萬繼志
(河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司,河南 鄭州 450006)
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,我國(guó)的煤炭需求日益增加。為了解決不斷增長(zhǎng)的煤炭需求與有限的運(yùn)輸能力之間的矛盾,我國(guó)十分重視重載鐵路運(yùn)煤通道的建設(shè),積極研發(fā)引進(jìn)先進(jìn)的重載鐵路技術(shù)裝備,進(jìn)行重載線路的擴(kuò)能改造。目前,作為我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸主通道的大秦線和朔黃線均通過既有線擴(kuò)能改造,分別大量開行2 萬t 和1 萬t 長(zhǎng)大編組重載列車,將年運(yùn)量分別提升至4億t和2億t,運(yùn)輸能力基本趨于飽和。
根據(jù)我國(guó)能源部門的預(yù)測(cè),到2015年“十二五”將增加12億t 的煤炭需求[1],對(duì)重載鐵路運(yùn)輸擴(kuò)能技術(shù)和安全保障技術(shù)提出了更迫切的需求。因此,重載鐵路作為我國(guó)“西煤東運(yùn)”的主要運(yùn)輸方式,其運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展不僅關(guān)系到我國(guó)煤炭需求是否能得到滿足,而且影響我國(guó)煤炭供應(yīng)的質(zhì)量。
圖1為我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系設(shè)計(jì)框架。
圖1 我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系設(shè)計(jì)框架
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成的角度分析,鐵路重載運(yùn)輸系統(tǒng)可分為車務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、供電、車輛和貨運(yùn)7大子系統(tǒng),包括車站、線路等多種固定設(shè)備子系統(tǒng)和機(jī)車車輛等多種移動(dòng)設(shè)備子系統(tǒng)組成的復(fù)雜大系統(tǒng)[2]。重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)系統(tǒng)作為鐵路重載運(yùn)輸系統(tǒng)的子系統(tǒng),主要由機(jī)車車輛技術(shù)和基礎(chǔ)設(shè)施、列車控制系統(tǒng)等多個(gè)分系統(tǒng)組成,載運(yùn)裝備作為煤炭運(yùn)輸?shù)木唧w載體,同時(shí)也是其它技術(shù)分系統(tǒng)服務(wù)的核心。各分系統(tǒng)既相互獨(dú)立,又相互關(guān)聯(lián),為重載運(yùn)輸提供相應(yīng)的技術(shù)服務(wù)。重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
目前,國(guó)內(nèi)已先后研制出HXD1、HXD2、HXD3等3種型號(hào)的大功率電力機(jī)車和HXN3、HXN5 等2 種型號(hào)的大功率內(nèi)燃機(jī)車,掌握了大功率機(jī)車的綜合集成技術(shù)并實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用;針對(duì)大功率機(jī)車檢修所需的配套設(shè)施及技術(shù)體系也已基本形成,實(shí)現(xiàn)了大功率機(jī)車檢修的規(guī)?;图s化[3]。軸重25t、載重80t、運(yùn)行速度100km/h 的C80 型鋁合金運(yùn)煤專用敞車和C80B 型不銹鋼運(yùn)煤專用敞車已經(jīng)成為我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸通道特別是大秦線2萬t重載運(yùn)輸線上的主型車輛。為了與我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸25t軸重車輛的研發(fā)應(yīng)用相適應(yīng),車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料應(yīng)用、加強(qiáng)型車鉤鍛造、大容量緩沖器、新興交叉桿等配套技術(shù)也得到了同步發(fā)展,已逐步形成了較為完善的國(guó)產(chǎn)25t軸重車輛研制體系[4]。
目前,我國(guó)共計(jì)16 144km 的重載鐵路線路建造統(tǒng)一采用中活載作為標(biāo)準(zhǔn)活載,全線鋪設(shè)了滿足25t 軸重條件下的路基、橋梁和軌道設(shè)施。同時(shí),針對(duì)重載鐵路線路建造技術(shù)開展了深入研究,并形成了25t軸重條件下比較完善的技術(shù)體系及標(biāo)準(zhǔn),主要包括:適用于我國(guó)重載鐵路的線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、重載鐵路路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及地基處理關(guān)鍵技術(shù)、重載鐵路橋梁設(shè)計(jì)技術(shù)體系和重載鐵路有砟軌道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)等。根據(jù)大秦線的運(yùn)輸需求,針對(duì)橋梁、路基和軌道結(jié)構(gòu)等線路基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行了相對(duì)全面的狀態(tài)評(píng)估和強(qiáng)化改造,已經(jīng)滿足了軸重25t、載重80t 級(jí)、運(yùn)行速度80km/h、牽引質(zhì)量20 000t 的重載運(yùn)輸,并積累了一定的評(píng)估和強(qiáng)化技術(shù)基礎(chǔ)。
我國(guó)重載鐵路已形成了由鐵道部TDCS、鐵路局TDCS 和車站等3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成的列車調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS),此系統(tǒng)能夠很好地覆蓋全路的現(xiàn)代化鐵路運(yùn)輸。以TDCS 為平臺(tái)研發(fā)出分散自律調(diào)度集中系統(tǒng)(CTC),并于2007 年在大秦線投入使用。CTC是在TDCS的基礎(chǔ)上,組建分散自律、智能化、高安全、高可靠的新一代調(diào)度集中系統(tǒng),解決了列車作業(yè)與調(diào)車作業(yè)的沖突,實(shí)現(xiàn)列車與調(diào)車作業(yè)的統(tǒng)一控制,滿足了重載運(yùn)輸列車高密度運(yùn)行和復(fù)雜多變情況的要求[5]。
目前,我國(guó)已完善并推廣了機(jī)車和車輛故障檢測(cè)診斷系統(tǒng)、對(duì)固定設(shè)施進(jìn)行多層次多方位檢測(cè)的技術(shù)和裝備、機(jī)車車輛安全運(yùn)行的地面檢測(cè)系統(tǒng)(5T系統(tǒng)),形成了分散檢測(cè)、集中報(bào)警、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、信息共享的安全監(jiān)控體系,以保障重載列車提速和運(yùn)行安全。
我國(guó)GSM-R無線通信系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了無線列調(diào)、平面調(diào)車無線通信和區(qū)間移動(dòng)通信等話音通信功能,同時(shí)還承擔(dān)了車次號(hào)、尾部風(fēng)壓和道口無線預(yù)(報(bào))警等數(shù)據(jù)的無線傳輸任務(wù)[6]?,F(xiàn)階段,我國(guó)大秦重載鐵路基于鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-R)平臺(tái),成功推廣運(yùn)用了Locotrol機(jī)車同步操縱技術(shù),解決了機(jī)車間通信距離受限的關(guān)鍵問題。
重載鐵路運(yùn)輸以其運(yùn)能大、效率高、成本低、能耗小等獨(dú)特的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)在各國(guó)發(fā)揮著重要作用,這些特點(diǎn)決定了重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展方向之一就是高效、節(jié)能。發(fā)達(dá)國(guó)家重載運(yùn)輸主要是通過研制大功率交流傳動(dòng)機(jī)車(單軸功率達(dá)1 600kw)[7],提高列車牽引質(zhì)量和運(yùn)行速度,縮短機(jī)車周轉(zhuǎn)時(shí)間來提高運(yùn)輸效率。此外,還通過改變編組信息(編組輛數(shù)、空重車數(shù)和牽引總重等)、機(jī)車屬性(機(jī)車的運(yùn)行阻力和能耗利用效率等)、車輛屬性(車輛的自重、基本阻力計(jì)算參數(shù)和載重等因素)和運(yùn)行狀態(tài)(列車在運(yùn)行過程中的啟停、牽引運(yùn)行、制動(dòng)、惰行等)[8]等來達(dá)到節(jié)能目的。這些技術(shù)措施主要包括研制高效、節(jié)能的大功率交流傳動(dòng)機(jī)車,提高列車牽引動(dòng)力;研制大軸重、輕量化的重載車輛,并采用多聯(lián)車組技術(shù),增加有效載重;采用長(zhǎng)大編組列車增加牽引重量,提高運(yùn)輸效率;研制高效的裝卸裝備,加快機(jī)車車輛周轉(zhuǎn)速度,提高使用效率。
隨著重載運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展,重載運(yùn)輸系統(tǒng)安全運(yùn)行形勢(shì)不容樂觀,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,如2003年的萬噸重載列車顛覆事故,事故直接損失費(fèi)達(dá)1 751 850 元。因此,以先進(jìn)的技術(shù)保證重載運(yùn)輸?shù)陌踩煽啃砸渤蔀橹剌d鐵路運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展方向[9]。綜合國(guó)內(nèi)外重載鐵路運(yùn)輸安全保障技術(shù),主要包括:研制高可靠性的機(jī)車車輛關(guān)鍵部件,確保行車安全;強(qiáng)化軌道結(jié)構(gòu),保持線路的耐久性和平順性;配備大型養(yǎng)路機(jī)械并采用準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)技術(shù)確保重載基礎(chǔ)設(shè)施的使用安全,并側(cè)重于預(yù)防性保養(yǎng);采用智能化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的列車控制技術(shù)(如Locotrol和ECP等),實(shí)現(xiàn)列車的安全運(yùn)行。
首先構(gòu)建我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系,為重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)指明發(fā)展方向,并以具體指標(biāo)體系指導(dǎo)技術(shù)研發(fā)工作,保證技術(shù)選擇的準(zhǔn)確性。
其次通過對(duì)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系的細(xì)分,逐漸到執(zhí)行層目標(biāo),進(jìn)一步論證技術(shù)發(fā)展總目標(biāo)的可執(zhí)行性,并通過可執(zhí)行目標(biāo)指導(dǎo)具體的工作,通過對(duì)執(zhí)行目標(biāo)的檢驗(yàn),往更高層次反饋可以檢驗(yàn)整體目標(biāo)的執(zhí)行程度,為技術(shù)發(fā)展過程中的評(píng)價(jià)糾偏提供依據(jù)。
最后科學(xué)的重載鐵路技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系能給運(yùn)營(yíng)者、裝備制造商和技術(shù)研發(fā)單位產(chǎn)生一個(gè)較高的效價(jià)及期望概率,從而產(chǎn)生較強(qiáng)的激勵(lì)力量[10]。
制定我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)必須同時(shí)考慮市場(chǎng)需求、技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)、國(guó)家和鐵道部政策環(huán)境、國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)及資源等多種因素。由于我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展的首要任務(wù)是滿足我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸發(fā)展的具體需求,而不是將重載鐵路運(yùn)輸發(fā)展成為領(lǐng)先的國(guó)際化產(chǎn)業(yè),因此“利潤(rùn)極大化”不是我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo),也就是說中國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展有自己獨(dú)有的目標(biāo),這個(gè)總目標(biāo)就是保障我國(guó)煤炭需求。
(1)全面性原則。目標(biāo)的制定要覆蓋所有技術(shù)領(lǐng)域,而不是只針對(duì)個(gè)別技術(shù)領(lǐng)域。重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)組成主要包括機(jī)車車輛、基礎(chǔ)設(shè)施和列車控制等技術(shù)領(lǐng)域,各技術(shù)領(lǐng)域相互影響,單一技術(shù)領(lǐng)域目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都無法完成確保滿足煤炭需求的總目標(biāo),各技術(shù)目標(biāo)共同組成技術(shù)總目標(biāo)的支撐目標(biāo)體系。
(2)現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)原則。目標(biāo)的制定要與我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)相適應(yīng),主要考慮技術(shù)可開發(fā)儲(chǔ)量、技術(shù)機(jī)會(huì)和威脅、技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性等。發(fā)展基礎(chǔ)好的技術(shù)領(lǐng)域可制定較高的發(fā)展目標(biāo),對(duì)于尚無發(fā)展基礎(chǔ)的技術(shù),要慎重提出技術(shù)發(fā)展目標(biāo),以此確保技術(shù)發(fā)展目標(biāo)的可執(zhí)行性。
(3)市場(chǎng)需求導(dǎo)向原則。技術(shù)發(fā)展目標(biāo)的制定不但要考慮技術(shù)自身的發(fā)展,還要考慮未來經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)技術(shù)發(fā)展的要求。也就是說我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)的制定要與我國(guó)煤炭市場(chǎng)需求的發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng),不能低于亦不能過高于我國(guó)未來市場(chǎng)所需煤炭運(yùn)量,要與我國(guó)煤炭需求的評(píng)估結(jié)果相適應(yīng)。
(4)突出優(yōu)勢(shì)原則。技術(shù)發(fā)展目標(biāo)的制定要始終圍繞重載鐵路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)展開,突出重載鐵路運(yùn)輸運(yùn)能大、效率高、成本低、能耗小等技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),重點(diǎn)發(fā)展與此相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)。
構(gòu)建設(shè)計(jì)我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系關(guān)系到對(duì)技術(shù)發(fā)展目標(biāo)的確認(rèn),對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的多種途徑的認(rèn)識(shí)以及總目標(biāo)體系的選擇和確定。為保障煤炭需求的總目標(biāo),應(yīng)有其支撐分目標(biāo)集和分目標(biāo)的子目標(biāo)集,構(gòu)成一個(gè)樹狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),目標(biāo)的這種關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)稱為目標(biāo)體系。
通過分析重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)系統(tǒng)組成,國(guó)內(nèi)外重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)以及技術(shù)差距,我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)體系主要包括提高列車牽引質(zhì)量和運(yùn)行速度強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施以及裝備先進(jìn)的列車控制系統(tǒng)等三個(gè)方面。提高列車牽引質(zhì)量和運(yùn)行速度是為了擴(kuò)大重載鐵路運(yùn)輸能力,強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施與裝備先進(jìn)的列車控制系統(tǒng)是為了保障運(yùn)輸安全。
(1)提高列車牽引質(zhì)量和速度。目前我國(guó)重載機(jī)車單軸功率達(dá)到1 600kw,機(jī)車功率達(dá)到9 600kw。雖然我國(guó)重載機(jī)車功率大幅提高,但由于輪軌黏著系數(shù)的限制,使啟動(dòng)和持續(xù)牽引力并未明顯提高。我國(guó)煤運(yùn)貨車凈載重為80t,軸重僅為25t,上升空間很大;車體輕量化技術(shù)相對(duì)薄弱,限制貨車載重量的提高。目前,我國(guó)低動(dòng)力作用轉(zhuǎn)向架技術(shù)與國(guó)外差距較大,限制了貨車的運(yùn)行速度[11]。
綜上,我國(guó)重載鐵路需要攻克輪軌黏著力、車體結(jié)構(gòu)輕量化、低動(dòng)力作用轉(zhuǎn)向架3個(gè)方面核心技術(shù)瓶頸,才能為我國(guó)重載列車質(zhì)量和速度的提高創(chuàng)造條件。
(2)強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施。由于機(jī)車和車輛軸重的提高,重載列車質(zhì)量、長(zhǎng)度和運(yùn)行速度的增加,導(dǎo)致重載線路承重能力的大幅提升,使得在大軸重、高密度的運(yùn)營(yíng)條件下,我國(guó)重載鐵路軌道和結(jié)構(gòu)狀態(tài)及破壞特性較一般傳統(tǒng)線路十分明顯。在橋梁方面,由于貨車軸重和載質(zhì)量的逐年提高,現(xiàn)行規(guī)范使用的中-活載圖式已經(jīng)不能適應(yīng)30t軸重列車的開行[12]。因此,需根據(jù)我國(guó)重載鐵路運(yùn)營(yíng)條件、路橋軌結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和線路變化規(guī)律,研究適用于軸重30t及以上的既有重載線路基礎(chǔ)設(shè)施強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)和安全保障技術(shù),強(qiáng)化基礎(chǔ)設(shè)施的同時(shí)延長(zhǎng)其使用壽命。
(3)裝備先進(jìn)的列車控制系統(tǒng)。在列車調(diào)度指揮方面,我國(guó)的CTC 調(diào)度集中系統(tǒng)主要側(cè)重于實(shí)現(xiàn)行車控制的智能化,忽略了重載鐵路的網(wǎng)絡(luò)化安全監(jiān)控和綜合運(yùn)輸業(yè)務(wù)的自動(dòng)化管理,因此,我國(guó)需要研究智能化、網(wǎng)絡(luò)化和自動(dòng)化的列車調(diào)度系統(tǒng),提高重載列車的行車效率。
在列車安全運(yùn)行控制方面,我國(guó)大秦線開行的2萬t重載列車,采用了美國(guó)LOCOTROL 系統(tǒng)的同步操控方式運(yùn)行重載組合列車,不僅在動(dòng)力同步控制、牽引、網(wǎng)絡(luò)、制動(dòng)等核心技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)為外方所有,而且“同步操控方式” 不能完全滿足在多坡道和多彎道上列車縱向力控制,以及組合式和混編式重載列車的運(yùn)行狀態(tài)控制,仍然存在列車縱向力控制難度大、車鉤受力大等安全隱患。另外,國(guó)內(nèi)重載列車安全狀態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)仍處空白,難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)列車存在的安全隱患進(jìn)行故障預(yù)警。因此我國(guó)需要攻克列車同步操控關(guān)鍵技術(shù)和列車安全狀態(tài)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。
在無線通信方面,由于既有的GSM-R網(wǎng)絡(luò)早期規(guī)劃時(shí)主要針對(duì)語音傳輸?shù)群?jiǎn)單業(yè)務(wù)需要,傳輸速率低、帶寬窄、覆蓋范圍小,難以完全滿足重載鐵路集列車同步、移動(dòng)閉塞、行車調(diào)度和安全監(jiān)控等多種業(yè)務(wù)為一體的綜合無線通信需求。因此,我國(guó)需要構(gòu)建高可靠性、高安全性、大容量、高速率、快速接入的車地間安全監(jiān)控、調(diào)度指揮和行車信息傳輸?shù)木C合移動(dòng)通信系統(tǒng)。
綜上,我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系見表1。
表1 我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系
本文設(shè)計(jì)的我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系是在充分考慮我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)現(xiàn)狀和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上提出的,目標(biāo)體系的設(shè)計(jì)符合全面性、現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)、市場(chǎng)需求導(dǎo)向和突出優(yōu)勢(shì)的原則,因此,本目標(biāo)體系制定過程是科學(xué)合理的,對(duì)于我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)的制定具有一定的理論指導(dǎo)意義。本文未對(duì)我國(guó)重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展目標(biāo)體系進(jìn)行量化研究,這也是本文的不足之處和以后需要研究的重點(diǎn)。
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