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力拚20年追上日韓鐵道技術!高科大要讓高鐵在台灣土地上奔馳

文 / 謝明彧    攝影 / 蘇義傑
2020-05-19
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力拚20年追上日韓鐵道技術!高科大要讓高鐵在台灣土地上奔馳
圖/台灣高鐵。取自台灣高鐵臉書
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台灣是全球科技製造中心,但軌道技術遲遲發展不起來,高科大鐵道技術中心和台灣高鐵攜手研發,力拚追趕日韓,矢志成為高鐵技術輸出國。

「日本新幹線,在台灣土地上奔馳!」這是台灣公共電視與日本NHK首度聯手製作的電視影集《路~台灣Express~》預告片一開場,螢幕上出現的幾個大字。

這齣三集迷你影集,改編自日本知名作家、「芥川賞」得主吉田修一的小說《路》,5月16日首播,描繪台灣高鐵建設跨越三個世代的篳路藍縷。


在很多人印象中,1999年起正式啟動興建的台灣高鐵,是移植自日本新幹線體系;但更多人不知道的是,台灣團隊聯合學界,已經把高速鐵路技術,一步一步脫胎換骨變成「台灣血統」,讓這條「路」可以更順遂地在台灣這片大地上奔馳!

讓高鐵軌道技術開出第一朵本土小花的,正是高科大鐵道技術中心主任張簡嘉壬。

過去,台灣高鐵公司曾因日方停產,即使舊款列車使用壽命還有約25年,為了後續維修、更新與增班需求,仍須採購新款列車,光是採購預算就高達千億元。

為了突破限制,高鐵在2012年與高雄第一科技大學(現高雄科技大學)簽定合作備忘錄,尋找軌道本土化的可能;2015年雙方合設「鐵道設備實驗室」,投入上千萬研發經費。

2013年至今,高科大鐵道技術中心協助包括高鐵、台鐵、捷運系統等零組件,取得國內專利超過30件。目前,已有至少21項成果技術正式轉移至台灣高鐵,導入軌道系統並國產化,幫高鐵每年省下至少千萬元。

在高鐵燕巢總機廠旁,設置的「國家軌道技術研究暨驗證中心」,更連結高鐵和高捷總機廠,形成鐵道產業技術新聚落。

市場小、一次性採購,讓台灣軌道技術難以本土化

台灣是全球科技製造中心,軌道技術為什麼在台灣發展不起來?

「關鍵在於,軌道不是單一電子、電機或機械專業,而是龐大的跨領域機電整合,」張簡嘉壬分析,系統必須為軌道公司(高鐵、台鐵或捷運公司)量身訂做,研發成本高昂,但採購只有一家、甚至僅此一次,導致小廠做不起來,大廠又覺得不划算,「最後不是招標一直流標,就是有企業勇敢接下,不出幾年就倒閉。」

但外國原廠貨不見得就好。台灣高鐵軌道技術主要來自日本和歐洲,天候、地理條件都和台灣差異極大,造成國外系統來台很容易陣亡。

例如高鐵曾向義大利採購鐵軌噴油系統,由於歐洲冬天寒冷,機組內部由防凍泡棉包裹,但在台灣,泡棉反而讓機器內部積水又蓄熱,一年就壞光光,千萬元泡湯了。

外國貨不好用、本土商又不想做,高鐵於是找上幾所頂尖科大,尋求產學合作,想辦法為困局找出新路。

但,時任高科大電子工程系教授的張簡嘉壬接下的第一個案子,卻是非常外圍的「電纜防竊系統」。

高科大鐵道技術中心主任張簡嘉壬。蘇義傑攝圖/高科大鐵道技術中心主任張簡嘉壬。蘇義傑攝

從無開始,五年摸清楚台灣軌道的環境變因

為了防止竊賊偷剪電纜,高鐵原本採用無線通報方式,但要確保偵測,必須每隔一定間距,就設一個偵測點,光是布線施工,就是龐大工程。因此高鐵提出需求:是否可以使用現有電纜,做一套偵測系統?

以電子學理來說,這件事一點都不難。運用電力線載波的機制,在電纜上傳遞數位訊號,如此一來,不用再架設其他電線,就能進行監控。

高科大針對需求,做出晶片與編碼器,再做一個鐵殼外包,完成了第一代電纜防竊系統裝置,沒想到,上架半年就因系統亂報,全部被下架。

張簡嘉壬拿到退回的產品一看,才發現高鐵沿線的環境惡劣程度,遠遠超乎想像,該裝置在許多路段不止浸水,還會遭受硫化物燻擾,電路板滿布硫磺、嚴重腐蝕。

於是張簡嘉壬帶著學生著手改良,重新設計外包裝,做到防水密閉。但上架半年後,再次被下架。

這次的原因是防竊系統發出的電波,會洩漏到一般的頻率上,電力場嚴重干擾,導致虛假警報。

這時,已是結案一年之後的事了。

高鐵人員告知張簡嘉壬,那僅是試驗,無須再做,但張簡嘉壬一口回絕:「這是信用問題,我一定要幫你做到好。」

張簡嘉壬不收費用,再花兩年重新設計,第三代的設備改採電流式載波,而不是電壓式載波。透過電流的上升與下降,做出頻率上的編碼,不只穩定,而且不需要中繼,大幅壓低成本。

如今,高鐵在沿線有風險的區域,總共安裝了一百多套高科大所開發的電纜防竊系統。

國立高雄科技大學「鐵道設備實驗室」。蘇義傑攝圖/國立高雄科技大學「鐵道設備實驗室」。蘇義傑攝

屢敗屢戰,五年時間發現原廠不說的祕密

「從2012年接觸,到最終沒問題的版本,足足花了五年,」張簡嘉壬回憶說,這些挫敗卻為高科大鐵道技術研發中心打下最重要的基礎。

在這過程中,張簡嘉壬發現台灣發展本土軌道系統的兩大關鍵點:嚴謹度與在地性。

首先,當任何一個警報發出時,高鐵內部都需要層層通報,甚至直達最高長官,來判斷是否有安全疑慮、甚至是否要停駛。當每一次警報都攸關重大,嚴謹度必須做到最高等級。

第二是沿線環境對電子產品的惡劣程度,遠超過實驗室想像。

「台灣需要去定義自己的環境標準和軌道認證,因為環境差異極大,」張簡嘉壬舉例,以前看到日本原廠的電路板,不明白為何比歐洲產品更光滑油亮,後來才明白,因為日本氣候較潮濕,需要進行二層處理來特別防護,「這也讓我們窺見了原廠沒說的設計祕密」。

「軌道系統不能當作一般的電子電機設備來思考,裡面隱藏了太多非常態的變數,」張簡嘉壬強調,不親自摸過,永遠都不會知道,但沒有這些數據,台灣廠商就永遠做不出能用的商品。「學校有時間和能力去挖掘這些隱藏的秘密,之後進行技轉,正是發展軌道技術本土化最重要的基礎」。

挑關鍵問題、找本土化解答,技轉廠商開發商品

技術乍看不難,卻讓高科大花五年才摸透的電纜防竊系統,是高鐵當初和台灣四所頂尖科大合作案中,唯一的成功案例。

這也讓高鐵2015年決定與高科大合作設立「鐵道技術中心」,擴大投入軌道技術研發,目前有超過10個合作案進行中。

「沒有原始碼、電路圖,所有關鍵資料和技術都在外國原廠手上,是軌道技術本土化最大的痛點,」張簡嘉壬強調,高科大透過逆向工程,分析原廠產品,回推適合台灣的參數,正從周邊小項目,一步一步突破瓶頸。

「或許外人看我們做的,似乎只是小樣,但其實都是未來的關鍵,」張簡嘉壬強調,軌道技術看似困難,但要追趕也可以很快。

韓國全力投入高鐵研發,也不過20年光景,如今已可以自己製造列車、對外出口,張簡嘉壬說,「台灣有強勁的科技製造能力,我的夢想是讓台灣也成為高鐵技術輸出國!」

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高鐵高雄日本影集
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