高速列车是高科技的复杂系统。对高速列车的研发需要采用系统集成的理念开展。《高速列车系统集成》对高速列车系统集成进行诠释，论述了高速列车系统整个生命周期各阶段所需要开展的研发工作以及如何开展，并提出了整个系统集成过程的研发路线图，内容涉及运输产品的比较、技术标准体系的建立、系统内外部关系的协调、技术性能的分析论证、高速列车系统的构成、项目的验证等，也涉及与高速列车系统有关的数学建模、系统辨识、载荷分析、性能改善、数据处理、故障诊断等多个方面。《高速列车系统集成》深入浅出，通过大量举例使复杂的理论问题简单明了。

第1章 绪论
　　自1964年高速铁路出现之后，高速的定义一直是模糊的，一般理解为比当时传统铁路的运行速度要高，达到200km/h及以上。铁路的高速是针对既有传统铁路而言的。与传统铁路相比，高速铁路列车的运行速度大大提高，但因此遇到了特殊的问题，特别是列车运行速度提升至140～160km/h之后，列车受稠密空气的影响大大增加。随着列车运行速度的提高，列车受到的空气阻力飞速增长，车载空调和冷却设备等的进风量迅速下降，车窗的开启使旅客无法承受吹入车厢的风压，也无法承受由列车风带入的粉尘和其他污物，而关窗后的气压波动会产生压耳朵的难受感觉。特别是速度提升到200km/h以上后，人们不得不在设计高速铁路和高速列车时研究空气的动力特性，考虑空气动力学的问题。因此，列车运行速度200km/h就可以成为高速铁路与普速铁路之间的分水岭。
　　车辆是给人代步或替人载物的工具，铁道车辆是在铁道上行走的车辆。车辆分为无动力车辆和自行走车辆，其中无动力车辆需要有动力的车辆来拉和(或)推才能运动，有时候也称为拖车；自行走车辆自带动力装置，可以*立运动，也称为动车。根据一定的需求，将若干车辆编组连挂在一起使用的组合体称为车组，车组自带动力可以运行的称为动车组。因此，动车组就是自带动力的、固定编组的、可以不掉头在铁路线上穿梭运行的列车。动车组出现后，世界铁路特别是运行速度达到200km/h及以上的铁路几乎都摒弃了机车拉客车的方式。随着高科技的发展，铁路列车的科技含量越来越高，动车组显示出明显的优势；无论是低速的地铁、城轨还是高速铁路用的旅客列车，都采用动车组方式。目前，机车拉客车的方式正处在淘汰的过渡阶段。高速动车组是指运行速度在200km/h以上的、自带动力的、固定编组的、可在铁路线上穿梭运行的、智能化程度较高的旅客运输交通工具。高速列车就是高速动车组单*或组合在一起运行的列车。
　　1.1 高速铁路发展的概况
　　1.1.1 世界高速铁路的发展
　　1964年10月1日，日本东海道新干线正式开通运行，可按210km/h速度运行的0系高速列车投入运营，开创了高速铁路的新纪元，使已经成为夕阳工业的铁路重新焕发了青春。之后，世界各国高速铁路以日新月异的态势飞速发展。随着经济发展和社会进步，城市化进程加快，居民生活水平提高，人们对铁路寄予着更大的希望。高速铁路运输能力大，安全舒适，快捷准时，能耗较低，又有比较好的环保效果，受到了社会各界的赞许，已建成的高速铁路吸引着大批旅客。以电力为能源的高速列车，更是在世界面临石油短缺、环境污染严重情况下的正确选择。1981年9月，法国高速铁路东南线南段开通，TGV-PSE高速列车投入商业运营。1991年6月，德国的曼海姆至斯图加特和汉诺威至维尔茨堡两条高速铁路也相继开通，ICE1高速列车投入商业运营。意大利、西班牙、瑞典、韩国等一些国家相继开通了高速铁路。我国台湾省也修建了高速铁路。随着近二十多年高新技术的发展，特别是智能技术、控制技术、信息技术、新型材料、新型工艺、高速列车系统技术、高速列车各子系统技术的发展，大量高新技术进入高速铁路。
　　目前，世界上拥有自主开发能力并已成功运用300km/h高速列车的国家有中国、日本、法国、德国和意大利等[1]。21世纪初，国际高速列车的速度发展目标是*高运行速度300～360km/h。
　　1.1.2 中国高速铁路的发展
　　1.问题的提出
　　20世纪80年代末，我国国民经济迅速发展，铁路运输不堪重负，不少线路上的运输能力已经饱和，京沪铁路线上更是特别繁忙。那时，无论是客运还是货运，满足率都极低，客运是人满为患，货运则仅有30%的满足率(车皮申请量的30%)，已经成为国民经济发展的瓶颈，因此铁路如何发展的问题就摆到了议事日程上，即需要选择能满足国民经济发展需求的运输方式、修建第二条铁路线的理由、第二条铁路线应修建成的形式等问题被提出来。
　　2.选择应采用的运输方式
　　为了解决经济发展的需求，运输方式的选择是直接面临的问题。高速铁路、航空、公路、水运等多种成熟的运输方式均在比较的视野之中。*先根据通道上的距离和运量对这些运输方式的满足程度进行比较，淘汰一些适应性不良的运输方式；其次对进入候选的运输方式进行技术经济指标分析比较。
　　1)轨道交通在我国经济发展中的地位与作用
　　交通运输是社会经济运行的大动脉和国民经济发展必需的基础设施，我国国情决定了轨道交通在国家综合交通体系中的主干地位，其基础作用十分突出。轨道交通具有其他交通运输方式无法比拟的经济辐射和显著的技术经济优势，无论是在干线客运交通、货运交通还是在城市公共交通等各个领域，其他交通方式对于轨道交通均不具备替代性。长期以来，轨道交通在我国综合交通运输体系中的骨干作用和地位都是无可置疑的，尽管近年来随着高速公路和航空业的飞速发展，其主导地位一度受到一定的影响和削弱，但随着自身改革的不断完善和提速战略的不断实施，目前它在综合交通运输体系中的地位已经逐渐稳固。我国的国情决定了轨道交通的基础性和公益性作用，轨道交通依然是广大民众日常出行的*选交通工具；轨道交通行业的发展既要考虑市场性，又要兼顾公益性，实现经济社会发展、国家安全和可持续发展的有机结合。随着全面建成小康社会战略目标的不断深化，中国轨道交通还将更广、更高、更好地发展。
　　2)轨道交通的接续
　　轨道交通包含干线轨道交通(干线铁路)、城际轨道交通(区域铁路)和城市轨道交通(城轨)三大类。干线轨道交通是我国轨道交通的主干，连接各大城市特别是省会城市，以及各大经济区域，相当于人体的大血管；城际轨道交通是各省内(或经济区域内)的铁路，从各大中型城市向各中小城镇延伸，相当于人体的分支血管；城市轨道交通主要是城市内部交通，延伸到各办公区域或居住小区，相当于人体的毛细血管。三种轨道交通在客运方面是相互兼容的，这样旅客远行就可通过乘坐城轨，经换乘区域铁路，再换乘干线铁路到达中心城市后再换乘区域铁路、城轨到达目的地，当然其中也可以换乘其他交通工具。
　　3)轨道交通的基础性、公益性
　　由于我国人口多、地域广、人均收入低、经济发展不平衡等具体国情，轨道交通已经是人们出行的*选交通工具，是事关国计民生重点物资(石油、煤炭、粮食、棉花等)的运输主力，还承担了军事、抗洪、抢险、人力、物资等公益性运输任务，因此它的基础性和公益性作用十分突出。长期以来，铁路为中国交通运输业做出了巨大的贡献。随着我国经济市场化步伐的加快，铁路也正逐渐从计划经济体制向市场化转化，为今后更好的发展打下良好的基础。
　　4)发展轨道交通
　　随着城市化进程的加快，污染严重、道路拥堵、事故倍增、能耗增多等诸多难题逐渐显现，解决交通的状况必须依靠大力发展轨道交通系统已成为世界范围内的共识。随着轨道交通的基础性和公益性地位日益突出，从可持续发展的角度来看，今后轨道交通的发展前景十分广阔。
　　为满足人们生活和出行的需要，现有轨道交通系统还必须有一个较大的发展，才能满足人们对旅行快捷、经济、舒适、方便、安全、大众化的更高要求。
　　但是，当时的干线铁路普遍存在客货混跑、运能饱和的问题，节假日即使停货增客，也无法满足人们出行的需求；轨道交通在总运量中所占的比重太小，难以发挥其应有的作用。为此，对于这种基础性和公益性的行业，必须给予大力发展，这也是能源、环保和可持续发展的需要。
　　5)轨道交通的优势
　　轨道交通尤其是电力牵引的轨道交通，具有运能大、能源安全、能耗低、占地少、污染小、全天候、安全正点等特征优势，是各种交通运输方式中*具备可持续发展条件的交通方式，被视为今后重点发展的目标。与其他交通运输工具相比，轨道交通具有以下主要优势：
　　(1)运能大。铁路货运列车每列能运送成千上万吨货物，干线旅客列车和城轨列车每列定员可达1000多人，远远超过汽车和飞机，特别适合大众化的运输需求。
　　(2)能源安全。轨道交通尤其是现代电力牵引的轨道交通，依靠的是二次能源电力，即来自火力、水力、风力、核能、地热、潮汐和太阳能等多样性的能源，比仅依靠一次能源石油的飞机和汽车更具有良好的能源安全性，符合能源可持续发展的战略。
　　(3)能耗低。从铁路、汽车、飞机的能耗对比来看，单位里程每人的能耗假定铁路为1，则公共汽车为1.5，私人轿车为8.8，飞机为9.8，可以看出轨道交通是能耗*低、*节能的运输工具。
　　(4)占地少。在相同运量下，双线高速铁路占用的国土面积仅相当于高速公路的1/3左右，对于我国这样一个人多地少的大国，大力发展轨道交通是在土地资源不足的情况下解决交通运输问题的有效途径。
　　(5)污染小。与汽车、飞机相比，轨道交通的有害气体排放量、有害酸性气体排放量、二氧化碳气体排放量都是*小，且噪声也是*小的，可以看出轨道交通是对环境污染*小的交通工具，也是符合国家可持续发展战略的*佳交通工具。
　　(6)全天候。轨道交通受气候和环境影响较小，可以全天候运行。除特殊恶劣天气(如狂风、暴雨、暴雪等)及地质灾害(如地震、泥石流等)外，均可投入运行，而汽车和飞机受气候和环境影响较大。
　　(7)正点率高。轨道交通的运行正点率一般都在95%以上，高速铁路的运行正点率更高，而汽车和飞机的运行正点率较低，无法抗拒交通堵塞、航路管制等多种影响。
　　(8)安全性高。各种交通工具均需通过安全性验证方可上线使用，相比较而言，高速铁路的可操控性更强(以设备保安全)，受人为因素影响*小。
　　(9)投资省。高速铁路的修建成本远低于公路和机场。
　　(10)速度快。特别是高速铁路出现后，两地时空距离缩短，全国以大城市为中心均可实现“小时圈”、“半日圈”和“一日圈”。
　　到了20世纪80年代，我国铁路经过多年的发展，已经形成了覆盖全国的运输网络，但是由于我国经济的飞速发展，这张网已经远远不能满足国民经济的需要，交通运输已经成为我国国民经济发展的瓶颈，满足率已降到很低。全国主要干线上开行的列车对数已经接近极限，特别是京沪通道上已经完全饱和，必须解决这一发展瓶颈。我国铁路在21世纪初时还是路网规模小、密度低、分布不均匀、点线不配套、功能差、技术落后、整体运能不足；主要铁路干线长期处于超负荷状态，技术装备水平不高，与发达国家相比差距较大。我国国民经济连续多年快速发展，然而煤电油运仍然是当时经济发展的瓶颈。铁路多年来发展迟缓，运量的增加使它不堪重负，还是不能满足国民经济发展的需求，因此有必要加大对铁路的投入。
　　3.高速铁路脱颖而出
　　1)客运专线的选项
　　20世纪90年代以后，社会和经济的发展要求铁路积极提高运输能力，同时随着改革开放的深入和人民生活水平的提高，人们对改善运输服务品质的愿望也日益增强。铁路承担了既要扩大运输能力又要提高服务品质的双重压力，客货互争能力的现象十分突出。由于客车与货车的速度有差别，在一条铁路线上运行势必相互影响，运能也得不到发挥。
　　当时我国铁路客货混跑的运输组织模式制约了包括客货运在内的运输能力的进一步发展。在主要铁路干线运力基本饱和的情况下，节假日期间每增加开行一对临时旅客列车，就要停开两对以上的货运列车，既有线扩能挖潜的空间极为有限。
　　京沪通道位于我国东部经济*发达的沿海地带，人口*稠密，是我国*重要、*繁忙的交通通道，沿线贯穿北京、天津、河北、山东、安徽、江苏以及上海四省三市，沿线人口数量约占全国总人口的26%，名胜古迹、旅游资源驰名中外，交通运输需求巨大。但是运输能力却跟不上国民经济的增长，制约了经济发展，同时较低的旅行速度也远远不能满足现代化信息社会的出行需求。
　　提高速度可以加大通道上的运量。货运由于拉得多又很难提高速度，客运则需要满足旅客出行的需求，既需要开行密度大些，又需要旅行时间短些。根据国外客货运输发展历程，只有将客运与货运分开才能解决这一矛盾

目录
“轨道交通科技攻关学术著作系列”序
前言
第1章 绪论 1
1.1 高速铁路发展的概况 1
1.1.1 世界高速铁路的发展 1
1.1.2 中国高速铁路的发展 2
1.1.3 中国高速列车的研发历程 8
1.2 高速列车遇到的科学问题 9
1.3 本书内容的几点说明 13
参考文献 16
第2章 高速列车系统的模型化分析方法 18
2.1 系统概述 18
2.1.1 系统的概念 18
2.1.2 系统动力学简介 20
2.1.3 系统的分类 20
2.2 系统模型与分析的基础知识 22
2.2.1 系统数学模型的表达 22
2.2.2 系统的方框图描述 38
2.2.3 频率特性及其与传递函数的关系 48
2.2.4 系统频率特性的求取 57
2.2.5 离散系统的频率特性 59
2.2.6 非线性系统的分析方法 60
2.3 高速列车系统分析方程 69
2.4 系统辨识知识 70
2.4.1 系统辨识的基本概念 71
2.4.2 系统辨识的分类 72
2.4.3 系统辨识的过程 73
2.4.4 系统辨识的方法 75
2.5 系统辨识在车辆系统故障诊断中的应用 76
2.5.1 铁道车辆采用系统辨识的必要性 76
2.5.2 车辆系统故障诊断的任务 77
2.5.3 车辆转向架监测诊断子系统的构成 79
2.5.4 故障诊断的灰箱辨识方法 80
2.5.5 用模态理论辨识车辆参数 82
参考文献 86
第3章 高速列车系统输入 87
3.1 环境 87
3.1.1 海拔 87
3.1.2 气温 89
3.1.3 湿度 93
3.1.4 风 96
3.1.5 粉尘 98
3.1.6 雨和雷 99
3.1.7 雪 102
3.1.8 雾 103
3.1.9 日照 105
3.1.10 污染与腐蚀 106
3.1.11 热负荷 107
3.2 线路 107
3.2.1 线路等级 107
3.2.2 区间平面*小*线半径 108
3.2.3 列车可通过*小*线半径 110
3.2.4 *线超高的设置 111
3.2.5 缓和*线的设置 115
3.2.6 隧道与线间距 117
3.2.7 坡道与*小纵断面*线半径 119
3.2.8 道岔 121
3.2.9 桥梁 122
3.2.10 钢轨 123
3.2.11 轨底坡 123
3.2.12 车站 123
3.2.13 线路不平顺 124
3.2.14 典型的线路输入 135
3.3 机械载荷 136
3.3.1 高速列车的载荷工况 136
3.3.2 基本作用载荷 137
3.3.3 车辆基本作用载荷的使用概要 138
3.3.4 车辆所承受的载荷种类 138
3.3.5 与质量有关的几个定义 138
3.3.6 轮重与轴重 143
3.3.7 与重量有关的各种载荷的计算方法 147
3.3.8 垂直载荷 147
3.3.9 横向载荷 153
3.3.10 纵向载荷 157
3.3.11 扭转载荷(斜对称载荷) 161
3.3.12 车体的顶车载荷 162
3.3.13 车顶的作业载荷 162
3.3.14 零部件的固结强度 162
3.3.15 牵引电机的扭矩 163
3.3.16 轮轨纵向摩擦力 163
3.3.17 轮轨黏着力 164
3.3.18 列车运行阻力 167
3.4 气动载荷 169
3.4.1 列车高速运行带来的问题 169
3.4.2 运行阻力 169
3.4.3 列车交会压力波 175
3.4.4 气动升力 177
3.4.5 侧风 178
3.4.6 通风冷却进排气口的微气压 178
3.4.7 车内微气压波 179
3.4.8 砾石冲击载荷和飞弹冲击载荷 179
3.4.9 鸟撞载荷 179
3.5 电力 179
3.5.1 牵引供电系统简介 180
3.5.2 互联互通对牵引供电制式的要求 180
3.5.3 接触网 181
3.5.4 与高速列车有关的供电系统品质的几个问题 183
3.6 运输组织相关问题 183
3.7 输入的动态特性知识 184
参考文献 187
第4章 高速列车系统输出 188
4.1 输出的种类与利用 188
4.2 典型输入信号下的系统输出响应 191
4.2.1 一阶微分方程描述的系统对典型输入信号的响应 192
4.2.2 二阶微分方程描述的系统对典型输入信号的响应 195
4.2.3 状态方程描述的系统对典型输入信号的响应 197
4.2.4 离散系统对典型输入信号的响应 200
4.3 利用高速列车的响应进行安全监测 200
4.3.1 高速列车安全监测的任务 201
4.3.2 安全监测与诊断决策系统构成 203
4.3.3 基本单元硬件架构 206
4.3.4 传感器的选择与布置 207
4.3.5 安全监测系统的可靠性 209
4.3.6 安全监测的基本分析方法介绍 210
4.4 利用高速列车的响应进行故障诊断 215
4.4.1 不利速度区的概念 215
4.4.2 单一频率振动形成的不利速度区 220
4.4.3 两个频率振动叠加形成的不利速度区 224
4.4.4 不利速度区的调整 226
4.4.5 常见的一些不利速度区波形 230
4.5 利用高速列车的响应改善车辆性能 233
4.5.1 控制工程中改善系统性能的方法 233
4.5.2 主动半主动控制技术 239
参考文献 247
第5章 高速列车系统特性 248
5.1 高速列车系统特性的基本要求 248
5.1.1 高速列车的主要技术经济指标 248
5.1.2 高速列车设计原则 249
5.2 环境友好性能 250
5.2.1 噪声特性 250
5.2.2 振动特性 252
5.2.3 大气污染性能 252
5.2.4 废水废物排放 253
5.2.5 线路下沉 254
5.2.6 日照障碍 254
5.2.7 电磁兼容性能 254
5.2.8 防霉防虫要求 256
5.3 防火阻燃性能 256
5.4 重量均衡性能 259
5.4.1 轴重的限制 259
5.4.2 轴重的均衡 260
5.4.3 重量的计算方法 261
5.4.4 关于称重试验 262
5.5 高速走行性能 263
5.5.1 性能要求 263
5.5.2 高速动力学性能 264
5.5.3 直线运动稳定性 264
5.5.4 抗爬轨稳定性 265
5.5.5 抗跳轨稳定性 267
5.5.6 抗倾覆稳定性 268
5.5.7 轮轴*大横向力 269
5.5.8 轮轨*大垂向力 270
5.5.9 轮轴平均横向力 270
5.5.10 运行平稳性 271
5.6 承载性能 273
5.6.1 强度评定内容 273
5.6.2 应力评定 273
5.6.3 变形评定 274
5.6.4 稳定性评定 274
5.6.5 疲劳强度评定 275
5.6.6 应力集中问题 278
5.6.7 刚度的判定 279
5.6.8 自振频率的评定 279
5.6.9 气密强度 279
5.6.10 冲击强度 280
5.7 设备的耐冲击和耐振动性能 280
5.8 牵引性能 281
5.8.1 性能要求 281
5.8.2 定速功能 283
5.8.3 牵引计算 284
5.8.4 网侧性能指标 284
5.9 制动性能 285
5.10 列车的重联性能 293
5.11 气动性能 294
5.12 密封性能 297
5.13 车内环境参数控制性能 302
5.13.1 列车高速走行对车内环境的影响 302
5.13.2 车内环境控制系统的任务及控制目标 302
5.13.3 压力保护 304
5.13.4 通风 305
5.13.5 应急通风 306
5.13.6 温度控制 306
5.13.7 车内噪声 308
5.13.8 照明 309
5.13.9 卫生与排污 310
5.14 车体隔热性能 310
5.14.1 高速列车的隔热 310
5.14.2 车体隔热性能与能量的关系 310
5.14.3 车体隔热的组成 311
5.14.4 车体隔热材料 311
5.14.5 车体隔热性能试验 311
5.15 RAMS性能 312
5.15.1 定义 312
5.15.2 可靠性 315
5.15.3 可用性 316
5.15.4 可维护性 317
5.15.5 安全性 324
参考文献 326
第6章 高速列车与相关系统的关系 327
6.1 高速列车与限界的关系 327
6.1.1 限界的种类与区别 327
6.1.2 我国铁路既有线限界的改变过程 329
6.1.3 我国高速机车车辆限界的发展历程 333
6.1.4 动态包络线的计算 337
6.1.5 与互联互通的关系 341
6.1.6 我国铁路机车车辆限界的改进方向 343
6.2 高速列车与线路相关问题 344
6.2.1 轴重对线路的影响 344
6.2.2 线间距 349
6.2.3 坡道 349
6.2.4 *线半径 350
6.2.5 缓和*线 350
6.2.6 隧道 351
6.2.7 道岔 351
6.2.8 线路不平顺管理 351
6.2.9 钢轨 352
6.2.10 桥梁 352
6.2.11 站台 353
6.2.12 高速列车横向载荷与欠超高的关系 354
6.2.13 关于选线的几个问题 354
6.3 高速列车与互联互通相关的问题 355
6.3.1 高速铁路与既有线的互通问题 355
6.3.2 高速动车组之间的互联问题 358
6.3.3 高速列车与救援机车的互联问题 363
6.3.4 与通信信号的相关问题 364
6.4 高速列车与运营相关的问题 365
6.4.1 与各种交通运输工具的衔接 365
6.4.2 多种经营模式探究 365
6.4.3 运营与高速列车的关系 365
6.4.4 整备作业 367
6.4.5 客运与货运 369
6.5 高速列车与电气化线路的供电关系 370
6.5.1 供电网网压波动范围 370
6.5.2 电源三相电压的不平衡现象 371
6.5.3 功率因数 371
6.5.4 谐波 372
6.5.5 关于过分相区 373
6.5.6 接触网 376
6.6 高速列车与通信信号相关的问题 378
6.6.1