交通部署案例集/2018/磁懸浮列車系統 (1922-2016)

人口增長和城市居民生活區的擴張很大程度上依賴於高度發達的交通系統，包括道路網路、鐵路系統和航空服務。公眾意識到了良好的交通系統或運輸模式在確保個人工作和生活效率方面可以發揮重要作用。科學技術的進步不僅有助於創造新的運輸模式，提高出行效率，滿足人口增長帶來的出行需求，而且也提醒人們必須考慮社會、環境、整體健康和經濟的可持續性。因此，基於這些考慮，一種新的技術運輸產品磁懸浮列車應運而生。

磁懸浮列車的誕生

磁懸浮列車的概念由德國工程師赫爾曼·肯珀提出，並於 1922 年獲得專利。磁懸浮技術在過去幾十年中經歷了密集的發展，並在 1970 年代至 1980 年代成熟。經過 1990 年代的一段時間的試驗和測試，最終的實用公共服務於 2003 年在上海成功實現。 磁懸浮列車利用磁鐵來實現懸浮、推進和導向。與傳統列車相比，磁懸浮系統成功地取代了車輪，實現了列車的懸浮，並透過電磁力保持列車底部與導軌之間最大 10 毫米的間隙。列車與軌道之間沒有連線，有效地避免了車輪在軌道上執行時產生的滾動摩擦力，這一特性幫助磁懸浮系統在速度、維護、安全和環境友好方面取得了許多無可比擬的優勢。

特點

在磁懸浮列車誕生之前，現有的鐵路系統主要用於中長途旅行。隨著時間的推移，燃料的鉅額消耗、對環境的負面影響、噪音以及高昂的維護成本，促使人們試圖創造一種新的交通模式或改進傳統的火車系統。電磁力因其易於產生且無需燃料消耗而成為一種合理的新的能源，被應用於列車的移動。與現有鐵路系統相比，磁懸浮列車由於懸浮在導軌上，振動和噪音更低，沒有機械連線可以將噪音從一般的 75-80 dB 降至 60-65 dB。 超導磁懸浮列車的速度可達 500-600 公里/小時，在 1000 至 1500 公里的旅行中優於飛機。無阻力也有利於降低能耗，最先進的磁懸浮技術可以比高速鐵路降低 30% 的能耗。此外，安全性是磁懸浮系統的顯著特點，列車和導軌的設計可以確保不會發生脫軌。無磨損也有利於降低軌道和車輪的維護和維修成本。電磁力作為推進力直接減少了不可再生能源的消耗，從而減少了溫室氣體的排放。

技術特點

磁懸浮列車用於懸浮、導向和推進的主要機制是磁斥力和吸引力、電磁感應和洛倫茲力。

懸浮

懸浮技術主要可以分為電磁懸浮 (EMS) 和電動懸浮 (EDS)。EMS 利用磁吸引力來實現列車的懸浮。一對電磁鐵固定在導軌上，另一對具有不同磁極的電磁鐵固定在列車的底部。這種方法由於磁路的原因，相對不穩定。透過交流電來實現電流的變化，從而使電磁場發生變化。技術的難點在於控制電磁場，以保持適當的間隙。EMS 還包括懸浮和導向一體化以及懸浮導向分離。前者適合低速執行和低成本，因為應用中電磁鐵和控制器較少，但電磁鐵靠近導向，因此會導致列車和導向之間的干擾。第二種方法適用於高速服務，但成本更高，因為分離的懸浮和導軌可以減少它們之間的干擾。

EDS 通常利用磁斥力來懸浮列車 (EDS)。常用的材料是永磁體，如超導磁體和電磁鐵。設計是在列車的底部和導軌的頂部安裝相同磁極的磁鐵。產生的斥力可以將物體抬升，而無需控制電流來保持間隙。因此，這種設計有望以高速運輸更重的貨物或貨物。永磁體型別很簡單，因為設計中不會使用電力。超導磁體很複雜，需要高電流和高溫。

推進

磁懸浮列車依靠電磁力產生動力，推動列車向前移動。推進力的設計是將傳統的旋轉電機改為線性電機 (Lee.H, Kim & Lee.J, 2006)。線性感應電機可以想象成透過一個變化的磁場穿過安裝在列車底部的線圈，從而產生電磁電流，而電流線上圈中的流動在磁場中會產生洛倫茲力，該力垂直於電流方向，迫使列車移動。線性同步電機是另一種為磁懸浮系統提供推進力的設計。列車的前部會安裝一塊永磁體。導軌上的區域性磁場和電樞電流會相互作用，產生洛倫茲力，驅動列車移動。

導向

導向是為了固定懸浮列車的穩定性，防止發生橫向位移和脫軌。主要使用的機制也是磁斥力。磁鐵將安裝在列車的兩側和導軌的兩側，具有相同的磁極。來自兩側的力量指向列車的中心線，將確保列車在轉彎時不會發生橫向移動，或者橫風可能導致列車偏離軌道。

市場發展

磁懸浮列車的市場發展歷程坎坷，主要原因是技術尚未成熟，建設成本高昂。磁懸浮列車的初始市場定位，可以從公眾對開發可持續能源的意識中推斷，旨在減少化石燃料消耗和溫室氣體排放。市內磁懸浮系統用於短途連線，可以有效減少噪音汙染和交通擁堵。電磁能作為一種替代能源，越來越受到關注。然而，目前的技術可能無法實現高速磁懸浮系統並將其推廣應用於交通運輸。因此，中低速磁懸浮列車開闢了一條新的市場路徑。1922年，磁懸浮列車概念提出後，技術侷限性在接下來的30年裡仍然制約著其發展。直到1969年，德國克勞斯-瑪菲公司才研製出第一輛磁懸浮列車模型，重80公斤，長1米，懸浮高度4毫米。1970年，德國政府開始研製結構簡單的磁懸浮高速列車。 到1984年，英國伯明翰機場和伯明翰火車站之間建成了一條磁懸浮線路。1991年，磁懸浮高速列車被認為已經達到了應用模型階段。後來，中國和德國透過合作計劃，共同完成了世界上第一條商業運營的市內磁懸浮列車（從上海浦東機場到龍陽路地鐵站）。日本專注於開發低速磁懸浮交通服務，並開發和應用了適用於磁懸浮列車的轉向架嵌入式模組化結構。因此，日本成為第一個應用無人駕駛低速磁懸浮列車線路的國家，該線路服務於2005年愛知世博會，總長度9公里，最高時速100公里/小時。為了解決大城市的交通問題，韓國於2004年開始研發低速磁懸浮列車。2007年，第一條為仁川國際機場服務的磁懸浮線路建成。磁懸浮列車的市場定位也可以理解為，其最大的優勢在於懸浮和可再生能源。消除列車與軌道之間的摩擦，可以有效地實現更高的速度，換句話說，這是一種讓車輛在低空飛行的成就。磁力可以成為未來應用中減少化石燃料消耗的一種新能源。這種無可比擬的優勢可以創造新的市場，有利於減少或隔離電磁場，促進生產發展。

磁懸浮發展政策

政策似乎更加關注噪音、電磁場等環境影響。噪音汙染可以被認為包括結構/機械噪音，如機械制動器和麵板振動，氣動噪音，由尾流、風切變或邊界層分離引起，以及湍流邊界層產生的噪音。美國聯邦交通管理局 (FTA) 制定的針對日本城市磁懸浮系統 (CHSST) 的政策，明確了噪音要求，即車廂內噪音水平應低於 67dBA，車廂外噪音水平應低於 70dBA。電場政策是磁懸浮系統特有的創新，參考了 AGGIH 1999 標準。該標準規定，公眾可以接觸的最大允許交流電場強度為 5 kV/m，佩戴醫療電子防護裝置的人員為 1 kV/m。每天工作 8 小時接觸裝置的人員，交流電場強度為 100Hz 時為 25V/m，100Hz 至 4kHz 時為 2.5*10^6/fv/m。每天工作 8 小時接觸裝置的有限交流電場強度為 2.5*10^6。磁場限制也基於 AGGIH 1999 標準制定。最大限制應考慮最弱的個體群體，例如安裝了心臟起搏器或其他植入式電子裝置的人，因為車輛上的區域性磁場將是地球磁場的 10 倍。醫療電子佩戴者允許的連續靜磁場限制為 5 高斯，而每天工作 8 小時接觸裝置的裝有心臟起搏器的工人則為 1 高斯。在 1Hz 至 300Hz 的頻率範圍內的時變交流磁場下，必須滿足小於 1 高斯的值。

FTA 制定的最初政策，側重於噪音、電場和磁場，是基於美國工業制定的，為長期暴露在電場和磁場中的乘客和工作人員提供了重要指南。隨著 CHSST 的發展，公眾提出的更多擔憂需要得到澄清和規範，因此頒佈了更詳細、更具體的政策。在開發階段，電磁干擾的測量結果大於規格要求，新法規表明，電磁干擾測量應在 CHSS 內部進行。同時，應重複對次射頻範圍進行電場測量。

問題和策略

建立和應用磁懸浮列車線路仍然引發了大量的爭議，因為公眾逐漸認知到這種新型交通系統。首先，技術可能不足以支撐磁懸浮系統的運營。例如，1984年建成的第一條試驗運營磁懸浮線路，從伯明翰機場到伯明翰火車站，總長度600米，運營幾年後由於使用者反饋的穩定性問題而被廢棄。 因此，為了解決這個問題，英國政府的政策並沒有決定修改磁懸浮列車，而是用單軌列車取代了磁懸浮線路。 此外，磁懸浮高速列車線路的開發和推廣應用過於困難。這項技術可能涉及開發超高溫超導軌道，而超高溫超導軌道仍然受限於散熱和電力輸出。因此，各個研究和開發磁懸浮系統的國家都達成了一致，將他們的貢獻轉移到低速和短途旅行上。因此，日本、韓國和中國相繼研發並掌握了這項技術。其次，磁場影響成為人們爭論的焦點。高速磁懸浮列車所需的更強的磁懸浮場，可能遠大於正常允許的條件，這也是磁懸浮系統無法普遍應用的原因之一。雖然低速模式在允許範圍內，但比地球磁場高出 10 倍，已經成為公眾大量拒絕的重要原因。第三，建設磁懸浮系統的鉅額資金投入是一個不可迴避的問題。例如，上海浦東磁懸浮線路30公里的建設成本約為1000億元，擴建成本約為12億美元。 儘管不同的地形可能導致不同的建設成本，但在平均情況下，估計每公里磁懸浮系統的建設成本將花費8000元。高成本將帶來高昂的價格。上海浦東磁懸浮線路剛開通時，每人票價高達100元。 雖然上海政府出臺政策降低了票價至每人50元，但很多人認為他們無法接受。此外，該系統存在著由天氣變化和電力中斷造成的潛在風險。因此，磁懸浮列車的現狀難以推廣和商業化。儘管中國、日本、德國、美國和韓國等許多國家仍在不斷努力研發這項技術，但政府也將鼓勵研究可再生能源，技術缺陷、高成本和磁場可能是阻礙磁懸浮列車應用的重大限制因素。

定量分析

由於技術不足、成本高昂和強磁場的影響，磁懸浮系統尚未成熟發展並普遍應用。公眾和相關專業人士的質疑引發了關於是否建造磁懸浮系統的討論，導致德國、英國和中國等多個國家取消了計劃或已有的磁懸浮專案。實際上，全球範圍內磁懸浮列車的軌道距離和乘客數量並不多，現有的磁懸浮線路主要用於短途、低速運營，方便連線城市的機場和火車站。因此，軌道距離和乘客數量不足以作為衡量磁懸浮系統發展水平的可靠資料。考慮到磁懸浮列車的目標是避免滾動阻力，實現極高的速度，因此應採用有助於衡量列車速度發展的相關資料。日本是發展磁懸浮列車的最重要和最早的國家之一。2016年，該國磁懸浮列車的速度已從90公里/小時提升至603公里/小時。

日本於1969年開始研發磁懸浮列車，宮崎試驗線於1979年實現了517公里/小時的高速執行。不幸的是，列車因事故而被摧毀，可能暴露了其可靠性問題。1974年，筑波開始研發HSST，專注於相對低速領域。HSST-03在當時很受歡迎，在筑波世界博覽會上以30公里/小時的速度運營。1987年，MLU001創下了401公里/小時的最高速度。^[10]

方法

評估日本磁懸浮列車發展水平，可以參考Garrison和Levinson（2014）的方法。根據系統生命週期內從誕生日期到現在的速度資料，可以預測未來可能達到的速度。

公式：S(t) = K/[1+EXP(-b*(t-t0))] 可用於預測未來速度的發展趨勢。S(t)表示速度狀態，t表示時間，t0表示拐點時間，K表示飽和狀態水平（此處指速度），b表示係數。

K值可以透過估計最大速度值（603公里/小時）並增加1公里/小時來確定。透過觀察RSQ值，可以確定與R值（通常接近1）匹配的K值。b是資料集的斜率，可以根據K值和時間計算得出。

S曲線公式引數

變數	描述	值
t	時間
t0	拐點時間	1976.1
K	飽和狀態水平	606
b	係數	0.117754738
RSQ	R平方	0.81130

原始資料和估計資料

日本磁懸浮列車速度的S曲線分析

討論

S曲線表明，日本磁懸浮列車速度的發展似乎已經飽和，這可能意味著列車速度的提升存在最大限制。實際速度和預測速度之間存在明顯差異。實際速度沒有呈現出完美的曲線，而是存在很多波動，這揭示了一些原因。首先，技術發展不足無法保證磁懸浮系統在高速執行時的正常執行，導致實際執行最終失敗。第二個原因可以歸因於政策變化導致發展方向的改變。由於技術無法滿足高速執行的需求，政府可能鼓勵研究低速磁懸浮列車服務。然而，最終這兩條線路趨於一致，這可能表明目前的科技水平已達到速度上限。曲線無法完全代表部署或發展水平。然而，磁懸浮列車仍然處於早期階段。實際上，在磁懸浮列車軌道距離和乘客運量不足的情況下，速度作為磁懸浮列車最突出的特點，可以反映目前階段的發展水平。未來可能會提升速度。