真空管道高速磁浮系统典型故障及处置措施分析

吴柯江，杨 阳，魏德豪，舒伟明

(1.中铁二院工程集团有限责任公司 科学技术研究院，四川 成都 610031；2.南昌轨道交通集团有限公司，江西 南昌 330038)

1 真空高速磁浮系统及研究现状

1.1 真空高速磁浮系统

随着社会经济及科技的发展，人们对交通运输的速度和舒适性要求也日渐提高。目前，高速轨道交通领域的主流技术体系为轮轨制式，国内有最高运营速度为350 km/h的CRH380、CR400等系列动车组。高速轮轨铁路系统受轮轨粘着系数、弓网关系等制约，存在速度和线路坡道瓶颈，当速度高于400 km/h时，列车运行的气动阻力将占运行总阻力的80%以上，且振动噪声极其严重[1]。磁浮交通系统突破了轮轨支撑、导向的设计理念，利用电磁力将列车悬浮于轨道之上，克服了高速轮轨铁路系统的诸多限制因素，是迄今为止世界上唯一能够安全经济地以500 km/h以上速度运行的地面大容量客运交通工具。随着技术研发的逐步推进，高速磁浮技术已日渐成熟，我国正在运营世界唯一的商业化高速磁浮线路——上海磁悬浮专线，并且时速600 km/h的高速磁浮试验样车也于2019年在青岛下线。

然而，无论高速轮轨还是磁浮列车在开放的大气环境中运行，均难以克服空气阻力及噪声问题。因此，在高速磁浮技术的基础上，依靠密闭管道构建真空运行环境，能够显著降低列车运行的空气阻力和噪声，可以相对经济环保地实现进一步提升地面轨道交通速度的目标，将是未来高速及超高速轨道交通技术发展的重要方向[2]。图1为Virgin Hyperloop One公司在美国拉斯维加斯的真空管道磁浮试验装置，图2为HTT公司真空管道磁浮系统的效果图。

图1 Virgin Hyperloop One真空管道磁浮试验装置

图2 HTT真空管道磁浮系统效果图

真空管道高速磁浮列车运行于管道中，受恶劣天气影响小，安全性较好，运行速度和效率高，可满足乘客远距离快速旅行的需求。但也正因为列车高速运行于与外界隔绝的管道中，且管道与线路系统复杂，沿线设置抽真空设备、管道隔断气闸门等多种设施，一旦发生事故可能会造成严重的后果，且封闭的管道和高结构强度车体也使人员救援疏散十分困难，在未来正式建设和运营前，仍有大量问题等待研究，其中系统安全性问题是最重要的。

1.2 研究现状

目前，国内部分学者以上海磁浮为背景，初步探讨了高速磁浮列车运营安全性相关问题。陈永胜[3]分析了高速磁浮列车的事故特点、应急救援难点，并提出了相应对策;朱忠英[4]介绍了上海磁浮各子系统的运营安全保障措施，并探讨了中长线路高速磁浮交通的运营安全保障体系。对于真空管道高速磁浮，张耀平等[5]从运行系统故障、车辆悬浮失效等多个方面对该系统的运输安全问题成因进行了分析；邓自刚等[6]在车辆、管道等多方面比较了技术特点和优势，并指出高速牵引、管道密封、救援等方面是今后需要重点研究的领域。

综上所述，目前对于真空管道高速磁浮系统的典型故障分析及应对措施的研究尚处于起步阶段。考虑到上海磁浮专线已运营多年，技术相对成熟、应用经验相对丰富，更具借鉴意义，所以本文基于上海磁浮系统的常导电磁悬浮技术，对真空管道高速磁浮系统开展研究，初步分析可能的典型故障，探索相应的应急处置方式，并对该系统未来安全方面的研究作出展望。

2 典型故障分析

通过对真空管道高速磁浮系统进行分析，系统的典型故障主要有车体失压故障、悬浮功能故障、真空管道故障及登车通道故障等，下面对各故障进行简要分析。

2.1 车体失压故障

真空管道高速磁浮列车运行于密闭管道中，目前国内外研究中对管道真空度的选择大多集中于1 kPa～10 kPa，人类无法在该气压下生存，列车采用类似飞机或宇航器的密封舱体设计，并相应配置生命支持系统及辅助设施，确保乘客在车内可正常呼吸。当发生车体失压故障时，车内气压将会逐渐降低，如不能及时处置，将有可能对乘客造成严重的伤害，根据目前的研究，低气压可能对人体造成缺氧、肺部损伤甚至体液沸腾等[7]。如果发生车体爆裂等严重事故，车内气压将会急剧下降，将会造成乘客迅速窒息等严重后果。可能造成车体失压故障的主要原因有：列车生命支持系统故障(如供氧系统故障等)、车体结构破损、密封失效等。

2.2 悬浮功能故障

常导高速磁浮列车采用电磁悬浮，悬浮系统包括悬浮电磁铁、悬浮传感器和悬浮控制器等设备。列车依靠安装于悬浮架上的悬浮电磁铁与轨道之间的吸力保持悬浮，通过气隙传感器测量车辆悬浮气隙，采用悬浮控制器动态调节列车的悬浮力，维持悬浮气隙的相对稳定。如果高速行驶中的列车发生严重的悬浮系统故障，列车可能与轨道剧烈摩擦甚至脱轨。悬浮功能故障主要由悬浮系统设备故障引发，此外由于悬浮系统依靠车载发电机供电，当列车动力系统发生故障时，若不能提供接触轨供电，列车仅能依靠车载蓄电池短时悬浮。当列车悬浮功能出现故障时，若故障影响程度较轻，仍然可维持悬浮功能；若故障严重，导致列车完全失去悬浮能力，需采用工程车进行救援。

2.3 真空管道故障

真空管道是真空管道高速磁浮系统区别于常规高速磁浮系统的核心特点，同时也是道岔、轨道、气闸门及乘客登车通道等设备设施的安装基础，真空管道系统的安全可靠对系统的运行起到了至关重要的作用。真空管道的典型故障主要有管道结构损坏(管道裂缝、断裂破坏)、管道配套设施损坏(抽真空设备损坏等)、异物侵限等。真空管道故障可能导致列车运行环境失压，管道内列车运行阻力迅速增大，影响列车的运行平稳性和安全性，如果发生严重的断裂或异物侵限等故障，将造成灾难性的后果。造成该故障的可能原因有管道材料疲劳失效、沿线设备故障等。

2.4 登车通道故障

目前国内外对乘客上下车方式的研究方案主要有两种：一种为采用气闸门隔断车站前后管道，恢复该段气压后乘客上下车；另一种为类似飞机登机廊桥的方式，使用登车通道隔绝管道低真空环境，乘客在通道内上下车。考虑到提高运营效率的需求，本文以登车通道方案开展研究。乘客登车通道安装在车站内的真空管道上，位置与列车车门位置相对应，并配有伸缩结构和密封门，与列车对接完成后可保证通道的气密性。由于目前对于乘客登车通道的研究仅处于理论研究阶段，通过类比屏蔽门等相似设备，推测该系统的典型故障可能有气密门开闭故障、密封失效等。

3 典型故障应急处置措施

3.1 车体失压故障

车体失压故障发生时，列车应自动弹出应急供氧面罩供乘客使用，列车工作人员应做好防护后协助乘客，同时对故障情况进行确认，反馈给列车司机。列车司机及运行控制中心在确认列车位置、故障情况及车上人员等情况后，确定列车紧急救援方式。若故障轻微可通过采取紧急处置措施后减速运行至前方车站进行疏散；若车辆受损严重，列车应在线路前方下一停车点处停车，同时封闭故障列车所在区段两端管道气闸门并恢复气压，确保安全后疏散乘客，采用工程车进行救援。

3.2 悬浮功能故障

悬浮功能故障发生时，列车司机和运行控制中心应确认故障信息，包括故障原因、故障设备、故障严重程度等。若列车可维持运行，则应运行至前方车站后清客，返回车辆基地检修；若列车完全失去悬浮能力，不能维持运行，列车应在线路前方下一停车点处停车，同时封闭故障列车所在区段两端管道气闸门并恢复气压，确保安全后疏散乘客，采用工程车进行救援。

3.3 真空管道故障

真空管道故障发生时，运行控制中心应立即确认故障的位置、影响范围、故障原因及可能后果等信息，判断该故障对行车安全的危害程度。如果安全影响较小，如部分抽气设备损坏等，列车应及时降速运行以通过该区段，或在确保管道结构不会加剧破坏的前提下，提高该区段抽气设备的运行功率并组织人员进行抢修，尽快恢复线路的正常运营；如果发生异物侵限等严重危及行车安全的故障，应封锁该区段管道阻止列车驶入，并相应调整全线运行组织计划，组织人员抢修并排查事故隐患。

3.4 登车通道故障

当登车通道故障发生时，车站值班员应立即通知运行控制中心故障通道的位置及故障类型等故障信息。当出现气密门开闭故障时，应组织车上及车站乘客由其他车门上下车，车站值班员应封闭故障登车通道的区域进行检修。当出现密封失效故障时，故障轻微时应组织人员进行及时检修；故障严重则应通知运行控制中心调整列车运行组织计划，疏散乘客，封闭车站两端真空管道的气闸门待恢复气压后进行检修。

4 进一步研究方向

本文对真空管道高速磁浮系统可能的典型故障及相应的应急处置措施进行了初步探讨，然而对于系统工程化实施以及保障系统安全运营的目标仍是不足的，在安全保障方面目前还有许多问题有待于进一步研究。

(1)加强监测和预警能力。由于列车运行速度非常高，留给应急处置的时间极短，因此应进一步提升监测和预警能力，可以预先发现故障并提前处置，这将显著提升系统的安全保障及防灾能力。监测预警的内容包括对自然灾害的监测和预警及对全线线路、真空管道、各类配套设备设施及列车车辆的状态监测、故障预警等。

(2)提升紧急救援能力。一方面应研究提升救援措施水平，在故障、事故发生时可迅速组织有效救援，避免造成更加严重的后果；另一方面应加强对车体破损抢修设备等车载应急工装设备，以及供氧面罩、增压防护服装等个人应急防护装备的研究，在遭遇突发事件时能够更好地保障人员生命和设备设施的安全。

(3)选择合理系统参数。管道气压越低，未经防护的人员暴露在该气压下可供应急处置的时间越短；而管道气压越高，列车运行阻力将大幅提高，因此对于管道真空度大小及用于隔断各段管道的气闸门设置间隔等问题，应综合系统紧急救援疏散难易度、维持管道压强难易度、列车运行阻力等因素，兼顾经济性与安全性进行考虑。

5 结语

真空管道高速磁浮交通系统理论上具有高速、高效、环保、安全等优势，在不远的未来可能具有良好的运用价值，但目前仍有很多技术问题亟待探索。本文从车体失压故障、悬浮功能故障、真空管道故障及登车通道故障4个方面初步探究了真空管道高速磁浮交通系统的典型故障及相应的处置措施，并从安全运营角度进一步梳理了需要研究的问题，希望对未来真空管道高速磁浮交通系统的建设运营提供借鉴。