本書全面介紹構成現代軌道交通系統的各類裝備及設施的基本概念、工作原理和技術發展最新情況，內容涉及現代軌道交通基礎設施、載運工具、通信信號、牽引供電、運輸組織、基礎設施建設裝備和基礎設施健康檢測設備。
本書面向高等院校土木工程、交通工程、交通運輸、車輛工程、電氣工程及其自動化、機械工程及自動化等專業，適合作為通識教育課程教材，也可作為行業職工培訓教材以及相關專業人員的技術參考資料。
杜彥良、牛學勤編著的這本《現代軌道交通技術與裝備》不僅涉及高速鐵路，還包括重載鐵路、城市軌道交通內容；不僅涉及輪軌系統，還包括磁懸浮內容；不僅涉及基礎設施、機車車輛、信號、通信、列車控制等重要內容，還包括基礎設施建造裝備技術和基礎設施健康診斷與監控技術等國內正在重點推廣應用的新裝備和新技術。
序
前言
第一章 緒論
第一節 概述
第二節 我國現代軌道交通的發展
第三節 我國現代軌道交通發展戰略
第二章 高速鐵路基礎設施工程技術
第一節 概述
第二節 高速鐵路線形
第三節 高速鐵路路基
第四節 高速鐵路橋梁
第五節 高速鐵路隧道
第六節 高速鐵路軌道
第三章 現代軌道交通載運技術
第一節 概述
第二節 現代牽引裝備及技術
第三節 現代車輛技術
第四節 高速鐵路動車組及其技術
第五節 磁懸浮列車技術
第四章 現代軌道交通信號與控制系統
第一節 概述
第二節 現代鐵路信號系統
第三節 列車運行控制系統
第四節 調度集中及行車指揮自動化
第五章 現代軌道交通通信技術
第一節 概述
第二節 鐵路有線通信與無線通信
第三節 鐵路調度通信網
第四節 鐵路綜合數字移動通信系統GSM-R
第五節 城市軌道交通通信系統
第六章 現代軌道交通牽引供電技術
第一節 概述
第二節 牽引供電系統
第三節 牽引變電所
第四節 接觸網
第五節 牽引供電關鍵技術
第六節 城市軌道交通牽引供電技術
第七章 高速鐵路運輸組織
第一節 高速鐵路運輸組織概況
第二節 高速鐵路車站工作組織
第三節 高速鐵路列車運行組織
第四節 高速鐵路運輸能力分析
第五節 高速鐵路運營調度
第八章 建設裝備
第一節 概述
第二節 隧道工程挖掘設備
第三節 大噸位橋梁運架設備
第四節 無砟軌道鋪裝設備
第五節 鐵路線路檢測與養護設備
第九章 大型交通基礎設施健康監測技術
第一節 大型交通基礎設施健康監測的概念、意義及研究現狀
第二節 交通基礎設施健康監測系統構成
第三節 傳感器系統
第四節 數據采集與傳輸系統
第五節 數據分析處理與管理系統
第六節 健康狀態評估系統
第七節 工程案例介紹
參考文獻
第一章 緒論
第一節 概述
一、現代軌道交通及其類型
本書所闡述的現代軌道交通是指運用科學技術武裝起來的， 具有典型的現代系統管理特征和較高技術水準的現代鐵路與現代城市軌道交通系統。現代鐵路既包括以高速鐵路、重載鐵路為代表的主要技術指標達到世界先進水平的現代化鐵路系統， 同時又涉及具有較高裝備水平和一定運營管理、組織水平的普通鐵路。
自20 世紀60 年代以來， 隨著科學技術的發展， 世界鐵路呈現出“客運快速化、貨運重載化、管理集成化信息化” 的發展趨勢， 城市軌道交通則朝著“方式多樣化、運營網絡化” 方向發展。因此， 高速鐵路、重載鐵路和現代城市軌道交通成為了現代軌道交通技術和設備的承載者和集成者。
按照2008 年世界高速鐵路大會的定義， 高速鐵路是指通過改造原有線路， 使營運速率達到200km/h 以上或者專門修建新的“高速新線” ， 營運速率達到250km/h 以上的鐵路系統。廣義的高速鐵路包含使用磁懸浮技術的高速軌道運輸系統。我國把高速鐵路界定為“新建鐵路旅客列車設計最高行車速度達到250km/h 及以上的鐵路” 。
所謂重載鐵路， 根據2005 年國際重載運輸協會（ IH HA） 在巴西年會上對重載鐵路標準的修訂， 重載鐵路必須滿足下列三條標準中的至少兩條： 重載列車牽引質量至少達到8000 t ； 軸重（或計劃軸重） 為27 t 及以上； 在至少150 km 的線路區段上年運量達到4000 萬t 及以上。從廣義的范圍來講， 鐵路重載運輸既包括在專門的重載線路上開行萬噸以上的單元重載列車， 實現單一品種貨物在固定到發地間的循環運輸， 也包括在主要繁忙干線上開行一定質量的重載列車及組合列車， 還涉及其他線路上通過普遍提高列車質量來擴大運輸能力。重載運輸是除高速鐵路以外， 鐵路現代化的又一個標志。
城市軌道交通是解決城市交通問題的重要工具， 多數是采用鋼輪、鋼軌走行系統的地鐵或輕軌。這類城市軌道交通問世已有百余年， 技術成熟， 在解決城市交通問題方面效果顯著， 但存在建設成本高、建設周期長， 對城市容易形成噪聲、振動等環境影響的缺點。
因此， 在地鐵和輕軌技術的基礎上， 又派生出多種新型城市軌道交通系統， 分別在走行、導向、驅動等方式甚至在研發理念上有所變革， 具有許多獨到的優點。這類城市軌道交通系統被稱為新型城市軌道交通， 如單軌交通、自動導軌交通、索軌交通、膠輪地鐵、磁浮交通等， 它們普遍具有造價低、建設速度快、對環境影響小、運作彈性佳等特點， 特別是爬坡能力強、可急轉彎、能適應復雜地形和城市空間環境。圖1-1 為單軌交通、膠輪地鐵、有軌電車系統實景。
二、現代軌道交通的技術優勢
現代軌道交通是現代科學與技術發展的結晶， 是多種高新技術系統集成和融合的產物， 是交通運輸現代化的具體體現。與傳統的軌道交通系統相比， 現代軌道交通系統性更強， 速度（或牽引質量） 更大， 系統可靠性要求更高。
（一） 高速鐵路的技術優勢
與傳統鐵路相比， 高速鐵路具有以下主要技術優勢。
1.輸送能力大
輸送能力大是高速鐵路的主要技術優勢之一。目前各國高速鐵路幾乎都能滿足最小行車間隔4min 及其以下的要求。日本東海道新干線高峰期發車間隔為3.5min ， 平均每小時發車達11 列， 在東京與新大阪間的2.5h 的運行路程中， 每天通過的列車達283 列， 每列車可載客1200 ～ 1300 人， 年均輸送旅客達1.2 億人次。
2.速度快
速度是高速鐵路技術水平的最主要標志。法國、日本、德國、西班牙和意大利高速列車的最高運行時速均在250km 以上， 法國和日本則達到了300km/h 。再以剛開通的京滬高鐵為例， 全程距離為1318km ， 高鐵全程最短旅行時間僅4h48min 。而正常天氣情況下，乘飛機的旅行全程時間（含市區至機場、候檢等全部時間） 為5h 左右。
3.安全性好
高速鐵路由于在全封閉環境中自動化運行， 又有一系列完善的安全保障系統， 所以其安全程度是任何其他交通工具無法比擬的。高速鐵路問世近50 年來， 日、德、法三國共運送了60 億人次旅客， 除德國1998 年6 月3 日的ICE 高速列車行駛在改建線上發生重大事故外， 始終保持安全運營的良好紀錄， 這是各種現代交通運輸方式所罕見的。可見， 一個成熟的高速鐵路系統， 其事故率和人員傷亡率遠低于其他現代交通運輸方式。
4.受氣候變化影響小， 正點率高
高速鐵路全部采用自動化控制， 可以全天候運營。據日本新干線風速限制規范， 若裝設擋風墻， 即使在大風情況下， 高速列車也只需減速行駛， 比如風速達到25 ～ 30m/s ， 列車限速160km/h ； 風速達到30 ～ 35m/s （類似11 、12 級大風） ， 列車限速70km/h ， 無須停運。而飛機機場和高速公路等， 在濃霧、暴雨和冰雪等惡劣天氣情況下則必須關閉停運。
正點率高也是高速鐵路深受旅客歡迎的原因之一。由于高速鐵路系統設備的可靠性和較高的運輸組織水平， 可以做到旅客列車極高的正點率。西班牙規定高速列車晚點超過5min ， 就要退還旅客的全額車票費； 日本規定到發超過1min 就算晚點， 晚點超過2h 就要退還旅客的加快費。1997 年東海道新干線列車平均晚點只有0.3min 。
5.舒適、方便
一般高速鐵路每4min 發出一列車， 日本在旅客高峰時每3.5min 發出一列客車， 旅客基本上可以做到隨到隨走， 基本不需候車。為方便旅客乘車， 高速列車運行規律化， 站臺按車次固定化等， 這是其他任何一種交通工具無法比擬的。高速鐵路列車車內布置豪華，工作、生活設施齊全， 座席寬敞舒適， 車輛運行平穩、減震、隔音， 車內噪聲很小。
6.能源消耗低， 對環境污染小
如果以“人公里” 單位能耗來進行比較的話。高速鐵路單位耗能為小轎車的1/5 ， 為大客車的1/2 ， 為飛機的1/7 。
高速列車利用電力牽引， 電氣化高速鐵路沒有粉塵、煤煙和其他廢氣污染。雖然建造電廠也有污染， 但如果以電廠的排污與公路、航空運輸的排污比較， 國外的研究資料顯示為1 ∶ 3 ∶ 4 。日本還有統計數字顯示， 如果沒有新干線， 每年要多排放1.5 萬t 二氧化碳，相當于東京郊外工廠排放量的總和。
（二） 重載鐵路的技術優勢
“重載運輸” 是鐵路貨物運輸的一項重大改革， 其最大的技術特征在于其超大的運量，同時還具有列車組織形式多樣化和極高的運輸效率的技術特征。
1.超大的運量
世界各國重載鐵路普遍借助于高新技術， 促使重載列車牽引質量不斷增加。2001 年6月21 日澳大利亞西部的BHP 鐵礦集團公司在紐曼山― 海德蘭重載鐵路上創造了重載列車牽引總重99734t 的世界紀錄。2004 年巴西CVRD 鐵礦集團經營的卡拉齊重載鐵路上， 開行重載列車的平均牽引質量已達39000t 。南非Orex 鐵礦重載線是窄軌鐵路（1067mm 軌距） ， 開行重載列車的平均牽引質量為25920t 。美國最大的一級鐵路公司聯合太平洋鐵路（ UP） 經營的鐵路里程為54000km ， 其所有列車的平均牽引質量已達14900t ， 一般重載列車的牽引質量普遍達到2 萬～ 3 萬t ， 其復線年貨運量在2 億t 以上。
我國第一條重載鐵路大秦鐵路， 自2002 年實現1 億t 年運量設計能力后， 分別于2005 年實現2 億t ， 2007 年實現3 億t 年運量， 創當時國際年運量最高紀錄。2010 年12月26 日， 77037 次2 萬t 重載列車緩緩駛入秦皇島柳村南站， 我國煤炭運量最大的能源大動脈―― 大秦鐵路實現年運輸量4 億t 新的突破， 該運量是世界單條鐵路年運量理論極限的2 倍。圖1-2 為大秦鐵路實景。
2.列車組織形式多樣化
目前， 國內外鐵路開行的重載列車組織形式主要有單元式、整列式和組合式重載列車三種。
單元式重載列車是以固定的機車車輛（大功率機車和一定輛數的同一類型的專用貨車） 組合成為一個運輸單元， 并以此作為運營計費單位， 在裝卸車站間循環直達運行的貨物列車。這種方式適用于貨物品種單一， 運量大且集中的大宗貨物運輸， 其經濟效益顯著。這種方式在運行過程中除利用鐵路的正線和到發線外， 不占用鐵路的調車設備。在運輸過程中， 除列車接、發車作業外， 不進行任何其他作業。單元列車不僅機車車輛固定編掛， 固定回空， 而且兩端車站裝卸設備必須配套， 形成礦區至港口（或電廠） 的裝、運、卸一條龍重載運輸組織形式。
整列式重載列車是采用普通列車的組織方法， 由掛于列車頭部的大功率單機或多機牽引， 并由不同型式和載重的貨車車輛混合編組， 達到規定載重量標準的列車。在我國繁忙干線上開行的重載列車主要為這種模式。
組合式重載列車是由兩列及以上同方向運行的普通貨物列車首尾相接， 合并組成的列車， 這種重載運輸方式始于1964 年的蘇聯。
整列式和組合式重載方式可通過對既有線進行技術改造來實現， 具有投資少、見效快的特點。
3.極高的運輸效率
美國鐵路自1980 年全面發展重載運輸以來， 鐵路貨運占領美國貨運市場的份額直線上升， 從1980 年的35 % 增加到2000 年的41 % ， 車輛的平均載重增加了15.1 % ， 雖然運價已降至1.6 美分/ （t ? km） ， 但運行成本卻下降了60 % ， 線路維修成本下降了42 % ， 勞動生產率提高了2.71 倍， 創造的年利潤已達美國鐵路歷史上的最高水平（81 億美元） 。美國最大鐵路公司之一的聯合太平洋鐵路（ UP） 2002 年重載運輸收入已達107 億美元， 其中煤炭運輸收入占22 % 。
西澳大利亞的BHP 重載鐵路公司從1980 年到2000 年由于開行重載列車， 動力用油耗下降43 % ， 機車利用率提高36 % ， 車輪、鋼軌壽命提高3 ～ 5 倍。勞動生產率提高5倍， 達到6000 萬t ? km/ （人? 年） ， 居世界鐵路首位。創造的年利潤達500 億澳元。昆士蘭鐵路營業里程1 萬km （基本是窄軌1067mm） ， 2004 ～ 2005 年度貨物發送量1.76 億t ， 其中重載煤運達1.425 億t ， 每周開行1 萬t 重載列車460 列， 年營業總收入23 億澳元， 稅前利潤1.91 億澳元。
（三） 城市軌道交通的優勢
作為公共交通方式， 城市軌道交通在現代大城市中起著越來越重要的作用。與其他城市交通方式相比， 城市軌道交通在以下方面具有明顯的優勢。
1.較大的運輸能力
城市軌道交通由于高密度運轉， 列車行車時間間隔短， 行車速度高， 列車編組輛數多而具有較大的運輸能力。市郊鐵道單向運輸能力可達6 萬～ 8 萬人次/h ， 地鐵可達3 萬～ 8 萬人次/h ， 輕軌可達到1 萬～ 3 萬人次/h ， 有軌電車可達到1 萬人次/h ， 城市軌道交通的運輸能力遠遠超過常規公共電汽車。
2.較高的準時性
城市軌道交通由于在專用行車道上運行， 不受其他交通工具干擾， 不會產生線路堵塞現象， 也不受氣候影響， 是全天候的交通工具， 列車能按運行圖運行， 具有可信賴的準時性。
3.較高的送達速度
與常規公共交通相比， 城市軌道交通由于運行在專用行車道上， 不受其他交通工具干擾， 而且普遍具有較高的啟、制動加速度。因此車輛運營速度較高。多數采用高站臺， 列車停站時間短， 上下車迅速方便， 而且換乘方便， 從而可以使乘客較快地到達目的地， 縮短了出行時間。
4.較高的安全性
城市軌道交通由于運行在專用軌道上， 沒有平交道口， 不受其他交通工具干擾， 并且有先進的通信信號設備， 極少發生交通事故。
5.城市軌道交通節能、環保特性明顯
城市軌道交通是高效率的交通工具， 具有能耗低的特點。按照同等運能比較， 軌道交通的能耗只相當于小汽車的1/9 ， 公交車的1/2 。
城市軌道交通一般采用電力牽引， 不會產生空氣污染。同時， 由于在線路和車輛上采用了各種降噪措施， 一般不會對城市環境產生嚴重的噪聲污染。
三、現代軌道交通技術要求與裝備、技術
現代軌道交通具有明顯的國際性和時代性， 是隨著科學技術的發展和裝備制造水平的提高而逐步變化和持續發展的。其裝備種類繁多， 既有移動設備， 又有固定設備， 還包括基礎設施建造和維護設備， 涵蓋了工務、載運、供電、通信信號、設備監控、行車控制、基礎設施建造等設備。其技術涉及機械、土木、電氣、電子、自動化、材料科學等多個科學和技術領域。
（一） 高速鐵路裝備與配套技術
1.高速對裝備的技術要求
隨著列車運行速度的提高， 列車與周圍空氣以及基礎設施之間的動態效應更加突出，以往靜態或準靜態的問題變為動態問題。高速鐵路與普通的既有鐵路的主要技術不同點體現在三個大的方面， 即列車與軌道、接觸網的動力作用， 空氣動力作用以及列車牽引與制動。這是發展高速鐵路必須面對的問題。
1） 列車與軌道的動力作用， 即輪軌垂向作用和橫向作用將大大加劇
輪軌垂向作用力約與速度的平方成正比， 而軸重（軸質） 尤其是簧下質量會嚴重影響軌道下沉變形， 導致軌道不平順， 造成磨損與破壞并波及軌枕、道床和路基。因此， 控制高速列車的軸重， 減輕簧下質量以及加強軌道結構， 改善軌枕與扣件性能、道床與路基質量是保證高速列車運行安全的關鍵性基礎條件。輪軌的橫向作用力影響列車的穩定性與曲線通過的安全性， 這要從車輛與線路兩方面來改善， 包括改進轉向架和彈簧系與減振器的參數以及加強道床， 保證軌道結構的橫向穩定性。
2） 弓網關系復雜將導致供受電穩定性下降
在高速鐵路上確保動車受電弓與接觸網的良好接觸并降低離線率是動車牽引能量接收的必要措施。動車受電弓的離線率取決于列車運行時接觸導線的波動傳播速度， 國外的經驗表明， 高速列車運行的速度與接觸導線波動傳播的速度之比應控制在0.7 以內。為此，必須提高接觸導線的抗拉強度、減輕接觸導線的質量、采用先進的接觸網懸掛方式與特性， 使離線率控制在5 % 左右。弓網之間既要保持一定的接觸壓力， 又要使相互間能連續滑動， 具有良好的動態特性， 以滿足穩定供受電的需要。為此， 需要減輕受電弓運動部分的質量、改善滑板品質并采取措施避免產生諧振。
3） 車輛空氣阻力及隧道活塞效應將十分明顯
空氣阻力與列車速度的平方成正比， 當列車速度超過160km/h 時， 空氣阻力問題十分突出， 當列車速度達250km/h 以上時， 空氣阻力占主導地位， 速度250 ～ 300km/h 時約占75 % ， 速度350 ～ 400km/h 時， 所占比例高達90 % 左右。因此， 空氣阻力幾乎成了列車速度提高的限制性因素。列車進出隧道時的空氣動力效應遠較在空曠地帶強烈與復雜，由于活塞效應（頭部受正壓， 尾部受負壓作用， 四周形成環流， 造成更大的空氣壓力） ，列車穿越隧道時， 會形成壓力脈沖（壓縮波與膨脹波） 并不斷傳遞、反射、干擾和疊加。
由于壓力沖擊波的幅度與速度的平方成正比， 高速列車通過隧道時將存在更大的危險。當兩列高速列車交會時頭尾部引起的壓力擾動給相對列車一個強大脈沖壓力， 情況更為嚴重。因此， 必須加強車體門窗和聯結通道等處的密封性能與車體側墻和玻璃的強度， 必須合理選擇線間距離和隧道凈空面積， 擴大隧道入口和控制遮堵系數（列車與隧道橫截面之比） 。
4） 對牽引功率和制動能力提出了很高的要求
高速列車勻速運行條件下， 其能耗用于克服行車阻力。行車阻力一部分為機械阻力，包括動車組內部的阻力和輪軌阻力， 另一部分則為空氣阻力。對于高速運動的列車， 其能耗主要用于克服空氣的阻力。而空氣的阻力與速度的平方成正比， 也就是說， 高速列車的單位距離能耗與速度的平方成正比。
反映單位時間的能耗指標， 即牽引功率， 與單位距離能耗不同， 其計算方法為P ＝F ? v 。因此， 高速列車的牽引功率與速度的三次方成正比。也就是說， 當速度提高1 倍時， 其牽引功率將為原來的8 倍。
列車的動能與速度的平方成正比（能量為E ＝ （1/2） mv2 ） ， 在相同列車質量情況下，列車運行的速度在200km/h 時的動能為100km/h 時的4 倍， 列車運行的速度在300km/h時， 動能增至9 倍。因此， 在高速運行下， 列車必須有良好的制動系統， 所以高速列車需要采用復合制動系統（動力、盤式、渦流和磁軌等） ， 利用多種制動聯合作用。
5） 其他問題
發展高速鐵路還必須面對和解決諸如鐵路信號及線路狀態辨認問題， 設備可靠性及設備狀態監控問題， 高密度行車組織問題， 設施、設備養護維護等一系列問題。
對于鐵路信號及線路狀態辨認問題， 當列車行駛速度超過160km/h 時， 司機對于地面信號顯示和線路狀態的辨認難度將大大增加， 更難以迅速做出有效的反應。因此， 在高速鐵路區段， 高速鐵路必須以機車信號作為主體信號。同時， 對于地面狀態的變化情況，如車站、道岔和曲線線路等限速地點等， 也必須通過車載設備予以顯示。
2.相關裝備（設備） 與配套技術
1） 高速動車組與配套技術
高速列車牽引動力的配置形式分集中配置和分散配置兩種， 動車組屬后者。由高速對系統的技術要求可以看出， 高速動車組應具備車體輕量化、高平穩性、流線型、密封性好、大功率和大制動能力的特點。因此， 高速動車組一般融合了交流傳動技術、復合制動技術、高速轉向架技術、高強輕型材料與結構技術、減阻降噪技術、密封技術、列車網絡技術、系統集成技術等。
2） 工務設備與配套技術
高速鐵路要求具備持久高平順性的線路狀態， 相對于普通鐵路， 其對相關基礎設施要
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