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力拼20年追上日韩铁道技术!高科大要让高铁在台湾土地上奔驰

  加入日期:2021-11-06 22:08    点击量:5701
台湾是全球科技制造中心,但轨道技术迟迟发展不起来,高科大铁道技术中心和台湾高铁携手研发,力拼追赶日韩,矢志成为高铁技术输出国。

“日本新干线,在台湾土地上奔驰!”这是台湾公共电视与日本NHK首度联手制作的电视影集《路~台湾Express~》预告片一开场,萤幕上出现的几个大字。

这出三集迷你影集,改编自日本知名作家、“芥川赏”得主吉田修一的小说《路》,5月16日首播,描绘台湾高铁建设跨越三个世代的筚路蓝缕。


在很多人印象中,1999年起正式启动兴建的台湾高铁,是移植自日本新干线体系;但更多人不知道的是,台湾团队联合学界,已经把高速铁路技术,一步一步脱胎换骨变成“台湾血统”,让这条“路”可以更顺遂地在台湾这片大地上奔驰!

让高铁轨道技术开出第一朵本土小花的,正是高科大铁道技术中心主任张简嘉壬。

过去,台湾高铁公司曾因日方停产,即使旧款列车使用寿命还有约25年,为了后续维修、更新与增班需求,仍须采购新款列车,光是采购预算就高达千亿元。

为了突破限制,高铁在2012年与高雄第一科技大学(现高雄科技大学)签定合作备忘录,寻找轨道本土化的可能;2015年双方合设“铁道设备实验室”,投入上千万研发经费。

2013年至今,高科大铁道技术中心协助包括高铁、台铁、捷运系统等零组件,取得国内专利超过30件。目前,已有至少21项成果技术正式转移至台湾高铁,导入轨道系统并国产化,帮高铁每年省下至少千万元。

在高铁燕巢总机厂旁,设置的“国家轨道技术研究暨验证中心”,更链接高铁和高捷总机厂,形成铁道产业技术新聚落。

市场小、一次性采购,让台湾轨道技术难以本土化

台湾是全球科技制造中心,轨道技术为什么在台湾发展不起来?

“关键在于,轨道不是单一电子、电机或机械专业,而是庞大的跨领域机电集成,”张简嘉壬分析,系统必须为轨道公司(高铁、台铁或捷运公司)量身订做,研发成本高昂,但采购只有一家、甚至仅此一次,导致小厂做不起来,大厂又觉得不划算,“最后不是招标一直流标,就是有企业勇敢接下,不出几年就倒闭。”

但外国原厂货不见得就好。台湾高铁轨道技术主要来自日本和欧洲,天候、地理条件都和台湾差异极大,造成国外系统来台很容易阵亡。

例如高铁曾向意大利采购铁轨喷油系统,由于欧洲冬天寒冷,机组内部由防冻泡棉包裹,但在台湾,泡棉反而让机器内部积水又蓄热,一年就坏光光,千万元泡汤了。

外国货不好用、本土商又不想做,高铁于是找上几所顶尖科大,寻求产学合作,想办法为困局找出新路。

但,时任高科大电子工程系教授的张简嘉壬接下的第一个案子,却是非常外围的“电缆防窃系统”。

图/高科大铁道技术中心主任张简嘉壬。苏义杰摄

从无开始,五年摸清楚台湾轨道的环境变因

为了防止窃贼偷剪电缆,高铁原本采用无线通报方式,但要确保侦测,必须每隔一定间距,就设一个侦测点,光是布线施工,就是庞大工程。因此高铁提出需求:是否可以使用现有电缆,做一套侦测系统?

以电子学理来说,这件事一点都不难。运用电力线载波的机制,在电缆上载递数码信号,如此一来,不用再架设其他电线,就能进行监控。

高科大针对需求,做出芯片与编码器,再做一个铁壳外包,完成了第一代电缆防窃系统装置,没想到,上架半年就因系统乱报,全部被下架。

张简嘉壬拿到退回的产品一看,才发现高铁沿线的环境恶劣程度,远远超乎想像,该装置在许多路段不止浸水,还会遭受硫化物熏扰,电路板满布硫磺、严重腐蚀。

于是张简嘉壬带著学生著手改良,重新设计外包装,做到防水密闭。但上架半年后,再次被下架。

这次的原因是防窃系统发出的电波,会泄漏到一般的频率上,电力场严重干扰,导致虚假警报。

这时,已是结案一年之后的事了。

高铁人员告知张简嘉壬,那仅是试验,无须再做,但张简嘉壬一口回绝:“这是信用问题,我一定要帮你做到好。”

张简嘉壬不收费用,再花两年重新设计,第三代的设备改采电流式载波,而不是电压式载波。透过电流的上升与下降,做出频率上的编码,不只稳定,而且不需要中继,大幅压低成本。

如今,高铁在沿线有风险的区域,总共安装了一百多套高科大所开发的电缆防窃系统。

图/国立高雄科技大学“铁道设备实验室”。苏义杰摄

屡败屡战,五年时间发现原厂不说的秘密

“从2012年接触,到最终没问题的版本,足足花了五年,”张简嘉壬回忆说,这些挫败却为高科大铁道技术研发中心打下最重要的基础。

在这过程中,张简嘉壬发现台湾发展本土轨道系统的两大关键点:严谨度与在地性。

首先,当任何一个警报发出时,高铁内部都需要层层通报,甚至直达最高长官,来判断是否有安全疑虑、甚至是否要停驶。当每一次警报都攸关重大,严谨度必须做到最高等级。

第二是沿线环境对电子产品的恶劣程度,远超过实验室想像。

“台湾需要去定义自己的环境标准和轨道认证,因为环境差异极大,”张简嘉壬举例,以前看到日本原厂的电路板,不明白为何比欧洲产品更光滑油亮,后来才明白,因为日本气候较潮湿,需要进行二层处理来特别防护,“这也让我们窥见了原厂没说的设计秘密”。

“轨道系统不能当作一般的电子电机设备来思考,里面隐藏了太多非常态的变量,”张简嘉壬强调,不亲自摸过,永远都不会知道,但没有这些数据,台湾厂商就永远做不出能用的商品。“学校有时间和能力去挖掘这些隐藏的秘密,之后进行技转,正是发展轨道技术本土化最重要的基础”。

挑关键问题、找本土化解答,技转厂商开发商品

技术乍看不难,却让高科大花五年才摸透的电缆防窃系统,是高铁当初和台湾四所顶尖科大合作案中,唯一的成功案例。

这也让高铁2015年决定与高科大合作设立“铁道技术中心”,扩大投入轨道技术研发,目前有超过10个合作案进行中。

“没有源代码、电路图,所有关键资料和技术都在外国原厂手上,是轨道技术本土化最大的痛点,”张简嘉壬强调,高科大透过逆向工程,分析原厂产品,回推适合台湾的参数,正从周边小项目,一步一步突破瓶颈。

“或许外人看我们做的,似乎只是小样,但其实都是未来的关键,”张简嘉壬强调,轨道技术看似困难,但要追赶也可以很快。

韩国全力投入高铁研发,也不过20年光景,如今已可以自己制造列车、对外出口,张简嘉壬说,“台湾有强劲的科技制造能力,我的梦想是让台湾也成为高铁技术输出国!”