Maglev Artificial Heart Pump and Experimental Study on ECMO
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摘要:
体外循环生命支持系统（extracorporeal membrane oxygenation，ECMO）可替代人的心、肺工作，为挽救生命创造机会，在这次抗击新冠疫情中屡建奇功，被称为“救命神器”. 针对作为ECMO动力源的磁悬浮人工心脏泵，本文对其磁悬浮系统和无接触高效率磁耦合驱动装置进行了研究；在多入多出智能控制系统控制下实现了磁悬浮人工心脏泵变速稳定运行，并开展了磁悬浮人工心脏泵的压力、流量和转速实验；用所研制的磁悬浮人工心脏泵进行了3 d的动物实验后自主撤机. 研究结果表明：体外循环磁悬浮离心血泵表现出良好的稳定运行特性，保持转速不变，在流量变化较大时，进出口压力差变化不大；体外循环磁悬浮离心血泵在转速为5000 r/min时，进出口压力差可以达到750 mmHg，具有较宽的工况范围；持续进行了15 d可靠性试验后，各项测试参数符合特性曲线规律；试验期间，羊生命体征持续存在，撤机后羊的生命体征平稳，验证了所研发的磁悬浮人工心脏泵在ECMO系统上应用的有效性和安全性.
Abstract:Extracorporeal membrane oxygenation (ECMO) can replace human heart and lung work and create opportunities to save lives. ECMO has made outstanding achievements in defending against the novel coronavirus pneumonia and has thus been called a lifesaving appliance. In view of the power source of ECMO, namely the maglev artificial heart pump, its maglev system and contactless high-efficiency magnetic coupling driver were studied. The maglev artificial heart pump was controlled by a multi-input and multi-output intelligent control system to realize variable speed and stable operation. The experiments of pressure, flow, and speed of the maglev artificial heart pump were carried out. The developed maglev artificial heart pump was used for three days of animal experiments and active withdrawal. The results show that the extracorporeal maglev centrifugal pump shows excellent stable operation characteristics and keeps the speed unchanged; the pressure difference between the inlet and outlet does not change much when the flow rate varies greatly. The pressure difference between the inlet and outlet of the extracorporeal maglev centrifugal pump can reach 750 mmHg at a speed of 5 000 r/min, which has a wide working range. After 15 days of continuous reliability experiments, all test parameters conform to the law of characteristic curves. During the test, the vital signs of the sheep were monitored and were stable after the machine was removed, which verified the effectiveness and safety of the developed maglev artificial heart pump applied in ECMO.
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Key words:
- maglev /
- artificial heart pump /
- magnetic coupling /
- ECMO
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高速铁路（简称高铁）是交通运输现代化的重要标志，也是一个国家工业化水平的重要体现. 高铁从理念到实施，都是一种全新的铁路；或者说是老铁路系统，经过颠覆性技术创新后，建设起来的全新的轨道交通系统，在这个意义上，高铁通常指传统的轮轨高速运输系统. 不过，广义的高铁包括所有使用固定轨道或管道的高速运输系统，所以磁悬浮高速列车也是广义高铁的一种，可以称为磁悬浮高铁. 高铁的出现是人类社会发展的必然，也是人类文明进步的标志. 但高铁的发展不是一蹴而就的，中国高铁依靠党的领导和新型举国体制优势，通过改革开放40多年艰苦卓绝的努力，从无到有，从追赶到并跑，再从并跑中脱颖而出，现已在主要领域（或较大范围）领跑世界，无论是轮轨高铁还是磁悬浮高铁都创造了世界奇迹，令世界瞩目. 中国高铁实现领跑是一个不断突破困难和挑战的系统工程，本文将对中国高铁如何实现工程领跑、目前面临的挑战，以及如何继续领跑世界进行回顾和展望.
1. 中国高铁工程的发展
1.1 发展概况
2021年1月19日，习近平总书记乘坐京张高铁到太子城站考察时特别指出：“中国自主创新的一个成功范例就是高铁，从无到有，从引进、消化、吸收再创新到自主创新，现在已经领跑世界. 要总结经验，继续努力，争取在‘十四五’期间，有更大发展. ”这是对中国高铁崛起最真实、最全面、最公正、最科学的总结和评价.
截至2020年12月底，中国建成了世界上最现代化和最发达的高铁网，总长3.79万 km，占世界高铁总长的67%；“四纵四横”高铁网提前建成，“八纵八横”高铁网加密成型，高铁已覆盖全国92%的50万人口以上的城市. 日开行动车组7 400 多列，占全国客运列车开行总数的77%；最高运行速度350 km/h，世界最高. 截至2021年6月底，累计安全运行92.8亿 km，相当于绕地球23.2万圈. 安全运送旅客141.2亿人次，是世界公认最安全的高速列车[1]. 由此可见中国轮轨高铁技术工程的确达到了领跑世界的最佳境界. 中国磁悬浮高铁也取得快速突破，率先在上海浦东机场高速磁悬浮示范线实现商业运营，工程化应用领跑全球. 超高速、低真空管道磁悬浮高铁技术被列为面向2035年的国家重大颠覆性工程技术，未来可期.
1.2 工程技术与工程科学紧密结合是中国高铁工程领跑的最佳境界
当前中国工程科技领域一项重要的战略任务是实现从工程大国向工程强国迈进，这就要求工程科技发展战略重心必须从工程技术转向工程科学，以促进更多工程技术发展到工程引领的程度. 强起来的重要标志是领跑，中国需要在各个领域不断迎接挑战和破解难题，创造并形成发展工程引领的机遇，从而全方位实现工程领跑[2].
一般而言，工程技术是人们在工程实践中各种实用性技术的发展和积累. 工程技术最早源自于各行各业、各类能工巧匠的实践经验；随着人们对自然科学的不断深入探索，工程技术主要来源于各行各业、各种各样工程实验室中逐渐发展起来的各类理性化科学知识，通常被称为科学技术，是工程科学的产物. 工程科学的概念早年是由钱学森先生提出的；工程哲学创始人李伯聪先生的阐释则是，因为工程是人类的一项造物活动，所以工程科学是关于人工物的科学，以区别于各种关于自然物的自然科学. 工程发展的最高境界，是能够引领世界，称为工程领跑，世界许多工程强国的许多工程都达到了这种境界[3].
中国轮轨高铁技术，在工程技术与工程科学紧密结合下，达到了领跑世界的工程最高境界，如图1所示. 当然，中国要想继续保持工程领跑，还有很长的路要走，尤其是后高铁时代磁悬浮高铁技术的发展，面临着严峻挑战，任重道远.
2. 中国高铁的崛起之路
中国高铁的从无到有，和世界其他国家的高铁一样，也经历了酝酿期和探索期. 概略地说，经过20世纪80年代酝酿、90年代探索，中国高铁才有了21世纪初的成熟与发展.
2.1 中国高铁建设的酝酿期
1978年，邓小平同志访问日本，乘坐了日本新干线高速列车，说中国也要有高速铁路，从此高速铁路逐渐进入国家的视野.
1978年以后，西南交通大学开始全力以赴追赶世界高铁工程科学的国际发展水平. 从1981年开始，不间断地参加国际车辆系统动力学协会（IAVSD）的活动，致力于列车耦合大系统动力性能的基础性研究，如轮轨蠕滑力计算的“沈-赫-叶氏理论”、车辆线路耦合计算的“翟孙模型”、弓网耦合计算的“虚实结合的弓网试验”、流固耦合的“高速列车空气动力学”等，为走向高速列车耦合大系统动力学的理论突破打下基础.
1988年，西南交通大学申报国家重点实验室，在时任副校长曹建猷教授的支持下，大胆提出研制速度达到450 km/h的高速列车滚动振动试验台，为建设高铁服务，并得到国家批准，成为之后17年铁路领域唯一的国家重点实验室——牵引动力国家重点实验室（现重组为轨道交通运载系统全国重点实验室，简称RVL），在中国发展高铁技术的大潮中，发挥了不可替代的作用. 国家的这项批准象征着中国正式开始探索高铁技术.
2.2 中国高铁建设的探索期
1989年，RVL开始建设速度达到450 km/h的高速列车滚动振动试验台. 3年初步建成后，助推了20世纪90年代全国范围探索高速列车技术的高潮.
1997年，国家开始推进既有线提速，由最高运营速度90 km/h提高至120、160 km/h，甚至200、250 km/h. 还从国外引进摆式列车，修建广深提速线和秦沈250 km/h速度客运专线，成立京沪高铁预可行性研究室. 各机车车辆工厂自发或在原铁道部推动下，研制各种型号的高速列车，如大白鲨、蓝箭号、先锋号、中华之星、奥星、天梭和长白山等. 在线路桥隧工程方面，更有很多创新创造. 这一波全国性探索高潮为中国高铁迅速崛起打下了坚实的基础.
RVL除承担所有各工厂新研制的提速及高速列车出厂调试优化以外，还积极参加各型高速车辆的设计计算和参数优化. 例如：第一台中国自主设计研发的高速列车转向架，是RVL根据国际高速列车当时的发展，于1991年向长春客车厂提出“三无结构和转臂式定位”的设计方向，得到关明全总工程师认同，并专门从设计处抽出以张鑫鑫高级工程师为首的5位工程师，脱产5年，自主设计研制成功，取名为CW型高速转向架. 之后，四方车辆厂、浦镇车辆厂依照同样的思路研制成功SW、PW型高速转向架. 1998年，由原铁道部发起联合研制250 km/h的“大白鲨”高速动车组，采用的就是这3种高速转向架. 1999年9月27日，广深铁路载客试运营，成为中国自主研发的速度200 km/h以上的第一列商业营运列车，即机车型号为DDJ1型的“大白鲨”高速动车组.
原铁道部统筹研制的动力集中型的中华之星动车组和动力分散型的先锋号动车组进展顺利. 京沪高铁预可行性研究也上升到可行性研究阶段. 共有25种新研制的高速列车样车，源源不断地被送到RVL进行调试优化，呈现一片热烈景象，大家充满对中国高铁的期待.
同一时期，中国磁悬浮高铁的发展也没有停止脚步. 2000年，上海浦东机场高速磁悬浮示范线引入德国磁悬浮技术TR08，并于2003年正式通车运营，是世界上第一条商业运营的高速磁悬浮线，线路全长30 km，最高运行速度430 km/h，极限速度可达505 km/h.
2.3 中国高铁建设的成熟期
2.3.1 通过《中长期铁路网规划》[4]
2004年1月，在原铁道部领导组织申报下，国务院首次颁布了《中长期铁路网规划》，其中涵盖要修建的1.3万 km轮轨高铁，构成“四纵四横”的高铁网.
2.3.2 创新型引进
2004年、2005年两次进行了创新型的高铁技术引进. 中国对一切外来技术坚持以我为主，明确引进符合高铁理念的先进技术，联合设计生产，打造中国品牌. 基本原则为技术必须全面转让，必须使用中国品牌，价格必须世界最低. 技术消化吸收方式为必须与中国指定的主机厂联合投标，由主机厂联合制造，负责整车技术平台的消化吸收. 广泛联合中车原南车北车研究所、铁科院、国家重点实验室和国家工程研究中心等单位，对高铁各个关键部件进行技术上的消化吸收，牢牢掌握了创新主导权和发展主动权，为中国高铁技术实现从跟跑到领跑的重大跃升探索出了一条全新高效的成功途径.
2.3.3 消化吸收创新
2006年2月13日，西南交通大学向原铁道部汇报工作，包括轨道交通国家实验室筹备情况，说明实验室以高速列车技术基础研究和关键试验为主，强调原铁道部引进高铁技术要特别重视消化吸收再创新. 汇报后，部领导单独接见RVL科研团队. RVL科研团队建议要敞开原铁道部大门，成立引进消化吸收再创新专家组，吸引汇聚全国科技力量参与高铁研发. 时任部长同意马上成立一个工作组，并要求沈志云担任这个工作组的专家顾问组组长.
此后第3 d，即2006年2月16日，原铁道部通知沈志云去北京参加引进消化吸收再创新工作组的成立大会. 工作组主要成员都是有关单位的技术负责人. 同时，成立专家组，担负起顾问组的作用，由沈志云任组长，推荐几位院士参加，相当于院士工作站.
引进消化吸收再创新工作组分总成、车体、转向架、牵引变流、牵引变压、牵引电机、牵引控制、列车网络和制动系统等9个小组，分别对应9项关键技术. 针对这9项技术，以负责引进的中国企业为主，分别设立研究课题，在引进款项中拨专款支持. 国家引进款项从来只能用于引进，拨款支持科研课题属首次，属于体制创新.
2006年8月2日，引进消化吸收再创新工作组的项目启动会在北京召开，由专家组组长致辞，并举行10个项目合同的签字仪式.
2006年以后，还增加不少研究高铁的国家级研究机构，支持高铁研发. 如国家重点实验室、国家工程实验室、国家工程研究中心等；还拨专款给RVL，支持西南交通大学申报轨道交通国家实验室. 在管理上搭建起勘测设计、基础工程、装备制造、通信信号、系统集成、运营管理6个技术平台，按耦合大系统动力学的思路进行高铁系统的全局优化，制定围绕速度目标的一体化技术标准体系，并贯彻执行. 真正走上了工程技术与工程科学相结合的道路.
2.3.4 跃进式再创新
1） 2008年开通京津城际高铁，最高运行速度达到350 km/h
为了迎接北京奥运会，高标准修建京津高铁，运行CRH2C和CRH3C两种引进消化吸收后再创新的高速列车，最高运行速度达到350 km/h，一举突破世界纪录，为中国高铁下一步发展打下了基础.
CRH3C是在唐山车辆厂引进的德国300 km/h速度动车组的基础上研发的，在核心技术上改进不多. 但通过这次引进，工厂面貌彻底改变. 派往德国工厂的科技人员，包括工长、车间主任等，达1 000多人，德国工厂派来唐山车辆厂的相应人员也达到300多人. 使工厂从管理理念到技术水平都实现了现代化，产品质量提高，甚至德国的出口产品都可以用唐山车辆厂的产品代替.
CRH2C则不同，是基于引进日本速度200 km/h列车技术再创新研制的. 高速列车的九大关键技术，尤其是牵引系统和转向架，是经过国内相关单位的努力，应用酝酿期和探索期取得成功经验，才有可能在不到4年时间自主设计制造出来，达到创造世界纪录的水平. CRH2C采用6动2拖，356 kW电机，总功率达到7 200 kW. 转向架加装抗蛇行减振器，参数经过车体构架轮对踏面参数有序匹配的转向架设计策略等工业软件优化后确定. 经过270多套试验，CRH2C最高试验速度达到392 km/h，多次在京津线尝试将最高持续速度由300 km/h提高到350 km/h. 后期在武广、郑西等线速度都达到350 km/h. 这是政府统筹下产学研相结合，实现工程技术与工程科学一体化的典型成果.
2） 科技部和原铁道部两部联合研制和谐号CRH380型高速列车
2008年2月26日，为进一步推进科学与技术的紧密结合，科技部与原铁道部联合签署《中国高速列车自主创新联合行动计划》，沈志云和专家组的院士应邀参加签字仪式. 为了更好执行两部联合行动计划，专门成立了“226办公室”，决定加大自主创新力度，加强高速列车主导产业和产业链，强化政府统筹下的产学研相结合，在既有350 km/h速度的高速列车（CRH3C和CRH2C）基础上，结合京沪高铁350 km/h速度的运营需求，深度研发，制造自主知识产权的、运行速度350 km/h以上的和谐号高速列车CRH380，主要型号如表1.
表 1 CRH380典型高速列车Table 1. CRH380 typical high-speed train型号 运营速度/
（km·h−1）适应环境
温度/℃使用寿命/年 编组形式
（动拖）轴重/t 牵引总
功率/kW全列定员/
人列车总长/
mCRH380A 350 −25～+ 40 20 6M2T ≤15 9120 494 203.00 CRH380AL 350 −25～+ 40 20 14M2T ≤15 20482 1027 403.00 CRH380B 350 −40～+ 40 20 4M4T ≤17 9200 490 200.65 CRH380BL 350 −25～+ 40 20 8M8T ≤17 18400 1004 399.25 CRH380A列车在CRH2C的基础上全面提升列车整体性能，对动车组的牵引系统、空气动力外形做出了较大的改变，最高试验速度400 km/h以上，样车于2010年在上海世博会上展出. CRH380AL列车试验最高速度达到486.1 km/h，创造了运营动车组最高线路试验速度的世界纪录. CRH380B列车是由唐山车辆厂和长春客车厂在CRH3C基础上自主研发的. 相比CRH3C，提高了牵引功率、降低传动比，改变动车组气动外形减少阻力，并提高了列车的减振性能、车厢降噪性能，加强车内气压控制. 40组高寒车全部由长春客车厂生产，主要供哈大客运专线使用. CRH380BL列车总数为115列，其中45列由长春客车厂生产，另外70列由唐山车辆厂生产.
这个协议的签署及顺利执行，不仅表明两部贯彻执行党中央、国务院战略决策的决心，也标志中国高铁技术已经达到工程技术与工程科学紧密结合的发展程度，可以进入下一个新的发展阶段了.
2.4 中国高铁建设的发展期——自主创新研制复兴号
2013年，在中国铁路总公司的领导下，成立标准动车组研发团队，以四方、长客、唐山3个主机厂为主，凝聚全国相关科技力量参加. 西南交通大学RVL也十分荣幸地成为其中一支重要的创新力量. 例如：在最关键的转向架技术创新方向，就是由RVL 提出临界速度定义新方法，发明新型车轮踏面，优化轮轨关系，有效提升其运动稳定性，使计算临界速度达到743 km/h，后来在RVL高速滚动振动台上试验达到604 km/h，仍然没有失稳；采用RVL研发的工业软件“车体-构架-轮对-踏面参数有序匹配的转向架动力学参数设计策略”，做到了动力参数的全局优化，保证了列车运行平稳性最佳；发明动力吸振的弹性电机悬挂结构，保证电机平稳工作[5].
另一个重要的核心技术是牵引动力及其控制. 中车株洲所的变流技术国家研究中心攻克了最核心的IGBT（绝缘栅双极型晶体管）技术，取得了牵引电气方面核心技术的重大突破.
2016年，标准动车组进行了创造世界纪录的420 km/h列车会车试验；2017年更名为复兴号动车组CR400，成为全自主研发的中国品牌. 与CRH380系列动车组相比：其气动阻力减少10%，车内噪声降低3～5 dB；全车装有2 500个安全监测点，随时监测列车运行状态，可收集判断列车运行状态，并可实时通知地面机构；旅客在全程都可免费享用Wi-Fi通讯. 350 km/h下的行车阻力比和谐号下降7.5%～12.3%，百万公里人均能耗下降17%. 列车寿命延长到30年，或1 500万km，比和谐号提高30%. 2019年开通的京张线上实现了自动驾驶，列车控制、运营控制都迈上了一个新台阶.
CR400复兴号于2017年6月26日首次以最高350 km/h速度投入运营. 目前，京沪、京张、京津、成渝等线开行的复兴号列车运行速度均提至350 km/h，中国高铁再次跑回到速度350 km/h；同时还研制了CR300、CR200，以适应250、160 km/h速度的其他线路. 具有完全自主知识产权的中国标准“复兴号”全系列动车组投入使用，标志中国高速列车工程由跟跑、并跑到领跑，初步达到工程领跑的最高境界，成为中国式自主创新的范例.
中国高铁能够后来居上迅速崛起的根本原因是中国共产党领导下的中国特色社会主义体制，能够集中力量办大事，是新型举国体制在铁路领域的成功实践. 但在制造业诸多行业中唯独高铁成为自主创新的范例，上面说到的政府统筹下的产学研相结合促使工程技术与工程科学融为一体，是技术上的主要原因. 尤其是高速列车耦合大系统动力学对土建、机械、电气、运维全方位的应用，实现了全局仿真、全局优化和全局控制，达到了世界其他国家高铁达不到的高速度、高安全、高平稳和高环保. 或者说有效动员了全国科技力量为创新主体（主机厂）服务，运用了作为核心技术的工业软件，达到了要求的目标，即工程技术和工程科学紧密结合、两轮驱动，强力支撑了中国高铁的工程领跑.
3. 工程领跑面临的挑战
中国高铁领跑世界以后，并非高枕无忧，也面临着严峻的挑战. 2020年以来，境外主要国家加速了新型高速列车和试验列车研发和试验的步伐.
3.1 针对350 km/h最高运行速度的挑战
1） 德国ICE5列车目标持续速度360 km/h
西门子公司自2013年开始研发新一代高速列车Velaro Novo，并于2018年首次公开该列车的设计. 其设计理念是尽可能节约能耗，提高乘客舒适性，降低寿命周期成本，以实现8 000 kW功率下列车运行速度在250～360 km/h，并且当列车以300 km/h速度运行时，能源消耗比以往车型减少30%.
苦于没有合适的线路，西门子一直未对该列车进行高速试验，直到2021年3月，在纽伦堡—英戈尔施塔特高速铁路整修之际，西门子终于得以对这款受到铁路行业广泛关注的高速列车开展首次高速试验，结果不负众望，达到了线路所许可的最高运行速度360 km/h.
按计划，Velaro Novo下一步将进行400 km/h的冲高试验. 新款列车的量产上线，则有望在2023年达成[6]. 届时，西门子将以Velaro Novo参加德铁ICE 5的招标. 此外，西门子还准备将其作为新一代“欧洲之星”的升级换代车型，甚至寄望于将这款新车销往中国. 以至于德国媒体在报道时也经常有意无意地“强调”其360 km/h的最高设计运行速度高于中国复兴号的350 km/h.
德国航天中心还启动了新一代高速列车NGT HST的研发，试验速度440 km/h，运行速度将达到400 km/h，据称进行科学研究的试验速度将达到600 km/h.
2） 法国试验最高运行速度已达到500 km/h及以上
2007年4月3日，AGV (automated guided vehicle)系列的V150型试验列车以574.8 km/h的试验速度创下了世界纪录，中间车动力转向架的应用是其成功的关键原因之一. 目前法国高铁最高运行速度为320 km/h.
Avelia平台动车组则采用了动力集中模式：列车两端两辆动力车加铰接式拖车，缩短了动车长度，从而缩短了列车总长，不载客车辆内部空间有所减小. 中间拖车的数量可根据用户需求灵活编组，最大编组12辆. 车厢有单层和双层2种，可选择是否采用摆式车体，车体宽度在2.9～3.4 m内可变. 列车的设计速度为350 km/h. Alstom公司称，Avelia平台列车能够显著节约运营成本，与参数相近的AGV型列车相比，造价可降低20%；相比于上一代TGV (train guided vehicle)型列车，电能消耗率（以人公里计）可减少15%～30%，维修成本可减少10%，列车每单位长度的客容量则有所增加. 首列动车组计划于2021年—2023年投入运营[6].
Avelia Horizon是法国国营铁路公司SNCF与Alstom合作研发的第五代TGV列车，最高速度350 km/h. 而新车Avelia Liberty （永磁牵引）运行速度350 km/h以上，可达360 km/h[7].
法国SPACETRAIN正在研发气垫悬浮高速列车，预计2025年投入运营，平均运行速度540 km/h，最高速度可达720 km/h.
3）日本既有低标准线路上已提速到320 km/h，目标400 km/h
日本新造速度400 km/h高速试验车“ALFA-X”陆续在东北新干线上开展试运行和媒体试乘活动，运行速度达到了382 km/h. 从2030年起，该车将以最高商业运行速度360 km/h代替速度320 km/h的E5和H5型动车组，成为东京—新青森—札幌线上运行的主力车型[6]. 2020年12月该车还完成了360 km/h速度等级5G 通信试验. “ALFA-X”共有10节车厢和1节车头，总长度为250 m. “ALFA-X”采用流线型、减少空气阻力的柔和的“长鼻子”车头，以抑制噪声.
3.2 数字化转型的挑战
未来中国高铁要实现高效、高速、高质量运行，数字化是一个重要方向. 世界范围内高铁领域的竞争将在很大程度上取决于数字化和智能化、智慧化水平[8]. 无论是轮轨高铁还是磁悬浮高铁，未来高铁发展必须考虑速度、效益、节能与环保等技术指标的综合提升，因此更高速度和更加智能智慧化是中国高铁未来发展的两个主流.
最高商业运行速度是衡量高铁技术水平的第一指标. 2021年3月29日，国务院办公厅发布的《关于进一步做好铁路规划建设工作意见》[9]中指出，高铁运营后要尽快按设计标准达速运行. 目前，仅京沪、京津、京张和成渝等 4 条高铁按照350 km/h运行，其他20余条高铁运行速度均还停留在300 km/h，应尽快让这些高铁达速运行, 充分挖掘高铁运能，以提高综合经济效益.
未来高铁竞争的焦点之一是智能化. 所谓智能高铁，是指采用人工智能、大数据、云计算、卫星定位、新一代移动通信等先进技术，通过新一代信息技术与高铁技术的深度融合，使高铁在智能建造、智能装备、智能运维等方面的技术水平以及全过程、全方位的智能化得到全面提升，从而引领未来[10]. 可喜的是，京张高铁和京雄高铁已实现智能驾驶，标志着中国的智能高铁时代已经来临. 2021年7月1日前，中国在京沪、京广、京哈和成渝等线集中投运了一批复兴号智能动车组，更高品质的旅行生活将伴随更多的旅客.
智慧高铁是全球铁路最前沿的发展方向，抓住新一轮科技产业革命带来的新机遇，加快制定中国智慧高铁发展战略，对持续保持中国高铁的全球领跑地位具有十分重要的意义.
3.3 超高速轨道交通的挑战
更高的轨道交通速度是人类不懈追求的目标，中国高铁一路从“跟跑”“并跑”到“领跑”，成为中国科学技术自主创新的一面旗帜[11]. 实现更高速度、采用何种磁悬浮技术已经有了上百年的争论，虽然各种思潮纷呈和观点交织，但是这并不影响研究人员持续探索和实践的热情. 基于超高速磁悬浮交通广阔的市场前景，美国、日本、意大利、西班牙、韩国和巴西等国家都在积极研究超高速真空管道交通运输系统. 中国面临着日本运行速度505 km/h的低温超导电动磁悬浮交通工程及美国超级高铁等更高速轨道交通技术的挑战[12].
日本的低温超导高速磁悬浮运输系统已于2014年开工建设，由于技术复杂、系统脆弱、成本高、产业难等诸多因素，虽然目前举步维艰，但日本还是坚定地给出了明确的时间表和路线图，预期2027年建成通车，实现商业化运营.
2021年5月，美国维珍超高速列车公司（Virgin Hyperloop）成功进行了首次超高速运输系统载人测试. 测试工作在位于美国内华达州拉斯维加斯外沙漠DevLoop试验场测试管道上进行，测试管道长500.0 m，直径3.3 m. 由于测试管道距离很短而限制了速度提升，此次载人测试的最高速度仅为172 km/h，测试用时15 s. Virgin Hyperloop还展示了真空隧道和磁悬浮电动舱. 该列车计划在2030年之前投入商业运营，速度将高达1 200 km/h[13].
低真空管道+磁悬浮技术在速度超过1 000 km/h时具有竞争优势，将成为未来新型交通运输工具的发展方向，美国、瑞士、俄罗斯等国家正在推动的“超级高铁”等超高速交通运输系统，速度可达4 000 km/h[14].
虽然高速和超高速磁悬浮轨道交通的发展至今争议不断，困难重重，但轮轨高铁之后的中国未来交通将如何继续领跑世界需要给出答案和方案. 高速磁悬浮技术拥有较广阔的应用前景，是未来轨道交通发展的新活力和新动力. 因此，必须对高速磁悬浮轨道交通的未来充满信心，必须从轨道交通的未来需求出发，提前研究未来轨道交通可能遇到的科学问题和技术难题，并给出科学的解决方案，从而实现技术的超前储备，这正是中国高铁能够快速崛起实现从追赶到领跑的法宝.
4. 永葆工程领跑的展望
4.1 工程领跑的对策
对高速或超高速轨道交通发展的前世、今生和未来，可总结和展望为“轮轨天下，超导未来”，如图2所示.
图 2 轮轨天下，超导未来（单位：km/h）Figure 2. Wheel/rail connects the world, and superconducting maglev will shape the future (unit: km/h)展望21世纪世界高铁的未来发展（图2），认为21世纪上半叶仍然是以轮轨高铁为主，下半叶磁悬浮高铁才能大行其道. 对于轮轨高铁的最高速度，20世纪90年代在日本召开的国际轮轨高铁大会的会标就是“为500 km/h而奋斗”. 中国高铁在成熟期也成功研制出速度为500 km/h的cit500试验列车. 所以，将21世纪上半叶称为高铁时代，下半叶称为后高铁时代.
2018年8月27日，成都市委办公厅通知西南交通大学，沈志云的一篇院士建言，包括智慧复兴号轮轨高速列车和高温超导管道磁悬浮高速列车两项发展建议，中共中央办公厅已经接受为单篇建议，提交中央领导参阅. 这份建言的提出为轮轨高铁技术和高速及超高速磁悬浮技术的发展指明了方向，也为中国高铁未来发展擘画了蓝图，是中国高铁永葆工程领跑的积极鲜明对策.
4.2 轮轨高铁发展趋势
中国已经启动 “CR450科技创新工程”，研发更高速度、更加安全、更加环保、更加节能、更加智能的新一代复兴号动车组，突破高铁更高商业运行速度400 km/h，实现中国高铁持续领跑.
高铁时代轮轨技术的继续发展不能止步于“CR450科技创新工程”，还要研发智慧复兴号列车CR500，持续运行速度450 km/h. 还可考虑研发CR600，探讨达到持续运行速度500 km/h的可能性. RVL的试验台要将失稳临界速度提高到700 km/h，线路上试验速度要达到600 km/h，以保证持续运行速度500 km/h.
研发智慧复兴号高速列车的提速空间不是很大，但是为了探讨轮轨高铁最高运行速度这个世界难题，更重要的是智慧化. 利用人工智能自动驾驶技术使高速列车能够根据线路、环境、列车等情况，自主决定行车速度，实现自主驾驶. 通过改善高速和超高速轮轨列车技术，使其行驶在现有高铁网上，达到与既有高铁网兼容和提速的目的，这是轮轨高铁提高功能和效益最有力的措施. 西南交通大学已启动智慧城市与交通学院的建设，智慧城市的交通必须是智慧城轨交通. 现在是第四次世界工业革命时代，以人工智能为主题，人类社会必将由工业时代进入数字时代. 布满智慧城市、智慧农村的智慧中华，必须拥有智慧交通、智慧高铁. 但是，铁路智慧化不容易，因此，作者提出21世纪30年代智能、40年代智慧，稳稳领跑世界，永葆工程领跑最佳境界.
4.3 磁悬浮高铁的未来发展
列车运行速度在600 km/h及以上，阻力和噪声两大难题使轮轨技术的应用受限，必须采用超高速磁悬浮技术（真空管道+磁悬浮技术），图2中称为后高铁时代. 2021年7月20日，由中国中车承担研制的600 km/h高速磁悬浮交通系统在山东青岛正式下线，是世界首套设计速度达到600 km/h的常导高速磁悬浮交通系统，标志着中国已掌握常导高速磁悬浮全套技术和工程化能力. 尽管常导电磁悬浮技术已经成熟，但由于其在原理上是一个不稳定系统和速度提高空间小等原因，作者强烈推荐中国原创的具有完全自主知识产权的高温超导磁悬浮技术，不受制于人，持续运行速度620 km/h，加上低真空管道，提速空间极大，可达800 km/h及以上，达到1 200 km/h，甚至达到2 000 km/h以上，确保领跑世界. 西南交通大学RVL一直坚持这一中国原创技术的基础性研究和工程化探讨. 早在1997年，西南交通大学就开始对载人高温超导磁悬浮列车进行研究. 2000年12月31日，世界首辆载人高温超导磁悬浮试验车“世纪号”在西南交通大学诞生. 2013年2月，国内首条载人高温超导磁浮环形试验线研制成功，高温超导磁悬浮试验车可以在环形线上以速度50 km/h持续运行. 2014年6月，率先建成全球首个真空管道高温超导磁悬浮车环形试验线，验证了真空管道高温超导磁悬浮交通的可行性. 2021年1月13日，高温超导磁悬浮工程化样车在西南交通大学RVL的试验线上启动，40年磨一剑，20年一辆车，引起了国内外的广泛关注. 这是作者称其为第二次颠覆性技术革命的原因所在，顺应了安全可靠、经济高效、温馨舒适、方便快捷、绿色节能的未来高铁的发展趋势[15].
至于500～600 km/h的运行速度空间，许多人称要用磁悬浮高速列车来填补. 作者同意这种说法，但是不能为了填补而填补，必须采用可以超过600 km/h的超高速磁悬浮技术，降速运行，保证足够的安全冗余，才是最科学的决策. 如图2所示，采用不加低真空管道，开敞运行的高温超导磁悬浮列车，既可填补这个速度空间，又可成为超高速管道磁悬浮研发的第一阶段，还可为后续更高速度的研究奠定基础. 这比采用最高速度只能达到600 km/h磁悬浮技术的选择要科学、经济得多，眼光要开阔、长远得多.
许多国家都在研发自己的高速或超高速磁悬浮交通运输系统，可谓百花齐放、百家争鸣. 但高速或超高速磁悬浮交通运输系统距离工程化和商业运营还有很多技术性和经济性难题亟待破解，不论是常导电磁悬浮、低温超导电动磁悬浮、高温超导磁悬浮，还是超级高铁，都需要建设一段较长距离的试验线来做全面的高速试验验证和优化，这需要时间和政策的支持. 从技术上讲，中国要想在未来交通领域保持领先，必须趁早研究磁悬浮高铁. 这也是国家层面的交通发展战略布局. 比如：2021年3月23日，京沪磁悬浮高铁工程研究被列入国家重点战略规划项目，先期主要开展高速磁悬浮发展的理论体系、技术方法和政策机制的理论研究，为京沪高速磁悬浮项目建设奠定基础.
5. 结束语
中国高铁将朝着数字化、智能化、智慧化发展方向不断前进. 通过大屏端、电脑端、手机端、物联端、微信端等五大终端数据的互联互通，充分应用人工智能、大数据、云计算、物联网、北斗导航、BIM等先进技术，促进新一代信息技术与高铁技术深度融合发展，在工程建造、技术装备和智能运维等方面不断开展一系列创新与实践，开启中国智慧高铁工程建设与发展的新篇章. 在工程技术与工程科学紧密结合基础上达到的工程领跑，是具有顽强生命力的. 轮轨高铁之后，数字、智能、智慧磁悬浮交通运输系统将成为中国乃至世界后高铁时代的发展趋势. 作者坚信，中国高铁的这一工程领跑的最佳境界，一定能永葆不衰，傲立于世界高铁之林！
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表 1 钕铁硼N52参数
Table 1. Parameters of neodymium iron boron N52
规格 剩磁/T 矫顽力/
（ kA·m−1）内禀矫顽力/
（ kA·m−1）最大剩磁积/
（kJ·m−3）工作温度/℃ N52 1.42～
1.49≥835 ≥876 390～422 ≤80 
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