林国斌 刘万明 徐俊起等：中国高速磁浮交通的发展机遇与挑战
高速磁浮是当前速度最高的陆地交通系统，具有安全、便捷、高效、绿色等优点，在长距离客货运输中具有独特优势。作为与高速轮轨并跑的现代轨道交通新技术，高速磁浮交通技术将在中国交通强国战略中扮演重要角色。文章简述了中国发展高速磁浮交通技术的战略意义、国内外高速磁浮交通技术的发展概况和中国高速磁浮交通系统的技术制式形成过程，阐明了常导高速磁浮交通系统的特点以及环境影响与能耗，论述了当前中国高速磁浮交通发展的机遇与挑战，提出了中国高速磁浮交通系统的发展建议。
高速磁浮列车速度快、安全、可靠、舒适、维护成本低，可全天候运行。作为先进的大容量地面交通工具，高速磁浮交通被世界交通强国着重关注，是继高速铁路之后新一轮轨道交通技术竞赛的热点。中国大城市（如北京、上海、广州、西安、成都、武汉）之间或各核心经济区（如京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝双城经济圈）之间的距离都在1000 km以上，这些城市或区域之间的高效连通，有利于促进全国社会经济发展的南北互动、东西交融。然而现有交通系统尚不能提供足够快捷、可靠的连通。例如，成渝—京津冀间采用传统轮轨高速铁路实现连接，运行时间需要8 h左右；航空运输受较高的成本费用和运输能力限制，不能从根本上解决中国众多人口的快速交通问题，且易受天气条件的影响。高速磁浮交通是大城市和城市圈之间快速、可靠互联的重要保障。
为统筹推进交通强国战略，中央、国务院印发了《交通强国建设纲要》（简称《纲要》）。《纲要》提出强化前沿关键科学技术研发，明确要求合理统筹安排时速600 km级高速磁悬浮系统技术储备研发。
发展运营速度介于高铁与航空之间的高速磁浮交通，将强力推动发达的快速网、完善的干线网所需的前沿关键科学技术的研究与开发；发展高速磁浮交通，对于建设现代化高质量综合立体交通网络、构建便捷顺畅的城市（群）交通网，构筑多层级、一体化的综合交通枢纽体系，形成“全国123出行交通圈”具备极其重大意义。
中国高速铁路成套技术已全面引领世界，但随着“一带一路”倡议、高铁“走出去”等国家战略的深入实施，未来中国在世界高速和超高速轨道交通领域仍将面临更加严峻的挑战：一是中国与德国、日本、法国等传统高铁强国的竞争更激烈；二是德国已有的400 km/h以上磁浮交通技术和日本正在建设的505 km/h低温超导磁浮运营线填补了高速铁路与航空运输之间的速度空白。
面对世界高速和超高速轨道交通技术发展的严峻挑战，全面开发高速磁浮交通系统，掌握关键技术，建立标准体系，把握信息、新材料、能源、制造、交通等重点科技领域发展的新趋势和前沿热点，有利于实现中国在轨道交通领域的颠覆性技术创新和引领性原创成果的重大突破，提升中国交通运输现代化水平，并在国际竞争中占据有利地位，引领世界轨道交通发展方向。
轨道交通是国民经济的支柱产业。高速磁浮交通系统在信息化技术（智能感知、信息传输、自动诊断与无人驾驶、安全控制）、气动噪声控制技术（高速运行的空气动力学技术）、车辆制造技术（密闭车体、减振）、轨道建设技术（高精度混凝土梁制造）和安全管理技术方面的先进性，有助于带动传统交通系统的技术进步，提升中国整个交通运输业的信息化、智能化和自动化水平。
磁浮列车作为传统轮轨铁路发展百年之后诞生的轨道交通新技术，以无接触的概念设计，带来了传统铁路不可比拟的安全性、经济性和环境兼容性。 德国、日本、美国、中国、韩国和巴西等国家的开发团队尝试了不同的磁力实现方案，包括常温电磁材料、超导电磁材料和永磁材料，从而形成了不同的技术系统，包括常导磁浮、低温超导磁浮、高温超导磁浮和永磁电动磁浮。
德国率先开发的常导高速磁浮（Transrapid, TR）交通系统经过控制电磁吸力实现车辆与轨道之间的无接触悬浮和导向，额定悬浮和导向间隙控制在10 mm左右。其技术原理如图1所示。
1922年，德国工程师赫尔曼•肯佩尔（Hermann Kemper, 1892—1977）提出了电磁悬浮原理，1968年德国政府资助开始工程化开发，1980年开始建设31.5 km试验线 km/h的工程化试验和评估，宣布技术成熟。2000年中国引进该技术建设了上海磁浮列车示范运营线日开通试运行，已经安全运作20年，是目前世界上唯一实现商业载客运行的高速磁浮交通系统。
中国在消化、吸收德国技术的基础上再创新，自主开发常导高速磁浮交通系统。2007年在同济大学研建成1列两节编组列车、1.5 km试验线套牵引供电与运行控制管理系统，试验速度约为70 km/h；2011年与德国合作研制1列商业运行列车，最高运营速度为430 km/h；2020年完成速度600 km/h和200 km/h的样车研制，在同济大学试验线为中国研制的常导中速和高速磁浮列车。
低温超导技术是20世纪60年代日本在高速磁浮列车开发中采用的技术路线。该技术采用电动悬浮，利用车载超导磁体与轨道侧墙闭合“8”字形线圈相对运动感生的电流产生悬浮力和导向力。当列车悬浮高度变化和偏离轨道中心线时，轨道和超导磁体间产生的磁力会使列车恢复到其初始位置，悬浮气隙约10 cm，适应于更高速运行。其系统构成如图3所示。
图3低温超导高速磁浮交通系统和日本磁浮中央新干线年起开始低温超导磁浮列车研制工作。2005年3月，日本超导磁浮铁路实用技术评价委员会称“已经确立了实用化的技术基础”，从此进入工程应用开发阶段。2009年针对磁浮中央新干线 km/h，创造了地面载人运行最高速度纪录。目前已开始建设东京到大阪的中央新干线年开通东京至名古屋段，2045年全线
日本从1962年起开始低温超导磁浮列车研制工作。2005年3月，日本超导磁浮铁路实用技术评价委员会称“已经确立了实用化的技术基础”，从此进入工程应用开发阶段。2009年针对磁浮中央新干线 km/h，创造了地面载人运行最高速度纪录。目前已开始建设东京到大阪的中央新干线年开通东京至名古屋段，2045年全线世纪末以来，超导材料发展迅速，超导转变温度逐渐提高，液氮温区超导悬浮技术成为可能。超导钉扎型悬浮是其中一个重要技术分支，其利用液氮温区超导材料对磁场的钉扎效应，保持列车在永磁轨道上的稳定间隙状态。超导钉扎型悬浮可以是斥力悬浮，也可以是吸力悬浮。系统构造特点是车辆底部安装液氮温区超导块材，轨道上铺永磁体，利用磁场钉扎效应实现悬浮与导向，采用长定子直线同步电机驱动。西南交通大学对上述技术的可行性进行了初步探索。除中国外，其他几个国家也进行了一些试验。德国材料研究所研制了“SupraTrans”试验车（图4）；巴西里约热内卢联邦大学研制了“Maglev-Cobra”试验车，可载客30人，并在校园内建200 m试验线）；俄罗斯、日本、意大利等国家也开展了原理性试验研究。
除了前述4种以磁场材料划分的高速磁浮交通系统以外，目前全球范围内较有影响的其他高速磁浮交通系统主要有美国推出的管道磁浮（Hyperloop）和中国航天科工集团的“高速飞车”系统。这些系统主要是采用低气密度管道运行环境，以实现1000 km/h以上速度。考虑高速运行需要采用无接触技术，因此基本上均要应用磁浮交通系统技术。但所采用的技术不外乎前述的常导、低温超导、高温超导、永磁等技术或这些技术的组合。
目前，世界各国各种高速磁浮交通技术的发展状态处于不同的技术成熟度水平，如表1所示。只有常导电磁悬浮制式和低温超导电动悬浮制式达到应用成熟水平。表1世界各国各种高速磁浮交通技术的发展状态
20多年来，关于中国高速磁浮交通系统的技术制式，来自科研机构、企业和政府部门的专家学者开展了大量研究，主要工作如下。
示范线年前，中国尚未开展高速轨道交通网的建设。面对中国社会经济发展的要求，需要尽快决策中国高速轨道交通的技术发展趋势。通过专家研究和政府组织的实地考察，认为德国研制的TR系统通过了较长期的试验运行且已经宣布技术成熟，而日本研制的低温超导磁浮技术尚不成熟，所以决定引进常导电磁悬浮制式，建设上海磁浮线
近20年来，中国各科研单位广泛开展各种技术制式的磁浮交通系统研究。中国工程院也针对磁浮交通技术设立多项战略咨询课题，对各种磁浮制式进行产业化发展的策略研究，主要结论如下。
（3）常导电磁悬浮制式能够很好的满足地面最高经济工作速度的要求，建设成本明显低于超导电动悬浮制式。运营实践表明，其较小的悬浮气隙能够获得安全稳定的控制。（4）对于目前达到工程应用水平的常导电磁悬浮制式和低温超导电动悬浮制式，中国对常导电磁悬浮制式拥有比较坚实的技术、人才和装备基础。通过4个“五年计划”的全国性攻关和上海磁浮线年的安全运营，形成了自主研发全产业链技术的人才队伍和可供技术创新研究的海量运营数据。对于低温超导电动悬浮制式，研究基础不足，且由于超导技术尚处于发展变化中，技术制式的稳定性和经济性尚不确定。（5）中国应该抓住目前在磁浮交通领域的建设、运营和全产业链装备研发先机，建设600 km/h速度级高速磁浮工程试验和示范运营线，尽快形成继高速轮轨铁路之后的另一张靓丽名片，形成具有自主知识产权高速磁浮全套技术和装备的输出能力。
中国以“常导电磁悬浮+长定子直线同步电机”制式建设了世界第一条高速磁浮交通系统商业运营线，通过工程建设、运营和4个“五年计划”的研究，中国在高速磁浮交通研究领域取得了诸多成果，培养了一批专业研究人才队伍。完全掌握高速磁浮交通系统的运营维护技术，大量的运营维护技术数据使中国在高速磁浮交通应用技术探讨研究方面具有世界领先的科研资源优势。在此基础上，有望以“常导电磁悬浮+长定子直线同步电机”的技术制式实现500 km/h至600 km/h速度级的提升。
4常导高速磁浮交通系统的特点高 速磁浮的非接触承载和导向、非车载动力推进和速度控制等功能，使得高速磁浮列车在速度、曲线通过和爬坡能力、安全性、运营维护等方面相比传统轨道交通具备独特的优势。 目前只有常导电磁悬浮制式具有商业运行实践，本节数据均 来自常导高速磁浮交通系统。
传统轨道交通方式的最高工作速度受到轮轨间摩擦和弓网高速受流的制约。传统轮轨铁路的黏着系数决定了列车可用牵引力的极限。黏着系数随速度的增加呈下降趋势，而列车行驶阻力随速度的增加而增大。在速度提高的过程中，向下的牵引力曲线与向上的阻力曲线相交时，形成黏着式轮轨铁路的速度极限。对磁浮列车而言，不存在黏着条件限制，可根据速度上升的需要设计牵引力，理论上可达到500~1000 km/h的速度。
传统轮轨铁路依靠踏面蠕滑和轮缘约束实现列车转向。为防止脱轨和倾覆，需控制传统轮轨的脱轨系数和减载指标。为保证安全，外轨超高受到限制，使其不能大幅度通过超高来提高曲线°以内）。
相对于传统轮轨铁路爬坡能力受牵引力控制从而受黏着条件限制，高速磁浮列车爬坡能力决定于地面长定子直线同步电机分段供电的功率配置，因此理论上它也能适应比轮轨铁路更大坡度的线路。例如，德国常导高速磁浮列车的爬坡能力最大可达到10%。而法国高速铁路采用全高速模式，一般会用的最大坡度为3.5%。中国高铁的最大坡度一般为1.2%，困难地段达到2%。
上海磁浮线年开通运营以来，已安全运作20年，准点率和兑现率分别达到99.89%和99.93%，从未发生过人员伤害事件。常导高速磁浮交通系统完全消除了机械接触，在紧急状态下有电制动、涡流制动和摩擦制动多重制动措施保证。列车抱轨运行的方式从机理上消除了脱轨的可能，而脱轨是造成传统轨道交通生命和财产损失的主要事故。
有测算认为，轮轨列车工作速度从300 km/h提高到350 km/h，运营维护成本将提高1/3左右。其中，主要是能源费、零部件磨损加快和维修成本加大。提速必然带来牵引能耗的增加，而运营维护工作量所增加的成本将显著超过能耗成本。相比于高铁，上海磁浮线 km线 km/h运行，除了牵引能耗不可避免，其运营维护成本对速度并不敏感。由于非接触运行不存在机械磨耗，避免了使用高转速大承载的滚动轴承，列车上没有大功率变流设备及相应的冷却装置，列车载荷基本均匀地沿线路分布作用等，高速磁浮交通系统的维护成本相比高铁有着非常明显优势。此外，高速磁浮列车在速度、曲线通过能力和爬坡能力重要的运输指标上相比高铁均具有非常明显优势，这些优势使得高速磁浮的线路规划和建设相比高铁更具有灵活性，这方面带来的建设成本优势（如更短的坡道展线、更易实现的高架跨越、更少的隧道数量、较小的弯道以及更短的总长度等）可在某些特定的程度上平衡该系统在长定子、地面供电设备、道岔等方面相对于高铁增加的成本。因此，从系统建设总成本和全寿命周期运营的角度考虑，尽管高速磁浮的速度相比高铁有显著提高，但其建设运营全寿命周期成本有望控制在与高铁相当或略高的水平。5高速磁浮交通系统的环境影响与能耗分析
在中国磁浮交通技术的发展过程中，高速磁浮列车的噪声水平和电磁暴露水平是社会各界关心的问题。由于目前商业运营中的高速磁浮线路只有一条，以不同第三方机构在德国埃姆斯兰高速磁浮试验线（Transrapid-Versuchsanlage Emsland, TVE）和上海磁浮线的实际测量结果与其他交通工具作比较，说明高速磁浮交通系统的环境影响特征。
磁浮交通系统通过无接触方式实现支承、导向、驱动、制动和供电，避免了车/线界面的接触，机械噪声低。因此，磁浮列车以400~500 km/h的速度运行时，其噪声主要来自于空气摩擦。
在磁浮铁路的应用研究中，需要研究列车进入噪声敏感区（如医院、学校及居住区等）时的影响，从而采取限速或限距的技术措施。图6给出了不同距离（20、50、100、200 m）条件下磁浮列车的持续声平数据，以及根据德国噪声保护规范（BlmSchV第16条）城市不同地域对噪声水平的限制值。
图6表明，只要将线路距敏感区域的距离进行适当控制，就能使磁浮铁路的噪声影响不超过规范规定的数值。例如，对于对噪声最敏感的医院区，只要将线路与医院的距离控制在不小于100 m，磁浮列车就能以450 km/h的速度运行；对于厂矿区，则几乎不受距离控制，磁浮铁路与厂矿区的距离将受安全条件（大于25 m）而不是噪声条件控制。在中国磁浮铁路应用研究中，可参考《城市区域环境噪声标准》（GB 3096—2008）和《铁路边界噪声限值及其测量方法》（GB 12525—1990）制定相应的城市区磁浮铁路的限速或限距参数。
图7为中国科学院声学研究所在上海磁浮线的测量结果。根据该噪声测量结果推论，磁浮列车以500 km/h速度级运行，除部分声环境敏感且距离磁浮线路较近的地段需要采取噪声保护的方法外，大部分行驶路段应该可以通过合理选线（如规避敏感区域、调整线路高度等）和结构设计（如结合声反射特点设计构筑物、采用吸声结构等）达到国家噪声保护标准。
图8为美国交通部研究人员对德国TVE试验线车厢、车站、轨道和开关站内测得的静磁场和交变磁场强度最大值，并与电磁暴露相关国际标准中最严格的标准（国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）标准）进行的比较。上述测量场合反映了乘客、社会公众和磁浮交通从业人员可能受到的最大辐射可能。测量根据结果得出，各种场合测得的电磁暴露水平均低于ICNIRP标准的限值。
此外，国家磁浮交通工程技术研究中心委托中国第三军医大学军事劳动卫生学专家团队对上海磁浮线进行了全面检测研究，并同时对电气化铁路和地铁系统来进行了对比测量。根据对现场测评数据的统计分析，对照世界卫生组织、ICNIRP、美国电气与电子工程师协会（IEEE）、美国工业卫生协会（AIHA）等权威机构制定的电磁辐射限制暴露安全标准和中国现行国家标准，对上海常导高速磁浮交通系统电磁辐射测量评估的基本结论如下。
（4）高速磁浮交通系统所产生的电磁辐射与高速轮轨系统、地铁系统相似，均为一种复合了多种频段的低强度电磁辐射。目前国际上尚没有针对多频段复合电磁辐射暴露的计算方式和安全暴露的限值标准，已有的电磁辐射暴露标准限值均是针对单一频段制定并逐一考核其限值标准的。
由于高速交通工具在常压空气环境中的气动阻力随速度的增加大约成二次方关系，用于克服空气阻力的列车牵引能耗也随之成比例增加。 因此，在高速磁浮交通技术发展过程中，“地面交通工具是不是适合采用500 km/h（或更高一些）的速度？ ”“高速磁浮列车是否只适合采用真空管道形式建设？ ”“磁浮列车直线电机间隙数倍于轮轨列车的旋转电机，运行能耗是否也数倍于传统高铁？ ”等问题一直被广泛关注。 这里以上海磁浮线的实 测能耗为基础，定量描述高速磁浮交通系统的能耗特征，并与传统高铁作对比，以便于客观了解高速磁浮交通系统的能耗问题。
对于高速磁浮列车目前测得的能耗，仍有可能通过增加编组和定员、改善车头流线等得到降低。此外，一个高速轨道交通系统，其能耗除牵引能耗以外，还有车站设备（如空调、照明、自动扶梯与电梯）、车辆基地、检修设备、行政办公等与速度无关的部分，速度提高导致能量消耗的总增加幅度比值将明显低于牵引能耗的增加幅度比值。同时，列车速度的提高将导致车辆单位时间内的客运周转量增加，人均公里所需的车上空调与照明，甚至车站能耗都会降低，在能耗方面产生正向影响。
速度提升是交通技术发展的永恒主题。 在绿色发展和双碳战略的大环境下，轨道交通将成为大容量高速旅客运输的主要发展趋势。 这一趋势在磁浮交通技术将轨道交通的速度提高到600 km/h级别的背景下尤为明显。 日本磁浮中央新干线 km/h已经将磁浮列车的运行时间压缩至与同一通道的民航飞机相持平，彰显了磁浮交通技术在高速旅客运输市场的竞争力。
中国人口超过14亿，分别是德国和日本的17倍和11倍；中国国土面积约960万 km 2 ，分别是德国和日本的27倍和25倍。 作为世界最大的旅客运输市场，人口和国土因素正好契合了磁浮交通“大运量”和“高速”的特征。 因此，起源于德国和日本的高速磁浮交通技术，最佳应用市场在中国。
中国是世界唯一拥有高速磁浮商业运营线年的运行实践为技术的提升和产业化构建提供了丰富的技术资源。 20年的国家技术研发支持已经培育了大量技术人才和完整的产业链基础。
目前德国和日本的高速磁浮列车最高应用速度基本处于500 km/h速度级水平。交通工具的技术难度将随速度的增加而急剧加大。对于600 km/h速度级高速磁浮交通系统，在悬浮导向稳定性控制、列车平稳性控制、振动噪声控制、轨道平顺性控制及全套技术标准体系建立等方面，在全球范围内还属于无人区，需要在国家层面组织全国优势力量联合攻关解决。
1）政府主导，组织全国优势力量联合攻关，建立面向工程应用的自主高速磁浮交通技术体系
高速磁浮作为集成现代先进的技术的重大交通基础设施，具有技术上的含金量高、资产金额的投入规模大的特点，技术和应用领域跨学科、跨产业部门。在克服600 km/h速度级无人区的过程中，需要基础研究与应用研究相结合。因此，需要从国家层面组织跨学科和产业的研究开发队伍。目前轮轨的科研投入较大，磁浮科研投入较少，造成磁浮人才的流失和断档，要增加人才教育培训，可以充分的利用上海磁浮线）统筹规划，建设全功能的600 km/h速度级工程试验平台对于涉及群体人身安全的高速运输系统，有必要进行严格的试验考核和认证。中国自主开发的600 km/h速度级高速磁浮交通系统，一定要通过工程化试验平台的运行考核。要模拟实际商业运行的各种工况和环境，对各种部件、子系统和总系统的技术参数和运行反应做评估，最终形成技术成熟并可进入商业应用的结论。
3）组织开展高速磁浮交通技术应用场景研究高速磁浮交通技术的先进性已经在国内外取得共识，但高速磁浮对于后高铁时代国家重大战略需求的研究尚不够充分。在中国高速轮轨铁路已完成路网布局的情况下，高速磁浮的市场规模、对综合交通体系的影响、发展磁浮交通技术对国民经济发展的重要性、中国磁浮交通技术国际化等问题尚需深入研究。明确的应用市场是国家巨额资金投入研发的依据，也是吸引广大企业热情参加技术开发和产业化的基础。
高速磁浮交通是轨道交通发展的前沿方向之一。 通过电磁力约束实现无接触的运行，摆脱了制约传统轮轨提速的“弓网关系”和“轮轨关系”，有望成为陆地交通最快的交通运输工具。 高速磁浮涉及信息、新材料、能源、制造、交通等重点科技领域和前沿热点。 发展高速磁浮交通不但可以支撑中国的交通强国战略，引领中国高速交通的发展，推动国际国内区域协同发展，还能够促进中国相应产业的技术更新和科学技术进步，从而为中国建设现代化强国添砖加瓦。
通过上海磁浮线个“五年计划”的支持，中国已基本掌握常导高速磁浮交通技术和工程建设方法，积累了运营维护经验。应全力发展常导高速磁浮交通系统，尽快实现高速磁浮交通技术的工程应用，抢占世界高速轨道交通技术的制高点，成为引领世界的高速磁浮应用技术的国家。
