交通部署案例集/2018/磁悬浮列车系统 (1922-2016)

人口增长和城市居民生活区的扩张很大程度上依赖于高度发达的交通系统，包括道路网络、铁路系统和航空服务。公众意识到了良好的交通系统或运输模式在确保个人工作和生活效率方面可以发挥重要作用。科学技术的进步不仅有助于创造新的运输模式，提高出行效率，满足人口增长带来的出行需求，而且也提醒人们必须考虑社会、环境、整体健康和经济的可持续性。因此，基于这些考虑，一种新的技术运输产品磁悬浮列车应运而生。

磁悬浮列车的诞生

磁悬浮列车的概念由德国工程师赫尔曼·肯珀提出，并于 1922 年获得专利。磁悬浮技术在过去几十年中经历了密集的发展，并在 1970 年代至 1980 年代成熟。经过 1990 年代的一段时间的试验和测试，最终的实用公共服务于 2003 年在上海成功实现。 磁悬浮列车利用磁铁来实现悬浮、推进和导向。与传统列车相比，磁悬浮系统成功地取代了车轮，实现了列车的悬浮，并通过电磁力保持列车底部与导轨之间最大 10 毫米的间隙。列车与轨道之间没有连接，有效地避免了车轮在轨道上运行时产生的滚动摩擦力，这一特性帮助磁悬浮系统在速度、维护、安全和环境友好方面取得了许多无可比拟的优势。

特点

在磁悬浮列车诞生之前，现有的铁路系统主要用于中长途旅行。随着时间的推移，燃料的巨额消耗、对环境的负面影响、噪音以及高昂的维护成本，促使人们试图创造一种新的交通模式或改进传统的火车系统。电磁力因其易于产生且无需燃料消耗而成为一种合理的新的能源，被应用于列车的移动。与现有铁路系统相比，磁悬浮列车由于悬浮在导轨上，振动和噪音更低，没有机械连接可以将噪音从一般的 75-80 dB 降至 60-65 dB。 超导磁悬浮列车的速度可达 500-600 公里/小时，在 1000 至 1500 公里的旅行中优于飞机。无阻力也有利于降低能耗，最先进的磁悬浮技术可以比高速铁路降低 30% 的能耗。此外，安全性是磁悬浮系统的显著特点，列车和导轨的设计可以确保不会发生脱轨。无磨损也有利于降低轨道和车轮的维护和维修成本。电磁力作为推进力直接减少了不可再生能源的消耗，从而减少了温室气体的排放。

技术特点

磁悬浮列车用于悬浮、导向和推进的主要机制是磁斥力和吸引力、电磁感应和洛伦兹力。

悬浮

悬浮技术主要可以分为电磁悬浮 (EMS) 和电动悬浮 (EDS)。EMS 利用磁吸引力来实现列车的悬浮。一对电磁铁固定在导轨上，另一对具有不同磁极的电磁铁固定在列车的底部。这种方法由于磁路的原因，相对不稳定。通过交流电来实现电流的变化，从而使电磁场发生变化。技术的难点在于控制电磁场，以保持适当的间隙。EMS 还包括悬浮和导向一体化以及悬浮导向分离。前者适合低速运行和低成本，因为应用中电磁铁和控制器较少，但电磁铁靠近导向，因此会导致列车和导向之间的干扰。第二种方法适用于高速服务，但成本更高，因为分离的悬浮和导轨可以减少它们之间的干扰。

EDS 通常利用磁斥力来悬浮列车 (EDS)。常用的材料是永磁体，如超导磁体和电磁铁。设计是在列车的底部和导轨的顶部安装相同磁极的磁铁。产生的斥力可以将物体抬升，而无需控制电流来保持间隙。因此，这种设计有望以高速运输更重的货物或货物。永磁体类型很简单，因为设计中不会使用电力。超导磁体很复杂，需要高电流和高温。

推进

磁悬浮列车依靠电磁力产生动力，推动列车向前移动。推进力的设计是将传统的旋转电机改为线性电机 (Lee.H, Kim & Lee.J, 2006)。线性感应电机可以想象成通过一个变化的磁场穿过安装在列车底部的线圈，从而产生电磁电流，而电流在线圈中的流动在磁场中会产生洛伦兹力，该力垂直于电流方向，迫使列车移动。线性同步电机是另一种为磁悬浮系统提供推进力的设计。列车的前部会安装一块永磁体。导轨上的局部磁场和电枢电流会相互作用，产生洛伦兹力，驱动列车移动。

导向

导向是为了固定悬浮列车的稳定性，防止发生横向位移和脱轨。主要使用的机制也是磁斥力。磁铁将安装在列车的两侧和导轨的两侧，具有相同的磁极。来自两侧的力量指向列车的中心线，将确保列车在转弯时不会发生横向移动，或者横风可能导致列车偏离轨道。

市场发展

磁悬浮列车的市场发展历程坎坷，主要原因是技术尚未成熟，建设成本高昂。磁悬浮列车的初始市场定位，可以从公众对开发可持续能源的意识中推断，旨在减少化石燃料消耗和温室气体排放。市内磁悬浮系统用于短途连接，可以有效减少噪音污染和交通拥堵。电磁能作为一种替代能源，越来越受到关注。然而，目前的技术可能无法实现高速磁悬浮系统并将其推广应用于交通运输。因此，中低速磁悬浮列车开辟了一条新的市场路径。1922年，磁悬浮列车概念提出后，技术局限性在接下来的30年里仍然制约着其发展。直到1969年，德国克劳斯-玛菲公司才研制出第一辆磁悬浮列车模型，重80公斤，长1米，悬浮高度4毫米。1970年，德国政府开始研制结构简单的磁悬浮高速列车。 到1984年，英国伯明翰机场和伯明翰火车站之间建成了一条磁悬浮线路。1991年，磁悬浮高速列车被认为已经达到了应用模型阶段。后来，中国和德国通过合作计划，共同完成了世界上第一条商业运营的市内磁悬浮列车（从上海浦东机场到龙阳路地铁站）。日本专注于开发低速磁悬浮交通服务，并开发和应用了适用于磁悬浮列车的转向架嵌入式模块化结构。因此，日本成为第一个应用无人驾驶低速磁悬浮列车线路的国家，该线路服务于2005年愛知世博会，总长度9公里，最高时速100公里/小时。为了解决大城市的交通问题，韩国于2004年开始研发低速磁悬浮列车。2007年，第一条为仁川国际机场服务的磁悬浮线路建成。磁悬浮列车的市场定位也可以理解为，其最大的优势在于悬浮和可再生能源。消除列车与轨道之间的摩擦，可以有效地实现更高的速度，换句话说，这是一种让车辆在低空飞行的成就。磁力可以成为未来应用中减少化石燃料消耗的一种新能源。这种无可比拟的优势可以创造新的市场，有利于减少或隔离电磁场，促进生产发展。

磁悬浮发展政策

政策似乎更加关注噪音、电磁场等环境影响。噪音污染可以被认为包括结构/机械噪音，如机械制动器和面板振动，气动噪音，由尾流、风切变或边界层分离引起，以及湍流边界层产生的噪音。美国联邦交通管理局 (FTA) 制定的针对日本城市磁悬浮系统 (CHSST) 的政策，明确了噪音要求，即车厢内噪音水平应低于 67dBA，车厢外噪音水平应低于 70dBA。电场政策是磁悬浮系统特有的创新，参考了 AGGIH 1999 标准。该标准规定，公众可以接触的最大允许交流电场强度为 5 kV/m，佩戴医疗电子防护装置的人员为 1 kV/m。每天工作 8 小时接触设备的人员，交流电场强度为 100Hz 时为 25V/m，100Hz 至 4kHz 时为 2.5*10^6/fv/m。每天工作 8 小时接触设备的有限交流电场强度为 2.5*10^6。磁场限制也基于 AGGIH 1999 标准制定。最大限制应考虑最弱的个体群体，例如安装了心脏起搏器或其他植入式电子设备的人，因为车辆上的局部磁场将是地球磁场的 10 倍。医疗电子佩戴者允许的连续静磁场限制为 5 高斯，而每天工作 8 小时接触设备的装有心脏起搏器的工人则为 1 高斯。在 1Hz 至 300Hz 的频率范围内的时变交流磁场下，必须满足小于 1 高斯的值。

FTA 制定的最初政策，侧重于噪音、电场和磁场，是基于美国工业制定的，为长期暴露在电场和磁场中的乘客和工作人员提供了重要指南。随着 CHSST 的发展，公众提出的更多担忧需要得到澄清和规范，因此颁布了更详细、更具体的政策。在开发阶段，电磁干扰的测量结果大于规格要求，新法规表明，电磁干扰测量应在 CHSS 内部进行。同时，应重复对次射频范围进行电场测量。

问题和策略

建立和应用磁悬浮列车线路仍然引发了大量的争议，因为公众逐渐认知到这种新型交通系统。首先，技术可能不足以支撑磁悬浮系统的运营。例如，1984年建成的第一条试验运营磁悬浮线路，从伯明翰机场到伯明翰火车站，总长度600米，运营几年后由于用户反馈的稳定性问题而被废弃。 因此，为了解决这个问题，英国政府的政策并没有决定修改磁悬浮列车，而是用单轨列车取代了磁悬浮线路。 此外，磁悬浮高速列车线路的开发和推广应用过于困难。这项技术可能涉及开发超高温超导轨道，而超高温超导轨道仍然受限于散热和电力输出。因此，各个研究和开发磁悬浮系统的国家都达成了一致，将他们的贡献转移到低速和短途旅行上。因此，日本、韩国和中国相继研发并掌握了这项技术。其次，磁场影响成为人们争论的焦点。高速磁悬浮列车所需的更强的磁悬浮场，可能远大于正常允许的条件，这也是磁悬浮系统无法普遍应用的原因之一。虽然低速模式在允许范围内，但比地球磁场高出 10 倍，已经成为公众大量拒绝的重要原因。第三，建设磁悬浮系统的巨额资金投入是一个不可回避的问题。例如，上海浦东磁悬浮线路30公里的建设成本约为1000亿元，扩建成本约为12亿美元。 尽管不同的地形可能导致不同的建设成本，但在平均情况下，估计每公里磁悬浮系统的建设成本将花费8000元。高成本将带来高昂的价格。上海浦东磁悬浮线路刚开通时，每人票价高达100元。 虽然上海政府出台政策降低了票价至每人50元，但很多人认为他们无法接受。此外，该系统存在着由天气变化和电力中断造成的潜在风险。因此，磁悬浮列车的现状难以推广和商业化。尽管中国、日本、德国、美国和韩国等许多国家仍在不断努力研发这项技术，但政府也将鼓励研究可再生能源，技术缺陷、高成本和磁场可能是阻碍磁悬浮列车应用的重大限制因素。

定量分析

由于技术不足、成本高昂和强磁场的影响，磁悬浮系统尚未成熟发展并普遍应用。公众和相关专业人士的质疑引发了关于是否建造磁悬浮系统的讨论，导致德国、英国和中国等多个国家取消了计划或已有的磁悬浮项目。实际上，全球范围内磁悬浮列车的轨道距离和乘客数量并不多，现有的磁悬浮线路主要用于短途、低速运营，方便连接城市的机场和火车站。因此，轨道距离和乘客数量不足以作为衡量磁悬浮系统发展水平的可靠数据。考虑到磁悬浮列车的目标是避免滚动阻力，实现极高的速度，因此应采用有助于衡量列车速度发展的相关数据。日本是发展磁悬浮列车的最重要和最早的国家之一。2016年，该国磁悬浮列车的速度已从90公里/小时提升至603公里/小时。

日本于1969年开始研发磁悬浮列车，宮崎试验线于1979年实现了517公里/小时的高速运行。不幸的是，列车因事故而被摧毁，可能暴露了其可靠性问题。1974年，筑波开始研发HSST，专注于相对低速领域。HSST-03在当时很受欢迎，在筑波世界博览会上以30公里/小时的速度运营。1987年，MLU001创下了401公里/小时的最高速度。^[10]

方法

评估日本磁悬浮列车发展水平，可以参考Garrison和Levinson（2014）的方法。根据系统生命周期内从诞生日期到现在的速度数据，可以预测未来可能达到的速度。

公式：S(t) = K/[1+EXP(-b*(t-t0))] 可用于预测未来速度的发展趋势。S(t)表示速度状态，t表示时间，t0表示拐点时间，K表示饱和状态水平（此处指速度），b表示系数。

K值可以通过估计最大速度值（603公里/小时）并增加1公里/小时来确定。通过观察RSQ值，可以确定与R值（通常接近1）匹配的K值。b是数据集的斜率，可以根据K值和时间计算得出。

S曲线公式参数

变量	描述	值
t	时间
t0	拐点时间	1976.1
K	饱和状态水平	606
b	系数	0.117754738
RSQ	R平方	0.81130

原始数据和估计数据

日本磁悬浮列车速度的S曲线分析

讨论

S曲线表明，日本磁悬浮列车速度的发展似乎已经饱和，这可能意味着列车速度的提升存在最大限制。实际速度和预测速度之间存在明显差异。实际速度没有呈现出完美的曲线，而是存在很多波动，这揭示了一些原因。首先，技术发展不足无法保证磁悬浮系统在高速运行时的正常运行，导致实际运行最终失败。第二个原因可以归因于政策变化导致发展方向的改变。由于技术无法满足高速运行的需求，政府可能鼓励研究低速磁悬浮列车服务。然而，最终这两条线路趋于一致，这可能表明目前的科技水平已达到速度上限。曲线无法完全代表部署或发展水平。然而，磁悬浮列车仍然处于早期阶段。实际上，在磁悬浮列车轨道距离和乘客运量不足的情况下，速度作为磁悬浮列车最突出的特点，可以反映目前阶段的发展水平。未来可能会提升速度。