磁浮交通,沉寂10年,新的春天还远吗?(下)

绿色规划2019-06-11 02:10:13


北京光华设计发展基金会

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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? 本文为下篇。



磁浮是轨道交通技术的未来发展方向


高速磁浮是继汽车、轮船、火车、飞机和管道运输之后,填补火车和飞机之间速度空白的第6种交通运输系统。相比传统轮轨铁路,作为一种实际应用才十多年的新型交通技术,其发展一开始也不是一帆风顺的。但无论是高速磁浮还是中低速磁浮,都是地面轨道交通技术未来的发展方向。

国外磁浮交通技术的发展和应用
01

在传统轮轨铁路技术发展100多年后,针对轮轨技术运用中的局限,科技人员研发出了新一代轨道交通系统——磁浮系统。磁浮系统对轮轨铁路实际运行中存在的脱轨、磨损、爬坡能力、噪声等问题,提出了革命性的技术解决方案,使高速列车可跑得更快、运行成本更低、更适应地形变化。


德国科学家于1922年最早提出磁浮列车概念。德国政府从1969年开始支持磁浮系统技术开发;1987年成功在Emsland建成全长31.5公里的试验线,利用这条试验线相继研制了TR06、TR07和TR08系列磁浮列车以及相应的牵引供电、运行控制和轨道系统;至1991年,完成常导磁浮系统技术开发并通过评估,宣布技术成熟,可以进入工程应用。随后规划建设柏林-汉堡线、慕尼黑机场线项目,且均通过了可行性研究和严格的环境评估。由于德国即有交通系统非常发达,人口分布及流动特点决定了其新建磁浮交通项目客流不足,因而搁置了上述两个项目,将重点转向技术输出,并于2001年实现对中国上海出口TR08型列车及运行系统成套设备。2003年至2010年,德国继续实施“磁浮继续开发计划”以优化技术系统,研制了用于连接机场和市中心的TR09型列车。在磁浮沪杭线项目及其他国家磁浮项目一直未启动工程实施一段时间后,德国企业界原有的研发和产业队伍部分离散,但其始终保留其磁浮核心技术及队伍,并积极向其他需要发展高速轨道交通的美国、马来西亚、巴西、西班牙等国家推广。


日本历届政府对磁浮交通技术研发的资金、政策、技术评估等均给予全面支持。其高速磁浮和常导中低速磁浮系统研究均始于20世纪70年代初,随后不久即确定了磁浮中央新干线计划。其高速磁浮选择超导磁浮技术,2009年全套技术通过实用性评审,确定技术已经成熟。2014年12月,其高速磁浮中央新干线工程正式开工,其中东京~名古屋段预计于2027年开通,名古屋~大阪段预计于2045年完工;该线全长436km,最高行车速度505km/h,工程总投资约9兆日圆(约合人民币4800亿元),届时东京到大阪只需67分钟,比目前新干线和航空都更快。2015年4月,在总长42.8km的山梨试验线上,最新的LO型列车创造了载人试验603km/h的最高速度纪录。日本政府希望以美国为首,向世界各国提供日本磁浮技术,由此拉动日本的经济增长,如美国华盛顿至巴尔迪摩项目是其目标项目之一,准备向美国无偿提供磁浮技术,并提供贷款,欲从技术和资金两方面推动美方引进。同时,日本已建成世界首条中低速磁浮线——爱知县东部丘陵线(Linimo线),双线全长9.2km,共设9座车站,最高速度约100km/h,自2005年投入运营至今取得了优良的运营业绩。


图4 日本东京-大阪超导高速磁浮交通项目正在建设中(来源:网络)


美国是德国、日本都积极推广其各自高速磁浮交通系统的对象,也具有极大的高速轨道交通潜在需求。美国于20世纪曾对本土磁浮交通技术研发团队进行过论证比选。1998年,联邦交通部鉴于德国磁浮技术已经成熟的实际,制定了《21世纪交通运输衡平法》(TEA-21),决定放弃自行开发,采用成熟技术建设商业化示范运营线,同时确定高速地面交通的运行时速应超过386公里,实际上相当于排除了高速轮轨方案。随后,在11个申请项目中,美国政府选择7个项目参与竞争;最终根据交通部和国会意见,对其中4个项目作更深入研究,完成可行性研究(相当于我国初步设计)和环境评价。但由于国内、国际经济和政治形势变化,原定从上述4个项目中选定1-2个项目,由政府支持启动工程设计和融资研究的工作未能按计划完成实施。


由美国的艾隆·马斯克于2013年提出的Hyperloop(超级高铁)概念近几年取得举世瞩目的进展。其设想是将“铝制胶囊”置于钢铁管道之中,利用磁浮技术使胶囊列车悬浮起来,然后将管道抽至真空,再像发射炮弹一样将车厢发射至目的地,可实现时速1200公里,超过绝大部分飞机的最高时速。目前两个进展最快的竞争团队中,HyperloopOne 公司已经在美国内华达沙漠进行了公开演示,初次实地测试就做到2秒加速到640km/h时速,而且实地初测还没有运用计划中的悬浮系统,但目前还是原理样机状态。Hyperloop技术的未来发展,将可能对地面高速交通技术带来一定影响。


韩国于1990年代初开始研发中低速磁浮列车技术。2016年2月,在推迟2年多后,韩国仁川机场至仁川龙游站的中低速磁浮列车投入正式运行,韩国继日本成为世界第二个实现中低速、城市型磁浮列车商业化的国家。该线路长6.1公里,运行最大时速80公里,耗时15分钟。另外,瑞士、巴西、加拿大等国家也在开展各种技术方案的磁浮交通技术研究。

磁浮交通技术在我国的发展与应用
02

在磁浮交通技术发展史上,我国近20年来的历程可谓波澜壮阔、周折起伏。简要概括,磁浮交通技术在我国的发展可分为四个阶段:


第一阶段:以中低速磁浮技术为主的前期探索阶段,大约为1980年代~2000年

我国铁道部科学研究院和国防科技大学于1980年代初期较早开始磁浮交通技术原理的研究,到“八五”期间,包括西南交通大学在内的这三家主要牵头研发单位都分别研制成功了设计最高时速为100km/h的低速常导磁浮试验车;同时,西南交通大学还研制成功了世界上第一辆载人运行的高温超导磁浮试验车。其中,国防科技大学建成一段试验线路中试基地,其试验车累计试验运行里程最长。


第二阶段:磁浮上海示范线的成功与后续曲折发展,自2000~2008年

①磁浮上海示范运营线开启高速磁浮交通技术发展新篇章

高速磁浮交通技术的发展,始于2000年磁浮上海示范线项目启动。由于京沪高速铁路预可行性研究论证中,对技术制式是选择高速轮轨铁路还是高速磁浮交通存在分歧,专家建议先建一段高速磁浮商业示范线进行试验运营,以此验证磁浮系统的可用性、安全性、经济性。最终,在国家支持下,通过对北京、上海、深圳三地评比后,2000年6月确定在上海建设磁浮示范线。


上海磁浮示范运营线正线全长约30公里,双线上下行折返循环运行,设2座车站、2个牵引变电站、1个运行控制中心和1个维修基地,初期配车3列,各5辆编组。磁浮列车设计最高运行速度430公里/小时,单向运行时间为7分20秒左右,最小发车间隔10分钟。项目决算总投资99.28亿元(含征地动迁、车辆购置等全部费用),平均每公里造价3.31亿元。自2001年3月1日工程正式开工,2002年12月31日单线试运行,2004年4月13日完成主合同验收考核,运行调试期间,曾实现最高501km/h的试验时速,当时系统仍保持较好的安全可控状态。2004年5月正式投入示范性商业试运行,经历了各种风霜雨雪、台风等极端气候的考验,保持安全、稳定运行至今。由国家发展改革委组织的项目后评估认为,磁浮上海示范线项目总体上基本达到了预期的示范运营目的。


磁浮上海示范线是世界高速磁浮交通技术发展的里程碑,是第一条、也是迄今唯一的一条高速磁浮商业运营线,更新、加强了国际上对这一新型高速地面交通技术的新认识,积累了可贵的运行维护与产业发展经验。通过从系统、子系统到零部件三个层次的全面安全评估和审批,验证了磁浮上海线项目技术的安全性、可靠性和成熟性;通过考核运行,验证了其可靠性、适用性和经济性,最终证明该系统是成熟、安全、可用的。


磁浮上海示范线的成功建成和运营,是中德双方共同努力的成果,其间也经历了德方作为系统技术与设备供货商从最开始的不信任、工作界面干涉到最后全力配合的转变过程。该项目的工程建设,体现了中方团队丰富的项目管理经验,和务实、科学与强大的项目管控能力。以至于在项目建设后期,外方项目管理团队高度认可项目整体计划安排,督促己方人员严格执行;在磁浮上海示范线建设完成后,还特别邀请中方赴德国介绍项目管理经验。磁浮上海示范线建设全过程中,上海磁浮公司组织国内各方面工程建设与科研队伍积极参与,既保障了工程建设顺利进行,也取得了一系列具有自主知识产权的科研与产业化成果,如掌握了四个核心子系统之一的线路轨道子系统技术、建立了高速磁浮交通系统的工程施工成套技术及相关规范、研制开发了部分关键材料与设备等;通过提前筹划准备、掌握运维核心技术和充分利用社会资源等一系列举措,在主合同验收之日就实现自主维护和运行,建立了社会化的运营管理和商业经营模式。


②“十五”863计划高速磁浮重大科技专项奠定国产化坚实基础

在系统技术研发方面,磁浮上海示范线的成功及建设过程中初步开展的研究开发工作,也极大地支撑了国家将高速磁浮交通技术作为未来我国在交通领域实现重大技术跨越、达到世界领先水平并在交通装备制造业参与国际竞争的战略部署,在863计划中设立高速磁浮交通技术重大科技专项,列入“十五”期间12个重大科技专项之一,并筹建国家磁浮交通工程技术研究中心,利用磁浮上海示范线建设和运营提供的条件,消化吸收德国高速磁浮技术,支持对高速磁浮交通适用性研究及国产化创新研究。经过“十五”重大专项研究,全国有100多家大型企业集团、科研院所和高校参与联合攻关,初步掌握了各子系统核心技术,研制成功部分工程用量较大的关键设备或样品,建成了“三个一”综合试验系统(即包括一条1.5km试验线、一列高速磁浮国产化样车、一套牵引供电和运行控制系统),建设了高速磁浮交通技术研发平台和集成试验环境,初步掌握系统集成技术。上述成果,为随后继续依托“十一五”科技支撑计划持续支持高速磁浮交通系统技术研发奠定了坚实基础。


③循序渐进,积极推进磁浮沪杭线项目实施

“十五”863计划高速磁浮重大科技专项第一阶段设立的两大课题之一是“磁浮交通系统适用性研究”,研究认为:高速磁浮交通系统技术已经成熟;适宜在我国发展,且有较强的必要性和可能性。从长远角度看,中国应该发展高速磁浮交通系统。考虑到我国现有工业基础与设备生产的本地化过程,以及科学发展规律,应尽快规划建设一条中等距离商业运营线,建议线路在无锡-上海-杭州之间选择,积极稳妥、逐步推进,藉此推动发展建立我国的磁浮工业体系;以后再建设磁浮长大干线客运专线网。

上述研究结论与建议对后期京沪线和沪杭线技术制式选择与立项决策有重要影响。2006年2月,国务院常务会议同时批准京沪高速铁路项目和沪杭磁浮项目立项。由此,全长1300余公里的京沪高速铁路项目建设正式启动,于2008年全面开工建设,2010年实现通车试运行。


④磁浮沪杭线成为高速磁浮技术发展新的转折点

与京沪高速铁路同时获批立项的磁浮沪杭线,自立项后没能尽快实施工程建设。由当时的铁道部牵头,上海市和浙江省都组建了项目筹建指挥部,协调、推进磁浮沪杭线项目实施,并进行了技术、人员、投融资等各方面的资源配置。磁浮沪杭线工程可行性研究报告上报原铁道部后,一直未能转报主管部门组织专家评审;正巧部分专家几乎同期公开发表了“磁浮列车的电磁辐射危害人体健康”等观点,引起媒体和沿线居民极大反响,虽然经历较长时间和各方协调,磁浮沪杭线工程可行性报告一直未完成审批流程,至今仍然保持着获得国家批准立项、工可待批状态。但与此同时,同样是由原铁道部牵头的沪杭铁路客运专线(亦即沪杭高速铁路)项目也在紧锣密鼓地同步推进,提前完成了工程可行性报告审批,于2009年2月开工建设,并最终建成投入运营。沪杭客运专线项目对磁浮交通最直接的影响是,其建设使得当时磁浮沪杭线的客流需求及必要性需要重新论证,特别是其线路走向与磁浮沪杭线原先规划预留的线路通道有较多重叠。


第三阶段:高速磁浮技术应用的中止与中低速磁浮技术应用的快速崛起,自2008~2016年上半年

在磁浮沪杭线未能开工建设后,高速磁浮交通技术的应用进入低谷期。原磁浮沪杭线项目建设的工作重点转入推进虹桥枢纽-龙阳路车站段,即原线路中联结虹桥机场与浦东机场线路的联通问题;由于各方面原因,该项目未能完成实施。


虽然如此,国内高速磁浮交通技术的研发仍在继续推进,特别是作为先进交通战略技术储备的科学性,以及当时日本、马来西亚-新加坡以及巴西等国家仍在积极考虑高速磁浮交通的应用工程建设等客观外部环境,我国继续推进高速磁浮交通技术研发,继续在“十一五”科技支撑计划、“十二五”科技支撑计划中专列相关科研项目,特别是支持关键技术和设备研制,以及为实现磁浮上海示范线核心系统整体替换和切实保障上海示范线长远持续运行做好技术准备,并通过面向工程化的系统和核心技术研究,为高速磁浮交通系统及技术的工程化、产业化和应用发展作好技术储备,并在国际上首次颁布了《高速磁浮交通建设标准》、《高速磁浮交通车辆通用技术条件》、《中低速磁浮交通车辆通用技术条件》三项行业标准,进一步巩固了我国在高速磁浮交通技术研究与发展的领先地位。


在中低速磁浮交通技术方面,我国的研究与应用推广工作一直没有停止。实际上,早期建设的中低速磁浮试验线中,国防科技大学校内的一条试验线较为接近工程化并保持测试运行,西南交通大学原拟于青城山建设的试验线后来因故中止。至2006年底,由国家磁浮交通工程技术研究中心与上海电气集团公司联合建设的上海中低速磁浮试验线建成,同时完成车辆组装与调试,2008年12月三车联挂实现101km/h试运行速度;2008年5月,北京控股公司与国防科技大学联合体在唐山轨道客车有限责任公司内联合建设的唐山试验基地建成,实用型中低速磁浮车首辆车体总成年底完成制造,开始试验。在高速磁浮交通技术应用之光阶段性逐渐减弱的同时,中低速磁浮研发与应用的黎明逐渐到来。


图5上海中低速磁浮综合试验线及磁浮试验车


2011年,北京磁浮线(S1线)开工,这是国内第一个开工建设的中低速磁浮商业运营线项目。但由于环保争议和审批等原因,迟迟未能实质性动工,直至2015年04月全面开工;该项目西段线路全长10.2km,设8座高架车站。后至2014年才启动项目建设的长沙磁浮工程,出人意料地获得快速推进。该项目自长沙火车南站至黄花机场,全线共设车站3座,磁浮列车采用3辆编组,设计最高速度100公里/小时。正线全长18.55公里,均为双线高架线,总投资约43亿元。项目于2014年5月开工,2015年12月试运行,2016年5月正式通车试运营。长沙中低速磁浮是我国第一条投入商业运营的中低速磁浮线路,也是目前国际上最长的一条中低速磁浮运营线。经安全、稳定运行一年余,日均客流量7100人次,高峰日超过11000人,较好地承载了两座交通枢纽之间的快捷交通功能。


图6长沙中低速磁浮工程已经投入运营(来源:红网)


第四阶段:进入自2016年下半年开始的“后磁浮沪杭线”阶段,高速磁浮技术研发迎来新的发展时机,中低速磁浮交通应用呈现井喷式增长

时速600公里高速磁浮交通技术研发,以及计划在青岛建设的5km常导高速磁浮试验线,结合多年积累的系统技术研发能力与磁浮上海示范线运行维护经验,将使我国高速磁浮交通技术的研发与应用具备更强的竞争力,占领未来地面高速轨道交通技术的制高点。特别是与此前有较大差异的是,“现代轨道交通专项”所包含的时速600km/h高速磁浮技术研发与时速200km/h中速磁浮技术研发项目,由中国、也是全球最大的轨道交通设备制造商中国中车股份有限公司牵头组建联合体承担,集合了国内现有的核心研发团队,如同济大学(国家磁浮中心)、国防科技大学、西南交通大学、中科院电工所等等。企业领衔组织产业化与工程化研究开发,将能更为有效地集合与优化配置技术、资金、人员和工业设计、制造各类资源,快速实现磁浮技术研发成果的转移转化,能够更为有效地推进实际工程项目实施,乃至推动国外项目建设。


图7 中国中车集团牵头开展时速600km/h和时速200km/h中速磁浮常导高速磁浮技术研发


长沙磁浮工程建设与运营,采用“投融资(PPP)+设计施工总承包+采购+研发+制造+安装+联调联试+运营维护”的新模式,邀请同济大学国家磁浮中心作为技术支撑单位,建立了科学高效的运营管理组织架构,进而促进了国内中低速磁浮交通研发与应用的一系列新进展,例如:包括湖南省在内的多个省份和城市考虑建设中低速磁浮交通线路;同济大学(国家磁浮中心)与同济工程咨询公司合作成立“磁浮与轨道交通工程咨询所”,致力于磁浮与轨道交通技术规划设计、工程建设、运行维护的技术推广、工程咨询和应用支持;湖南省与国防科技大学合作建立“湖南省磁浮技术研究心”;原长沙磁浮工程的主要工程总承包单位中国铁建股份有限公司发起设立了全国首家专业化、产业化的新型城市轨道交通投资建设公司——中铁磁浮交通投资建设有限公司,从事磁浮交通、单轨交通及其他新型交通项目的投资、研发、规划、设计、建设、运营组织管理、咨询、技术服务等。短时间内,中低速磁浮交通技术的发展成为各地城市建设热点,有多个国家和国内城市代表团到上海、湖南、北京/河北的试验基地和运营项目进行访问,交流学习和洽谈合作。

磁浮交通技术未来发展可期,需要各方面支持与努力
03

高速磁浮在长大干线、城市群内通勤,以及联结机场与城市中心等方面具有特别的优势。从未来发展上,有几个方面需要加强考虑:


1)继续推进磁浮交通技术的应用和发展

上海市作为拥有高速磁浮交通技术唯一的示范应用平台——磁浮上海线,和我国磁浮交通技术集散平台——国家磁浮中心,磁浮交通技术的创新研发、应用发展已经并将继续是上海建设有全球影响力的科技创新中心的重要内容。经过国家持续支持系统技术与工程化研发,既得益于上海市和“磁浮研发国家队”的长期协同、合作,我国在高速、中低速磁浮系统技术研发与产业化应用方面,已经处于国际领先地位。今后,应以国际化为目标、以产业化为支撑,以市场化为指导、工程化为载体,实现我国高速磁浮与中低速磁浮技术的发展和应用。对高速磁浮交通,应从示范运营线走向建设国内运营线和国际化推广;对中低速磁浮,宜将其整合到轨道交通产业“出国出海”战略中,为国内外用户提供多元化的城市轨道交通系统解决方案。基于这一工程化、产业化与国际化目标,特别是依托国家“一带一路”战略,将涉及到的地面轨道交通产业系统整合,我国将能够为相关国家、地区提供包括高速铁路、高速磁浮、城市轨道交通、中低速磁浮等全系列、多样化、多层次的综合交通技术,进一步擦亮这张靓丽的“国家名片”。


现阶段,当务之急是在新的高速轨道交通通道中积极争取高速磁浮技术的应用空间,以及结合国内世界级城市群建设目标,尽快完成中等距离试验验证线路的实施。包括已经启动前期工作的沪杭高铁复线、京沪高铁二线等部分高密度客流通道上的高铁复线规划,高速磁浮交通在我国的市场需求是客观存在的,需要国家有关部门统一规划、协调建设。特别是在我国三大全球城市群建设中,高速磁浮交通技术可以提供绿色、可持续发展的区域一体化交通网络解决方案。例如,上海2040全球城市建设中,高速磁浮可以作为核心城市上海与周边江浙沪区域一体化的高速骨干交通网络;上海浦东国际机场2016年航空客流达到6598万人次,连续12年平均增长率超过9.8%,其中60%以上来自外环线以内的中心城区。原规划穿过市中心的磁浮机场快线对上海建设品质领先的世界级航空枢纽战略目标支撑有重要影响,通过联结中心城区的南站、世博会、龙阳路、迪士尼乐园等重要城市组团,并实现30分钟内两座机场之间快速到达,满足浦东机场陆侧交通客流疏解的紧迫需求。此外,一些国土面积较大、尚未大量建设轮轨式高铁的国家,如美国、巴西、印度等国,也在研究采用磁浮技术的可能性,多次派团来我国考察高速磁浮列车的运营情况。中低速磁浮交通技术由于其对城市轨道交通有更好的环境优势,且造价与全寿命周期成本也有一定竞争力,在城市内部中的市场应用更具前景。


图8 支撑上海全球城市建设的江浙沪区域一体化磁浮骨干交通网络


2)加强磁浮交通系统技术的宣传

从长远发展来说,对磁浮交通技术的宣传必不可少,可以减少民众的误解或不解,取得民众的支持和理解;同时,也有助于争取相关专家客观、公正地给出技术评判。例如,在磁浮机场联络线环评公示过程中,被个别专家常提及的电磁辐射问题,经由科技部指定我国研究电磁辐射最为权威的机构之一——第三军医大学来进行过全面监测,并将监测结果与国内、国外相关电磁辐射标准进行比较分析;美国在考虑其自身项目建设规划时,也在磁浮上海示范线组织过电磁辐射监测;加上德国在其试验线上长期的监测记录,都表明高速磁浮项目的电磁辐射符合国内外相关标准。其它如系统安全性、经济性、可用性和可靠性等,也应该积极向社会各界广泛、系统地予以宣传和介绍。


3)积极加强工程化与产业化研发,提升我国磁浮交通技术的核心竞争力

我国目前已经基本掌握高速磁浮交通技术的系统技术和关键设备研制,下一步,需要结合新的磁浮交通技术研发,优化、提升现已掌握的核心技术,逐步提高国产化设计与加工制造的技术水平,努力降低系统建设与运营成本,提升运行维护能力,包括标准化与持续性等问题。在研制过程中,加强自主知识产权的获取、保护和管理,为走向国际化打下基础。如在前述三个“五年计划”的国产化创新研究期间,由国家磁浮中心牵头组建的知识产权管理体系,包括国内主要的科研团队累计申请专利600余项,覆盖了磁浮交通系统的主要技术领域,使之成为与外方合作、交流,以及谈判时的重要支撑。如果考虑将来走向国际化,以专利为核心的知识产权成果更是最有效的“护身符”。


结语

“运十”首飞20周年之际,有学者感慨:“天高云淡,望断南飞雁”。但在“运十”首飞37年后,终于盼来了国产大飞机C919的一飞冲天。沉寂了10年,磁浮技术能否很快迎来新的春天?!


图9 纪念“运十”首飞20周年(来源:《航空知识》2000年第11期)


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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。




来源:三思派

北京中规建业城市规划设计院     智媒中心

值班编辑     康玲玉


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