真空管道高速磁浮系統典型故障及處置措施分析

吳柯江，楊 陽，魏德豪，舒偉明

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司 科學技術研究院，四川 成都 610031；2.南昌軌道交通集團有限公司，江西 南昌 330038)

1 真空高速磁浮系統及研究現狀

1.1 真空高速磁浮系統

隨著社會經濟及科技的發展，人們對交通運輸的速度和舒適性要求也日漸提高。目前，高速軌道交通領域的主流技術體系為輪軌制式，國內有最高運營速度為350 km/h的CRH380、CR400等系列動車組。高速輪軌鐵路系統受輪軌粘著系數、弓網關系等制約，存在速度和線路坡道瓶頸，當速度高于400 km/h時，列車運行的氣動阻力將占運行總阻力的80%以上，且振動噪聲極其嚴重[1]。磁浮交通系統突破了輪軌支撐、導向的設計理念，利用電磁力將列車懸浮于軌道之上，克服了高速輪軌鐵路系統的諸多限制因素，是迄今為止世界上唯一能夠安全經濟地以500 km/h以上速度運行的地面大容量客運交通工具。隨著技術研發的逐步推進，高速磁浮技術已日漸成熟，我國正在運營世界唯一的商業化高速磁浮線路——上海磁懸浮專線，并且時速600 km/h的高速磁浮試驗樣車也于2019年在青島下線。

然而，無論高速輪軌還是磁浮列車在開放的大氣環境中運行，均難以克服空氣阻力及噪聲問題。因此，在高速磁浮技術的基礎上，依靠密閉管道構建真空運行環境，能夠顯著降低列車運行的空氣阻力和噪聲，可以相對經濟環保地實現進一步提升地面軌道交通速度的目標，將是未來高速及超高速軌道交通技術發展的重要方向[2]。圖1為Virgin Hyperloop One公司在美國拉斯維加斯的真空管道磁浮試驗裝置，圖2為HTT公司真空管道磁浮系統的效果圖。

圖1 Virgin Hyperloop One真空管道磁浮試驗裝置

圖2 HTT真空管道磁浮系統效果圖

真空管道高速磁浮列車運行于管道中，受惡劣天氣影響小，安全性較好，運行速度和效率高，可滿足乘客遠距離快速旅行的需求。但也正因為列車高速運行于與外界隔絕的管道中，且管道與線路系統復雜，沿線設置抽真空設備、管道隔斷氣閘門等多種設施，一旦發生事故可能會造成嚴重的后果，且封閉的管道和高結構強度車體也使人員救援疏散十分困難，在未來正式建設和運營前，仍有大量問題等待研究，其中系統安全性問題是最重要的。

1.2 研究現狀

目前，國內部分學者以上海磁浮為背景，初步探討了高速磁浮列車運營安全性相關問題。陳永勝[3]分析了高速磁浮列車的事故特點、應急救援難點，并提出了相應對策;朱忠英[4]介紹了上海磁浮各子系統的運營安全保障措施，并探討了中長線路高速磁浮交通的運營安全保障體系。對于真空管道高速磁浮，張耀平等[5]從運行系統故障、車輛懸浮失效等多個方面對該系統的運輸安全問題成因進行了分析；鄧自剛等[6]在車輛、管道等多方面比較了技術特點和優勢，并指出高速牽引、管道密封、救援等方面是今后需要重點研究的領域。

綜上所述，目前對于真空管道高速磁浮系統的典型故障分析及應對措施的研究尚處于起步階段。考慮到上海磁浮專線已運營多年，技術相對成熟、應用經驗相對豐富，更具借鑒意義，所以本文基于上海磁浮系統的常導電磁懸浮技術，對真空管道高速磁浮系統開展研究，初步分析可能的典型故障，探索相應的應急處置方式，并對該系統未來安全方面的研究作出展望。

2 典型故障分析

通過對真空管道高速磁浮系統進行分析，系統的典型故障主要有車體失壓故障、懸浮功能故障、真空管道故障及登車通道故障等，下面對各故障進行簡要分析。

2.1 車體失壓故障

真空管道高速磁浮列車運行于密閉管道中，目前國內外研究中對管道真空度的選擇大多集中于1 kPa～10 kPa，人類無法在該氣壓下生存，列車采用類似飛機或宇航器的密封艙體設計，并相應配置生命支持系統及輔助設施，確保乘客在車內可正常呼吸。當發生車體失壓故障時，車內氣壓將會逐漸降低，如不能及時處置，將有可能對乘客造成嚴重的傷害，根據目前的研究，低氣壓可能對人體造成缺氧、肺部損傷甚至體液沸騰等[7]。如果發生車體爆裂等嚴重事故，車內氣壓將會急劇下降，將會造成乘客迅速窒息等嚴重后果。可能造成車體失壓故障的主要原因有：列車生命支持系統故障(如供氧系統故障等)、車體結構破損、密封失效等。

2.2 懸浮功能故障

常導高速磁浮列車采用電磁懸浮，懸浮系統包括懸浮電磁鐵、懸浮傳感器和懸浮控制器等設備。列車依靠安裝于懸浮架上的懸浮電磁鐵與軌道之間的吸力保持懸浮，通過氣隙傳感器測量車輛懸浮氣隙，采用懸浮控制器動態調節列車的懸浮力，維持懸浮氣隙的相對穩定。如果高速行駛中的列車發生嚴重的懸浮系統故障，列車可能與軌道劇烈摩擦甚至脫軌。懸浮功能故障主要由懸浮系統設備故障引發，此外由于懸浮系統依靠車載發電機供電，當列車動力系統發生故障時，若不能提供接觸軌供電，列車僅能依靠車載蓄電池短時懸浮。當列車懸浮功能出現故障時，若故障影響程度較輕，仍然可維持懸浮功能；若故障嚴重，導致列車完全失去懸浮能力，需采用工程車進行救援。

2.3 真空管道故障

真空管道是真空管道高速磁浮系統區別于常規高速磁浮系統的核心特點，同時也是道岔、軌道、氣閘門及乘客登車通道等設備設施的安裝基礎，真空管道系統的安全可靠對系統的運行起到了至關重要的作用。真空管道的典型故障主要有管道結構損壞(管道裂縫、斷裂破壞)、管道配套設施損壞(抽真空設備損壞等)、異物侵限等。真空管道故障可能導致列車運行環境失壓，管道內列車運行阻力迅速增大，影響列車的運行平穩性和安全性，如果發生嚴重的斷裂或異物侵限等故障，將造成災難性的后果。造成該故障的可能原因有管道材料疲勞失效、沿線設備故障等。

2.4 登車通道故障

目前國內外對乘客上下車方式的研究方案主要有兩種：一種為采用氣閘門隔斷車站前后管道，恢復該段氣壓后乘客上下車；另一種為類似飛機登機廊橋的方式，使用登車通道隔絕管道低真空環境，乘客在通道內上下車。考慮到提高運營效率的需求，本文以登車通道方案開展研究。乘客登車通道安裝在車站內的真空管道上，位置與列車車門位置相對應，并配有伸縮結構和密封門，與列車對接完成后可保證通道的氣密性。由于目前對于乘客登車通道的研究僅處于理論研究階段，通過類比屏蔽門等相似設備，推測該系統的典型故障可能有氣密門開閉故障、密封失效等。

3 典型故障應急處置措施

3.1 車體失壓故障

車體失壓故障發生時，列車應自動彈出應急供氧面罩供乘客使用，列車工作人員應做好防護后協助乘客，同時對故障情況進行確認，反饋給列車司機。列車司機及運行控制中心在確認列車位置、故障情況及車上人員等情況后，確定列車緊急救援方式。若故障輕微可通過采取緊急處置措施后減速運行至前方車站進行疏散；若車輛受損嚴重，列車應在線路前方下一停車點處停車，同時封閉故障列車所在區段兩端管道氣閘門并恢復氣壓，確保安全后疏散乘客，采用工程車進行救援。

3.2 懸浮功能故障

懸浮功能故障發生時，列車司機和運行控制中心應確認故障信息，包括故障原因、故障設備、故障嚴重程度等。若列車可維持運行，則應運行至前方車站后清客，返回車輛基地檢修；若列車完全失去懸浮能力，不能維持運行，列車應在線路前方下一停車點處停車，同時封閉故障列車所在區段兩端管道氣閘門并恢復氣壓，確保安全后疏散乘客，采用工程車進行救援。

3.3 真空管道故障

真空管道故障發生時，運行控制中心應立即確認故障的位置、影響范圍、故障原因及可能后果等信息，判斷該故障對行車安全的危害程度。如果安全影響較小，如部分抽氣設備損壞等，列車應及時降速運行以通過該區段，或在確保管道結構不會加劇破壞的前提下，提高該區段抽氣設備的運行功率并組織人員進行搶修，盡快恢復線路的正常運營；如果發生異物侵限等嚴重危及行車安全的故障，應封鎖該區段管道阻止列車駛入，并相應調整全線運行組織計劃，組織人員搶修并排查事故隱患。

3.4 登車通道故障

當登車通道故障發生時，車站值班員應立即通知運行控制中心故障通道的位置及故障類型等故障信息。當出現氣密門開閉故障時，應組織車上及車站乘客由其他車門上下車，車站值班員應封閉故障登車通道的區域進行檢修。當出現密封失效故障時，故障輕微時應組織人員進行及時檢修；故障嚴重則應通知運行控制中心調整列車運行組織計劃，疏散乘客，封閉車站兩端真空管道的氣閘門待恢復氣壓后進行檢修。

4 進一步研究方向

本文對真空管道高速磁浮系統可能的典型故障及相應的應急處置措施進行了初步探討，然而對于系統工程化實施以及保障系統安全運營的目標仍是不足的，在安全保障方面目前還有許多問題有待于進一步研究。

(1)加強監測和預警能力。由于列車運行速度非常高，留給應急處置的時間極短，因此應進一步提升監測和預警能力，可以預先發現故障并提前處置，這將顯著提升系統的安全保障及防災能力。監測預警的內容包括對自然災害的監測和預警及對全線線路、真空管道、各類配套設備設施及列車車輛的狀態監測、故障預警等。

(2)提升緊急救援能力。一方面應研究提升救援措施水平，在故障、事故發生時可迅速組織有效救援，避免造成更加嚴重的后果；另一方面應加強對車體破損搶修設備等車載應急工裝設備，以及供氧面罩、增壓防護服裝等個人應急防護裝備的研究，在遭遇突發事件時能夠更好地保障人員生命和設備設施的安全。

(3)選擇合理系統參數。管道氣壓越低，未經防護的人員暴露在該氣壓下可供應急處置的時間越短；而管道氣壓越高，列車運行阻力將大幅提高，因此對于管道真空度大小及用于隔斷各段管道的氣閘門設置間隔等問題，應綜合系統緊急救援疏散難易度、維持管道壓強難易度、列車運行阻力等因素，兼顧經濟性與安全性進行考慮。

5 結語

真空管道高速磁浮交通系統理論上具有高速、高效、環保、安全等優勢，在不遠的未來可能具有良好的運用價值，但目前仍有很多技術問題亟待探索。本文從車體失壓故障、懸浮功能故障、真空管道故障及登車通道故障4個方面初步探究了真空管道高速磁浮交通系統的典型故障及相應的處置措施，并從安全運營角度進一步梳理了需要研究的問題，希望對未來真空管道高速磁浮交通系統的建設運營提供借鑒。