铁路技术的发展方向，首次提出运煤专线可开行1万吨或2万吨的重载货物列车。从2006年开始大秦线开通了2万吨的组合列车，23吨轴重的通用货车在全铁路线推广使用。自此，我国重载铁路运输已形成两种主要模式。一是在大秦线及其相邻重载铁路线上开行1万吨的单元列车以及1万吨和2万吨的组合重载列车。二是在一些铁路干线如京广、京沪、京哈、陇海等线路上开行1万吨的整列式重载列车。大秦铁路是中国建造的第一条电气化重载运煤专线，1992年底通车，2002年运量达1亿吨。为最大限度发挥大秦铁路作用，有效缓解煤炭运输紧张状况，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1万吨和2万吨重载组合列车，全线运量逐年大幅度提高，2008年运量突破3.4亿吨，成为世界上年运量最大的铁路线。2010年12月26日，大秦铁路运量达到4亿吨，是最初设计运量的4倍。
2.重载铁路主要技术
重载铁路发展过程中有以下几个核心技术。[13]
（1）径向转向架技术。大功率交流传动内燃机车和电力机车使用径向转向架已经成为国际上重载机车发展的趋势。大型径向转向架技术在加拿大和澳大利亚已经变得越来越成熟，大型公司生产的机车径向转向架的轮毂转角比传统转向架减少了75%，有效地减小了两者之间的横向力，从而能够减少轮轨和轨道的磨损和阻力，提高运行的稳定性，使机车车轮使用寿命延长10%。
（2）重载铁路制动技术。近年来，微电子等微机控制的技术得到了快速的发展，一些发达国家如美国、日本等开发了用于铁路货车的电空制动装置。该装置能够直接利用计算机控制列车中的每一节货车的制动缸，利用电信号来传递列车的制动和缓解的信号，从而能够大大缩短列车制动缓解时间，保证了重载铁路每辆车制动缓解作用的一致性，并且该制动技术的使用可以提高重载列车运行安全性，目前，中国已经掌握了核心重载铁路制动技术，并且已经达到国际先进水平。
（四）节能减排
1.铁路与节能减排
节能减排是我国的一项重要国策，节能减排的目的是节约能源，减少化石燃料的消耗，从而减少污染物的排放以及对空气的污染。节能减排国策是在2006年提出的，具体内容为：截至2010年，和2005年相比，单位GDP能耗比降低两成、主要污染物的排放量至少减少一成。
铁路是国家重要基础设施、国民经济大动脉和大众化交通工具，具有运力强大、节约资源、环境友好、运输成本低的优势。根据《中国统计年鉴》，2016年，国家铁路单位运输工作量能耗仅为公路的10.3%、民航的7.1%、管道的16.7%，与水运基本持平。由《中国铁路发展统计公报》知，截至2016年，国家铁路能源消耗折算标准煤1591.60万吨，比上年增加14.25万吨，增长0.9%；单位运输工作量综合能耗为4.71吨标准煤/百万换算吨公里，基本与上年持平；单位运输工作量主营综合能耗为4.15吨标准煤/百万换算吨公里，与上年相比，仅增加0.08吨标准煤/百万换算吨公里；铁路化学需氧量排放量为1965吨，比2015年减排41吨，降低了2.0%；二氧化硫排放量为23924吨，比上年减排3851吨，降低了13.9%；铁路绿化里程达4.57万公里，比2015年增加了0.12万公里。因此，大力发展铁路，能够减少交通运输的能源消耗，能够加快节能减排的步伐，实现低碳经济。[14]
国家推行节能减排政策后，铁路部门相继出台了各种实施意见以及设计规划等，如《铁路做好建设节能型社会和加快发展循环经济的实施意见》、《关于加强铁路节能工作的实施意见》、《铁路工程节能设计规范》、《铁路“十一五”规划》、《铁路“十一五”环境保护规划》和《铁路“十一五”节能和资源综合利用规划》等，这些规划和意见实施贯彻了铁路节能减排的各项细节要求，大力发展了铁路节能减排，为国家做出了贡献，发展了低碳经济。
2.铁路节能减排中的技术应用
（1）节能技术。运输节能技术的表现在于，在相应的运输范围内，对运输路径进行优化，最大化地运用运输能力，在货运方面，将货运机车与牵引吨位进行合理的匹配，在规定的范围内，尽可能运输最多重量的货物，提高铁路货运机车的使用效率，从而减少能源的使用。[15]充分利用铁路机车的能源，关注燃油的密度、湿度等指标，并提高电力机车的比例，对铁路客车的空调进行自动化管理，对于制冷制热空调车要注意能源使用，降低能源电力的消耗。铁路内燃机车以及电力机车应当配备轮轨润滑装置，减少轮轨的摩擦和阻力，从而节省能源。内燃机车应采取优化增压器压力、提高最大气缸压力、改善缸内摩擦副、燃料空气混合稀化等技术措施；在气温低的地区，铁路机车应采用燃油自动加温装置。据了解，我国铁道行业如应用淬火钢轨、侧面涂油和钢轨适时打磨，并采用磨耗型车轮、轮轨润滑装置和径向转向架、优化柴油机缸内摩擦副匹配、在润滑油中添加减磨荆等相关技术后，铁道机车车辆的关键摩擦副因减少物耗、能耗和延长使用寿命等，每年直接节约费用约61.26亿元。
（2）节热技术。将传统铁路机车的内燃设备逐步转换为电能、热能联合供能，不仅能够增加热效率，还能够节省能源、减少化石燃料的使用、保护环境。采用新型的隔热保温材料，减少机车内燃炉表面的散热以降低热能损失。发展推广炉温均匀节能的新型内燃炉型，以及直流电炉技术，可以减少电能的损耗，有利于节约能源。在铁路沿线应当利用节能型炉灶，进行高效节能，推行节能减排。
（3）新能源技术。可以大力开发太阳能，推广使用高效、低成本的中、小型光伏发电系统；积极推广生物质能转化技术。铁路沿线燃料获取困难的单位，可以利用沼气技术取得清洁方便的优质能源，在风力资源丰富的山区或沿海地区，可建立风力发电、柴油发电与太阳能光伏发电联合供电系统，改善铁路沿线和施工单位的用电状况。有条件的地区还可充分利用地热。
（五）铁路提速
1.中国铁路提速历程
改革开放40年以来，随着经济高速发展，中国铁路也经历了6次速度的飞跃。1997年4月1日，中国铁路经历了第一次大提速，以京广线、京沪线、京哈线三大干线为主，以北上广、沈阳、武汉等城市群为中心进行了全面的提速，开行了共104列时速达140公里的列车。此次提速，中国铁路客运速度从开始的48公里/小时提高到了55公里/小时。中国铁路的第二次大提速是在1998年，依然以京沪、京广、京哈三大干线为重点，此次提速后，最高运行时速达到160公里，采用了摆式列车的广深线速度高达200公里/小时，中国铁路客运速度提高到了55.16公里/小时，有超过1454公里的道路时速达到了140公里，有445公里的道路时速达160公里。2000年，中国铁路进行了第三次大提速，本次提速的干线有京九线、兰新线、陇海线等，不仅将祖国南北的距离缩短，也将东西向的时空距离缩短，不仅给客运、货运带来了方便，也为东西部的经济平衡、西部大开发打开了局面。2001年，中国铁路实行了第四次大面积提速，并且实施了新的列车运行图，此次提速覆盖了全国大部分的城市和地区，主要提速干线有京九线、京广线南段、浙赣线、沪杭线等，并且此次提速后，对全国列车运行图进行了相应的调整，更加适应了经济社会的发展。2004年，中国铁路进行了第五次提速，此次提速后，京沪线、京广线、京哈线等干线的部分线路速度可达200公里/小时，在京广线、京沪线上运行的直达特快列车时速可达160公里，中国铁路客运平均速度达到了65.7公里/小时，全路网有16500公里的线路时速达到了120公里以上，7700公里的线路时速达到了160公里以上。第六次大提速是在2007年进行的，这一年，我国开行了52对时速200公里以上的高速动车组，中国高铁CRH出现在世人的目光中。自此，京九、沪昆、武九等干线时速达到200公里以上，京哈、京沪、京广、秦沈等线路最高时速达到了250公里。2008年8月1日，中国第一条高速铁路京津城际铁路的开通，标志着我国进入了高铁时代。
2.铁路提速中运用的技术
在6次全国铁路大提速的过程中，中国取得了8个方面的创新技术成果，我国掌握了既有线路提速等级设计、施工、制造、试验、运营、管理和维修的成套系统集成技术，形成了既有线路提速200公里/小时技术标准体系。在工务工程方面，路基、桥梁、检测、评估、加固等措施达到了预期效果。轨道部分首次研制了18号有砟道岔（直向通过速度为250公里/小时），铺设了自主研发的适用于高速、重载运输的PD3钢轨、Ⅲ型轨枕、一级道砟，正线全部采用超长无缝线路。中国铁路客运专线在技术上也取得了一系列重要成果。比如，我国首次开发应用了CTCS-2列控系统（列车运行控制系统），该列控系统能够解决多种类型列车高密度的混合运输、动车跨线运营、系统设备互联互通等技术难题。在通信方面，首次采用GSM-R系统和新型额度机车综合无线通信设备。在200公里/小时的等级线路上实现了调度通信和承载业务分组数据通信。在调度集中系统方面，我国首次在繁忙的铁路上采用分散自律的调度集中系统，该系统能够对列车运行进行直接指挥和远程控制。动车组的制造和批量投入运营为铁路提速提供了新的动力。在列车交会方面，首次全面验证了4.4米线间距条件下，动车组以250公里/小时速度交会的安全性以及与160公里/小时及以下旅客列车、120公里/小时货物列车交会的安全性。