铁路选线理论及发展趋势课件

1、铁路选线理论及发展历史西南交通大学 易思蓉2019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发展趋势主要内容21、铁路选线理论体系铁路选线的基本原理与任务铁路选线基本理论铁路选线方法3铁路选线的基本任务与原理铁路选线的主要任务选定铁路的主要技术标准设计线路的空间位置（平面、纵断面）布置线路上各种建筑物，如车站、桥梁、隧道、涵洞、路基、挡墙等，并确定其类型或大小4铁路选线方案应满足的基本要求保证技术上的合理性保证经济上的合理性保证环境的融合性铁路选线的基本任务与原理5铁路选线的基本原理在项目起迄点间，以满足运输需求为前提，选

2、定若干满足技术要求的线路方案（包括车站分布、长度、曲线、克服高程、坡度、以及牵引性能等技术指标的组合），通过对各方案的技术合理性、经济合理性和环境融合度进行评价，确定能达到最佳经济效益方案。选线设计的基础数据自然与人文环境信息预测的客货运量选定的牵引动力 铁路选线的基本任务与原理6选线设计的基础数据自然、人文环境信息地形、地理、地质、气象、水文、社会、人文等预测的客货运量客货运量是选定铁路主要技术标准的依据 客货运量决定铁路的运营收入、运输成本、投资偿还期等经济效益指标。客货运量还是影响线路方案取舍的重要因素。选定的牵引动力 设计速度牵引质量运行模式 铁路选线的基本任务与原理7铁路选线的基本理

3、论铁路选线理论研究的问题走向规划技术标准拟定空间线形设计8铁路选线的理论基础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基本理论9铁路选线理论的构成选线几何学选线动力学选线经济学环境选线理论地质选线理论选线信息技术铁路选线的基本理论10铁路选线理论与方法学选线几何学线路空间线形选线动力学选线经济学环境选线理论地质选线理论选线信息技术铁路选线的基本理论11铁路选线理论与方法学选线几何学选线动力学牵引计算行车动力学空气动力学选线经济学环境选线理论地质选线理论选线信息处理技术铁路选线的基本理论12铁路选线理论与方法学选线几何学选线动力学选线经济学国民经济计划社会经济环境经济运输经济铁

4、道工程经济环境选线理论地质选线理论选线信息处理技术铁路选线的基本理论13铁路选线理论与方法学选线几何学选线动力学选线经济学环境选线理论自然环境景观环境人文环境区域环境地质选线理论选线信息处理技术铁路选线的基本理论14铁路选线理论与方法学选线几何学选线动力学选线经济学环境选线理论地质选线理论工程地质工程、地理测绘水文地质选线信息技术铁路选线的基本理论15铁路选线理论与方法学选线几何学选线动力学选线经济学环境选线理论地质选线理论选线信息技术计算机科学、空间信息技术、虚拟现实技术、智能决策技术、优化技术与上述选线理论的融合铁路选线的基本理论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

5、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发展趋势主要内容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(George Stephenson)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）。为了铁路的安全、经济和高效修建，有关铁路选线理论和

6、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 从1877年，美国工程师惠灵顿(Wellington Arthur M.)出版了他的铁路选线经济理论（The Economic Theory of the Location of Railway）的第1版至今，经过130多年的发展，铁路选线的理论不断完善和成熟起来。130多年来，铁路选线原理中的纯数学特征，比如曲线、坡度等基本元素的几何特征并没有发生变化，但是轨道的修建技术、机车车辆等移动设备、列车控制技术、运营调度技术却在不同时代发生着巨大的变化，有时甚至是革命性的变化，与铁路高速、重载、高密度运输系统技术相适应，铁路选线设计的理论

7、和方法也随时代的不同而发展和进化。 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贡献是典定了铁路选线经济学的基础，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(Wellington Arthur M.)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（The Economic Theory of the Location of Railway）的第1版。 该书直到20世纪初期还多次修订和增订。惠灵顿为美国铁路定线设

8、计创建了一个理论体系欧美的铁路选线经济学基本上是在惠灵顿的理论基础上发展。23铁路选线理论的历史轨迹美国1893年，美国Pennsylvania大学土木工程（铁路工程）教授、Walter Loring Webb出版了第一本系统介绍铁路工程设计、施工和维护理论的大学教材。该书从1893年至1931年间共再版9次，一直使用到1950年代。该书在系统介绍了外业定线、内业地形图定线的原理基础上，还介绍了航测选线技术。在线形部分（alignment）详细介绍了单曲线、复曲线、缓和曲线和竖曲线的定线原理。 24铁路选线理论的历史轨迹美国1900年，美国铁路工程协会(American Railway Eng

9、ineering Association-AREA)发布了第1期年报（AREA Engineering Proceeding）；在该年报中，报道了“选线与坡度的改善”的研究项目成果。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规范是需要在全国应用的规定。 25铁路选线理论的历史轨迹美国1906年，美国Pennsylvania大学土木工程（铁路工程）教授、Walter Loring Webb出版了一本关于铁路工程经济学的著作Th

10、e Economics Railroad Construction。该书在其第三部分详细阐述了铁路设计中有关车站分布、线路长度、曲率和坡度的相关经济学问题，并阐述了基于经济学原理的线路长度、曲线和坡度等主要技术参数的设计原理。1907年，美国成立了“铁路定线经济委员会”（后称铁路定线与运营经济委员会）。该委员会的阶段性研究报告继续了60年，直到1967年终止。每年的年报和AREA手册刊载了大量与铁路相关的论文。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，Edward C. Schmidt 教授，在Illinois铁路中心的做了一系列试验Schmidt-Tu

11、thill 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，J.K.Tuthill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-Tuthill Experiments试验资料，W.J.Davis综合考虑滚动部分、轴承、轮缘等摩擦影响，推导出下列空气阻力

12、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(Clement G. 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(Design of Railway Location)，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美国1

13、953年2月，美国Illinois大学威廉W海(Williams W. Hay)教授撰写出版了大学教科书铁路工程（Railroad Engineering），1982年W. W.Hay教授根据电力、内燃机车的发展，在1953年版铁道工程的基础上，再版了Railroad Engineering。该书由铁路选线原理和铁路建设与维护技术两部分内容构成与1953年版的铁道工程相比，1982版增加了电气化铁路牵引计算、高密度和重载铁路线路设计原理、既有线改建和增建二线的选线设计原理和方法；WWHay在绳正法的基础上，介绍了正矢法用于曲线改建的拨距计算原理。 30铁路选线理论的历史轨迹美国1950年代和1

14、960年代以来，美国铁路运营状况已大大改观了：计算机技术的发展和列车运行动力学的研究，使铁路能够运行长几千米重数万吨的货物列车。为了与其他运输方式竞争，少数美国铁路兴建了高速客运线。这些因素都要求更新工程决策在经济考虑方面的细节。 1965年，美国Illinois大学的R.W.Druckeer开发出了牵引计算程序（绘制V-S曲线，Train performance diagram-列车运行图，列车性能图） 31铁路选线理论的历史轨迹美国1967年，AREA建立了系统工程委员会，其后多年来，完成了许多专门研究的课题。其主要课题有：系统工程的教育，为系统工程用于铁路工程而扩充的规范手册，为工程师管

15、理体制而扩充的规范手册等。 1974年，美国堪萨斯城的中西部研究所开发了AAR铁路网络仿真分析系统)。AAR Network Simulation system, A Tool for the Analysis of Railroad Network Operations, developed by the Midwest Research Institute, Kansas City, Missouri, February 1974。 32铁路选线理论的历史轨迹法国法国在铁路建设中，一贯重视规范化和标准化工作，早在1842年，法国制定了最早的铁路工程规范。 如今，国际铁路联盟的许多规范和规程

16、，是依据法国铁路设计规范制定的。33铁路选线理论的历史轨迹法国1884年，法国桥梁与道路（Points ET Chaussees）部颁布了由桥梁与道路总监帕蒂奥特（L.Partiot）撰写的“Instruction pour la Preparation des Projets et la Surveillance des Travaux de Construction de la Plate-Forme des Chemins de Fer”。（铁路线路与站场规划、设计与施工指南）。该指南详细叙述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。 3

17、4铁路选线理论的历史轨迹法国1897年，1984年的指示颁布13年后，公共工程局发表了由西罗特(A.Sirot)撰写的：“Chemins de Fer-Construction et Voie”（铁道工程手册） 。这是一项铁路选线、轨道、结构和车场设施并包括财务预算在内的有关铁路设计、施工和维修的综合指示。由此可以了解到，20世纪以前，法国铁路工程的技术标准已相当高。 35铁路选线理论的历史轨迹法国1920世纪初，法国铁路工程师的选线技术主要表现在实际工作中。法国铁路人员进行了昆明到越南的滇越铁路选线。该线地形条件十分复杂，这条米轨铁路选线精巧，而且无大量工程。从昆明到边界的一段铁路，现在仍在

18、运营，没有干扰。其选线艺术和建筑物的细部设计艺术，都是值得称赞的。 36铁路选线理论的历史轨迹法国1927年，法国国有铁路总工程师阿莱勒特（M.R.Allegret）教授在“Project De Trace et de Terrassements”（铁路线路规划）一书中，提出铁路选线经济与技术的理论。该文献曾作为早年的公共工程专业学院的教科书。 1936年，法国的罗伯特-勒维（Robert Lebi）撰文，在运量预测、地铁网和工业铁路方面，补充了更多的内容。 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(Octave Leduc)出版了Cours d

19、e Chemins de Fer(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法国1960年代，法国铁路突出成就是：建成了巴黎到里昂的TGV铁路。该线的线路质量很高，但工程费并不昂贵；采用最大坡度为35，以避免隧道工程。法国国有铁路把节省出来的一大笔投资，用来全力进行机车车辆、信号和安全保护设施的现代化。平原地区的最小曲线半径大到4000m，使在常规轨道上的实验速度可达380km/h。 39铁路选线理论的历史轨迹法国1977年，法国国有铁路设备指导、国立桥梁与道路学院教授，让-阿利亚斯(Jean Alias)出

20、版了La Voie Ferree Techniqyes de Construction of dEntretien一书。该书系统介绍了法国铁路先进的技术成就。铁路技术的进步不断地影响着铁路定线设计。 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200250km/h的速度下进行乘客舒适度试验结果表明：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，产生的欠超高达到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

21、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德国德国的运河和道路工程的历史比铁路的还要长很多。实际上，铁路选线技术和测量方法是从运河工程和道路工程继承来的。 德国铁路专家对铁路选线理论的突出贡献在山区铁路选线技术、牵引计算方面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(Franz Kreuter)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-Linienfuhrung der Eisenbahnen und Sonstigen Verkehrswege。在这本书中，铁路定线的叙述构成它的主要部分。早在那个年代以前，德国工程师对机车车

22、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若干经验。 43铁路选线理论的历史轨迹德国1906年，布卢姆(Blum)、巴里斯(Barries)和巴克豪森(Barkhausen)出版了他们合著的Eisenbahntechnik der Gegenwart，该书通过列举大量铁路选线实例，论述了定线技术。 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基础上，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

23、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发展，奠定了欧洲和前苏联铁路线路设计的新基础。 45铁路选线理论的历史轨迹德国1940年，威廉姆-密勒（Wilhelm Muller）教授出版了Die Fahrdynamik der Verkehrsmittel。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德国1953年，威廉黑姆-密勒根据长

24、期的研究工作，完成了Eisenbahnanlagen und Fahrdynamik-Zweiter Band, Bahnlinie und Fahrdynamik der Zugforderung一书。在该书对列车工作性能做了专门的研究。随着列车阻力和蒸汽机车牵引特性的实验数据与运营数据的充分积累，以及电力机车方面的经验，1953年出版的这本书前进了一大步。该书在列车阻力的分析、牵引特性图、列车的力学性能、能量消耗与时间消耗等方面的论述，都相当深入。因此，机车车辆投资和运营支出的估算更为精确。由此，技术决策和定线设计就有了一个经济合理的基础。 47铁路选线理论的历史轨迹德国中间站定位和客运站

25、、货运站以及机务段的配置图，都与正线紧密相关。在勒维1936年版的法文著作、勒迪克1949年版的法文著作和密勒1953年版的著作中，都提供了有关车站及枢纽布置图以及设计的大量内容，这也是欧洲图书的特色之一。 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）19

26、38年，高林诺夫（）教授出版了一本与前书同名的铁路设计（），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，

27、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，在已知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俄罗斯（前苏联）19701974年，前苏联全苏运输工程科学研究院勘测设计自动化实验室在科

28、学技术博士马雅夫斯基的领导下，进行了铁路线路纵断面优化的理论和实验的研究。1977年，马雅夫斯基在（最优化方法在铁路纵断面设计中的应用）一书中，详细介绍了其研究成果。 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，从基本理论到所含内容，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规范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

29、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中国1905-1909期间，中国铁路工程的奠基人詹天佑领导设计和监理修建了著名铁路工程北京到张家口的山区铁路。这个长200km的工程，其突出特点集中体现于技术决策中，其主要组成部分有：最大坡度33，美国制造的复式马来（Mallet）型机车，一座长隧道，各个组成部分相互协调，还有精湛的展线技术。这条线路连续运营近90年，后来运量增大，该线改为只通行旅客列车。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

30、定了“京张铁路标准图”、 隧道施工组织规划、京张铁路工程规范，包括行车、养路、机车、巡警、电报等规则共33章，可以说该规范是中国历史上最早的设计与管理规范。19091919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，随着铁路路网的发展，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。

31、 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发展而形成的。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计划学（1945-共四册）等；这些教材奠定了我国铁路选线设计理论的基础，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

32、量不足，设计质量不高，缺乏指导性设计文件（设计规范、定型设计、勘测细则等）等一系列重大问题。铁道部成立了专门的勘测设计总队，并逐渐发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。19571958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

33、设计院，设计总局与工程总局、基本建设局合并为基本建设总局。61铁路选线理论的历史轨迹中国1950年代，为了提高设计质量，在学习前苏联的基础上，我国制定了一系列设计基本文件，如设计文件组成与内容、运营费计算办法等。1953年编制了标准轨距新线铁路设计技术规范，建立了设计文件批准及鉴定的工作程序，建立了总体设计的设计思想；设计中观测了从运量出发进行方案比选，重视地质水文资料等先进经验，使设计质量大大提高，满足了施工的要求。1956年结合我国铁路建设的实践，对设计规范进行了修订。 62铁路选线理论的历史轨迹中国技术规范逐渐完善1974年，结合我国铁路建设的实践，对发布了铁路工程技术规范（试行）198

34、5年， 在铁路工程技术规范第一篇线路的基础上，修订完成了国家标准铁路线路设计规范。2019年，结合我国铁路技术和建设的发展，对铁路线路设计规范进行了修订。2019年后的规范与2019年前的规范的区别在于，2019年前的规范是以经济条件为控制因素，当速度与投资发生矛盾时，则按限速条件选择线路技术参数（如曲线半径、缓和曲线等）。而2019年后的规范则按不限速条件选定线路技术参数。63铁路选线理论的历史轨迹中国技术规范逐渐完善2000年后，为了适应铁路提速、高速客运专线设计的需要，编制发布了各种暂行规定：新建时速200公里客货共线铁路设计暂行规定新建时速200250公里客运专线铁路设计暂行规定新建时

35、速300350公里客运专线铁路设计暂行规定2009年，发布了高速铁路设计规范（试行）64铁路选线理论的历史轨迹中国铁路选线理论与技术不断完善19501960年代，在有关规定和在勘测设计的实践中，体现了总体设计思想，并制定了总体负责人和专业负责人的责任制，强调勘测中要重视地质情况和水文条件，明确了设计铁路要根据国家运输要求，有的放矢地设计铁路能力。设计方案的选定，要经过技术经济比较。1970年代末，我国逐渐形成了用公式直接计算渐伸线长度的方法。自1980年代初，随着计算机的广泛采用，拨距计算又在渐伸线原理的基础上，形成了各种各样的数解方法。利用计算机快速演算的优势，采用数解公式和试算方法，可以求

36、出适合改建要求或拨量最小的曲线半径和缓和曲线长度。65铁路选线理论的历史轨迹中国铁路设计理论与技术不断完善通过丰沙、鹰厦、宝成、成昆、京原、南昆、内昆等山区铁路的修建，取得了高山峡谷、地形困难、地质复杂地区的设计经验；通过兰新、包兰、青藏、东北森林线等铁路的修建，取得了沙漠、高原、冻土地区的设计经验；通过电力机车、内燃机车的运营实践，积累了电气化、内燃化铁路的设计经验；通过大量的既有线改建和第二线设计的实践，在设计原理和方法上建立了我国自己的体系；66铁路选线理论的历史轨迹中国铁路设计理论与技术不断完善通过大秦线等重载铁路的设计，取得了重载铁路建设的经验，完善了重载铁路设计理论。 2019年以

37、来，通过中国铁路进行的六次大面积提速，取得既有线提速改建的实践经验和科研试验资料，奠定了提速线路设计理论基础。通过京津、郑西、武广（含新广州站及相关工程和武汉天兴洲长江大桥）、石太、武合、合宁、温福、甬台温、广珠、福厦、广深港、胶济等客运专线建设，积累了高速客运专线建设、科研和试验经验和资料，完善了高速铁路选线理论和技术。67铁路选线理论的历史轨迹中国现代铁路选线理论与技术自1986年以来，选线设计理论和技术有了极大的提高，主要体现在主要技术标准的选择由单因子到多因子；线路方案比较由静态到动态；铁路选线方式由地形图选线发展为地质图、航片和卫片选线；计算机辅助选线设计的理论和方法逐步完善。201

38、9年开始的铁道部“九五”科技发展重大项目“勘测设计一体化、智能化技术研究”，是铁路计算机CAD技术进入蓬勃发展和广泛使用时期的标志。68铁路选线理论的历史轨迹中国现代化铁路选线理论与技术自2000年开始，各铁路勘测设计院按照“铁路勘测设计一体化和智能化系统”要实现网络化、数字化、数据库化、集成化、智能化的基本要求，对各专业现有的设计软件进行修改和功能扩充；同时按照甩掉图板的目标，完成勘察设计技术手段从传统的手工方法向现代化技术转变的要求，大力开发新的软件，系统地全面地向工程化、综合化、系统化推进，形成专业覆盖面大、可适用于不同设计阶段、设计要求的功能强大的专业集成化系统。如今，各设计院的选线设

39、计计算机出图率达到90%以上。 2000年以来，集成“5S”技术和虚拟现实技术的虚拟环境选线设计（铁路数字化选线）理论和技术的研究成为虚线设计领域热点研究问题。69铁路选线理论的历史轨迹中国铁路选线学科发展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计划学的第五册。铁路选线及计划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）。 19571958、1962年，唐山铁道学院选线设计

40、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发展1979年，为了适应新教学计划的需要，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发展2019年，为了适应土木工程专业铁

41、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。2009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基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铁路选线经济学研究的主要课题铁路运输能力经济学路网规划经济学主要技术标准经济学铁路基本走向经济学车站分布经济学铁路空间线形（线路长度、曲线设置、克服高程、坡度等）经济学铁路构造物设置（分布及类型）经济学74铁路选线经济学研究的内容铁路选线经济学的主要模型铁路客货运量预测模型OD调查

42、、四阶段法、回归分析法主要技术标准经济合理性评价方法及模型单指标决策分析模型多指标决策分析模型综合优化、所目标决策；铁路基本走向方案的经济合理性评价模型多目标决策分析车站分布方案的经济合理性评价模型动态决策、线性规划、多目标综合决策分析铁路空间线形、构造物分布方案技术方案评价模型75铁路选线经济学研究的内容美国的选线方案评价方法W.W.Hay在他的铁路工程中系统阐述了铁路运量特征（Nature of railroad traffic），介绍了铁路运量预测方法和运量吸引范围的确定方法；收益与成本（“revenues and costs”），包括铁路运营总支出、运营收益、运营支出以及单位成本和统计

43、方法；以及基于经济学的定线原理（“Location Process），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工程费计算方法W. W. Hay介绍的方法包括： 回归分析法线网规划、主要技术标准研究、车站分布实际定线法在初步设计和施工图设计阶段，工程投资根据实际设计的各类构造物的工程数量， 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

44、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耗费更多的人力和能量，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110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

45、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

46、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

47、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德国、前苏联、中国运营支出计算方法根据线路长度和运量，计算出线路和建筑物的维修费。设计方案总的运营支出等于上述各项费用之和再加上一个管理费百分数，和一个固定资产折旧费百分数。根据列车行驶的时间消耗、在作业过程中的时间消耗和运量，计算出所需要的机车车辆数，从而计算出机车车辆投资。将各种消耗及其近年来成本价格的统计数据收集起来，系统化为各

48、项运营支出平均标准定额，以便为国有铁路使用。 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

49、计中，各项列车运行力学数据，采用速度分布线法获得，是以加速度曲线和减速度曲线、速度剖面数据表和曲线、速度-距离曲线和时间-距离曲线的形式给出的。早期的相关图表是人工绘制的，80年以后，已由计算机程序取代了人工绘制图表工作。中国铁路设计中，速度-距离曲线和时间-距离曲线1990年代以前由图解法获得。其要点是，建立平直道上的合力（机车牵引力减去列车阻力，或制动力加上列车阻力）与铁路纵断面的图像关系。随着计算机技术的发展，列车运行计算的手工方法已被计算机程序法所取代。在中国，列车计算机模拟的不只是V-S曲线和T-S曲线，而且还有所有其他数据，如：能量消耗和燃料消耗、牵引力和制动力所做的机械功和设计线

50、在任何运量下的运营支出。 87铁路选线经济学模型两种方法的比较运营支出的计算在美国，40多万km铁路于1916年之前已经建成，积累了大量的年度运营支出统计数据和其他经济资料。该项资料由州际商务委员会（ICC）按年度收集，当作可靠的基础资料，为将来修建铁路提供参考。另外，AREA还进一步研究了铁路平面与纵断面的状况（限制坡度、距离、升降和曲率）对数据影响的百分数。这些资料为计算新建铁路和改建既有线的费用，提供了有利条件。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贡献了列车运动力学图解法。在这个理论基础上，结合费用数据统计，拟定出各自适用的方法。在

51、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W.W.Hay在他的铁路工程中系统阐述了铁路运量特征（Nature of railroad traffic），介绍了铁路运量预测方法和运量吸引范围的确定方法；收益与成本（“revenues and costs”），包括铁路运营总支出、运营收益、运营支出以及单位成本和统计方法；以及基于经济

52、学的定线原理（“Location Process），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W.W.Hay的铁路工程中的方法 Basic Location Formula(基本定线方法-赢利率法)Annual Cost(年成本法)： 91铁路选线经济学模型选线方案评价模型美国W.W.Hay的铁路工程中的方法 Benefit/Cost(B/C) Ratio(利益/成本)比率其他准则现值法 92铁路选线经济学模型选线方案评价模型中国的方法中国目前在选线方案评价中

53、采用的方法主要有最小费法（包括年换算工程运营费法、分期投资经济比较方法等）、费用收益法（包括投资回收期法、净现值法和内部收益率法等）。 93铁路选线经济学模型选线方案评价模型中国的方法差额投资偿还期法 年换算费用法KEA 最小费用法94铁路选线经济学模型选线方案评价模型中国的方法差额投资内部收益率法 95铁路选线经济学模型选线方案评价模型中国的方法现有方法存在的问题由于我国铁路的特点，现有公式（静态法和动态法，不考虑收入和以货币表示的公共利益）可以说是中国国有铁路选用的仅有的方法，特别是对于开发型的铁路。 评价指标的拓展机车功率与线路标准的协调、减轻灾害的措施、地质灾害灾害恢复、工期、铁路用地

54、的考虑铁路分期投资、分期投资、铁路运价 、环境保护96铁路选线经济学模型选线方案评价模型中国的方法科学的评价方法铁路主要技术标准综合优化 多目标决策分析方法97铁路选线经济学模型主要技术标准综合优化综合优化的思想把主要支配因素，同时作为设计变量，并同时加以求解。解决的方法可能是定性的或是定量的。假如选择牵引种类和正线数目，传统的比选方法或定性方法仍然可用。对于机车性能和定线标准等以数字形式表示的因素，则可采用定量方法，并辅以数学模型和计算机辅助优化。综合优化的要点不同相关专业中所有设计变量的求解，在一个单一的过程中完成。方案比选方法：在数个可能的方案之间进行选择，比如，从数个铁路线路方案中选择

55、坡度时，各方案都与其他因素互不相干，中选方案是比较好但不一定是最好的。98铁路选线经济学模型主要技术标准综合优化决策与优化技术的应用在规划阶段采用综合优化决策平面纵断面设计中采用优化技术综合优化与传统理论的关系继承传统的经济评价的基本原理、建筑物和设备投资的计算、运营支出的计算和社会与环境影响的考虑，所不同的是采用新的求解方法。 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目标层准则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

56、101铁路选线动力学研究的内容主要课题牵引计算时间、距离、能耗主要技术标准允许值最小曲线半径、最大坡度线路技术参数允许值缓和曲线、夹直线、坡段长度、坡度代数差、竖曲线半径及长度等空间线形组合平面曲线与直线长度、纵断面坡段与竖曲线长度、平面与纵断面组合、空间线形与桥隧构造物的组合、空间线形与轨道设备的组合等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安全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

57、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。它以前两种模型为基础，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,则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。它以前两种模型为基础，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,则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线路技术条件动力分析系统 1理论圆曲线上的计算结果(1)未被平衡离心加速度，评价旅客舒适程度；(2)轴横向力，评价列车对轨排的横向冲击，检算轨排抗力；(3)轮横向力，评价列车对轨排的横向中击，