日本铁路节能环保新技术应用现状及发展趋势分析

王永泽，荆晓霞

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 科学技术信息研究所，北京100081）

1 概述

随着全球能源和环境形势的日益严峻，世界各国尤其是发达国家对铁路的节能环保重视程度日渐提高。与此同时，随着新一代科学技术的飞速发展，铁路节能环保技术更新换代速度变得更快。德国、法国、日本等国家的铁路节能环保技术水平较为领先[1]，其中日本由于其资源短缺等国情特点，多年来持续在铁路节能环保技术领域开展大量研究工作，并取得了较为领先的节能环保技术成果。加强对日本等国外先进铁路节能环保新技术的研究，有助于改进和提升我国铁路既有节能环保技术水平，推动重点领域节能环保技术创新发展，为我国“交通强国、铁路先行”发展战略和铁路绿色发展目标提供新动力。

纵观世界铁路节能环保技术发展研究和应用现状，在铁路节能新技术发展方面，铁路牵引节能技术领域逐渐成为世界铁路主要发达国家争相研究的对象，法国、德国、日本等国家在新能源及混合动力机车[2]、车体轻量化、永磁同步牵引系统及牵引供电节能技术等方面不断发力[3]，引领铁路新一代牵引节能技术的发展；在铁路非牵引节能领域，则更关注生态车站、新能源技术、重点节能设备研究及设备运营维护技术的应用。在铁路环保新技术发展领域，国外先进铁路国家更多关注减少温室气体排放、废弃资源循环利用及减振降噪等技术领域。

日本铁路由于其国情特点，十分重视对节能环保技术的研发和推广应用，从发展之初便将铁路节能环保发展理念贯穿于整个铁路技术发展，其节能环保技术发展覆盖了铁路机车车辆、供电、铁路客运站及运营等各个方面，技术发展种类齐全、覆盖范围广、技术先进是日本铁路节能环保技术发展的重要特点。日本铁路在废弃资源回收利用、列车牵引供电节能、氢燃料混合动力机车、设备节能技术、减振降噪、可再生能源利用[4]、少运营维护系统等多个技术领域进行了大量研究和推广应用，取得了良好的节能环保效果。本文结合对日本铁路节能环保技术发展应用现状的研究，筛选了日本铁路在新能源动力及混合动力机车、固体废弃物循环再利用、列车再生制动能量回收利用技术[5]、减振降噪控制技术、铁路智能供电节能技术、少运营维护系统及新能源技术等具有代表性，同时很大程度上符合我国铁路发展特点的技术领域进行了重点研究，并简要分析总结日本铁路未来主要节能环保技术领域的发展趋势，为我国铁路节能环保技术发展提供参考。

2 日本铁路节能环保新技术发展现状

2.1 采用自营电力及智能化电网控制技术

与世界上大部分国家铁路用电直接由电力公司供给不同，日本铁路公司拥有自营的水力发电所和火力发电所，所发电力主要用于首都圈的列车运营，自营电力使用约占该区域全部电力消耗的57%。相对于从电力公司获取电力，自营发电所的优势在于可以进一步提高电力供给的可靠性、灵活性和稳定性，确保铁路的安全稳定运输。此外，新能源发电技术的应用还可以有效降低铁路温室气体的排放。为使列车停车制动时产生的再生电力得以有效利用，日本铁路公司开发了电力储存装置和电力融通装置，前者已在青梅线、高崎线得到应用，后者在常盘线应用。日本铁路公司计划增加以上技术应用的车站数量，积累相关运行数据资料，为研究更为高效的利用方式提供基础。关于车站能源管理系统的实施，日本铁路公司引入“电力需求控制装置”，即通过采用智能化电表时刻监测车站内的电力消耗量，根据不同用电时段电价和用电需求自动控制电力负荷，达到节电的目标。

2.2 开展蓄电池及燃料电池混合动力列车研究

为进一步改善环境质量，JR东日本公司研发了世界上第一辆利用70 MPa高压氢制成的燃料电池混合动力列车FV-E991，并进行了验证试验。该列车混合动力系统通过燃料电池及蓄电池为主的电动机及辅助电源装置提供能源。其中，燃料电池将氢能作为燃料，能够减少铁路CO2排放量；蓄电池能够通过列车再生制动及燃料电池负荷电力较小时提供的电能进行能量存储。该混合动力列车最高时速可达100 km，续航里程可达140 km[6]。列车混合动力系统如图1所示。

为了减少非电气化区间的环境压力，JR东日本铁路公司研发了“蓄电池驱动电车系统”，典型列车为“EV-E301型蓄电池驱动电动列车”[7]。该列车搭载了大容量、用于主电路的蓄电池，可行驶于非电气化区间。在电气化区间时，列车受电弓抬起，借助接触网的供电行驶，同时为用于主电路的蓄电池充电；进入非电气化区间时，受电弓下降，仅靠蓄电池的电力行驶[8]；制动时，主电动机产生的电能通过VVVF逆变器制动装置转换为直流630 V，在非电气化区间为蓄电池充电。此外，蓄电池可在设有专用充电设备的折返站处快速充电。为了更有效利用蓄电池车辆，日本铁路公司还针对“无接触网化”(即废除变电设备和接触网)运行线路开展研发，最大限度节约线路运行成本。

图1氢燃料电池混合系统结构

2.3 全面开展废弃资源的循环利用

在铁路车站、列车、车辆基地、检修站场等各类场所，每日会产生各种各样的工业垃圾和生活废弃物。为了减少和处理这些废弃物，日本铁路公司积极致力于抑制废弃物产生、再生利用和再生资源化，提高废弃物资源综合利用效率的同时减少了对环境的损害。尤其是对排放量比较多的车站和列车垃圾、车辆基地的废弃物、工程施工产生的废弃物，分别制定了相应的再生资源循环利用目标。据统计，日本车站和列车垃圾的排放量每年可达到3万～4万t。日本铁路在车站摆放了分类处理的垃圾箱，在旅客协助和配合的前提下，通过专门从事环保的“JR东日本东京资源循环中心”推进废弃物再生资源化建设。此外，为了削减铁路客运和生活服务业产生的各类废弃物，JR东日本公司制定了基于垃圾分类的“抑制产生—再利用—再生资源化”目标，全面推进日本铁路废弃资源的循环再利用。

2.4 大力开展减振降噪技术研究

铁路噪声可分为车内噪声和车外噪声(沿线噪声)。车内噪声是影响旅客乘坐舒适感的主要环境指标之一，近年来日本新干线高速列车对车内噪声的控制要求日益提高。车内噪声的来源主要有转向架、受电弓及车底设备所产生的振动噪声，具体包括转向架驱动装置(电机、齿轮等)产生的机械噪声，车轮与钢轨间产生的转动噪声，受电弓与接触网线间发生的滑动噪声，车辆高速行走时，在车体凹凸、车辆间隙及受电弓等处发生的气流噪声，以及高架桥等线路设施振动产生的构造物噪声等[9]。噪声从这些源点向车内的传送途径大体可以归结为3类，即固体传播音、透过音与空气传播音。

在明确了车内噪声发生源及其传送途径的基础上，日本新干线采取了诸多行之有效的降噪措施。在车辆减振降噪技术方面，日本铁路采取了包括阻断车底噪声源向车内的传播途径、车底设备采取弹性支持、转向架上的车厢地板采用“浮床构造”(700系列车)、双皮结构铝型材、低噪声受电弓、改良型齿轮装置、车厢地板与车底板间加缓冲橡胶垫、使用永磁电机和静音空调等一系列技术措施[10]。作为降低车外噪声对环境影响的重要技术手段，日本新干线声屏障在郊区多采用混凝土结构系列，市区一般采用金属结构系列或塑料结构系列；在居民聚居路段，多采用插板式声屏障，采用珍珠岩混凝土吸声板、金属单元板内附玻璃棉等结构，利用H型钢立柱固定，高度为2～3 m。对于列车在非隧道区间运行时产生的低频噪声，日本铁道综合技术研究所正在研究低频噪声的空气动力学现象，包括列车端部、尾部的空气压力波动和主要发生于中间车辆的5～20 Hz低频噪声，通过现车试验和模型试验研究转向架形状等对噪声的影响，从而研究出适用于实际车辆低频噪声的降噪对策，最大程度地降低铁路噪声对沿线环境及旅客的影响。

铁路减振方面，日本铁道综合技术研究所开发了S型弹直轨道和高衰减板式轨道。S型弹直轨道适用于高架桥等混凝土结构物和隧道内。与一般的弹直轨道相比，S型弹直轨道具有同等降低结构物噪声的效果，但在降低施工成本和缩短工期方面具有明显优势。高衰减板式轨道由螺旋弹簧减振支承装置和质量增加的轨道板组成。经室内振动试验表明，高衰减板式轨道下的地基振动(0 m处和12.5 m处)，在10 Hz以上频域都小于普通板式轨道。随着新干线最高速度的提升，列车运行产生的地基振动增加，高衰减板式轨道将成为抑制地基振动的对策之一。

2.5 研究推广具有自我诊断功能的少维护系统和技术

随着铁路线路运行距离和车辆开行数量的增加，铁路相关设备运营维护成本成为重要的支出部分。据日本有关部门统计，在铁路系统的运营成本中，设施设备的维护管理成本约占40%。因此，提高铁路设施设备维修管理效率、降低建设运维费用，也是铁路节能技术研究应用的方向之一。为此，近年来日本铁路不断减少地面信号控制、牵引供电等设备，积极研究采用具有自我诊断功能的少维护系统和技术。

随着传感器、监视器及故障诊断技术的快速发展，维修管理体制从目前的按照使用时间定期检修逐步过渡到按照状态监测的结果在发生列车损坏和事故之前即可及时维修的“状态修”。日本铁路研究设置了用于状态监视的传感器和数据收集、分析系统，能够在早期发现设备故障，根据设施设备状态及时采取必要的措施，使设施设备使用年限接近其寿命年限，从而降低全寿命周期使用成本。

为了减少作业人员前往现场检测的次数和成本，日本铁路还研制了采用运营列车收集监测数据的相关装置，用以支持“状态修”过程。地面设备设置发送器和传感器组成无线传感设备，在运营列车上搭载接收器，当列车在无线传感器的通信范围内通过时可实现传感器数据的自动采集。该采集装置采用低能耗无线蓝牙通信技术(BLE)，可实现无线、快速、少量、低能耗、低成本的近距离无线数据采集。研究证明，BLE具有广播传送、收发数据的功能，可以同时处理多批小容量数据，在短时间内接收多个数据，是适合车—地间进行瞬时交错通信的无线数据交换方式。为了实现系统功能，日本铁路研制了无线传感器，由BLE无线通信模块及热敏温度传感器、热流传感器、加速度传感器3种传感器构成。热敏温度传感器可对设备恶化和故障时的温度变化进行有效监测，热流传感器可直接测量设备的散热量，加速度传感器则用于测量设备的振动变化。

通过对采集数据的分析和建模，获取设备最佳的运维时间，由人工运维转向自动运维。通过不同速度等级的数据交互采集试验证明，采用高速行驶的新干线列车收集地面设备的状态数据是可行的。

为实现节能控车，日本铁路还推广列车运行电力模拟器。该模拟器由运行管理、馈电线电路计算、车辆计算、驾驶曲线计算等部分构成。根据列车的运行条件，可以精确计算变电所所需承载的负荷容量，从而确定变电设备的相应性能，也可用于评价节能技术的导入效果和因时刻表修改等产生的电力消费变化等。该设备还可预测列车运行的能源消耗，采用能源网络控制方法，在电力设备与列车群之间构筑信息网络，通过科学的算法实现车辆运行的节能控制。

以上铁路节能环保新技术一定程度上代表了日本铁路节能环保技术应用的主要方向和技术领域。此外，日本铁路还积极引进太阳能、风能等可再生能源，提高铁路再生能源利用比例；推广节能、创能、生态、环境友好的“生态车站”，通过树立样板车站推动其他车站建设节能环保综合车站。

3 日本铁路节能环保新技术发展趋势分析

综合日本铁路节能环保技术研究发展和应用现状，根据日本铁路各项节能环保发展规划，日本铁路未来将在继续大力发展清洁能源技术、加强列车再生制动技术研究应用、提高资源和能源循环利用效率的基础上[11]，进一步加快研发和应用新型车辆节能环保技术，在新能源及混合动力机车研究方面持续发力，全面推进铁路减振降噪技术创新发展，大力推广综合节能环保和生态车站建设，有效降低铁路设备全寿命周期运营维护成本。

3.1 继续提高可再生能源利用比例

日本铁路重视对太阳能、风能、地热、生物能等新能源技术的发展研究和应用，在多个铁路站段建设了新能源发电设备，并大力发展自营电力，建设大规模新能源发电站，扩大日本铁路自营电力应用比例，减少对电网公司的依赖。新能源技术的应用提高了日本铁路清洁能源消费占比，降低了日本铁路能源消耗对环境的影响程度，减少了温室气体排放，是未来日本铁路继续坚持研究和发展的技术领域。

3.2 加强对再生制动及储能技术的研究应用

近年来，日本铁路在再生制动及储能技术方向开展了大量研究和应用，在蓄电池储能、再生制动回收利用装置、智能电网控制技术等方面进行了一系列推广试点和应用案例，取得了一定的研究成果，未来仍是日本铁路节能技术发展的一个重要方向。日本铁路重视对铁路车辆刹车制动时产生能量的回收利用，未来将继续在再生制动回收利用装置及配套的电力电子技术、储能技术等方面加强研究。结合车站综合能源管理系统和电网综合调度控制技术，提高对铁路再生制动能量的回收和利用效率。

3.3 高度重视废物资源的回收利用

由于日本自身资源匮乏，节约资源和废物资源回收综合利用一直是日本铁路节能环保技术的一个重点发展方向。多年来，日本通过对铁路车站、列车综合维修基地等场所产生的废弃物，生活服务、餐饮零售等产生的生活垃圾进行分类回收、处理、再利用，提高了废弃资源的可回收率和综合循环利用效率。日本铁路有专门从事资源回收利用的公司，未来将继续开展多种资源回收利用技术研究，最大程度降低有害废弃物对环境的影响，提高资源的分类回收利用效率。

3.4 研发新型动力节能环保车辆

根据日本交通政策审议会陆上交通铁路分会研究确定的日本铁路科技发展规划，研发节能环保型车辆、实现环境友好型铁路运输是日本铁路未来科技发展的重要方向。在此政策的指引下，日本铁路将致力于通过车辆的技术优化和更新换代实现铁路运输领域的节能环保。与此同时，在世界多国高度重视研究和发展氢能源列车的大背景下，日本也已将氢能源列车作为未来铁路的研究方向。JR东日本铁路公司计划于2021年开始对氢能源列车进行测试，并在2024年之前将该技术用于商用。新型高速列车和混合动力机车将作为日本铁路未来发展的重点方向，推动日本铁路节能环保技术水平迈上新的台阶。

3.5 进一步推动减振降噪

减振降噪技术作为日本铁路高度重视的节能环保技术之一，未来仍将是日本铁路研究的热点。在对噪声产生位置、发生机理和传播途径开展大量研究的基础上，日本铁路将开展一系列空气力学噪声和低频噪声的模型和风洞试验，力争通过采取改良车辆底架结构、采用永磁电机和低噪声空调设备等方式减少车内产生的噪声；通过开发新型低噪声高速列车，装配低噪声导电弓和吸音装置，降低车辆噪声，提高旅客乘坐舒适程度。与此同时，日本铁路还将不断研发吸音能力良好的声屏障，有效降低铁路列车运行过程中对沿线环境产生的噪声影响。在减少振动方面，日本铁路未来将继续加强对路基振动的起因和组成的研究，力争通过防振板式轨道和低成本化防振装置有效降低列车运行产生的振动对环境的影响。

3.6 加强铁路全寿命周期运营的监测

为了降低铁路设施设备的运行维护成本，日本铁路公司通过在运营车辆和地面设备部署大量传感器装置进行设备状态数据采集和分析，及时发现设备存在的问题并采取措施，形成“状态修”的运营维护机制，降低了设备的全寿命周期成本。根据以上研究应用成果，未来日本将开展更为精确的数据分析，结合大数据算法等技术，对设备故障状态和运营维护状态数据进行大量科学性分析，形成更为科学智能的故障诊断维护系统，进一步降低铁路设备运营维护成本，提高设备的使用寿命。

4 结束语

日本铁路的节能环保技术发展体系较完善，技术发展水平较为领先，不仅在传统的废弃资源回收利用、再生制动、自营电力、新能源发电等技术领域持续发力，还在新型氢燃料混合动力机车、蓄电池节能型机车、新型减振降噪技术、设备运营维护系统技术等领域不断开拓创新，共同推动日本铁路节能环保技术体系全面发展。随着非牵引节能技术领域的发展逐渐趋于完善，牵引节能技术领域将是我国未来铁路进一步发展和突破的技术方向，此外，我国铁路废弃资源回收再利用方面与日本尚存在差距。因此，日本铁路的节能环保技术研究和发展趋势能够为我国铁路未来节能环保技术发展提供启发和参考，尤其在氢燃料与蓄电池混合动力机车、废弃资源回收利用、可再生能源利用技术等领域，是未来我国铁路应当重点发展和突破的节能环保技术方向。今后，我国铁路应进一步加强新能源及混合动力机车的研究，重视铁路固体废弃物的分类回收和再利用技术，进一步提高铁路太阳能、风能等可再生能源的利用比例。与此同时，未来节能环保技术领域的结合将更加紧密，大数据、人工智能等新一代信息技术的发展将会推动节能环保技术体系更为科学化和智能化，进一步提升铁路综合节能环保技术水平。