梁建英：中国高速磁浮交通系统现状与展望

伴随我国经济的飞速发展，人们对中长距离高速客运的需求呈现指数级增长，因而对交通工具也提岀了更高要求，高速快捷、安全舒适、资源节约、环境友好成为现代交通可持续发展的主要指标。

高速磁浮交通系统基于电磁原理，采用无接触悬 浮导向技术，是高速绿色陆上交通工具，它具有高速便捷、运输能力强、安全可靠性高、舒适准点等优势，可运用于城市群内快速通勤，打造同城概念，实现城市群内半小时通勤交通，如京津冀、长三角、粤港澳、成渝四极高发达经济圈；可运用于核心城市间一体化交通，构建2?3小时经济圈，助推我国123小时经济圈对外活动半径延展，如1000-1500千米的四极经济圈核心城市；可打造快速经济战略廊道，构建5小时经济圈，加快资源、人才、资本有机交互融合，促进地区均衡发展，如京兰、京成、沪昆等走廊化交通。

上海磁悬浮线

高速磁浮填补了航空与轮轨高铁之间的速度空白，对完善交通运输速度谱系和构建现代化综合交通体系具有不可或缺的支撑作用。有了它的加入，我国多维交通架构将更加合理、高效、灵活便捷。发展高速磁浮可提升自主创新能力、带动技术创新和产业发展，并对众多相关领域的技术创新与产业转型发展具有显著的引领作用。夯实磁浮技术，持续保持我国轨道交通在国际上的领先优势，对于建设交通强国、引领未来超高速轨道交通技术具有重大而深远的意义。

磁浮技术路线

高速磁浮自诞生后在全球范围内竞相发展，已成为更高速度等级交通工具的共同选择，是世界主要发达国家在轨道交通领域的战略竞争高地，历经数十年的发展，积淀形成了以德国为代表的常导电磁悬浮和以日本为代表的超导电动悬浮两种主要磁浮制式，及高温超导钉扎悬浮、永磁电动悬浮等多种磁浮方式。

常导电磁悬浮技术

常导电磁悬浮技术起源于德国，历经40年9代磁浮列车迭代，率先实现商业运营：自1970年起，德国依托TVE试验线（31.5千米），先后历经“刚体悬浮”“磁轮抱轨”“电磁模块”三个阶段的技术演进，开发出 9代TR系列磁浮列车。

我国常导高速磁浮技术源自德国，2002年通过技术引进，在上海建成世界第一条商业运营、时速430千米的高速磁浮示范线，积累了常导高速磁浮的工程建设经验和近20年的运营经验，其技术适用性、安全性、可靠性得到了充分验证。

“十五”至“十二五”期间，持续开展国产化和技术优化研究，完成自主化车辆、牵引、运控、线路轨道功能样机的开发及验证，开展核心部件对等开发，并装车试用，完成磁浮系统由理论到工程的技术迭代。历经这些年的持续研究，我国基本掌握高速磁浮基础理论和单元技术，具备了进一步提速和工程应用的基础。常导电磁悬浮技术是我国目前唯一可实现工程应用的技术路线。

超导电动悬浮技术

日本低温超导电动悬浮历经40年7代产品迭代， 实现了从原理样机到工程样机的转化。1962年，日本开始进行低温超导电动悬浮研究，依托宫崎试验线和山梨试验线，先后完成“逆T型中间牵引底部悬浮”“U型两侧牵引底部悬浮”“U型两侧牵引悬浮导向”三个阶段的技术演进。目前，基本达到工程应用水平，正在进行考核和载客体验运行，中央新干线计划2027年开通，实现商业运营。

我国超导电动悬浮技术研究刚刚起步，尚处于原理样机研制和试验验证阶段。2017年，国内企业借鉴日本低温超导电动悬浮技术，开展了超导磁铁原理样机验证研究，目前仅实现缩比悬浮推进装置及原理验证试验。

高温超导钉扎悬浮技术

德国和巴西均开展了高温超导钉扎悬浮技术研究。在国内，西南交通大学于2000年研制成功“世纪号”高温超导悬浮小车和一段试验线；2014年建成环形试验线和可载2人的高温超导试验小车，最高试验速度达 50千米/时；2021年新制一节1 :1原理样车和100米试验线。国内外高温超导钉扎悬浮研究均处于原理研究验证阶段，尚未形成全系统技术方案，也未开展高 速适应性原理验证。

永磁电动悬浮技术

美国于20世纪提出Magplane永磁电动悬浮技术，并开展了缩比试验及长定子直线电机驱动试验。马斯克（E.Musk）于2013年提出Hyperloop 超级高铁计划。2017年，Space X胶囊车试验速度达到355千米/时；2016—2020年在拉斯维加斯、洛杉矶等地开展缩比原理验证、推进系统测试和管道试验验证，并于2020年11月在内华达州进行载人试验，试验速度达到127千米/时。永磁电动悬浮技术已在美、加、荷等国开展研究，目前尚处于原理研究及试验验证阶段。我国尚未开展永磁电动悬浮技术的研究。

中国高速磁浮交通系统研制进展

2016年，结合上海示范线的运行现状，在“十五”至“十二五”持续创新和近20年运营经验的基础上，基于常导磁浮成熟技术平台，集聚高铁、磁浮优势资源，我国开展了时速600千米高速磁浮关键技术研发和工程化装备研制。历经5年，攻克时速 600千米高速磁浮的系统集成、车辆、悬浮 导向、牵引供电及运控通信核心技术，掌握了设计、制造和试验评估方法，研制成功一套工程样机；建立开放的研发、制造、试验平台，形成可持续的自主创新能力；初步搭建自主化产业链条。

围绕技术链布置产业链和供应链，完成全系统样机研制

依托高铁形成的成熟产业链，结合高速磁浮关键部件技术要求，通过技术攻关，形成了涵盖从特种钢、电线电缆等材料级，到集成门极换流晶闸管 (integrated gate-commutated thyristor, IGCT )芯片、集成电路板等元器件级，到大功率变流器、安全计算机、控制器、悬浮架等部件级，到车辆、牵引供电、运行控制、无线通 信等装备级的全系统全链条产业链。已完 成车体、传感器、电磁铁等车辆关键部件及整车的自主化研制；牵引变压变流、控制、开关站、长定子直线电机等牵引供电全系统样机的研制；中央子系统、分区控制、车载安全计算机及车地通信等运控通信成套工程化设备的研制；不同结构新型轨道梁、道岔、功能件等全部线路轨道样机的研制。

试验样车成功试跑，完成低速试验验证

依托同济大学1.5千米试验线，开展了试验样车线路试验，完成七大类204项试验。试验期间，悬浮间隙波动＜ ± 1.5毫米，导向间隙＜ ±2毫米，车辆悬浮状态保持磁铁温度80℃以下，精确速度/电流闭环控制实现50千米/时级停车精度±0.25米。试验样车的安全性、稳定性等各项指标均满足设计要求，整体性能符合预期。试验结果表明，自主研发的核心系统整体功能可靠，国产化全系统产业链部件依照高铁成熟管控模式，研制样机性能符合设计要求。

依托试验数据，开展迭代优化和高速性能仿真评估

系统分析同济大学1.5千米试验线数据后，从系统动力学、悬浮导向控制、牵引控制、运行控制、无线通信、噪声、电磁兼容等方面，开展技术方案、仿真模型、算法等的迭代优化，完善设计，并对600千米/时全速度级高速运行性能进行评估，主要性能均满足设计要求。

完成一列五编组样车研制和系统联调，实现列车 动态稳定自动运行

2020年12月，一列五编组工程化列车编组完成，牵引供电、运控通信全系统成套工程样机研制完成，并建成一条665米调试线。随后，完成车辆、牵引供电、运控通信大系统联调，实现一列五编组样车30千米/时 自动闭环牵引运行，车辆运行平稳，变流系统功率因数 ＞0.99，速度跟随精度＜5%，停车精度＜0.5米，无线通信时延＜5毫秒，抖动＜1毫秒，各项功能、性能均符合设计要求。

构建全系统协同仿真、试验及试制平台.具备自主 研发、试验、试制能力

目前，中车及各研发团队成功搭建动力学、气动、噪声、电磁、控制、直线电机、牵引、运控及通信等领域的全系统协同仿真平台，为技术方案的论证及优化，提供全面、系统、科学的仿真评估。

各参与单位共同规划建设，已完成全系统试验平台搭建，可满足部件级、系统级及大系统集成的地面台架试验验证需求。

此外，新建高速磁浮试制中心，内设的试制平台具备车辆、牵引供电、运控通信、线路轨道全系统小批量工程化试制能力。

                          创新成就

考虑到上海示范线存在点对点短途运行，无江河山川，悬浮导向、牵引运控等核心技术依赖外方等弱点，时速600千米高速磁浮交通系统被赋予长途多分区、多车辆自动追踪运行，跨江穿山、任意停车，救援及逃生便利等多项功能，目前完成了涵盖运用环境、综合性能、安全可靠、舒适环保的成套工程化方案及成套工程化装备研制。

时速600千米高速磁浮交通系统面向多场景、多密度追踪成网运行的实际工程应用，创新性地解决了速度提升后引起的气动性能问题，降低了气动升力和运行阻力。在线路轨道、悬浮导向控制、走行系统等方面，结合大系统耦合模型，解决了车轨耦合及系统振动问题，确保车辆0-600千米/时运行的安全性、 舒适性及平稳性；在高速协同方面，解决同步牵引及车-地系统精确联动控制问题，提高无线通信实时可 靠性；在减振降噪及电磁兼容方面，从源头识别入手，研究频谱特性与传播激励机理，开展工程方案设计，提升系统环境适应性。

车辆系统

当速度时速由430千米提升至600千米，车辆系统所受到的外界载荷、气动、冲击有明显上升，对车体气密强度、悬浮架承载部件承载能力以及悬浮导向控制系统控制精度和跟随性提出了更高要求，时速600千米 运行车体要求能 承受±7000帕气 密疲劳，悬浮导向 控制能力应达到±2毫米的波动控制要求。

我国已掌握高速磁浮车辆核心关键技术，具备研发与制造时速 600千米车辆系统的能力。结合成熟的高铁研发和质量管控流程，车辆采用轻合金材料成型技术和激光复合焊接技术，实现了关键承载部件大尺寸、高精度的制造要求；悬浮导向控制采用间隙与电流双闭环的自抗 扰控制技术，引入加速度负反馈，达到了高精度、高跟随性的控制要求。

牵引系统

随着速度等级进一步提升，在保持既有尺寸关系不变的要求下，变流器-电机系统的最高工作频率为 323赫，采用大功率IGCT变流系统可满足该频率等级输岀要求。针对运行阻力提高及反电势增大的问题， 通过优化直线电机绕组电缆，可提升工作电流及电缆耐压，定子最大电流提升至2200安，绕组电缆耐压提升至20千伏，有效保证了高速及高加速运行要求，满足最高时速660千米试验速度的牵引需求。

运控通信

面对速度的提高，无线的多普勒频偏会更明显，运控的安全防护要求更高。我国已具备完整的无线通信和运控系统设备制造能力，并自主研发了全套控制技术。目前，国内轨道交通车载和分区运控设备的硬件平台采用满足国际电工委员会(International Electrotechnical Commission, IEC )标准的SIL4 级安全计算机平台，软件采用全自动运行方式以避免人工操作失误，双路冗余地面牵引切断和车载七级涡流制动措施可实现列车全速度范围内的紧急停车，全面确保行车安全。

无线通信系统采用连续相位频移键控(continuousphase frequency shift keying, CPFSK)调制方式和相位鉴频的解调算法，可以满足时速600千米的传输时延 <10毫秒，抖动< 1毫秒的硬性要求，保障磁浮列车在高速安全运行的情况下，车地数据可靠的无线传输。

线路轨道

鉴于已掌握常导高速磁浮线路轨道技术，并拥有成熟的高铁架桥、隧道等线路设计、施工经验，中国时速 600千米的线路轨道系统技术是完全自主可控的。

当时速从430千米提至600千米，轨道精度、 轨道梁频率等指标要求也相应提升。按照时速 600千米运行的技术要求，已完成包括库内钢梁，框架式、叠合式、梁上板式、道岔等多跨距、多种结构形式 的665米调试线，完成道岔动态调试、系统场景、分区 设计等系统验证，具备开展大系统、多场景、多运行工况联合调试条件。

通过系统研究高速磁浮隧道运行场景，确定时速 600千米运行双线隧道的净空面积为140平方米，而我国现有的隧道盾构装备可以满足隧道施工与此同时，自主开发了线路沉降、裂纹等长期监测系统，该系统可动态掌握线路的实际状态，保障系统安全；自主开发了全自动绕组敷设作业设备，实现线路连续自动安装，降低了施工难度与造价。

高速磁浮发展规划

高速磁浮是超复杂大型系统工程，遵循“基础理论研究—原理样机研制—系统工程技术研究—工程样机研制—线路工程试验验证—示范应用系统考核—商业运营推广”的研发流程，其系统工程化在成套技术成熟的基础上，通过建设试验示范线开展达速与运行考核。德国、日本均在工程样机研制完成后，建设了达速试验线，开展线路工程试验验证。

我国常导高速磁浮在国家科技专项的支持下，历经20多年的科技攻关，取得了重大成就。目前，已拥有具有完全自主知识产权的工程和装备成套技术，全系统产业链实现自主可控，完成了时速600千米全系统工程样机研制，实现低速牵引运行和系统联调。接下来，亟需开展达速试验及高速载客运行条件下的多场景、多工况运行考核，完成商业运用技术上的“临门一脚”超导电动悬浮与高温超导钉扎悬浮技术我国尚处于原理样机研制阶段，后阶段应加强系统基础理论和关键技术研究，逐步掌握核心技术并开展工程化样机研制。

由于常导高速磁浮已具备工程化条件，建议由国家 统筹引导、企业具体实施，以其为近期推进工程化实施的首选制式，尽快启动试验线建设，为时速600千米高速磁浮系统开展高速试验及运行考核创造条件。与此同时，宜加强高温超导电动、高温超导钉扎磁浮制式关 键技术研究与技术储备，循序推进高速磁浮技术研究、工程应用和产业化迭代。

（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）（原载《科学》杂志2022年9期 ）