高速铁路与磁浮技术的发展历程及展望，本文主要内容关键词为：发展历程论文,高速铁路论文,磁浮论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
2006年3月13日，国家发改委正式宣布，京沪高速铁路和沪杭磁浮项目双双获得批准。这意味高速轮轨与磁浮两项高新技术在我国比翼齐飞，中国开始迈向高速轨道交通时代。
高速铁路的兴建
1825年铁路诞生后，100年间一直保持着速度等方面的优势，得到了迅速发展。1920年代，世界铁路总长度已增加到127万公里。其后，随着航空业和高速公路的迅猛发展，铁路的客货运量被严重分流，英、美等国甚至开始大量拆除原有的铁路，致使至今铁路总长度仍约为130万公里。1950年代前半期，铁路、海运、汽车占货运的比重分别为30％、8％、62％，汽车运输的比重已达到铁路的2倍，铁路已沦落为“夕阳产业”。
直到1964年高速铁路问世，一度被人们视为夕阳产业的铁路出现了生机。高速铁路始建于日本，1950年代初，日本经济进入战后复兴期，经济高速增长。战后百废待举，公路、港口建设缓慢，大量运量压向铁路，铁路的运能越来越不能满足社会的需要，特别是连接东京、名古屋和大阪三大经济圈的东海道干线的运输能力已近极限，单向每日发送列车数超过200列，约每7.2分钟一列，铁路已成为制约日本社会经济发展的重要因素。1964年日本要举行东京奥运会，1970年要举办大阪世博会，本来已超负荷的铁路运输更将不堪重负。
正当其时，技术进步为高速铁路的诞生创造了条件。早在1951年，日本铁道技术研究所已在中距离线路上实现了列车的电动车化，并在1957年5月正式宣布：“在东京、大阪间新建标准轨距线路，采用电动车组编列方式，最高时速达250公里、运行时间缩短到3小时，所有这些在技术上是可以实现的。”日本运输省的咨询机构国有铁道干线调查会组织各方面专家进行论证，最终得出结论：“应该充分利用国内外技术之精粹，尽快新建标准轨高速铁路。”1958年12月，东海道新干线工程批准立项，1959年4月开始建设。1962年4月先建成了一段长约37公里的试验线路，在试验线上完成了电动车组样车的高速试验以及正式投入运营前必需的最后调试。1964年10月1日即东京奥运会开幕前9天，东海道新干线正式投入运营，最高运行时速达到了预定的210公里。
东海道新干线开业之初，一天往返60列车，高峰时段最多每小时单向发送2列，日均运送6万多人次。它的运量增长基本与日本国内生产总值的增长相一致。1974年日均运量为34万人次；1998年日均运量达37万人次，高峰时段每小时单向发送11列。东海道新干线的开通大大缓解了交通压力，同时也对东京奥运会和大阪世博会的成功举办做出了贡献。
东海道新干线全长515.4公里，当时的总投资为3800亿日元，每公里7.37亿日元(约合人民币每公里5300万元)。由于投入运营后客流的迅速增长，加上管理有方，运营成本得到很好控制，东海道新干线正式投入运营后的第7年收回了全部投资。1964年到1985年间，创利34000亿日元；1985年后，每年创利都在2000亿日元(约合人民币142.9亿元)以上。可见，高速铁路不仅速度快，而且经济效益好，这为高速铁路的投资多元化提供了可能。
高速铁路是当代铁路的一项重大技术成就，具有全天候、运能大、速度快、安全好、能耗低、污染轻、占地少、投资省、效益高等一系列技术经济优势，因此在全世界得到了推广。2004年4月1日韩国汉城至釜山高速铁路第一期工程通车，2010年第二期工程新建段完成后，将进一步缩短全程时间，从2小时40分缩短为1小时56分。汉城至釜山高速铁路的线路42.5％是旧线改造，其余为新建。
西欧的高速铁路网正在形成，网络规模预计到2010年底将扩大一倍，达到6000多公里。南非计划修建一条从约翰内斯堡至比勒陀利亚的高速铁路，这条全长80公里的高速铁路，总投资为70亿兰特(约合80亿人民币)。该项工程已得到政府批准，预计5年内可以建成，届时非洲大陆将拥有第一条高速铁路。巴西将修建南美洲第一条高速铁路，从首都巴西利亚至戈亚斯州首府戈亚尼西，全长205公里，时速250公里，初步投资预算为每公里800万～1000万美元，总投资在20亿美元以上。
截至2004年1月末，世界高速铁路总长共5891公里。据不完全统计，到2007年，各有关国家和地区至少还将建成3000公里高速铁路并投入运营。高速铁路的诞生是铁路史上的一场革命，它给日趋衰落的铁路行业带来了新的契机，世界铁路正在走向高速化。
高速轮轨技术的发展
迄今为止，世界上的高速铁路有三种模式：一是既有线、客货混运型，最高运行时速为200公里，较多采用这种制式的有英国、俄罗斯等国；二是新建线、客货混运型，最高运行时速为250公里，较多采用这种制式的有德国、意大利等国；三是新建线、客运专线型，最高运行时速可达300公里，较多采用这种制式的有日本、法国、韩国等国。
新干线300系列车是日本高速铁路技术发展的一个里程碑，于1992年投入使用。它采用了动力分散型的技术制式和新的牵引系统(即交流异步牵引电机和变频变压控制系统)，以及轻质铝合金整体车体、无摇枕转向架，因此与此前的0系、100系子弹头列车相比，其重量大为减轻，集流弱点也得到改善。0系列车有8个受电弓，300系仅有2个受电弓。
日本高速铁路自投入运营以来，一直采用动力分散方式。动力分散型的优点是：无需火车头，可增加载运空间；更多车轴为动力车轴，可增加黏着力；可通过再生制动节约电能，即制动时将牵引电机用作发电机，所产生的电能可通过受电弓返回到接触网。其他国家也借鉴了300系的优点，着力发展分散型电动车组，如德国研制出的ICE3高速列车已将原来的动力集中型改为动力分散型。高速列车车体轻、噪声低、可靠性高、节能好。尽管最近10年间东海道新干线的列车速度不断提高，已由建成时的每小时210公里提高到300公里，但能耗不断降低。新干线700系列车时速达到270公里，每座席能耗仅为14.7千瓦时。
环境保护是制约高速铁路发展的一大难题。故在提速、节能之外，降噪、减振是高速铁路技术进步的另一个方向。各国高速铁路技术竞争的重点在于节约能耗、降低轨道噪声、降低生命周期成本以及其他全方位的比较上。
最近，日本铁路东海客运公司、东日本客运公司在700系列车的基础上，联合研制成功了时速300公里的N700系高速列车。它首次采用主动摆式车体技术，试验样车已于2005年3月交付使用，在经过两年的试运行后，将于2007年投入商业运行。由于空气阻力与速度的平方成正比，高速列车的最高时速如果从300公里提高到360公里，其能耗将增加50％，单位能耗可能超过飞机，能耗增加的费用远超过时间节省所带来的效益。因此，高速铁路进一步提高速度的空间较小。人们正在努力探索后高速铁路时代的交通工具。
磁浮技术的发明
磁浮技术的研究始于20世纪初，1922年德国人开普尔(H.Kemper)提出了磁悬浮原理，并于1934年获得了“没有车轮的磁悬浮车辆”的专利。
磁悬浮列车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成。尽管可以使用与磁力无关的推进系统，但在目前的绝大部分设计中，这三部分的功能均由电磁力来完成。磁浮列车基于电磁铁同性相斥、异性相吸的原理，实现列车的浮起、排进和导向。它与轮轨铁路的根本区别在于列车悬浮在轨道之上，运行时没有轮轨接触，不存在黏着极限速度，为不断提高地面交通工具的速度提供了可能。铁路列车主要靠钢轨与钢轮之间的黏着力向前推进。速度越快，黏着力越小，列车牵引力也越小，同时速度越快空气阻力越大。根据理论公式推算，轮轨时速很难超过375公里。尽管1990年5月18日法国高速列车TGV-A以515.3公里的最高时速冲破了上述极限，但这一黏着极限速度肯定存在。
磁浮技术按是否利用超导电磁铁分为超导和常导两类，超导以日本的MLX型为代表；常导以德国的TR型和日本的HSST型为代表。超导按温度又可以分为两种，日本研究的是低温超导(-269℃，液氦冷却)，美国研究的是高温超导(液氮冷却)。磁浮技术按速度可分为高速磁浮(时速约500公里)和中低速磁浮(时速约100公里)两类，前者用于干线交通与地区交通，后者用于城市交通。由于超导磁浮列车只有当时速超过150公里才能浮起，所以超导都是高速磁浮。常导磁浮包括高速和中低速两种类型。超导磁浮列车的悬浮高度约100毫米，常导磁浮列车只有10毫米，超导对轨道的精度要求低于常导，但低温超导应用难度大，常导容易实现。超导磁辐射对人体有害，需进行磁屏蔽，常导不需要磁屏蔽。
日本于1972年成功进行了2.2吨重的超导磁浮列车实验，时速达到50公里。1977年12月在宫崎磁浮试验线上，列车最高时速达到了204公里；1979年12月又进一步提高到517公里。1982年11月，磁浮列车的载人试验获得成功。1995年，载人磁浮列车试验的最高时速达到411公里。为了进行东京至大阪间修建磁浮线路的可行性研究，1990年又着手建设山梨磁浮试验线，首期18.4公里长的试验线已于1996年全部建设完成。2003年12月，日本铁道公司在山梨试验线上创造了时速581公里的陆上速度世界纪录。德国建设了一条长31.5公里的常导高速埃姆斯兰特试验线，试验速度达到时速450公里。原计划2005年建成柏林至汉堡磁浮线路，全长292公里，设计时速为450公里，最高运行时速430公里，后因工程费用大大超过预算，不得不终止。苏联曾研制出一辆18吨的磁浮车，并在一条600米长的线路上进行运行试验。中国于1991年开始对磁浮列车进行有计划的研究，目标是低速列车。国防科技大学、西南交通大学、铁道科学研究院、中国科学院电工所等单位都独立或合作研制出了小型试验样车。
磁浮交通速度快、占地少、使用电能，对环境友好，这些优势与高速铁路类似；此外，由于列车悬浮在轨道上，所以对轨道冲击小、振动小、噪声低，比高速铁路更节能；列车爬坡能力强；由于不存在黏着极限速度，从长远看，可代替飞机以避免空中线路过于繁忙，节省汽油。
磁浮技术的应用与展望
世界上正式投入运营的磁浮线有三条，即英国伯明翰线、日本东部丘陵线和上海磁浮示范线。前两条是中低速磁浮线，上海磁浮示范线是第一条高速磁浮线。
英国伯明翰线 英国进行过时速为50公里的低速磁浮列车试验，并建设了一条从伯明翰铁路车站至国家展览中心的600米长的运营线路。该系统于1981年初开工，1984年5月竣工，列车最高时速54公里，最大运量每天5.1万人次。但因故障率高、维修成本高等原因，于1996年停止使用。
日本东部丘陵线 东部丘陵线是日本第一条商业运营的磁浮交通线，建在爱知县名古屋市。名古屋是爱知县的首府和对外交通枢纽，铁路运输发达，2005年世博会期间有大量乘客通过干线铁路经由名古屋市到达世博园区。爱知县的地方铁路——爱知环状铁路，连接了两条重要的干线铁路，是另一条重要的运输通道。但是，爱知环状铁路和距世博园区最近的名古屋市内地铁东山线都不能直接到达世博园区。为提供直接到达园区的轨道交通服务，爱知县新建了东部丘陵磁浮轨道交通线。该线两端分别连接爱知环状铁路和名古屋地铁东山线，通过换乘形成直接到达世博园区的轨道交通系统。东部丘陵线运能较小，高峰时客流从两个方向换乘东部丘陵线进入世博园区，两个方向的乘客较为均衡，很好地利用了该线的运输能力。
东部丘陵线采用常导吸引式磁浮系统，设计最高时速为100公里，线路全长8.9公里，设9座车站，除一个区间为地下和地面过渡段外，其余线路和车站均采用高架形式。工程总投资约1075亿日元(约合人民币84亿元，每公里单位造价约合人民币9.4亿元)。东部丘陵线噪声和振动较小，乘坐舒适，车体采用大开度的车窗立面，通透感强，景观效果较好。每列车额定载客244人，实际载客约360人，其中坐席104人，设计最小行车间隔5分钟，每小时单向额定运能约3000人。目前行车间隔采用6分钟，每小时单向额定运能约2400人，由于额定运能的舒适度较高，实际运能可达到每小时4000人。虽然全线车站多为高架形式，但都采用了全封闭式的屏蔽门，增大了安全度，也改善了候车环境。
上海磁浮示范线 上海磁浮示范线从浦东机场至地铁2号线龙阳路站，全长30公里，总投资100亿元人民币。它于2004年5月正式投入商业试运行。截至2006年3月底，安全运行里程累计超过240万公里，运送乘客达4632万人次，并经历了积雪、大风等恶劣气候的考验。2006年4月26日，上海磁浮示范运营线正式通过国家竣工验收。这次验收通过，将为沪杭磁浮线的可行性研究提供非常有价值的借鉴。
相对于高速铁路而言，磁浮列车的最大优点是速度更快，能耗则增加不多，很适合成为后高速铁路时代的陆上交通工具。时速为450公里的磁浮列车的气动阻力和能耗大致相当于时速为300公里的高速轮轨列车。磁浮技术的不足之处主要是当前造价偏高。以日本为例，东京——大阪超导磁浮线每公里造价预计约合人民币11亿元，东部丘陵线每公里造价约合人民币9.4亿元，而新干线高速铁路每公里造价约合人民币5亿元。在日本，磁浮线路的造价大约是高速铁路的两倍。中国磁浮线路的造价为2亿元(沪杭磁浮计划)，高速铁路每公里造价为1亿元(京沪高速铁路计划)，磁浮线路的造价也是高速铁路的两倍。
日本新干线高速列车的升级换代
型号 首次运营时间 特 点
0系 1964-10-01开创了铁道高速化的新干线电动车组
200系1982-06-23克服多雪、坡度大等恶劣自然条件的新干线电动车组
100系1985-10-01编入双层客车的新干线电动车组
300系1992-03-14宣告整体改变的新一代新干线电动车组
400系1992-07-01首次直通新干线和既有线的电动车组
E1系 1994-07-15全部为双层客车的新概念新干线电动车组
500系1997-03-12集高速化技术精华、实现300km/h运行速度的新干线
电动车组
E2系 1997-10-01继承200系的新标准新干线电动车组
E3系 1997-03-22进一步改进的直通新干线和既有线的新干线电动车组
E4系 1997-12-20高速列车中世界首列16辆编组定员的新干线电动车组
700系1999-03-13高速列车走向成熟的新一代新干线电动车组
N700系
预计2007 首次采用主动摆式车体技术的高速列车
如何权衡磁浮技术和高速铁路的发展，各国根据不同的国情作出相应的对策。1998年，美国国会通过了《21世纪交通平衡法》，确定新的地面轨道系统时速应不低于240英里(约合386公里)，并最终确定选用德国常导高速磁浮系统。2005年2月，由美国国会众议院10位议员组成、一行28人专程来沪考察了上海磁浮示范线。2000年10月，德国计划在北威州杜塞尔多夫——多特蒙德之间建磁浮线路，总长79公里，投资32亿欧元，预计每公里人均运营成本为0.11欧元。原定2006年世界杯前建成，但在2003年北威州州长宣布取消该计划；另一计划为慕尼黑机场——慕尼黑火车站的磁浮线，全长37公里，运行时速为350公里，项目总投资16亿欧元，联邦政府提供5.5亿欧元，其余由巴伐利亚州承担。
一个国家的交通可以分为干线交通(远距离)、地区交通(中距离)和城市交通(近距离)三个层次。沪杭磁浮线获得批准，符合从城市交通到地区交通再到干线交通的稳步推进原则。美国1/6的企业和1/7的职工与汽车、公路有关，交通可以形成一个国家的支柱产业。中国需要加快发展铁路和城市轨道交通，中国又是第一个将磁浮技术投入商业运营的国家，高速铁路和磁浮技术可望孵化出一大批创新型企业，带动冶金、机电、车辆、建筑等装备制造业和信息产业，足以形成高速轨道产业链。