日本东京大学教授日本铁道技术协会副会长曾根悟
本文简述了日本高速铁路发展缓慢但稳定推进情况，以及中国高速铁路快速发展情况，比较并分析了发展的路径，讨论了具体的系统构成。除此之外还简要介绍了与日本十分不同的欧洲铁路发展情况，比较中日两国高铁技术的优缺点，这将有助于改善世界铁路客运发展，并以改进两国各自系统的不足方面。 1.
世界上第一条高速铁路（高铁）就是建于1964年的日本东海道新干线。这显然意味着日本不仅拥有悠久的高铁运营经验，而且在高铁上也拥有最多解决问题的经验，因为日本的高铁客流量远比欧洲其他国家更密集。
另一方面，中国在20世纪90年代末才开始了列车提速的内部研讨，并于1997年进行第一次最大速度超过140km/h的真正试跑，然而同时期的日本山阳新干线已经以300km/h运行。直至2003年前中国都是基于中国自身的认知和能力进行研究和发展，但进展缓慢而不能赶上国家经济快速增长的需求，于是中国政府决定转变基于自身内部的发展高铁的路径到引进发达国家技术上来。因此，基于以引进日本和德国的技术为主的战略计划和充足资源，随着中国铁路第六次提速，列车速度第一次大幅增加发生在2007年（ 其中CRH1、CRH2、CRH5和CRH3的技术和制造源国家，分别是德国、日本、意大利以及德国）。在这个时候，世界各地铁路人员才突然惊诧地意识到，中国高铁轨道线路长度超过了6000公里，这比包括其他任意国家包括日本、德国等都要长。
从2007年到2015年，仅八年之后，中国的线路长度超过16000公里，这比分别排在第二到第五位的西班牙（3400km）、日本（2800km）、法国（2100km）、德国（1800km）等所有国家加起来的总和还要长。
2.中日高铁基础交通数据比较
为比较数据和理解差异，一些主要数据见表2所示。
西藏旅游地图高清版大图3.中日高铁科技成就比较
3.1.概述
3.1.1.日本和中国的原始铁路技术
可以认为几乎所有关于高铁的技术都起源于日本，因为日本是世界高铁的先驱，但事实上并不是这样。当日本决定建造东京到大阪之间的新干线时，这仍然是一个双线电气化铁道，在东京附近和大阪附近四线，它已经接近其运输能力的极限，尽快增加两条或多条轨道是一个非常迫切的要求。日本国家铁路的大多数管理者打算沿着传统的窄轨铁路附近添加一条双线铁路。穿越人口稠密区在短短五年内在同一线路上实现
增加两条铁路轨道非常困难的，因此建设一条拥有必要换乘的独立线路的可选方案是最可行的。19世纪末，在日本的第一条铁路开始运行后的三十年间，一些人曾非常希望通过更换窄轨使其变为标准轨距来改进日本国有铁路。日本国家铁路公司的主席石河信二属于这少数者之一，但是公司其他有影响
力的人都不赞同这一想法。因严重的铁路交通事故而辞职的岛秀雄被石河信二任命为总工程师，他们一起极力主导用新双线标准轨铁路来代替传统线路。石河信二和岛秀雄耐心地说服了铁路公司内的其他高层领导，因此，新干线项目成功启动了。在这种情形下，新干线必须在开通时实现足够的交通承载力来应对老线路越来越多的乘客、规模越来越大的货物运输。因此，所有的建设和列车连同运营系统的研发都是稳妥的，不容许出现任何重大的失误。稳妥研发意味着没有太多创新，宁可车轴很重，不能快速移动，更加保证安全，和很小的可能在未来轨道设计中去提高列车速度。
3.1.2.日本列车原始设计：开发运行在较高速度维持稳定运营的轻型转向架
新干线列车是以小田急电铁自主创新的快速列车组为基础研发的，后者在1957年以108m长的车身、147t的空车重量在1067mm宽的窄轨上创造了145/km世界速度记录。新干线0系列的列车，相比而言较重，平均每辆车56t，25m长。为了避免质量的基本不增加，新干线列车选择了轮距为2.5m、轮径为0.91m 的轮对，并且证明了有足够的稳定富余度跑到210km/h。日本国家铁路公司计划对为了每辆列车减少4t，实现15t的最大轴重，但是失败了。这主要是因为牵引设备质量需要足够的富余量，这就意味了16t的轴重能够刚好满足乘客满载。
3.1.3.日本列车原始设计：动力分散
基于当时的日本私有铁路标准，高性能动车组的设计，配备动力的车辆牵引系统拥有有8个牵引电动
机，并由一个牵引控制器控制，这是一个自然而唯一的解决方案，而不是一些带动力的和不带动力的车辆（例如拖车）中的设计优化结果。在日本高铁取得成功后，英国和法国分别在1976年和1981年开始跟进，但是，他们的的类型不同集中牵引系统。直到上个世纪90年代，交流电动牵引系统出现，除日本外的很多铁路工程师意识到集中牵引系统要优于分散式牵引系统，牵引电机的维护量少和非动力轴的制动系统维护量大些。但是，在1992年日本的新干线，成功推出了世界上第一个带有交流可再生制动系统的高速动车组新干线300，如图1所示。在这一创新的动车组研发工作中（作者就是团队成员之一），揭露了一个非常重要的发现：一个拥有必要制动系统的非动力轴比有动力轴质量更大，这将会产生更多热量和更多的维护工作，因为从理论上说，制动系统会将动能转换到热能。因此，日本的新干线500系列列车从10M6T
的形式改变成了16MT（0T），减少了空簧的和总的重量。这一重要的认知是在1994年于巴黎召开的铁路研究世界大会（WCRR）由作者提出来的。
图1 日本新干线300系列世界首列采用再生制动的高速列车
3.1.
4.中国设计理念
2003年，中国决定从发达国家引进高速动车组，其中不包括诸如法国TGV、德国ICE-1、意大利ETR-
500动力集中式高速列车。这个明智而清晰的决定应该是建立在前文所述日本所取得的成果与中国在研发中华之星的困难之上。中华之星与长白山的分散动力不同，它是集中牵引式。所有引进的CRH1、CRH2、 CRH5，及CRH3都具有分布式牵引系统，但有两种不同类型：CRH2含驾驶室头车为拖车，其余的CRH1、CRH5、CRH3型，这些均是源于欧洲，驾驶室头车带有动力。
这个不同之处来自日本的研发经验和以下所提及的两个重要观点：其一是从电磁兼容（EMC）上看,
驾驶室头车的前面转向架上驱动电机造成信号电路发生多次故障，从粘着上看也是一样。在雨天的情况下，由于是湿的，前转向架的轮子趋向滑动和滑离。与此不同的是，含驾驶室拖车与中间电机的结构并不需要复杂的粘着控制，如果制动未运用到前面的转向架，由于不会打滑，轮子可以用于可靠的速度和位置传感器。
图2 日本国有铁路N700系列
运用车身倾斜控制列车可以以270km/h时速通过曲线半径2500m区段
目前，中国设计的高速列车CRH380型，就是上述提到的两种类型。CRH380A and AL 由含驾驶室拖车和带动力中间车构成而其余的CRH380B, C, 和 D h由含驾驶室带动力车和中间带动力车及拖车组成，带动力和不带动力的车数相同即4M4T或8M8T. 如果中国铁路要规范牵引系统，笔者强烈建议具有含驾驶室拖车及尽可能多的带动力车组合，因为这在经济上是可行的。即使运用复杂的、高性能的再粘着控制系统，在不利条件下微小打滑也不可避免，这就意味着所获得的速度和位置有许多错误。如果14M2T编组的宜宾旅行社十佳排名榜
CRH380AL的设计被认为与使用相同牵引电机的6M2T编组CRH380A 提供太多富余量，太贵，则12M4T的方案可能是解决建造成本最好的方案。但是运营成本更好的还是14M2T，因为它有好得多的制动性能。
3.2.中日高铁子系统成就比较
3.2.1.供电系统
在日本的原始技术中，其他国家还没有采用的有准连续供电系统，其采用了两个连续性接触网段和轨
旁转换开关。该系统的动作原理如下：假设列车从A经由B到C运行，开关D保持关闭，直到整个列车进入B区。D关闭时，时间很短，一般为0.3秒，D打开后，开关E关闭。本系统利用两个内部相连的受电弓结合简单而较高的受流方式实现近乎完美的取电，因为不断加速及含再生制动的减速和稳定的电气连接，即使一个受电弓失去机械接触，也能稳定供电。丽江古城地图全图高清版
目前欧洲体系禁止并联两受电弓系统的使用，防止不同段的两个电源的使用造成短路。转换开关是由原来的气吹开关改进而来，然后改为真空开关，现在逐渐向半导体式发展。
杭州西湖作文图3准连续供电系统
中国曾研究过使用一种准连续的电力系统，但现在已经放弃。这其中的原因应该是更容易采用欧洲型动车组和转换开关从真空断路器类型到半导体的改进还在过渡进程中。
3.2.2.电磁兼容性
在日本，基于过去经验教训，有很多特殊的设计，以避免电磁兼容问题。与上述提到的标准实践不同的是，采用八节编组的N700系列的九州和三洋新干线不是带含驾驶室拖车的6M2T，而是含驾驶室头车带有动力的8M0T，停在35‰较陡坡段有一半切除时能具备重新启动牵引条件。为了应对由于驱动电机的EMC 问题，从电磁散发或抗扰的角度来看，位于前面的牵引电机和转向架、头车后部的转向架、其他车的转向架都与之前的是略有不同的设计。至于关注的粘着，前两个转向架加速和减速的力被挤压，而后面的和最后的车辆则输出全部力。
3.2.3.引入再生制动列车后相位平衡措施
作者接触到一个实践例子，在三相电网获取单相高压电需要调整相位平衡措施。从1964年东海道新干线开始，使用斯柯特接线牵引变压器，将三相交流转换为矩形双相交流。一个相位提供到上行轨道，另一个则提供到下行轨道。因此，在一般情况下平均方面，建立了一个更好的相位平衡，因为自上行和下行的列车之间平均电压基本上是平衡的。情况在两个方面发生了改变：在一个由吸流变压器（BT）输送系统到一个自耦变压器（AT）系统的转换方面，以及再生制动列车方面。
一个吸流变压器用来把在运行轨道上产生的返回电流输送到一个负极馈线上，这条馈线与接触网的导线有着相同的高度，从而与相邻电缆线产生的电子干扰消除了。这对避免电磁兼容来说是有利的，但在升压变压器区段受流存在缺点，即每当有列火车驶过吸流变压器区域时，吸流变压器的输出电压会被由受电弓产生的电弧打断。为了解决这个问题，由吸流变压器供电方式调整为自耦变压器供电方式，使得运行在变电所一个供电臂和另一个供电臂的上下行列车的能量均衡。
另一个这种情况下的重要改变是在1992年引入可再生制动列车。牵引变压器从三相到两相转换的原理是：当两相之一的功率和等于另一相功率和，三相是平衡的。在引入再生制动之前，最坏的情况是一个相位处于最大功率而另一个相位为零。在这种最糟的情况下，三相到两相的转换没有影响，三相的一个相位获取的总功率相同，但在引进再生制动之后，最坏的情况是正的在一边而负的在另外一边，在此情况下，三相到两相转换有一个负面的影响，这种情况比从三相的一个相位获取正或者负的电更为糟糕。
为了应对这一不利影响，连同网侧和列车侧的电压稳定器，在必要地方增设一个额外的铁路静止功率调节器（RPC）。一个RPC能把有效电能从一侧转换到另外一边，并且独立地吸收两侧必要的的再生电能。
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从单纯技术角度来讲，铁路功率调节器有时可以看作是必要的，但从总体的系统整体设计的经济性来讲，它的设置是否合理还值得怀疑的。
3.2.
4.车辆轻量化设计结果
轻量化车辆建造专有技术的掌握是日本目前最为先进的地方，主要有以下三个因素：
（1）道床和基建薄弱；
（2）许多私营列车运营商和车辆制造商；
（3）对于货运重载列车没有足够多的缓冲强度。
第二次世界大战后，大城市和郊区之间的交通需求迅速扩大，而其中大部分需求由JPRs的郊区线负担。因此，轻量化和高性能电动车组在20世纪50年代由JPRs发展了起来，成为新干线基础列车的一个院校，而另一个原型为JNR研发的交流电气化型。一些欧洲列车制造商认为日本的车辆质量小在撞击事故中
没有足够的强度，还有一些制造商认为它没有足够的刚性来应对振动。
这些过去的批评在许多场合都被证明是错误的，一个典型的案例是2011年7月23日的温州动车事故：
轻质铝合金车体的CRH2撞上坚硬的不锈钢车体的CRH1，在这种情况下，毁损比CRH1列车严重的多。后面的批评是一半是对的，一半是错误的，因为这是一个乘坐舒适性和节能性之间的设计平衡问题。CRH2
的原型，东部新干线E2列车的轴重不足12吨，是日本权衡的结果，而CRH380A的轴重大体为15吨是中国权衡的结果。
3.2.5.机车信号ATC系统
虽然在更小型的城铁里，已有一些机车信号系统，但世界上第一个干线铁路自动控制系统（ATC）采用机车信号的是新干线，虽然已过去了半个多世纪，但它至今仍然是不完善的，这样的一个系统也没有最终版本。日本的ATC系统不是为了无人驾驶而准备的，而是为了让制动操作几乎自动化，可以让列车能以在低于30km/h的时速人工驾驶时停在指定位置。
然而法国高速列车（TGV）有不同设计理念，列车自动防护系统（ATP）应显示一个即将到来的线路情况，帮助司机驾驶操作，只有当司机没有反应时，系统才会自动进行驾驶干预。德国的设计理念和法国的相比有一点不同，但也没有相差太多。
中国已从欧洲和日本引进了几种信号系统，目前根据不同列车，不同系统在同一轨道上可共存。从驾
驶员容易混淆的角度、更多维护量、系统冲突等方面来看，几种信号系统共存在一个轨道上是不可取的，。
为了在将来更好的解决这个问题，现在有许多潜在的解决方案，如按照地区、线路类别、速度范围和气候条件等对系统进行分类。中国解决方案的成果和进展引起了发达国家的高度重视，虽然目前还没有哪一个国家需要这样的解决方案。
3.2.6.日本落后的轨道和基建
新干线的缺陷往往体现在基础设施上，相邻线路之间4.2米（在东海道新干线的情况下）或4.3米（三洋新干线和所有此后建设的线路）的线间距太短，双线隧道断面64平方米过小，不支持反向的信号系统，这在世界上绝无仅有，并且在经停车站道岔的进、出站有时速不超过70km/h的速度限制。
东海道新干线基础设施落后是正常的，因为它是高铁建设的先驱，它无法向别人学习，以及因为在1959年建设初期，日本自身的经济力量不够强大。山阳新干线较小改造后，符合世界标准的深度改造始终没有实现。
与此相反，中国能选择来自世界各地的许多产品，并且传统的强大的重载线路，在适当的时候，可进一步改造实现高铁。一些日本基建专家从限速问题认为，应该禁用落后道岔的两个或多个移位电机来保持必要的可靠性，这被认为是道岔问题的主因。
4.
4.1.英国
1976年，英国成功开通第一条时速200km/h铁路。尽管高铁（HST）的成功使那些日本牵引工程师大为震惊，他们曾自信地认为需要很多动力轴来满足黏着限制，但由于这条高铁是非电气化线路，所以日本和其他许多国家忽视其影响或者并不重视。这项高铁技术只出口到澳大利亚XPT，所有其他重要高铁都是电气化线路。
4.2.法国和德国
在完成机车牵引列车进行200km/h运行实验后，只有少量列车在此线路上运行，而法国真正意义上的高铁运营始于1981年，德国始于1991年，分别是法国的法国高速列车（TGV）和德国的德国高速动车组1代(ICE-1)，两者都在首尾两端使用机车集中牵引的固定编组。在法国人眼里，法国TGV是学习了日本新干线很多技术并有很大改进的高速系统。这一成功，加之在常规运行前创下的一个380km/h的超高速度记录，在日本引起广泛关注，特别是关系到日本很多技术难题主要成因之一——受流。法国铁路专家了解了日本的供电难题后，想转而使用燃气轮机代替，它可以避免受流问题，但世界石油危机使得法国再次回到使用电力上来。TGV只设一个受电弓，置于车辆后部上方，通过使用车顶高压电缆供电给前面的机车头，来解决高速运行时的受流问题。经过严格的数量和受电弓位置测试，日本紧
随采用了相同的方式并加以改进，其中电气连接处理与法国相似。结果表明最好的位置并不在总是有旋转气流的车头或车尾，而最好在整流气流的位置；并且受电弓的数量最好为两个，即使其中一个受电弓从接触网中掉线了，也能几乎一直保持实现电连接。由于欧洲供电部门和法规禁止两个或多个受电弓的运用，同样的受流系统就不能被欧洲采用。海宁盐官观潮时间
4.3.法国技术与日本技术比较
法国技术与日本技术非常不同。这是自然的事情，因为法国学习了日本的经验，所以法国在许多方面超过日本，例如以下方面：
受流：平均间隔地放置很多单独的受电弓和尾端上方一个受电弓相比，后者可单独供应它自己所在的
