高铁新科技专题报告：三大高速列车核心技术

高铁新科技专题报告：三大高速列车核心技术

高速列车业务超速发展，多项规划共画交通强国蓝图

在《中长期铁路网规划》的基础上，在 2019 年 9 月 19 日，中共中央、国务院印发了《交 通强国建设纲要》，在铁路方面对之前的规划实施情况进行了总结，并对未来中国铁路网 发展进行了更具体、更细致的规划。

同时纲要在第五部分——“科技创新富有活力、智慧引领”中指出，“强化前沿关键科技 研发。……加强区域综合交通网络协调运营与服务技术、城市综合交通协同管控技术、基于 船岸协同的内河航运安全管控与应急搜救技术等研发。合理统筹安排时速 600 公里级高速 磁悬浮系统、时速 400 公里级高速轮轨（含可变轨距）客运列车系统、低真空管（隧）道 高速列车等技术储备研发。”

从近几年的发展变化中也可以看出，高铁营业里程占铁路营业总里程的比重在不断提高， 高速铁路已经成为当代中国的重点发展技术。而纲要“全国 123 出行交通圈”和“全球 123 快货物流圈”则对高速铁路的整体速度及铁路覆盖率提出更高的要求。

同时，报告还明确划分了高速铁路网的速度划分。高速铁路主通道规划新增项目，特大城 市，区域铁路连接线等地区的铁路速度进行了更细致的要求。而传统铁路速度仅为平均时 速 140 公里左右，已无法满足交通强国建设的交通圈要求。对时速 600 公里级高速磁悬浮 系统、时速 400 公里级高速轮轨（含可变轨距）客运列车系统、低真空管（隧）道高速列 车等技术储备的研发已然成为完善高速铁路网，建设交通强国过程中的重要一环。

重新定义速度：时速 400 公里级高速轮轨客运列车系统

高速轮轨客运列车：载客量非常高，整体班次较为密集

根据 UIC（国际铁道联盟）的定义，高速铁路是指最高运行速度大于等于 200km/h（既有 线改造）；最高运行速度大于等于 250km/h（新建线）。早在 20 世初前期，当时火车“最 高速率”超过时速 200 公里者比比皆是，但是这类列车只是在理想条件能达到最高速率， 其平均速率、营运速率是无法达到时速 200 公里的。直到 1964 年日本的新干线系统开通， 是史上第一个实现“营运速率”高于时速 200 公里的高速铁路系统。高速铁路除了在列车 在营运达到速度一定标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。广义的高速铁路包含使 用磁悬浮技术的高速轨道运输系统。

而轮轨系统则是指由车轮和钢轨所组成的一种传统铁路驱动系统。通过车轮的驱动与钢轨 产生摩擦力以趋势以驱动车轮，这种模式的优点是可以保证整体运营的平稳性，提高乘客 的舒适度；但缺点是会在驱动过程中造成大量能耗。

而作为客运列车高速铁路的顾客对象多数以商务旅客为主。旅游游客是第二主要客户。以 法国高速铁路为例，它连接了海岸的度假区，并且在长程路线上减价以跟飞机竞争。因为 高速铁路的出现，不少以离巴黎现在低于一小时车程的地区开始成为通勤的进宅区。不少 本来是偏远的地区亦得到较快的发展。西班牙及荷兰的高速铁路亦是希望得到这种效果。

无论是高速公路或机场都面对挤塞的问题。高速铁路的优点是载客量非常高。倘若旅程非 以大城市中心为出发及目的地，使用高速铁路加上转乘的时间可能只跟驾驶汽车趋同。另 一方面，虽然高速铁路的速度比不上飞机，但在距离稍短的旅程(650 公里以下），高速铁 路因为无需到一般是颇为遥远的机场登机，因而仍会较为省时。而且高速铁路的班次可以 较为频密，总载客量亦远高于民航。

时速 400 公里是否可行？技术及安全指标已然实现，编制设计规范仍未出 台

在 2019 年 11 月 21 日，中国铁路发展论坛在北京举行。中国铁道学会理事长、中国工程 院院士卢春房作了题为《更高速度轮轨高铁技术探讨》的报告发言，通过脱轨系数、噪音、 气压变化等具体试验数据，分析在目前情况下，开行时速 400 公里轮轨高铁的可行性。

中国现在速度最快的动车组，是在京沪高铁和京津城际铁路上运行的复兴号列车，最高时 速为 350 公里，这也是目前世界上商业运营速度最快的高铁。其中，京津城际在 2008 年 8 月 1 日开通时速度就是 350km/h。而在高铁发展比较成熟的国家中，日本和法国高铁的最 快速度为 320 公里/小时，西班牙为 310 公里/小时，德国和意大利为 300 公里/小时。

《交通强国建设纲要》中提出，未来轮轨高铁的时速需达 400 公里。为考虑这一标准的可 行性，需要考虑四项技术——线路、动车组、列控系统、牵引供电，即线路要稳、动车要快、列控要准（控制速度准确）、供电要足；同时，还需要考虑四项指标——安全性、舒 适性、智能化、绿色化。

目前对 400km/h 高铁技术标准已开展研究，取得了较好成果，但尚未正式立项研究编制设 计规范等标准；所以从标准角度讲，更高速度高铁建设尚不具备相应条件。而对尚未实现 舒适度、绿色指标，以及非常重要的已经实现的安全指标，本文会进行深度剖析。

安全指标：高速≠脱轨，多项安全技术为高速轮轨客运列车保驾护航

2016 年，两列复兴号列车在郑徐高铁线路上进行了时速 420km/h 的交会试验，各项指标 均满足安全要求。在 2011 年，和谐号 CRH380BL 还曾在京沪高铁徐州东至蚌埠南之间跑 出了 487.3km/h 的试验速度。

影响列车安全的因素非常多，最重要的是防止列车脱轨。2016 年复兴号的试验数据显示， 当轨道曲率半径为 9000 米、列车速度为 420km/h 时，脱轨系数为 0.34；而当轨道为直线、 列车速度为 290km/h 时，脱轨系数反而增大为 0.51。（注：脱轨系数越大越容易脱轨，中 国高铁标准为≤0.8），这是因为高速列车的向心力与其半径成反比关系，当铁路线装曲率 越大时，所需要维系平稳的向心力越小，故列车更不容易出轨。而在直线路程中，因所受 风气阻力及摩擦力较大，故更易发生横纵向侧翻。但也要注意脱轨系数是从静态力学推导 出来的参数，适用低速火车。对高速火车则适用性还有待考察。

试验数据表明，列车不会因为速度更高就更容易脱轨；这些安全性指标跟线路状况和车辆 状况密切相关，和运行速度及曲线半径不成正比。

舒适度指标：“高铁辐射超标”系无稽之谈，车内噪音为主要制约因素

多项指标都会影响乘车人的舒适性，其中车辆平稳性、车内压力、车内电磁环境、车内噪 声、制动加速度等方面不容易快速改变，需长期监测。在车辆的平稳性方面，试验数据显 示，列车在以 420km/h 速度行驶时，横向和纵向的振动均达到要求。高铁的平稳性其实跟 轨道有很大的关系，我们现在高铁的运行的钢轨都是没有缝隙的，这能够保证了高铁运行 的平稳。

同时，钢轨所在的土地问题也是影响平稳性的一大要素，现在我们国家对于高铁运行的土 地升降问题控制的十分的严格，可以说误差绝对不能够超过 15mm。我国高速铁路许多都 建设在我国东部沿海地区的软土地基上，因此轨道沉降便成了轨道路基面临的一大难题。 轨道沉降会让轨道变得不平顺，甚至引起轨道结构的损坏。

而我国高铁研究团队经过长期钻研，成功提出了一套“车辆—轨道—路基耦合动力分析理 论”从而能细致地刻画列车运行引发路基沉降的种种复杂效应；同时对路基沉降的循环累 积效应、地铁盾构施工造成的扰动效应等进行定量分析，成功控制和修复路基沉降的问题。

动车内的气压，要求在 1 秒内变化不超过 500 帕，3 秒内不超过 800 帕。时速 420 公里的 列车满足要求，并且复兴号的密闭性整体要好于和谐号 CRH380 列车。

之前伴随着高铁的总有一种危险论：“中国高铁辐射相比国际大幅度超标”。而实际上，电 磁环境指标主要由电场强度和磁感应强度决定，考虑到乘客及工作人员的电磁辐射问题， 中国对于动车组内0-20kHz低频磁场限值甚至给出了比国际标准更严格的规定。实验表明， 列车在时速 350 公里和 420 公里行驶时，两个指标均满足标准要求。

关于噪声的标准，要求车厢中部不能超过 68 分贝。目前时速 350 公里的高铁可以满足， 但是当列车时速增加到 400 时，噪声小幅超标，超过标准 0.3-1.2 分贝，时速达到 420 时 超标更多。但基于当前减造技术及材料的高速发展且噪音超标有限，预计噪音方面不会成 为制约时速 400 公里高铁发展的主要因素。

高铁在行驶时，制动太快容易因为惯性使乘客前倾或摔跤。高铁标准要求，列车的制动加 速度不得大于 1.4m/s2，400km/h 的列车制动时满足这一要求。其实汽车在制动时，加速 度的峰值可达到 1G（9.8m/s2），高铁远小于这一数值。

总体来说，舒适度随着速度的提升而降低，气压变化值、电磁辐射值是达标的，车辆平稳 性接近限值但仍在标准内，车内噪音超标。

绿色指标：环境噪音增大，能耗大幅度提高

动车行驶时，除了要考虑车内的噪音，对于铁路轨道周围的噪音影响，也需要考虑。在铁 路轨道 25 米处收集的数据显示，列车时速为 350 公里时，噪音基本在 96 分贝以内；列车 时速为 420 公里时，噪音达到 100 分贝以上，超过了对环境影响方面的标准。在能耗方面， 时速 420 公里运行的列车，虽然相比时速 350 公里列车仅仅提高了几十公里的速度，但 是其人均百公里能耗比时速 350 公里列车高出 44%，与速度的平方成正比。如以该比例计 算，时速 400 公里高速列车能耗约比时速 350 公里高出 30.61%。同时，高铁的碳排放体 现在电厂方面，能耗的增加也会导致电厂的碳排放大大增加，不符合绿色环保的要求。

时速 400 公里动车组装配进行时，预计将于年初下线

高铁动车组研发：噪音问题预计解决，但实际实施效果有待考察

时速 400 公里高速动车组将于今年 1 月下线，当时中车长春轨道客车股份有限公司主任设 计师王雷表示，将于 1 月下线的列车是可以实际运行的真车，设计速度 400km/h，试验速 度将达到 440km/h。在 11 月 21 日下午，界面新闻记者从王雷处了解到最新进展，目前该 车还在装配中，计划今年 1 月完成，暂时还没有确定未来的试验路线。时速 400 公里的动 车组，除提高了速度，在跨国互联互通方面也有所提升，设计上满足俄罗斯技术标准，后 续可以进入俄罗斯市场。

对于现有复兴号在 400km/h 测试中车内噪声超标的情况，中车长客制造的新车将不再出现， 时速400公里的动车组仍按照68分贝的噪声标准制造，并且已通过计算机模拟仿真实验。 但实际实施的效果还有待考察。在能耗方面，时速 400 公里动车组预计减幅达 10%，这主 要得益于更轻的高铁材料和更有效率的电机。

工程难关和准备: 技术方面已然实现，实施条件上仍存在较大问题

在降噪方面，根据卜建清、高勇利、袁向荣等人的研究，铁路减振、降噪可采用多种措施 和方案，是一项涉及多个专业领域的较为复杂的综合技术。归纳而言，可选用的减振、降 噪措施和方案不外乎两类：一类是针对振动和噪声源研究降低源强的办法，使其向外辐射 的振波和声波能量尽可能低；另一类则是在噪声、振动的传播途径上采取措施，尽可能增 大衰减。其中降低源强的措施对减振和降噪均有效果。

铁路振动一般以表面波形式传播其振幅和能量。随着地下深度增加而急剧减小，亦即振动 能量主要集中于地表。因此，要减小铁路振动，使其尽快衰减，关键是阻断其地表传播途 径。可以通过设置地下隔振沟和隔振墙减振。但要保证沟深必须大于振波波长的 1/4。必 须设深度大于 5m 的防振沟。沟内可填塞聚氨酯泡沫塑料或类似软质材料，可以同时起到 耐压及隔振的作用。

在轨道降噪方面，可采用 60kg 以上的重轨，并应尽量采用无缝线路。采用合适的道床和 轨道结构型式，增强轨道的弹性。瑞土联邦铁路和比利时布鲁塞尔自由大学等都在研究新 型的弹性轨枕和复合轨枕以减小动力冲击力，这将有效地降低轨道和附近环境的振动。墩 台采用桩基础，可获得比浅平基础好的减振效果。另外，减轻车辆的簧下质量，避免车辆 与轨道产生共振，这样可降低振动强度 10-15dB

轮轨噪声控制要考虑在机车、车辆走行部和线路两方面采取措施，一般应采用隔声、隔振、 阻尼减振、减磨和抗磨等技术改善机车车辆纵向、横向动力学性能和动力曲线、几何曲线 通过性能，改善轮轨关系，减小轮轨系统激振力。降低系统对激振的响应从而降低轮轨噪 声国外已提出一系列控制轮轨噪声技术措施，但由于其试验条件、列车类型和线路条件不 同，所以我国在借鉴时要考虑其实用性、有效性和经济性。

总结而言，开展对高速列车运行噪声控制理论、研究与试验工作亦非常重要。我们应充分 借鉴国外先进技术，认真吸取国外的成功经验；同时结合我们的研究成果，并适时地将这 些研究成果加以综合试用和推广，定能使高速列车噪声振动控制问题得以逐步解决。

在能耗方面，根据于浩然的研究，设置不同的牵引传动系统效率参数，牵引传动系统效率 的提升对能耗有显著影响，牵引传动系统效率每提升 1%，能耗便减少 1.03%。设置不同的 动车组质量参数，动车组质量的变化对能耗有影响，动车组质量每降低 1%，能耗能够减少 0.82%左右。设置不同的动车组运行阻力，动车组运行阻力的降低对能耗有显著的影响，运 行阻力每降低１％，能耗能够减少 1.5%左右。

因此，提升牵引传动系统效率可显著地降低动车组的能耗，原因是在牵引传动系统效率提 升后动车组能够将牵引功率损耗降低，进而降低网端功率，减少能耗。同时降低动车组质 量和运行阻力是降低能耗最有效的途径。在动车组的运行阻力中，空气阻力在高速段占据 了超过 80%的比重，因此可以通过采用仿生学设计车头、优化动车组表面特性以及采用前 沿新型降阻技术（电弧流通控制降阻）降低空气阻力，以此提高能耗。

总结而言，提升牵引传动系统效率、减轻动车组质量和降低运行阻力可显著地降低动车组 的能耗（降低约 16%）。而通过改造铁轨，降低其摩擦系数也是降低运行阻力的一种方式。

在这些条件下，通过对现有铁路进行适当局部改造，时速 400 公里高速轮轨客车是可以在 现有建好的铁路上进行运营的。首先，在铁路设计之前，通常会根据现有的高铁最高时速 进行余量设计，可能设计最高时速 300 公里的高铁，对铁轨的要求是承受 350 公里以上。 在此基础上，铁路本身并非实现高铁的核心技术壁垒，整体改造、加固的成本较低。但也 要注意，在铁路提速之后，会加速铁路系统的磨损，且在弯道处易发生脱轨现象。故需重 点在弯道处进行安全性加固，同时提高整体轨道的材料耐耗程度。而同时，无论是对现有 铁路进行改建亦或是新建铁路，都要注意更高时速所带来的安全问题及更大的磨损程度， 因此，要更高强度的钢筋铁轨及更高标号混凝土进行铁路处理，按照之前设计铁路时一直 采取的余量设计方案，为运营时速 400km 高铁，铁路负荷速率应达到时速 420km 及以上。

未来在该技术实现科技创新研究的定位之后，才会真正进行应用。在最初会进行部分地区 的试点运用，之后会将这种高速列车直接应用于现有铁路，但同时可能由于现有环境及技术限制，并不会达到其最高速率。而在高铁体系逐渐完善，各方面指标均达标准之后，才 会以最高速率时速 400 公里真正应用在“八横八纵”的交通运输网核心路线，提高各地区 之间的铁路营业速度，并在未来不断拓宽使用范围，最后应用到全国铁路，真正实现“全 国 123 出行交通圈” 。

总结而言，目前我国对 400km/h 高铁技术已开展研究，并且取得了较好成果，在技术上已 经可以达到时速 400 公里级标准的高速轮轨（含可变轨距）客运列车系统。但是通过 2016 年两列复兴号列车在郑徐高铁线路上进行的时速 420km/h 的交会试验，发现该时速标准的 高速轮轨客运列车系统在舒适度指标、绿色指标上仍不达标，存在车内噪音及环境噪音较 高，能耗大幅度上升，碳排放过量等问题。最为关键的是，至今为止尚未正式立项研究编 制设计规范等标准，但时速 400 公里高铁设计方案已通过国家评审，预计会以这次设计方 案为契机，通过设计方案的运行效果及相关指标制定时速 400 公里高铁的相关技术规范。

适用地区：以“八横八纵”为起点，逐步实现“全国 123 出行交通圈”

国家发展改革委、交通运输部、中国铁路总公司联合发布了《中长期铁路网规划》，勾画 了新时期“八纵八横”高速铁路网的宏大蓝图。“八纵”通道包括沿海通道、京沪通道、 京港（台）通道、京哈～京港澳通道、呼南通道、京昆通道、包（银）海通道、兰（西） 广通道。而“八横”通道包括绥满通道、京兰通道、青银通道、陆桥通道、沿江通道、沪 昆通道、厦渝通道、广昆通道。通过“八纵八横”高速铁路网，可覆盖 80%以上的大城市。

而作为高速交通网的核心及骨架的高铁技术，时速 400 公里级高速轮轨（含可变轨距）客 运列车系统无疑是储备研发的重中之重。如在进行模拟实验、实际定点实验的过程中，各 项指标，规格均符合标准，则这三种高速铁路建设前沿技术应会优先在京沪高铁和京津城 际铁路等新建铁路上进行运营。这些铁路之前运行复兴号列车，时速达 350KM，铁路本身 的安全性和耐磨损性与高速列车系统相匹配，可较大程度适应时速 400km 高速客运列车的 运营需求。

而在运营一段时间之后，该技术会在“八纵八横”通道上得以实施。并且在试运营成功后 以“八横八纵”为指导有选择地进行有相符自然条件放入其他铁路建设及改建，最终到 2035 年，基本建成交通强国。现代化综合交通体系基本形成，拥有发达的快速网、完善的干线 网、广泛的基础网，城乡区域交通协调发展达到新高度；基本形成“全国 123 出行交通圈” （都市区 1 小时通勤、城市群 2 小时通达、全国主要城市 3 小时覆盖）

而在造价方面，高铁路基的造价根据具体的时速要求有所不同。世界银行驻中国代表处发 表的一份关于中国高铁建设成本的报告指出，时速 350 公里的项目为 1.29 亿元/公里；时 速 250 公里的项目是 0.87 亿元/公里。而时速 400 公里的项目的造价目前在国内还没有一 个明确的标准，以国内估算的建造工程为标准，约为 2 亿元/公里。但是考虑到首次进行尝 试，实际建设成本可能会更高。而如果以现有技术体系对较低速高铁路基进行改造，由于 技术限制原因及产品替代因素，可能原成本与改造成本之和将远远超过新建成本。

1. 21 世纪悬浮艺术，新颖通勤方式——磁悬浮

磁悬浮列车（磁力和悬浮）是一种利用磁力来推动的交通工具，和以往借用车轮或轴承的 运行方式不同。一般来讲，磁悬浮列车行驶过程中将非常的平缓且安静，并且由于这种运 行方式不依赖摩擦，所以部分程度上也会对天气的要求比较小（较传统车轨需要考虑热胀 冷缩问题）。

磁悬浮技术体系：以磁力克服重力，无接触磁力支撑降低能量损耗

磁悬浮技术是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。磁悬浮列车则是由无接触的磁 力支承、磁力导向和线性驱动系统组成的新型交通工具。目前，世界上较为主流的磁悬浮 技术有两种：

1.1.1. EMS（常导电磁浮型）

在 EMS 系统中，列车悬浮在钢轨上方，而附着在列车上的电磁铁则从下方朝向钢轨。该系 统通常安装在一系列 c 形臂上，臂的上部与车辆相连，下部内侧边缘包含磁铁。钢轨位于 C 形上下边缘之间。磁力的大小与距离的平方成反比，所以磁铁与钢轨之间距离的微小变 化会产生很大的变化力。这些力的变化在动态上是不稳定的——与最佳位置的轻微偏离趋 于增大，这便需要复杂的反馈系统来保持与轨道的恒定距离(大约 15 毫米(0.59 英寸))。

悬浮磁悬浮系统的主要优势在于，它们可以以任何速度运行，而电动系统只能以 30 公里/ 小时(19 英里/小时)的最低速度运行。因而磁悬浮系统可以不像电动系统一样，还需要配备 一个单独的低速悬挂系统，从而可以简化轨道布局。

然而，由于磁悬浮列车运行过程中会产生动态不稳定，故需要要求良好的轨道距离公差。 但是为了满足所需的公差，磁铁和钢轨之间的间隙必须增大，同时也要求使轨道间的磁力 大到不合理的程度。但在实践中，这个问题是通过改进的反馈系统来解决它支持所需的公 差。

1.1.2. EDS（超导电磁浮型）

在EDS系统中，导轨和列车都施加一个磁场，通过这些磁场之间的斥力和引力使列车悬浮， 而在一些情况下，列车只能靠排斥力悬浮。在早期的磁悬浮发展阶段，磁场是由超导磁体 或一组永磁体(如电感磁道)产生的，磁道中的斥力和引力是由磁道中导线或其他导电带中 的感应磁场产生的。

EDS 磁悬浮系统的一个主要优点是它们是动态稳定的，即轨道和磁铁之间的距离变化会产 生强大的力量，使系统回到原来的位置。此外，吸引力的变化方式相反，提供了相同的调 整效果。不需要主动反馈控制。

然而，在低速行驶时，线圈中产生的电流和由此产生的磁通量不足以使列车悬浮起来。因此，该类列车必须有轮子或其他形式的起落架来支持车体重量，直到它达到临界速度。由 于列车可能会在任何地点停下来，比如设备问题，除此之外，整个轨道必须能够同时支持 低速和高速运行。另一个缺点是，EDS 系统会在提升磁铁前后的轨道上自然地产生一个磁 场，与磁铁相互作用产生磁阻力。这种情况通常只在低速情况下才需要考虑，但在较高的 速度下，其他模式的阻力占优势。

有轮子还是没轮子：磁悬浮列车优势较为明显，但技术问题仍需解决

磁悬浮运输是一种非接触式电动运输方式。它较少或根本不依赖轮轨系统常见的车轮、轴 承与轴。

总体而言，磁悬浮结构具有效率较高，不受恶劣天气影响，维护费用较低等优势。但相比 普通轮轨技术，磁浮技术仍有着一些问题等待解决。其最主要的问题在于搭接结构容错控 制问题，主动导向控制问题及测量的差距问题。

搭接结构容错控制问题

根据 Liu Zhigang 等人的研究，为了避免列车在高速运行过程中出现单点悬架故障，导致 列车无法实现全车悬架，高速磁悬浮列车采用了单点悬架结构。基于弹性耦合的双电磁铁 模型来表示重叠结构模型。同时通过非线性控制理论，针对悬架搭接结构设计了非线性解 耦控制器，并以此建立了更精确的结构悬架搭接数学模型。并通过对高速磁悬浮列车重叠 结构控制目标的分析，提出了悬浮结构整体重叠控制器的设计思想。但是这种设计思路本 身成本较高，只是采用了当前技术水平下最佳的解决方案，在安全检测、控制器稳定性方 面仍存在较大问题。未来随着科技水平的进步，可能会有更有效地替代方法。

主动导向控制问题

根据 Liu Zhigang 等人的研究，高速磁浮列车主动导向系统的导向力受轨道和外界干扰的 影响，变化范围较大。制导系统在其正常工作过程中，其工作点电流会出现较大的变化。 于是在此基础上建立了更精确的导向系统模型，并根据鲁棒控制理论和自适应控制理论设 计了实用的导向控制器。针对工作点电流变化范围较小的情况，采用鲁棒控制理论设计了 导轨鲁棒控制器。针对工作点电流变化范围较大的情况，采用模糊控制理论设计模糊增益 调度机制，一定程度上克服了开关过程中的突变和振荡问题。但模糊控制理论同样没有从 根本解决电联的激荡、突变问题，只是当前突变问题的缓解解决方案，未来还需要继续加 强转换时突变电流的稳定性控制。

测量的差距问题

根据 Liu Zhigang 等人的研究，EMS 高速磁悬浮列车悬架导隙检测是通过一种感应式位移 传感器来实现的。槽效应是 EMS 高速磁悬浮列车悬架间隙测量中的一个特殊问题。采用基 于 FPGA 的感应传感器检测悬浮桥，有人提出了一种检测方法来检测沟槽效应，即采用相 同的间隙检测方法检测悬浮间隙，分析了检测线圈在空间产生的磁感应功率，并提出了通 过改变检测线圈的磁场空间分布来减弱缝隙效应的方法，同时也分析了被测物体磁场分布 的变化。基于磁镜法检测线圈，这种方法分析了等效电感线圈，并引入了槽形函数，同时 也研究了线圈几何参数与缝隙效应的关系，但该方法较为复杂，难以进行实际分析和应用。

磁悬浮发展历史与我国磁悬浮发展现状

相比我国，其他国家磁悬浮发展起步较早，研发技术相对成熟。但早期的磁悬浮由于其技 术研发相对不成熟，大部分为低速磁悬浮列车，高速磁悬浮列车技术并不完善。

2015 年 4 月 21 日，日本 JR Central 公司的 L0 型超导磁悬浮列车创造了磁悬浮最高时速记 录——603 公里/小时，这比传统的 TGV（即法国 TGV 高铁，2007 年 4 月 3 日，TGV 以 574.8 公里的时速创造了轮轨列车的最快纪录）轮轨速度记录快了 28 公里/小时。然而，这两种 截然不同的技术之间的操作和性能差异要比想象的大得多。实际上，磁悬浮或轮轨商业运 营从未尝试过以 500 公里/小时的速度运行。

我国磁悬浮技术发展及成就磁悬浮列车按照速度划分成两种主要交通方式，第一种是最大 速度在 110-130 公里/小时的低速磁悬浮列车，主要应用于城市内交通，成本和轻轨相近， 优势在于安静和绿色；第二种是最大速度在 400-500 公里/小时的高速磁悬浮列车，通常 被用于城市间通勤工具。他们的区别表现在建造标准、电力供应、操控控制等多方面，但 两者之间也有共同之处，比如悬浮空间都在保持在 10 毫米左右，且它们都借助于安装在 车底的受控悬浮电磁铁与安装在导轨底座上的电磁反应轨之间的引力来实现悬空。

2005 年 7 月，唐山铁路车辆制造厂生产了一辆工程样车。2009 年 5 月，在唐山 1547 米长 的磁悬浮列车试验线路上，研制了一种实用的两节车厢编组的磁悬浮列车，并进行了运行 试验，最高时速为 105 公里/小时。国防科技大学等单位开始研制混合磁悬浮列车，并于 2012 年 12 月研制成功，已投入实际运行测试。自 1998 年 12 月以来，西南交通大学在成 都青城山建设了一条 425 米长的铁路试验线，并于 2001 年 10 月在长春铁路车辆制造厂开 发了一种低速电磁铁磁悬浮列车。该列车于 2006 年 3 月在青城山试验线进行了测试。为 了促进低速磁悬浮列车在上海城市交通中的应用，上海磁悬浮运输技术研究中心联合国内 其他相关单位建设了 1500 米长的低磁悬浮试验线，开发了一种低磁悬浮列车。

除此之外，中国中车集团也开始研究低速磁悬浮列车技术。他们在株洲铁车厂建造了一条 试验线，并开发了低速磁悬浮试验车，目前尚处于开发阶段。2000 年 10 月，上海浦东龙 阳路至浦东国际机场的高速磁悬浮运输线路建成通车，并于 2003 年 9 月开始运营。在这 种背景下，为了掌握和提高高速磁悬浮列车的关键技术，在科技部的支持下，由国家磁悬 浮工程中心，中国进行了高速磁悬浮交通的研究和开发技术永磁浮型的高速磁悬浮列车。 说明我国已基本掌握了磁悬浮列车的关键技术，先后研制出了初步样机、工程样机和实用 车辆。我国发展磁悬浮交通系统具有一定的应用要求和技术基础。

截止到目前，我国现已开通三条中低速磁悬浮列车，时速可达 600KM 的高速磁悬浮列车 虽然已建造出样车，但仍未投入实际商业运营。高速磁悬浮具有速度高、安全可靠、噪音 低、震动小、载客量大、耐候准点、维护量少等优点。特别在舒适性上，磁悬浮列车可与 飞机媲美，乘坐者可切身体验"贴着地面飞行"的感觉。发展磁悬浮也是对交通运输方式的 有益补充。目前，高铁最高运营速度为 350 公里/小时，飞机巡航速度为 800—900 公里/ 小时，时速 600 公里的高速磁悬浮可以填补高铁和航空运输之间的速度空白。

在 2019 年 7 月 19 日，成都市委十三届五次会议召开。本次会议的重点之一，是围绕成都 市的东部新城建设展开。成都市的东部新城，将跨过成都市东部的天然屏障龙泉山，向重 庆方向开辟新的城市发展空间。这个被称为“东进”的战略规划，成为成渝城市群发展的 关键之举。

在本次会议上，成都市长罗强做关于《成都市东部新城空间发展战略规划（2017-2035 年）》 的说明时称，东部新城将“聚焦国际铁路通道和国际铁海联运通道建设，前瞻性布局重大 交通基础设施”。其中前瞻性的交通基础设施，指“预留以 600-800 公里时速直达重庆的 超高速新制式铁路通道”。以目前的成熟科技力量观察，能实现 600-800 公里时速的铁路 运载方式，一般指“超级高铁”磁悬浮列车。800 公里时速的磁悬浮列车，将在全封闭的 低真空管道内运行。

除了上述罗列的磁浮路线外，备受瞩目的是，《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中 提到了长三角将积极审慎开展沪杭等磁悬浮项目规划研究。建成后的磁浮交通将缩短从杭 州到上海的通勤时间，实现仅需半小时达到，浙江省全域、长三角区域将切实实现同城化。

近年来，在解决了对磁悬浮技术成熟度和可行性的质疑后，在高速磁悬浮与高速铁路的比 较和选择中，成本问题的讨论更加集中。上海磁悬浮运营成本约 3,.1 亿元/公里,未来可能 通过多种措施降低造价，向 2 亿元/公里的目标努力。虽然磁悬浮项目的初期成本相对较高，但后期会降低，有可能达到 1.5 亿至 1.7 亿元/公里。但就目前来看，铁道部在选择路线解 决方案时，仍然坚持选择高铁，因为高铁的投资大约是每公里 1 亿元人民币。但是对于交 通运输的经济效益的比较，我们不能只考虑建筑成本及其折旧，还应考虑维修费用、环境 保护和运行费用。磁悬浮列车的维护和运营费用仅占高速铁路的一小部分。

相比时速 400km 高铁，磁悬浮高铁对地理环境的要求更为严苛，因此其普适性较低。以目 前形势来看，磁悬浮列车会优先在一二线城市及交通较发达地区进行发展，最终形成“全 国 123 出行交通圈”的重要组成部分。

展望磁浮技术最前沿，多项政策下前景可期

第二届浙江国际智慧交通产业博览会·未来交通大会传出消息，我国高速磁悬浮列车研究取 得突破性进展，已具备了启动高速试验线建设和后续产业落地的基础。展示厅陈列了时速 600 公里每小时的高速磁悬浮列车实车。该项目由中国中车下属公司中车（青岛）四方股 份有限公司进行研发，为我国磁悬浮列车研发取得了突破性进展。

2016 年 10 月 23 日，中国中车启动时速 600 公里磁悬浮列车研制项目。中国中车提到， 此次启动的磁浮交通系统关键技术项目，主要目的是攻克中高速磁浮交通系统悬浮、牵引 与控制核心技术，形成中国自主并具有国际普遍适应性的新一代中、高速磁浮交通系统核 心技术体系及标准规范体系，具备中高速磁浮交通系统和装备的完全自主化与产业化能力。

该项目具体包括时速 600 公里的高速磁浮项目与时速 200 公里的中速磁浮项目。其中时速 600 公里磁浮项目由中车四方股份公司牵头，将建设一条长度不小于 5 公里的高速磁浮试 验线并研制一列高速磁浮试验列车。

而中国也正在掀起“中高速磁悬浮铁路”建设热潮。大型基建企业中国铁建、铁路车辆制 造商中国中车等推动了这股热潮。湖南的磁悬浮铁路已投入运营。北京、广东等地也计划 建设磁悬浮铁路。与地铁相比，磁悬浮铁路建设费用低、噪音小。中国政府在国内普及磁 悬浮铁路的同时，也谋求向海外出口。《日本经济新闻》报道称，因汽车数量猛增，中国 城市的交通拥堵问题越来越严重。城市地区一直在推进地铁建设，但建设费用高达每公里 5 亿至 8 亿元人民币。磁悬浮铁路在地上建设，每公里建设费用只需要 3 亿人民币左右。

低真空管道高速列车系统：马斯克超级环不再是梦想，烟大海底 隧道已获审批

低真空管隧道高速列车系统：摩擦系数大幅度减小，潜力无限

低真空管（隧）道高速列车系统涉及到真空管道高速列车，类似马斯克之前提出的超级环 真空隧道列车，不过国内提出的目标更加实际一些，是低真空管(隧)道高速列车，速度也 没有公布。这种方法将极大减小列车运行的能耗，同时大幅度提高列车速度上限（相应会 带来一系列问题）。

在武汉举办的第三届中国（国际）商业航天高峰论坛上，中国航天科工集团透露，该集团 正在研制一种超高速飞行列车，将按三步走方案研发高速飞行列车——

第一步，2020 年前完成关键技术突破；2023 年前完成全系统演示验证，同步形成时速 600 公里载人能力，研制出最大运行时速 1000 公里的列车，建设区域性城市飞行列车交通网；

第二步，2027 年前，研制出最高时速 2000 公里的列车，建设国家超级城市群飞行列车交 通网；

第三步，研制出最高时速 4000 公里的列车，建设“一带一路”飞行列车交通网。

对于轮轨列车和飞机，克服空气阻力的能耗是交通费用的主要因素之一。功耗与空气阻力 成正比，而空气阻力与速度的平方成正比，因此速度每提高一倍，能量消耗将变为原来的 4 倍，速度提高 9 倍，则能耗将变为原来的 100 倍，面对人们日益增长的旅行速度要求， 这样的能耗增加是地球环境和资源无法承受的。

目前地球每年消耗数亿吨石油在交通上，对资源的浪费非常大，对环境的破坏非常大。建 造低能耗、环保的高速交通网已经成为一个十分迫切的需要中国的高铁事业现在已经走在 世界的前列，这就需要我们建造时速在1000公里以上的超高速真空管道磁悬浮列车网络。 这种列车应该运行于全封闭式的真空管道内，采用磁悬浮技术。

由于列车在真空中运行，且与地面无接触，完全没有了摩擦阻力，理论上说，列车的速度 想加速到多快都可以；且摩擦阻力被消除，列车运行的功耗非常小，理论上来说，只需在 启动阶段和减速阶段才需要消耗动力，在中途运行过程中基本不消耗能量，因此是非常节 省能源的！此外，由于列车运行于封闭的管道中，对外部世界毫无干扰，不会引起噪声污 染。而且，由于列车运行于封闭的管道中，不易受到攻击，十分安全。

可以预计不久的将来，环保节能的真空管道磁悬浮超高速列车将以时速 1000 公里奔驰于 国内城市之间，而这种超高速列车将以时速 3000 公里飞驰于各大洲之间。另外，长途货 物调运也将全部采用这种列车来完成。一个大的超高速列车产业群将取代现有的列车和飞 机产业群。它所带来的产业机会和发展机遇将是空前的。

烟大海底隧道：项目已获审批，但仍存在一定问题

烟大隧道是从山东的蓬莱港到大连的老铁山之间建的海底隧道，连接了辽东半岛和山东半 岛两个地方，全长预计 123 千米。在之前，这两个地方的交通多采用的是轮渡，虽然两地 直线距离很短，但是轮渡始终无法媲美陆地的便捷，很多时候需要在天津和北京地方的内 陆边沿绕一圈到达目的地，来往于两地之间需要 6 个小时。这样一来，耗费时间、运输成 本均大幅度增加，同时增大了北京，天津的交通压力。整条隧道全长 123 公里，火车设计 时速为 250 公里， 运行速度能达到 220 公里/小时。 届时从烟台到大连最多只需要 40分钟。 可大大节约交通运输以及时间成本，同时还节约了内陆空间。且烟大海底隧道规划实现隧 道全真空，可极大地减少列车能耗，提高整体速度。

在 2019 年国际桥梁与隧道技术大会上，中国科学院院士孙钧表示，渤海湾跨海通道的内 部研究已到关键节点，课题组已完成通道方案的战略性规划研究报告并已上报国家发改委 审批，初步估算项目资金 3000 亿元，且有望于 2025 年前开工。

但是同样，这种创新性铁路技术也存在着很多问题有待解决。首先是安全问题，直通隧道 要经过郯庐地震带，北起黑龙江，南到长江，呈北东走向，纵贯中国大陆东部，延伸达 2400 多公里，是东北亚巨型断裂系中的一条主干断裂带，历史上也曾发生过多次强烈地震。而 对于海底隧道的特殊环境，会将地震所带来的破坏力加大。而相关部门也已多年前已经开 始勘测地震数据、进行危险性分析等工作。

同时，海底隧道的效益与实用性也被人们所质疑。工程的总造价大约在 3000 亿元左右， 平均每公里造价达 25 亿，远远高于高铁、飞机等其他运输方式，甚至预算堪比 1000 千米 长的京沪高铁和长江三峡工程。但是海底隧道有个很大的问题就是中间不可能有太多的出 口，带动的只能是大连和烟台两个点。与其花大钱连接大连和烟台，不如去建环渤海湾的 陆地高铁项目，不仅风险小、成本低，更能带动沿线其他地区的发展。

技术储备：告别“跟跑时代” ，中国高铁续写“技术领跑”传奇

近年来，中国在高铁车辆研制、线路建设、智能控制等方面逐步实现了“三级跳”：从引 进国外技术“跟跑”，到消化、吸收先进经验“并跑”，进而在关键领域自主再创新“领 跑”，走出了一条由“中国制造”到“中国创造”的传奇道路。而随着高铁里程规模不断 扩大，相关产业获得发展机遇的同时，相关概念股也将受益良多。建筑行业内从事城轨交 通工程施工业务的公司将显著受益于此轮规模扩张机遇，例如中国中铁、中国铁建等作为 基建领域龙头的企业，具体如下：

中国铁建是中国乃至全球具实力、具规模的特大型综合建设集团之一，连续多年入选《财 富》“世界 500 强”。目前承建和修建了全国新线铁路的 1/2，设计全国铁路网的 3/5，承建 和修建了 18000 公里高速公路和高等级公路，参加建设的地下铁路和轨道交通 50 项。

针对我国原有铁路网及运输技术难以满足经济快速发展要求的现状，结合京沪高速铁路的 研，公司研究机构通过学习和咨询国外的施工经验，通过秦客运专线的建设试验，建立了 适合我国铁建建设实际的标准体系和设计技术；通过对哈大客运专线和郑西客运专线的科 学试验研究，形成了在高纬度、寒冷地区以及湿陷性黄土地区修建客运专线的技术，为建 设我国的客运专线打下了良好的技术基础。

公司高原、高寒、高速铁路设计施工技术已经稳居世界领先水平。自主知识产权的产品不 断涌现，大直径土压盾构/TBM 双模式掘进机、大直径全断面硬岩隧道掘进机等地下工程 装备填补了国内空白，窄轨捣固车等大型养路机械制造已达到国际领先水平，且产品已走 出国门。地下水下工程建设、磁悬浮工程建设、四电系统集成等技术达到行业领先水平。

同时，在铁路维护方面，中国铁建在引进国外大型养路机械先进技术的基础上，通过消化 吸收、自主创新，自主开发了以 D08-32 捣固车等为代表的具有国际先进水平的大中型养 路机械，从根本上改变了我国长期依靠人工养护铁路的历史，成为中国铁路十大科技进步 标志之一，使我国铁路养路机械设备水平跨越了与国外铁路养护技术近 30 年的差距，为 我国铁路未来提速提供了可靠保证。

在磁悬浮方面，中国铁建在城市独轨铁路 PC 梁新技术研究成果的基础上，对磁悬浮轨道 梁进行了开发研究，获得了“磁悬浮预应力钢筋砼轨道梁制造方法”和“磁悬浮导轨梁模 板” 两项国家专利，拥有磁悬浮轨道梁制架的自主知识产权，解决了其生产和安装的关 键技术，成为世界上唯一拥有磁悬浮商业运行线轨道生产关键技术的企业。并 2016 年 10 月全额出资成立了中铁磁浮交通投资建设有限公司，并与广东清远市政府就建设中低速磁 悬浮铁路达成了协议，线路全长 30 公里，总投资为 104 亿元，预计 2020 年通车。

20 世纪 50 年代以来，中国中铁参与国内所有主要铁路的建设，其中包括青藏铁路、大秦 铁路、成昆铁路和京九铁路等。成功参与铁路建设 100 多条，承建的新建、扩建和改建铁 路总里程超过 50,000 多公里，占中国铁路总营运里程的三分之二以上。公司是中国铁路桥 梁和隧道建设行业的领军企业之一，尤其擅长建设复杂铁路特大桥，在中国市场占有主导 地位。独立完成或参与建设了所有跨越长江和黄河的铁路桥及公铁两用桥，中国中铁股份 有限公司在国内建成的铁路桥总里程超过 2,700 多公里，铁路隧道超过 2,800 多公里。

同时，作为全球最大的建筑工程承包商之一，公司始终在中国基础设施建设行业处于领先 地位，拥有中国唯一的高速铁路建造技术国家重点实验室、桥梁结构健康与安全国家重点 实验室、盾构及掘进技术国家重点实验室，在铁路基建领域、城市轨道交通基建领域均为 最大的建设集团。在国内市场，公司在铁路大中型基建市场的份额一直保持在 45%以上， 在城市轨道交通基建市场的份额 40%以上，在高速公路基建市场的份额 10%以上。

近日，由中铁高新工业股份有限公司所属中铁磁浮科技有限公司在徐州生产制造的“新时 代号”新一代中低速磁浮列车进行了在线动态试验。列车在线试运行表现平稳，性能良好， 取得了阶段性成果。为徐州 S2 磁浮线路规划落地提供技术保障，推动徐州市域（郊）铁 路线网规划及长三角一体化规划落地。

后续中铁磁浮将对中低速磁浮列车目标速度、运行平稳性、可靠性、乘坐舒适性、爬坡能 力、转弯半径等车辆性能继续进行验证、优化，并针对车轨桥耦合、车辆关键部件振动特 性、电磁辐射、车辆噪音等磁浮车辆前沿性课题继续开展研究试验，为工程化列车生产提 供技术参考。计划于 2020 年初完成列车所有动态试验项目。

据中国 e 车网报道，“新时代号”磁浮列车是中铁磁浮与西南交通大学联合研制，全车采 用最新“低动力作用悬浮架”技术，设计最高时速可达 200km/h，填补了国内外轨道交通 领域 160-200km/h 速度区间的空白。该列车具有爬坡能力强、转弯半径小、安全性能高、 运行速度快、噪声振动低、工程造价低、运维成本低等明显优势，非常适合解决中等运量 的城市、市郊、市域、景区等交通出行问题，完全符合交通强国战略提出的安全、便捷、 高效、绿色、经济的要求。

（报告来源：天风证券）

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编辑：沃巴查芒