郑清华，倪菲：高速磁浮交通：从德国到中国

全文刊载于《前瞻科技》2023年第4期“高速磁浮交通专刊”

文章摘要

磁浮交通从概念提出到商业运营历经了近一个世纪的发展，取得了一系列重要的研究成果，为中国磁浮交通领域的发展提供了宝贵的经验和启示。文章回顾了磁浮交通起源和早期发展，介绍了德国在该领域的技术研发与工程实践，分析了世界高速磁浮交通研究的中心从德国转移至中国的背景和演进过程，并对中国高速磁浮交通的创新发展提出了建议和展望。

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自20世纪60年代以来，德国通过国家研究与发展计划，将磁浮交通技术发展到可以投入工程应用的成熟阶段，为人类高速地面交通的进一步发展提供新选择。磁浮交通技术最初源自德国。磁浮交通技术在德国的发展历程经历了“刚体悬浮”“磁轮抱轨”和“电磁模块”3个关键的技术演进阶段，并通过多代磁浮列车的持续发展，最终实现商业化运营。磁浮交通技术在近一个世纪的持续研究和开发过程中，使常导电磁悬浮技术和长定子直线同步电机推进技术被不断改进，并经德国联邦铁路公司和德国高等院校详尽评估后被投入工程应用。

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磁浮交通起源和早期发展

在20世纪初期，随着物理学和电工技术的迅猛发展，人们开始憧憬着利用电磁力来替代传统的轮子，以实现无接触的地面轨道交通，从根本上解决轮轨摩擦所引起的磨损问题。1922年，德国工程师赫尔曼·肯佩尔（Hermann Kemper, 1892—1977）首次提出电磁悬浮的原理，并于1934年提交专利申请（图1）。由于技术水平和工艺条件的限制，当时该原理并未得到转化。1966年，飞机制造商伯尔科公司（Bölkow GmbH）的创始人路德维希·伯尔科（Ludwig Bölkow, 1912—2002）采纳肯佩尔的构想，开始系统性地研发磁浮交通技术。

图1　赫尔曼·肯佩尔与电磁悬浮技术专利

自1968年开始，德国在面临环境和能源问题的紧迫挑战下，迫切需要开发新的高速交通体系。1969年，德国联邦交通部、联邦铁路公司及德国工业界联手开展“高运力快速铁路研究”计划，其中便涉及磁浮高速铁路。在政府的大力支持下，多家知名企业和在电机工程领域具有影响力的高校，如亚琛工业大学（Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen）、布伦瑞克工业大学（Technische Universität Braunschweig）、慕尼黑工业大学（Technische Universität München）、斯图加特大学（Universität Stuttgart）等，积极参与磁浮交通技术的研发工作。值得一提的是，当时的联邦政府交通部长格奥尔格·勒伯尔（Georg Leber, 1920—2012）也亲自倡导并推动磁浮交通技术的发展。

在早期研究阶段，主要探讨了两种不同的悬浮原理，即电磁悬浮（Electromagnetic Suspension, EMS）和电动悬浮（Electrodynamic Suspension, EDS）。电动悬浮采用一种无需反馈回路的悬浮原理，因此在技术实现上相对便捷。但其悬浮性能与列车的相对速度密切相关，这导致它无法在所有运行速度下都能实现有效的悬浮。相比之下，电磁悬浮系统需要通过反馈回路来精确控制电磁铁电流，以实现稳定的悬浮。电磁悬浮系统的悬浮性能与运行速度无关，因此具备更大的灵活性，能够在各种速度下实现可靠的悬浮。然而，在当时的技术条件下实现可靠的反馈控制是一项巨大的技术挑战。此外，由于列车完全脱离了与轨道（地面）的物理接触，还进一步研发了列车的牵引和制动技术。为此，研究人员着手开发不同的推进系统，主要包括长定子直线同步电机（Long Stator Linear Synchronous Motor, LSM）和短定子直线异步电机（Short Stator Linear Induction Motor, LIM）。

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磁浮交通的技术制式探索

2.1 德国政府的工作举措

磁浮交通系统涉及包括电机技术、电子控制技术、信息处理技术、微处理器和计算机技术等在内的众多领域。当时德国在各个学科和领域都有杰出代表。然而，每个子系统都需要根据整体系统的功能要求进行调整和改进，以实现合理的协调，从而形成一个高效可行的整体系统。为此，各个专业领域必须打破学科之间的壁垒，放弃以自我为中心的习惯，通过相互合作与通力协作来实现一个共同的技术目标。

为此，德国联邦研究技术部（Bundesministerium für Forschung und Technologie, BMFT）组织近10次“现状研讨会（Statusseminar）”，旨在有效协调资源，持续支持研发工作并定期总结工作成果。通过众多相关方的协同努力，在磁浮交通系统的技术方案、设计理念和原则方面取得显著进展（表1）。这些成果不仅是科学技术史上的珍贵遗产，也成为当今磁浮交通技术的重要组成部分。

表1　“现状研讨会”中形成的重要创新方案

2.2 代表性研发成果

1970年，德国启动常导高速磁浮（Transrapid, TR）交通系统研发计划。Transrapid由两个拉丁词组合而成，其中trans代表“超越”，rapid代表“快速”。该计划在研究前期探索了多种技术路径，包括气垫车（TR03）、低温超导短定子磁浮列车（EET01）、常导短定子磁浮列车（TR02、TR04）及常导长定子磁浮列车（HMB2、TR05）等。磁浮交通在技术制式探索阶段的代表性研发成果见表2。

表2　磁浮交通在技术制式探索阶段的代表性研发成果

值得强调的是，TR03由克劳斯-玛菲公司（Krauss-Maffei）制造，它并不是一辆磁浮车，而是一辆气垫车。气垫车的研发旨在对比电磁悬浮技术和气垫悬浮技术之间的优劣。研究表明，从技术、生态和经济的角度来看，电磁悬浮技术远远优于气垫技术。在这一比较之后不久，法国和英国也终止了他们的Aerotrain项目。此外，短定子技术也被证明存在一些缺点。首先，由于驱动系统集成在车辆内部，必须将能源传输至车辆中。为此，使用一种类似电车的供电轨道，引发了噪声和机械磨损问题。这在车辆高速运行时尤其严重。其次，由于整个功率驱动装置都集成在车辆内部，使车体变得过于庞大和笨重。因此，在经过综合比较后，德国工业界于1973年和1975年先后放弃气垫车技术和短定子技术。1974年，蒂森-亨舍尔公司（Thyssen-Henschel）与布伦瑞克工业大学合作，着手开发高效的长定子直线同步电机系统。这一技术制式的优势在于大幅减轻车辆的重量，并将推进系统整合到轨道中，具备卓越的加速性能和功率峰值。

1977年，根据大量试验结果、多次研讨会的共识，以及多位相关独立专家的意见，德国联邦政府做出严谨的系统决策：优先支持采用电磁悬浮技术和长定子直线同步电机的技术制式。这一决策为TR系列车辆的后续研发以及在中国上海实现磁浮列车示范运营线奠定了坚实的基础。

1979年，TR05在汉堡国际交通展（1979 Internationale Verkehrsausstellung in Hamburg, IVA79）上首次亮相，成为世界上第一辆获准载客的磁浮车。这是一辆由通用电气-德律风根（AEG-Telefunken）、克劳斯-玛菲、梅塞施密特-伯尔科-布洛姆（Messerschmitt-Bölkow-Blohm, MBB）、西门子（Siemens）、蒂森-亨舍尔等公司联合建造的电磁悬浮车，其推进系统采用长定子直线同步电机。TR05车长26 m、重31 t，可载客68人，最高速度达75 km/h（图2）。在为期3周的展会期间，每天运行12 h，共运送55000名乘客，创下世界上磁浮车辆首次载客的纪录。

图2　TR05在汉堡IVA79期间载客运行现场

（来源：https：//www.thyssenkrupp.com）

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常导高速磁浮交通系统的工程化开发验证

3.1 试验线的建设和意义

为将研发成果转化为可服务于社会的交通系统，1980—1987年在德国联邦政府和地方政府的共同资助下，埃姆斯兰高速磁浮试验线（Transrapid-Versuchsanlage Emsland, TVE）在德国北部埃姆斯兰建设完成，全长31.5 km，呈8字形，配备3个道岔，可模拟实际商业运行条件（图3）。TVE试验线起初由德国工业设备管理公司（Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft mbH, IABG）管理，自1985年起由磁浮铁路测试与规划公司（Versuchs-und Planungsgesellschaft für Magnetbahnsysteme mbH, MVP）运营。后者当时是德国联邦铁路和汉莎航空的子公司。

图3　德国TVE试验线

（来源：https：//www.thyssenkrupp.com）

TVE试验线为TR系列车辆的后续研发提供了一个必要的、全面的测试平台。它不仅为列车的技术改进和商业化铺平道路，也为未来高速磁浮交通系统的发展提供了宝贵的经验，其必要性和重要性体现在以下5方面。

（1）技术验证。TVE试验线为TR系列车辆提供一个真实运行的试验环境，使工程师和科学家能够验证列车的稳定性和可靠性。在试验线上，各种技术、系统和组件可以在实际条件下进行测试和优化，从而确认其有效性。这对于车辆的后续商业运营至关重要。

（2）模拟商业运营。列车在TVE试验线上模拟实际商业运营的条件，使工程师和科学家能够深入研究车辆在不同速度、载荷和环境条件下的性能，以确保其满足实际运营要求。这有助于改进系统薄弱环节，并为运营线培养操作人员。

（3）系统集成。TVE试验线提供一个全面的测试环境，使得不同子系统之间的协调与集成得以实现。在TVE试验线上，列车的悬浮系统、驱动系统及运行控制系统等可以进行协同测试，以确保它们协调工作，使整个系统达到最佳性能。

（4）数据收集和分析。通过收集和分析列车在TVE试验线上运行的大量数据，使研究人员可以评估列车在不同运行条件下的性能表现。这有助于发现潜在的风险，优化列车的设计，并提升子系统间的协同工作效率。

（5）商业展示。TVE试验线为潜在投资者、政府机构和国际合作伙伴提供了展示TR车辆的平台。这不仅有助于吸引投资、建立信任，同时促进了磁浮列车的推广和商业应用。实际上，中国代表团曾多次前往TVE试验线进行参观和交流。

3.2 TR系统的持续迭代

TR06的研发与TVE试验线的建设同步启动，其初衷是验证系统的持续运行性能，而非仅限于进行简单的功能试验。随后，TR07（最初被称为TR06/b）在TR06的基础上经过改进，涉及电气系统可靠性和气动力学性能等方面。TR07在TVE试验线上模拟各种运行场景，并在长时间运行中积累了大量经验和数据，为TR08成为未来的量产样车奠定了重要基础。TR08的设计严格遵守RAMS（可靠性、可用性、可维护性、安全性）原则，专注于优化可靠性和可维护性。同时，它作为上海磁浮列车示范运营线（简称上海磁浮线）上的3辆列车（PV1、PV2和PV3）的基础车型。TR09则是在TR08的运行经验基础上，结合短途运输需求和技术改进（例如，通过感应电源在低速运行下实现无接触供电）而开发的车型。

1988年，TR06在TVE试验线上成功达到412.6 km/h的运行速度；1993年，TR07在TVE试验线上实现了1654 km的连续运行。从TR06开始，所有TR系列车辆均在TVE试验线上进行调试和验收，因此拥有相同的轨距和极距。TR系列车辆的后期迭代产品如表3和图4所示。

表3　TR系列车辆的后期迭代产品特征

注：79.2 m，128.8 m，203.2 m分别对应于3编组、5编组、8编组时的车辆长度。

图4　TR系列车辆的后期迭代产品示意图

（来源：https://magnetbahn.org/）

3.3 常导高速磁浮交通技术的成熟

1991年，基于在TVE试验线上多年的运行记录和第三方评估结果，由德国联邦铁路中央办公室（Bundesbahn-Zentralämter, BZA）主导，并由德国联邦铁路机构及7所著名大学的专家组成工作小组，对磁浮交通技术进行全面的评估和鉴定，最终确认高速磁浮交通技术已准备就绪。这为高速磁浮交通系统的工程化应用奠定了基础。

在这之后，蒂森、西门子和阿尔斯通（Alstom）这3家公司积极筹备，计划建设一条连接德国汉堡和柏林的高速磁浮交通线路，总长290 km。考虑到系统的运行速度位于轮轨交通和航空系统之间，德国高铁速度和大城市之间的距离，以及当时的技术条件，高速磁浮列车的最高运营速度被设定为500 km/h。

作为研发汽车和高铁的重要国家，德国在第二次世界大战后经历了经济奇迹，国家基础设施水平也达到了极高的水平。因此，当时德国社会对新型交通系统的需求并不迫切。此外，当时新进入德国联邦政府中的一个政党以“环保”“和平”为旗号，利用民众的反战、反污染情绪，将高新技术置于环保与和平的对立面。因此，由于多种非技术上的原因，德国高速磁浮交通项目最终未能获得应有的社会支持和足够的政府资助，致使德国磁浮列车也未能在本土实现商业运营。

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常导高速磁浮交通系统的示范应用

中国经济的迅速崛起和国力的逐步增强为磁浮交通技术带来了新的机遇，且中国社会对技术创新、基础设施建设和高品质交通运输的需求也不断增加。自20世纪80年代以来，随着中国经济的快速发展，城市之间的技术、经济和信息交流不断增加，人们对出行的需求逐渐提升。旅行速度日渐成为人们选择出行方式时仅次于安全因素的重要考量。随着时间推移，磁浮交通技术的研究和发展焦点逐渐从德国转移到中国。

4.1 中德双方合作建设上海磁浮线

1998年，在中国和德国两国专家及政府的积极推动和支持下，时任中国总理朱镕基听取了蒂森公司执行董事、蒂森工业公司（Thyssen Industrie）总经理埃克哈德·罗卡姆（Eckhard Rohkamm）博士有关磁浮交通技术的介绍。1999年，在进行京沪高速铁路预可行性研究论证过程中，部分专家提出：鉴于磁浮交通系统具有无接触运行、速度高、启动快、能耗低、环境影响小等众多优点，同时考虑德国的常导高速磁浮试验线已经试验运行了逾10年，累计运行里程超过60000 km，且德国政府宣布磁浮交通技术已经成熟，建议中国在未来的京沪干线上采用高速磁浮交通技术。在进一步的技术论证过程中，专家们逐渐形成一致看法，建议首先建设一段示范运营线，以验证高速磁浮交通系统的可用性、经济性和安全性。

在对多个备选方案进行比较后，中国政府于2000年6月决定在上海建设示范运营线。随后，中德双方代表在德国签署《中华人民共和国上海市和德意志联邦共和国磁浮国际公司（TRI）共同开展上海市磁浮列车示范运营线可行性研究协议书》。2000年8月，上海申通集团有限公司联合申能（集团）有限公司、上海国际集团有限公司、上海宝钢集团公司、上海汽车工业（集团）总公司、上海电气（集团）总公司6家企业联合出资20亿元人民币（后又增加上海浦东发展（集团）有限公司，增资30亿元人民币），注册成立上海磁浮交通发展有限公司。

2001年1月，上海磁浮交通发展有限公司与西门子、蒂森克虏伯（ThyssenKrupp）和磁浮国际等德国公司组成的联合体签署《上海磁浮快速列车项目设备供货及服务合同》，后又与德国轨道梁技术联合体签署《磁浮快速列车混凝土复合轨道梁系统技术转让合同》。2001年3月，位于上海的磁浮项目正式开工。2001年5月，中国科技部与德国联邦交通、建设和住房部于北京签署关于在磁浮铁路技术领域开展交流与合作的备忘录。2002年12月（开工后22个月），上海磁浮线举行了隆重的通车典礼。时任德国总理施罗德和中国总理朱镕基亲临龙阳路车站为上海磁浮线首次通车剪彩。

上海磁浮线可大致划分为4个主要子系统：车辆、运行控制、牵引供电和线路与土建。设备的安装以及线路与土建的设计与施工由中国方面负责；车辆、运行控制系统、牵引供电系统，以及轨道梁上的相关组件，如定子铁芯和电缆，则由德国方面的联合体负责供货，并提供相关技术支持。上海磁浮线的起点位于现在地铁2、7、16、18号线的换乘枢纽龙阳路站，终点位于上海浦东国际机场，线路正线总长30 km，采用双线运行方式，设置2个车站、2个牵引变电站、1个运行控制中心及1个维修中心。初期配置包括3列共计15节车厢，设计运营速度430 km/h，单向运行所需时间约为8 min，发车间隔设定为10 min。它现已成功融入现代城市的发展，由一个旅游景点转变为高效且可信赖的交通工具。

上海磁浮线的成功实践充分证明了源自德国的常导高速磁浮交通系统在技术上是成熟、安全、可用的，在经济上也是合理的，在环境上是相容的。这是中国和德国在高科技领域合作的卓越成就，也为中国交通技术奠定了良好基础。

4.2 磁浮交通技术国产化和工程化

通过中国和德国共建的上海磁浮线，中国消化吸收了高速磁浮交通系统的关键技术，并积累了列车的运营经验和数据，这为开展高速磁浮交通技术国产化和工程化提供了基础条件。

2001—2015年，中国完成自主化车辆、线路轨道、牵引供电、运行控制等子系统功能样机的开发及验证，进行了核心部件的开发并装车试用，完成磁浮交通系统由理论到工程的技术迭代。经过15年的持续研究，中国基本掌握了高速磁浮交通技术的基础理论和单元技术，具备了进一步提高速度和实现工程应用的基础。

2016—2021年，在国家重点研发计划支持和前期持续硏究的基础上，中国开展了600 km/h速度级高速磁浮交通关键技术研发和工程化装备研制。历经5年时间，消化和吸收了600 km/h速度级高速磁浮交通的系统集成、车辆、悬浮导向、牵引供电及运行控制通信核心技术，研制成功了一套工程样机，初步搭建了自主化产业链条，并建立了开放的研发、制造、试验平台，形成了可持续的自主创新能力。2021年7月，中国具有完全自主知识产权的600 km/h速度级高速磁浮样车在青岛正式下线（图5）。

图5　中国具有完全自主知识产权的600 km/h速度级高速磁浮样车

总体来看，中国的常导高速磁浮交通技术在国家高速磁浮科技专项的持续支持下，经过20多年的科技攻关已经取得了显著成就。在研发600 km/h速度级高速磁浮交通系统的过程中，各相关企业、研究机构和高校积极开展科研平台建设，为未来的研发工作提供前所未有的创新环境。以中车青岛四方机车车辆股份有限公司为例，该公司建立了全速度级整车走行系统振动试验台（图6），用于进行整车在0~600 km/h全速域的动态运行模拟试验。这一平台能够复现线路路谱、桥梁振动、气动载荷、车钩作用等边界条件，研究车辆在600 km/h速度级的系统动力学和悬浮控制稳定性，为车辆系统性能设计和安全性评估提供重要的试验环境。

图6　0~600 km/h全速域整车走行振动试验台

在此期间，中国国内掀起了一股“磁浮热”，在长沙、北京等地相继建成多条中低速磁浮线路并投入商业运营。这些系统都采用了常导电磁悬浮技术，以短定子直线异步电机作为推进系统，额定运行速度不超过150 km/h。更为重要的是，这一“磁浮热”激发了相关领域的高等院校、研究院所和企业的潜力，培养出一批磁浮交通领域的优秀人才，组成了若干充满活力的研发团队。此外，中国磁浮交通领域的研究人员不断开拓国际交流合作新渠道和新模式，对于促进全球磁浮交通的创新与发展，起到重要的推动作用。

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中国和德国高速磁浮交通发展国别分析及发展建议

5.1 国别分析

如前文所述，高速磁浮这一安全、可靠、环保的交通系统，因为非技术原因未能在其发源地得到应用。而中国和德国在国土面积、城市结构、人口分布等方面存在显著差异，这对两国的高速磁浮交通发展产生了不同的影响。

（1）国土空间。中国的国土面积远大于德国，各城市群间距离超过1000 km。这使得中国主要城市（群）之间的长大干线旅行需求更为迫切（如北京—广州路程长达2100 km，而德国距离最远的两座大城市间仅约800 km）。

（2）人口规模。中国人口众多且分布密集，主要城市的人口规模庞大（如北京、上海、广州和深圳等大城市的人口都在千万以上），而德国的人口相对较少且分布较为均匀。这使得中国主要城市之间的交通需求更加旺盛。

（3）城市规划。中国的中心城市辐射功能较强，城市群（如京津冀、长三角、粤港澳、成渝双城等）一体化发展水平较高且经济总量巨大，而德国的城市规模相对较小且经济发展相对较均衡。这使得中国主要城市之间的交通需求更加集中。

此外，德国拥有出色的道路交通基础设施，私人汽车在日常生活中扮演重要角色，而德国铁路列车的上座率相对较低（如新型冠状病毒肺炎疫情前的2019年为56%，疫情中的2022年为46%）。以上情况表明，中国社会对提高公共交通运输能力的需求更为迫切，且高速磁浮交通在中国的应用潜力大于德国。

5.2 发展建议

针对目前中国高速磁浮交通的发展水平和工程应用环境，建议从3方面进一步深化工作。

1）明确高速磁浮交通的规划定位

根据《国家综合立体交通网规划纲要》要求，为满足不同层次社会公众的交通需求，实现“人享其行”的目标，应结合现今民航和高铁网络的发展情况，明确高速磁浮交通在综合立体交通网中的规划定位，并在此基础上制定系统的速度目标值和主要应用场景。

2）推动高速磁浮工程化试验线的建设

高速磁浮工程化试验线是高速磁浮交通技术研发的核心基础设施。借鉴德国成功的经验，中国需尽快建设试验线，通过对国产化系统的全面验证，推进技术迭代。借助试验线完成对国产化列车的集成优化和商业可用性认证，为其商业应用打下坚实的基础。

3）开放合作促进自主创新

为更好地吸收德国及其他国家的先进技术和经验，需要在开放合作的前提下加强自主创新。通过国际交流与合作提升自主创新能力，为未来综合交通系统的发展注入新的驱动力。

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结束语

高速磁浮交通是多种高科技技术的综合体，它能够为现代化社会提供卓越的出行服务并构建重要的科技创新平台。在系统研发方面，德国经历了从零起步、多制式探索、技术选型、持续迭代、工程化验证与商业应用的多个阶段。与此不同的是，中国采用了引进、消化、吸收、再创新的方式，需要通过自主创新打造国际领先的高速磁浮交通技术体系和产业链，形成中国高速客运交通领域的国家名片。

素材来源：《前瞻科技》2023年第4期“高速磁浮交通专刊”