柴油機車、電氣機車技術的優勢已經存在了一個世紀之久，目前在后起之秀中還沒有哪一種技術能夠取代它們在貨運和客運列車中的地位。柴油電氣機車技術是指依靠柴油發動機驅動大型發電機，再用得到的電能驅動機車每個輪軸牽引發動機的技術。從成本、動力、控制、效率和可靠性等方面來說，這種技術相當可靠耐用。
　　然而這并不表明美國最大的兩個機車生產商GE（GE Transportation）和GM（General Motors）的EMD（Electro-MotiveDivision，電子驅動部）部門，在面對電子技術的蓬勃發展時會停步不前。EMD自1930年至今一直歸GM所有，但GM于今年1月12日聲明它將把EMD部門出售給Greenbriar Equity Group和Berkshire Partners。
　　數字時代始于十幾年前，在那之前柴油電氣技術的發展一直頗為緩慢。畢竟，火車頭的核心技術可以追溯到蒸汽機車時代，那是一些身負重擔，并且骯臟不堪的機械猛獸。現在的機車長約76英尺，重量超過200噸，造價高于2000000美元。而且它是高度專業化的，對平常人來說，進入它的機會微乎其微，跟中彩票的幾率差不多，就更不要提對它進行操縱了。機車的產量也比卡車少得多，例如，2004年GE的產量有826臺，而EMD約500到600臺。
　　技術改革
　　在過去的十年中，計算機和網絡技術席卷了火車機車和相應的基礎結構設施。機車的駕駛室現在已不像傳統駕駛室那樣是金屬操縱桿、旋鈕和量尺的大雜燴，而更像是一個航天飛機的操作室。
　　而且，新型機車可與診斷和技術支持中心進行無線通訊。在動力方面，直流牽引發動機主導市場幾十年之后，交流牽引發動機由于性能更可靠、結構更簡單，現在已占GE和EMD產品銷量的一半。
　　以上的技術革新出現的非常及時，因為據獨立鐵路分析家Tony Hatch說，現在鐵路運輸正在進入增長階段。他表示：“鐵路工業正從成本削減階段轉為增長階段。煤炭和集裝箱的交通運輸量只會越來越大。再加上例如中國和澳大利亞的需求量一直都很大，對機車工業來說，這是個好現象。”
火車機車最基本的功能是拉、推、起動和停止。但極端的環境條件會使它的運行變得困難。例如一列裝有110輛轎車、10000噸谷物的列車，它的載重量比一艘海軍驅逐艦的總重還要重2000噸，牽引它在空氣稀薄的環境下翻越山嶺、穿過炙熱的沙漠，或者進行急轉彎，對機車來說都具有足夠的挑戰性。但機車平穩運行的真正克星是極端的溫度和濕度。
　　GE Transportation系統的控制和軟件主管Wolfgang Daum說：“在過去的五年中，研究的重點是機車的可靠性和性能。這涉及機械、燃燒、冷卻和電子等多領域的技術。我們面對的挑戰是如何在載重更多、速度更快的情況下減少鐵軌失效和脫軌等事故，改進產品的可靠性。這種挑戰實際上是如何實現動力向鐵軌的最優傳遞。”
　　鐵軌上升起的新星
　　經過六年的開發，GE最新型的機車，4400hp Evolution系列產品已經完成了450萬英里的野外測試運行。根據GE網站上的信息，開發Evolution系列的總投資高達2億美元，現已獲得25項已批準和13項未被批準的發明專利。此機車的“大腦”由20塊奔騰微處理器組成，用以檢測和控制各種子系統，例如柴油發動機，或“牽引機”，牽引發動機，交流發電主機；以及輔助系統，例如散熱器風扇，壓縮機，牽引發動機的鼓風機和蓄電池充電器等。據Daum稱，這些微處理器一共需要測量和控制2500至5000個參數，測量的時間間隔根據系統設置，在幾十微秒到幾十秒的范圍內變化。

　　我們面對的挑戰是如何在載重更多、速度更快的情況下減少鐵軌失效和脫軌等事故，改進產品的可靠性。

　　例如，一臺計算機專用來監測牽引控制這樣的功能，保證車輪與鐵軌的附著力達到最大。鐵軌和車輪的接觸面積比一個一角錢的硬幣大不了多少。Daum解釋說，“這種鋼－鋼界面非常重要。每個輪軸上的1000hp的逆流器可以調整扭矩和滑動。如果在4400hp時出現差錯，那么整個鐵軌就會很快燃燒起來。”單個的輪軸控制可使滑動最小化。典型的火車機車有六個輪軸，所以如果其中一個發生滑動，傳遞到另一個輪軸的動力仍可使機車獲得牽引。
機載的計算機網絡主要借用了汽車中的CAN（Controller Area Networks）技術。除了CAN總線，還有其他種類的網絡和界面，包括RS-232，RS-488，以太網以及ArcNet。同一列火車內的多種單元進行無線通訊，而且所有網絡都采用糾錯技術。Daum說，計算機上運行實時的QNX Unix系統，而運行的多種動力子系統的程序是在Matlab、Matrixx和C11環境下編寫的。


　　當代機車性能一瞥
　　■ 機車操作間全采用數字電子技術；
　　■ 元件要在機車可能遇到的各種極端環境下進行多次嚴格的測試；
　　■ 盡管混合發動機技術會很快出現目前已經有了更強大、燃燒效率更高的柴油發動機；
　　■ 計算機化診斷技術可監測3000 至5000個機車運行參數，并將數據無線傳輸給工程技師。

　　單個大型有蓋貨箱可裝納111噸谷物。通常在短程運輸中，這樣的載重會對輕軌造成損壞。目前在世界上，對新設備的動力單元和控制性能的要求非常苛刻，因此機車的電子和數字元件必須通過更加殘酷的測試。在GE公司中，工程師將電子線路板放在室溫可在50秒內從-90℃升高到180℃的房間進行測試。Daum拒絕透露這些線路板具體的溫度技術條件。他說：“我們做了很多測試來保證有足夠的安全系數。你必須知道在室外正常運行時產品的性能。在室外，加拿大落基山脈溫度僅為-50℃，而死亡峽谷溫度是50℃，在隧道內由于氣體和熱量比較集中，溫度可達到90℃。我們的測試遠超過了這些極限，令人欣慰的是，即使高溫熔融了線路板上的焊接劑，它仍能繼續工作。”
　　GE還用壓縮空氣錘模擬電子線路板上力量高達60g的任意撞擊和振動。在機車中，還特意為線路板設置了防護罩。這種防護罩可減小熱沖擊、振動，以及極端的溫度帶來的損害，但GE并沒有采用防振墊，Daum表示，像電流接觸器這樣的電子元件必須有同等的耐受能力。這些元件的冷卻主要依靠大型風扇。
　　超載測試是指將柴油機的負荷增加至超過其設計極限，使它在正常負荷的120％下運行，檢驗哪種元件最先失效。這種測試可以得到在其使用年限中機車事故的最低發生率。
　　發動機的效率
　　Evolution產品發展的關鍵是其發展的空間。例如，柴油發動機雖然功率越來越大，但是一直受到環境保護署日益嚴格的排放標準的限制。今年實施的Tier 2標準將使氮氧化物和顆粒物的排放減少，工業領域都希望環境保護署遲些再實施更加嚴格的規定。Evolution柴油機僅有12個氣缸，它的前身卻有16個，但它產生的動力遠高于它的前身。
　　Evolution即將實現這樣一項功能，當火車下坡或滑行到站時，牽引發動機能夠收集多余的能量，并將此能量轉化為電能儲存于蓄電池組中，這樣有望節省10～15％燃料燃燒產生的能量。這種所謂的混合技術發展了另一種功能，稱為動態減速，它是指利用牽引發動機作為剎車系統，在過去的30年中，人們一直用這種方法使機車減速，在坡度很陡的情況下效果也非常好。這種混合技術的原理聽起來很簡單，但設計中碰到的困難之一就是開發蓄電池組，使其能夠抵抗每天多次的電流突變。Daum說：“這是一個價值數百萬的機遇。”
　　但混合技術的技術基礎過于復雜，工程師們目前正在尋求節省燃料能量的簡單方法。例如EMD開發了AutoStart（自動啟動）技術，它可在機車空轉的時候控制其關閉或啟動。AutoStart可感應引擎的溫度，電池電壓、電流，以及空氣存儲器的壓強等參數；并根據這些參數做出不同響應。在寒冷氣候下，為防止系統過冷，這種機車會持續運轉并因此很快損壞。一輛機車的壽命為至少40年，其中它運轉的時間可能占50％或者更多。EMD估算，若每年機車空轉時間平均為3600小時，將此時間減半，則每輛機車每年就可節省5400至7200加侖柴油。當機車將要啟動時，若無人在控制室內，機器便會發出警報聲，避免不知情的旁觀者受到驚嚇。

　　關于機車電子技術最重要的發展包括FIRE、智能火車系統，以及IGBT的應用。

　　EMD公司的兩大革新是機載的FIRE（Functionally Integrated Railroad Electronics功能完備的鐵路電子系統）計算機系統和可用于遠程監測和識別的智能火車系統。這種FIRE系統也是基于奔騰處理器和CAN結構建立的，它由三臺PC104總線計算機和一至三臺顯示器組成，計算機的操作系統為內嵌的Windows XP，顯示器代替了十二個標準量表、指示器和控制器。EMD的控制和電子系統設計主管Norman Bridge說：“我們將火車機車看作為網絡化裝置。因此我們的工程師必須對網絡非常了解。我們還調整了硬件的組件，我們是系統的組裝者，面對的問題是如何獲得系統組件并把它們組裝到一起。例如軟件，是面向對象并基于Windows XP的，因此添加新功能就變得非常容易。”（請看前頁與Norman Bridge的Q&A）。
　　機車上的Windows XP？
　　Bridge稱，盡管Windows XP在臺式機領域名聲很不好，在EMD的境遇卻大不相同。他說：“我們還沒有失敗過，Windows用于臺式電腦時碰到的大多數問題的主要原因是，它必須支持不同軟件和硬件的各種組合。而機車應用程序則有專用的硬件平臺，用戶不可能由于更換新的視頻卡或裝載錯誤的驅動軟件使原有程序發生改變。”
　　剛剛投入商業生產的智能火車系統，能夠識別錯誤并報告給EMD的技術支持中心，此中心可將信息向任何方向傳遞。技術支持中心對于每個錯誤可存儲5秒鐘的數據，并對FIRE監測的3000多個參數中的十分之一執行擬實時檢測。與GE相同，EMD機車檢測的時間間隔也是可變化的，但系統對某些信號取樣的時間間隔為1毫秒。用戶可在安全的網頁上查看數據，或系統可向呼叫器、手機或e-mail地址發送電子警報。換句話說，用戶的信息系統可直接獲<