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交博会|中国道路交通安全产品博览会

第十二届中国道路交通安全产品博览会曁公安交警警用装备展

钱清泉:磁悬浮交通发展战略

展会快报 2017/06/26

 

 

  第十四届中国(国际)城市智能交通论坛在深圳举办,中国工程院钱清泉院士与会分享“磁悬浮交通发展战略”的演讲。

  钱清泉院士是西南交通大学教授、博导,我国著名的铁道电气化与自动化专家,现任轨道交通国家实验室技术委员会副主任,高速铁路试验国家工程实验室技术委员会副主任以及深圳中国工程院院士活动基地主任等职务。以下是钱院士现场演讲实录:

  各位领导、各位嘉宾,大家上午好!我今天给大家汇报的是“磁悬浮交通发展战略”,磁悬浮交通应该是最信息化、最智能化的交通方式。我今天主要汇报的是工程院为国家咨询的重点研究课题。分三部分:轨道交通发展背景;中低速磁浮交通发展战略及建议;高速磁浮交通发展战略及建议。

  第一,轨道发展交通发展背景

  我们讲交通都希望讲综合交通,它涵盖水陆空所有的交通枢纽模式。它从航空、水陆、铁路、公路以及管道,这是综合交通的全部内容。从整个交通发展的速度,大家是一直关注的。时速800、500、300、200、100公里有一个等级图,可以看出来,水陆交通是运量非常大的形式,还有公路交通,还有航空。从速度来讲,中间有一个速度段是属于红圈里面的轨道交通。轨道交通里面包括普通铁路、城市轨道交通、高速铁路和高速磁悬浮几种方式。轨道交通是运载人和物在专有轨道上导向运行的交通手段。

  轨道交通,概念很简单:铁路、地铁,轨道交通运用在很多种领域。干线轨道交通分为普通铁路、高速铁路、高速磁浮、重载货运。城市里面有地铁、轻规、单轨电车、有轨电车等等方式。中间有城际、市域快轨的方式。不是我们一般看到的铁路与地铁。

  轨道交通层次当中,速度段来讲,高速铁路是大于250公里每小时的速度,城际铁路是120-250公里每小时,市域铁路是80-160公里每小时,城市轨道是80-120公里每小时,轨道层次不一样,功能不一样定位不一样,高速铁路段是大城市之间,譬如北京、上海、广州这些。城际是21个城市群中,还有市域铁路,还有城市轨道交通,城市轨道交通也有若干模式。

  高速铁路发展现状,全世界有16个国家和地区建成运营高速铁路,包括美国打算建高速铁路。整个全世界的总和,图上可以看出来有1万多公里,我们目前国家有2.2万公里。从国家“十三五”战略规划来讲,我们国家完成铁路投资8000亿每年,建设城市轨道交通也是重大项目,目前我们有30多个城市建设或者在建,运行了20多个城市,将来是100多个城市。加强重大基础设施建设,高铁运营里程达到3万公里,覆盖80%以上的大城市,2020年的高速铁路网。时间圈,比如北京出发有1小时、2小时、4小时、8小时,最终到乌鲁木齐12小时,拉萨15小时。

  我们国家在2004年到2008年的时候,咱们是“四纵四恒”的国家铁路网,到2008年“四纵四恒”增加了到乌鲁木齐和昆明。2016年是2.2万公里,2030年要达到4.5万公里,也就是说十多年要增加2万多公里,要加倍。应该说我们在前面7、8年时间里赶上人家50年的建设速度和水平,10多年以后,我们还要建2万多公里。

  “一带一路”战略和高铁“走出去”,这是国家的战略。当前,“一带一路”是非常重要的国家战略。习主席提出来“丝绸之路”,一是陆上丝绸之路,从中国一直到欧洲。二是海上丝绸之路。“一带一路”是指这么一种概念。

  国内“十三五”期间,城市群,这是2016年3月5日,李克强总理在政府工作报告中明确提出来:在“十三五”时期要规划建设21个区域城市群,21个城市群发展当中必须交通先行。有了城市群的概念,城际铁路就是很重要的规划,譬如京津冀、长三角、珠三角等21个城市群,这里面就有城际铁路建设的问题,都市圈规划和修建的高速铁路客运专线系统已经在进行当中。

  咱们不太关注的货运,我们国家原来货运是完成不了咱们国民经济需要,曾经到40%-50%,所以我们必须要解决。怎么解决?靠重载。在我们国家是18.8%的重载里程承担了90%以上的重点物资运输。一个重载列车已经到了4万吨,国外最多已经到了8万吨,最长的列车到7.8公里长,可以像龙一样的。这么长的列车运载可想而知像5000吨的列车8辆车或者10辆车,甚至更长。我们把原来的“老线”(京广、京沪等)改造以后变成重载,重载当前也有提速问题,要提到160公里每小时。2020年,我们国家重载列车的线长要超过5万公里。

  城市轨道交通,城镇化是国家战略,我们国家的城镇化速度正在加快。目前我们城镇化覆盖是50%多,别的国家是90%多,一些发达国家在70%以上。在这样的情况下,我们国家有超大城市6个,特大城市10个,大城市117个,中等城市103个。我们30多个城市在建,有20多个城市在运行,我们100多个城市建城市轨道交通。现在建成的里程仅仅400公里,将来预计3万-5万公里,中小城市、三线城市有的已经开始积极的筹划有轨电车。我们国家有这么大的巨大的潜力,我们国家经济需要,从城镇化角度来讲,城镇轨道交通的发展是必然的。现在大家都知道堵车,怨声载道,城市轨道交通发展是当前基本要解决的问题。城镇化带来好的交通、环境、能源问题,首先是能源问题,当然这里面也会带来很多机遇,轨道交通产业的问题、环境保护产业、能源产业等等。

  在发展城市轨道交通中,解决城镇化交通的有效手段是什么?我们讲城市公交优先,然而轨道交通更是骨干。常规交通和轨道交通相比,我们知道它有一个能力强,公共交通一般讲是运行500到900,每小时是5000-9000人次,轨道交通是1-6万,地铁甚至可以到8万。排放,二氧化碳的排放量,一个是19.4,一个是4.7,还有二氧化氮、二氧化硫的排放,作为公共汽车来讲,二氧化硫0.144,这个0.011,噪声也比较小,安全也比较好。所以城市轨道交通为解决城镇化问题提供一个安全可靠、舒适便捷、环保节能的解决方案。城市轨道交通中,我们讲它主要是节能、省地、运量大、全天侯、无污染又安全等特点,属绿色环保交通体系,符合可持续发展的原则,特别适应于大中城市,也是大家都已经认可的。这当中有各种分类,中间有地铁、轻轨、有轨电车、城市快轨、中低速磁浮、新型交通系统等等,中国城市轨道交通的特点,要根据不同城市、不同情况选择不同的制式,我们知道这些制式不是排斥性,而是互补性,各有各的优点,各有各的特点,在不同城市有不同选择。

  这么多制式中有不同的特点,譬如地铁、轻轨、磁悬浮、单轨、有轨电车,譬如有轨电车是混合路权,其他都是独立路权。前面是100万人以上的城市,50万到100万之间可以用有轨电车。刚才讲了地铁可以运8万人/小时。它有各自的优点,比如整个建设的周期,地铁时间太长,投资太大。其他的相对来讲,时间短,并且见效快。我们知道很多城市因为地铁的建设,在3-5年内,市容被破坏的一塌糊涂,当然需要的时候还是必须建。磁悬浮主要是更安全,它是抱轨运行,不会脱轨,维护成本很低,没有轮轨的磨损,噪音低,不会扰民,另外造价低,建设周期快。这都是它的优点。2016年底,公里数有4117公里,里面包括上海的磁悬浮等在里面,真正的地面交通不到4000公里。

  第二,轨道交通发展到现在的情况

  我们还需要什么新的制式吗?我们就探讨这个问题,我提到中低速磁悬浮交通发展战略及建议。这个课题是工程院的重点,为国家咨询课题,是我负责这个课题。

  我们2013年、2014年建立这个课题,现在磁悬浮是什么东西?通过这个图我可以简单给大家介绍。磁悬浮,上面是车体,下面一般情况是轮子,这个地方我们重点介绍是不是靠轮子支撑,而是靠磁力把它浮起来。扩展图,车体,车体通过空气弹簧,以后一直到磁浮模块一直到底下,这都是磁体当中的一个极。轨道部分,在轨道是磁体的另一个极,通过这样的关系使得车体和路之间就有间隙,靠磁吸力车浮起来这样的距离,中间是间隙。车是不触地,浮起来的,它是不触地的行走。这个地方怎么普及以及怎么导向?我们来看看它的关系,它靠磁力当中的悬浮力,这是导向力,这是吸力,靠这个浮起来,完了可以导向。主要是悬浮,通过气息反馈控制电磁铁、电流,再就是控制电磁力、电磁铁的运行,使悬浮间隙稳定。导向,因为比较偏离轨道,导向通过电磁铁横向位移,产生磁恢复力进行导向,是被动的自稳导向,不需要控制。驱动的是一个直线电机,我们知道电机是旋转的,我们把电机的原理展开就清楚了。它相当于一个电机的定子、转子,车和路之间是定子和转子的关系,之间的间隙就是定子和转子之间的间隙。所以它通过悬浮技术使列车运行,从轮轨技术飞跃到非接触运行,几千年来都是车轮转的方式,它已经不再是轨道交通当中车辆的必须品,纯粹是信息技术和智能化实现的方式,这是一种飞跃,是一种革命。

  刚才讲的直线电机,电机旋转,如果旋转电机展开以后,把它拉直,这样就变成电机的两个部分,这是一个定子和转子的关系,中间的转子,外面是定子,展开以后原来是靠旋转磁场让电机旋转,现在靠直线电机磁场让它能够运行起来。中低速磁浮交通系统组成,整个轨道交通有线路、供电系统、运控系统,还有磁浮列车,除了磁浮列车以外,基本上都是与其他相同的技术,并不是我们想象的全部把它废弃了,没有基础,从零开始,不是这样。磁浮列车是中低速磁浮交通的关键设备,也就是悬浮、控制和牵引。这有两种区别,传统的轮轨的关系,车驱动是靠旋转电机经过变速箱以后使它转动,使轮子转动,轮子架在钢轨上的。这个导向是靠轮子有个边缘,它和轨道之间,两者之间是靠轨道限制,不脱轨。当然,现在轨道交通事故不分国内外,脱轨是常态,但是安全性受到限制。这就是悬浮技术中很细节的部分。

  我们可以知道它关键要控制间隙,中间有传感器,通过传感来让它间隙有控制,通过控制器,通过电器之间的关系来控制,所以它的关键技术就是信息的检测技术以及悬浮控制技术,这是基本的,能保证磁悬浮列车运行的关键。传感器很关键,是密封三探头,三选二,取小的用于控制作为方案。这些我们国家都能生产。直线电机驱动,我刚才形象的把电机切开,直线电机,这是转子和定子的关系。这当中就是电机的定子部分,下面这部分是次级反应板,是转子部分。这中间有一个间隙,传统的直线电机驱动技术可用于中低速磁悬浮交通。

  磁悬浮是什么概念,和轮轨有什么区别,不管原理怎么样,慢慢探讨。概念清楚了,它是悬浮起来,不接触轨道的,是地面分析器的概念。中低速磁悬浮用在城市交通以后的成熟性和必要性,中低速磁悬浮和有轨电车比,运能,地铁刚才讲过了,它大运量,可以到6-7万人次,这是1.5-3万,运量是一半的情况。当然,它和轻轨、单轨一样,有轨电车和市域的轨道是一样,是中运量的交通方式。它的有点我前面讲了,噪音、振动,因为振动和摩擦没有,所以噪音小。另外爬坡能力强,它可以到千分之70%,轮轨只有千分之30,如果爬坡能力强。另外还有轨线,孔径比较小。转弯半径小,也可以回避大型建筑。譬如当年罗湖这个地方,深圳1号线到30多层大楼,把大楼底下进行加固才可以。如果用这个就回避它。污染小、能耗低,综合造价低,根据这些优点,我们说中低速悬浮列车振动噪音小、爬坡能力强、转弯半径小,特别适合大中城市。它可以从一个商场到另外一个酒店,它不扰民,没有那么大的噪声。另外它毕竟还是中运量,它当然可以在一些中等运量的线路上,你说真达到6-8万人次的地方,当然是没办法,在中心地带必须走地下。

  磁浮当前大家认识不是很充分,大家说:不行,有很多问题。这个地方我把我们的研究成果提供给大家。噪声,大家想想,它没有摩擦、没有振动,显而易见。轨道的摩擦也没有,应该说它是很安静的一种交通方式。这是噪音问题,都是低于国家标准。最大的实测噪声数据表明,车外、车内噪声小于相关标准规定的限制。最关键的是被误导的磁辐射,这是一种外行的误导,因为磁路是封闭的,不可能对人体健康有害,这误导了老百姓,而且我们8号线要做磁悬浮,被误导,被老百姓反掉了,最后在长沙建设了。磁辐射的问题,这当中我们给出很多数据。包括车内、车外等等,都有很多实测的数据。国家和国际标准就在这两条线,我们测试统统在这之下。电磁场测试,结果表明车内外的磁场低于国际国内的标准,不会影响人体健康,这是非常明确的。研究说,它比我们用吹风机的电池干扰、电磁辐射影响还低,一般就像家庭看电视,它现在磁辐射比轮轨、地铁的辐射都小。我们希望任何场合都讲清楚这点。现在这些问题已经被大家接受了,这不是问题。

  电机原理,影响电机效率的转子、定子、间隙。间隙,一个在路,一个在车,至少我们的长导情况下是10毫米,显然比电机间隙大得多,效率肯定低。从理论上讲,中低速磁浮列车的牵引耗电比轨式车辆高10%左右,这是理论上。在长沙磁浮列车的运行来看相反,这个理论上概念有,但是实际运行当中,这个车为什么浮起来以后,没有摩擦就推动了,所以它能耗反而还小。理论上是这样的情况,但实际测的结果比它还小。现在发展情况怎么样呢?现在国外,像韩国、日本、美国、德国都在研究,而且日本有一条线9公里多,运行十多年,应该说成功了。有一个问题,人家成功了,为什么不?那是两个概念,人家不需要,对我们来讲需要就是个驱动。我们城市非常拥堵,需要用这种方式解决它,人家不需要,人家的体系很完善,它不会重复建设。韩国,前天我去看的时候,前不久刚开通,我们要走在他们前面。美国、德国基本上都是做高速的研究。我们国家这方面也研究了30、40年,我们交大80年代开始从原理研究起。我们国家中低速磁浮交通技术起步较晚,但发展迅速。

  我们知道去年5月6日,咱们国家第一条中低速磁悬浮就开通了,我们2013年开始提出,他们2014年开始建设,他们整个从2014年5月16日开工,到2016年4月1正式通车试运营,到今年一年运行下来,证明它是被大家认可的,而且世界各地、各大城市都去参观,都准备推广。应该说它的正点率很高,从长沙的高铁站到机场,它正点率达到99.8%,造价是1.95亿每公里,比地铁6-8亿,轻轨是2-3亿。它主要是维护方便,像高铁轮轨磨损、打磨、换要花几十亿,这在上海运行的一条线,14年了,非常简单,没有维护问题。我们国家的基础也是很好,包括马上北京一条线S1,也是我主持给国家立项。我们深圳8号线,因为磁辐射误导了老百姓,所以暂停了。

  到底这个制式有没有前景?很显然,到2020年,我们国家基础设施建设规模达到1.8万亿,带动产业规模约2.5万亿,整个发展空间是巨大的,完全可以容纳中低速磁浮交通发展。我们国家具备形成中低速磁浮交通产业链完整产业链,长沙都是自主生产。北京也是。最起码有10条线,明年清远有一条线要建成。2020年,我国城镇化地区运营里程达到3.6万公里,中低速磁悬浮是160公里以下,所以可以发展。包括城市群。我们给国家的建议中已经明确,近期目标要建5条以上线,到中期(2025年),我们希望实现规模化。到2030年要持续,实现国际化。这是我们给国家的建议。

  中低速磁悬浮作为城市轨道很重要的模式在推广,现在有一个最大的问题是各个城市的轨道,城市轨道交通规划已经做完,哪条线是地铁,哪条线是轻轨,已经规划好。希望重新审核一下,哪些中运量的轻轨,可以重新立项。磁悬浮问题,去年高交会期间,正好是深圳市和工程院的委员会在深圳开会,当时马书记、许市长参加,我们专门谈论了关于磁悬浮。在深圳市应该说是最有需要的,当时建设磁悬浮500、600公里的时候,非常明确,假设从东到西甚至到广东,我们深圳就会在半小时之内甚至于十几分钟就到了,广州也就是半个小时。这就涉及到高速磁浮,中低速磁浮以后我们再讲高速磁浮,高速磁浮是五六公里每小时,有需要吗?现在看来有需要,京沪线大家早就建议,像今天很多嘉宾因为飞机晚点就没办法到,高速磁浮是五六公里,深圳到北京三个小时行不行?京沪两个小时不比五个小时强吗?另外因为日本2017年开通第一条高速磁浮,中国怎么引领?那就是说我们必须要引领它,所以我们的2015年、,我们国家关于高速磁浮的课题,我简单介绍一下。

  高速磁浮在400-600公里,我们讲速度是我们追求的目标,也是永恒的主题。在原始社会都是每小时10公里,到农业时代是60动力每小时,第一次工业革命是120小时每公里,第二次工业革命是250公里每小时,地三次工业革命是500公里每小时,第四次工业革命系智能制造与服务、新能源、人工智能、量子通讯的时代。第四次工业革命交通的目标速度应该在1000公里每小时以上。为什么需要这个?它是互补,高铁到400公里以上,好像很难,从公网到人轨。从需求,我们从轨道交通,整个来讲,如果在国内来讲,从现在这个大的经济圈,像长三角、珠三角,从五个小时到三个小时,城市里面从一个小时压到半个小时,城市就同城化了,房价就不会那么高了。另外节能减排的角度,因为我们国家是承诺了的,我们看它的能耗,高速磁浮是整个国内航空的两千多、一千多,排放一个1800到180,到33,显而易见,大运量、电力驱动的轨道交通节能减排责任重大,高速磁浮交通具有高能减少的项目优势。

  从国际上讲叫“一带一路”,建设优先领域是肯定的。我们在高速铁路来讲现在正在大力推进,这是我们构想的铁路部门,一直到美国。整个“一带一路”沟通世界。这个情况下,就靠300公里、400公里行吗?我们有海上丝绸之路,那个速度行吗?为什么不能搞一千公里以上的超高速?这样可以从海底通行,所以大家构想3个小时行不行?高速铁路交通系统是一个方向,在日本2027年就通车,是600公里每小时。在美国在做试验。高速磁浮主要是安全和运行维护简单,列车抱轨运行不会脱轨。这是高速磁浮排放和能耗,跟其他交通方式比它小得多。噪音和振动也是很小的。电磁辐射也是最小。譬如原来德国,我们上海是原来德国引进的技术,现在我们完全可以自给自足。这是我们自己研究的一种模式。我们国家建设,目前对磁悬浮的问题,前面争论了7、8年没有结论,现在我们统一专家,原来不同意,现在要引领世界必须做磁浮,现在高铁线部分引进,真要引领世界必须高速磁浮。这证明上海14年运行,经济段发挥不了。所以完全明确。另外国家科技部进行4个五年计划的支持,现在人家说不是德国技术,应该是我们自己的技术。从方方面面,它有它的优势。“十三五”末期将形成自主的中国高速磁浮交通技术体系与系列装备。我们相较雄安,必须轨道胜于雄安,而且磁浮技术体现出来。

  我们把京津做了比较,除了速度,还有其他的优势,比较以后,它投资比高铁增加30%多,但是它收回要两三年。高速磁浮与高铁具有综合优势。高速磁浮列车和航空两个方式有互补性,既满足运量,又能满足匀速效率和舒适度。平常旅行来讲这三种,高速磁浮从深圳到北京,可能三个小时,但是前后准备一小时,就是四小时。坐高铁是六个小时,航空是两个小时飞行,但是前后要2.5小时,显然它和飞机比有优势。另外准确率是99.95恩%,高铁大于90%,飞机是76.76%。

  我们国家响应国家战略需求,另外充分利用现有技术和产业基础。另外把握技术的先进性和前瞻性。我们整个规划就是一个现状,2017年,一个到2021年,一个是到2030年,30年的时候是一定要形成一条高速磁浮工程建设线。12号在青岛科技部开会,我们提出必须要在2026年要有一条线,这样日本是2027年,我们必须要在它的前面。这些事情已经在规划当中。这是我们的发展一直到2025年,也就是我们国家两个一百年的时候,我们国家的轨道交通一定在引领世界。现在的想法是从烟台“十三五”、“十四五”、“十五五”把轨道做到六百公里,这些都是必要的。

  建议、具体人才支持就不讲了。希望在产业化方面,我们本身要研究下一代高速磁浮轨道交通,同时电池发射技术,引领科技发展。因为我们知道电池(音),我们如果把磁浮交通上去就会引领国家的磁推进技术。今年我马上有一个国家咨询课题,Hyperloop?这是我们研究的真空管道,将磁悬浮、真空管道,我们知道400公里以上在大气里面能耗、噪音接受不了,如果进入管道里面去,大部分都是在水里,那就是水里进行,如果在海里也有管道,解决了就和航空一样。现在一个民企已经准备开始动工了。当然这也就是超过美国。我们要从跟跑世界,到并跑世界,到领跑世界,这是我们的愿景。

  所以说交通发展方兴未艾,随着社会发展,从长远的国际性的需求。二是当前高铁已经成网,且是“一带一路”主要的互联互通交通方式。磁悬浮交通方式取代交通互补方式,相信很快研究、试验并逐步投运。未来,高速及超高速磁浮交通会出现,并发挥重要作用。我们一千公里的地面交通一定会出现。谢谢大家!

  来源:智能交通网