Передовые технологии и перспективы их развития в транспортной отрасли Китая

1) Домеханизационная эпоха

В ранние времена у человека не было термина «транспорт», чтобы связаться, перевозить товары, увидеть друг друга. Люди в основном передвигались пешком, поэтому между поселениями, которые находились на большом расстоянии друг от друга, не могло быть хорошей связи, люди не могли быстро коммуницировать, а уровень тогдашней науки и техники, политики, экономики был очень слабо развит. Самый примитивный вид транспорта показан на рисунке 1-6.

Позже, с развитием общества, люди постепенно приручили некоторых животных (лошадей, верблюдов и т. д.), и появился гужевой транспорт, такой как конные экипажи. Это можно расценивать как «огромный» скачок в истории транспорта. Это также относительно облегчило межплеменные и междинастические обмены и способствовало дальнейшему развитию общества. Технологиями, способствующими развитию средств передвижения на этом этапе, была энергия биомассы, материалы и производство машин, а сельскохозяйственная цивилизация сформировалась благодаря использованию энергии биомассы при помощи транспорта, приводимого в движение животными. Повозки, запряженные лошадьми, и верблюжьи караваны показаны на рисунке 1-7.

Рисунок 1-6. Самый примитивный вид транспорта

Рисунок 1-7. Повозка и упряжка верблюдов

Первые в мире практичные велосипеды появились в начале XIX века. В 1817 году немец Карл Дрез изобрел деревянный двухколесный велосипед с рулем в Париже, Франция. Велосипед быстро стал популярным средством передвижения. Он показан на рисунке 1-8.

Рисунок 1-8. Велосипед

Вскоре после этого постепенно сформировались средства передвижения по воде, и парусник, приводимый в движение ветром, долгое время сосуществовал с транспортом, приводимым в движение животными, в качестве средства передвижения и способствовал быстрому развитию общества. Парусник, приводимый в движение ветром, показан на рисунке 1-9.

Рисунок 1-9. Парусник, приводимый в движение ветром

2) Эпоха механизации

Первым в мире паровым двигателем был эолипил, изобретенный Героном Александрийским в Древней Греции в I веке нашей эры. Это был прототип парового двигателя. Томас Савери в 1698 году и Томас Ньюкомен в 1712 году построили первые промышленные паровые машины, и они оба внесли свой вклад в развитие паровых двигателей. В 1807 году Роберт Фултон первым успешно применил паровой двигатель для управления кораблем. Применяя научные теории, шотландский инженер Джеймс Уатт постепенно обнаружил недостатки этого типа паровых машин. С 1765 по 1790 год он сделал ряд изобретений, таких как отдельный конденсатор, изоляционный слой снаружи цилиндра, смазка поршня маслом, планетарные шестерни, механизм параллельного движения, центробежный регулятор, дроссельный клапан, манометр и т. д., благодаря которым эффективность паровой машины была более чем в три раза выше, чем у первоначальной машины Нейкома, и в конечном итоге был изобретен промышленный паровой двигатель.

Что касается наземного транспорта, люди начали разрабатывать средства передвижения, которые могли использовать паровые двигатели для быстрого перемещения транспортных средств вперед. Среди них первым, кто добился прорывных результатов, был британец Джордж Стефенсон (1781-1848). В 1814 году первый разработанный им паровоз «Блюхер» был успешно запущен в опытную эксплуатацию. 27 сентября 1825 года Стивенсон лично управлял паровозом «Ракета», который он спроектировал и изготовил в сотрудничестве с другими, для испытательного пробега по недавно проложенной железной дороге и добился успеха. Применение паровых машин на транспорте привело человечество в «эпоху поездов» и быстро расширило сферу человеческой деятельности.

Паровой двигатель сыграл огромную историческую роль. Он способствовал развитию механической промышленности и даже общества, решил основные и ключевые проблемы производства больших машин, способствовал беспрецедентному прогрессу на транспорте. В то же время промышленная революция возникла отчасти благодаря усовершенствованию парового двигателя, а паровой локомотив – благодаря усовершенствованию парового двигателя и его применению последующими поколениями. В то время Британия поощряла изобретения, и когда население увеличилось и скорость производства увеличилась, люди начали усердно работать над улучшением производственного оборудования. Серия технологических революций, вызванных усовершенствованием Уаттом парового двигателя, привела к переходу от ручного труда к машинному производству. Таким образом, усовершенствование парового двигателя стало одной из причин промышленной революции. Паровоз – это железнодорожный локомотив, использующий в качестве источника энергии паровую машину. Поэтому без совершенствования паровой машины рождение этого средства передвижения было бы невозможно. Паровозы и пароходы показаны на рисунке 1-10.

Рисунок 1-10. Паровоз и пароход

Паровые поезда и пароходы в настоящее время в значительной степени устарели. Паровые поезда Китая официально сошли со сцены истории в октябре 2009 года. Технология сочетания новых материалов и машиностроения с помощью термодинамических приводов, а также сжигание ископаемой энергии в паровом двигателе привели к формированию первой промышленной революции человечества.

3) Эпоха электрификации

Взаимопревращение электрического и магнитного полей закладывает теоретическую основу для создания электромобилей. В середине 1880-х годов немецкий изобретатель Карл Бенц предложил конструкцию легкого двигателя внутреннего сгорания, работавшего на бензине в качестве топлива. Изобретение двигателя внутреннего сгорания решило проблемы автомобильных двигателей и вызвало революционные изменения в сфере транспорта. Технологией, способствующей наступлению эры электрификации, стало сочетание технологии производства двигателя внутреннего сгорания с технологией обрабатывающей и нефтехимической промышленности, что привело к формированию второй промышленной революции за счет сжигания вторичных источников энергии. В конце XIX века появился новый вид транспорта – автомобиль. В 1880-х годах немец Карл Бенц успешно изготовил первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания. В то же время многие страны начали создавать свою автомобильную промышленность. В дальнейшем продолжали появляться и тепловозы, океанские корабли, самолеты и т. д. с двигателями внутреннего сгорания. В 1894 году Германия успешно разработала первый локомотив внутреннего сгорания с бензиновым двигателем и применила его на железнодорожном транспорте. 17 декабря 1903 года самолет, изготовленный братьями Райт в США, успешно совершил испытательный полет, осуществив мечту человечества о полете в небе и ознаменовав новую эру транспорта. Первые автомобили, поезда, самолеты и корабли показаны на рис. 1-11.

Рис. 1-11. Первые автомобили, поезда, самолеты и корабли

4) Интеллектуальная эпоха

Интеллектуальная эпоха – это эпоха, в которой информационное, программное и аппаратное обеспечение высоко автоматизировано, а различные дисциплины всесторонне развиты и развиваются семимильными шагами. Это представляет собой огромную проблему для человеческого инновационного потенциала. В эпоху интеллекта интеллектуальная идентификация, компьютерный расчетный анализ и автоматическое управление системами стали основными технологиями. Эпоха интеллекта освободила людей от трудоемких операций, заменив труд, привнося большие удобства в жизнь людей. В сфере транспорта интеллектуальные технологии также продемонстрировали свою ценность. Сочетание технологий механического производства и информационных технологий привело к третьей промышленной революции, сделав передвижение быстрее, эффективнее и безопаснее за счет использования вторичной энергии.

Автономное вождение – продукт интеллектуальной эпохи. Оно объединяет сенсорный интернет вещей, мобильный интернет, анализ больших данных и другие технологии для активного удовлетворения потребностей людей в поездках. Новый энергетический автомобиль является типичным продуктом интеллектуальной эры, который подразумевает использование нетрадиционного автомобильного топлива в качестве источника энергии (или использование традиционного автомобильного топлива и использование новых бортовых энергоустановок), а также интегрированный контроль мощности автомобиля и передовые технологии привода, формирование передовых технических принципов, с новыми технологиями, новые структуры автомобиля. Беспилотные автомобили и транспортные средства на новых источниках энергии показаны на рисунке 1-12.

Рисунок 1-12. Беспилотные автомобили и транспортные средства на новых источниках энергии

Кроме того, автоматические системы взимания платы за проезд на автомагистралях (ETC), системы адаптивного управления сигналами и т. д. также являются продуктами интеллектуальной эпохи. Среди них система адаптивного управления сигналами представляет собой интеллектуальную систему управления дорожным движением, которая в основном используется для оптимизированного и скоординированного управления дорожных светофоров в крупных и средних городах. Система обнаруживает информацию о дорожном потоке через детекторы, а затем передает эти данные на главный компьютер через сеть в режиме реального времени. Главный компьютер генерирует оптимальный план синхронизации зеленого света в реальном времени и применяет его на практике, что может максимизировать движение транспортных средств в пределах города. Или минимизировать другие показатели оценки управления движением (например, задержки, количество остановок) и т. д. Этот метод управления подходит для использования в региональном управлении или координации магистральной линии. Главный компьютер может координировать несколько сигналов перекрестка, чтобы план работы можно было адаптивно корректировать в соответствии с изменениями транспортного потока, тем самым повышая общую эффективность работы магистральной линии. Система ETC и система адаптивного управления сигналами показаны на рисунке 1-13.

Рисунок 1-13. Система ETC и система адаптивного управления сигналами

1.4. Содержание 1-й части

Эта глава включает пять аспектов:

1. Характеристика транспортного сектора, ключевые виды бизнеса, сервисная модель, технологическая архитектура транспортного сектора, история развития и модель развития транспорта;

2. Общая тенденция технологического развития в сфере транспорта, включая текущее состояние технологического развития, технические направления и ключевые технические направления, влияющие на тенденцию развития технологий в сфере транспорта;

3. Сборник новых технологий в сфере транспорта, сборник новых технологий, созданных за последние годы, и сборник преобразующих технологий, которые могут оказать влияние на сферу транспорта;

4. Выделение значения передовых и новейших технологий в области транспорта, направления передовых и новейших технологий в различных областях транспорта, а также передовые технологии и новейшие технологии с наибольшим общим воздействием;

5. Заключение. На рисунке 1-14 показана структура содержания передовых и новейших технологий в области транспорта, которые в основном описаны в этой главе.

Рисунок 1-14. Содержание новейших и передовых технологий в сфере транспорта

Задача этой части: на основе идентификации видов транспорта и направления интегрированных перевозок выявить технологические «горячие точки», имеющие значение направления и передовой статус, сформировать систематическое описание коннотаций, роли и формы передовых технологий и технологических «горячих точек», обусловленных видами транспорта, сделать точные суждения и прогнозы относительно направления научно-технических инноваций и схемы задач в области транспорта, а также обеспечить базовую основу для направления научно-технических инноваций и схемы задач в области транспорта.

2. АНАЛИЗ ОБЩЕЙ ТЕНДЕНЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ В СФЕРЕ ТРАНСПОРТА

2.1. Текущее состояние технологического развития в различных сферах транспорта

В последние годы благодаря поддержке соответствующих национальных планов и политики, а также совершенствованию рынка применения транспортных технологий развитие технологий в транспортной сфере Китая становится все более зрелым, постепенно углубляются исследования традиционных технологий, предлагаются, исследуются и применяются многие новые технологии и технологии из разных областей, формируется кластер транспортных технологий, который делает упор на исследования и применение, охватывает множество областей и в целом близок к передовому мировому уровню. Ниже приводится краткое описание текущей ситуации технологического развития в различных областях транспорта в развитых странах и Китае в трех аспектах, а именно транспортное оборудование, инфраструктура, управление транспортными операциями и услугами.

2.1.1. Железнодорожный транспорт

Система железнодорожного транспорта, состоящая из сложного технического оборудования, работающая в сложной среде и имеющая сложные пространственно-временные характеристики распределения, представляет собой сложную сетевую систему. Соответствующие технологии в этой области достигли большого прогресса, сформировав ряд ключевых технологий и научно-технических инновационных достижений.

Что касается транспортного оборудования, то с учетом мирового уровня развития технологий железнодорожного транспорта, проектирования и производства интеллектуальных поездов, динамики развития колес и рельсов, аэродинамики и других аспектов были достигнуты высокие результаты. Ключевые технологии получили значительное развитие, транспортное оборудование стало беспилотным, многоместным, экологичным и так далее. Как система общественного транспорта с большой пропускной способностью, система железнодорожного транспорта предъявляет высокие требования к низкому уровню шума, низкой вибрации, низкому электромагнитному излучению и низкому потреблению энергии во время работы, особенно на городском железнодорожном транспорте. Как промышленная продукция, транспортные средства также должны обеспечивать низкий уровень загрязнения и высокую степень переработки в процессе производства и утилизации. Текущие исследования в области экологически чистых технологий железнодорожного транспорта в основном отражены в таких технологиях, как повышение уровня легкости поездов, снижение уровня шума снаружи поезда, улучшение характеристик электромагнитной совместимости поездов, снижение выбросов вредных газов из салонов транспортных средств, повышение скорости регенерации энергии и коэффициент переработки лома и т. д. Улучшения в экономике транспортной системы в основном отражаются в технологии повышения эффективности системы тяговой передачи, технологии гибкой сортировки и смешивания высокоскоростных и низкоскоростных транспортных средств, технологии облегчения оборудования, а также технологии проектирования и управления жизненным циклом поездов. По уровню развития технологии железнодорожного транспорта Китая железные дороги в целом вышли в ряд передовых мировых уровней по целостности технической системы, конструкции транспортного оборудования и масштабам эксплуатации. Это железнодорожное оборудование с серией, диверсификацией и многостандартной линейкой продуктов, которое адаптируется к различным условиям эксплуатации и отвечает разнообразным потребностям. Железнодорожное оборудование интегрировалось в систему современного оборудования для железнодорожных перевозок, кузовов вагонов, тележек, тяговых трансформаторов и тяговых преобразователей. Базовая технология девяти ключевых систем, включая генератор, тяговый двигатель, контроль тяги, сетевое управление и торможение, продолжает совершенствоваться. По-прежнему существуют определенные проблемы, связанные с производством основных компонентов и материалов поездов, прочностью конструкции и надежностью обслуживания, технологией проектирования безопасности, ориентированной на неисправности, технологией проектирования безопасности пассивной защиты, технологией предотвращения и смягчения последствий стихийных бедствий, технологией дистанционного мониторинга и диагностики, а также других основных теорий и технологий проектирования. Уровень технологического развития по сравнению с развитыми странами мира имеет определенный разрыв.

Что касается проектирования и строительства инфраструктуры, с точки зрения мирового уровня развития технологий железнодорожного транспорта масштабы операций линейной сети, строительства инфраструктуры, эксплуатации и обслуживания инфраструктуры и других связанных с этим технологических разработок были относительно зрелыми. С точки зрения уровня развития технологий железнодорожного транспорта в Китае в стране построены «четыре горизонтальные и четыре вертикальные» магистральные сети высокоскоростных железных дорог, строительство «восьми горизонтальных и восьми вертикальных» высокоскоростных железнодорожных сетей идет полным ходом, и в то же время сформированы более полная техническая система и система стандартных спецификаций, включая высокоскоростные железнодорожные изыскания, картирование, выбор и проектирование маршрутов, и в целом Китай занимает ведущую позицию в мире по полноте технической системы, строительству инфраструктуры и масштабу эксплуатации.

В процессе крупномасштабного строительства инфраструктуры железнодорожной транзитной сети технология строительства развивалась от первоначального метода строительства открытым способом до защитного строительства, подземных раскопок и других методов строительства и постепенно превратилась в технологию сборного «зеленого» строительства железнодорожных транспортных путей; при прокладке железнодорожного транспортного полотна через туннели и мосты постепенно осуществляется мониторинг эксплуатации и технического обслуживания в режиме реального времени, постепенно создаются и совершенствуются информационные системы эксплуатации и управления инфраструктурой и оборудованием, а также повышается уровень информатизации. Однако вопрос о том, как совместить исследования и разработки, основанные на интеллектуальных, интегрированных технологиях, специальных инструментах и оборудовании, с инфраструктурой железнодорожного транспорта все еще находится на начальной стадии разработки. В области применения новых технологий, таких как интернет вещей, объединение и интеллектуальный анализ данных и т. д., между Китаем и другими странами с продвинутым уровнем все еще существует большой разрыв.

Что касается управления операциями и услугами, судя по уровню развития технологий железнодорожного транспорта в мире, с точки зрения сетевого управления операциями и технологий обслуживания полностью автоматизированная технология работы, технология управления работой поездов и другие аспекты уже давно применяются. С точки зрения уровня развития технологий железнодорожного транспорта Китая в области оценки состояния железнодорожного транспорта, системы и оборудования технологий совместного раннего предупреждения, системы и режима применения технологий RAMS (надежность, доступность, ремонтопригодность и безопасность), а также эксплуатации межсистемных соединений и всей сети сквозных линий Китай по сравнению с развитыми странами мира все еще находится в отстающей стадии.

В области железнодорожного транспорта сформировалась информационная система бизнес-технологий для организации перевозок, управления операциями, пассажирскими и грузовыми услугами и т. д., которая в основном основана на компьютерных технологиях и интернет-технологиях. Систематизированный потенциал интеграции, производства, доставки, эксплуатации и обслуживания по сравнению с международным уровнем в целом реализовал трансформацию от поэтапной к параллельной работе. Эксплуатация городского железнодорожного транспорта прошла путь от эксплуатации одной линии до этапа эксплуатации сети, и постепенно сформировалась технология совместной эксплуатации и управления «люди – транспортное средство – сеть» на основе спроса на пассажиропоток сети железнодорожных линий и определения пассажиропотока на станциях. Технология управления движением поездов в Китае, представленная коммуникационной автоматической системой управления поездами (CBTC), постепенно применяется; пекинская линия Яньфан, представленная полностью автоматизированной работой городской железнодорожной системы, является новым поворотным пунктом после локализации городского железнодорожного оборудования и находится в процессе автономизации городского железнодорожного транспорта. Это знаковое событие в процессе автономного и разумного развития городского железнодорожного транспорта, достигшего одного и того же технического уровня в мире.

2.1.2. Автомобильный транспорт

В области автомобильных перевозок как отечественные, так и зарубежные страны демонстрируют стремительное технологическое развитие. Зарубежные исследования начались в 1960-х годах и постепенно развивались в 1980-х, в то время как Китай начал инвестировать в соответствующие исследования только в 1990-х годах.

Что касается транспортного оборудования, судя по уровню развития технологий дорожного транспорта в мире, технология интеллектуального ассистированного вождения развивается быстрыми темпами, отечественные и зарубежные предприятия смогли предоставить зрелые технологии и продукты ассистированного вождения; также значительное развитие получили новые энергетические транспортные средства, связанные с технической системой в международном сообществе. Однако система автомобильного транспорта с многомерным взаимодействием транспортных средств и дорог и сетевым соединением еще не разработана. Судя по уровню развития технологий дорожного транспорта в Китае, с точки зрения энергосистемы, электронного управления, проектирования транспортных средств и производства транспортного оборудования общий уровень автомобильных технологий Китая значительно отстает от уровня автомобильных держав, таких как страны Европы, США и Япония. Таким образом, Китай может занять только рынок низкого уровня. В сфере производства транспортных средств, трансмиссий, технологий электронного управления Китай постепенно укрепляется и продолжает сокращать разрыв с развитыми странами. Транспортные интеллектуальные и сетевые технологии быстро развиваются и постепенно становятся ближе к развитым странам. Формируя тенденцию продвижения рука об руку, новые энергетические автомобильные технологии достигли прорывного развития и сформировали ведущие преимущества в нескольких областях.

Что касается проектирования и строительства инфраструктуры, то, судя по уровню развития технологий дорожного транспорта в мире, технологии проектирования, строительства и обслуживания соответствующей инфраструктуры имеют устойчивый прогресс, а общий технический уровень крупных инженерных сооружений, таких как сверхбольшие мосты и длинные туннели, достигли относительно зрелой стадии развития. Однако нынешний уровень интеллектуального строительства, эксплуатации и обслуживания дорожно-транспортной инфраструктуры все еще относительно низок. Сеть постоянного трехмерного мониторинга и измерения дорожной среды, состояния инфраструктуры дорожного движения и условий эксплуатации дорожного движения еще не создана. Интеллектуальные и информационные технологии, такие как большие данные и интернет вещей, недостаточно используются при строительстве и управлении дорожно-транспортной инфраструктурой. Судя по уровню развития дорожно-транспортных технологий в Китае, здесь все еще мало оригинальных теорий и технологий, существует большой разрыв между новыми материалами, основными технологиями и основным оборудованием по сравнению с развитыми странами, наблюдается недостаток строительства и содержания автомагистралей, технологий строительства в особых географических условиях и обслуживания дорожной инфраструктуры. Показатели безопасности транспортного средства недостаточно улучшены, а уровень интеллекта и экологичности низкий. «Зеленая» транспортная система и соответствующая технология дорожного строительства еще не полностью развиты. Экологически чистая технология дорожного покрытия не полностью заменила традиционную технологию асфальтового покрытия, технология переработки ресурсов дорожно-строительных материалов не имеет конкретных спецификаций, а концепция строительства экологических дорог до сих пор не получила развития. Система проектирования, управления, эксплуатации и обслуживания «зеленого» транспорта недостаточно надежна, а построение интегрированного «зеленого» транспорта займет немалое время.