磁悬浮技术特点及应用

李武涛

摘要：磁悬浮技术的诞生与发展源于人类对交通出行速度的追求。按照线圈导体属性，磁悬浮技术可分为常导型和超导型；按照悬浮原理，磁悬浮技术可分为电磁悬浮系统（EMS）和电动悬浮系统（EDS）。本文分别从磁悬浮系统的技术特性和经济特性；世界各国对磁悬浮技术的应用现状以及我国对磁悬浮技术的应用几个方面介绍了磁悬浮技术发展和应用现状。

关键词：磁悬浮；TR技术；ML技术

磁悬浮技术的诞生与发展源于人类对交通出行速度的追求。过去80余年以来，不少科学家对这种不依赖轮轨接触、无直接摩擦力的运输技术应用于交通工程的可能性进行了研究，并在中国上海实现了商业运行。我国人口众多，磁悬浮这种新技术的采用需求不仅出现在城市间的长距离运输，也出现在城市交通领域，其技术主要是中低速技术和轻型车辆。不过，在“是否可以继续推广磁悬浮技术”以及“如何在我国推广磁悬浮技术”这两个问题上，专家和官员两个层面上均还存在一些不同看法。争论主要集中在三方面：首先是工程技术风险，即磁悬浮技术是否具备推广到运输生产领域的工程成熟度；其次是技术推广的经济风险，即磁悬浮技术在项目建设和运营维护过程中的经济性是否可接受；三是输送（生产）能力风险，即磁悬浮技术能够达到的最大生产能力究竟在何等水平。

一、磁悬浮技术的类型及特点

按照线圈导体属性，磁悬浮技术可分为常导型和超导型；按照悬浮原理，磁悬浮技术可分为电磁悬浮系统（EMS）和电动悬浮系统（EDS）。从原理上，磁悬浮技术可分为“常导+EMS”（常导磁吸型）和“超导+EDS”（超导磁斥型）两种主要模式。德国的TR技术采用“常导+EMS”，而日本的ML技术采用“超导+EDS”，他们分别代表了目前国际上两种比较接近实用水平的磁悬浮运输技术。

（一）德国的TR技术和日本的ML技术

由于系统原理不同，TR和ML磁悬浮运输系统的技术指标也各有不同，主要表现在导轨构造、悬浮气隙、运行速度、能耗、磁场强度等方面。u型导轨的ML系统较T型导轨的TR系统悬浮气隙大、可达运行速度更高，能耗与磁场强度也相应较高。

（二）磁悬浮系统的技术特性

作为新型的运输技术，磁悬浮系统在运行速度、加速度、安全性、可靠性、工程选线、能效与环保等评价指标上，相对于传统交通方式具有一定优势；而运输能力仅能达到高速轮轨系统的40%～50%。与轮轨系统相比，磁悬浮系统的运行速度与加速度的优势明显。TR08和MLX01列车的设计速度分别为500km/h和550km/h，远高于目前300km/h的高速轮轨列车速度；平直线路上，理论推算TR08列车速度达到500km/h需要加速时间265s、加速距离19.3km，均小于ICE03列车达到300km/h时的对应值（370s、20.9km），考虑到MLX01较TR08具有更大的加速度，上述差值将更为明显。磁悬浮系统的安全性和可靠性高的结论，主要基于理论推断和试验运行累计数据，尚有待实际运营的进一步检验和完善，2006年9月22日发生的德国埃姆斯兰德试验线磁悬浮列车和服务机车撞车事故，对磁悬浮列车的控制系统的安全性提出了挑战。

（三）磁悬浮系统的经济特性

作为大型交通工程，磁悬浮系统的建设费用高昂。虽然目前关于磁悬浮系统造价与高速轮轨系统造价的比较有相当不同的意见，但总的来说，大多数观点及数据表明，修建磁悬浮系统的费用要高于高速轮轨系统。尤其在平原地区，高速轮轨系统的工程造价得以降低，而同时磁悬浮系统的选线灵活优势得不到充分利用，这种情况下两者的造价差距会非常明显。

二、世界各国对磁悬浮技术的应用论证

随着磁悬浮技术的日趋成熟，世界各国均试图建造实用的磁悬浮线路.资料表明：德国、日本、美国在多条线路上开展了磁悬浮技术的论证工作。下面，分别分析各国磁悬浮线路论证过程及其采用的技术经济参数和相关结论。

（一）德国磁悬浮技术的应用论证

1977年，德国研发基于常导技术的长定子驱动系统和电磁悬浮系统（EMS）.1980～1987年，德国建成埃姆斯兰德（Emsland）的磁悬浮高速列车试然而，对于投入商业运营后的磁悬浮安全控制系统，尤其是如何保障大编组、高密度运营条件下的高速磁悬浮运输系统的安全性和可靠性，还有待进一步论证和提高.2006年8月份的上海磁浮火灾事故和9月份的德国磁悬浮试验线列车与服务机车相撞事故，对高速磁悬浮系统的安全保障体系和事故救援预案，提出了新的更高的要求。

（二）日本磁悬浮技术的应用论证

日本从20世纪70年代初开始研究超导磁悬浮铁路，开发超导磁悬浮铁路方面的ML技术。1977年和1996年，日本先后建成宫崎试验线和山梨试验线。宫崎试验线仅进行超导磁悬浮铁路的最基本的性能试验；山梨试验线全长18.4km，用于超导磁悬浮的实际应用的运行试验，并作为规划中的东京—大阪“超导磁悬浮中央新干线”的一段。

除了主要适用于长大干线铁路和城际铁路的ML技术，日本也发展基于常导的中低速磁悬浮铁路——中部高速地面运输（CHSST）系统，并作为城市交通运输工具。相较ML系统，CHSST不仅具有舒适、无公害、安全可靠等磁悬浮运输系统的共同优点，而且建设费用、養护费用较低，系统技术更成熟，已建成大运量高密度的商业运营线——东部丘陵线。

（三）美国磁悬浮技术的应用论证

关于磁悬浮技术的发展和应用，美国和我国的情况有类似之处。首先，两国都对磁悬浮技术进行了一定规模的投资，主要集中在对车辆设备和导轨构造的研发和改进上。其次，两国都缺乏磁悬浮列车系统的试验线建设技术和运营维护经验，新线建设对德、日两国的磁悬浮线路技术有不同程度的依赖，都以引进为主，结合德、日的现有技术，进一步开发适合自身技术发展水平和运输需求规律的磁悬浮铁路系统。美国磁悬浮发展出现了数次反复，这使得美国目前在磁悬浮列车示范运行方面落后于德国和日本。当然，美国对磁悬浮技术的软、硬件的总体研究水平高于我国，而我国通过上海磁浮示范线的建成并通车运营，也掌握了第一手的磁悬浮运输系统建设和商业运营资料。在过去的几十年中，美国联邦政府、企业和研发机构先后投入了15亿美元，在线性直流同步电机、超导磁铁、轻型合成材料等磁悬浮列车关键技术方面取得了突破。通过技术研发，尤其是对硬件的技术改进，成功地降低了多项设备的制造成本。

三、我国磁悬浮技术的应用

与发达国家相比，我国磁悬浮系统的研发和建设环境具有以下特点：

在技术上，我国磁悬浮技术的研发起步较晚，尤其是工程层面的工作。不过，我国通过中德技术合作于2003年建成了世界上第一条商用高速磁悬浮线路，即上海浦东机场线，极大地推动了我国磁悬浮技术的研发。在引进、消化、吸收的基础上，我国已经逐步具备了再创新的能力。例如，20世纪90年代以来，原国家科委正式将“中低速磁悬浮列车关键技术研究”列入“八五”国家科技攻关计划，由铁道科学研究院牵头，国防科技大学、中科院电工所、西南交通大学等单位参加。1995年5月，国防科技大学成功实现了实验室内1：1单转向架的载人运行。2001年研制成功的中低速磁浮试验车下线并成功进行了试验运行，2005年7月又研制成功了磁浮工程化样车。目前，中国已经先后在北京、长沙、成都、上海、大连等城市建立了多家研究基地和试验线路，对不同制式的磁悬浮技术开展实用化研究，实用型中低速磁浮列车及唐山2km试验示范线也正在筹划中，关于磁悬浮应用技术的独立研发能力正在形成。经验表明，科技发展中的赶超先进决不是一朝一夕之功，工程技术领域更是如此，我们还须耐住寂寞，踏踏实实地作好磁悬浮技术应用前期的研发与论证工作。

在经济上，磁悬浮系统单位运输能力的造价高于轮轨系统。作为发展中国家，我国中央政府、各级直属部门与多数地方政府的财政预算能力总体上仍然是比较有限的，但部分经济发达地区已经具备建设磁悬浮线路的能力。各国的论证经验表明：磁悬浮系统的自负盈亏能力是比较弱的，各地区及政府部门对任何磁悬浮系统建造的决议应当考虑实施运营后进行经济补贴的可能性及财政能力。因此，各城市在规划磁悬浮系统建设项目时必须要充分考虑地区经济承载能力。

在市场需求上，我国不少交通通道系统仍有一定发展空间，包括我国正积极筹建的上海一杭州高速磁浮列车线路等；这也是我国建造磁悬浮系统过程中明显优于发达国家之处。这一形势为磁悬浮技术在我国的发展提供了较好的需求环境，也增加了该项技术的经济可行性。

在政策环境。磁悬浮作为一项新技术，可以产生良好的产业拉动效应、科技拉动效应和媒体宣传效应，容易得到有关部门的偏爱。

在公众与专业环境上，社会各界关注的焦点主要是磁悬浮线路的造价，目前，我国交通行业的投融资政策已开始形成，为磁悬浮技术项目的投融资创造了良好条件。不过，在具体操作方法上，仍需要进一步研究行之有效的策略。

四、研究结论

通过上述研究，结合我国目前磁悬浮技术研发实践，可以提出如下几方面的政策建議：

从国家层面制订磁悬浮技术研发与应用的整体规划。这个规划应包括磁悬浮关键技术的研发、磁悬浮项目的工程实施技术研发、基于交通需求的磁悬浮通道建设规划。磁悬浮系统建设与运营的投融资体制、磁悬浮线路高密度运营组织与维修实施计划研究等方面的发展计划。

从规划层面研究磁悬浮技术的应用空间。避免可能的重复建设。当前，国家对城际（轮轨）铁路、高速（轮轨）铁路、客运（轮轨）专线的建设正处于方兴未艾时期，要超前对可能建设磁悬浮线路的通道进行初步而系统的分析与论证，考虑制订未来5～15年专业水平的综合（磁悬浮系统）交通建设规划。在满足交通需求的基础上，为磁悬浮线路的可能建设预留需求空间。

研究磁悬浮线路的建设投资与运营补贴办法。目前，关于城市公共交通的补贴已经有比较成熟的制度，其运营补贴已纳入轨道。不过，磁悬浮线路一般需要跨越不同地方政府所管辖的地区，例如，沪杭线跨越上海市与浙江省、京津涉及到北京、天津两市（甚至包括河北省）。在这种情况下，如何从投资和运营制度上明确各方责任，包括中央政府的投入与管理，需要进一步研究。这些责任的明确一定程度上是从制度上确保磁悬浮项目论证程序和结论科学性的基础。

充分利用既有的上海磁悬浮线路的运营经验数据，加快开展关于磁悬浮线路主体技术与运营实践的研究。