1.欧盟“Shift2 Rail”计划

随着中国加入国际轨道交通科技的竞争，欧盟为提高欧洲铁路产品在全球的竞争力，提出了“Shift2 Rail”计划，以巩固其在全球产品和服务市场的领导地位。其中有3个量化指标，即要达到轨道交通系统寿命周期成本降低50%、能力提高100%、服务的可靠性和准时性提高50%的目标［76］。

为保证目标的实现，欧盟同时提出了基于碳化硅和独立旋转车轮的牵引系统、基于无线传输技术的列控与管理系统、轻量化车体材料应用、新型结构和轻型材料的走行机构、更高制动率及更低噪声的新型制动系统、新型轻质结构材料的车门系统、模块化车内布局等7个指导方向。此外Shift2 Rail还专注于智能材料、互操作性、能源与可持续性、人力资本等共性问题。

2.国外未来主要商用车型

1）日本的研究

日本N700S是新干线N700系列中的最高端车型，继续秉承安全、舒适、可靠、环保的理念，计划在2020年投入运营。该车型是世界上首次装用SiC（碳化硅）驱动系统的高速列车［77］。

该车型将结合走行风冷技术，主变流装置大幅度地小型化和轻量化，相比N700型（带吹风机构）轻了600 kg，并可与主变压器安装在同一辆车上。这简化了车辆种类，使其能按客户需求实现8辆、12辆、16辆的灵活编组。

另外，由于采用了SiC器件，能够在高频域产生大的电流，驱动电机在原有功率基础上每台减重70 kg，总耗电量减少7%。实现世界最轻轴重11 t的同时，大幅度减小了地板下的占用空间和质量制约，进而实现安装车下统一设备，形成标准车辆，有利于批量生产，提高质量，降低成本。同时，N700S还在车头形状优化、缩短地震时制动距离、采用人字齿传动、头等车安装全有源减振控制、优化半有源结构、采用挠式滑板受电弓、强化车辆状态监测和预警、安装应急蓄电池组、提升车厢舒适度等方面进行了优化设计，极大地提高了车辆的性能［78］。

日本Alfa-X是JR（日本高速铁路系统）东日本为新干线建造的下一代高速列车平台，计划于2025年将以360 km/h的运营速度载客运营。Alfa-X的一个典型特点是车头设计。为减少高速进入隧道时产生的压力波以及减少风阻，车头被设计成22 m长，用以进行各种工况下的车头压力波检测与试验，同时显著提高车头碰撞吸能空间。Alfa-X还有一个特点就是利用主动式的垂直和水平液压减振器，提高运行稳定性与舒适性。Alfa-X还将采用新的抗震减震器，遇到强烈的地震振动可以自动启动，以稳定列车的运行并防止列车出轨。为应对地震频发的风险，Alfa-X还应用了两种紧急制动装置，即位于车顶的风阻制动减速板和位于构架的线性涡流制动器，以使高速行驶的列车在自然灾害等意外情况中尽快完成减速或制动。

日本的L0系磁浮列车前身为MLX-01型磁悬浮试验车，采用超导磁浮技术［79］。磁浮车辆速度越快悬浮力和导向力越大，低速时依靠橡胶轮支承和导向，当车速为150～180 km/h时，进入完全无接触的悬浮态，悬浮气隙为100 mm以上［80］。

日本于1962年开始进行磁浮技术研究，从1972年开始磁悬浮列车的试验，1977年建成7 km超导磁浮宫崎试验线，1997年建成18.4 km双线山梨试验线，2003年MLX01-2型高速列车创造了581 km/h的记录。2013年42.8 km山梨试验线全线贯通，而且试验线将来会成为中央新干线的实际运营线路。2015年4月22日，日本L0型磁浮列车在山梨线试验轨道上以603 km/h（载人运行）的速度创造了新的世界纪录。2014年日本政府正式批准建设中央新干线磁悬浮铁路，由东京经名古屋通往大阪，其中东京到名古屋段全长286 km，计划于2027年以500 km/h的速度运营；名古屋到大阪段152 km，计划于2045年完工。项目全长为438 km，总经费约为5 184亿元人民币。

2）法国的研究

TGV Avelia是法国国营铁路公司与阿尔斯通合作研发的下一代高速列车，计划自2022年投入商业运营。其采用动力集中式动车组、永磁电机、铰接式转向架、双层车体、摩擦搅拌焊、碳纤维复合材料（端梁）、现代化旅客系统、基于SiC的牵引系统等技术。TGV Avelia不追求用高性能或新功能作为卖点，而更关注如何降低单位运输成本与日常维护成本，提升高速列车服务的利润空间。通过技术创新与优化，TGV Avelia目标与上一代列车相比，建设与运行成本降低了20%，材料与结构的再循环利用率高于90%，能源消耗降低25%，优化内饰布局，使列车可利用空间扩大20%，大幅减少列车整个生命周期成本［81］。

3）德国的研究

德国Velaro Novo是西门子经过5年研发出来的新型高铁列车，可实现250～360 km/h运行速度下灵活编组配置，预计于2023年正式投产运行。其主要特点：①牵引制动系统，采用碳化硅牵引辅助变流器、永磁同步牵引电机，使牵引功率提升10%，制动功率提升70%，效率提升5%，制动距离为4 700 m，人均功率为14.81 kW；②结构，车体应用了摩擦搅拌焊技术、优化了转向架及车顶形状、全新的电气系统设计减少占用空间、增加客室空间、可快速灵活编组满足不同运量和目的地的配置需求；③智能化，配备智能化传感器，可对维修、铁路状况、损坏等情况自动发出预警，从而减少维修费用；④模块化，遵循“空管”原则，内部配件标准化固定，所有座椅、桌板及布局等都可以完全定制和更换；⑤网络，采用MVB/Profinet总线，车辆维护网络和旅客信息系统网络采用以太网。

通过以上优化设计，旅客容量增加10%，质量减少15%，车辆成本减少25%，能量消耗减少30%，维护维修成本减少30%，运营成本大幅降低。

德国NGT是德国航空航天中心开展的下一代高速列车项目，设计最高运营速度为400 km/h，采用类似有轨电车100%低地板的结构、独立旋转车轮、单轴结构、轮对径向位置控制、双层车体结构、板式与桁架结构结合的车体、玻璃纤维增强板材（GFK）三明治填充结构和轻金属结构（比金属结构质量减少30%）、新型暖通空调等创新性设计，有效降低轮轨和气动噪声、提高乘坐舒适度、改善车辆安全性、降低轮轨磨耗和全寿命周期成本。采用模块化设计方法和系统集成设计技术加快产品设计制造过程，提高新产品的开发效率，缩短产品开发周期。最终目标是可靠性和准时率增加50%，比ICE3以300 km/h运行时的能耗降低50%，全寿命周期成本减少40%。

4）磁悬浮与低真空新技术

轮轨式轨道交通由于受制于空气阻力、轮轨黏着、蛇行失稳、运行噪声以及弓网接触受电等问题，运营速度很难经济地大幅度提升，而且能耗和机械摩擦磨损亦随着速度的提高显著增大。最新试验结果表明，动车组以400 km/h运行时每百千米人均能耗较350 km/h运行时增加约30%。

20世纪20年代德国就已诞生了磁悬浮列车的技术概念，并采用磁悬浮技术解决了轮轨式轨道交通的轮轨黏着、摩擦、振动和高速受流等问题［82］。我国运用德国技术于2002年在上海建成了目前世界上唯一一条商业运营的高速磁悬浮线路——运营速度为430 km/h磁悬浮专线。日本于2014年开工建设东京至名古屋的首条高速磁悬浮线路，设计最高运营速度为505 km/h，计划于2027年开通。我国正在研制速度为600 km/h的高速磁悬浮系统技术。(www.daowen.com)

但是，无论是轮轨式还是磁悬浮式，当车辆处于开放空间大气环境下运行时，均要面临巨大的空气阻力（与速度的平方成正比）和噪声（与速度的6～8次方成正比）问题，尤其当速度超过400 km/h后，空气阻力会占到列车运行总阻力的80%以上，从而给商业运营带来经济和环保的极大挑战。因此，为获得更高的经济运行速度，在利用磁悬浮技术减少轮轨摩擦、振动的基础上，构建低真空运行环境以减小空气阻力和噪声是未来更高速度轨道交通技术发展的重要方向。

低真空管道高速磁悬浮系统的不足主要包括两个方面：一是作为与轮轨高铁技术迥异的高速交通系统，不能与国内已建成的长达十余万千米的铁路联网运行；二是受高速磁悬浮道岔及相关技术的制约，列车追踪间隔时间较长，影响列车运行效率。

美国学者罗伯特·戴维（Robert David）早在1904年就提出真空管道运输设想。瑞士于20世纪70年代提出以隧道作为管道的地下低真空高速磁悬浮地铁系统，即Swissmetro系统，该系统将地下隧道抽成接近一个标准大气压的低真空，使用线性推动技术和磁悬浮与导向技术，设计速度为500 km/h［83］。

20世纪90年代，美国工程师奥斯特注册了真空管道运输系统（ETT）的商标和发明专利，该系统为小型分散的管道“汽车”模式，管道内抽成低真空，采用可乘坐6人的圆柱状磁悬浮客舱，速度可达到6 500 km/h。

2004年，我国学者沈志云（1929—　，中国科学院院士，中国工程院院士，西南交通大学教授、博士生导师，机车车辆专家）提出了发展低真空高温超导磁悬浮高速系统的技术方案［84］。不过，低真空管道高速磁悬浮系统还须对总体系统、低真空与线路系统、车辆系统、悬浮导向系统、驱动与制动系统、通信与运控系统、安全保障及防灾救援系统等多项系统关键技术进行深入研究。

（1）总体系统。

低真空管道高速磁悬浮系统总体层面尚无成功的可借鉴设计经验，需攻克的关键技术是一体化设计技术、复杂多物理场系统耦合分析技术、系统安全及可靠性技术、系统仿真优化及试验验证技术等。

（2）低真空与线路系统。

系统真空尺度大，真空中难以通过对流及时散热；同时，高速对线路的平顺度、可靠性、结构特征等参数提出了更高要求。需攻克的关键技术包括大尺寸管道低真空环境构建与控制、高精度轨道及线桥隧道设计制造技术、高速磁悬浮道岔技术、轨道瞬时大面积高热量密度散热技术等。

（3）车辆系统。

车辆在高速运动状态下，受到力、热、振动及噪声多种载荷的耦合作用，对列车车体、走行机构提出了新的要求。需攻克的关键技术有低阻/噪/热车体外形一体化设计技术、轻质高承载车体结构设计技术、高固有频率走行机构设计技术等。

（4）悬浮导向系统。

列车在高速运动状态下，对于悬浮系统的稳定性、损耗抑制、结构强度等提出了较高要求。需攻克的关键技术有大重载稳定磁悬浮设计技术、高速动态悬浮力波动抑制技术、新型高性能超导体研制技术等。

（5）驱动与制动系统。

列车在高速运行状态时，对高频、高压、大电流条件下驱动系统的工作效率以及不同速度下涡流制动器的制动力密度和速域范围等提出了更高要求。需攻克的关键技术有大推力高速电机研制技术、大功率高速驱动变流控制技术、高密度高可靠储能及供电技术、宽域高密度涡流制动技术等。

（6）通信与运控系统。

低真空管道高速磁悬浮系统间耦合性强，控制复杂且可靠性要求高，需攻克的关键技术有高速高可靠运行控制技术、低真空密闭环境高速高可靠车地无线通信技术等。

（7）安全保障及防灾救援系统。

安全保障及防灾救援系统主要包括状态和灾害监测与评估技术、应急处置与安全救援技术等［85］。