磁懸浮技術特點及應用

李武濤

摘要：磁懸浮技術的誕生與發(fā)展源于人類對交通出行速度的追求。按照線圈導體屬性，磁懸浮技術可分為常導型和超導型；按照懸浮原理，磁懸浮技術可分為電磁懸浮系統(tǒng)（EMS）和電動懸浮系統(tǒng)（EDS）。本文分別從磁懸浮系統(tǒng)的技術特性和經濟特性；世界各國對磁懸浮技術的應用現(xiàn)狀以及我國對磁懸浮技術的應用幾個方面介紹了磁懸浮技術發(fā)展和應用現(xiàn)狀。

關鍵詞：磁懸??；TR技術；ML技術

磁懸浮技術的誕生與發(fā)展源于人類對交通出行速度的追求。過去80余年以來，不少科學家對這種不依賴輪軌接觸、無直接摩擦力的運輸技術應用于交通工程的可能性進行了研究，并在中國上海實現(xiàn)了商業(yè)運行。我國人口眾多，磁懸浮這種新技術的采用需求不僅出現(xiàn)在城市間的長距離運輸，也出現(xiàn)在城市交通領域，其技術主要是中低速技術和輕型車輛。不過，在“是否可以繼續(xù)推廣磁懸浮技術”以及“如何在我國推廣磁懸浮技術”這兩個問題上，專家和官員兩個層面上均還存在一些不同看法。爭論主要集中在三方面：首先是工程技術風險，即磁懸浮技術是否具備推廣到運輸生產領域的工程成熟度；其次是技術推廣的經濟風險，即磁懸浮技術在項目建設和運營維護過程中的經濟性是否可接受；三是輸送（生產）能力風險，即磁懸浮技術能夠達到的最大生產能力究竟在何等水平。

一、磁懸浮技術的類型及特點

按照線圈導體屬性，磁懸浮技術可分為常導型和超導型；按照懸浮原理，磁懸浮技術可分為電磁懸浮系統(tǒng)（EMS）和電動懸浮系統(tǒng)（EDS）。從原理上，磁懸浮技術可分為“常導+EMS”（常導磁吸型）和“超導+EDS”（超導磁斥型）兩種主要模式。德國的TR技術采用“常導+EMS”，而日本的ML技術采用“超導+EDS”，他們分別代表了目前國際上兩種比較接近實用水平的磁懸浮運輸技術。

（一）德國的TR技術和日本的ML技術

由于系統(tǒng)原理不同，TR和ML磁懸浮運輸系統(tǒng)的技術指標也各有不同，主要表現(xiàn)在導軌構造、懸浮氣隙、運行速度、能耗、磁場強度等方面。u型導軌的ML系統(tǒng)較T型導軌的TR系統(tǒng)懸浮氣隙大、可達運行速度更高，能耗與磁場強度也相應較高。

（二）磁懸浮系統(tǒng)的技術特性

作為新型的運輸技術，磁懸浮系統(tǒng)在運行速度、加速度、安全性、可靠性、工程選線、能效與環(huán)保等評價指標上，相對于傳統(tǒng)交通方式具有一定優(yōu)勢；而運輸能力僅能達到高速輪軌系統(tǒng)的40%～50%。與輪軌系統(tǒng)相比，磁懸浮系統(tǒng)的運行速度與加速度的優(yōu)勢明顯。TR08和MLX01列車的設計速度分別為500km/h和550km/h，遠高于目前300km/h的高速輪軌列車速度；平直線路上，理論推算TR08列車速度達到500km/h需要加速時間265s、加速距離19.3km，均小于ICE03列車達到300km/h時的對應值（370s、20.9km），考慮到MLX01較TR08具有更大的加速度，上述差值將更為明顯。磁懸浮系統(tǒng)的安全性和可靠性高的結論，主要基于理論推斷和試驗運行累計數(shù)據，尚有待實際運營的進一步檢驗和完善，2006年9月22日發(fā)生的德國埃姆斯蘭德試驗線磁懸浮列車和服務機車撞車事故，對磁懸浮列車的控制系統(tǒng)的安全性提出了挑戰(zhàn)。

（三）磁懸浮系統(tǒng)的經濟特性

作為大型交通工程，磁懸浮系統(tǒng)的建設費用高昂。雖然目前關于磁懸浮系統(tǒng)造價與高速輪軌系統(tǒng)造價的比較有相當不同的意見，但總的來說，大多數(shù)觀點及數(shù)據表明，修建磁懸浮系統(tǒng)的費用要高于高速輪軌系統(tǒng)。尤其在平原地區(qū)，高速輪軌系統(tǒng)的工程造價得以降低，而同時磁懸浮系統(tǒng)的選線靈活優(yōu)勢得不到充分利用，這種情況下兩者的造價差距會非常明顯。

二、世界各國對磁懸浮技術的應用論證

隨著磁懸浮技術的日趨成熟，世界各國均試圖建造實用的磁懸浮線路.資料表明：德國、日本、美國在多條線路上開展了磁懸浮技術的論證工作。下面，分別分析各國磁懸浮線路論證過程及其采用的技術經濟參數(shù)和相關結論。

（一）德國磁懸浮技術的應用論證

1977年，德國研發(fā)基于常導技術的長定子驅動系統(tǒng)和電磁懸浮系統(tǒng)（EMS）.1980～1987年，德國建成埃姆斯蘭德（Emsland）的磁懸浮高速列車試然而，對于投入商業(yè)運營后的磁懸浮安全控制系統(tǒng)，尤其是如何保障大編組、高密度運營條件下的高速磁懸浮運輸系統(tǒng)的安全性和可靠性，還有待進一步論證和提高.2006年8月份的上海磁浮火災事故和9月份的德國磁懸浮試驗線列車與服務機車相撞事故，對高速磁懸浮系統(tǒng)的安全保障體系和事故救援預案，提出了新的更高的要求。

（二）日本磁懸浮技術的應用論證

日本從20世紀70年代初開始研究超導磁懸浮鐵路，開發(fā)超導磁懸浮鐵路方面的ML技術。1977年和1996年，日本先后建成宮崎試驗線和山梨試驗線。宮崎試驗線僅進行超導磁懸浮鐵路的最基本的性能試驗；山梨試驗線全長18.4km，用于超導磁懸浮的實際應用的運行試驗，并作為規(guī)劃中的東京—大阪“超導磁懸浮中央新干線”的一段。

除了主要適用于長大干線鐵路和城際鐵路的ML技術，日本也發(fā)展基于常導的中低速磁懸浮鐵路——中部高速地面運輸（CHSST）系統(tǒng)，并作為城市交通運輸工具。相較ML系統(tǒng)，CHSST不僅具有舒適、無公害、安全可靠等磁懸浮運輸系統(tǒng)的共同優(yōu)點，而且建設費用、養(yǎng)護費用較低，系統(tǒng)技術更成熟，已建成大運量高密度的商業(yè)運營線——東部丘陵線。

（三）美國磁懸浮技術的應用論證

關于磁懸浮技術的發(fā)展和應用，美國和我國的情況有類似之處。首先，兩國都對磁懸浮技術進行了一定規(guī)模的投資，主要集中在對車輛設備和導軌構造的研發(fā)和改進上。其次，兩國都缺乏磁懸浮列車系統(tǒng)的試驗線建設技術和運營維護經驗，新線建設對德、日兩國的磁懸浮線路技術有不同程度的依賴，都以引進為主，結合德、日的現(xiàn)有技術，進一步開發(fā)適合自身技術發(fā)展水平和運輸需求規(guī)律的磁懸浮鐵路系統(tǒng)。美國磁懸浮發(fā)展出現(xiàn)了數(shù)次反復，這使得美國目前在磁懸浮列車示范運行方面落后于德國和日本。當然，美國對磁懸浮技術的軟、硬件的總體研究水平高于我國，而我國通過上海磁浮示范線的建成并通車運營，也掌握了第一手的磁懸浮運輸系統(tǒng)建設和商業(yè)運營資料。在過去的幾十年中，美國聯(lián)邦政府、企業(yè)和研發(fā)機構先后投入了15億美元，在線性直流同步電機、超導磁鐵、輕型合成材料等磁懸浮列車關鍵技術方面取得了突破。通過技術研發(fā)，尤其是對硬件的技術改進，成功地降低了多項設備的制造成本。

三、我國磁懸浮技術的應用

與發(fā)達國家相比，我國磁懸浮系統(tǒng)的研發(fā)和建設環(huán)境具有以下特點：

在技術上，我國磁懸浮技術的研發(fā)起步較晚，尤其是工程層面的工作。不過，我國通過中德技術合作于2003年建成了世界上第一條商用高速磁懸浮線路，即上海浦東機場線，極大地推動了我國磁懸浮技術的研發(fā)。在引進、消化、吸收的基礎上，我國已經逐步具備了再創(chuàng)新的能力。例如，20世紀90年代以來，原國家科委正式將“中低速磁懸浮列車關鍵技術研究”列入“八五”國家科技攻關計劃，由鐵道科學研究院牽頭，國防科技大學、中科院電工所、西南交通大學等單位參加。1995年5月，國防科技大學成功實現(xiàn)了實驗室內1：1單轉向架的載人運行。2001年研制成功的中低速磁浮試驗車下線并成功進行了試驗運行，2005年7月又研制成功了磁浮工程化樣車。目前，中國已經先后在北京、長沙、成都、上海、大連等城市建立了多家研究基地和試驗線路，對不同制式的磁懸浮技術開展實用化研究，實用型中低速磁浮列車及唐山2km試驗示范線也正在籌劃中，關于磁懸浮應用技術的獨立研發(fā)能力正在形成。經驗表明，科技發(fā)展中的趕超先進決不是一朝一夕之功，工程技術領域更是如此，我們還須耐住寂寞，踏踏實實地作好磁懸浮技術應用前期的研發(fā)與論證工作。

在經濟上，磁懸浮系統(tǒng)單位運輸能力的造價高于輪軌系統(tǒng)。作為發(fā)展中國家，我國中央政府、各級直屬部門與多數(shù)地方政府的財政預算能力總體上仍然是比較有限的，但部分經濟發(fā)達地區(qū)已經具備建設磁懸浮線路的能力。各國的論證經驗表明：磁懸浮系統(tǒng)的自負盈虧能力是比較弱的，各地區(qū)及政府部門對任何磁懸浮系統(tǒng)建造的決議應當考慮實施運營后進行經濟補貼的可能性及財政能力。因此，各城市在規(guī)劃磁懸浮系統(tǒng)建設項目時必須要充分考慮地區(qū)經濟承載能力。

在市場需求上，我國不少交通通道系統(tǒng)仍有一定發(fā)展空間，包括我國正積極籌建的上海一杭州高速磁浮列車線路等；這也是我國建造磁懸浮系統(tǒng)過程中明顯優(yōu)于發(fā)達國家之處。這一形勢為磁懸浮技術在我國的發(fā)展提供了較好的需求環(huán)境，也增加了該項技術的經濟可行性。

在政策環(huán)境。磁懸浮作為一項新技術，可以產生良好的產業(yè)拉動效應、科技拉動效應和媒體宣傳效應，容易得到有關部門的偏愛。

在公眾與專業(yè)環(huán)境上，社會各界關注的焦點主要是磁懸浮線路的造價，目前，我國交通行業(yè)的投融資政策已開始形成，為磁懸浮技術項目的投融資創(chuàng)造了良好條件。不過，在具體操作方法上，仍需要進一步研究行之有效的策略。

四、研究結論

通過上述研究，結合我國目前磁懸浮技術研發(fā)實踐，可以提出如下幾方面的政策建議：

從國家層面制訂磁懸浮技術研發(fā)與應用的整體規(guī)劃。這個規(guī)劃應包括磁懸浮關鍵技術的研發(fā)、磁懸浮項目的工程實施技術研發(fā)、基于交通需求的磁懸浮通道建設規(guī)劃。磁懸浮系統(tǒng)建設與運營的投融資體制、磁懸浮線路高密度運營組織與維修實施計劃研究等方面的發(fā)展計劃。

從規(guī)劃層面研究磁懸浮技術的應用空間。避免可能的重復建設。當前，國家對城際（輪軌）鐵路、高速（輪軌）鐵路、客運（輪軌）專線的建設正處于方興未艾時期，要超前對可能建設磁懸浮線路的通道進行初步而系統(tǒng)的分析與論證，考慮制訂未來5～15年專業(yè)水平的綜合（磁懸浮系統(tǒng)）交通建設規(guī)劃。在滿足交通需求的基礎上，為磁懸浮線路的可能建設預留需求空間。

研究磁懸浮線路的建設投資與運營補貼辦法。目前，關于城市公共交通的補貼已經有比較成熟的制度，其運營補貼已納入軌道。不過，磁懸浮線路一般需要跨越不同地方政府所管轄的地區(qū)，例如，滬杭線跨越上海市與浙江省、京津涉及到北京、天津兩市（甚至包括河北省）。在這種情況下，如何從投資和運營制度上明確各方責任，包括中央政府的投入與管理，需要進一步研究。這些責任的明確一定程度上是從制度上確保磁懸浮項目論證程序和結論科學性的基礎。

充分利用既有的上海磁懸浮線路的運營經驗數(shù)據，加快開展關于磁懸浮線路主體技術與運營實踐的研究。