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1、美国铁路现状调研王开锋 2014-11-20 wangkf05一、美国铁路路网根据2007年统计数据，美国铁路里程为226,427公里。20世纪80年代中期至本世纪初，美国铁路货运收入一直呈上升趋势，而每吨公里的雇员数量却大幅下降。北美铁路网拥有7个级铁路公司、数百个级区域性铁路公司和级短途铁路公司。1. 货运公司根据年营业收入，北美拥有7个级铁路公司（年收入大于4亿美元），分别为： Union Pacific（联合太平洋公司） BNSF CSX Norfolk Southern（诺福克南方公司） Kansas City Southern（堪萨斯市南方公司） Canadian Pacific（
2、加拿大太平洋公司） Canadian National（加拿大国家公司）根据2011年统计数据，7个级铁路公司共有营运机车24,250台，货物车辆380,699台，雇员158,623人，其路网如图1所示。图1 北美7个级铁路公司 根据2012年统计数据，北美铁路主要运输的货物为煤炭（43.3%）、化工产品（10.3%）、农产品（8.3%）等，如图2所示。图2 2012年AAR政策与经济研究部门统计结果（1）联合太平洋铁路公司（UP）联合太平洋铁路公司成立于1862年，是北美最大的铁路公司，拥有51499km正线、19703km站场、侧线及工厂线，雇员约4.5万人，年收入195亿美元，在财富50
3、0强中排名143位。截止2013年10月，拥有8185辆机车。（2）加拿大太平洋铁路公司（CP）加拿大太平洋铁路公司是北美第6大铁路公司，拥有25,560km线路、16,097雇员、年营收52亿美元。（3）诺福克南方铁路公司（NS）总部位于弗吉尼亚州的诺福克市。铁路总里程达34,600km，服务于美国东部22个州及华盛顿哥伦比亚特区和加拿大安大略省。截止2013年，拥有4,074辆机车、30,943名雇员。2013年营业收入约112亿美元。2. 美国国家铁路客运公司美国国家铁路客运公司（National Railroad Passenger Corporation of the USA）、常用
4、商标为Amtrak、简称美国国铁或美铁，是美国一家长途和城际铁路客运公司，创立于1971年5月1日。Amtrak是一个由英文美国（America）和铁轨（track）组成的混成词。美国国铁于1971年创立的原因是为了免除铁路公司提供客运服务的法律责任。1970年代随着州际高速公路网的建立铁路客运也同时逐渐衰退。许多铁路公司因不堪客运亏损而请求关闭大部份的客运线，但当时的尼克森总统和国会议员不愿见到铁路客运在他们任期内消失，于是他们通过了铁路客运服务法案，创立了美国国铁，也在免除所有加入美国国铁系统铁路公司，提供客运服务的法律责任同时，赋予美国国铁在铁路公司拥有路线上受到保护的客运经营权。Amt
5、rak运营线路如图3所示。图3 Amtrak营运线路Amtrak最繁忙的5个城际铁路通道为：（1）Northeast Corridor（2）Pacific Surfliner Route（3）Capitol Corridor（4）Keystone Service (NY-NJ-PA)（5）San Joaquin Route二、美国高速铁路规划根据1991年制定的ISTEA法案，1992年美国联邦铁路局选择了5条高速铁路走廊，分别是中西部走廊、佛罗里达走廊、加利福尼亚走廊、东南部走廊和太平洋西北部走廊。1998年，美国又批准了另外6条高铁走廊，至此美国共批准11条高铁走廊。图4 美国高速铁路规划
6、事实上，美国目前仅有一条名义上的高速铁路“阿塞拉”号快速列车，它贯穿繁忙的东北走廊，从华盛顿通往波士顿。这趟列车的最快时速可达240公里，但由于与其他列车共用铁路线，其平均时速大大低于最快时速。比如，从华盛顿到纽约的平均时速只有127公里，而从纽约到波士顿的平均时速只有101公里。三、美国铁路管理体制1美国铁路管理架构根据1966年交通运输法案（49U.S.C103第3（E）（1）条），成立了联邦铁路管理署（FRA），其主要职责是保证铁路安全条例颁布实施，提供铁路管理援助计划，支持改进国家铁路和铁路交通运输安全的研究及发展，恢复东北铁路客运通道，加强政府对铁路运输服务的支持。FRA不直接管理铁
7、路企业。铁路企业成立相应的行业协会，依照技术法规和标准自主管理，约束各企业的行为。与FRA有关的协会主要有3个：北美铁道协会（AAR）、美国铁路小运输公司协会（ASRRA）和美国公共运输协会（APTA）。美国铁路管理层次如图4所示。图4 美国铁路管理架构（1）FRA（Federal Railroad Administration，联邦铁路管理局） FRA是根据1966年交通运输部法案而成立的机构，是美国交通运输部与联合运输相关的10个专门机构之一。FRA的职责是确保美国现在和将来人和货物能够安全、可靠和高效的流动。FRA日常最主要的职责是负责铁路系统的安全监管，其安全处负责具体的安全监察业务，
8、下设8个地区安全监察部，共有约750名安全监察员（其中总部250名），分为联邦一级和州一级。FRA的安全监管工作对象是铁路运营公司，除了对铁路运营公司提出安全建议并与其签约外，主要依靠分布于各地的工作人员遵照技术法规和现场工作人员工作手册对铁路运营公司以及设备进行现场检查。采用日常抽查和轨检车检测方式，检查项目包括设备的状态和铁路运营公司安全项目管理手册的执行情况，铁路机车车辆、线路、信号、桥梁等设施、设备及列车运营状况，对危险货物运输的安全保障情况进行检查并参与事故调查，对大桥的安全也有专人监管。检查人员可以随时按照现场工作人员工作手册进行检查，如有违反规定的，依照法规出具罚单，罚款进入财政
9、部通用项，如遇紧急情况，检查人员有权停止列车运行。FRA机构设置如图5所示：图5 FRA组织结构FRA下设8个区域管理办公室（分局），负责辖区内铁路的安全监管工作，如下图6所示。图6 FRA所辖8个区域管理办公室（分局） FRA有4个职能部门，分别为安全、法律制定、科研和发展和财政。FRA的安全部门具有美国铁路安全监察和监督职责，例如信号和列控部门有90名监督员，每年抽检全美4%的线路，还包括5400个道口的抽检。对于不符合联邦铁路法律的问题，FRA有权进行罚款，2013年全年FRA罚款为2500万美元。FRA通过以下措施确保铁路安全性:（1）联邦法（CFR，其中运输为Title49）；（2）
10、执行手册（包含对CFR解释的详细案例）；（3）安全咨询（对铁路和公共安全性的警告）；（4）执行协议/执行令（FRA与铁路运输公司就安全问题签订的法律协议）；（5）紧急命令（纠正特殊安全问题的法律命令）。（2）AAR（Association of American Railroads）AAR是确保北美铁路安全、迅速、高效、整洁、技术先进的非营利性技术协会，其成员包括美国、加拿大、墨西哥的铁路货运公司以及美国客运公司（Amtrak）等；其业务主要涉及铁路货运方面以建立行业标准为基础的技术服务，不同组织机构之间的运输协调和铁路技术基础性、耐久性和有效性的研究等。在美国铁路运输交换服务中，通过AAR的
11、交互规则和技术标准保障各公司的机车车辆及其部件的互换性、兼容性。A A R的标准手册和建议规范分为三大类。一般技术规范加“M”，标准加“S”，推荐规范加“RP”。针对铁路运营商的交换规则（rule），主要为装备使用和维护方面的内容；针对设备制造商的标准手册及推荐规范（Manual ofStandards and Recommended Prac-ticesMRSP），主要为装备和零部件机械性能方面的内容；货物装载规则，适用于铁路、国际贸易和货运的载荷规定。1）交换规则分为“AAR现场手册”和“办公室手册”。现场手册规定铁路车辆在互换性方面的可接受规则，概略说明可允许的修理、处罚限制、损害责任和
12、争议处理，禁止交换的车辆及部件列表等；办公室手册包括市场公平收费制度和车辆修理补偿金、修理费用的协议时间、标准及AAR对新造、改造、升级车辆的机械要求等。2）AAR标准（包括技术标准和检修规程）必须符合并严格执行FRA颁布的技术法规，主要侧重于机械设备性能、互换性、运输标准，也包括电气、列车通信信号等要求。AAR的标准主要包括：强制性的规范、标准及推荐实例，制动设备、罐车、机车、缓冲系统、车轮、车轴、轴承及车辆设计的专业出版物，M-1003 AAR质量保证规范，交换规则参考，19卷AAR铁路车辆及部件制造与修理技术标准，AAR专业技织相关协会制定草案、递交法规提案，经国会讨论通过后，以“联邦法
13、Title49交通运输”颁布施行“。联邦法Title49交通运输”有A、B两个副标题，标题A部分为“运输部行政法规”，标题B部分为“与运输有关的其他法规”。FRA铁路法规一般以“联邦法Title49交通运输”第2章联邦的铁路运输部编号No.200299发布，内容涉及轨道铺设、旅客服务、货车安全、信号安全及其检查维护的规定，其中与铁路动力设备有关的技术法规主要包括9个方面：货车安全标准CFR215，机车安全标准CFR 229，蒸汽机车安全标准CFR 230，铁路安全设备标准CFR 231，客运设备安全标准CFR 238，货车制动系统安全标准CFR 232，货车尾部反光设备安全标准CFR 224，
14、防误撞系统安全标准CFR 229、238和电控制动安全标准。（3）AREMA（American Railway Engineering and Maintenance-of-Way Association，美国铁路建设与维护协会） 美国铁路工程和道路维护协会（AREMA）于1997年10月1日成立，是由美国铁路桥梁和建筑协会、美国铁路工程协会、美国铁路商和道路维护协会、美国铁路协会的通讯和信号局四个组织合并而成。其宗旨是发展和促进技术和实践知识，以及制订关于铁路基本设施的设计、结构和维护的推荐规程。（4）APTA（American Public Transportation Associati
15、on，美国公共交通协会） 美国公共交通协会成立于1956年。主要研究公共交通领域的标准，包括公共汽车、城市辅助客运系统、轻轨、通勤轨道、地铁、水路客运和高速轨道。2美国铁路技术标准美国铁路没有国家技术标准，其技术标准均由相应的协会和技术机构制定发布实施。最著名的是AAR发布的技术委员会的职责，代表AAR的TTCI管理委员会和维护标准。AAR规则每年更新两次。无论标准还是规则的制定或修订，都以试验数据作为依据。AAR主要通过标准来协调各成员之间安全与运输方面的问题。除标准外，各公司间还签有协议书，规定了在对方运行出现故障时的职责范围。对于非成员公司，他们与成员公司间也签有协议，保证AAR标准的实
16、施。AAR不要求所有从事铁路运输的公司都是其成员，但通过上述措施，使非成员也受A A R标准约束。AAR标准的具体编制工作由其所属的技术机构（TTCI）组织各专业技术委员会负责。美国交通技术中心（TTCI）对AAR标准实施的检查TTCI是AAR所属的技术机构。为了保证AAR标准的贯彻，TTCI有21名标准检查执行人员负责检查各成员对AAR标准贯彻实施的情况。检查是定期进行的，每个成员每年至少一次，检查收费按照上一年运营费用定价。检查方式以现场核查、抽样试验为主，并查看记录。TTCI不同审核制度在检查方式上时间分配差异见表。3美国铁路产品认证制度（1）根据AAR标准规定，对美国铁路运行的机车车辆
17、及其部件都要进行认证。AAR认证分为质量保证体系认证和产品质量认证。AAR标准要求，不仅新型车辆必须做鉴定试验，而且修理后的车辆也要做疲劳试验。同时，AAR标准对AAR的会员具有约束力，一些小公司要进入铁路也必须通过AAR认证（2）AAR的质量体系认证依据AAR标准手册M-1003:2003进行，该规范对应ISO/IEC9000:2000，覆盖了AAR对材料、产品和服务的认证要求，适用于铁路用的新产品或翻新产品，其目的是确保制造材料、产品和服务的安全性、可互换性和经济性。AAR质量体系认证证书有效期3年，在有效期内，每年均要由其认可的1名审查员对质量体系进行一致性审查，以确认其连续符合M-10
18、03：2003的要求。产品质量认证则按照相应的产品技术标准进行型式试验，A A R颁发合格证。（3）AAR质量认证由AAR组织，TTCI标准部门负责认证检测试验、工厂审核等具体工作，认证证书由AAR技术委员会决定，AAR颁发。涉及的产品主要为机械零部件，如车轴、轴承、制动机等。货车及其组件的正式批准一般包含维护和检验要求，部件的正式批准需要技术认可和质量保证认证。4TTCITTCI（Transportation Technology Center Inc.，美国交通技术中心有限公司）是AAR的下属机构，TTCI通过研究和试验为北美乃至全球铁路工业铁路技术方案。TTCI的职责是为客户提供高效和充
19、分的铁路研究、咨询、测试、系统工程、检测、培训和标准的技术支持。TTCI负责管理联邦铁路管理局（FRA）的交通技术中心（TTC），该中心位于科罗拉多州Pueblo市东南方向21英里处，占地52英亩、线路总长48英里（约77公里），拥有大量专业实验室。可以独立的进行货运和客运车辆、机车和轨道部件等各类型的试验。中心拥有的三个环形试验线：铁路试验线（RTT）、运输试验线（TTT）、加速试验线（FAST），还有一条车辆动力学试验线和一条冲击试验线，如下图7所示。图7 TTCI中部试验基地此外，TTCI在铁路公司运营线路上还有3个试验场，如图8所示：图8 TTCI试验场（1）北部试验场，位于加拿大曼尼
20、托巴省温尼伯。（2）西部试验场，位于内布拉斯加州Ogallala市，为联合太平洋公司线路。（3）东部试验场，位于西弗吉尼亚州Bluefield市，为诺福克南方公司线路。四、加州铁路现状及高铁规划1CaltrainCaltrain是加州旧金山半岛和圣克拉拉山谷的通勤铁路，北部起点在旧金山4th and King streets，南部终点在吉尔罗伊（Gilroy），Caltrain拥有29个车站、1个为橄榄球服务的车站(Stanford Stadium)、2个周末车站(Broadway and Atherton)。Caltrain由半岛交通联合会（Peninsula Corridor Joint
21、Powers Board）管理，1992年2012年由Amtrak运营，2012年至今有TransitAmerica Services运营。Caltrain全长124.6km，拥有29辆机车和118辆客车，最高时速为127km/h。线路如下图所示。图9 Caltrain线路图Caltrain线路划分为四个区域，票价根据跨越区域的数量制定，规则如下： 1个区域内：$3.25 2个区域：$5.25 3个区域：$7.25 4个区域： $9.25 5个区域：$11.25 6个区域：$13.252加州的城际客运铁路美国最繁忙的5条客运线路中，加州境内占了3条，加州客运量占了美国国铁全部客运量的1/5。（
22、1）Pacific Surfliner Route（太平洋海岸列车路线）图10 Pacific Surfliner Route Pacific Surfliner Route从圣地亚哥（San Diego）到圣路易斯奥比斯波（San Luis Obispo），全长351英里，由Amtrak公司运营。工作日运营从圣地亚哥到洛杉矶11个往返的班次，洛杉矶到圣巴巴拉（Santa Barbara）5个往返的班次，洛杉矶到圣路易斯奥比斯波2个往返的班次（到圣巴巴拉列车的延伸），2013年运量为270万人次，是美国第二繁忙的客运通道，列车运行在BNSF、Union Pacific、Metrolink和Sa
23、n Diego Northern四家铁路公司的线路。（2）Capitol Corridor（首府通道）Capitol Corridor由奥本（Auburn）到圣何塞（San Jose），全长169英里，由Amtrak公司运营。工作日开行15个往返萨克拉门托到奥克兰的列车，其中7班延伸到圣何塞、1个往返由奥本始发，2013年运量为170万人次，为美国第3繁忙的线路。列车运行在Union Pacific、BNSF公司的线路上。图11 Capitol Corridor （3）San Joaquin Route（圣华金线路）图13 San Joaquin RouteSan Joaquin Route从
24、奥克兰（Oakland）到贝克斯菲尔德（Bakersfield）为315英里，萨克拉门托（Sacramento）到贝克斯菲尔德为282英里，由Amtrak公司运营。每天开行4班奥克兰-斯托克顿市（Stockton）-贝克斯菲尔德的列车，2班萨克拉门托-斯托克顿市-贝克斯菲尔德的列车。2013年运量为120万人次，为美国第5繁忙的线路。列车运行在Union Pacific、BNSF公司的线路上。2013-2014年度，加州政府为3条客运线路总计提供了1.089亿美元的财政支持： Pacific Surfliner Route：0.368亿美元 San Joaquin Route：0.424亿美元
25、 Capitol Corridor：0.297亿美元3加州高铁规划加州是美国人口最多、经济最发达的州，2010年人口为4000万左右，预计到2050年可以达到6500万，目前真正有望破土动工的可能是加州的高铁项目。加州高铁规划如下图所示。图14 加州高速铁路规划加州高速铁路规划长度为790英里，其中新建线路约450英里。规划车站26个，其中24个为既有车站改造，新建2个。计划到2025年完成旧金山洛杉矶的线路，计划投资680亿美元，其中450亿美元投资有望得到保证，主要资金来源有三个方面：联邦政府拨款（34亿）、加州财政（90亿）、25%的碳排放税。设计最高速度220英里/小时（354公里/小
26、时），建设完成10年后可能提高到250英里/小时（402公里/小时），预计客流量最少450万人次/年，最高910万人次/年。五、美国铁路技术发展1重载铁路美国铁路自1980年全面发展重载运输以来，铁路货运占领美国货运市场的份额直线上升，从1980年的35%增加到2000年的41%，车辆的平均载重增加了15.1%，虽然运价已降至1.6美分/1吨公里，运行成本却还下降了60%，线路维修成本下降了42%，劳动生产率提高了2.71倍。美国通过19881995年在FAST环线上进行35.4t轴重的重载列车与线路相互作用运行试验，累计运量达10亿t，对开行35.4t轴重的重载列车安全性和经济性进行了研究，
27、重点对制约增加轴重的主要因素，如桥梁、钢轨、道碴、路基、焊接接头等进行详细的检测，试验结果表明在北美开行35.4t轴重是可行的、安全的。但出于对线路维护成本的考虑，北美重载铁路平均轴重约为32.5吨。2003年美国在东北走廊高速铁路的巴尔的摩和Rerryville间不仅开行240km/h的Acela高速列车，还同时开行轴重为30t、平均速度为80km/h的重载列车。这是世界既有线高速铁路同时开行重载货物列车轴重最大的一条铁路。1959年美国GE-Harris公司首先研发成功Locotrol系统，现在已经发展到第4代，采用无线通讯闭环控制方式在前后部机车间传输命令及反馈信息。使用Locotrol
28、具有以下优点：1）获得最佳的动力分配和制动操作，增加总吨位牵引能力（列车长度加长）、改善资产利用率、减少列车内部受力、减少对乘务员的需求（使用长列车时）；2）减少列车在陡坡运行时的车钩受力，不需要有人驾驶的补机；3）更快的加速和减速，改善铁路通过能力减小列车间隔、更快的循环周期、减少停车距离、减少停车时间；4）增加牵引效率和减少滚动阻力，改善燃油的经济性、减少轮缘和铁轨的磨耗；5）更快的制动缓解动作，有效地减少制动管充风时间, 从而减少循环时间、改善对低速列车的控制、更平稳的制动动作、改善对列车间隙效应的控制，减少货物的损失；6）可以将多个短列车联接成一个长列车，增加线路通过能力、简化调度场对
29、列车分解的后勤支持。2主动列车控制PTC2008年9月12日，一辆联合太平洋铁路货车和南加州城市铁路文图拉县线在查茨沃思区相撞，事故导致25人死亡，135人受伤。随后，美国国会通过了铁路安全改进法案（Rail Safety Improvement Act of 2008），法案要求在2015年12月底前在北美主要干线安装PTC系统，预计覆盖美国70%90%的主要线路，但目前来看，PTC系统的安装进展缓慢，恐怕要延后数年。根据铁路安全改进法案，PTC系统需要实现以下功能：（1） 防止列车相撞（2） 防止列车超速出轨（3） 防止列车侵入施工限界（4） 防止列车通过道岔侵入错误区域PTC系统通过GP
30、S获取列车位置的地理坐标（经纬度）并与线路地理数据进行比对，从而得出该时刻的列车位置信息。然而，从GPS获取的列车经纬度信息会有一定的偏差，这对于列车精确控制系统而言，足以对列车安全行驶和制动曲线的精确性产生严重影响，需要对位置信息进行修正。PTC系统在判定列车位置之前，使用加速度计、光纤陀螺和转速计探测出列车加速度数据、横向加速度数据及列车速度数据，经卡尔曼滤波去除噪声后得到真实加速度和速度信息，再结合线路信息数据库进行比对，最后得到列车实际位置信息。使用卫星对列车位置进行定位，不需要在轨道上安装轨旁设备，方案实现简单，但对GPS的精度和实时性有较高要求，PTC要求列车定位水平精度为1.3米（XY）、垂直精度（Z高程）为0.8米。
