日本新干線速度等級影響因素及提速對策分析

史俊玲，荊曉霞，劉 坦，楊 磊

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 科學技術(shù)信息研究所，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

高速鐵路運營速度是一個國家鐵路技術(shù)水平和運營管理水平的集中體現(xiàn)，選擇合理的速度等級一方面能夠有效降低鐵路運輸企業(yè)的運營成本，優(yōu)化運輸效率和效益；另一方面能夠提高鐵路的市場競爭力和影響力。日本新干線經(jīng)過半個多世紀的運營實踐，在速度等級確定和提速改造方面積累了豐富的經(jīng)驗。我國擁有世界上規(guī)模最大的高速鐵路網(wǎng)，研究日本新干線的速度等級影響因素及提速對策，能夠為我國高速鐵路速度等級優(yōu)化提供參考和借鑒。

1 新干線速度發(fā)展歷程

1964 年10 月1 日，全長515.4 km、設計速度210 km/h 的東海道新干線以200 km/h 開通運營，旅行時間4 h、旅行速度128.9 km/h，1965 年11 月1 日達速至210 km/h，旅行時間縮短到3 h10 min、旅行速度提至162.8 km/h[1]。20 世紀60 年代，隨著波音727、波音737 等噴氣式客機陸續(xù)投入使用，日本國鐵技術(shù)委員會認為如果新干線設計和運營速度仍保持210 km/h，鐵路會在未來市場競爭中輸給航空。隨著20 世紀60 年代日本經(jīng)濟的快速發(fā)展，為縮短區(qū)域間時空距離，避免人口和產(chǎn)業(yè)過度集聚，縮小地區(qū)發(fā)展差異，日本開始規(guī)劃全國新干線路網(wǎng)。在總結(jié)設計速度為210 km/h 的東海道新干線建設運營經(jīng)驗的基礎上，基于當時的技術(shù)水平、資金能力、地理格局等因素，將第二條新干線——山陽新干線的最高運營速度確定為250 km/h，設計速度預留10 km/h 的裕量，確定為260 km/h。1973 年發(fā)布的“新干線整備計劃”將后續(xù)規(guī)劃建設新干線的設計速度確定為260 km/h，這一速度成為后續(xù)新干線鐵路網(wǎng)建設的法律依據(jù)，沿用至今[1]。

此后，新干線線路不斷增加，逐漸延伸至日本本州、九州島的大部分地區(qū)。截至2022 年7 月，日本已全線或部分開通7 條新干線，分別為：東海道、山陽、上越、北陸、東北、九州和北海道新干線，線路總長約為2 765 km。其中，東海道、山陽、東北和上越新干線均經(jīng)歷多次提速，最高運營速度分別為：285 km/h，300 km/h，320 km/h，275 km/h。日本新干線速度提升路徑總體分為2 條：一是承擔關東平原以西地區(qū)線路運營的JR 東海鐵路公司、JR 西日本鐵路公司在東海道和山陽新干線實行的210→220→230→270→285 km/h (300 km/h)提速路徑；二是承擔關東平原以東地區(qū)線路運營的JR 東日本鐵路公司在上越和東北新干線實行的210 →240 →275 km/h (300 →320 km/h)提速路徑；而北陸、九州和北海道新干線則按照整備計劃確定的速度等級260 km/h 建設運營，開通后未再提速?？傮w來看，日本新干線半個多世紀以來一直致力于速度提升，但提速幅度不大，大約在10～ 50 km/h不等，且提速過程較為緩慢[2-3]。日本新干線速度變遷一覽表如表1 所示[1，3-5]。

表1 日本新干線速度變遷一覽表Tab.1 Japan Shinkansen speed changes

2 新干線速度等級影響因素分析

日本于20 世紀60 年代將山陽新干線的設計速度確定為260 km/h 時，考慮的主要因素為技術(shù)水平、資金水平、地理格局等。這一速度等級被納入70 年代出臺的“新干線整備計劃”，即在法律層面規(guī)定了后續(xù)新干線建設的速度等級，但近年來這一速度等級已缺乏市場和國際競爭力，日本方面十分希望能夠升級提速，但礙于“新干線整備計劃”的制約，不得不按照260 km/h 的設計速度進行建設，開通后再實施提速。而新干線開通后提速則受到260 km/h 設計速度條件下基礎設施標準低的限制，另外還需滿足新干線沿線噪聲標準以及動車組制動距離的要求，并具備經(jīng)濟可行性。綜合分析260 km/h 速度等級確定以及后續(xù)的提速過程，將新干線速度等級的影響因素歸納為旅行時間、地理格局、技術(shù)水平、經(jīng)濟可行性4 個方面，日本新干線速度等級影響因素示意圖如圖1 所示[6-7]。

圖1 日本新干線速度等級影響因素示意圖Fig.1 Factors influencing speed grades of Japan Shinkansen

2.1 旅行時間

新干線速度等級最初論證都是基于提高市場競爭力先提出預期的旅行時間目標，然后再反推達到這一旅行時間目標需要的最高運營速度和平均旅行速度。日本一般認為新干線競爭優(yōu)勢在旅行時間4 h 以內(nèi)，如果旅行時間超過4 h 旅客可能會優(yōu)先選乘飛機，因而日本致力于通過提升速度來壓縮旅行時間。例如，東海道新干線最初論證時的目標是將東京至大阪的旅行時間控制在4 h 以內(nèi)，1986年提速至220 km/h 時旅行時間縮短至3 h 之內(nèi)，2021 年已經(jīng)縮短至2 h 21 min[8]。此外，日本正在測試最高試驗速度400 km/h 的ALFA-X 高速試驗車，目的是通過將在建北海道新干線(新函館北斗—札幌段)的最高運營速度提至360 km/h，使得札幌—東京的旅行時間壓縮至4 h 左右。東海道新干線開通運營以來旅行時間及旅行速度變化情況如圖2 所示。

圖2 東海道新干線開通運營以來旅行時間及旅行速度變化情況Fig.2 Travel time and operation speed changes of Tokaido Shinkansen

2.2 地理格局

日本是狹長的島國，平原地區(qū)僅占國土面積的39%，城鎮(zhèn)密度很高，為力求新干線國民利用效率的最大化，新干線站間距的設置優(yōu)先考慮旅客從出發(fā)地到車站的交通費用支出。因此，新干線的平均站間距、最小站間距都較小，其中東海道、山陽、東北新干線的平均站間距分別為34.4 km，30.8 km和29.7 km，最小站間距分別為6.8 km，10.6 km 和3.6 km[1]。在車站密集設置的情況下，進一步提升新干線速度對于縮短旅行時間的效果并不明顯，這在一定程度上影響其采用更高等級速度。

2.3 技術(shù)水平

日本20 世紀50 年代以來針對新干線運營速度的選擇進行了一系列綜合性、系統(tǒng)性的研究和試驗，陸續(xù)開展了減阻降噪輕量化動車組、強化材質(zhì)的復式鏈型懸掛接觸網(wǎng)、新型軌道結(jié)構(gòu)、列車超速防護系統(tǒng)、調(diào)度集中系統(tǒng)等相關技術(shù)研究，并于1972 年采用E951 型試驗動車組達到了286 km/h 的試驗速度。試驗結(jié)果表明，運營速度達到250 km/h 具有可行性。然而試驗也暴露了諸多問題，主要體現(xiàn)在輪軌關系、弓網(wǎng)關系、噪聲排放方面。因此，受限于當時的技術(shù)水平，從長期運行安全性、運營維護成本及環(huán)境噪聲角度考慮，當時將新干線運營速度目標值設定為250 km/h已具有一定的前瞻性。但是，20 世紀80 年代后新干線提速受到基礎設施標準低、環(huán)境噪聲限制嚴、制動距離要求高等因素制約，需要通過技術(shù)研究、具備可行性之后再實施提速[1]。

（1）基礎設施標準低。由于日本新干線建成年代早，其基礎設施標準較低，特別是東海道新干線主要采用有砟軌道結(jié)構(gòu)，且存在多處軟土路基、顯著工后沉降的路段，是開通之初未能達速的主要原因；正線最小曲線半徑僅為2 500 m，全線共有50段這一半徑的曲線，約占線路全長的21%，曲線段的通過能力是新干線運營速度提升面臨的主要挑戰(zhàn)之一；同時，新干線隧道斷面較小，直線段隧道凈空面積僅為62 m2，隨著動車組速度的提升，車內(nèi)空氣壓力變化和隧道洞口微氣壓波控制是新干線運營速度提升面臨的主要挑戰(zhàn)之二；此外，在同等車輛軸重和線路條件下，隨著速度的提升，輪軌相互動力作用將隨之增大，直接影響列車運行的安全性和舒適性，同時軌道結(jié)構(gòu)和線下基礎也將面臨實際載荷超出設計載荷的風險，大大制約了新干線的提速[1]。

（2）環(huán)境噪聲限制嚴。1964 年東海道新干線運營之初，由于未采用環(huán)境噪聲控制措施，列車通過噪聲聲級高達95 dB(A)，沿線居民對此非常不滿。1975 年日本環(huán)境省制定了《新干線鐵路噪聲環(huán)境標準》，對沿線區(qū)域進行分類，規(guī)定I 類地區(qū)(主要指居民區(qū))不超過70 dB(A)，II 類地區(qū)(除居民區(qū)外的其他地區(qū))不超過75 dB(A)，按運輸條件等同比較分析，同樣邊界條件下，日本新干線的噪聲標準要比我國鐵路邊界噪聲限值嚴格8 dB(A)左右。同等條件下，環(huán)境噪聲與車輛運行速度的3～ 5 次方成正比，因此噪聲問題成為新干線提速的主要制約因素。

（3）制動距離要求高。日本鐵路技術(shù)標準規(guī)定新干線列車制動距離不能超過4 000 m。N700A 高速列車在初速度285 km/h 時制動距離為3 000 m。如果在現(xiàn)有制動性能條件下提速至360 km/h，以E2系275 km/h 列車為例，其緊急制動距離將延長至7 000 m。而中國CR400 復興號高速列車以350 km/h運行時的緊急制動距離為6 500 m。可見，日本新干線的制動距離要求比我國更高，速度進一步提升且要滿足制動距離要求就需要采取相應的技術(shù)對策。

2.4 經(jīng)濟可行性

1964 年平均造價為7.4 億日元/km 的東海道新干線建成運營后，日本國鐵開始出現(xiàn)虧損，而且虧損數(shù)額快速增加，資金壓力逐步增大。而新干線設計速度從210 km/h 提升為260 km/h，需要將線路的最小曲線半徑從2 500 m 增加到4 000 m，日本作為多山國家，曲線半徑增大會大大增加隧道工程的施工量，山陽新干線工程造價也會隨之增至16.4 億日元/km。如進一步提升設計速度，工程造價和資金壓力還將隨之增大，對于當時虧損日益嚴重的日本國鐵來說難以承受[1]。

1987 年日本國鐵實施民營化改革后，擁有新干線的JR 東海、JR 東日本、JR 西日本、JR 九州鐵路公司已經(jīng)逐步完成上市，成為自負盈虧的運輸企業(yè)，因此會重點考量新干線提速的經(jīng)濟性。只有在預期增加的收益能夠彌補增加的成本并且有望提高鐵路競爭力時才會提升速度等級。

速度提升會帶來能耗的提升，能耗成本約占新干線運營成本的1/3，是經(jīng)濟可行性的重要考慮因素。測算結(jié)果顯示，列車單位牽引能耗與最高速度的二次方相關，其增長率遠高于最高速度的增長率，速度提升就需要從技術(shù)角度尋求更節(jié)能降耗的對策措施。

從實際來看，新干線速度等級是經(jīng)濟可行性與技術(shù)可行性綜合考量和博弈的結(jié)果，這也導致新干線有多個速度等級而且提速幅度不固定，包括最初的200 km/h，210 km/h，220 km/h，230 km/h，240 km/h，以及后來的270 km/h，275 km/h，285 km/h，300 km/h，320 km/h等，提速幅度10～ 50 km/h不等[3]。

3 新干線提速對策

通過上述分析，日本新干線提速的速度等級主要是對技術(shù)可行性與經(jīng)濟可行性的綜合考量與博弈。日本圍繞新干線提速受限因素，重點從技術(shù)角度尋求應對策略。

3.1 基礎設施標準低的對策

針對曲線半徑小和隧道氣動效應問題，主要從以下技術(shù)措施角度進行改進。

（1）曲線通過能力方面。東海道新干線將2 500 m曲線半徑的實設超高由180 mm 調(diào)整為200 mm，將欠超高允許值放寬到110 mm，延長緩和曲線長度，在300 系“希望”號列車最高運營速度達到270 km/h 的背景下，首先實現(xiàn)2 500 m 曲線半徑能夠使其通過速度達到255 km/h；研發(fā)采用主動控制空氣彈簧擺式技術(shù)，傾擺角為1°的N700 系動車組，于2007 年實現(xiàn)全線運營速度270 km/h[1，10]。

（2）隧道氣動效應方面。通過優(yōu)化列車頭型、減小車輛斷面降低隧道阻塞比、提高車體氣密性、增設隧道洞口緩沖結(jié)構(gòu)等措施，降低隧道氣動效應影響，如將210 km/h 運營動車組氣密性要求由4 kPa 提高到270 km/h 運營動車組的7.4 kPa 等。

（3）輪軌相互作用方面。一是通過將車體由鋼結(jié)構(gòu)改為鋁合金，并采用無搖枕構(gòu)架、空心車軸、鑄鋁合金齒輪箱體、浮動夾鉗式制動裝置、優(yōu)化電氣設備等措施減輕車輛軸重，將以210 km/h 運營的0 系動車組16 t 軸重減輕為以270 km/h 運營的300系動車組11.3 t 軸重；二是通過采用主動控制懸掛、增加車間減振器、優(yōu)化軸箱定位方式等措施提升列車運行的安全性和平穩(wěn)性；三是通過鋪設彈性軌枕和道砟墊、調(diào)整扣件剛度、在鋼軌接頭處采用淬火軌、提高軌道幾何狀態(tài)和鋼軌表面粗糙度要求等降低輪軌相互作用對軌道和線下基礎的損傷[1，9]。

3.2 環(huán)境噪聲限制嚴的對策

針對環(huán)境噪聲問題，主要從以下技術(shù)措施角度改進。

（1）降低噪聲源。一是研發(fā)低噪聲受電弓、優(yōu)化受電弓區(qū)域氣動外形、設置受電弓隔聲罩、優(yōu)化受電弓在列車編組中的設置等，以降低受電弓區(qū)域噪聲；二是優(yōu)化頭型設計，減小車窗及車門高低差、設置車間間隙全包罩等，以降低車體區(qū)域氣動噪聲；三是減輕車輛軸重、鋪設彈性軌枕和道砟墊、定期打磨鋼軌、減少鋼軌現(xiàn)場焊接接頭、VVVF 逆變器采用IGBT 元件、優(yōu)化齒輪箱結(jié)構(gòu)及制造工藝、設置外包轉(zhuǎn)向架裙板等，以降低輪軌區(qū)域和線下基礎振動噪聲[10]。

（2）控制噪聲傳播。設立隔聲墻、吸音板，在直立式聲屏障上增加頂部衍射結(jié)構(gòu)，研發(fā)新型吸隔聲材料等物理阻隔控制噪聲傳播，提高聲屏障降噪效果。

此外，JR 東海鐵路公司在沿線設置了4 個環(huán)境監(jiān)督站，每個監(jiān)督站設置2～ 3 名專人負責噪聲測試及與居民和地方團體溝通談判；日本環(huán)境省對新干線噪聲也進行定期監(jiān)測，2017 年開展的監(jiān)測結(jié)果表明，東北新干線仍存在3 處、山陽新干線仍存在1 處噪聲水平超過標準限值，但基本得到了居民的認可。

3.3 制動距離要求高的對策

日本新干線列車目前能夠僅靠粘著制動方式將320 km/h 運行時的緊急制動距離控制在4 000 m以內(nèi)，進一步提速則需要增加非粘著制動，如空氣阻尼制動、線性渦流制動、數(shù)字ATC 制動模式優(yōu)化等。JR 東日本鐵路公司2019 年5 月下線的ALFA-X 高速試驗車，最高測試速度達400 km/h，計劃運營速度360 km/h，為了將制動距離控制在4 000 m 以內(nèi)，采用再生制動和帶空-重車調(diào)節(jié)的電空制動作為主要制動方式，并在車底增設了基于德國ICE 技術(shù)的線性渦流制動，車頂增加了縱向安裝的空氣阻尼板(俗稱“貓耳”)制動，還設置了考慮發(fā)生地震時走行安全性的橫向阻尼器、地震-制動控制模式曲線等以縮短地震時的制動距離，旨在通過上述制動措施的綜合作用將ALFA-X 以速度360 km/h運行時的制動距離控制在4 000 m以內(nèi)，具體制動效果正在驗證中。ALFA-X 車頂上的空氣阻尼板如圖3 所示。

圖3 ALFA-X 車頂上的空氣阻尼板Fig.3 Air damping plate installed on ALFA-X roof

3.4 經(jīng)濟可行性的對策

為了彌補新干線提速帶來的成本增加，日本一直致力于研究更為節(jié)能的高速列車，高速列車是高新技術(shù)的集成，需要攻克多項工程應用和新材料等學科難題，研制周期較長，這也是新干線提速較慢的原因之一。為了用好既有資源、最大化節(jié)約成本，日本一般將新干線的提速時間節(jié)點安排在動車組更新?lián)Q代之際。例如，為了將東海道新干線的運營速度由270 km/h 提至285 km/h，2013 年投入運營的新型N700A 高速列車能夠?qū)崿F(xiàn)以速度285 km/h 運行時的單位編組能耗比300 系和700 系與以速度270 km/h 運行時的單位編組能耗分別降低23%和16%，即在提速的同時實現(xiàn)了降低能耗的目標，能耗成本約占新干線運營成本的1/3，有效彌補了因提速而增加的基礎設施改造和車輛購置成本；而東海道新干線2015 年提速至285 km/h后，旅客周轉(zhuǎn)量和運輸收入同比有明顯增長，而同年JR 東海鐵路公司的運輸支出卻呈小幅下降態(tài)勢，因而收益明顯提升；此次提速也使得東海道新干線的市場份額得到增長，其2015 年至2018 年為85%，2019 年為86%，2021 年提高到90%，對應年份民航在東京—大阪之間的市場份額分別為15%，14%和10%，從某種程度上說明新干線提速有助于提升市場競爭力。另外，日本持續(xù)推進更節(jié)能高速列車的研制，如2020 年7 月在東海道新干線上投入運營的N700S 高速列車，通過采用更輕量化車體、降低空氣阻力的造型、全SiC 功率模塊等措施，實現(xiàn)以285 km/h 運行時單位編組能耗比同速度的N700A 降低6%。2012—2021 年東海道新干線及JR 東海鐵路公司的主要指標變化情況如表2 所示[10]。

表2 2012—2021 年東海道新干線及JR 東海鐵路公司的主要指標變化情況Tab.2 Main indicator changes of Tokaido Shinkansen and Central Japan Railway Company from 2012 to 2021

4 結(jié)論

日本新干線半個多世紀以來一直致力于速度的提升，但受到諸多因素的制約，提速過程較為緩慢，其主要經(jīng)驗和教訓主要包括以下幾點。

（1）規(guī)劃制定要為后續(xù)發(fā)展預留空間。日本于20 世紀70 年代將山陽新干線的設計速度確定為260 km/h，而且該速度在納入“新干線整備計劃”時具有一定的先進性和前瞻性。但近年來這一速度明顯落后于時代發(fā)展，日本方面有意愿建設更高速度等級的線路，但礙于整備計劃的限制，只能采取先建設、開通后再提速的策略。因此，制定高速鐵路相關規(guī)劃時，要具有前瞻性，并為后續(xù)的調(diào)整和優(yōu)化預留一定的空間，避免使規(guī)劃成為阻礙未來發(fā)展的因素。

（2）實現(xiàn)高速鐵路速度等級優(yōu)化管理。新干線速度等級是以旅行時間作為需求牽引所提出的，并從技術(shù)和經(jīng)濟角度進行系統(tǒng)論證，是對多個因素進行綜合權(quán)衡博弈后的結(jié)果，這也使得新干線提速過程中出現(xiàn)了多個速度等級。目前，各條新干線上(東北、上越新干線除外)雖然開行不同等級的客運產(chǎn)品，但采用的各型號高速列車的最高運營速度相同，以最大化提高線路運輸能力和效率。而合理的速度等級也為新干線提高運輸能力、增加運量、提升收益和市場競爭力起到了積極作用。

（3）通過技術(shù)手段實現(xiàn)合理的速度等級。日本新干線速度提升受到地理格局、環(huán)境噪聲、制動距離等因素的限制，提速之路較為艱難，只能尋求技術(shù)解決方法：包括采用擺式列車以提高曲線路段的速度；通過調(diào)整曲線半徑、實際設計超高的允許值等改善基礎設施條件；高速列車采用封閉式裙板、低噪聲受電弓等以降低噪聲，采用再生制動、渦流制動、空氣阻尼板制動相結(jié)合的方式以縮短制動距離；通過采用輕量化車體、降低空氣阻力的造型、全SiC 功率模塊等措施實現(xiàn)牽引能耗性能的提升等。

總體而言，日本新干線半個多世紀以來一直致力于速度的提升，但由于受到地理格局、居民密集帶來的噪聲振動環(huán)境標準的嚴格限制，以及在減振降噪、列車制動等提速關鍵技術(shù)上的制約，長期未能取得突破性進展，經(jīng)過多年探索，走出了一條以技術(shù)促發(fā)展的道路。我國高速鐵路網(wǎng)規(guī)模位居世界第一位，借鑒日本新干線速度影響因素及提速對策，實施高速鐵路速度等級的優(yōu)化管理，對于鐵路部門節(jié)支降耗、提高收益、更好地服務于經(jīng)濟社會發(fā)展具有重要意義。