高鐵車輛發展趨勢
96/09/05
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張有恆｜
成功大學交通管理科學系
蘇昭旭｜
高鐵探索館
現代的高鐵列車不停地推陳出新，朝向速度更快、能源使用更經濟、運用更具彈性等多重目標邁進。到2006年為止，可以歸納出全球高鐵科技的「發展趨勢」共有8項重點。
車體輕量化
為了讓高鐵列車的加速性與爬坡力更好，車體輕量化是趨勢之一。早年日本新幹線用鋼製車體，讓高鐵列車堅固如坦克車，但這樣的觀念已經過時，先進的號誌與控制系統比厚重的鋼板更能保障行車安全。而鋁合金車體可以符合新的要求，例如日本700系新幹線的車體，車殼採用雙面鋁擠型中空面板結構，具有與飛機同等級的隔音裝置，以維持旅客車廂的靜音，提供舒適的車廂環境。現代的高鐵生產製程愈來愈像飛機，造價也愈趨昂貴。
日本新幹線在1994年之後完全不再生產鋼製車體，同等級的舊型鋼製列車，也陸續以鋁合金車汰換。法國高鐵自1996年的TGV－D開始全面採用鋁合金車體，德國高鐵在1991年第1代ICE1推出時，就是採用鋁合金車體。臺灣高鐵700T列車車殼採用鋁擠型中空面板結構，也符合這個科技趨勢。
更佳的能源效率
高速鐵路早年發展時，因為直流馬達扭矩大，加速力佳，大部分都採用大功率的直流馬達。然而，隨著現代電子科技的進步，現代高鐵都使用VVVF（Variable Voltage Variable Frequency）控制的交流感應馬達，取代能源損失高、維修成本高的直流馬達。不但列車功率提升，對於電子變速機的切換、爬坡路段高扭力低轉速、水平路段低扭力高轉速等，也都有更佳的能源效率。
例如法國高鐵在1989年的TGV－A採用這樣新的動力系統，以最高時速300公里稱霸全球，也創下1990年515.3公里／時的世界紀錄。德國高鐵在1991年第1代ICE1推出時，也用一樣的交流動力系統。1991年日本新幹線300系誕生時，開始全面採用VVVF控制的交流馬達。臺灣高鐵700T型在動力系統方面比照500系規格採用285 KW交流馬達，功率比700系275 KW交流馬達還高，合乎這項科技趨勢。包含2007年4月3日，法國TGV－V150動力技術提升也不例外。
提高列車舒適性
當火車速度增快時，因為流體力學的頻率性震動，車體蛇行晃動與噪音也相對大增，尤其標準軌列車時速在高達200公里以上時，問題更為明顯。
先進的高鐵列車為適應高速行駛的環境，車體採用半自動式橫向減震系統、車身間止晃減震器、以及無枕梁式轉向架等裝置，可以抑制車身高速搖晃。而T型低噪音集電弓和集電弓整流罩，可以減低行駛時的噪音及阻力。臺灣高鐵700T型、日本新幹線700系與800系都採用以上裝置，可以提高旅客乘坐的舒適性，並能有效降低車內噪音。
併結運行提升營運彈性
早年日本新幹線採固定16輛編組，用於東海道新幹線，這在東京大阪之間起訖兩端運量都很大時並無問題。然而隨著路網不停地擴充，當同一路線上運量分布不均時，併結功能更可以發揮營運彈性。例如東北新幹線，東京到仙臺運量很大，以E4 + E4雙組16節併結運行，提供最多座位數。但是仙臺到盛岡運量減少，則只留下一組E4單組8節運行，以提高座位利用率。這樣的分割運行稱為「彈性運量編組」，相同的情形也運用在上越新幹線，東京至高崎E4 + E4，在高崎拆解編組，以單組運行至越後湯澤。
法國TGV從第1代列車TGV－PSE開始迄今，全系列都有併結雙組運行的功能。也就是兩組車行駛至某車站後，會拆開各自開往不同目的地。例如巴黎至布魯塞爾的TGV Thalys列車，在布魯塞爾停站後分成兩列，一列向西開往奧斯坦德，一列向北到阿姆斯特丹。這對於不規則的路網營運很重要，相當於兩班車在前段合併成一班車，以提高運行效率。
德國高鐵1991年第1代ICE1沒有這項功能，但在1997年第2代ICE2便加入併結運行的設計，後期包含ICET、ICE3都採用5～8輛的短編組，黃金路線雙組併結運行，次級路線單組運行。臺灣高鐵目前是單一路線，暫時用不到這項功能。
減低風阻
高鐵為了減低風阻與通過隧道時的「活塞效應」產生的阻力，車頭形狀更具流線型，甚至在設計階段經過風洞試驗，讓現代的高鐵車體設計愈來愈像飛機。例如日本新幹線500系鋁合金的輕量化車體，車體渾圓像飛機機艙，打破歷來車輛結構的四角概念。為有效降低風阻，車頭前端與駕駛室座艙罩仿F－16戰機，創造出500系長達15公尺的尖銳車鼻，贏得路上戰鬥機的稱號。而700系的鴨嘴狀車頭，也是相同的道理。德國高鐵2000年ICE3流線型的美感，更是藝術的傑作。
由於高鐵通過隧道時氣壓驟變，會造成旅客耳朵疼痛，因此全車氣密結構是必須的，也就是須有類似飛機的恆壓艙。從1991年之後生產的高鐵都有這項設計，包含臺灣高鐵在內。不過，臺灣高鐵的隧道已設洞口環構造，有助於列車進入時排出空氣，因此700T的車鼻略短呈尖銳狀，比日本700系短1公尺。
多重電力與號誌
高鐵列車可以行駛各國不同的電壓，甚至不同的號誌系統。這一項在歐洲是最常見的，以實現歐盟鐵道國際互通性。
例如歐洲國際列車TGV Thalys PBKA的營運路網，包含巴黎、布魯塞爾、阿姆斯特丹、以及德國科隆4個城市，因此必須具備4種電力系統，即法國SNCF AC 25 KV 50 Hz、荷蘭NS DC 1500 V、比利時SNCB DC 3000 V、與德國DB及瑞士SBB的電力系統AC 15 KV 16又2/3 Hz，如此Thalys PBKA可行駛包含法比荷德瑞5國。德國高鐵ICE3M因為定位在國際線列車，因此也具備同樣的電力系統。Thalys PBKA與ICE3M可稱為實現國際互通性的空前傑作！
類似的情形在日本也有，因為東京地區使用電壓頻率與長野不同，列車必須可以切換電壓頻率，所以E2系在行進間可切換50Hz和60Hz電壓頻率。這項功能比較特殊，只有E2系堪稱是代表之作。而臺灣高鐵700T目前是單一電壓AC 25 KV 60 Hz，用不到這項功能。
此外，駕駛座設於中間，可適應左行與右行號誌系統，與彈性雙向號誌系統，例如歐洲之星Eurostar、Thalys PBKA、德國高鐵ICE3M都是駕駛座設於中間。臺灣高鐵700T雖然不是國際列車，由於原始設計是雙向號誌系統，必要時可切換至對向軌道，增加營運彈性，因此也追隨這一國際趨勢，把駕駛座設於中間。
數位ATC系統保障行車安全
ATC（Automatic Train Control System）號誌系統於1964年已經在日本誕生，成效良好，創造日本新幹線長達40年零肇事的紀錄。隨著電子科技進步，ATC號誌系統從傳統類比電流，進步到數位編碼，可進一步縮短列車間距，保障行車安全。先進的數位ATC系統，應用在九州新幹線800系，臺灣高鐵700T型也採用這一先進系統。
而且ATC系統可結合GPS衛星定位與GIS電子地理資訊系統，在現有軌道電路之外複製另一套列車偵測系統，CTC行控中心掌控列車更加一覽無遺，讓安全更有保障。歐盟主要國家已把這個裝置介面列入歐洲國際高鐵的技術協定中。
傾斜裝置高速過彎
所謂的傾斜列車是指列車行經彎道時，利用車身向內側的傾斜來提高列車的速度，以求得整體營運速度的提升。這種列車最大的好處，在於不需要立即興建高速新線，可以就現有路線提高營運速度，等時機成熟經費足夠，再逐步改善舊線或興建高速新線，以達到漸進完成「傳統鐵路高速化」的目的。
傾斜列車可分成被動式與主動式兩大類。被動式是指利用離心力讓列車過彎時自然傾斜，傾斜角大約在3.5～5度左右，約可提高行車速度15～20％。例如日本的381系電車，利用車體下方裝有滾輪等滑動結構，與西班牙的Talgo Pendular利用車體間框架上的兩顆空氣彈簧，類似不倒翁原理般把車體往外甩，都是著名實例。
針對被動式傾斜列車的效果有限，而且有過彎之後的反應延遲、S型連續彎道產生誤動作等問題，便發展出主動式傾斜列車。主動式傾斜列車利用飛機陀螺儀的原理，行經彎道時偵測出列車彎道超高傾斜的向量，連同行車速度一併經由微處理機運算，計算出最佳的增加傾斜角度、角速度與行車速度。以高速通過彎道，傾斜角大約在8～10度左右，約可提高行車速度35％。除了日本的窄軌系統之外，德國ICE－T、義大利的ETR與瑞典X2000，可說是全球標準軌主動式傾斜列車的佼佼者。
其實，傾斜列車也有一些缺點，就是在高速過彎時，會令車上旅客產生暈眩等不適。因此儘管實驗上傾斜列車的效率可以更高，但主動式的傾斜角限制在8度左右，並加入全車氣密結構，讓旅客的可能不適降低。臺灣自2007年5月8日起也開啟太魯閣號「傾斜列車」的營運之門，最高時速130公里，由於彎道速度提升，臺北至花蓮只需1小時59分鐘，讓北花航線飽受壓力。
雖然傾斜列車是現在許多歐洲國家發展高鐵時的另一種技術選擇，但也可能出現在現有的高鐵線上。例如日本東海道新幹線，由於年代久遠，許多彎道限制了車輛的性能，不能以全速行駛。因此下一代的日本N 700新幹線，會加入傾斜裝置，讓最高時速的行駛區間，從現有的三分之一增加至三分之二，縮短旅行時間15％以上，讓東海道新幹線的營運效率進一步提升。
挑戰速度極限
除了以上8項之外，提高火車過彎的速度，可以再打破原有的速度極限。2007年4月3日，法國高鐵TGV－V150試驗車刷新世界紀錄，創下時速574.8公里／時，直逼磁浮列車MLX901所保持的581公里／時，6月10日起東歐線通車，TGV－POS也將修正營運時速為320公里。因此人類在2010年之後，下一階段高速鐵路的目標時速，將提升至350公里。目前全球高鐵普遍的營運時速是300公里，包含1989年法國TGVA、1997年日本新幹線500系、臺灣高鐵，與2000年德國高鐵ICE3所創造的紀錄，又將成為一頁歷史。
高品質的運輸服務
其實以全球高鐵發展趨勢來看，臺灣高鐵700T列車無疑地是一款相當傑出的列車，8項趨勢中除第4、6、8項暫時用不到而無配備之外，該有的先驅指標都已具備。而減少這3項，也可減少營運初期車輛維修的複雜度。因此就硬體而言，臺灣高鐵700T列車的品質是無庸置疑的。
然而，高鐵的服務對象是民眾，高品質的運輸服務，除了有高品質的「硬體」做後盾，更應有優良的「軟體」去發揮，才能產生效果。這好比買了一款傑出亮麗的轎車，還需要有駕駛人嫻熟的開車技術，遵守交通規則的道德修養，定期用心與細心的保養，才能讓每個搭車的旅客感受賓至如歸的喜悅，也才可以使這部車的使用年限更久，路走得更長更遠。企業體的永續經營，何其不然！
臺灣高速鐵路的速度歷史紀錄
民國93年1月，臺灣高鐵700T型列車在日本出廠正式亮相，5月25日700T型列車運抵臺灣高雄港，送往高雄燕巢總機廠進行組裝。民國94年1月於高雄大社至臺南六甲，長約60公里的試車線開始運行，1月27日在臺南站舉辦試車典禮，南部民眾開始可以看到700T型高鐵列車在高架橋上奔馳。
民國94年3月31日700T試車，時速達到120公里。民國94年8月30日14：25列車時速首度達到200公里，達到高速鐵路的基礎門檻。民國94年10月29日12：42達到營運時速目標300公里，寫下臺灣鐵道史上的歷史新頁。民國94年10月30日12：03，700T型列車更超越營運時速，達到315公里。民國96年1月5日，臺灣高鐵正式營運，以時速300公里行駛，臺北至左營直達車，中途只停板橋和臺中，最快只需96分鐘。
