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行業動態

磁懸浮交通發展戰略

第十四屆中國(國際)城市智能交通論壇在深圳舉辦,中國工程院錢清泉院士與會分享“磁懸浮交通發展戰略”的演講。

錢清泉院士是西南交通大學教授、博導,我國著名的鐵道電氣化與自動化專家,現任軌道交通國家實驗室技術委員會副主任,高速鐵路試驗國家工程實驗室技術委員會副主任以及深圳中國工程院院士活動基地主任等職務。以下是錢院士現場演講實錄:

各位領導、各位嘉賓,大家上午好!我今天給大家匯報的是“磁懸浮交通發展戰略”,磁懸浮交通應該是最信息化、最智能化的交通方式。我今天主要匯報的是工程院為國家咨詢的重點研究課題。分三部分:軌道交通發展背景;中低速磁浮交通發展戰略及建議;高速磁浮交通發展戰略及建議。

第一,軌道發展交通發展背景

我們講交通都希望講綜合交通,它涵蓋水陸空所有的交通樞紐模式。它從航空、水陸、鐵路、公路以及管道,這是綜合交通的全部內容。從整個交通發展的速度,大家是一直關注的。時速800、500、300、200、100公里有一個等級圖,可以看出來,水陸交通是運量非常大的形式,還有公路交通,還有航空。從速度來講,中間有一個速度段是屬于紅圈里面的軌道交通。軌道交通里面包括普通鐵路、城市軌道交通、高速鐵路和高速磁懸浮幾種方式。軌道交通是運載人和物在專有軌道上導向運行的交通手段。

軌道交通,概念很簡單:鐵路、地鐵,軌道交通運用在很多種領域。干線軌道交通分為普通鐵路、高速鐵路、高速磁浮、重載貨運。城市里面有地鐵、輕規、單軌電車、有軌電車等等方式。中間有城際、市域快軌的方式。不是我們一般看到的鐵路與地鐵。

軌道交通層次當中,速度段來講,高速鐵路是大于250公里每小時的速度,城際鐵路是120-250公里每小時,市域鐵路是80-160公里每小時,城市軌道是80-120公里每小時,軌道層次不一樣,功能不一樣定位不一樣,高速鐵路段是大城市之間,譬如北京、上海、廣州這些。城際是21個城市群中,還有市域鐵路,還有城市軌道交通,城市軌道交通也有若干模式。

高速鐵路發展現狀,全世界有16個國家和地區建成運營高速鐵路,包括美國打算建高速鐵路。整個全世界的總和,圖上可以看出來有1萬多公里,我們目前國家有2.2萬公里。從國家“十三五”戰略規劃來講,我們國家完成鐵路投資8000億每年,建設城市軌道交通也是重大項目,目前我們有30多個城市建設或者在建,運行了20多個城市,將來是100多個城市。加強重大基礎設施建設,高鐵運營里程達到3萬公里,覆蓋80%以上的大城市,2020年的高速鐵路網。時間圈,比如北京出發有1小時、2小時、4小時、8小時,最終到烏魯木齊12小時,拉薩15小時。

我們國家在2004年到2008年的時候,咱們是“四縱四恒”的國家鐵路網,到2008年“四縱四恒”增加了到烏魯木齊和昆明。2016年是2.2萬公里,2030年要達到4.5萬公里,也就是說十多年要增加2萬多公里,要加倍。應該說我們在前面7、8年時間里趕上人家50年的建設速度和水平,10多年以后,我們還要建2萬多公里。

“一帶一路”戰略和高鐵“走出去”,這是國家的戰略。當前,“一帶一路”是非常重要的國家戰略。習主席提出來“絲綢之路”,一是陸上絲綢之路,從中國一直到歐洲。二是海上絲綢之路?!耙粠б宦贰笔侵高@么一種概念。

國內“十三五”期間,城市群,這是2016年3月5日,李克強總理在政府工作報告中明確提出來:在“十三五”時期要規劃建設21個區域城市群,21個城市群發展當中必須交通先行。有了城市群的概念,城際鐵路就是很重要的規劃,譬如京津冀、長三角、珠三角等21個城市群,這里面就有城際鐵路建設的問題,都市圈規劃和修建的高速鐵路客運專線系統已經在進行當中。

咱們不太關注的貨運,我們國家原來貨運是完成不了咱們國民經濟需要,曾經到40%-50%,所以我們必須要解決。怎么解決?靠重載。在我們國家是18.8%的重載里程承擔了90%以上的重點物資運輸。一個重載列車已經到了4萬噸,國外最多已經到了8萬噸,最長的列車到7.8公里長,可以像龍一樣的。這么長的列車運載可想而知像5000噸的列車8輛車或者10輛車,甚至更長。我們把原來的“老線”(京廣、京滬等)改造以后變成重載,重載當前也有提速問題,要提到160公里每小時。2020年,我們國家重載列車的線長要超過5萬公里。

城市軌道交通,城鎮化是國家戰略,我們國家的城鎮化速度正在加快。目前我們城鎮化覆蓋是50%多,別的國家是90%多,一些發達國家在70%以上。在這樣的情況下,我們國家有超大城市6個,特大城市10個,大城市117個,中等城市103個。我們30多個城市在建,有20多個城市在運行,我們100多個城市建城市軌道交通?,F在建成的里程僅僅400公里,將來預計3萬-5萬公里,中小城市、三線城市有的已經開始積極的籌劃有軌電車。我們國家有這么大的巨大的潛力,我們國家經濟需要,從城鎮化角度來講,城鎮軌道交通的發展是必然的?,F在大家都知道堵車,怨聲載道,城市軌道交通發展是當前基本要解決的問題。城鎮化帶來好的交通、環境、能源問題,首先是能源問題,當然這里面也會帶來很多機遇,軌道交通產業的問題、環境保護產業、能源產業等等。

在發展城市軌道交通中,解決城鎮化交通的有效手段是什么?我們講城市公交優先,然而軌道交通更是骨干。常規交通和軌道交通相比,我們知道它有一個能力強,公共交通一般講是運行500到900,每小時是5000-9000人次,軌道交通是1-6萬,地鐵甚至可以到8萬。排放,二氧化碳的排放量,一個是19.4,一個是4.7,還有二氧化氮、二氧化硫的排放,作為公共汽車來講,二氧化硫0.144,這個0.011,噪聲也比較小,安全也比較好。所以城市軌道交通為解決城鎮化問題提供一個安全可靠、舒適便捷、環保節能的解決方案。城市軌道交通中,我們講它主要是節能、省地、運量大、全天侯、無污染又安全等特點,屬綠色環保交通體系,符合可持續發展的原則,特別適應于大中城市,也是大家都已經認可的。這當中有各種分類,中間有地鐵、輕軌、有軌電車、城市快軌、中低速磁浮、新型交通系統等等,中國城市軌道交通的特點,要根據不同城市、不同情況選擇不同的制式,我們知道這些制式不是排斥性,而是互補性,各有各的優點,各有各的特點,在不同城市有不同選擇。

這么多制式中有不同的特點,譬如地鐵、輕軌、磁懸浮、單軌、有軌電車,譬如有軌電車是混合路權,其他都是獨立路權。前面是100萬人以上的城市,50萬到100萬之間可以用有軌電車。剛才講了地鐵可以運8萬人/小時。它有各自的優點,比如整個建設的周期,地鐵時間太長,投資太大。其他的相對來講,時間短,并且見效快。我們知道很多城市因為地鐵的建設,在3-5年內,市容被破壞的一塌糊涂,當然需要的時候還是必須建。磁懸浮主要是更安全,它是抱軌運行,不會脫軌,維護成本很低,沒有輪軌的磨損,噪音低,不會擾民,另外造價低,建設周期快。這都是它的優點。2016年底,公里數有4117公里,里面包括上海的磁懸浮等在里面,真正的地面交通不到4000公里。

第二,軌道交通發展到現在的情況

我們還需要什么新的制式嗎?我們就探討這個問題,我提到中低速磁懸浮交通發展戰略及建議。這個課題是工程院的重點,為國家咨詢課題,是我負責這個課題。

我們2013年、2014年建立這個課題,現在磁懸浮是什么東西?通過這個圖我可以簡單給大家介紹。磁懸浮,上面是車體,下面一般情況是輪子,這個地方我們重點介紹是不是靠輪子支撐,而是靠磁力把它浮起來。擴展圖,車體,車體通過空氣彈簧,以后一直到磁浮模塊一直到底下,這都是磁體當中的一個極。軌道部分,在軌道是磁體的另一個極,通過這樣的關系使得車體和路之間就有間隙,靠磁吸力車浮起來這樣的距離,中間是間隙。車是不觸地,浮起來的,它是不觸地的行走。這個地方怎么普及以及怎么導向?我們來看看它的關系,它靠磁力當中的懸浮力,這是導向力,這是吸力,靠這個浮起來,完了可以導向。主要是懸浮,通過氣息反饋控制電磁鐵、電流,再就是控制電磁力、電磁鐵的運行,使懸浮間隙穩定。導向,因為比較偏離軌道,導向通過電磁鐵橫向位移,產生磁恢復力進行導向,是被動的自穩導向,不需要控制。驅動的是一個直線電機,我們知道電機是旋轉的,我們把電機的原理展開就清楚了。它相當于一個電機的定子、轉子,車和路之間是定子和轉子的關系,之間的間隙就是定子和轉子之間的間隙。所以它通過懸浮技術使列車運行,從輪軌技術飛躍到非接觸運行,幾千年來都是車輪轉的方式,它已經不再是軌道交通當中車輛的必須品,純粹是信息技術和智能化實現的方式,這是一種飛躍,是一種革命。

剛才講的直線電機,電機旋轉,如果旋轉電機展開以后,把它拉直,這樣就變成電機的兩個部分,這是一個定子和轉子的關系,中間的轉子,外面是定子,展開以后原來是靠旋轉磁場讓電機旋轉,現在靠直線電機磁場讓它能夠運行起來。中低速磁浮交通系統組成,整個軌道交通有線路、供電系統、運控系統,還有磁浮列車,除了磁浮列車以外,基本上都是與其他相同的技術,并不是我們想象的全部把它廢棄了,沒有基礎,從零開始,不是這樣。磁浮列車是中低速磁浮交通的關鍵設備,也就是懸浮、控制和牽引。這有兩種區別,傳統的輪軌的關系,車驅動是靠旋轉電機經過變速箱以后使它轉動,使輪子轉動,輪子架在鋼軌上的。這個導向是靠輪子有個邊緣,它和軌道之間,兩者之間是靠軌道限制,不脫軌。當然,現在軌道交通事故不分國內外,脫軌是常態,但是安全性受到限制。這就是懸浮技術中很細節的部分。

我們可以知道它關鍵要控制間隙,中間有傳感器,通過傳感來讓它間隙有控制,通過控制器,通過電器之間的關系來控制,所以它的關鍵技術就是信息的檢測技術以及懸浮控制技術,這是基本的,能保證磁懸浮列車運行的關鍵。傳感器很關鍵,是密封三探頭,三選二,取小的用于控制作為方案。這些我們國家都能生產。直線電機驅動,我剛才形象的把電機切開,直線電機,這是轉子和定子的關系。這當中就是電機的定子部分,下面這部分是次級反應板,是轉子部分。這中間有一個間隙,傳統的直線電機驅動技術可用于中低速磁懸浮交通。

磁懸浮是什么概念,和輪軌有什么區別,不管原理怎么樣,慢慢探討。概念清楚了,它是懸浮起來,不接觸軌道的,是地面分析器的概念。中低速磁懸浮用在城市交通以后的成熟性和必要性,中低速磁懸浮和有軌電車比,運能,地鐵剛才講過了,它大運量,可以到6-7萬人次,這是1.5-3萬,運量是一半的情況。當然,它和輕軌、單軌一樣,有軌電車和市域的軌道是一樣,是中運量的交通方式。它的有點我前面講了,噪音、振動,因為振動和摩擦沒有,所以噪音小。另外爬坡能力強,它可以到千分之70%,輪軌只有千分之30,如果爬坡能力強。另外還有軌線,孔徑比較小。轉彎半徑小,也可以回避大型建筑。譬如當年羅湖這個地方,深圳1號線到30多層大樓,把大樓底下進行加固才可以。如果用這個就回避它。污染小、能耗低,綜合造價低,根據這些優點,我們說中低速懸浮列車振動噪音小、爬坡能力強、轉彎半徑小,特別適合大中城市。它可以從一個商場到另外一個酒店,它不擾民,沒有那么大的噪聲。另外它畢竟還是中運量,它當然可以在一些中等運量的線路上,你說真達到6-8萬人次的地方,當然是沒辦法,在中心地帶必須走地下。

磁浮當前大家認識不是很充分,大家說:不行,有很多問題。這個地方我把我們的研究成果提供給大家。噪聲,大家想想,它沒有摩擦、沒有振動,顯而易見。軌道的摩擦也沒有,應該說它是很安靜的一種交通方式。這是噪音問題,都是低于國家標準。最大的實測噪聲數據表明,車外、車內噪聲小于相關標準規定的限制。最關鍵的是被誤導的磁輻射,這是一種外行的誤導,因為磁路是封閉的,不可能對人體健康有害,這誤導了老百姓,而且我們8號線要做磁懸浮,被誤導,被老百姓反掉了,最后在長沙建設了。磁輻射的問題,這當中我們給出很多數據。包括車內、車外等等,都有很多實測的數據。國家和國際標準就在這兩條線,我們測試統統在這之下。電磁場測試,結果表明車內外的磁場低于國際國內的標準,不會影響人體健康,這是非常明確的。研究說,它比我們用吹風機的電池干擾、電磁輻射影響還低,一般就像家庭看電視,它現在磁輻射比輪軌、地鐵的輻射都小。我們希望任何場合都講清楚這點?,F在這些問題已經被大家接受了,這不是問題。

電機原理,影響電機效率的轉子、定子、間隙。間隙,一個在路,一個在車,至少我們的長導情況下是10毫米,顯然比電機間隙大得多,效率肯定低。從理論上講,中低速磁浮列車的牽引耗電比軌式車輛高10%左右,這是理論上。在長沙磁浮列車的運行來看相反,這個理論上概念有,但是實際運行當中,這個車為什么浮起來以后,沒有摩擦就推動了,所以它能耗反而還小。理論上是這樣的情況,但實際測的結果比它還小?,F在發展情況怎么樣呢?現在國外,像韓國、日本、美國、德國都在研究,而且日本有一條線9公里多,運行十多年,應該說成功了。有一個問題,人家成功了,為什么不?那是兩個概念,人家不需要,對我們來講需要就是個驅動。我們城市非常擁堵,需要用這種方式解決它,人家不需要,人家的體系很完善,它不會重復建設。韓國,前天我去看的時候,前不久剛開通,我們要走在他們前面。美國、德國基本上都是做高速的研究。我們國家這方面也研究了30、40年,我們交大80年代開始從原理研究起。我們國家中低速磁浮交通技術起步較晚,但發展迅速。

我們知道去年5月6日,咱們國家第一條中低速磁懸浮就開通了,我們2013年開始提出,他們2014年開始建設,他們整個從2014年5月16日開工,到2016年4月1正式通車試運營,到今年一年運行下來,證明它是被大家認可的,而且世界各地、各大城市都去參觀,都準備推廣。應該說它的正點率很高,從長沙的高鐵站到機場,它正點率達到99.8%,造價是1.95億每公里,比地鐵6-8億,輕軌是2-3億。它主要是維護方便,像高鐵輪軌磨損、打磨、換要花幾十億,這在上海運行的一條線,14年了,非常簡單,沒有維護問題。我們國家的基礎也是很好,包括馬上北京一條線S1,也是我主持給國家立項。我們深圳8號線,因為磁輻射誤導了老百姓,所以暫停了。

到底這個制式有沒有前景?很顯然,到2020年,我們國家基礎設施建設規模達到1.8萬億,帶動產業規模約2.5萬億,整個發展空間是巨大的,完全可以容納中低速磁浮交通發展。我們國家具備形成中低速磁浮交通產業鏈完整產業鏈,長沙都是自主生產。北京也是。最起碼有10條線,明年清遠有一條線要建成。2020年,我國城鎮化地區運營里程達到3.6萬公里,中低速磁懸浮是160公里以下,所以可以發展。包括城市群。我們給國家的建議中已經明確,近期目標要建5條以上線,到中期(2025年),我們希望實現規?;?。到2030年要持續,實現國際化。這是我們給國家的建議。

中低速磁懸浮作為城市軌道很重要的模式在推廣,現在有一個最大的問題是各個城市的軌道,城市軌道交通規劃已經做完,哪條線是地鐵,哪條線是輕軌,已經規劃好。希望重新審核一下,哪些中運量的輕軌,可以重新立項。磁懸浮問題,去年高交會期間,正好是深圳市和工程院的委員會在深圳開會,當時馬書記、許市長參加,我們專門談論了關于磁懸浮。在深圳市應該說是最有需要的,當時建設磁懸浮500、600公里的時候,非常明確,假設從東到西甚至到廣東,我們深圳就會在半小時之內甚至于十幾分鐘就到了,廣州也就是半個小時。這就涉及到高速磁浮,中低速磁浮以后我們再講高速磁浮,高速磁浮是五六公里每小時,有需要嗎?現在看來有需要,京滬線大家早就建議,像今天很多嘉賓因為飛機晚點就沒辦法到,高速磁浮是五六公里,深圳到北京三個小時行不行?京滬兩個小時不比五個小時強嗎?另外因為日本2017年開通第一條高速磁浮,中國怎么引領?那就是說我們必須要引領它,所以我們的2015年、,我們國家關于高速磁浮的課題,我簡單介紹一下。

高速磁浮在400-600公里,我們講速度是我們追求的目標,也是永恒的主題。在原始社會都是每小時10公里,到農業時代是60動力每小時,第一次工業革命是120小時每公里,第二次工業革命是250公里每小時,地三次工業革命是500公里每小時,第四次工業革命系智能制造與服務、新能源、人工智能、量子通訊的時代。第四次工業革命交通的目標速度應該在1000公里每小時以上。為什么需要這個?它是互補,高鐵到400公里以上,好像很難,從公網到人軌。從需求,我們從軌道交通,整個來講,如果在國內來講,從現在這個大的經濟圈,像長三角、珠三角,從五個小時到三個小時,城市里面從一個小時壓到半個小時,城市就同城化了,房價就不會那么高了。另外節能減排的角度,因為我們國家是承諾了的,我們看它的能耗,高速磁浮是整個國內航空的兩千多、一千多,排放一個1800到180,到33,顯而易見,大運量、電力驅動的軌道交通節能減排責任重大,高速磁浮交通具有高能減少的項目優勢。

從國際上講叫“一帶一路”,建設優先領域是肯定的。我們在高速鐵路來講現在正在大力推進,這是我們構想的鐵路部門,一直到美國。整個“一帶一路”溝通世界。這個情況下,就靠300公里、400公里行嗎?我們有海上絲綢之路,那個速度行嗎?為什么不能搞一千公里以上的超高速?這樣可以從海底通行,所以大家構想3個小時行不行?高速鐵路交通系統是一個方向,在日本2027年就通車,是600公里每小時。在美國在做試驗。高速磁浮主要是安全和運行維護簡單,列車抱軌運行不會脫軌。這是高速磁浮排放和能耗,跟其他交通方式比它小得多。噪音和振動也是很小的。電磁輻射也是最小。譬如原來德國,我們上海是原來德國引進的技術,現在我們完全可以自給自足。這是我們自己研究的一種模式。我們國家建設,目前對磁懸浮的問題,前面爭論了7、8年沒有結論,現在我們統一專家,原來不同意,現在要引領世界必須做磁浮,現在高鐵線部分引進,真要引領世界必須高速磁浮。這證明上海14年運行,經濟段發揮不了。所以完全明確。另外國家科技部進行4個五年計劃的支持,現在人家說不是德國技術,應該是我們自己的技術。從方方面面,它有它的優勢?!笆濉蹦┢趯⑿纬勺灾鞯闹袊咚俅鸥〗煌夹g體系與系列裝備。我們相較雄安,必須軌道勝于雄安,而且磁浮技術體現出來。

我們把京津做了比較,除了速度,還有其他的優勢,比較以后,它投資比高鐵增加30%多,但是它收回要兩三年。高速磁浮與高鐵具有綜合優勢。高速磁浮列車和航空兩個方式有互補性,既滿足運量,又能滿足勻速效率和舒適度。平常旅行來講這三種,高速磁浮從深圳到北京,可能三個小時,但是前后準備一小時,就是四小時。坐高鐵是六個小時,航空是兩個小時飛行,但是前后要2.5小時,顯然它和飛機比有優勢。另外準確率是99.95恩%,高鐵大于90%,飛機是76.76%。

我們國家響應國家戰略需求,另外充分利用現有技術和產業基礎。另外把握技術的先進性和前瞻性。我們整個規劃就是一個現狀,2017年,一個到2021年,一個是到2030年,30年的時候是一定要形成一條高速磁浮工程建設線。12號在青島科技部開會,我們提出必須要在2026年要有一條線,這樣日本是2027年,我們必須要在它的前面。這些事情已經在規劃當中。這是我們的發展一直到2025年,也就是我們國家兩個一百年的時候,我們國家的軌道交通一定在引領世界?,F在的想法是從煙臺“十三五”、“十四五”、“十五五”把軌道做到六百公里,這些都是必要的。

建議、具體人才支持就不講了。希望在產業化方面,我們本身要研究下一代高速磁浮軌道交通,同時電池發射技術,引領科技發展。因為我們知道電池(音),我們如果把磁浮交通上去就會引領國家的磁推進技術。今年我馬上有一個國家咨詢課題,Hyperloop?這是我們研究的真空管道,將磁懸浮、真空管道,我們知道400公里以上在大氣里面能耗、噪音接受不了,如果進入管道里面去,大部分都是在水里,那就是水里進行,如果在海里也有管道,解決了就和航空一樣?,F在一個民企已經準備開始動工了。當然這也就是超過美國。我們要從跟跑世界,到并跑世界,到領跑世界,這是我們的愿景。

所以說交通發展方興未艾,隨著社會發展,從長遠的國際性的需求。二是當前高鐵已經成網,且是“一帶一路”主要的互聯互通交通方式。磁懸浮交通方式取代交通互補方式,相信很快研究、試驗并逐步投運。未來,高速及超高速磁浮交通會出現,并發揮重要作用。我們一千公里的地面交通一定會出現。謝謝大家!


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