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天风证券-建筑装饰行业交通强国系列之高铁新科技:三项高速列车核心技术储备未来将成为战略重要一环-200111
2020-01-12 09:23:23  唐笑,岳恒宇,肖文劲
研报摘要

  高速列车科技超速发展,多项规划共画交通强国蓝图
  在《交通强国建设纲要》报告中,明确划分了高速铁路网的速度划分。高速铁路主通道规划新增项目,特大城市,区域铁路连接线等地区的铁路速度进行了更细致的要求。而传统铁路速度仅为平均时速140公里左右,已无法满足交通强国建设的交通圈要求。对时速600公里级高速磁悬浮系统、时速400公里级高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统、低真空管(隧)道高速列车等技术储备的研发已然成为完善高速铁路网,建设交通强国过程中的重要一环。
  从近几年的发展变化中也可以看出,高速铁路的营业占比在不断提高,高速铁路已经成为当代中国的重点发展技术。而纲要“全国123出行交通圈”和“全球123快货物流圈”则对高速铁路的整体速度及铁路覆盖率提出更高的要求。
  重新定义速度:时速400公里级高速轮轨客运列车系统
  目前我国对400km/h高铁技术已开展研究,并且取得了较好成果,在技术上已经可以达到时速400公里级标准的高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统。400km/h时速标准高速轮轨客运列车试验在舒适度指标、绿色指标上仍不达标,存在车内噪音及环境噪音较高,能耗大幅度上升,碳排放过量等问题。最为关键的是,至今为止尚未正式立项研究编制设计规范等标准,时速400公里高铁设计方案才通过国家评审。更快的速度就要求通过更高强度的钢筋铁轨及高标号混凝土对现有铁路进行铁路处理,并对铁路结构进行改造优化。通过对现有铁路适当局部改造,时速400公里高速轮轨客车是可以在现有建好的铁路上进行运营的。
  21世纪悬浮艺术,新颖通勤方式——磁悬浮
  截止到目前,我国现已开通三条中低速磁悬浮列车,高速磁悬浮列车虽然已建造出样车,但仍未投入实际商业运营。备受瞩目的是,《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中提到了长三角将积极审慎开展沪杭等磁悬浮项目规划研究。建成后的磁浮交通将缩短从杭州到上海的通勤时间,实现仅需半小时达到,浙江省全域、长三角区域将切实实现同城化。相比时速400km高铁,磁悬浮高铁对地理环境的要求更为严苛,因此其普适性较低。以目前形势看,磁悬浮列车会优先在一二线城市及交通较发达地区进行发展,最终形成“全国123出行交通圈”的重要组成部分。
  低真空管道高速列车:马斯克超级环不再是梦想,烟大海底隧道获审批
  低真空管(隧)道高速列车系统涉及到真空管道高速列车,类似马斯克之前提出的超级环真空隧道列车,不过国内提出的目标更加实际一些,是低真空管(隧)道高速列车,速度也没有公布。这种方法将极大减小列车运行的能耗,同时大幅度提高列车速度上限。
  在2019年国际桥梁与隧道技术大会上,中科院院士孙钧表示,渤海湾跨海通道的内部研究到关键节点,课题组已完成通道方案战略性规划研究报告并上报国家发改委审批,初步估算项目资金3000亿元,且有望于2025年前开工。但是其在安全性、实际效益等方面仍存在一定质疑。
  技术储备:告别“跟跑时代”,中国高铁续写“技术领跑”传奇
  近年来,中国在高铁车辆研制、线路建设、智能控制等方面逐步实现了“三级跳”:从引进国外技术“跟跑”,到消化、吸取先进经验“并跑”,进而在关键领域自主再创新“领跑”,走出了一条由“中国制造”到“中国创造”的传奇道路。而随着高铁里程规模不断扩大,相关产业获得发展机遇的同时,相关概念股也将受益良多。例如中国中铁、中国铁建等作为基建领域龙头将显著受益于此轮规模扩张机遇。
  风险提示:高铁技术研发尚未成功,相关法律规范尚未出台。
  
研报全文

天风证券-建筑装饰行业交通强国系列之高铁新科技:三项高速列车核心技术储备未来将成为战略重要一环-200111

行业报告|行业专题研究1建筑装饰证券研究报告2020年01月11日投资评级行业评级强于大市(维持评级)上次评级强于大市编辑唐笑分析师SAC执业证书编号:S1110517030004tangx@tfzq.com岳恒宇分析师SAC执业证书编号:S1110517040005yuehengyu@tfzq.com肖文劲分析师SAC执业证书编号:S1110519040001xiaowenjin@tfzq.com资料来源:贝格数据相关报告1《交通强国系列之铁路专用线:八千亿市场在望,或成“十四五”规划热点》2019-10-252《交通强国之长三角一体化:顶层设计+基建撬动,长三角进入全面提速期》2019-09-203《交通强国之市域铁路:发展趋势+政策东风,市域快轨步入建设快车道》2019-09-20行业走势图交通强国系列之高铁新科技:三项高速列车核心技术储备未来将成为战略重要一环高速列车科技超速发展,多项规划共画交通强国蓝图在《交通强国建设纲要》报告中,明确划分了高速铁路网的速度划分。

高速铁路主通道规划新增项目,特大城市,区域铁路连接线等地区的铁路速度进行了更细致的要求。

而传统铁路速度仅为平均时速140公里左右,已无法满足交通强国建设的交通圈要求。

对时速600公里级高速磁悬浮系统、时速400公里级高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统、低真空管(隧)道高速列车等技术储备的研发已然成为完善高速铁路网,建设交通强国过程中的重要一环。

从近几年的发展变化中也可以看出,高速铁路的营业占比在不断提高,高速铁路已经成为当代中国的重点发展技术。

而纲要“全国123出行交通圈”和“全球123快货物流圈”则对高速铁路的整体速度及铁路覆盖率提出更高的要求。

重新定义速度:时速400公里级高速轮轨客运列车系统目前我国对400km/h高铁技术已开展研究,并且取得了较好成果,在技术上已经可以达到时速400公里级标准的高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统。

400km/h时速标准高速轮轨客运列车试验在舒适度指标、绿色指标上仍不达标,存在车内噪音及环境噪音较高,能耗大幅度上升,碳排放过量等问题。

最为关键的是,至今为止尚未正式立项研究编制设计规范等标准,时速400公里高铁设计方案才通过国家评审。

更快的速度就要求通过更高强度的钢筋铁轨及高标号混凝土对现有铁路进行铁路处理,并对铁路结构进行改造优化。

通过对现有铁路适当局部改造,时速400公里高速轮轨客车是可以在现有建好的铁路上进行运营的。

21世纪悬浮艺术,新颖通勤方式——磁悬浮截止到目前,我国现已开通三条中低速磁悬浮列车,高速磁悬浮列车虽然已建造出样车,但仍未投入实际商业运营。

备受瞩目的是,《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中提到了长三角将积极审慎开展沪杭等磁悬浮项目规划研究。

建成后的磁浮交通将缩短从杭州到上海的通勤时间,实现仅需半小时达到,浙江省全域、长三角区域将切实实现同城化。

相比时速400km高铁,磁悬浮高铁对地理环境的要求更为严苛,因此其普适性较低。

以目前形势看,磁悬浮列车会优先在一二线城市及交通较发达地区进行发展,最终形成“全国123出行交通圈”的重要组成部分。

低真空管道高速列车:马斯克超级环不再是梦想,烟大海底隧道获审批低真空管(隧)道高速列车系统涉及到真空管道高速列车,类似马斯克之前提出的超级环真空隧道列车,不过国内提出的目标更加实际一些,是低真空管(隧)道高速列车,速度也没有公布。

这种方法将极大减小列车运行的能耗,同时大幅度提高列车速度上限。

在2019年国际桥梁与隧道技术大会上,中科院院士孙钧表示,渤海湾跨海通道的内部研究到关键节点,课题组已完成通道方案战略性规划研究报告并上报国家发改委审批,初步估算项目资金3000亿元,且有望于2025年前开工。

但是其在安全性、实际效益等方面仍存在一定质疑。

技术储备:告别“跟跑时代”,中国高铁续写“技术领跑”传奇近年来,中国在高铁车辆研制、线路建设、智能控制等方面逐步实现了“三级跳”:从引进国外技术“跟跑”,到消化、吸取先进经验“并跑”,进而在关键领域自主再创新“领跑”,走出了一条由“中国制造”到“中国创造”的传奇道路。

而随着高铁里程规模不断扩大,相关产业获得发展机遇的同时,相关概念股也将受益良多。

例如中国中铁、中国铁建等作为基建领域龙头将显著受益于此轮规模扩张机遇。

风险提示:高铁技术研发尚未成功,相关法律规范尚未出台。

-11%-4%3%10%17%24%31%2019-012019-052019-09建筑装饰沪深300行业报告|行业专题研究2内容目录1.高速列车业务超速发展,多项规划共画交通强国蓝图.........................................................42.重新定义速度:时速400公里级高速轮轨客运列车系统....................................................52.1.高速轮轨客运列车:载客量非常高,整体班次较为密集................................................52.2.时速400公里是否可行?技术及安全指标已然实现,编制设计规范仍未出台......52.2.1.安全指标:高速≠脱轨,多项安全技术为高速轮轨客运列车保驾护航........62.2.2.舒适度指标:“高铁辐射超标”系无稽之谈,车内噪音为主要制约因素....72.2.3.绿色指标:环境噪音增大,能耗大幅度提高...........................................................72.3.时速400公里动车组装配进行时,预计将于年初下线....................................................82.3.1.高铁动车组研发:噪音问题预计解决,但实际实施效果有待考察.................82.3.2.工程难关和准备:技术方面已然实现,实施条件上仍存在较大问题..............82.4.适用地区:以“八横八纵”为起点,逐步实现“全国123出行交通圈”.............113.21世纪悬浮艺术,新颖通勤方式——磁悬浮.........................................................................123.1.磁悬浮技术体系:以磁力克服重力,无接触磁力支撑降低能量损耗.......................123.1.1.EMS(常导电磁浮型)....................................................................................................123.1.2.EDS(超导电磁浮型).....................................................................................................133.2.有轮子还是没轮子:磁悬浮列车优势较为明显,但技术问题仍需解决..................143.2.1.搭接结构容错控制问题...................................................................................................143.2.2.主动导向控制问题............................................................................................................153.2.3.测量的差距问题.................................................................................................................153.3.磁悬浮发展历史与我国磁悬浮发展现状..............................................................................163.4.展望磁浮技术最前沿,多项政策下前景可期.....................................................................204.低真空管道高速列车系统:马斯克超级环不再是梦想,烟大海底隧道已获审批.........204.1.低真空管隧道高速列车系统:摩擦系数大幅度减小,潜力无限................................204.2.烟大海底隧道:项目已获审批,但仍存在一定问题.......................................................225.技术储备:告别“跟跑时代”,中国高铁续写“技术领跑”传奇..................................22图表目录图1:高速铁路网时速标准..........................................................................................................................4图2:传统客运列车........................................................................................................................................5图3:高速轮轨客运列车...............................................................................................................................5图4:400km/h高速轮轨客运列车实际落地影响因素.......................................................................6图5:时速400公里高铁环境示意图.......................................................................................................7图6:和谐号CRH5E型动车组示意图......................................................................................................8图7:时速400公里高铁运营示意图.....................................................................................................10图8:中国高速铁路网中长期规划示意图............................................................................................11图9:EMS简图...............................................................................................................................................12图10:EDS技术简图....................................................................................................................................13图11:EDS简图.............................................................................................................................................13行业报告|行业专题研究3图12:单点悬架故障....................................................................................................................................14图13:电流激荡和突变问题......................................................................................................................15图14:悬架间隙测量问题..........................................................................................................................15图15:上海浦东机场线磁悬浮列车........................................................................................................17图16:我国时速600公里高速磁浮试验样车在青岛下线..............................................................19图17:磁悬浮列车........................................................................................................................................19图18:时速600公里每小时的高速磁悬浮列车实车.......................................................................20图19:低真空管(隧)道高速列车系统示意图.................................................................................21图20:低真空管(隧)道高速列车系统示意图.................................................................................21图21:低真空管(隧)道高速列车运行示意图.................................................................................21图22:烟大海底隧道示意图......................................................................................................................22图23:清远磁浮旅游专线示意图............................................................................................................23图24:“新时代号”新一代中低速磁浮列车示意图.......................................................................24表1:《交通强国建设纲要》对未来的规划及要求..............................................................................4表2:2016年复兴号的试验数据...............................................................................................................6表3:电磁环境指标中国及国际标准限制..............................................................................................7表4:线路方面控制措施及可降噪幅度...................................................................................................9表5:动车组仿真优化方案前后对比.....................................................................................................10表6:中国现有大型高铁运营情况..........................................................................................................11表7:有无轮列车特点与对比...................................................................................................................14表8:各国磁悬浮技术发展历史...............................................................................................................16表9:各国磁悬浮列车速度历史记录......................................................................................................16表10:我国磁悬浮列车信息......................................................................................................................18行业报告|行业专题研究4高速列车业务超速发展,多项规划共画交通强国蓝图在《中长期铁路网规划》的基础上,在2019年9月19日,中共中央、国务院印发了《交通强国建设纲要》,在铁路方面对之前的规划实施情况进行了总结,并对未来中国铁路网发展进行了更具体、更细致的规划。

表1:《交通强国建设纲要》对未来的规划及要求现在-2020年完成决胜全面建成小康社会交通建设任务和“十三五”现代综合交通运输体系发展规划各项任务,为交通强国建设奠定坚实基础。

从2021年到本世纪中叶,分两个阶段推进交通强国建设第一阶段:2021年-2035年到2035年,基本建成交通强国。

现代化综合交通体系基本形成,拥有发达的快速网、完善的干线网、广泛的基础网,城乡区域交通协调发展达到新高度;基本形成“全国123出行交通圈”(都市区1小时通勤、城市群2小时通达、全国主要城市3小时覆盖)和“全球123快货物流圈”(国内1天送达、周边国家2天送达、全球主要城市3天送达),旅客联程运输便捷顺畅,货物多式联运高效经济;城市交通拥堵基本缓解,无障碍出行服务体系基本完善;交通科技创新体系基本建成,基本实现交通治理体系和治理能力现代化;交通国际竞争力和影响力显著提升。

第二阶段:2035年-本世纪中叶到本世纪中叶,全面建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国。

基础设施规模质量、技术装备、科技创新能力、智能化与绿色化水平位居世界前列,交通安全水平、治理能力、文明程度、国际竞争力及影响力达到国际先进水平,全面服务和保障社会主义现代化强国建设,人民享有美好交通服务。

资料来源:《交通强国建设纲要》,天风证券研究所同时纲要在第五部分——“科技创新富有活力、智慧引领”中指出,“强化前沿关键科技研发。

……加强区域综合交通网络协调运营与服务技术、城市综合交通协同管控技术、基于船岸协同的内河航运安全管控与应急搜救技术等研发。

合理统筹安排时速600公里级高速磁悬浮系统、时速400公里级高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统、低真空管(隧)道高速列车等技术储备研发。

”从近几年的发展变化中也可以看出,高铁营业里程占铁路营业总里程的比重在不断提高,高速铁路已经成为当代中国的重点发展技术。

而纲要“全国123出行交通圈”和“全球123快货物流圈”则对高速铁路的整体速度及铁路覆盖率提出更高的要求。

同时,报告还明确划分了高速铁路网的速度划分。

高速铁路主通道规划新增项目,特大城市,区域铁路连接线等地区的铁路速度进行了更细致的要求。

而传统铁路速度仅为平均时速140公里左右,已无法满足交通强国建设的交通圈要求。

对时速600公里级高速磁悬浮系统、时速400公里级高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统、低真空管(隧)道高速列车等技术储备的研发已然成为完善高速铁路网,建设交通强国过程中的重要一环。

图1:高速铁路网时速标准资料来源:《中长期铁路网规划》,天风证券研究所行业报告|行业专题研究5重新定义速度:时速400公里级高速轮轨客运列车系统高速轮轨客运列车:载客量非常高,整体班次较为密集根据UIC(国际铁道联盟)的定义,高速铁路是指最高运行速度大于等于200km/h(既有线改造);最高运行速度大于等于250km/h(新建线)。

早在20世初前期,当时火车“最高速率”超过时速200公里者比比皆是,但是这类列车只是在理想条件能达到最高速率,其平均速率、营运速率是无法达到时速200公里的。

直到1964年日本的新干线系统开通,是史上第一个实现“营运速率”高于时速200公里的高速铁路系统。

高速铁路除了在列车在营运达到速度一定标准外,车辆、路轨、操作都需要配合提升。

广义的高速铁路包含使用磁悬浮技术的高速轨道运输系统。

而轮轨系统则是指由车轮和钢轨所组成的一种传统铁路驱动系统。

通过车轮的驱动与钢轨产生摩擦力以趋势以驱动车轮,这种模式的优点是可以保证整体运营的平稳性,提高乘客的舒适度;但缺点是会在驱动过程中造成大量能耗。

图2:传统客运列车图3:高速轮轨客运列车资料来源:台湾地区铁路运输管理局,天风证券研究所资料来源:浙江资讯,天风证券研究所而作为客运列车高速铁路的顾客对象多数以商务旅客为主。

旅游游客是第二主要客户。

以法国高速铁路为例,它连接了海岸的度假区,并且在长程路线上减价以跟飞机竞争。

因为高速铁路的出现,不少以离巴黎现在低于一小时车程的地区开始成为通勤的进宅区。

不少本来是偏远的地区亦得到较快的发展。

西班牙及荷兰的高速铁路亦是希翼得到这种效果。

无论是高速公路或机场都面对挤塞的问题。

高速铁路的优点是载客量非常高。

倘若旅程非以大城市中心为出发及目的地,使用高速铁路加上转乘的时间可能只跟驾驶汽车趋同。

另一方面,虽然高速铁路的速度比不上飞机,但在距离稍短的旅程(650公里以下),高速铁路因为无需到一般是颇为遥远的机场登机,因而仍会较为省时。

而且高速铁路的班次可以较为频密,总载客量亦远高于民航。

时速400公里是否可行?技术及安全指标已然实现,编制设计规范仍未出台在2019年11月21日,中国铁路发展论坛在北京举行。

中国铁道学会理事长、中国工程院院士卢春房作了题为《更高速度轮轨高铁技术探讨》的报告发言,通过脱轨系数、噪音、气压变化等具体试验数据,分析在目前情况下,开行时速400公里轮轨高铁的可行性。

中国现在速度最快的动车组,是在京沪高铁和京津城际铁路上运行的复兴号列车,最高时速为350公里,这也是目前世界上商业运营速度最快的高铁。

其中,京津城际在2008年8月1日开通时速度就是350km/h。

而在高铁发展比较成熟的国家中,日本和法国高铁的最快速度为320公里/小时,西班牙为310公里/小时,德国和意大利为300公里/小时。

《交通强国建设纲要》中提出,未来轮轨高铁的时速需达400公里。

为考虑这一标准的可行性,需要考虑四项技术——线路、动车组、列控系统、牵引供电,即线路要稳、动车要行业报告|行业专题研究6快、列控要准(控制速度准确)、供电要足;同时,还需要考虑四项指标——安全性、舒适性、智能化、绿色化。

图4:400km/h高速轮轨客运列车实际落地影响因素资料来源:《更高速度轮轨高铁技术探讨》,天风证券研究所(绿色部分为已实现部分,红色部分为仍未实现部分)目前对400km/h高铁技术标准已开展研究,取得了较好成果,但尚未正式立项研究编制设计规范等标准;所以从标准角度讲,更高速度高铁建设尚不具备相应条件。

而对尚未实现舒适度、绿色指标,以及非常重要的已经实现的安全指标,本文会进行深度剖析。

安全指标:高速≠脱轨,多项安全技术为高速轮轨客运列车保驾护航2016年,两列复兴号列车在郑徐高铁线路上进行了时速420km/h的交会试验,各项指标均满足安全要求。

在2011年,和谐号CRH380BL还曾在京沪高铁徐州东至蚌埠南之间跑出了487.3km/h的试验速度。

影响列车安全的因素非常多,最重要的是防止列车脱轨。

2016年复兴号的试验数据显示,当轨道曲率半径为9000米、列车速度为420km/h时,脱轨系数为0.34;而当轨道为直线、列车速度为290km/h时,脱轨系数反而增大为0.51。

(注:脱轨系数越大越容易脱轨,中国高铁标准为≤0.8),这是因为高速列车的向心力与其半径成反比关系,当铁路线装曲率越大时,所需要维系平稳的向心力越小,故列车更不容易出轨。

而在直线路程中,因所受风气阻力及摩擦力较大,故更易发生横纵向侧翻。

但也要注意脱轨系数是从静态力学推导出来的参数,适用低速火车。

对高速火车则适用性还有待考察。

表2:2016年复兴号的试验数据郑徐高铁客运列车测试数据线装(曲率)脱轨系数最大值速度级km/h直线0.51290R7000M0.18380/390R8000M0.32320R9000M0.34420R10000M0.24400资料来源:《更高速度轮轨高铁技术探讨》、天风证券研究所试验数据表明,列车不会因为速度更高就更容易脱轨;这些安全性指标跟线路状况和车辆状况密切相关,和运行速度及曲线半径不成正比。

行业报告|行业专题研究7舒适度指标:“高铁辐射超标”系无稽之谈,车内噪音为主要制约因素多项指标都会影响乘车人的舒适性,其中车辆平稳性、车内压力、车内电磁环境、车内噪声、制动加速度等方面不容易快速改变,需长期监测。

在车辆的平稳性方面,试验数据显示,列车在以420km/h速度行驶时,横向和纵向的振动均达到要求。

高铁的平稳性其实跟轨道有很大的关系,大家现在高铁的运行的钢轨都是没有缝隙的,这能够保证了高铁运行的平稳。

同时,钢轨所在的土地问题也是影响平稳性的一大要素,现在大家国家对于高铁运行的土地升降问题控制的十分的严格,可以说误差绝对不能够超过15mm。

我国高速铁路许多都建设在我国东部沿海地区的软土地基上,因此轨道沉降便成了轨道路基面临的一大难题。

轨道沉降会让轨道变得不平顺,甚至引起轨道结构的损坏。

而我国高铁研究团队经过长期钻研,成功提出了一套“车辆—轨道—路基耦合动力分析理论”从而能细致地刻画列车运行引发路基沉降的种种复杂效应;同时对路基沉降的循环累积效应、地铁盾构施工造成的扰动效应等进行定量分析,成功控制和修复路基沉降的问题。

动车内的气压,要求在1秒内变化不超过500帕,3秒内不超过800帕。

时速420公里的列车满足要求,并且复兴号的密闭性整体要好于和谐号CRH380列车。

表3:电磁环境指标中国及国际标准限制中国标准限值工频电场强度工频磁感应强度4000V/m100μT国际ICNRP标准限值工频电场强度工频磁感应强度5000V/m200μT资料来源:《更高速度轮轨高铁技术探讨》、天风证券研究所之前伴随着高铁的总有一种危险论:“中国高铁辐射相比国际大幅度超标”。

而实际上,电磁环境指标主要由电场强度和磁感应强度决定,考虑到乘客及工作人员的电磁辐射问题,中国对于动车组内0-20kHz低频磁场限值甚至给出了比国际标准更严格的规定。

实验表明,列车在时速350公里和420公里行驶时,两个指标均满足标准要求。

关于噪声的标准,要求车厢中部不能超过68分贝。

目前时速350公里的高铁可以满足,但是当列车时速增加到400时,噪声小幅超标,超过标准0.3-1.2分贝,时速达到420时超标更多。

但基于当前减造技术及材料的高速发展且噪音超标有限,预计噪音方面不会成为制约时速400公里高铁发展的主要因素。

高铁在行驶时,制动太快容易因为惯性使乘客前倾或摔跤。

高铁标准要求,列车的制动加速度不得大于1.4m/s2,400km/h的列车制动时满足这一要求。

其实汽车在制动时,加速度的峰值可达到1G(9.8m/s2),高铁远小于这一数值。

总体来说,舒适度随着速度的提升而降低,气压变化值、电磁辐射值是达标的,车辆平稳性接近限值但仍在标准内,车内噪音超标。

绿色指标:环境噪音增大,能耗大幅度提高动车行驶时,除了要考虑车内的噪音,对于铁路轨道周围的噪音影响,也需要考虑。

在铁路轨道25米处收集的数据显示,列车时速为350公里时,噪音基本在96分贝以内;列车时速为420公里时,噪音达到100分贝以上,超过了对环境影响方面的标准。

在能耗方面,时速420公里运行的列车,虽然相比时速350公里列车仅仅提高了几十公里的速度,但是其人均百公里能耗比时速350公里列车高出44%,与速度的平方成正比。

如以该比例计算,时速400公里高速列车能耗约比时速350公里高出30.61%。

同时,高铁的碳排放体现在电厂方面,能耗的增加也会导致电厂的碳排放大大增加,不符合绿色环保的要求。

图5:时速400公里高铁环境示意图行业报告|行业专题研究8资料来源:中铁十局集团第八工程企业,天风证券研究所时速400公里动车组装配进行时,预计将于年初下线高铁动车组研发:噪音问题预计解决,但实际实施效果有待考察时速400公里高速动车组将于今年1月下线,当时中车长春轨道客车股份有限企业主任设计师王雷表示,将于1月下线的列车是可以实际运行的真车,设计速度400km/h,试验速度将达到440km/h。

在11月21日下午,界面资讯记者从王雷处了解到最新进展,目前该车还在装配中,计划今年1月完成,暂时还没有确定未来的试验路线。

时速400公里的动车组,除提高了速度,在跨国互联互通方面也有所提升,设计上满足俄罗斯技术标准,后续可以进入俄罗斯市场。

对于现有复兴号在400km/h测试中车内噪声超标的情况,中车长客制造的新车将不再出现,时速400公里的动车组仍按照68分贝的噪声标准制造,并且已通过计算机模拟仿真实验。

但实际实施的效果还有待考察。

在能耗方面,时速400公里动车组预计减幅达10%,这主要得益于更轻的高铁材料和更有效率的电机。

图6:和谐号CRH5E型动车组示意图资料来源:中车长春轨道客车股份有限企业,天风证券研究所工程难关和准备:技术方面已然实现,实施条件上仍存在较大问题行业报告|行业专题研究9在降噪方面,根据卜建清、高勇利、袁向荣等人的研究,铁路减振、降噪可采用多种措施和方案,是一项涉及多个专业领域的较为复杂的综合技术。

归纳而言,可选用的减振、降噪措施和方案不外乎两类:一类是针对振动和噪声源研究降低源强的办法,使其向外辐射的振波和声波能量尽可能低;另一类则是在噪声、振动的传播途径上采取措施,尽可能增大衰减。

其中降低源强的措施对减振和降噪均有效果。

铁路振动一般以表面波形式传播其振幅和能量。

随着地下深度增加而急剧减小,亦即振动能量主要集中于地表。

因此,要减小铁路振动,使其尽快衰减,关键是阻断其地表传播途径。

可以通过设置地下隔振沟和隔振墙减振。

但要保证沟深必须大于振波波长的1/4。

必须设深度大于5m的防振沟。

沟内可填塞聚氨酯泡沫塑料或类似软质材料,可以同时起到耐压及隔振的作用。

在轨道降噪方面,可采用60kg以上的重轨,并应尽量采用无缝线路。

采用合适的道床和轨道结构型式,增强轨道的弹性。

瑞土联邦铁路和比利时布鲁塞尔自由大学等都在研究新型的弹性轨枕和复合轨枕以减小动力冲击力,这将有效地降低轨道和附近环境的振动。

墩台采用桩基础,可获得比浅平基础好的减振效果。

另外,减轻车辆的簧下质量,避免车辆与轨道产生共振,这样可降低振动强度10-15dB。

表4:线路方面控制措施及可降噪幅度线路方面控制措施可降噪幅度采用重型焊接钢条如采用P60焊接长钢轨长度(一般长度为1-2KM),减少钢轨接缝数目8-10dB(A)修整、研磨轨面波形磨耗2-9dB(A)经常维修轨缝,使之符合标准2-5dB(A)钢轨与轨枕间、钢轨与钢轨间采用弹性紧固件3-5dB(A)国外试用防振钢轨,在钢轨轨腰两侧用橡胶包覆,并用螺栓、支撑件压紧$防振橡胶除阻尼振动、减噪外,还与钢轨一起承受纵、横方向载荷。

3-4dB(A)合理选用轨枕、混凝土轨枕下部有弹性材料,钢轨与混凝土枕间加橡胶垫2-3dB(A)大厚度有碴道床或用有机胶合材料将道床粘结为整体结构,可提高道床承载能力,并减小振动响应,降低噪声。

垃圾焚烧后的残渣用作道碴。

3dB(A)弹性长钢轨轨道,在轨枕和混凝土填充物之间的缝隙中加入便于更换的弹性材料。

3dB(A)(轨道附近)6dB(A)(高架桥)资料来源:卜建清"、高勇利、袁向荣《减小铁路振动与噪声影响的方法》、天风证券研究所轮轨噪声控制要考虑在机车、车辆走行部和线路两方面采取措施,一般应采用隔声、隔振、阻尼减振、减磨和抗磨等技术改善机车车辆纵向、横向动力学性能和动力曲线、几何曲线通过性能,改善轮轨关系,减小轮轨系统激振力。

降低系统对激振的响应从而降低轮轨噪声国外已提出一系列控制轮轨噪声技术措施,但由于其试验条件、列车类型和线路条件不同,所以我国在借鉴时要考虑其实用性、有效性和经济性。

总结而言,开展对高速列车运行噪声控制理论、研究与试验工作亦非常重要。

大家应充分借鉴国外先进技术,认真汲取国外的成功经验;同时结合大家的研究成果,并适时地将这些研究成果加以综合试用和推广,定能使高速列车噪声振动控制问题得以逐步解决。

在能耗方面,根据于浩然的研究,设置不同的牵引传动系统效率参数,牵引传动系统效率的提升对能耗有显著影响,牵引传动系统效率每提升1%,能耗便减少1.03%。

设置不同的动车组质量参数,动车组质量的变化对能耗有影响,动车组质量每降低1%,能耗能够减少0.82%左右。

设置不同的动车组运行阻力,动车组运行阻力的降低对能耗有显著的影响,运行阻力每降低1%,能耗能够减少1.5%左右。

因此,提升牵引传动系统效率可显著地降低动车组的能耗,原因是在牵引传动系统效率提升后动车组能够将牵引功率损耗降低,进而降低网端功率,减少能耗。

同时降低动车组质量和运行阻力是降低能耗最有效的途径。

在动车组的运行阻力中,空气阻力在高速段占据了超过80%的比重,因此可以通过采用仿生学设计车头、优化动车组表面特性以及采用前沿新型降阻技术(电弧流通控制降阻)降低空气阻力,以此提高能耗。

行业报告|行业专题研究10表5:动车组仿真优化方案前后对比仿真实验结果优化前优化后优化方法变压器效率/%9697新型电力电子变压器技术:将变压器技术和电力电子变流技术融合在一起,不仅能够实现变压器的小型化和轻量化,同时具备更高的效率和效率质量比值。

变流器效率/%9798可以利用碳化硅材料禁带宽度高、泄露电流小、导热率高、导通损耗小、耐电压性和耐电流性高等特性,将碳化硅材料和变流器中的功率器件IGBT配套使用,在提升变流器功率和效率的同时,也能够实现变流器的小型化和轻量化。

电动机效率/%9497与传统异步牵引电动机相比较,永磁同步电动机因其结构的特殊性,具有功率密度高、转化效率高、响应速度快的特点,在提升电动机效率的同时,质量能够降低30%,体积减小10%。

牵引传动系统效率/%8589可以在内装零部件(车内、车窗、桌椅和其他内饰等)的设计和制造过程中应用碳纤维、超高强度钢、轻质金属、纳米陶瓷纤维等新型材料,实现整车减重的目的。

动车组质量/t500475通过以上方式降低车体重量运行阻力/kNF0.98F可以通过采用仿生学设计车头、优化动车组表面特性以及采用前沿新型降阻技术(电弧流通控制降阻)降低空气阻力整体能耗/(kW*h)24682137通过上述方式可显著地降低动车组的能耗(降低约16%)资料来源:于浩然《动车组能耗和节能技术研究》、天风证券研究所(注:动车组质量和运行阻力按照降低5%的指标进行仿真,其他约束条件不变。

)总结而言,提升牵引传动系统效率、减轻动车组质量和降低运行阻力可显著地降低动车组的能耗(降低约16%)。

而通过改造铁轨,降低其摩擦系数也是降低运行阻力的一种方式。

在这些条件下,通过对现有铁路进行适当局部改造,时速400公里高速轮轨客车是可以在现有建好的铁路上进行运营的。

首先,在铁路设计之前,通常会根据现有的高铁最高时速进行余量设计,可能设计最高时速300公里的高铁,对铁轨的要求是承受350公里以上。

在此基础上,铁路本身并非实现高铁的核心技术壁垒,整体改造、加固的成本较低。

但也要注意,在铁路提速之后,会加速铁路系统的磨损,且在弯道处易发生脱轨现象。

故需重点在弯道处进行安全性加固,同时提高整体轨道的材料耐耗程度。

而同时,无论是对现有铁路进行改建亦或是新建铁路,都要注意更高时速所带来的安全问题及更大的磨损程度,因此,要更高强度的钢筋铁轨及更高标号混凝土进行铁路处理,按照之前设计铁路时一直采取的余量设计方案,为运营时速400km高铁,铁路负荷速率应达到时速420km及以上。

图7:时速400公里高铁运营示意图资料来源:合肥网,天风证券研究所未来在该技术实现科技创新研究的定位之后,才会真正进行应用。

在最初会进行部分地区的试点运用,之后会将这种高速列车直接应用于现有铁路,但同时可能由于现有环境及技行业报告|行业专题研究11术限制,并不会达到其最高速率。

而在高铁体系逐渐完善,各方面指标均达标准之后,才会以最高速率时速400公里真正应用在“八横八纵”的交通运输网核心路线,提高各地区之间的铁路营业速度,并在未来不断拓宽使用范围,最后应用到全国铁路,真正实现“全国123出行交通圈”。

总结而言,目前我国对400km/h高铁技术已开展研究,并且取得了较好成果,在技术上已经可以达到时速400公里级标准的高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统。

但是通过2016年两列复兴号列车在郑徐高铁线路上进行的时速420km/h的交会试验,发现该时速标准的高速轮轨客运列车系统在舒适度指标、绿色指标上仍不达标,存在车内噪音及环境噪音较高,能耗大幅度上升,碳排放过量等问题。

最为关键的是,至今为止尚未正式立项研究编制设计规范等标准,但时速400公里高铁设计方案已通过国家评审,预计会以这次设计方案为契机,通过设计方案的运行效果及相关指标制定时速400公里高铁的相关技术规范。

适用地区:以“八横八纵”为起点,逐步实现“全国123出行交通圈”国家发展改革委、交通运输部、中国铁路总企业联合发布了《中长期铁路网规划》,勾画了新时期“八纵八横”高速铁路网的宏大蓝图。

“八纵”通道包括沿海通道、京沪通道、京港(台)通道、京哈~京港澳通道、呼南通道、京昆通道、包(银)海通道、兰(西)广通道。

而“八横”通道包括绥满通道、京兰通道、青银通道、陆桥通道、沿江通道、沪昆通道、厦渝通道、广昆通道。

通过“八纵八横”高速铁路网,可覆盖80%以上的大城市。

而作为高速交通网的核心及骨架的高铁技术,时速400公里级高速轮轨(含可变轨距)客运列车系统无疑是储备研发的重中之重。

如在进行模拟实验、实际定点实验的过程中,各项指标,规格均符合标准,则这三种高速铁路建设前沿技术应会优先在京沪高铁和京津城际铁路等新建铁路上进行运营。

这些铁路之前运行复兴号列车,时速达350KM,铁路本身的安全性和耐磨损性与高速列车系统相匹配,可较大程度适应时速400km高速客运列车的运营需求。

表6:中国现有大型高铁运营情况中国现有大型高铁运营情况设计时速运营时速运营距离开通时间武广高速铁路350km/h350km/h1068.8km2009年12月26日郑西高速铁路350km/h310km/h523km2010年2月6日京沪高速铁路380km/h350km/h1318km2011年6月30日哈大高速铁路350km/h300km/h921km2012年12月1日京广高速铁路350km/h300km/h2298km2012年12月26日沪昆高速铁路350km/h300km/h2252km2016年12月28日徐兰高速铁路(宝鸡南站以东至徐州东站)350km/h300km/h401km2017年7月9日京张高速铁路(昌平至下花园北段)350km/h最高350km/h93.2km(全程174km)2019年12月30日资料来源:铁路建设工程网,天风证券研究所而在运营一段时间之后,该技术会在“八纵八横”通道上得以实施。

并且在试运营成功后以“八横八纵”为引导有选择地进行有相符自然条件放入其他铁路建设及改建,最终到2035年,基本建成交通强国。

现代化综合交通体系基本形成,拥有发达的快速网、完善的干线网、广泛的基础网,城乡区域交通协调发展达到新高度;基本形成“全国123出行交通圈”(都市区1小时通勤、城市群2小时通达、全国主要城市3小时覆盖)图8:中长期高速铁路网规划图行业报告|行业专题研究12资料来源:中华人民共和国中央人民政府《中长期铁路网规划》,天风证券研究所而在造价方面,高铁路基的造价根据具体的时速要求有所不同。

世界银行驻中国代表处发表的一份关于中国高铁建设成本的报告指出,时速350公里的项目为1.29亿元/公里;时速250公里的项目是0.87亿元/公里。

而时速400公里的项目的造价目前在国内还没有一个明确的标准,以国内估算的建造工程为标准,约为2亿元/公里。

但是考虑到首次进行尝试,实际建设成本可能会更高。

而如果以现有技术体系对较低速高铁路基进行改造,由于技术限制原因及产品替代因素,可能原成本与改造成本之和将远远超过新建成本。

1.21世纪悬浮艺术,新颖通勤方式——磁悬浮磁悬浮列车(磁力和悬浮)是一种利用磁力来推动的交通工具,和以往借用车轮或轴承的运行方式不同。

一般来讲,磁悬浮列车行驶过程中将非常的平缓且安静,并且由于这种运行方式不依赖摩擦,所以部分程度上也会对天气的要求比较小(较传统车轨需要考虑热胀冷缩问题)。

磁悬浮技术体系:以磁力克服重力,无接触磁力支撑降低能量损耗磁悬浮技术是指利用磁力克服重力使物体悬浮的一种技术。

磁悬浮列车则是由无接触的磁力支承、磁力导向和线性驱动系统组成的新型交通工具。

目前,世界上较为主流的磁悬浮技术有两种:1.1.1.EMS(常导电磁浮型)在EMS系统中,列车悬浮在钢轨上方,而附着在列车上的电磁铁则从下方朝向钢轨。

该系统通常安装在一系列c形臂上,臂的上部与车辆相连,下部内侧边缘包含磁铁。

钢轨位于C形上下边缘之间。

磁力的大小与距离的平方成反比,所以磁铁与钢轨之间距离的微小变化会产生很大的变化力。

这些力的变化在动态上是不稳定的——与最佳位置的轻微偏离趋于增大,这便需要复杂的反馈系统来保持与轨道的恒定距离(大约15毫米(0.59英寸))。

图9:EMS简图行业报告|行业专题研究13资料来源:北京时间,天风证券研究所悬浮磁悬浮系统的主要优势在于,它们可以以任何速度运行,而电动系统只能以30公里/小时(19英里/小时)的最低速度运行。

因而磁悬浮系统可以不像电动系统一样,还需要配备一个单独的低速悬挂系统,从而可以简化轨道布局。

然而,由于磁悬浮列车运行过程中会产生动态不稳定,故需要要求良好的轨道距离公差。

但是为了满足所需的公差,磁铁和钢轨之间的间隙必须增大,同时也要求使轨道间的磁力大到不合理的程度。

但在实践中,这个问题是通过改进的反馈系统来解决它支撑所需的公差。

1.1.2.EDS(超导电磁浮型)在EDS系统中,导轨和列车都施加一个磁场,通过这些磁场之间的斥力和引力使列车悬浮,而在一些情况下,列车只能靠排斥力悬浮。

在早期的磁悬浮发展阶段,磁场是由超导磁体或一组永磁体(如电感磁道)产生的,磁道中的斥力和引力是由磁道中导线或其他导电带中的感应磁场产生的。

图10:EDS技术简图图11:EDS简图资料来源:technologybehindthings.wordpress,com,天风证券研究所资料来源:technologybehindthings.wordpress,com,天风证券研究所EDS磁悬浮系统的一个主要优点是它们是动态稳定的,即轨道和磁铁之间的距离变化会产生强大的力量,使系统回到原来的位置。

此外,吸引力的变化方式相反,提供了相同的调整效果。

不需要主动反馈控制。

然而,在低速行驶时,线圈中产生的电流和由此产生的磁通量不足以使列车悬浮起来。

因行业报告|行业专题研究14此,该类列车必须有轮子或其他形式的起落架来支撑车体重量,直到它达到临界速度。

由于列车可能会在任何地点停下来,比如设备问题,除此之外,整个轨道必须能够同时支撑低速和高速运行。

另一个缺点是,EDS系统会在提升磁铁前后的轨道上自然地产生一个磁场,与磁铁相互作用产生磁阻力。

这种情况通常只在低速情况下才需要考虑,但在较高的速度下,其他模式的阻力占优势。

有轮子还是没轮子:磁悬浮列车优势较为明显,但技术问题仍需解决磁悬浮运输是一种非接触式电动运输方式。

它较少或根本不依赖轮轨系统常见的车轮、轴承与轴。

表7:有无轮列车特点与对比特点传统轮轨列车磁悬浮列车速度基于轮轨的实验高速列车已然实现较高速度允许的最高速度比传统铁路高维护传统钢轨容易受到机械磨损,而且磨损速度会迅速增加,这也增加了维护费用。

只需要对导轨进行最低限度的维护。

车辆保养也很简单(根据工作时间,而不是速度或行驶距离)。

天气接触系统加大了恶劣天气的影响效果由于是非接触系统,很少受到雪、冰、严寒、雨或大风的影响。

轨道传统高速列车尽管速度较低,但避免了新建交通设施,从而避免高昂的重建费用。

磁悬浮列车与传统轨道不兼容,因此需要定制整个线路的基础设施。

单独的磁悬浮基础设施的全天候运营可用性和名义维护成本更高,超出了其本身的成本。

效率在高速中较传统有轨列车更有效率。

这由于轨道和车辆之间没有物理接触,磁悬浮列车没有滚动阻力,只剩下空气阻力和电磁阻力,从而会提高电力效率。

重量整体需要轮轨系统重量许多EMS和EDS设计中的电磁铁需要1到2千瓦每吨,而超导磁体的使用可以降低电磁铁的能量消耗。

重量分布主要集中牵引头或者底盘轮子上整体重量分布更均匀噪音主要噪音来源是车轮接触轨道,噪音较大主要噪音来源是空气的流动,噪音较小磁体可靠性超导磁体通常被用来产生强大的磁场来悬浮和推动列车。

这些磁铁必须保持低于其临界温度(根据材料的不同,温度范围从4.2K到77K不同)。

而超导体和冷却系统中的新合金和制造技术有助于解决这个问题。

控制系统不需要信号系统,因为系统是由计算机控制的需要信号系统进行控制地形传统火车可以沿着山顶转弯或在森林中蜿蜒。

磁悬浮列车能够爬更高的坡度地形,提供更多的路线灵活性和减少隧道开掘要求。

然而,其高速运行特点和对控制的更大需求使得它很难与复杂的地形融合,比如弯曲的山丘。

资料来源:MaltaGC,天风证券研究所总体而言,磁悬浮结构具有效率较高,不受恶劣天气影响,维护费用较低等优势。

但相比普通轮轨技术,磁浮技术仍有着一些问题等待解决。

其最主要的问题在于搭接结构容错控制问题,主动导向控制问题及测量的差距问题。

搭接结构容错控制问题根据LiuZhigang等人的研究,为了避免列车在高速运行过程中出现单点悬架故障,导致列车无法实现全车悬架,高速磁悬浮列车采用了单点悬架结构。

基于弹性耦合的双电磁铁模型来表示重叠结构模型。

同时通过非线性控制理论,针对悬架搭接结构设计了非线性解耦控制器,并以此建立了更精确的结构悬架搭接数学模型。

并通过对高速磁悬浮列车重叠结构控制目标的分析,提出了悬浮结构整体重叠控制器的设计思想。

但是这种设计思路本身成本较高,只是采用了当前技术水平下最佳的解决方案,在安全检测、控制器稳定性方面仍存在较大问题。

未来随着科技水平的进步,可能会有更有效地替代方法。

图12:单点悬架故障行业报告|行业专题研究15资料来源:LiuZhigang,LongZhiqiang,LiXiaolong,MaglevTrains-KeyUnderlyingTechnologies,天风证券研究所主动导向控制问题根据LiuZhigang等人的研究,高速磁浮列车主动导向系统的导向力受轨道和外界干扰的影响,变化范围较大。

制导系统在其正常工作过程中,其工作点电流会出现较大的变化。

于是在此基础上建立了更精确的导向系统模型,并根据鲁棒控制理论和自适应控制理论设计了实用的导向控制器。

针对工作点电流变化范围较小的情况,采用鲁棒控制理论设计了导轨鲁棒控制器。

针对工作点电流变化范围较大的情况,采用模糊控制理论设计模糊增益调度机制,一定程度上克服了开关过程中的突变和振荡问题。

但模糊控制理论同样没有从根本解决电联的激荡、突变问题,只是当前突变问题的缓解解决方案,未来还需要继续加强转换时突变电流的稳定性控制。

图13:电流激荡和突变问题资料来源:LiuZhigang,LongZhiqiang,LiXiaolong,MaglevTrains-KeyUnderlyingTechnologies,天风证券研究所测量的差距问题根据LiuZhigang等人的研究,EMS高速磁悬浮列车悬架导隙检测是通过一种感应式位移传感器来实现的。

槽效应是EMS高速磁悬浮列车悬架间隙测量中的一个特殊问题。

采用基于FPGA的感应传感器检测悬浮桥,有人提出了一种检测方法来检测沟槽效应,即采用相同的间隙检测方法检测悬浮间隙,分析了检测线圈在空间产生的磁感应功率,并提出了通过改变检测线圈的磁场空间分布来减弱缝隙效应的方法,同时也分析了被测物体磁场分布的变化。

基于磁镜法检测线圈,这种方法分析了等效电感线圈,并引入了槽形函数,同时也研究了线圈几何参数与缝隙效应的关系,但该方法较为复杂,难以进行实际分析和应用。

图14:悬架间隙测量问题行业报告|行业专题研究16资料来源:Liu,Zhigang,Long,Zhiqiang,Li,Xiaolong,MaglevTrains-KeyUnderlyingTechnologies,天风证券研究所磁悬浮发展历史与我国磁悬浮发展现状相比我国,其他国家磁悬浮发展起步较早,研发技术相对成熟。

但早期的磁悬浮由于其技术研发相对不成熟,大部分为低速磁悬浮列车,高速磁悬浮列车技术并不完善。

表8:各国磁悬浮技术发展历史国家磁悬浮技术发展历史磁悬浮列车图片德国1922年,德国人工程师赫尔曼·肯佩尔提出电磁悬浮构想,并于1934年申请了磁悬浮列车这一专利。

之后的30年里,磁悬浮列车没有太大的发展。

直到1969年,德国企业Krauss-Maffei在实验室内研发了第一台磁悬浮列车模型(TR01),该模型重80千克,长1米,下面的磁悬浮轨道是由四个直流电机驱动的U形电磁铁组成。

世界上第一条商用磁悬浮列车线(上海浦东机场-龙阳路地铁站)便是用的改进后更为成熟的TR08型。

日本1974年,日本航空企业购买了TR04型专利授权,并基于此研发出了低速磁悬浮列车(HSST-01至05系列)样车。

HSST-03系列第一次使用了内嵌式转向架技术,HSST-04系列中的模块结构开始被外包,HSST-05系列通过连接前后防滚梁,将两个模块集成在一起,实现了内嵌式转向架整合。

现如今,HSST-05系列的转向架技术已被广泛应用到低速磁悬浮列车上。

韩国韩国也开始研发低速磁悬浮列车技术以解决大城市交通拥挤问题。

在1999年,韩国的低速磁悬浮列车(UTM-01型、UTM-02型)设计初步完成,并且在之后的2004年,韩国开始了基于UTM-02型的商用磁悬浮列车计划,该工程于2006年完工。

在通过分析韩国三大主要城市的交通压力情况后,韩国最终决定将仁川国际机场线改造为低速磁悬浮列车验证线。

美国当ThrogsNeck大桥的交通堵塞时,Brookhaven国家实验室(BNL)的研究员JamesPowell想到了使用磁悬浮交通工具。

Powell和同事GordonDanby提出了一种磁悬浮的概念,利用安装在移动车辆上的静磁铁,在特殊形状的回路中产生电动提升和稳定力,并于1968-1969年获得专利。

前苏联1979年,在苏联的拉蒙斯科耶(莫斯科),建立了一个试验场,对磁悬浮汽车进行试验。

该磁悬浮轨道于1987年在亚美尼亚的苏布尔开始,计划于1991年完成。

这条铁路原本是通过阿博维恩连接埃里温和塞凡两个城市。

最初的设计速度是250公里/小时,后来降低到180公里/小时。

然而,1988年的斯皮塔克的地震和纳戈尔诺-卡拉巴赫战争导致该项目冻结。

英国世界上第一个商业磁悬浮系统是建于1984年至1995年间在伯明翰国际机场的机场终端和附近的伯明翰国际火车站之间运行的低速磁悬浮列车。

该轨道长度为600米(2000英尺),列车悬浮在15毫米(0.59英寸)的高度,由电磁铁悬浮,并由直线感应电机推动。

它运营了11年,最初很受乘客欢迎,但随着时间的流逝,电子系统的陈旧问题使它变得越来越不可靠,导致它在1995年关闭。

资料来源:Transrapid-TeststreckevordemAbriss,BSKWORLD,天风证券研究所2015年4月21日,日本JRCentral企业的L0型超导磁悬浮列车创造了磁悬浮最高时速记录——603公里/小时,这比传统的TGV(即法国TGV高铁,2007年4月3日,TGV以574.8公里的时速创造了轮轨列车的最快纪录)轮轨速度记录快了28公里/小时。

然而,这两种截然不同的技术之间的操作和性能差异要比想象的大得多。

实际上,磁悬浮或轮轨商业运营从未尝试过以500公里/小时的速度运行。

表9:各国磁悬浮列车速度历史记录时间地点列车名称速度1971西德Prinzipfahrzeug90km/h(56mph)行业报告|行业专题研究171971西德TR-02(TSST)164km/h(102mph)1972日本ML10060km/h(37mph)1973西德TR04250km/h(160mph)1974西德EET-01230km/h(140mph)1975西德Komet401km/h(249mph)1978日本HSST-01308km/h(191mph)1978日本HSST-02110km/h(68mph)1979日本ML-500R504km/h(313mph)1979日本ML-500R517km/h(321mph)1987西德TR-06406km/h(252mph)1987日本MLU001401km/h(249mph)1988西德TR-06413km/h(257mph)1989西德TR-07436km/h(271mph)1993德国TR-07450km/h(280mph)1994日本MLU002N431km/h(268mph)1997日本MLX01531km/h(330mph)1997日本MLX01550km/h(340mph)1999日本MLX01552km/h(343mph)2003日本MLX01581km/h(361mph)2015日本L0590km/h(370mph)2015日本L0km/h(375mph)资料来源:MaltaGC,天风证券研究所我国磁悬浮技术发展及成就磁悬浮列车按照速度划分成两种主要交通方式,第一种是最大速度在110-130公里/小时的低速磁悬浮列车,主要应用于城市内交通,成本和轻轨相近,优势在于安静和绿色;第二种是最大速度在400-500公里/小时的高速磁悬浮列车,通常被用于城市间通勤工具。

他们的区别表现在建造标准、电力供应、操控控制等多方面,但两者之间也有共同之处,比如悬浮空间都在保持在10毫米左右,且它们都借助于安装在车底的受控悬浮电磁铁与安装在导轨底座上的电磁反应轨之间的引力来实现悬空。

2005年7月,唐山铁路车辆制造厂生产了一辆工程样车。

2009年5月,在唐山1547米长的磁悬浮列车试验线路上,研制了一种实用的两节车厢编组的磁悬浮列车,并进行了运行试验,最高时速为105公里/小时。

国防科技大学等单位开始研制混合磁悬浮列车,并于2012年12月研制成功,已投入实际运行测试。

自1998年12月以来,西南交通大学在成都青城山建设了一条425米长的铁路试验线,并于2001年10月在长春铁路车辆制造厂开发了一种低速电磁铁磁悬浮列车。

该列车于2006年3月在青城山试验线进行了测试。

为了促进低速磁悬浮列车在上海城市交通中的应用,上海磁悬浮运输技术研究中心联合国内其他相关单位建设了1500米长的低磁悬浮试验线,开发了一种低磁悬浮列车。

图15:上海浦东机场线磁悬浮列车行业报告|行业专题研究18资料来源:上海磁浮交通发展有限企业,天风证券研究所除此之外,中国中车集团也开始研究低速磁悬浮列车技术。

他们在株洲铁车厂建造了一条试验线,并开发了低速磁悬浮试验车,目前尚处于开发阶段。

2000年10月,上海浦东龙阳路至浦东国际机场的高速磁悬浮运输线路建成通车,并于2003年9月开始运营。

在这种背景下,为了掌握和提高高速磁悬浮列车的关键技术,在科技部的支撑下,由国家磁悬浮工程中心,中国进行了高速磁悬浮交通的研究和开发技术永磁浮型的高速磁悬浮列车。

说明我国已基本掌握了磁悬浮列车的关键技术,先后研制出了初步样机、工程样机和实用车辆。

我国发展磁悬浮交通系统具有一定的应用要求和技术基础。

截止到目前,我国现已开通三条中低速磁悬浮列车,时速可达600KM的高速磁悬浮列车虽然已建造出样车,但仍未投入实际商业运营。

高速磁悬浮具有速度高、安全可靠、噪音低、震动小、载客量大、耐候准点、维护量少等优点。

特别在舒适性上,磁悬浮列车可与飞机媲美,乘坐者可切身体验"贴着地面飞行"的感觉。

发展磁悬浮也是对交通运输方式的有益补充。

目前,高铁最高运营速度为350公里/小时,飞机巡航速度为800—900公里/小时,时速600公里的高速磁悬浮可以填补高铁和航空运输之间的速度空白。

表10:我国磁悬浮列车信息地区开通时间路线长度速度图片上海2006年4月27日正式投入商业运营龙阳路至浦东机场29千米营业时速为300公里/小时湖南省长沙市2016年5月6日试运营长沙火车南站和长沙黄花国际机场18.55公里100公里/小时北京2017年12月30日西起门头沟,东至石景山区苹果园10.236公里设计时速100公里,实际运营时速为80公里广东省清远市2017年底已开工清远市磁浮旅游专线四川省成都市2019年已开始布局成都至重庆预计时速600KM-800KM资料来源:各地区交通运输局,天风证券研究所行业报告|行业专题研究19在2019年7月19日,成都市委十三届五次会议召开。

本次会议的重点之一,是围绕成都市的东部新城建设展开。

成都市的东部新城,将跨过成都市东部的天然屏障龙泉山,向重庆方向开辟新的城市发展空间。

这个被称为“东进”的战略规划,成为成渝城市群发展的关键之举。

在本次会议上,成都市长罗强做关于《成都市东部新城空间发展战略规划(2017-2035年)》的说明时称,东部新城将“聚焦国际铁路通道和国际铁海联运通道建设,前瞻性布局重大交通基础设施”。

其中前瞻性的交通基础设施,指“预留以600-800公里时速直达重庆的超高速新制式铁路通道”。

以目前的成熟科技力量观察,能实现600-800公里时速的铁路运载方式,一般指“超级高铁”磁悬浮列车。

800公里时速的磁悬浮列车,将在全封闭的低真空管道内运行。

图16:我国时速600公里高速磁浮试验样车在青岛下线资料来源:ICphoto,天风证券研究所图17:磁悬浮列车资料来源:北京时间,天风证券研究所除了上述罗列的磁浮路线外,备受瞩目的是,《长江三角洲区域一体化发展规划纲要》中提到了长三角将积极审慎开展沪杭等磁悬浮项目规划研究。

建成后的磁浮交通将缩短从杭州到上海的通勤时间,实现仅需半小时达到,浙江省全域、长三角区域将切实实现同城化。

近年来,在解决了对磁悬浮技术成熟度和可行性的质疑后,在高速磁悬浮与高速铁路的比较和选择中,成本问题的讨论更加集中。

上海磁悬浮运营成本约3,.1亿元/公里,未来可能通过多种措施降低造价,向2亿元/公里的目标努力。

虽然磁悬浮项目的初期成本相对较高,行业报告|行业专题研究20但后期会降低,有可能达到1.5亿至1.7亿元/公里。

但就目前来看,铁道部在选择路线解决方案时,仍然坚持选择高铁,因为高铁的投资大约是每公里1亿元人民币。

但是对于交通运输的经济效益的比较,大家不能只考虑建筑成本及其折旧,还应考虑维修费用、环境保护和运行费用。

磁悬浮列车的维护和运营费用仅占高速铁路的一小部分。

相比时速400km高铁,磁悬浮高铁对地理环境的要求更为严苛,因此其普适性较低。

以目前形势来看,磁悬浮列车会优先在一二线城市及交通较发达地区进行发展,最终形成“全国123出行交通圈”的重要组成部分。

展望磁浮技术最前沿,多项政策下前景可期第二届浙江国际智慧交通产业博览会·未来交通大会传出消息,我国高速磁悬浮列车研究取得突破性进展,已具备了启动高速试验线建设和后续产业落地的基础。

展示厅陈列了时速600公里每小时的高速磁悬浮列车实车。

该项目由中国中车下属企业中车(青岛)四方股份有限企业进行研发,为我国磁悬浮列车研发取得了突破性进展。

图18:时速600公里每小时的高速磁悬浮列车实车资料来源:新华社视频截图,天风证券研究所2016年10月23日,中国中车启动时速600公里磁悬浮列车研制项目。

中国中车提到,此次启动的磁浮交通系统关键技术项目,主要目的是攻克中高速磁浮交通系统悬浮、牵引与控制核心技术,形成中国自主并具有国际普遍适应性的新一代中、高速磁浮交通系统核心技术体系及标准规范体系,具备中高速磁浮交通系统和装备的完全自主化与产业化能力。

该项目具体包括时速600公里的高速磁浮项目与时速200公里的中速磁浮项目。

其中时速600公里磁浮项目由中车四方股份企业牵头,将建设一条长度不小于5公里的高速磁浮试验线并研制一列高速磁浮试验列车。

而中国也正在掀起“中高速磁悬浮铁路”建设热潮。

大型基建企业中国铁建、铁路车辆制造商中国中车等推动了这股热潮。

湖南的磁悬浮铁路已投入运营。

北京、广东等地也计划建设磁悬浮铁路。

与地铁相比,磁悬浮铁路建设费用低、噪音小。

中国政府在国内普及磁悬浮铁路的同时,也谋求向海外出口。

《日本经济资讯》报道称,因汽车数量猛增,中国城市的交通拥堵问题越来越严重。

城市地区一直在推进地铁建设,但建设费用高达每公里5亿至8亿元人民币。

磁悬浮铁路在地上建设,每公里建设费用只需要3亿人民币左右。

低真空管道高速列车系统:马斯克超级环不再是梦想,烟大海底隧道已获审批低真空管隧道高速列车系统:摩擦系数大幅度减小,潜力无限低真空管(隧)道高速列车系统涉及到真空管道高速列车,类似马斯克之前提出的超级环真空隧道列车,不过国内提出的目标更加实际一些,是低真空管(隧)道高速列车,速度也没有公布。

这种方法将极大减小列车运行的能耗,同时大幅度提高列车速度上限(相应会带来一系列问题)。

行业报告|行业专题研究21在武汉举办的第三届中国(国际)商业航天高峰论坛上,中国航天科工集团透露,该集团正在研制一种超高速飞行列车,将按三步走方案研发高速飞行列车——第一步,2020年前完成关键技术突破;2023年前完成全系统演示验证,同步形成时速600公里载人能力,研制出最大运行时速1000公里的列车,建设区域性城市飞行列车交通网;第二步,2027年前,研制出最高时速2000公里的列车,建设国家超级城市群飞行列车交通网;第三步,研制出最高时速4000公里的列车,建设“一带一路”飞行列车交通网。

图19:低真空管(隧)道高速列车系统示意图图20:低真空管(隧)道高速列车系统示意图资料来源:ChinaPlus,天风证券研究所资料来源:中国日报,天风证券研究所对于轮轨列车和飞机,克服空气阻力的能耗是交通费用的主要因素之一。

功耗与空气阻力成正比,而空气阻力与速度的平方成正比,因此速度每提高一倍,能量消耗将变为原来的4倍,速度提高9倍,则能耗将变为原来的100倍,面对人们日益增长的旅行速度要求,这样的能耗增加是地球环境和资源无法承受的。

目前地球每年消耗数亿吨石油在交通上,对资源的浪费非常大,对环境的破坏非常大。

建造低能耗、环保的高速交通网已经成为一个十分迫切的需要中国的高铁事业现在已经走在世界的前列,这就需要大家建造时速在1000公里以上的超高速真空管道磁悬浮列车网络。

这种列车应该运行于全封闭式的真空管道内,采用磁悬浮技术。

图21:低真空管(隧)道高速列车运行示意图资料来源:滨海资讯网,天风证券研究所由于列车在真空中运行,且与地面无接触,完全没有了摩擦阻力,理论上说,列车的速度想加速到多快都可以;且摩擦阻力被消除,列车运行的功耗非常小,理论上来说,只需在启动阶段和减速阶段才需要消耗动力,在中途运行过程中基本不消耗能量,因此是非常节省能源的!此外,由于列车运行于封闭的管道中,对外部世界毫无干扰,不会引起噪声污染。

而且,由于列车运行于封闭的管道中,不易受到攻击,十分安全。

行业报告|行业专题研究22可以预计不久的将来,环保节能的真空管道磁悬浮超高速列车将以时速1000公里奔驰于国内城市之间,而这种超高速列车将以时速3000公里飞驰于各大洲之间。

另外,长途货物调运也将全部采用这种列车来完成。

一个大的超高速列车产业群将取代现有的列车和飞机产业群。

它所带来的产业机会和发展机遇将是空前的。

烟大海底隧道:项目已获审批,但仍存在一定问题烟大隧道是从山东的蓬莱港到大连的老铁山之间建的海底隧道,连接了辽东半岛和山东半岛两个地方,全长预计123千米。

在之前,这两个地方的交通多采用的是轮渡,虽然两地直线距离很短,但是轮渡始终无法媲美陆地的便捷,很多时候需要在天津和北京地方的内陆边沿绕一圈到达目的地,来往于两地之间需要6个小时。

这样一来,耗费时间、运输成本均大幅度增加,同时增大了北京,天津的交通压力。

整条隧道全长123公里,火车设计时速为250公里,运行速度能达到220公里/小时。

届时从烟台到大连最多只需要40分钟。

可大大节约交通运输以及时间成本,同时还节约了内陆空间。

且烟大海底隧道规划实现隧道全真空,可极大地减少列车能耗,提高整体速度。

在2019年国际桥梁与隧道技术大会上,中国科学院院士孙钧表示,渤海湾跨海通道的内部研究已到关键节点,课题组已完成通道方案的战略性规划研究报告并已上报国家发改委审批,初步估算项目资金3000亿元,且有望于2025年前开工。

图22:烟大海底隧道示意图资料来源:人民网,天风证券研究所但是同样,这种创新性铁路技术也存在着很多问题有待解决。

首先是安全问题,直通隧道要经过郯庐地震带,北起黑龙江,南到长江,呈北东走向,纵贯中国大陆东部,延伸达2400多公里,是东北亚巨型断裂系中的一条主干断裂带,历史上也曾发生过多次强烈地震。

而对于海底隧道的特殊环境,会将地震所带来的破坏力加大。

而相关部门也已多年前已经开始勘测地震数据、进行危险性分析等工作。

同时,海底隧道的效益与实用性也被人们所质疑。

工程的总造价大约在3000亿元左右,平均每公里造价达25亿,远远高于高铁、飞机等其他运输方式,甚至预算堪比1000千米长的京沪高铁和长江三峡工程。

但是海底隧道有个很大的问题就是中间不可能有太多的出口,带动的只能是大连和烟台两个点。

与其花大钱连接大连和烟台,不如去建环渤海湾的陆地高铁项目,不仅风险小、成本低,更能带动沿线其他地区的发展。

技术储备:告别“跟跑时代”,中国高铁续写“技术领跑”传奇近年来,中国在高铁车辆研制、线路建设、智能控制等方面逐步实现了“三级跳”:从引进国外技术“跟跑”,到消化、吸取先进经验“并跑”,进而在关键领域自主再创新“领跑”,走出了一条由“中国制造”到“中国创造”的传奇道路。

而随着高铁里程规模不断扩大,相关产业获得发展机遇的同时,相关概念股也将受益良多。

建筑行业内从事城轨交通工程施工业务的企业将显著受益于此轮规模扩张机遇,例如中国中铁、中国铁建等作为基建领域龙头的企业,具体如下:行业报告|行业专题研究23中国铁建是中国乃至全球具实力、具规模的特大型综合建设集团之一,连续多年入选《财富》“世界500强”。

目前承建和修建了全国新线铁路的1/2,设计全国铁路网的3/5,承建和修建了18000公里高速公路和高等级公路,参加建设的地下铁路和轨道交通50项。

针对我国原有铁路网及运输技术难以满足经济快速发展要求的现状,结合京沪高速铁路的研,企业研究机构通过学习和咨询国外的施工经验,通过秦客运专线的建设试验,建立了适合我国铁建建设实际的标准体系和设计技术;通过对哈大客运专线和郑西客运专线的科学试验研究,形成了在高纬度、冰冷地区以及湿陷性黄土地区修建客运专线的技术,为建设我国的客运专线打下了良好的技术基础。

企业高原、高寒、高速铁路设计施工技术已经稳居世界领先水平。

自主常识产权的产品不断涌现,大直径土压盾构/TBM双模式掘进机、大直径全断面硬岩隧道掘进机等地下工程装备填补了国内空白,窄轨捣固车等大型养路机械制造已达到国际领先水平,且产品已走出国门。

地下水下工程建设、磁悬浮工程建设、四电系统集成等技术达到行业领先水平。

同时,在铁路维护方面,中国铁建在引进国外大型养路机械先进技术的基础上,通过消化吸取、自主创新,自主开发了以D08-32捣固车等为代表的具有国际先进水平的大中型养路机械,从根本上改变了我国长期依靠人工养护铁路的历史,成为中国铁路十大科技进步标志之一,使我国铁路养路机械设备水平跨越了与国外铁路养护技术近30年的差距,为我国铁路未来提速提供了可靠保证。

在磁悬浮方面,中国铁建在城市独轨铁路PC梁新技术研究成果的基础上,对磁悬浮轨道梁进行了开发研究,获得了“磁悬浮预应力钢筋砼轨道梁制造方法”和“磁悬浮导轨梁模板”两项国家专利,拥有磁悬浮轨道梁制架的自主常识产权,解决了其生产和安装的关键技术,成为世界上唯一拥有磁悬浮商业运行线轨道生产关键技术的企业。

并2016年10月全额出资成立了中铁磁浮交通投资建设有限企业,并与广东清远市政府就建设中低速磁悬浮铁路达成了协议,线路全长30公里,总投资为104亿元,预计2020年通车。

图23:清远磁浮旅游专线示意图资料来源:Science锋芒、天风证券研究所20世纪50年代以来,中国中铁参与国内所有主要铁路的建设,其中包括青藏铁路、大秦铁路、成昆铁路和京九铁路等。

成功参与铁路建设100多条,承建的新建、扩建和改建铁路总里程超过50,000多公里,占中国铁路总营运里程的三分之二以上。

企业是中国铁路桥梁和隧道建设行业的领军企业之一,尤其擅长建设复杂铁路特大桥,在中国市场占有主导地位。

独立完成或参与建设了所有跨越长江和黄河的铁路桥及公铁两用桥,中国中铁股份有限企业在国内建成的铁路桥总里程超过2,700多公里,铁路隧道超过2,800多公里。

同时,作为全球最大的建筑工程承包商之一,企业始终在中国基础设施建设行业处于领先地位,拥有中国唯一的高速铁路建造技术国家重点实验室、桥梁结构健康与安全国家重点实验室、盾构及掘进技术国家重点实验室,在铁路基建领域、城市轨道交通基建领域均为最大的建设集团。

在国内市场,企业在铁路大中型基建市场的份额一直保持在45%以上,在城市轨道交通基建市场的份额40%以上,在高速公路基建市场的份额10%以上。

行业报告|行业专题研究24图24:“新时代号”新一代中低速磁浮列车示意图资料来源:环球网、天风证券研究所近日,由中铁高新工业股份有限企业所属中铁磁浮科技有限企业在徐州生产制造的“新时代号”新一代中低速磁浮列车进行了在线动态试验。

列车在线试运行表现平稳,性能良好,取得了阶段性成果。

为徐州S2磁浮线路规划落地提供技术保障,推动徐州市域(郊)铁路线网规划及长三角一体化规划落地。

后续中铁磁浮将对中低速磁浮列车目标速度、运行平稳性、可靠性、乘坐舒适性、爬坡能力、转弯半径等车辆性能继续进行验证、优化,并针对车轨桥耦合、车辆关键部件振动特性、电磁辐射、车辆噪音等磁浮车辆前沿性课题继续开展研究试验,为工程化列车生产提供技术参考。

计划于2020年初完成列车所有动态试验项目。

据中国e车网报道,“新时代号”磁浮列车是中铁磁浮与西南交通大学联合研制,全车采用最新“低动力作用悬浮架”技术,设计最高时速可达200km/h,填补了国内外轨道交通领域160-200km/h速度区间的空白。

该列车具有爬坡能力强、转弯半径小、安全性能高、运行速度快、噪声振动低、工程造价低、运维成本低等明显优势,非常适合解决中等运量的城市、市郊、市域、景区等交通出行问题,完全符合交通强国战略提出的安全、便捷、高效、绿色、经济的要求。

风险提示:高铁技术研发尚未成功,相关法律规范尚未出台。

行业报告|行业专题研究25分析师声明本报告署名分析师在此声明:大家具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格或相当的专业胜任能力,本报告所表述的所有观点均准确地反映了大家对标的证券和发行人的个人看法。

大家所得报酬的任何部分不曾与,不与,也将不会与本报告中的具体投资建议或观点有直接或间接联系。

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投资评级声明类别说明评级体系股票投资评级自报告日后的6个月内,相对同期沪深300指数的涨跌幅行业投资评级自报告日后的6个月内,相对同期沪深300指数的涨跌幅买入预期股价相对收益20%以上增持预期股价相对收益10%-20%持有预期股价相对收益-10%-10%卖出预期股价相对收益-10%以下强于大市预期行业指数涨幅5%以上中性预期行业指数涨幅-5%-5%弱于大市预期行业指数涨幅-5%以下天风证券研究北京武汉上海深圳北京市西城区佟麟阁路36号邮编:100031邮箱:research@tfzq.com湖北武汉市武昌区中南路99号保利广场A座37楼邮编:430071电话:(8627)-87618889传真:(8627)-87618863邮箱:research@tfzq.com上海市浦东新区兰花路333号333世纪大厦20楼邮编:201204电话:(8621)-68815388传真:(8621)-68812910邮箱:research@tfzq.com深圳市福田区益田路5033号平安金融中心71楼邮编:518000电话:(86755)-23915663传真:(86755)-82571995邮箱:research@tfzq.com

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