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王式铁路列车新系统与可行性简介(4)

原标题:王式铁路列车新系统与可行性简介
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  王式铁路列车新系统 新系统与可行性简介 与可行性简介
  王统元 (Tongyuan Wang) (Tongyuan Wang) (Tongyuan Wang)
  Montreal, Canada
  Nov. 2010, Revised Sept. 2011, Feb. 2012
  本项目是笔者完全独立研究的。本文仅为指定的有意投资合作开发本项目者阅。
  1.概述 .概述
  铁路运输系统在各国国民经济的发展中具有举足轻重的作用。如何提高铁路运输系
  统的效率以及乘坐的方便性、安全性和舒适性就成为各国研究的重点。本文主谈对
  铁路客运系统的一点研究,其目的是对现有的高铁技术特别是运行模式作一些必要
  且可行的改造,从而使铁路列车成为中远程旅行中最快速、最方便、最安全、同时
  也是最经济的交通工具(下称“新系统”)。对此,首先可能会被问到的问题就是
  现有系统为什么还不能很好地实现这一目标,需要在哪些方面进行改进。这将在文
  中的第二节作一些简略的分析。接下来的第三节,也是本文的主体,介绍笔者的解
  决方案,其内容主要包括:
  用动态列车组合技术取代传统的静态组合技术;
  用相互独立的多手段安全监控系统确保列车运行的安全性;
  由以上两项带来的更快捷、更经济的路网架构及其相应的规划和建设模式。
  第四节介绍实现新系统的技术可行性。第五节介绍新系统开发实施成功后将会带来
  的巨大的经济效益和社会效益。文末是简要的结论和招资和合作开发意向。
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  2.现有铁路运输系统浅析 .现有铁路运输系统浅析
  图 1 是现行铁路及列车运行示意图,其中的圆圈表示大的城市战点,浅色小点表示
  小站。此图虽然很简单,但却描绘了现行铁路运行系统的主要特点,各国皆然。
  特点之一是铁路以各停靠城站为“珠”,铁路为线,一线穿成。本文称其为“珠串
  式”铁路系统(城市或站点周围的铁路细部组织暂不议)。这种系统有它的优点和
  历史成因,但到了高铁时代,它就不应再是唯一的选择了。后文将探讨它可以改进
  的地方。
  首先,现有铁路的使用和运行的主次很难区分,牵一发而动全身,且事故的影响和
  波及范围广大。虽然现在各国都有主干铁路和支线铁路之分,但区分的主要依据是
  铁路使用即列车运行的频繁程度,而在铁路的运行规则和原理上并没有什么不同
  (这里暂不论高铁、磁悬浮等铁路在和施工技术上的不同),即只要某一小站需要
  停靠,不论该线路是主线还是支线,当值的整个列车都得在那儿停下来。更严重的
  是,如某处(如图 2 中的 x 处)发生了铁路事故,则如图中从 A 到 E 的整条线路都
  会瘫痪了,所有列车动弹不得。其二是线路的专用性很强而共用性差,即一条线路
  只能服务于特定的站点。如图 2 中的线
  路只能服务 A、B、C 等各点,而 F、G、
  H 等点就很难直接或间接的得到服务或
  受益。其三是铁路建设中的线路选择的
  灵活性较小。因为这种“珠串式”结构
  的特点,珠是固定的,线以珠而定,很
  难避过诸如峡谷高山等地质地理条件的
  限制。比如图 1 中从 C 到 D 也许很难找
  到比现有线路更优越的了。当然,很难
  有万全的办法解决地质地理条件的限
  制,特别是局部地方。本文所要探讨和
  后文所要介绍的是在大的布局上如何能
  xxx
  AAA
  Fig. 1. Fig. 1.1.1. CCCConventional onventional onventional rail rail rail way way
  CCC
  DDD
  EEE
  BBB
  FFF
  GGG
  HHH
  KKK
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  够有更多的线路选择和优化的灵活性。最后,由以上原因所决定,现有铁道线路就
  很难是畅直的,如图 1 所示弯曲得很厉害,从而影响到现有列车运行速度的提
  高。以上这些可以解释为现有列车系统高效运行的硬性制约。换言之,要想提高列
  车的运行的速度,就要进行包括修建更平直的铁路在内的硬件改造,这是众所周知
  的,如中国近年来的高铁线路建设。但有没有非硬件性改造的办法而能提高列车的
  运行速度呢?人们对此的认识和讨论似乎就少些。要想探讨这方面的可能性,就得
  再看现有铁路运输系统的另一大特点,如下所述。
  现有铁路运输系统的另一大特点是列车的静态组车及非连续运行性,不论是高铁或
  普通列车皆然。如图 1 所示,假如一列车要从 A 开到 E,它必须在始发站 A 站将沿
  途各站乘客所需的车厢(比如 14 节车厢)组织并连结好,静候乘客上车,然后开
  行。车到 B 站后如需停车,整列车都得停下来,乘客上下车后,又再开行。这种运
  行方式的的最大缺点就是效率的损失,即路程损失。而且很遗憾的是,速度越高,
  由停站引起的效率(路程)损失就越大。这可以图 2 表示和理解。
  在图 2 所示的时间-速度坐标下,由速度 v 和时间 t 所围成的(阴影)面积就是某
  时段内所走的路程。假设高铁速度 v1是普通列车速度 v2的 2 倍的话,如都无停
  车,则高铁所行的路程亦是普通列车的 2 倍。但如两型车都在相同的站点停靠且停
  靠时间和停车所需的加减速率也相同的话,由图中的空白所示可以看出,高铁损失
  vvv HHH
  vvv111
  vvv222
  ttt111 ttt222 ttt333 ttt444
  Fig.2. Efficiency loss comparisons Fig.2. Efficiency loss comparisons
  ttt000 ttt555 ttt
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  的路程(绝对损失)大约是普通列车的 4 倍,而相对损失则大约是 2 倍。图 5 还很
  直观地揭示了一个很容易被人们忽视的常识,即虽然停车时间占总行程时间的比例
  (t1t2 + t3t4)/ (t0t5) 并不高(比如 5%),但效率损失(路程损失)则远高于这
  个比例,而且速度越高,损失就越大。这就是通常所谓的“停不起”。
  无奈之下,高铁系统只能选择中途少停站甚至不停站,但这就大大地牺牲了方便
  性。中小站的乘客都坐不了车,上座率就大受影响。而上座率不足,票价就降不下
  来,这就反过来进一步影响上座率,从而影响铁路投资的回收等一系列问题。
  这种运行系统的另一大缺点就是客站建设的庞大和资源浪费。很容易想象,一般的
  车站每趟车可能只有几人几十人最多几百人上下车,但却要准备着为上千人服务,
  至少站台要修得足够长,为整列车的停靠和乘客上下着想。从另方面看则是不需下
  车的乘客是无奈的、强制性的在该站停留的 -- 由列车的运行方式所强制而浪费旅
  行时间。
  以上是对现有铁路运输系统及其运行方式的缺点的基本分析。要对其进行改变,达
  到既高效又方便的目的,必须要有安全的保障,达到安全的目的。为此我们还得检
  视一下现有铁路运行的安全监控系统有没有可以大力改进的地方。我们知道,比较
  老式的铁路列车开行主要是靠司机铺以很基本的信号系统而实现列车的安全运行
  的。有了高铁以后,特别是近些年来的通讯技术以及自动控制技术的发展,列车的
  安全运行和监控系统有了很大的改进,但以本人的研究来看,相对于其他硬件而
  言,只需花不大的成本,就还可以大大地提高列车运行的安全性。具体方法在下节
  介绍。
  3.解决方案 .解决方案
  本解决方案包括三个主要的方面:列车的动态组合与连续运行方式,网络分布式的
  铁路建设以及多重交叉式的安全运行和监控系统。
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  3.1 列车的动态组合与连续运行模式
  列车的连续运行是指列车从始发站到终到站一直连续开行而无中途停顿,但更重要
  的是乘客可在任何站点上下车从而达到既快速又方便的目的。问题是如何实现呢?
  我们先将列车分为两段,包括车头在内的前若干节车厢称为主车(段),余下的称
  为尾车(段)专为下车的乘客用。主车与尾车车厢的数量并不是固定不变的,而是
  根据到各站点上下车的乘客数量而动态决定的。另外要引入的是“城站线路”的概
  念,这是相对于主干与支线铁路而言的。如图 3 所示,粗线 AF 表示铁路主线(干
  线或支线),而 BCE 则是进出 C 城(站)的“城站线”,即“城站线”是专为进出
  某个城市或站点服务的。
  如图 3 所示,设某列车有乘客要在 C 站下车,当车行至 A 点时,要下车的乘客集中
  到尾车(不下车的乘客则必须呆在主车上)。到 B 点时尾车与主车分离进入城站
  线,而主车不受影响继续开行。尾车上的乘客到站后如常下车。同时,要从 C 站上
  车出站的乘客先由一辆车载运(动力车在后),行至 E 点时与主车在行进中对接
  (也许叫“尾接”或“串接”更合适)并形成一体往前开行。至此,列车的“动
  态”组合与连续开行就实现了。
  从这里不难进一步理解尾车长度(车厢数量)
  是如何决定的。比如, 到 C 站前,有多少乘
  客会在 C 站下车,有多少会留在(主)车上,
  又有多少新乘客会在 C 站上车是可以事先知道
  的。假如虽然实际下车的乘客只够一车厢,但
  到下一个站前,主车会空出一个车厢出来,那
  么尾车可以两个车厢与主车分离而留在 C 站。
  以同样的道理可以决定从 C 站出来的车辆所需
  配的车厢数。当然,这里介绍的只是概念性
  的,列车的动态分离与再结合的技术细节与装
  置当在合作开发确立后再行详述。
  AAA
  Fig. 3. Dynamical coupling Fig. 3. Dynamical coupling
  CCC
  EEE
  BBB
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  以上运行模式的优点是显而易见的。首先,列车的运行效率会大大提高,或说路程
  (速度)损失大大减少。图 4 是以图 2 为基础所做的比较。图中的蓝色曲线表示动
  态组车后的连续运行速度图 v3,绿色阴影表示损失效率的找回。蓝线仍保留了一
  点下凹部分是为保守起见表示在动态分离与组合时可能需要的速度降低。即使考虑
  了这种降低,由图可见,要使 v3 与时间轴所围的阴影面积与现有高铁 v1 所围的面
  积相等的话,v3 大概相当于 v1 的 70%就行了。以此论之,如现有高铁的开行速度是
  250 公里/小时的话,在新的系统下,列车的开行速度只需 180 公里/小时就可以达
  到同样的效果(旅客速度)。反过来说则是,如新系统下的列车开行速度是 250 公
  里/小时的话,则相当于达到现有高铁 350 公里/小时的开行效果,且同时方便性还
  会大大提高。
  由此其次,以上结论隐含了新系统的另一重大优点,即达到不需大的铁道线路和车
  辆硬件的改造就能大大提高列车运行效率的目的。换言之,如欲达到现有的高铁效
  果,新系统可以大大地节省铁路建设(改造)的成本, 因为就中国现有的非高铁
  线路而言,估计很多线路或路段稍加改造甚至不加改造就可以支持 180 公里/小时
  的开行速度。当然,此处所论效果仅是从速度方面而言的,不包括高铁因线路有更
  好的平直度等因素带来的乘坐舒适性等方面的效果。如何更好地发挥高铁效果在下
  节论之。
  vvv HHH
  vvv111
  vvv222
  ttt111 ttt222 ttt333 ttt444
  Fig.4. Efficiency gains with dynamic coupling Fig.4. Efficiency gains with dynamic coupling
  ttt000 ttt555 ttt
  vvv333
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  第三,新系统的另一重要优点是大大提升旅客乘坐的方便性,因其可在任何站点上
  下车。由此,列车的上座率将大为提高。
  第四,新系统下除线路的终始站外,中途各站特别是小客站的建设规模可以大为减
  小,成本降低,因主车不再需要在这些站停靠。也由此,因进出站的列车长度大为
  减少了,大多数情况下很可能就是一两节车厢,从而客站还大可不必建在离市区老
  远的地方,象现在很多地方建设的那样,而是完全可以与市内交通衔接的。
  第五,以上各点表示,在新系统下,铁路运营的成本从而财务状况和经济效果会大
  为改善,同时票价就可大有下调的空间,由此会进一步提升列车上座率,形成良性
  循环。
  3.2 树状式的铁路网络建设
  以上新系统的效果和作用是相较于现有铁路运行系统包括高铁系统而言的,但这并
  不是说新系统会取消或阻滞高铁的建设和发展。恰恰相反,新系统下的运行模式将
  催生和采用新的线路设计思想,并从而大大地促进高铁的建设和发展,使高铁愈有
  用武之地。为更容易了解这个新的设计思想,先看看现有高铁的建设的一般形式。
  仍以图 2 为例,假设要提高现有线路的运行速度,一般的做法是用高速铁路取代现
  有的线路,如图 5 中的蓝色粗线所示。但这种做法有几个明显的缺点。一是高铁的
  线路设计和运行方式并没有完全跳出常规的珠串式思维,虽然高铁线路的平直度和
  其它技术指标大大地高于了常规铁路。其二是原有的线路废弃不用了,如图 5 中的
  虚线所示。假如原有线路还不太老旧或其所能支持的运行速度并不是太低,则这种
  取代就意味着不小的浪费或损失。其三是原有的很多中小站点都不能再启用了,因
  为高铁不可能在这些站停留,这就大大地牺牲了方便性,从而影响上座率。第四则
  是高铁的高成本带来的高票价。以上几点无疑会使高铁建设带来的运力提升大打折
  扣,或者说,在现有的建设布局和运行模式下,高铁的优势不能很好地发挥出来,
  从而会阻滞高铁的进一步建设和发展。
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  新系统下的高铁线路设计应有如图 6 中的粗线(1 线)所示。为什么要这样设计,
  优点是什么呢?
  首先,高铁特别是今后的超高速铁路应该是真正的陆路运输大动脉,不只是为几个
  而是为一大片城站服务, 从而不必再受珠串式设计的约束。没有了这个约束,故
  与图 5 中的蓝粗线相比,图 6 中的高铁线(1 线)可以建得得更为平直,同时也
  可以更经济。这是因为:首先是高铁线路的规划和布局可以不必完全受原有站点的
  制约,从而完全可以避开城区和市郊这些人流和交通都很繁忙的地带,征地成本会
  大为降低;另者则是由于这个原因,线路选择的灵活性将大大地提高,从而可以尽
  可能的避开不利的地形地质条件而降低施工成本。图 6 中的 2 线表示另一条可能
  的线路。由此还可以看出,这些因素同时还将增加列车运行的安全性。简言之,这
  样的设计和布局大有助于高铁的效率提升、运力提升和安全性的提高。
  其二,原有的线路和运力都保留下来了,成为支线或次级铁路。同时,与其相邻的
  其它城站如图 6 中的 F、H 等点要加入这个铁路网络就容易了。图 6 中的红线条可
  称之为高铁与其服务范围内的大中城站的“连接支线”。在这些连接支线上自然也
  可以新增若干中小客站,从而进一步提升高铁的覆盖面。
  Fig. 5 Fig. 555 Current Current Current high speed high speed high speed rail rail
  FFF
  AAA
  KKK
  BBB
  CCC
  EEE
  DDD
  GGG
  HHH
  xxx
  PPP
  QQQ
  xxx
  AAA
  Fig.6 Fig.6 6 6 Pursued high speed rail Pursued high speed rail ways ways
  CCC
  DDD
  EEE
  BBB
  FFF
  GGG
  HHH
  KKK
  111 222
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  如果说以上两点是一般的人们都能想象得到的话,那么问题是在现有的运行模式下
  它们是很难实现的,或者说实现出来的效费比太低,否则很难解释现实中为什么只
  能采用图 5 中的设计。这就又归到下一点:
  其三,也是最重要的一点,就是只有在新系统的运用下才能催生或支持如图 6 中的
  线路设计和布局。新系统特适合这种设计、需要这种设计。同时,高速,特别是今
  后的超高速包括磁悬浮列车等也只有在这种新的运行模式和线路设计下才可能真正
  的派上用场,实现真正的高速。新的运行模式如下:高速或超高速列车在超高速线
  (图 6 中的 1 线)实现连续行驶,中途无需任何停留。主车与尾车的动态分离与组
  合也只需为几个有限的大中城站而做。例如,图 6 中从 A 到 E 的整个行程只需为
  B、C 和 D 站而做。再以 C 为例,当高速列车相望 C 站前,所有需在 C-D 区段内但
  不包括 D 站下车的乘客都集中到尾车而与主车分离。到达 C 站后的尾车要么单独成
  行,要么与其它到 D 战方向的列车再组合,将 C-D 区段内的乘客送到各站。至此读
  者也许已理解到,在 C-D 区段内以及 ABCDE 整条线路上也都是实行这种动态组合与
  连续运行方式的。
  对于主车来说,应该不难想象,在这种运行模式下,在这样平直的穿行于旷野而不
  再是城郊地带的高速线上无需任何停留的行驶,车速能够不高吗?
  其四,对于乘客来说,其享受到的高速是不难理解的,因除了在主干线上的高速
  外,在上下站阶段所需的支线运行上速度也不慢。而除了高速外更重要的是方便,
  因为乘客可以在任何站点上下车而无需中途停留。原则地说,只要不需转车,在新
  模式下任何两个站点之间都是特快直达。更进一步,在新的线路布局下,原来需要
  下车转站的情况也会大为减少。比如,假设图 6 中原有从 F 到 A 的车次而没有到 C
  的,要从 F 到 C 则只能到 A 站转车,少则等几十分钟,多则等几小时。有了 1 线
  的加入后 F 到 C 就变成直达了。
  方便性的提升的另一重大方面则是现有的车次及类别概念将大为弱化,乘客的出行
  将只与所在站点能经过的列车趟次有关,而不必再拘泥于某一特定的车次,因为所
  有车次的开行模式都是一样的。再续上列,在原有系统下,假设图 6 中从 F 到 A 每
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  天有 3 趟慢车 2 趟快车,而要从 A 转到 C 比较方便的只有其中的一趟。因此,乘客
  要从 F 到 C 的时间选择余地很小。在新系统下,这 5 趟车的运行模式都一样,并且
  从 F 到 C 都变成了直达。试想,新模式所能带来的方便性的提高会是多大呢?
  当然,以上所论的开行模式都一样并不排除某些车次的“特高快”,比如在主干线
  上的分离组合也不做,而从始发站一路直奔到终站。可以想见,以这样平直的线路
  和这样的高速,从北京到上海只需 2 到 3 个小时就不再是神话,可真正实现与民航
  速度媲美,而在方便与舒适性上会比现有模式大为增加。
  其五,回路的形成与系统运行的稳定性与安全性的提高。回路是指在主次级线路各
  区段间形成的闭合线路,如图 6 中的 CDQP 回路。回路的意义表示线路中的各点可
  以有不同的路径到达,从而也就有不同的路径避开。换言之就是回路中如某处发生
  了交通事故,运行中的车辆可以比较容易地从其它路径绕过该处,从而使事故的影
  响范围和烈度大大降低。比如前面提到的一个例子,在现行系统中,如图 5 中 x 处
  发生了事故,不论是高铁还是常规铁路,其整个线路上的列车运行都会大受影响。
  但在新的系统下,如图 6 所示,当 x 处发生了事故后,除了当时在 CD 段内的列车
  外,其它列车的临时改道就比较容易从而使运行不受太大的影响,。同样的道理,
  如万一主干线上某处发生了事故,则运行中的车辆也可以比较容易地借道支线绕过
  该处而运行,从而保证系统运行的稳定性。当然,现有的铁路系统从概念上讲也存
  在这种回路,但因纵横线路一般都相距太远,故回路的实际效果不大。新系统下列
  车运行的安全性的进一步提高将在下一章节介绍。
  其六,新系统的运行模式和线路布局还会带来操作和管理的简化,责任更容易明
  确。这种简化首先来自于运载与客服在很大程度上的分离。主干线及主车的职能主
  要是运载,而不直接参与客站服务,也不再有在中途站点停、靠、留的操作与等
  待。而支次级线路及客站的运行与管理在功能上基本照旧,不会因新系统的到来而
  受到大的冲击,而在工作量上则会有很大的减轻,因只需服务于本站上下的乘客
  了。另一重大优点则是,与上述第五点相似,当某一站点因乘客上下车或其它原因
  而影响了车辆的开行的话,这个影响不会波及到主车的运行以及其它站点的运行。
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  第七,新系统的开发成功将会极大地促进中央和地方的两个积极性,更好更快地进
  行铁路建设。假设国家担纲投资如图 6 中的主干线路建设,而支次级线路则由地方
  与国家共同投资建设,城站线路由地方负责的形式。在这种模式下,国家的投资压
  力和投资回收期都可以降低。这包括两个方面,总的建设成本的降低和运行效益的
  提高。运行效益的提高不难理解,因为新系统下的运力更加地提高了,效率更高
  了,乘坐更方便了,经济效益自然会更好。总的建设成本的降低必须与达到同样的
  乘运效果为基础来解释和比较。为此,再以图 5 和图 6 为基础,假设 F、G、H、K
  各点要修建铁路达到与已存高速线路 ABCDE 相似的高速效果且与 A、B、C、D、E 各
  站点都能快速且直达的话,那么在现行的铁路和列车运行模式下,其铁路建设将会
  如图 7 所示。其中的 FGHK 无疑将是与 ABCDE 线一样的高速线。而要达到两线间的
  各站也能高速直达的话,则需要有如图中红线所示(粗、细一起)的铁路网络,且
  也是高速线。当然,实际上不会也不太可能建那样密集的铁路网,但至少会如图 7
  中的粗红线所示,否则方便性和快速性就会远不如图 8 中所示的新模式下的路网
  建设。图 8 中从 G 到 B 的虚线表示该条线路可以不建,因其路程与 GFS 相比不会
  省时太多但却可以省下一条线路建设,特别是 G 站不是很重要的站点时。
  图 8 所示的新模式和设计与图 7 相比,其优势是明显的。首先,前已述及,图 7 中
  Fig. 7. Fig. 7.7.7. Rail Net 1 Rail Net 1
  AAA FFF
  KKK
  BBB
  CCC
  EEE
  DDD
  GGG
  HHH
  xxx
  SSS
  PPP
  QQQ
  xxx
  AAA
  Fig.8. Rail Net 2 Fig.8. Rail Net 2
  CCC
  DDD
  EEE
  BBB
  FFF
  GGG
  HHH
  KKK
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  的原线路 ABCDE 及运力被废弃了而代之以高速线。图 8 中,这条原线路保留下来了
  或稍加改造,在新的运行模式下就能达到图 7 中的高速效果,且方便性还会提高。
  同样,图 8 中 FGHK 线也不必是如图 7 中的高速线,这就大大地节约铁路建设的成
  本了,且还增加了方便性如该线上的浅色小点所示,而图 7 中的 FGHK 线则没有这
  些小点。其次,也如前述,与图 7 中要建两条高速线相比,图 8 中只需有一条高速
  线(1 线或 2 线)就行了,其建设成本不会比图 7 中的 ABCDE 高速线更高或最多大
  致相若,但所能到达的列车运行速度却远比图 7 中的高,同时运力会得到更充分的
  发挥。如图 8 所示,其高速线(1 线)承担和提供左右两翼各线的运载任务,而图
  7 中的高速线却只能服务于其线上各站点,其它线路的站点就很难受益或借力。比
  如图 7 中,要从 K 到 C,不论是走 KEDC 线还是 KDC 也不会比走支线 KC 更省时省事
  多少。亦即是说,图 7 中的高速线的辐射能力或覆盖能力远不如图 8 中所示的强。
  再看连接支线的建设比较。除了前述的图 7 中支线也需为高速线而在图 8 中却不必
  外,图 7 中的支线(粗红线)的总长度也远大于图 8 中的红线总长度(即使 GB 为
  需建线亦如此)。最后,新系统下的高速线路的选线灵活性可以在图 8 中再次表现
  出来。比如,假设图中左边部分的经济及运载需求更高的话,就可选择 1 线,而
  如右边需求更高的话就可选择 2 线。
  顺此说明,新系统下的高速线路的选线策略将会由一套有别于现有系统下的多方位
  多约束优化模型所得出。
  最后可以总结的是,新系统下的铁道主线、支线和城站线有了比以前更明确的的概
  念和功能划分,从而一方面使管理、操作更简化,责任更容易明确,使某一站点的
  不利事件局部化而不影响主车及其它站点的运行;另一方面使不同层级和梯次的线
  路更合理更有机的组合起来,并使不同档次的列车运行速度恰到好处地与运行环
  境、运行阶段相匹配。即,主干线上的列车可以无停歇、无阻滞地高速或超高速的
  奔驰,次级或支线上的列车则以中速或中高速行驶,而在城站线上的列车则以低速
  或中低速行驶。这刚好与列车的运行环境和运行阶段相协调。例如,在城站线上,
  列车处于要么出站要么进站的阶段,同时其运行环境处于人流车流都比较繁忙甚至
  很繁忙的城站周边地带,列车的速度自应较低。而在主干线上,在新的设计方案和
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  运行模式下,列车可谓奔驰于旷野且是连续运行,自可以达到很高的速度。这就很
  顺利地达到了更充分地发挥高速列车的作用,并大大提升铁路的运载能力的目的。
  图 7 和图 8 以及以上的解释概括地说明了新系统具有的比现有高铁系统更高效,更
  方便,更经济,同时也更安全的优越性。而在这些优越性中,安全性既是目标更是
  保障。为此,本项目对新系统的安全性的进一步提高也进行了专门的研究,如下一
  小节所述。
  3.333 安全系统 3 安全系统的增补 的增补、改进 、改进与强化
  现有列车无疑已大量运用了现代信号系统和控制技术,但车辆的开行主要还是靠司
  机的驾驶和操控。由于高速列车的运行时速已高达数百公里,千多号人的一列车系
  一人之手掌控本身就表示安全隐忧的存在。新模式下的安全系统将新增数个相互独
  立而又协同工作的子系统和安全手段,从而大大增加车辆运行的安全冗余度或说安
  全系数,与此同时大力开发和运用自动驾驶或辅助自动驾驶技术以降低司机的工作
  压力。这几方面的结合就能确保列车运行的安全性。
  现代化的火车运行系统应有一个强大而周密的管理系统,包括订票、候车、安检、
  调度、列车运行的实时监控与车辆维护等等。这里主要谈的是列车运行的实时监控
  和安全保障(子)系统。这个系统以一个控制中心为首脑,统率另外三个子系统协
  同工作。这三个子系统如下:
  3.333.111 车际交互及监控系统。顾名思义,本子系统是指前后两列车之间的通讯、应
  答、协调与监控系统。可以认为,这是现有系统不曾具有而完全新增的子系统。其
  必须新增首先是由于新系统下的新的运行模式的要求,即车辆在运行中的对接和分
  离的要求。实现此动态分离与组合无疑是本子系统的主要功能,但不是全部。亦即
  是说,无须进行动态分离与组合的前后两列车之间,比如现行系统下运行的两列车
  之间也应具有这种系统,时时通报各自的运行状况特别是异常请况,并同时保持与
  控制中心的实时信息交流。本文不须介绍此系统的具体工作机制,读者也许能够想
  象得到,有了这个子系统,追尾事故在理论上和技术上就是完全可以避免的了。
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  3.333.222 路车交互及监控系统。这是指的铁路与其上运行的列车之间的通讯、应答、
  协调与监控系统。现行铁路列车运行系统已在一定程度上具有了这些功能,比如各
  种道路信号装置等。在新系统下,本子系统的功能将大大加强。其方法是,在铁路
  沿线上每隔一定距离比如两三公里(复杂地段可加密)架设装置,其职能相当于一
  个智能守护士,时时观测当前路段的状况,并接收前方路段守护士传来的路段状况
  从而形成一种瞬时链式传递。一旦有异常情况发生,本装置马上向各控制中心、值
  班人员及后方列车发出警讯或指令。不论有无异常情况发生,当列车经过时,本装
  置与列车互动,一方面得到列车的运行状况,另一方面与列车通报本路段与前方路
  段的状况,以及前车经过的状况。亦即是说,列车每经过一个守护士都可以实时更
  新当前及前方几十公里甚至几百公里外的路段状况以及前车甚至前几车的运行情
  况。有了这样的系统与机制,加上前面的车际交互系统,试想还不能时时掌握列车
  的运行状况而避免事故的发生吗?
  3.333.333 智能驾驶系统。可以不夸张地说,与其它主流交通工具(汽车、飞机、船
  舶)相比,火车是最可以做到安全运行的,也是最可以实现智能驾驶的,特别是有
  了以上两个交互监控系统以后。为什么要追求智能驾驶呢?首要的原因是车速高
  了,并且越来越高,人(司机)的反应要在数小时内一点不出差错,特别是在有异
  常情况发生的情况下,是很难保证的,更加上人要受生理、心理、情绪、体力等各
  方面的影响。智能驾驶技术的开发和运用的根本目的就是要确保安全性随着列车速
  度的提高而提高而不是降低,与此同时大力降低司机的工作压力。司机最终将与以
  上三个子系统一起作为一个安全备份的角色存在,使系统在其它安全及监控手段都
  失效的情况下,仍可有人工操作及驾驶。当然,人们已经对智能驾驶技术作了大量
  的研究和实验了,甚至在民航上已经实用了。对于火车或说高铁,特别是在如图 8
  中的主干线路上,有了以上两个交互系统的存在和支持,智能驾驶至少是辅助性智
  能驾驶就不难实现,但具体的方案不在此详述。
  3.333.444 三子系统的共性与协调。三子系统既相互独立又是协同工作的。独立性的根
  本目的是要确保系统运行的安全性,一是各子系统接收和传输的信息能相互检查和
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  确认,二是一个子系统因事故垮了,另外的不至于也跟着跨。为了确保这一点,每
  个子系统特别是在信息的摄取和传输上至少要有两种以上的介质或方式来实现。为
  确保安全性的同一目的,这些介质或方式在同一子系统下也是相互独立的。也就是
  说,以这样的组织和架构,在总体上将有十来种相互独立的介质或方式协调工作以
  确保列车运行的安全性。从理论上讲,这十来种介质或方式同时垮掉的几率是微乎
  其微的。更进一步,即使有如此全方位的安全保障,系统仍将建有强有力的应急机
  制。在必要的情况下,根据预先建立的规则,任一子系统或方式都可以减缓或停止
  列车的开行。有了这些软硬皆具的手段和机制,说保证列车万无一失的运行也不为
  过。
  以上三子系统的协同工作是通过一套严密的工作程序和机制来规范,在架构上通过
  控制中心来协调实现的。各子系统在与各自的对象(如车际交互系统中的前车与后
  车,路车交互中的路与车)时时联络的同时,也必须实时与控制中心联络以反馈信
  息和接收指令。有了对以上三子系统的介绍,有关控制中心的功能和作用就不难理
  解了,简述如下。
  3.333.555 控制中心。本中心的主要功能和职责是通过以上三个子系统的协调工作确保
  列车运行的安全性和平稳性。控制中心的主要工作是实时的信息收集、处理和指令
  的发布。控制中心通过车际交互系统传回的信息确认任一对列车之间的相对运行是
  否在正常范围之内,如有必要,根据预定的程序和算法施行调整。控制中心通过路
  车交互系统传回的信息确认道路的清爽情况、能见度情况、列车的准时通过情况及
  其它可能的异常情况。列车与驾驶系统的关系则是整个控制系统中最重要最核心的
  关系。有了前两个子系统的协同工作为基础,控制中心完全可以做到对列车开行的
  实时指挥和控制,使列车的运行可以精确到秒甚至毫秒计。
  也许不必特别说明,以上所论的控制中心及三子系统的协同工作都是电子式的、智
  能自动的,只有在特别的情况下才需要司乘人员除常规工作外的临场应对。而有了
  这三子系统十来种安全介质与方式的帮助,司机对车况路况的了解和对开行的掌控
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  就很容易了。进而言之,有了这些机制及方法,前面说的智能驾驶或自动驾驶就是
  水到渠成之事了,从而真正实现列车的安全运行不只系于司机一人之手的目标。
  4.技术可行性 .技术可行性
  通过以上的介绍,读者也许对本系统的框架及工作原理有了基本的了解。本系统的
  实施不仅对中国的高铁建设有很重要的意义,而且对占领国际铁路及列车市场更具
  有重要的意义。接下来的问题肯定是在技术上是否真的能够实现。对此的回答是比
  较明了的:肯定有技术难度,但不是高不可攀,笔者完全有信心于系统的成功开
  发,只要有足够的开发资金的投入和良好的开发环境就行。此回答是基于本系统的
  以下几个基本特点得出的。
  444.111 所要开发的技术是软硬结合而以软为主导的。人们要开发这一系统,首先就是
  对本系统的概念和思想的接受,这是最基本的软性方面。其次,再看系统的几大方
  面,例如列车的动态分离与组合,三大安全子系统及控制中心的设施都是以软性技
  术为主导的。至于高铁线路(如图 8 中的 1 线或 2 线)的选择与规划,则可以说是
  完全的软技术。
  如果说,在硬技术方面,例如在高端设备制造、芯片制造等方面,与发达国家相比
  中国还有一定差距的话,那么在软性技术方面,应该可以发挥中国人的理工特点,
  至少可以做得不必比别人差很多。
  444.222 系统所需的硬件及硬技术完全可以建立在现有的成熟技术之上,配以一定的攻
  关就可以实现的。例如,大家最关心的也许是列车的动态分离与组合技术,因为这
  是新系统的基础和突破点。这里暂不谈对此技术的具体设计,只须从概念上讲,读
  者也可以信服的是,列车的动态分离应该不是很难的,而在动态组合上(或说列车
  的对接上),虽然有难度,但与飞机在空中的对接(如空中加油)、更甚者与宇宙
  飞船和太空站的对接的难度相比,那就是小巫见大巫了。空中对接除了飞行体的速
  度远高于列车外,是完全的三维六个自由度问题,而此处所论的火车对接可以说是
  一维一个自由度问题,因列车是卡在两条轨道之间运行的。而多一个自由度,计算
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  和控制的复杂程度可能不止高一个数量级。空中对接可以说已经是比较成熟的技术
  了,那么我们对列车的对接技术的开发是不是应该有信心呢?
  444.333 系统运行特别是列车对接的安全性是能够保证的。这可能是人们关心的另一主
  要问题,因为一想到高速行驶的两列车要对接在一起,自然会使人们想到追尾,想
  到两车相撞带来的震动等等问题。这种担心是不难理解的,但只要人们对对接技术
  有所了解,或即使不太了解但只要想想空中的对接,不论是飞行员还是宇航员都有
  更重要的安全问题要面对却能够使用对接技术,这种担心可能就会释然了。可以说
  的是,这里所论的列车对接应该比空中对接更安全。这首先是由于如前所述前者的
  难度远低于后者,当然也就更安全。其次,由于火车是在陆上运行,即使出了事
  故,也比在空中容易处理得多。同时还可以说的是,实现了动态组合的列车运行也
  会比现有的列车运行系统更安全。这首先是由于前述的三大安全子系统及控制中心
  的建立,列车前行的路况安全及两车之间的协调运行大大提高了。其次,现有列车
  运行中可能碰到的追尾是由于“预料之外”而发生的,而在新系统下,列车的对接
  恰恰是利用了追尾,是“有意”而为之,这就是所谓的变坏事为好事,而追尾事故
  避免了。再次,列车对接的时间安全度会有相当大的冗余度。前面提到列车的运行
  包括动态组合可以精确到秒或毫秒计,但即使某次没有精确地做到,两车之间一般
  都会(留)有时间重新协调完成这项操作。至于两车对接时是否会发生震动的问
  题,从理论和技术的角度讲,这种震动都可以降低到最低的限度。
  444.444 系统的技术开发可以梯次进行,比如列车的自动驾驶技术可以逐步达到,不必
  一次开发就完成。当然,其它的技术方面和子系统必须要达到特定的目标后才可以
  投入实际运用的。
  444.555 最后是本系统的创新特点。本系统的创新性不是象一般的某项产品或某个零
  部件或某单项技术上的专利开发,而是整个系统的创新,是运行机制的革命。因
  此,系统的开发除了单项技术外,更主要的是体现在技术的集成性、系统性和协调
  性上。
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  5.经济可行性 .经济可行性与社会效益
  前面的介绍中已经提到了本系统可能带来的经济效益。简言之,本系统如开发实施
  成功,其所能带来的经济效益和社会效益都将是巨大的。先看经济方面:
  本系统所能带来并可以及时体现的最大经济效益将是高铁建设的成本节约。如前所
  述,以现今高铁的开行速度 250 公理/小时但需要中途停站的话,那么长途旅客所
  享受到的实际速度大概相当于按新系统连续开行方式下 180 公理/小时的速度。这
  个速度估计现有的好些动车线路都能达到,或稍加改造就能达到。因此,这些线路
  只要改行新的运行模式就行了而暂不必由高铁线路来取代。假设一条这样的线路长
  1000 公里,那么节省这样的一条线路替换就可以节省几百亿到一两千亿人民币的
  投资;如节省数条线路就可以节省上万亿的投资。
  而在财力许可又确需新建高铁的地方,本文也给出了更优化性的线路选择和规划模
  型。以此模型建设,不仅能节约大量的投资,还能大量地提高运力,支持更高的运
  行速度。
  从长期来看,新系统所能带来的节约还包括:能耗的节约,因为平稳无间断的连续
  运行自然比间歇式的运行更省能耗。同样的道理,新系统下的车辆运行寿命和路基
  路轨使用寿命也会得到提高。
  更重要的是,伴随以上节约的还有方便性的大大的提高,乘客可以在任意站上下而
  不需要列车的中途停顿,
  有了这些节约,铁路系统的负债状况及投资回收期将大为改善。对于乘客来说,这
  些节约意味着票价的降低。而票价的降低和方便性的提高将会大大地提升列车的上
  座率,从而进一步改善铁路系统的经营状况和盈利能力。这反过来又会带来进一步
  的票价降低而形成良性循环。
  再看实施新系统所需的成本。因为新系统并不会带来线路建设的成本增加而是降
  低,故这里的成本主要体现在三大安全子系统及控制中心的成本上。以控制中心而
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  论,因现有的铁路系统都有一定规模和层次的控制系统,故只需在此基础上作必要
  的升级换代就行。一个控制中心是主管一条还是多条线路决定于原有的系统架构和
  管理模式,这里只是做一个概念性的分析。也以 1000 公理的线路为单位的话,控
  制中心的升级成本估计会是数千万元人民币的档次,姑且以 1 亿元计。车际交互系
  统包括对接装置在内,平均每节车厢可能是数千元或数万元的成本,保守一点以每
  列车厢 20 万元计;或一列车以 3 百万元计。由于列车每天可周转开行,1000 公里
  路段上以 30 列列车计,则车际交互系统总成本为 9000 万元。路车交互系统的成本
  决定于设置在铁路沿线的装置(智能守护士)的成本,而在列车上的成本可以略去
  不计。一个智能守护士的成本可能是数万元,也以 20 万元计,并按前文假设的每
  2 公里一设的话,1000 公里路段上的成本是 1 亿元。至于智能驾驶系统,每列车可
  能不超过 200 万元,但以 300 万元估计,30 列车则 9000 万元。以上几项加起来,
  总成本不到 4 亿元。这对于上千亿元的路段投资以及上百亿元的 30 列列车的造价
  来说,可谓是零头不到,更不用说它能带来的如前所述的投资的节约,安全性的增
  加及效益的提高了。
  最后是关于本系统的开发成本,这里不可能做准确的估计,其中也包括开发所在地
  的价格水平。这里暂以几千万至几个亿人民币估计。以这样几个亿的研发成本而能
  带来以上所论的庞大的市场价值特别是安全与经济效益的提高,相信投资者是不难
  判断本项目的开发价值的。
  6.结论 .结论
  最近几年来,中国的铁路建设与发展特别是高铁的发展举世瞩目,但同其它国家一
  样,现有的高铁除速度有了很大的提高外,还没有完全从传统的铁路运输模式中脱
  胎出来,从而仍保留有旧有系统的缺陷。最明显的就是效率与方便性的矛盾。即,
  要想快速,就只能采用直达或特快的方式,这就牺牲了方便性,很多中小站点不能
  上下车;而要想方便,站站能上下,则就变成了慢车,牺牲效率。如今的高铁仍然
  面临着这个问题。方便性的降低加上高踞的票价就会影响上座率。而上座率不高就
  会影响到铁路运营的财务状况及铁路的投资回收期,从而会严重制约铁路建设的进
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  一步发展。现有列车系统的另一大需要提高的地方就是安全性。世界上运营高铁的
  国家几乎都遭遇过较严重的车祸及伤亡事故的惨痛经历。
  本文介绍的是笔者独立研究的一个包括新型的列车运行技术、安全体系和由此带来
  的更优化、更高效、同时也更经济的铁道线路的规划设计,统称之为铁路列车新系
  统。新系统下的列车运行方式是建立在现有智能技术之上的动态组合及连续型运行
  模式,是新系统下的最基本的技术革命。此项革命能有效地克服上述的高速性与方
  便性的矛盾,即乘客可以在任何大小站点上下车而列车却可以连续开行,从而乘客
  可以享受到比现有高铁更高的有效旅行速度。新的安全系统由相互独立而又协调运
  行的车际交互系统、路车交互系统和智能辅助驾驶系统有机构成,以确保列车的高
  效并安全的运行。新的铁道线路设计和规划方案则既是新型的运行方式及技术所催
  生的结果,同时也是新系统运行的最佳条件。在新系统下,铁道线路将有比以前更
  明确的主线、支线和城站线的概念和功能划分,从而使不同层级和梯次的线路更合
  理更有机的组合起来,并使列车的运行速度恰到好处地与运行环境、运行阶段相匹
  配,与此同时大大提升铁路的运载能力、更充分地发挥高速列车的作用。而更重大
  的意义还在于,新系统的运行模式和线路设计将为铁路的改造、替换、和新建等带
  来成百上千亿甚至更高的节约。
  新系统在这三方面的革新和改进不论是高铁还是普通铁路列车都适用,而且速度越
  高的列车收效越大。它不要求对铁路和车辆的大的硬件改造,就能够大大提高现有
  列车的运行效率、安全性和方便性,从而使铁路列车成为中远程旅行中最快速、
  最方便、最安全 、最安全、同时也是最经济的 、同时也是最经济的交通工具的宏大目标能够得以实现。这个目
  标的实现自然就会大大地提升上座率。而上座率的提升以及更重要的是铁路建设成
  本的节约就为票价的降低奠定基础,从而进一步提升上座率,形成良性循。与此同
  时,铁路运营的财务状况和投资回收期会大为改善,由此带来巨大的经济效益与社
  会效益。与新系统所能带来的巨大效益相比,本项目的开发成本可以说是微不足道
  的,虽然可能需要有几千万或几个亿人民币的准备。
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  智能性交通系统是国内的中长期科技专项,也是真正的民生工程、民心工程。如本
  项目开发运行成功,相信将是世界首例。除了对国内铁路与列车事业的贡献外,另
  一重要的显见的意义则是,新系统的开发和运行成功肯定将会大大地提升在国际铁
  路和列车市场上的竞争能力。
  出于对生养之地的一片感情,同时中国也是最需要并最能发挥本系统的优越性和潜
  能的国家,故本人希望能将本项目率先带到国内来合作开发并实施,以造福故乡的
  人们。研发的重点主要是前述的动态组合装置及三大安全子系统的实验和试验。
  关于投资和合作的条款,本人的要求并不高,只要有以下两个基本条件就行。一是
  开发团队成员的遴选本人有决定权;二是开发成功后的知识产权为贵我双方共有,
  产权分配的比例可以协商确定。
  最后要申明的是,本文所介绍的是笔者独立研究的所论铁路新系统的的顶层设计和
  技术总路线,具有完全的技术机密性和商业机密性。系统的次级及更次级设计只有
  在合作协议签署和资金到位后才能进一步介绍和讨论的。有兴趣的投资者可与本人
  直接联系(联系方式见后)。未有兴趣者或任何情况下,未经本人书面同意,不得
  转传转抄本文内容与他人或以任何形式擅行开发与实施。
  ----------------
  一点说明:本文在成稿时为稳妥起见在网上又进行了一遍搜索,以视是否有他人
  已发表了与本文相似的内容。不期然在加拿大专利局的文档里确实查到一份文件
  (Yaron Mayer & Haim Gadassi, System and method for boarding and letting
  off passengers in trains efficiently so that the train does not have to
  stop at the station, CA 02431636, 20/06/2003), 该文虽然没有怎样用动态组
  合的字眼,但所述内容与本文所论的动态列车组合的概念和思想很相似。当然,该
  文主要是描述一种方式和概念,不涉及具体在技术上如何实现。该文不涉及本文所
  论的其它方面的内容。该文在加拿大的专利保护已失效。
  版权保留 Copyright reserved. © 王统元(((Tongyuan Wang) 2010, 2011, 3012
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  附:本人简历:
  学历:计算机学博士,工程(管理)学硕士,经济学硕士,计算机学硕士,工程学
  学士,计算机学研究生证书。除工程学的学、硕两学位在中国获得外,其余皆在加
  拿大(Concordia University)获得。
  主要经历:当过农民、工人、大学教师、企业管理者。作过科研、项目开发与管
  理、投资与商贸、软件开发与 IT 咨询等。
  Tongyuan Wang,Ph. D, M. Sc, M. Eng, M. A
  手机:001-514-606-8866
  Email: tttyyyw@yahoo.com
  Montreal, Canada <

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