铁路选线理论及发展趋势

铁路选线理论及开展历史西南交通大学易思蓉2021年10月1铁路选线理论体系铁路选线理论的历史轨迹铁路选线经济学理论铁路选线动力学理论铁路环境选线理论铁路选线理论的开展趋势主要内容21、铁路选线理论体系铁路选线的根本原理与任务铁路选线根本理论铁路选线方法3铁路选线的根本任务与原理4铁路选线的根本任务与原理5铁路选线的根本任务与原理6铁路选线的根本任务与原理7铁路选线的根本理论8铁路选线的理论根底解析几何动力学工程经济学工程地质学测绘科学环境科学铁路选线的根本理论9铁路选线的根本理论10铁路选线的根本理论11铁路选线的根本理论12铁路选线的根本理论13铁路选线的根本理论14铁路选线的根本理论15铁路选线的根本理论16铁路选线方法野外实地选线室内纸上选线航测选线遥感选线计算机辅助选线17铁路选线理论体系铁路选线理论的历史轨迹铁路选线经济学理论铁路选线动力学理论铁路环境选线理论铁路选线理论的开展趋势主要内容181825年,第一条公用铁路从英格兰的托克顿(Stockton)到达灵顿(Darlington)，由乔治·斯蒂芬森(GeorgeStephenson)及其儿子罗伯特(Robert)建成。自那时以来，在19世纪世界各地建成了大量的铁路〔美国铁路始建于1830年，法国1832年，德国1835年，俄罗斯1837年，意大利1839年，加拿大1840年，墨西哥1850年，印度1853年，日本1872年，中国1881年〕。为了铁路的平安、经济和高效修建，有关铁路选线理论和方法的文献在各国都发表过不少。铁路选线理论的历史轨迹19铁路选线理论的历史轨迹20铁路选线理论的历史轨迹21铁路选线理论的历史轨迹美国美国在铁路选线理论中的最大奉献是典定了铁路选线经济学的根底，并在复杂地形地质区域选线、城市铁路选线、牵引计算、车-线动力学、铁路大系统中形成了理论体系22铁路选线理论的历史轨迹美国1877年，美国工程师惠灵顿(WellingtonArthurM.)根据他在美国和墨西哥积累的铁路设计经验，出版了他的?铁路选线经济理论?〔TheEconomicTheoryoftheLocationofRailway〕的第1版。该书直到20世纪初期还屡次修订和增订。惠灵顿为美国铁路定线设计创立了一个理论体系欧美的铁路选线经济学根本上是在惠灵顿的理论根底上开展。23铁路选线理论的历史轨迹24铁路选线理论的历史轨迹美国1900年，美国铁路工程协会(AmericanRailwayEngineeringAssociation-AREA)发布了第1期年报〔AREAEngineeringProceeding〕；在该年报中，报道了“选线与坡度的改善〞的研究工程成果。关于曲线坡度折减问题：AREA根据曲线所在坡段的不同情况，给定了0.03%~0.05%的折减值。美国所有的铁路都是私营的。各个铁路所在地区的地形不尽相同，运营传统也不尽相同，因而无法作出详细规程，但美国铁路工程协会的标准是需要在全国应用的规定。25铁路选线理论的历史轨迹26铁路选线理论的历史轨迹美国1910年，美国Illinois大学铁道工程系主任，EdwardC.Schmidt教授，在Illinois铁路中心的做了一系列试验——Schmidt-Tuthill试验，该试验确定了货物列车的车辆重量、列车速度和列车阻力之间的关系，其形式为：R=A+BV+CV2通常通过试验确定计算式的参数。Schmidt教授按每5t变化绘制了列车重量从20t到75t货物列车的速度与阻力之间的关系曲线，速度范围是10-40mph，并推导了相应的阻力计算公式。27铁路选线理论的历史轨迹美国1937年，教授在Illinois铁路中心重复了Schmidt教授的试验，并将速度延伸至70mph。基于Schmidt-TuthillExperiments试验资料，综合考虑滚动局部、轴承、轮缘等摩擦影响，推导出以下空气阻力公式：28铁路选线理论的历史轨迹美国1917年，美国的克利门特·G·威廉母(ClementG.Williame)教授继续惠灵顿的工作，撰写了一本大学教科书——?铁路选线设计?(DesignofRailwayLocation)，并于1924年出了修订版。在该书中，威廉斯详细阐述了选线设计原理。威廉斯在他的修订本中增加了电力牵引、改线设计、最大坡度削减、增建二线和城市间铁路选线等内容。在20世纪初期，这些内容在美国都是新问题。而且，基于相关铁路经济的大量统计数据的积累，和新型铁路设备研究工作中获得的大量实验数据的积累，使该书中介绍的选线设计原理很适合当时的工程实际。29铁路选线理论的历史轨迹30铁路选线理论的历史轨迹31铁路选线理论的历史轨迹32铁路选线理论的历史轨迹法国法国在铁路建设中，一贯重视标准化和标准化工作，早在1842年，法国制定了最早的铁路工程标准。如今，国际铁路联盟的许多标准和规程，是依据法国铁路设计标准制定的。33铁路选线理论的历史轨迹法国1884年，法国桥梁与道路〔PointsETChaussees〕部公布了由桥梁与道路总监帕蒂奥特〔L.Partiot〕撰写的“InstructionpourlaPreparationdesProjetsetlaSurveillancedesTravauxdeConstructiondelaPlate-FormedesCheminsdeFer〞。〔铁路线路与站场规划、设计与施工指南〕。该指南详细表达了选线和车站的调查、研究和设计的方法，以及工程量的计算方法。这个指示可视为是早期的精彩作品。34铁路选线理论的历史轨迹35铁路选线理论的历史轨迹36铁路选线理论的历史轨迹37铁路选线理论的历史轨迹法国1949年，由主管法国国有铁路改建的工程师奥克塔弗-勒迪克(OctaveLeduc)出版了?CoursdeCheminsdeFer?(?电气化铁路工程?)一书。该书提供了有关电气化铁路的资料。勒维和勒迪克的著作促进了铁路优化与标准的研究。38铁路选线理论的历史轨迹39铁路选线理论的历史轨迹40铁路选线理论的历史轨迹法国1960年代，法国铁路利用BB9200燃气轮动车在200~250km/h的速度下进行乘客舒适度试验结果说明：旅客在频率14Hz、水平加速度为0.05g的作用下，经过5小时30分后感到疲倦；1960年代，法国在运营线上进行了试验列车以200km/h的速度通过曲线，产生的欠超高到达103mm〔0.068g〕，乘客认为舒适度是允许的。法国东南新干线上的长期跟踪试验该线最大欠超高均为130mm，运行十几年，旅客反映舒适度可以。41铁路选线理论的历史轨迹42铁路选线理论的历史轨迹德国1900年，德国的弗美兰-克罗伊特(FranzKreuter)撰写了一本有关铁路、道路和运河选线原理方面的综合著作-?LinienfuhrungderEisenbahnenundSonstigenVerkehrswege?。在这本书中，铁路定线的表达构成它的主要局部。早在那个年代以前，德国工程师对机车车辆阻力和牵引力已有相当深入的研究，并且，他们在山区铁路定线中已有假设干经验。43铁路选线理论的历史轨迹44铁路选线理论的历史轨迹德国1911年和1913年，俄罗斯工程师李比兹〔Lipetz〕和德国人翁赖恩(Unrein)等，在机车性能和列车阻力原有研究工作的根底上，推导出绘制列车运行速度-距离〔v-s〕曲线和时间-距离(t-s)曲线的图解方法。这些图解曲线在机车牵引性能与线路坡度、线路曲线之间建立起力学关系。图解法又用来获得列车的燃料〔能量〕消耗和时间消耗。李比兹、翁赖恩和其他工程师在这方面的进一步开展，奠定了欧洲和前苏联铁路线路设计的新根底。45铁路选线理论的历史轨迹德国1940年，威廉姆-密勒〔WilhelmMuller〕教授出版了?DieFahrdynamikderVerkehrsmittel?。在这本书中，铁路、公路、水运和航空线上的交通工具运动力学，全部用图解法来处理。从不同交通工具运动的图解，可以估算出全部能量消耗、时间消耗和费用。在当时，密勒的成就就大大促进了运输线的设计和经济评价。46铁路选线理论的历史轨迹47铁路选线理论的历史轨迹48铁路选线理论的历史轨迹俄罗斯〔前苏联〕俄罗斯〔前苏联〕的第一条铁路建设1837年。在实际领域中，前苏联1524mm轨距铁路的运输密度是全世界最高的，机车车辆利用率在全世界也是很高的。前苏联铁路一般不追求高速列车，仅在最繁忙的客运线上，才注意提高旅客列车的速度。俄罗斯在牵引计算、选线经济学原理、既有线改建设计原理等方面建立了自己的理论和方法。49铁路选线理论的历史轨迹俄罗斯〔前苏联〕1938年，高林诺夫〔АВГоринов〕教授出版了一本与前书同名的?铁路设计?〔ПроектированпеЖелеэнътхПорог〕，并于1948年加以修订与补充。该书可能是一本内容最广泛而又最详细的书。高林诺夫的这本书，除铁路选线设计原理这些常规论述之外，还包括铁路运营实践等广泛的范围：如经济生产的调查、运量预测、货流组织、车站及枢纽布置图、机车运用、河流桥渡和涵洞设计的水文计算以及管理界线的划分。该书籍的另一特点是，详细介绍了既有铁路能力加强和改建方法，强调以最小代价和费用进行改建的方法。50铁路选线理论的历史轨迹俄罗斯〔前苏联〕1940年代，前苏联开始用角图面积等于渐伸线长度，基于设计与既有曲线的角图面积差等于拨距的原理，用既有曲线的角图来选配设计曲线半径，可借助二者的角图面积差直观地估计各测点的拨距。51铁路选线理论的历史轨迹俄罗斯〔前苏联〕1950年代，高林诺夫教授建议了一种选择铁路限制坡度的方法，其原理是：首先，由纸上定线取得三个坡度方案，在运量条件下计算其经济效果。在费用C与相应的坡度标准G为坐标轴的坐标纸上，得到三个经济效果点，根据高林夫的研究，不同点的的轨迹总是呈抛物线形状。推导经验函数C=f(G)，寻求最小费用C的点，所需的坡度方案就得到了。高林诺夫的结果仅仅是在机车类型和其他定线标准都已确定条件下的“最好〞方案。52铁路选线理论的历史轨迹53铁路选线理论的历史轨迹中国中国铁路兴建之初，选线设计工作多为外国人把持。作为一门学科，从根本理论到所含内容，以及设计方法等等，很长时间内在我国未真正形成。1949年以前，中国铁路选线工作和工程教育界主要受美国铁路实践的经验和惠灵顿、威廉斯理论的影响1949年以后，前苏联书籍和铁路设计标准成为中国大学课程和实际设计的主要参考书。54铁路选线理论的历史轨迹中国铁路历史：1875年(光绪元年)上海到吴淞口轻便窄轨铁路；1880年唐山～胥各庄矿区轻便铁路，马牵引；1881年改用简易蒸汽机车牵引。唐胥铁路用蒸汽机车55铁路选线理论的历史轨迹56铁路选线理论的历史轨迹中国詹天佑在京张铁路设计坚持采用1435mm的轨距，并建议以1435mm作为全国统一标准轨距；詹天佑监督编定了“京张铁路标准图〞、隧道施工组织规划、京张铁路工程标准，包括行车、养路、机车、巡警、电报等规那么共33章，可以说该标准是中国历史上最早的设计与管理标准。1909~1919年，詹天佑先后领导了粤汉与汉粤川铁路的修建，将粤汉铁路展修到韶关北的鸟石站，修正了粤汉川铁路的接轨站和路线方向。57铁路选线理论的历史轨迹中国1936年之前，随着铁路路网的开展，中国工程师通过自己勘测设计的实践，不断总结经验，在适应地形选定一条工程量小、路线直短的铁路方面，有着卓越的成就。如，1929年我国选线专家刘宝善等在粤汉路株〔洲〕韶〔关〕段乐昌-柳州间，经过认真勘测，选定的方案比外国工程师选的线路方案顺直而被采纳。58铁路选线理论的历史轨迹中国高等学校的“选线设计〞课是铁路工程课演进开展而形成的。我国最早开设的铁路工程课是1910年唐山路矿学堂〔西南交通大学的前身〕开设的。上世纪30年代前多采用英美教材。40年代中后期，我国学者开始结合中国实际编写铁路工程类教材，如凌鸿勋所著的?中国铁路概论?〔1940年由国立编译馆出版〕，张泽熙编著的?铁路工程?〔上、下册〕，张超编著的?铁路工程学?〔1942〕、王竹亭编著的?铁路选线设计与方案学?〔1945-共四册〕等；这些教材奠定了我国铁路选线设计理论的根底，起到了开拓奠基的作用。59铁路选线理论的历史轨迹中国1949年新中国成立后，随着铁路设计任务日益繁重，出现了勘测设计力量缺乏，设计质量不高，缺乏指导性设计文件〔设计标准、定型设计、勘测细那么等〕等一系列重大问题。铁道部成立了专门的勘测设计总队，并逐渐开展成为专业性的设计院，铁路勘测设计的实践和理论，都有了长足的进展。60铁路选线理论的历史轨迹中国铁路勘测设计机构逐渐完善1952年，成立了18个勘测设计总队1953年成立了五个地区的设计分院，分别领导西北、西南、中南、华北、东北的勘测设计工作。1956年设计局与分局已扩大为设计总局及设计院，并成立了工业运输设计院及大桥、工厂、电务〔包括站场〕、定型设计、经济调查、航测等专门性的设计事务所。1957~1958年间，对设计机构作了调整，设立四个综合性的设计院和一个专业设计院，设计总局与工程总局、根本建设局合并为根本建设总局。61铁路选线理论的历史轨迹62铁路选线理论的历史轨迹63铁路选线理论的历史轨迹64铁路选线理论的历史轨迹65铁路选线理论的历史轨迹66铁路选线理论的历史轨迹67铁路选线理论的历史轨迹68铁路选线理论的历史轨迹69铁路选线理论的历史轨迹中国铁路选线学科开展1953年院系调整后，唐山铁道学院成立选线设计教研室，开始引进苏联教材。1954年，王竹亭编写出版了?铁路选线手册?，该书作为他编之前编写的?铁路选线及方案学?的第五册。?铁路选线及方案学?是用中文出版的铁路选线设计学科的第一部系统、全面的专著。1962年，王竹亭、张泽熙、王柢等共同翻译出版了苏联科学院通讯院士高林诺夫新著的?铁路设计?〔共三卷8册〕。1957~1958、1962年，唐山铁道学院选线设计教研组分别编写出版了?铁路设计?上、下册；全国铁道工程高校均采用此教材，一直用到1977年。70铁路选线理论的历史轨迹中国铁路选线学科开展1979年，为了适应新教学方案的需要，在第三次统编教材研讨会上，选线设计课正式定名为“铁路选线设计〞，并由西南交通大学郝瀛教授主编出版了第三本铁路选线设计课程统编教材?铁路选线设计?。1987年由西南交通大学郝瀛教授任主编对79版教材进行了完善和修订，由中国铁道出版社出版了第四本统编教材?铁路选线设计?。这些统编教材为全国六所铁路土建类高校所采用，也成为现场铁路设计人员的主要参考书。71铁路选线理论的历史轨迹中国铁路选线学科不断开展2001年，为了适应土木工程专业铁道方向、工程测量专业及交通运输专业选线设计课程教学的需要，由西南交通大学易思蓉主编出版了新版?铁路选线设计?教材。2021年，对?铁路选线设计?作了全面的修订，出版了?铁路选线设计?〔第三版〕。?铁路选线设计?〔第三版〕是第一本将高速铁路选线理论作为根本知识融合到各章节中的选线设计教材。72铁路选线经济学73铁路选线经济学研究的内容74铁路选线经济学研究的内容75铁路选线经济学研究的内容美国的选线方案评价方法在他的?铁路工程?中系统阐述了铁路运量特征〔Natureofrailroadtraffic〕，介绍了铁路运量预测方法和运量吸引范围确实定方法；收益与本钱〔“revenuesandcosts〞〕，包括铁路运营总支出、运营收益、运营支出以及单位本钱和统计方法；以及基于经济学的定线原理〔“LocationProcess〕，主要介绍了铁路定线的经济评价标准，综合考虑运量、距离、曲线、升降〔克服高程〕、坡度率以及牵引特性等影响因素的，最经济的线路方案评选方法。76铁路选线经济学模型77铁路选线经济学模型铁路运营支出的计算方法美国运营支出的计算方法将影响铁路运营支出的主要因素分为五项：机车性能——按确定的机车计算，不参与比选限制坡度设计线方案的长度或距离线路纵断面的升降高度曲线偏总偏角表示的曲线78铁路选线经济学模型美国运营支出的计算方法限制坡度在给定运量的情况下，限制坡度较陡的方案的列车重量较轻，而列车数较多。每增加1列车英里，将比限制坡度平缓方案消耗更多的人力和能量，以货币表示为：每列车英里的平均费用×由列车英里影响的百分数从列车英里的年度差额，可得到不同限制坡度之间运营支出的差额。79铁路选线经济学模型美国运营支出的计算方法设计线方案的长度或距离按照美国AREA的研究工作，距离的影响可分为三级：距离小于1英里、距离在1~10英里之间、距离大于10英里。这三种距离对运营支出的影响百分数不同：距离对运营支出的影响=每年牵引的千总重吨数×减少〔或增加〕距离〔英里数〕×由该级距离影响的百分数×每千总重吨英里的平均费用80铁路选线经济学模型美国运营支出的计算方法线路纵断面的升降高度升降高度对运营支出的影响分为三级：A级：升降高度很小，无额外能量消耗，列车速度无明显变化。B级：上坡时需要少量额外动力，但下坡时无需制动。C级：上坡时能耗很多，下坡时需要制动。升降高度的每一级都对运营支出影响的不同百分数。81铁路选线经济学模型美国运营支出的计算方法线路纵断面的升降高度平均列车阻力〔包括直线段和曲线段〕可取为10磅/吨。这个阻力值的大小与爬上一个0.5%的上坡，即26.4英尺/英里的上坡相当。换言之，26.4英尺的升降与1英里长度的阻力相同。因此，升降高度总费用=千总重吨×当量英里×每千克总重吨英里单位支出×该级升降高度影响的百分数。82铁路选线经济学模型美国运营支出的计算方法曲线偏总偏角表示的曲线基于美国铁路长期试验，列车在直线轨道上的阻力，约为8磅/吨〔4千克/米制吨〕，曲线阻力约为0.8磅/吨-度曲线，也就是10度曲线轨道，其阻力为直线阻力的两倍。528度的中心角，不管曲度大小与轨道长度，均等于1英里曲线〔1英里=5280英尺〕。曲率对运营支出的影响=千总重吨×当量曲线英里×每千总重吨英里的平均费用×曲率影响的百分数83铁路选线经济学模型德国、前苏联、中国运营支出计算方法计算列车质量：对于客货共线铁路，定线设计一般按照货物列车，并适当考虑旅客列车的运行来完成。货物列车的质量，由方案所采用的机车类型和限制坡度计算确定。对于客运专线，按旅客列车编组计算列车质量。以列车运动方程式为依据，绘制速度-距离曲线和时间-距离曲线。计算电力、燃料和时间的消耗；克服施加于列车的所有阻力所做的机械功，和制动系数所做的功。84铁路选线经济学模型85铁路选线经济学模型两种方法的比较如何处理列车运行的力学关系在美国铁路设计中，机车的牵引力减去在每一坡道上的总阻力，得到力挽钩牵引力，即净牵引力。以额定速度之下的挽钩牵引力，可算出任一限制坡度和制定车辆的列车重量。中国和前苏联的定线计算中，列车重量是用不同的限制坡度值，对应于单一的机车牵引力计算出的。事实上，计算公式中包含了从总牵引力中扣除机车阻力考虑。在牵引质量的计算公式中，机车牵引力的值的大小与坡度和其他影响因素无关，是完全独立的，其值随机车类型和操作制选取而变化。86铁路选线经济学模型87铁路选线经济学模型88铁路选线经济学模型两种方法的比较运营支出的计算欧洲和前苏联的工程师们，是前一代工程师们却奉献了列车运动力学图解法。在这个理论根底上，结合费用数据统计，拟定出各自适用的方法。在中国铁路设计中，列车数、升降高度和距离的影响，反映在能量消耗和燃料消耗，所做的机械功和制动功以及V-S、T-S曲线得到的时间消耗各项之中。与费用统计的适当分析相结合，能量消耗和时间消耗，是从列车的机械运动分析中产生的，统计数据能够帮助建立能量消耗和时间消耗的数学模型。89铁路选线经济学模型美国的选线方案评价方法在他的?铁路工程?中系统阐述了铁路运量特征〔Natureofrailroadtraffic〕，介绍了铁路运量预测方法和运量吸引范围确实定方法；收益与本钱〔“revenuesandcosts〞〕，包括铁路运营总支出、运营收益、运营支出以及单位本钱和统计方法；以及基于经济学的定线原理〔“LocationProcess〕，主要介绍了铁路定线的经济评价标准，综合考虑运量、距离、曲线、升降〔克服高程〕、坡度率以及牵引特性等影响因素的，最经济的线路方案评选方法。90铁路选线经济学模型选线方案评价模型美国的?铁路工程?中的方法BasicLocationFormula(根本定线方法-赢利率法)AnnualCost(年本钱法)：91铁路选线经济学模型选线方案评价模型美国的?铁路工程?中的方法Benefit/Cost(B/C)Ratio(利益/本钱)比率其他准那么——现值法92铁路选线经济学模型93铁路选线经济学模型94铁路选线经济学模型95铁路选线经济学模型96铁路选线经济学模型97铁路选线经济学模型98铁路选线经济学模型99与其它建设的配合程度满足能力的程度经济合理性技术合理性社会效益环境影响选线方案综合评价方案1方案2方案n指标S1指标S2指标Sn指标T1指标T2指标Tn指标F1指标F2指标Fn目标层准那么层指标层方案层多目标综合评价层次分析模型铁路选线经济学模型100铁路选线动力学101铁路选线动力学研究的内容102铁路选线动力学研究的内容动力特性指标旅客舒适度车辆纵向加速度、横向加速度、垂向加速度加速度时变率组合加速度及其时变率平安度车辆脱轨条件列车脱钩条件车辆纵向相对位移车辆垂向相对位移车辆横向相对位移103铁路选线动力学模型质点模型将列车视为全部质量集中于列车质点处列车连续模型将列车视为质量均匀分布的连续杆构，研究列车运动力学问题104铁路选线动力学模型列车离散模型列车稳态模型

列车在常力或缓变力的作用下作等速或等加速运动时，列车单元之间没有或几乎没有相对位移，从而列车运行状态平稳，不会发生纵向冲击运动。105铁路选线动力学模型列车离散模型列车准动态模型准动态模型是介于稳态模型和动态模型之间的仿真模型。它以前两种模型为根底，并吸收它们的优点。当列车中不发生冲击作用时，它用稳态模型快速计算车钩力，而当有冲击发生时,那么按动态方法计算冲击力。故准动态模型比稳态模型更为完善，比动态模型更为实用。106铁路选线动力学模型列车离散模型列车准动态模型准动态模型是介于稳态模型和动态模型之间的仿真模型。它以前两种模型为根底，并吸收它们的优点。当列车中不发生冲击作用时，它用稳态模型快速计算车钩力，而当有冲击发生时,那么按动态方法计算冲击力。故准动态模型比稳态模型更为完善，比动态模型更为实用。107铁路选线动力学模型车辆实体模型以单个车辆视为钢体，研究车辆-线路动力学问题单轮对简化模型转向架半车模型整车模型

108铁路选线动力学仿真系统109铁路选线动力学仿真系统110铁路选线动力学仿真系统列车纵向运动仿真系统〔一〕牵引计算确定某时、某处或某种速度对应下单元及列车的各种力的取值。确定某种机型、某种限制坡度所对应的列车牵引质量，及起动条件限制、到发线有效长条件限制等各种限制条件下牵引质量的检算功能。确定列车运行过程中速度、距离、时间三者间的关系，V-S曲线、S-t曲线。确定功能及燃料消耗。111铁路选线动力学仿真系统列车纵向运动仿真系统〔二〕列车运行及操纵