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磁浮交通,沉寂10年,新的春天还远吗?(上)
梅西 2017-06-20
导语

去年5月,我国首条完全自主研发制造的中低速磁浮线——长沙磁浮项目正式投入运营,这也是迄今世界运行里程最长的中低速磁浮商业运营线。这是否意味着,磁浮交通这一技术路线,在几经起伏后,又迎来了新的春天?


编者按:本文来源微信公众号“三思派”(ID:Science-Pie),e科网授权发布。本文作者:洪少枝博士,同济大学(国家)磁浮交通工程技术研究中心副研究员,主任助理。文章为作者独立观点,不代表主办机构立场。

磁浮交通,顾名思义,就是靠磁力使磁浮列车浮起来运行的交通方式。世界上至今唯一的一条高速磁浮商业运营线,是上海浦东机场到龙阳路地铁站的磁浮上海示范线,从2002年12月31日开始试运行,至2017年3月31日,已经安全、稳定运行了5205天。然而,在过去的近十年里,关于磁浮技术的讨论相对沉寂。去年5月,我国首条完全自主研发制造的中低速磁浮线——长沙磁浮项目正式投入运营,这也是迄今世界运行里程最长的中低速磁浮商业运营线。这是否意味着,磁浮交通这一技术路线,在几经起伏后,又迎来了新的春天? 本文为上篇。

图1 上海高速磁浮示范运营线(轨道线形体现了其线路的高适应性)

2016年,是我国磁浮交通技术发展历程中又一个重要的年份。这一年5月,我国首条完全自主研发制造的中低速磁浮线——长沙磁浮项目投入运营,这也是迄今世界运行里程最长的中低速磁浮商业运营线。长沙磁浮项目在国内产生了明显的示范效应,多个城市表示在考虑建设中低速磁浮运营线,也吸引了多个国家代表团来访问考察。更有影响力的事件是:国家“十三五”重点研发计划“现代轨道交通专项”启动时速600公里高速磁浮交通和时速200公里中速磁浮交通研发项目,其速度指标超过了日本已开工建设的超导高速磁浮项目。在国外,日本超导高速磁浮项目建设继续推进;美国的Hyperloop1实现了1000km/h以上试验速度,以及其他磁浮技术发展的新进展,不一一赘述。作为世界上至今唯一的一条高速磁浮商业运营线,磁浮上海示范线至2017年3月31日,已经安全、稳定运行了5205天,完成运行里程1627万km,实现载客4814万人次,并一直保持着迄今地面交通工具最高的运行正点率(99.84%)和准点率(99.92%)记录。

磁浮交通技术,在沉寂了近10年后,是否又迎来了新的春天?本文以高速磁浮交通技术为主、兼顾中低速磁浮交通技术的研发、应用与发展,试图简要梳理和介绍。

▍磁浮交通技术原理与适用性

1、磁浮交通技术的原理与分类

磁浮交通,顾名思义,就是靠磁力使磁浮列车浮起来运行的交通方式。其从悬浮机理上可分为电磁悬浮(如磁浮上海示范线采用的德国TR列车、日本爱知线HSST列车、长沙磁浮线和北京磁浮线的磁浮列车等)和电动悬浮(如日本山梨线超导高速磁浮MLX、LO系列列车)两种。

电磁悬浮就是对车载的、置于导轨下方的悬浮电磁铁通电励磁而产生电场,磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引,将列车向上吸起悬浮于轨道上,磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙一般约8~12mm。列车通过控制悬浮磁铁的励磁电流来保证稳定的悬浮气隙,通过直线电机来牵引列车行走。电动悬浮就是当列车运动时,车载磁体的运动磁场在安装于线路上的悬浮线圈中产生感应电流,两者相互作用,产生一个向上的磁力将列车悬浮于路面一定高度(一般为100~150mm)。列车运行靠直线电机牵引。与电磁悬浮相比,电动式磁浮系统在静止时不能悬浮,必须达到一定速度后才能起浮,大约是达到150km/h开始悬浮。

图2 日本JR超导高速磁浮、德国TR常导高速磁浮、常导中低速磁浮的系统原理

磁浮列车的牵引电机都是直线电机。按电机形式一般可分为两种,即长定子直线同步电机和短定子直线感应电机。当采用长定子直线同步电机时,电机的定子沿整个线路铺设,电机的转子安装在车上,适合于较高速度的磁浮列车牵引,如磁浮上海示范线、德国的TR常导磁浮列车和日本的MLX、LO等系列超导磁浮列车。当采用短定子直线感应电机时,电机的定子安装在车上而转子在轨道上,适合于低速磁浮列车,如长沙磁浮线、北京磁浮线和日本爱知磁浮线。由此,又可将磁浮交通技术分为高速磁浮技术(最大运行速度大致在400~500km/h)、中低速磁浮技术(最大运行速度约为80-100km/h)两种;其中,近年来在开发的时速200km/h磁浮称为中速磁浮技术。

图3 德国TR常导高速磁浮系统结构与原理

此外,日本的超导磁浮列车利用安装在车辆上的低温(绝对温度4.2K)超导线圈,产生强磁场,被称为超导磁浮交通。除此之外,目前其他磁浮交通技术都采用普通导体通电励磁,产生电磁浮力和导向力,故称为常导磁浮交通。

2、磁浮交通系统的主要特性

作为公共交通方式的一种,磁浮交通系统的运行原理与铁路(包括高速铁路)、城市轨道交通相似,子系统构成也基本一致。简单地说,可以分为运行控制系统、车辆系统、牵引供电系统、线路轨道系统等四个子系统。除了非接触“悬浮”运行的特点,磁浮交通还是一个高度集成的自动控制系统。以高速磁浮技术为例,其主要特性是:

2.1 安全性

磁浮列车通过多项安全设计技术确保安全,主要包括:

(1)系统构造为车辆环抱线路行使,保证不会脱轨;

(2)列车运行的控制与安全防护技术,保证任何妨碍正常运行的故障均会导向安全停车;不会发生追尾和对撞;即使在极端故障情况下,也能保证悬浮和制动;

(3)车辆按民航飞机的防火标准设计,且相邻车厢间隔离门的防火隔离时间大于10min;

(4)车辆采用防碰撞设计,保证在可能范围碰撞发生后,不危及列车的悬浮导向稳定性,同时列车碰撞部位的变形,不挤伤车内人员及乘客;

(5)由于系统的加减速性能高,在接收到地震监测信号后,可用更短的制动时间保障列车停车。

事实上,磁浮上海示范线投入试运行之前,在中、德两国政府磁浮领域合作框架下,委托中外专家组成的第三方评估机构,进行了从系统、子系统到零部件三个层次的安全评审与考核运行,通过安全审批后再颁发载客试运行批文及许可证。投入运行后,经历了风霜雨雪等各种极端天气的考验,且在相当于11级风速的台风中,磁浮列车仍按时刻表正常运行。

2.2 环保

磁浮系统运行对环境造成的负担比其他可比较的交通系统更少。

(1)同等速度下,磁浮列车噪声明显比其他陆上交通工具低。

(2)根据美国、中国权威机构在磁浮上海示范线进行的全面、综合测量,以及与电磁辐射国际标准、国家标准分析比较,结果表明:高速磁浮交通系统对环境的电磁辐射与高速轮轨系统、地铁系统相当,均远低于现行标准限值,不会对社会公众和职业人员的健康产生不利影响。

(3)因具有相对较高的爬坡能力与较小的转弯半径,其线路对地形的适应性较强,可以沿即有交通走廊选线,从而少占用土地,不增加新的环境负担,减少噪声对大众和自然生态的影响。

此外,国外研究机构认为磁浮线路封闭面积小、表面积需求小、能耗比小,所以二氧化碳排放量及声响发射也有优越性。

2.3 节能

铁路是公认的节能交通系统,而高速磁浮交通系统更加节能,这主要源于:一是磁浮列车的非接触运行方式;二是磁浮系统采用分段供电技术;三是磁浮列车设计大幅减少列车截面面积;四是磁浮列车上的高强度轻质材料和车体结构形式采用类似飞机上的减轻自重措施等。德国莱茵州技术监督协会研究表明,在相同运行速度和座位宽敞程度情况下,磁浮列车比高速轮轨铁路ICE的单位运量节能20%~40%。同时,运行过程中的馈电能源能够回收利用;磁浮列车采用同步直线电机驱动方式,其供电效率也较高。

2.4 全寿命周期成本

目前,国内已公布的高速铁路造价与磁浮上海示范线工程建设投资指标在计算方法上不完全一致,所以无法也不能用磁浮上海示范线的财务报表来进行高速磁浮交通系统的成本比较;而且,其作为示范线路的建设成本比后期规模化应用要高。对基础设施项目的成本核算,国际上较为认可采用交通系统的全寿命周期费用(LCC)指标来分析比较,即不光是初期的一次性建设投资,还包括后期运营期间的各种运行维护费用和成本。研究认为,从运营期的约第29-30年开始,高速磁浮交通系统在长大干线上的(静态)寿命周期费用将低于高速轮轨铁路。特别是由于磁浮系统的维护主要是对电子技术的信息化维护和系统设备的模块式结构,其车辆、线路轨道等各子系统的维护工作更为简单;故综合起来,运营成本要低得多。如果要考虑建设投资比较,现有研究表明,对丘陵地形,修建一条新磁浮线路所需的投资额和高铁线路几乎是相同的。现在,国内高铁网络已经基本建成成形,适时采用合适、统一的技术经济核算方法对高速铁路和高速磁浮技术的建设投资进行研究分析,也是一件比较有意义的工作。

2.5 可靠性

磁浮交通是一个高度自动化和信息化的主动控制系统。列车运行、控制和维护都实现了自动化;且以诊断技术为基础,实现了运营、维护及管理的完全信息化。由于系统技术的自动化和信息化特征,其运行可靠性相对更高,例如,磁浮上海示范线运行至今14年多,正点率达99.84%、准点率达99.92%,是其他交通方式无法企及的。

由于自身的技术特点,磁浮线路是通过在轨面设置横坡来平衡离心力,其区间最大横坡可≤12°(特殊情况下α≤16°),线路转弯半径较小,具有较强的爬坡能力(纵向坡度≤10%)。这一特点使得磁浮交通线路具有非常好的适应性,可以更好地适应周边地形,选线受周边设施、地形条件的限制少得多。其他的如舒适度、国民经济效益等方面,磁浮交通系统也有一定的优势,上海示范线实测的舒适度结果达到了ISO舒适度标准的最高等级,等等。

中低速磁浮系统与高速磁浮系统技术制式上有一定差异,技术构成也有所不同,运营最大速度一般是80-100km/h,而非高速磁浮的400-500km/h甚至更高。但同作为公共交通工具,其系统设计、运行维护等方面,与高速磁浮交通小异大同。上述几项系统性能也都具备,特别是在其运行时不对周围环境增加噪声负担和振动影响,非常适合替代轮轨式城市轨道交通,应用于城市内的中等运量交通线路。

3、磁浮交通系统的适用性

对公众而言,其出行更关注的是从出发地到目的地之间交通模式的最优组合与效率,根据便捷性、经济性和时间要求优化组合配置,没有哪一种交通方式能够单独实现整个交通出行过程。由于速度差异,高速磁浮和中低速磁浮交通技术的适用范围是不一样的。

高速磁浮系统的旅行速度(即出行距离除以出行时间)可达300~450km/h,可在中长距离实现3小时舒适旅行,与高速轮轨和民用航空互为补充、合理分工,在中长距离大城市之间实现快速联系,开行高密度、大编组点对点直达列车,再利用磁浮城际线、高速公路、铁路等对枢纽范围内的中小城市辐射、集疏旅客。在城市群内部,适合作为城市群内主要节点城市之间的通勤交通,以城市群内的特大型城市为核心,集聚和辐射周边中小城市,形成0.5~1h的商务、公务、通勤、旅游为主要目标的旅行圈,在枢纽——车站、车站——车站开行高密度、中小编组点对点列车。

对中低速磁浮交通而言,其速度与城市轨道交通相当,但由于在噪声、振动等方面几乎不增加环境负担,使得其可以采用地上线路形式替代轮轨式轨道交通,比地铁建设成本大幅度降低且较少占用土地。在城市内部,中等运量的通道上可完全替代地铁;也可以作为中心城与卫星城之间的主要交通方式,或卫星城内部通勤、旅游景区内部交通等。

发展磁浮交通技术的战略意义

对发展磁浮交通技术的争论,曾经聚焦于其造价、电磁辐射、与现有铁路网络的兼容性等,较少关注这一新型交通技术发展对交通体系与国民经济的贡献。事实上,一方面是对综合交通体系的结构性完善;另一方面,除技术和经济因素外,交通政策、国民经济和工业政策等也是重要的决策考量。德国在高速磁浮交通系统比较时曾明确指出,“(高速磁浮交通)会提高国家的创新能力,并对国内外企业投资决策产生积极影响”。

1、优化综合运输体系结构和效率

高速磁浮交通在我国综合运输体系的地位主要反映在四个方面:

1)技术经济特征定位。作为具有自成体系能力的新型高速轨道方式,特别是填补航空与高速轮轨之间的速度空白,高速磁浮交通优化了运输方式技术经济结构,丰富了综合运输体系的内涵。在各种高速客运方式中,从低到高依次形成高速公路、快速铁路、高速铁路、高速磁浮、民航飞机这样一个完整的速度序列,适应不同层次、不同旅客多样化的运输服务需求,提高综合交通运输体系的配置效率和能力。

2)资源能源利用定位。高速磁浮交通单位人公里能耗大约是飞机的1/5、汽车的1/2,相同速度下的能耗比高速轮轨更低,具有显著的低能耗、低排放优势,是加快实现能源更替、优化能源利用结构,有利于交通能源转型的可持续发展轨道交通方式,符合国家建设“两型社会”的战略要求。

3)运输组织定位。高速磁浮交通的运输组织与高速轮轨交通基本相同,适合采用“枢纽辐射、干支分离”的高效运输组织模式。可以在市场竞争基础上,通过自身运输系统的建设或参与综合运输体系的建设,形成运输组织的快速通达、网络化、集约化和规模化,满足干线运输通道的高频次客运需求。

4)需求服务定位。高速磁浮交通的速度介于高速轮轨与民航之间,既具有自身的目标服务客户群,又可以吸引民航和高速轮轨的目标客户并与之互补,满足综合运输体系不断增长的快速、高效交通需求,增加了高速客运方式的选择性和替代性,能够引导实现快速交通普及化,从而优化综合运输整体需求结构。

2、建立国际领先产业,引领国民经济发展

作为发展中国家,中国在高端制造业方面还处于由“赶”向“超”的努力阶段,建立和发展具有世界领先水平的基础设施战略产业,对国家产业战略安全和经济社会持续发展有重要意义。战略产业体现国家的工业化水平,是决定一国整体实力的基础力量。高速磁浮交通系统以其综合集成现代高技术和长产业链,也属于战略产业范畴。中低速磁浮交通在悬浮机理和速度上与高速磁浮交通技术存在一定局部差异,但产业链大部分相同或叠合,也是培育和发展新兴产业的新增长点。

磁浮交通技术包涵四个技术子系统,即前述的线路轨道子系统、牵引供电子系统、运行控制子系统和车辆子系统,以及集成上述四个子系统的系统集成技术。经过从“十五”到“十二五”期间国家连续三个“五年计划”支持的持续科研攻关,我国已基本掌握高速磁浮交通系统技术,研制成功关键的系统设备,提升了相关产业领域的技术水平与产业升级转型。例如:

轨道系统上安装的机电部件加工制造采用先进的精密加工技术,在磁浮上海示范线建设其间已经提升了交通土木建筑、冶金、电气等行业的建造技术和施工水平。其中轨道长定子使用硅钢带粘合而成,硅钢带制造技术、设备和粘合加工工艺均已研制成功新技术、新设备、新工艺,与其他轨道设备共同为我国电气和机械制造与加工行业提出了新的课题,促使其升级现有技术和开发新技术。在磁浮上海示范线建设期间研制成功并经过技术升级的软磁钢、高延展性球墨铸铁等产品,大幅度提升了我国冶金行业的技术水平。

高速磁浮车辆引入了航空器设计理念,其车体强度、刚度、耐火性能和轻量化等方面要求较高,车体和车载电磁铁均采用新材料、新工艺完成制造、加工和组装。在我国高速磁浮交通发展过程中,铁路车辆制造、飞机制造、电气设备制造、机械制造加工、新材料等行业的有关单位投入了大量精力参与磁浮上海示范线建设和国产化研发,取得了一系列重要成果,有效提升了相关行业的设计、制造、加工水平。其中,高速运行条件下的悬浮和导向控制技术是高精度、高实时性的先进自动控制技术,目前只有德国能够完全掌握这一尖端技术,我国已取得阶段性科研成果,为自动控制技术的进步做出了贡献,并为受限于自动控制技术的产业领域提供了发展契机。与此同时,为满足高速磁浮交通对运行控制系统高安全性和可靠性要求,计算机、信息技术等行业的相关单位,开发了高性能安全计算机、车-地通信和地面通信技术及设备,实现了自身技术升级,初步具备了替换昂贵的进口产品的能力。

牵引供电系统使用了兆伏安功率级别大功率变流装置和输变电设备。大功率开关器件和变流技术仍只有极少数发达国家掌握,在造船、冶金和交通运输等行业也广泛应用。我国已经掌握其设计制造技术,所生产的15MVA大功率变流器满足高速磁浮技术要求,在这一领域取得突破性进步。所要求的高速运行条件下的绕组线圈供电换步技术,对电气相关行业提出了更高的技术需求。

由于高速磁浮运行控制系统、牵引供电系统的部分原理与工作方式和高速轮轨铁路类似,可在一定条件下实现通用,故相关单位的技术和产品也可用于支持轮轨铁路技术的发展。其既包含大量国际先进技术,也涉及到诸多传统产业,在带动一系列高新技术产业发展的同时,可快速扩散到传统产业,并对其提出了新课题、新任务和新要求。根据建设经验,高速轨道交通的投资与拉动相关产业的比例约为1:10,高速磁浮交通的运行速度更高,也将会以较大比例拉动产业发展。

先进技术产业有三种扩散效应:“回馈效应”、“前瞻效应”和“旁侧效应”。磁浮交通技术是一种综合性系统技术,是多学科高技术的集成;其产业属于技术密集型、资金密集型产业,长产业链的特点使得其能够紧密带动电磁技术、信息通讯技术、计算机网络与控制、计算机软件与硬件、电子、机电一体化、制造、材料科学、机车车辆、运输工程、土木工程、系统集成等相关产业发展,提升传统产业、推动新兴产业,并由此衍生出一系列的高技术服务业,以及促进旅游业等服务行业发展,从而导引相关产业结构优化升级。通过其回馈效应,高速磁浮技术可对以上行业提出新的投入需求,并利用其前瞻作用促进关联部门技术、组织和制度等方面的发展,并引导其以更灵活的方式向更广阔的领域拓展。通过带动上述行业的协同发展,形成一个高新技术产业群体。与高速轮轨技术相同,作为一种快捷交通运输方式,通过旁侧效应大大促进区域一体化,带动沿线区域经济布局调整。

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作者 梅西

本科生

北京工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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