磁悬浮交通规划与实践

1磁悬浮交通规划与实践高岳，高级工程师上海市城市规划设计研究院道路与交通规划所副所长兼总工程师提要磁悬浮交通是一种新型的交通工具，笔者从国际上的磁悬浮交通研究和发展的态势、以及上海市高速磁悬浮交通示范运营线的规划实践，论述了上海市规划建设磁悬浮交通的目的和意义，并提出了磁悬浮交通发展的初步设想。磁悬浮交通系统是二十世纪一项伟大的技术发明，磁悬浮列车主要依靠电磁力来实现传统铁路中的支承、导向、牵引和制动功能。磁悬浮列车抱在导轨上运行，运行中的磁悬浮列车与导轨之间没有机械接触，大大避免了机械接触，可以比轮轨铁路更经济地达到较高的速度。在环境保护方面磁悬浮高速列车系统比其它的公共交通工具有明显的优势，低速运行的磁悬浮列车基本上没有噪声。磁悬浮交通系统不产生有害物质，磁场强度较低，与地磁场基本相当，符合安全标准。它是一种新型的没有车轮、采用无接触行进的轨道交通系统。该系统具有运营速度高、能源消耗低、安全、舒适、噪音较小、维修方便等特点，是当前唯一能达到500公里/小时运营速度的地面交通工具。1922年，德国赫尔曼=肯佩尔（HermannKemper）提出了电磁悬浮原理，并在1934年获得了世界上第一项有关磁悬浮技术的专利。由于当时的技术和工艺条件的限制，在此后的三十多年里，磁悬浮技术没有得到明显的发展。60年代末，德国因环境和能源问题迫切要求开发新的高速交通体系。1969年德国研制成第一辆小型磁悬浮列车的原理模型（重约60公斤）。30多年来，世界主要发达国家都在研究开发磁悬浮交通技术。目前世界上磁悬浮列车已初步形成了三种典型的模式：德国的高速磁悬浮列车TR系列、日本的高速磁悬浮列车MLX、日本的中低速磁悬浮列车HSST系列。磁悬浮列车从悬浮机理上可分为电磁悬浮（EMS-electromagneticsuspension）和电动悬浮（EDS-electrodynamicsuspension）二种类型。所谓电磁型，就是对车载的悬浮电磁铁通电励磁而产生可控制的电磁场，电磁铁与轨道上的铁磁构件相互吸引，将列车向上拉起悬浮于轨道上，电磁铁和铁磁轨道之间的悬浮间隙（称为气隙）一般控制在10毫米左右，列车通过直线电机来牵引。该系统所用的材料都是一般的铁磁材料和导电材料，所以也称为常导磁悬浮列车。电动型，就是当列车运动时，车载的通过超导励磁的磁体运动与安装在线路上的导电环产生感应电流，两者相互作用，对车体产生浮力，悬浮的高度一般为10-15厘米，列车运行靠直线电机来牵引。这种磁悬浮列车的车上载有低温超导线圈，所以也称为超导磁悬浮列车。电磁悬浮列车以德国的TR-08和日本的HSST100L为代表，电动悬浮以日本的MLX为代表。高速磁悬浮列车技术的特点非接触运输系统。磁悬浮列车实现了轨道与列车之间没有机械接触，克服了传统轮轨铁路提高速度的主要障碍，代表了一种从陆上有接触交通运输系统向非接触运输系统发展的趋势。运营速度高。运营速度可达400—500km/h，达到陆上交通的最高速度。2能源消耗低。根据德方提供的有关结论：磁悬浮列车在500km/h时，每座位·公里的能耗仅为飞机的1/3至1/2，比汽车少30%。在时速300km/h，每座位·公里的能耗比ICE轮轨高速列车少33%，在时速400km/h的能耗与时速300km/hICE的能耗相当。噪音较小。与其它交通工具相比，磁悬浮交通噪音较小，列车通过时25米处距离的噪音在300km/h，TR列车为79分贝，ICE列车为91分贝。磁悬浮交通在低速运行时，噪音很小。技术特性佳。加减速能力大，爬坡能力强，可达10%。安全、舒适。磁悬浮列车在结构上保证不会脱轨，推进方式不易撞车。由于没有轮、轨之间的接触以及与受电弓的机械接触，因此震动小、舒适性好。维修方便。部件大量是模块式设计和安装，因此维修量小并且简单方便。环境影响小。采用电力驱动，无有害气体排放，列车的磁场与地磁场基本相当。运行系统先进。采用先进的控制系统，可自动化运行。磁悬浮交通系统四大关键技术车辆技术。德国三十多年来列入发展的型号就有十几种，在埃姆斯兰试验基地试验过的型号就有TR06、TR07、TR08三个型号。TR08车辆从1999年8月组装完成，第一次运行是在1999年9月7日。运行10天后，以300km/h试运行，后经调试后最高速度已达400km/h（最高时速受试验场地的限制）。至2000年5月15日，TR08已运行990次，运行天数98天，运行长度16130公里，（通车）运行时间1115小时，磁悬浮时间150小时。在大风、雪天（雪厚12cm）也进行了试运行，并达到了令人满意的结果。据分析，目前的车辆平均无故障时间为24000—35000小时（柏林—汉堡线要求平均无故障时间为9400小时）。一列列车最多可有10节编组，每节车厢平均安装100个座位（与座位密度、设施等有关）。同样适用于货车，每节货车最多承载17.5吨。车辆高度4.16米，宽度3.70米。图一：上海高速磁悬浮示范运营线车辆推进与供电。包括长定子线圈、开关站、供电站（逆变器）高压变电站等，它们大部分是大功率地面电力设备。3运行控制与维修。硬件：运程系统大多数部件属现代信息技术的通用设备；软件：以控制速度和安全为核心，一整套软件。部件大量是模块式设计和安装，维修方便。线路工程。线路工程包括长定子轨道、轨道梁、基础等土建工程，建设的难度主要是Transrapid线路各部分的制造、检测，安装精度要求较高。在Transrapid技术中还有一项重要内容，就是系统工程启动包括线路工程规划管理，运行系统规划管理等。磁悬浮交通有高架、地面和地下隧道线路等形式。根据客流需求，可采用单轨或可双轨（线间距为4.40—5.10米）。钢梁或钢筋混凝土梁最长可达62米，梁宽为2.8米。列车通过道叉换道，钢弯曲道叉由一根78.4米（慢速道叉）或148.6米（快速道叉）的钢梁，借助机电扳道装置达到扳道目的。主要技术标准磁悬浮高速列车系统具有良好的选线特性。它要求的最小转弯半径为350米。设计车速500公里/小时,转弯半径为4415米。爬坡能力高达10%。在平直线上，从0公里/小时加速到400公里/小时，加速距离需8.8公里，制动距离6.7公里。在平直线上，从0公里/小时加速到500公里/小时，加速距离需19.3公里，制动距离10.5公里。线间距4.8~5.1米。上海磁悬浮交通示范线规划2000年初，上海规划部门开始进行上海高速磁悬浮交通线路规划方案研究。该线路是一条具有城市交通和观光、旅游功能的线路。该项目在规划过程中，得到了中国科技部有关领导和专家、市领导和有关部门的大力支持和配合。规划目标o满足浦东机场与市中心的交通需要，并促进车站地区的建设和发展。o引进国际现代化的交通技术和系统。o进行中国高速磁悬浮铁路试验运营。o带动中国新兴产业的形成。o探索中国高速客运铁路网的模式。o向民众示范陆上先进交通工具，展示交通新科技。规划原则o符合磁悬浮列车主要技术标准。o客流量较大并且稳定，提高工程的的经济效益和社会效益。o走向结合上海市近期建设项目，并与现有和规划的交通建设项目相衔接。o线路作为试验运营线，长度不宜过长。o线路能够展示磁悬浮列车的高速性能。o考虑到示范的效果，选择具有一定影响的地区作为起讫点。o线路尽可能减少对沿线环境、景观的影响。规划方案上海市规划部门曾提出6条高速磁悬浮铁路试验运营线路方案。经有关部门和单位反复的比选，推荐浦东国际机场至地铁二号线龙阳路车站的线路作为中国高速磁悬浮铁路示范运营线。4线路规划的起点为地铁二号线龙阳路车站南广场，终点为浦东国际机场候机楼。线路从龙阳路站出发向东跨越罗山路后，沿罗山路东侧的绿化带向南分别跨越高科路、张衡路、川杨河后由北向东转，沿迎宾大道的北侧继续向东，先后跨越申江路、环东二大道、华东路、远东大道等主要道路，然后进入迎宾立交已预留的线位，在机场主进场路的中央分隔带至浦东国际机场候机楼的预留的行人步道（图二）。线路长度为30公里。图二：高速磁悬浮铁路试验运营线路高速磁悬浮铁路试验运营线路规划符合城市总体规划的要求并尽可能减少对城市已开发建设项目的影响。例如：线路选择在张江高科技园区的西侧通过，与整个园区保持一定的距离，对环境没有影响。在外环线附近和以外的地区，由于开发建设的强度较低，土地资源充足，对选线十分有利。规划线路选择在已建成的道路附近，两侧规划和建设有带状绿带，线路建成后将形成一条交通走廊和城市景观带。设计技术标准o设计车速。设计车速为430公里/小时。o线路形式。线路为规划为双线，全线以高架形式布设（图三）。o车站设置。线路共设二个车站，龙阳路站和浦东国际机场站（图四）。o与其它交通设施的衔接。与地铁二号线龙阳路站以及规划地铁M7线L5线车站形成大型的换乘枢纽。浦东国际机场站可通过廊桥与机场的旅客航站楼相连，方便旅客的进出港。o供电设施。全线设二个主变-牵引变电站。o运行控制与维修。全线设一个控制中心，一个车辆维修基地。5图三：上海高速磁悬浮示范运营线高架结构图四：上海高速磁悬浮示范运营线车站磁悬浮技术发展展望全球高新技术的进步，促进了交通技术的发展，二十一世纪交通运输的主流方向是地面高速交通运输。不少发达国家在大力投资发展高速公路、高速铁路的同时，根据本国情况正在积极研究磁悬浮技术。高速磁悬浮列车是二十一世纪一项具有蓬勃发展、前景广阔的新技术。随着上海磁悬浮列车示范运营线的建设，磁悬浮交通技术上的问题已逐步被人们了解或掌握，磁悬浮交通能否推广的主要问题之一是磁悬浮交通的投资费用能否降到1.5-2亿元/公里，有关的主要技术经济问题需要通过中长线路予以实证。对于建设长大干线来说，还会遇到一些特殊的问题，仍有一些技术经济问题需要论证，需要具体问题具体分析解决。在目前全国高速客运专线网的制式未定的情况下，根据长江三角洲地区社会经济发展态势，为了加速发展长江三角洲地区城镇建设和城市化进程，减少地区间经济发展不平衡，加快实现长江三角洲地区的区域经济一体化，建议在长江三角洲地区规划和建立一个高速磁悬浮交通区域网，形成以上海为核心北至南京，南至杭州、宁波的格局，进一步构筑长江三角洲地区现代化的区域交通体系。在长江三角洲地区可率先规划和建设磁悬浮交通沪杭线，进一步加强沪、浙两地的交通联系，6促进地区社会、经济建设和发展。磁悬浮交通沪杭线建成后可进一步进行磁悬浮交通的示范运营，并带动与此相关的新兴产业的形成，同时磁悬浮沪杭交通线的建设将对磁悬浮交通在长大干线上的经济性、适用性进行实践和证实，进一步探索中国高速客运铁路网的模式。中国的主要城市之间的距离大多在1000公里左右，十分需要有高速、安全、经济、舒适和低公害的交通工具。中国高速客运铁路专线网有二种模式可以选择：一种是国际上技术比较成熟的高速轮轨铁路，另一种是速度比高速轮轨更快，但国际上尚未投入商业运行的高速磁悬浮铁路。二种制式各具优势，中国高速客运铁路网模式可采用择优而用、多制式并存，合理分担比例、明确分工的原则，建立具有层次序列的、能够提供高服务水准的网络。目前上海已经基本建成了高速磁悬浮示范运营线，整个系统进入调试阶段。高速磁悬浮列车是二十一世纪一项具有蓬勃发展、前景广阔的新技术，上海磁悬浮交通示范运营线的建设将使我国率先进行高速磁悬浮列车的商业运营，在此基础上在长江三角洲地区进行磁悬浮交通的推广和发展，对于上海与长江三角洲地区的合作和发展，乃至中国社会、经济的发展都具有积极的意义。中国对高速磁悬浮交通技术作进一步实践，使我国的高速磁悬浮系统领域从仿造、跟踪逐步走向赶超、创新，实现技术跨越发展，并有可能在二十一世纪地面高速交通发展中占有领先地位，对磁浮交通技术在世纪上的推广和应用具有十分积极的作用。