超級(jí)高鐵（Hyperloop）可行性分析

1 研究背景

超級(jí)高鐵（Hyperloop）是一種以真空管道運(yùn)輸為理論核心的交通系統(tǒng)，具有超高速、高安全性、低能耗、噪聲小、污染小等特點(diǎn)。自從美國特斯拉公司首席執(zhí)行官埃隆 · 馬斯克（Elon Musk）在2013年提出Hyperloop理念后，許多研究機(jī)構(gòu)、商業(yè)公司對(duì)此進(jìn)行了深入的研究和探討。美國加利福尼亞州和法國Hyperloop測試線路的規(guī)劃和建設(shè)、迪拜和中國Hyperloop商用線路的規(guī)劃，以及西班牙Hyperloop原型車的展示，都使人們對(duì)真空管道中高速運(yùn)輸系統(tǒng)的可行性和性能產(chǎn)生了極高的期望。Hyperloop相關(guān)論文的主要研究方向有車輛的設(shè)計(jì)和優(yōu)化、運(yùn)輸系統(tǒng)性能評(píng)定，以及環(huán)境影響和成本評(píng)估。

其實(shí)，世界上最早的真空管道運(yùn)輸理念是瑞士于1974年提出的Swissmetro理念，即低真空管道中的磁懸浮鐵路。但2009年，瑞士聯(lián)邦議會(huì)以項(xiàng)目缺乏資金支持為由，拒絕了日內(nèi)瓦—洛桑試點(diǎn)線路（35億瑞士法郎）的許可證申請(qǐng)，這一理念也隨之成了空想。此外，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的運(yùn)輸科學(xué)家在歐洲市場研究中也發(fā)現(xiàn)了Swissmetro項(xiàng)目失敗的另一原因：即使在非常樂觀的假設(shè)下，其預(yù)期收入也不能覆蓋路線與車輛的投資和維護(hù)成本。

實(shí)現(xiàn)（低）真空管道中高速運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵在于，開發(fā)一種用于地面、地下或水中的全新長途運(yùn)輸系統(tǒng)。它一方面可在旅行時(shí)間和舒適性方面與飛機(jī)媲美，但比飛機(jī)的能源消耗更低，對(duì)環(huán)境的污染更少;另一方面能夠以低于高速鐵路的投資、運(yùn)營和維護(hù)成本確保充足的運(yùn)輸能力。為此，需要解決的基本技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境問題如下：

（1）從中期或長期來看，長距離高速交通會(huì)有怎樣的運(yùn)輸需求和運(yùn)輸能力;

（2）引入速度為500～1 200 km/h的新客運(yùn)系統(tǒng)有哪些技術(shù)障礙;

（3）像Hyperloop這樣的高速運(yùn)輸系統(tǒng)會(huì)對(duì)空間/土地使用、能源、氣候、環(huán)境和安全產(chǎn)生什么影響;

（4）Hyperloop的預(yù)期開發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施投資、運(yùn)營和維護(hù)成本是否可以明顯低于飛機(jī)、高速鐵路或磁懸浮鐵路，并由收入覆蓋;

（5）對(duì)于（低）真空管道中新型高速運(yùn)輸系統(tǒng)的研發(fā)，其主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)挑戰(zhàn)是什么。

2 可行性分析

2.1 高速運(yùn)輸需求估算

如果客運(yùn)量、旅行速度和需求價(jià)格彈性為已知，則可以使用模擬模型，根據(jù)較大機(jī)場之間定期航班或高速鐵路線路的客運(yùn)量、旅行時(shí)間和旅行成本，確定速度為500～1 500 km/h的長途運(yùn)輸系統(tǒng)的潛在客運(yùn)需求量。由于航空運(yùn)輸公司和鐵路運(yùn)輸公司出于競爭的考慮未發(fā)布相關(guān)數(shù)據(jù)，而且目前沒有該細(xì)分市場相關(guān)的較新科學(xué)研究結(jié)果，因此只能基于官方統(tǒng)計(jì)的少量定期航班客運(yùn)數(shù)據(jù)以及對(duì)于Hyperloop可能份額的假設(shè)，做出對(duì)Hyperloop系統(tǒng)客運(yùn)需求的粗略估計(jì)。

2016年，美國國內(nèi)定期航班的客運(yùn)總量為7.2億人次（占公共客運(yùn)總量的77.3%），平均旅行里程為1476km/人次。對(duì)于較大機(jī)場之間（如洛杉磯機(jī)場—舊金山機(jī)場）的航線，沒有關(guān)于定期航班和乘客數(shù)量的具體官方信息。馬斯克將洛杉磯機(jī)場—舊金山機(jī)場航線的年客運(yùn)量定為600萬人次，并以此推出Hyperloop可在運(yùn)輸高峰時(shí)段占有70%的市場份額。當(dāng)然，這是基于Hyperloop線路票價(jià)極低的假設(shè)（馬斯克假設(shè)洛杉磯—舊金山長達(dá)563km的Hyperloop線路票價(jià)僅為20 美元），這種期望看似不切實(shí)際。

而2016年，德國國內(nèi)定期航班客運(yùn)總量僅為2370 萬人次（占公共運(yùn)輸總量的8.4%），平均旅行里程為439km/人次，而國際航班客運(yùn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美國。德國主要機(jī)場之間，以及與主要國際機(jī)場（如倫敦、巴黎等）之間的距離一般在400～1000km，定期航班客運(yùn)量為每年每個(gè)方向100萬～200萬人次。由此推斷，這些機(jī)場之間的最大客運(yùn)量約為每天每個(gè)方向10000 人次。上文提到的Swissmetro磁懸浮鐵路蘇黎世—日內(nèi)瓦段的預(yù)計(jì)客運(yùn)量為4000人次/天。

如果德國2個(gè)較大機(jī)場之間有Hyperloop線路，估計(jì)Hyperloop占有的市場份額不可能高于目前的航空客運(yùn)量。這意味著，即使不考慮票價(jià)水平及其與飛機(jī)票、火車票價(jià)格的差異這些影響因素，距離超過400 km的2 個(gè)較大城市之間的Hyperloop線路在中期的最大預(yù)期客運(yùn)量約為每天每個(gè)方向2 000人次。

2.2 高速運(yùn)輸替代技術(shù)對(duì)比

現(xiàn)有的中距離高速公共交通系統(tǒng)有飛機(jī)和高速列車。雖然商用飛機(jī)的最大速度可達(dá)900 km/h，但由于飛機(jī)起飛、著陸，以及在機(jī)場候機(jī)、登機(jī)、下機(jī)所需耗費(fèi)的時(shí)間，即使嚴(yán)格按照飛行計(jì)劃，定期航班在距離為400～1000km機(jī)場之間的平均速度也只有400～500km/h。

法國高速列車在測試運(yùn)行階段的最高速度可達(dá)到575 km/h;然而，在投入運(yùn)營后，由于線路的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)限制，其最大運(yùn)行速度僅為250～350 km/h。高速列車的平均速度在很大程度上取決于車站之間的距離、中間站的停車時(shí)間、線路占用率和行車時(shí)刻表同步情況，通常為150～250km/h。日本磁懸浮列車SC Maglev在測試運(yùn)行時(shí)的最大速度可達(dá)603 km/h。在日本東京—名古屋286 km長的磁懸浮中央新干線線路上（目前在建設(shè)中，預(yù)計(jì)2027年投入使用），列車的設(shè)計(jì)最大和平均運(yùn)行速度分別為500 km/ h和429km/h。德國開發(fā)的磁懸浮列車Transrapid的設(shè)計(jì)速度與日本的SC Maglev大致相同，但出于節(jié)能的考慮，其在上海30km的機(jī)場支線上的實(shí)際運(yùn)行速度僅為300km/h。瑞士Swissmetro磁懸浮列車在低真空管道中的最高設(shè)計(jì)速度為500～700km/ h，在線路上的平均設(shè)計(jì)速度約為320km/ h。與德國Transrapid列車相比，瑞士Swissmetro列車較窄（3.2m）、較短（78 m），座位較少（200～350個(gè)），設(shè)計(jì)發(fā)車間隔為3min。然而，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的運(yùn)輸科學(xué)家經(jīng)過市場研究對(duì)后者提出了質(zhì)疑，由于列車停站前后的一系列操作，如打開/關(guān)閉氣閘、在車輛與站臺(tái)之間抽吸/泵送空氣、關(guān)閉/打開車門，以及安全檢查，會(huì)使乘客上車/下車所需的時(shí)間大大延長。因此，Swissmetro列車的最小發(fā)車間隔應(yīng)為5～6 min（表1）。

2.4 定線、建筑和空間整合分析

Hyperloop的速度極高，因此其線路的豎曲線半徑必須非常平緩（速度480km/h時(shí)為30km，速度1200km/h時(shí)為200 km），縱向坡度改變時(shí)需要較長的坡道，而且水平曲線半徑必須非常大（速度480 km/h時(shí)為7 km，速度1 200 km/h時(shí)為45 km，理想的外軌超高約為400 mm），以保證與鐵路同樣舒適的乘車體驗(yàn)。若水平曲線半徑較小，則列車高速駛過曲線時(shí)，乘客、車輛和驅(qū)動(dòng)磁鐵固定裝置會(huì)承受非常高的側(cè)向加速度（>2 m/s2）。要對(duì)與車輛重量和速度相關(guān)的外軌超高，驅(qū)動(dòng)磁鐵、支撐磁鐵和導(dǎo)向磁鐵之間的氣隙，以及Hyperloop列車與真空管內(nèi)壁之間的氣隙進(jìn)行自動(dòng)控制和安全監(jiān)測，極其困難。

此外，在厚約3 cm的巨大鋼制管道中制造和保持真空是巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。如何對(duì)各個(gè)管段之間的伸縮縫（如焊縫、電纜管路開口、氣壓隔板和緊急門等）進(jìn)行密封，并使之能夠承受溫度變化造成的材料應(yīng)力，是保持管內(nèi)真空的關(guān)鍵問題。然而，在2個(gè)Hyperloop管道之間實(shí)現(xiàn)密封連接，目前在技術(shù)上不可行。

對(duì)于候車室、乘客進(jìn)出口、車輛蓄電池更換處以及車輛停車線的設(shè)計(jì)和空間整合要比圖3中復(fù)雜得多。在歐洲人口稠密地區(qū)，將Hyperloop真空管道整合到現(xiàn)有城市建筑中會(huì)造成社會(huì)和環(huán)境問題，因?yàn)楦叽蟮墓艿罆?huì)對(duì)附近居民區(qū)產(chǎn)生光學(xué)遮擋效應(yīng)，民眾難以接受。線路的規(guī)劃、建設(shè)和維護(hù)，都需要民眾的參與和法律基礎(chǔ)上的政治決策，為此，規(guī)劃和建設(shè)方必須提供需求、環(huán)境兼容性、經(jīng)濟(jì)性和公共安全相關(guān)的證明。鑒于目前無法預(yù)測最高速度可達(dá)1 200 km/h的Hyperloop在建設(shè)和運(yùn)行中將面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)，因此無法預(yù)見Hyperloop能否在歐洲取得建筑和運(yùn)營許可證。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

Hyperloop線路的經(jīng)濟(jì)性取決于其成本與收入。Hyperloop線路的成本包括：①融資、土地購置、通行權(quán)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（包括供電、安全和通信設(shè)施在內(nèi)）成本，以及車輛研發(fā)、測試和采購成本;②規(guī)劃和運(yùn)營（人員、能源、管理、車間、備件、租賃等）成本;③合同、特許權(quán)、保險(xiǎn)。其收入包括票務(wù)收入和諸如廣告、技術(shù)使用費(fèi)等其他收入。與其他高速運(yùn)輸系統(tǒng)相比，Hyperloop的旅行時(shí)間增益、舒適性、可靠性、安全性和票價(jià)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)其市場份額、旅客數(shù)量和旅客旅行距離產(chǎn)生影響。

Hyperloop基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成本主要取決于真空管和站點(diǎn)的數(shù)量、線路長度、地下和地上線路占比，以及所使用的供電、運(yùn)行控制和安全系統(tǒng)。將上海Transrapid磁懸浮鐵路的建設(shè)費(fèi)用（4 000萬歐元/km）作為參考，預(yù)計(jì)阿布扎比—迪拜93 km的Hyperloop線路將耗資48億美元，即5 200萬美元/km。馬斯克預(yù)計(jì)的洛杉磯—舊金山Hyperloop線路將花費(fèi)54億美元（1000萬美元/km）非常不現(xiàn)實(shí)，實(shí)際花費(fèi)可能增加5～10倍。

馬斯克預(yù)估的每列Hyperloop列車150萬美元的成本也可能太低。如果不考慮Hyperloop膠囊為實(shí)現(xiàn)高達(dá)9.81 m/s2的加速度及1 200 km/h的速度需耗費(fèi)更高成本這一事實(shí)，假設(shè)Hyperloop車輛購置成本與Transrapid相當(dāng)，則其平攤到每個(gè)座位的成本至少為170 000歐元。根據(jù)馬斯克的預(yù)估，洛杉磯—舊金山線路每天將開行40 列列車，可推算出Hyperloop線路每小時(shí)每個(gè)方向的最大客流量為336人次。而且，馬斯克設(shè)想，Hyperloop的全部電能需求可以通過太陽能電池滿足，無須使用化石燃料，這是推測出的結(jié)論。目前尚無法對(duì)Hyperloop的運(yùn)行和維護(hù)成本進(jìn)行確切估算。因此，馬斯克期望通過洛杉磯—舊金山線路僅20美元/趟的票價(jià)覆蓋其投資、運(yùn)營和維護(hù)成本，是難以實(shí)現(xiàn)的。

3 結(jié)論

（1）Hyperloop與現(xiàn)有其他高速運(yùn)輸系統(tǒng)的最大區(qū)別是Hyperloop車輛的容量非常小，運(yùn)輸能力相對(duì)較低。其座位數(shù)少，單管雙向運(yùn)營，對(duì)安全和環(huán)保的要求嚴(yán)格，這些因素可能是提高其運(yùn)輸能力的最大障礙。而且Hyperloop投資成本巨大，嚴(yán)重降低其經(jīng)濟(jì)性。未來對(duì)Hyperloop的運(yùn)輸需求將取決于其在旅行時(shí)間增益、票價(jià)、旅行舒適性、技術(shù)可靠性和安全性方面相對(duì)于其他運(yùn)輸系統(tǒng)是否具有綜合性優(yōu)勢(shì)。

（2）Hyperloop極高的加速度和制動(dòng)減速度會(huì)給未經(jīng)訓(xùn)練的旅客帶來不好的乘坐體驗(yàn)。研發(fā)人員應(yīng)針對(duì)車輛加速和減速過程的優(yōu)化（以免產(chǎn)生令人不適的顛簸）、低真空管道中的能量需求和車輛的安全運(yùn)行控制這3方面進(jìn)行更深入的研究。

（3）鑒于政治和法律方面的考慮，在歐洲人口稠密的地區(qū)以及大城市附近征購私人地產(chǎn)，建造具有極大曲線半徑的Hyperloop地上路線幾乎不可能。

（4）Hyperloop高速運(yùn)輸系統(tǒng)能否節(jié)省化石能源，降低噪聲，減少空氣污染，目前仍然存疑，需要進(jìn)行更深入的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]Ingo A. Hansen. Hochgeschwindigkeitsverkehr in Vakuumr?hren：Ist Hyperloop machbar？[J] Eisenbahntechnische Rundschau，2019，68（11）：22-29.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-02-23