[转贴]：磁悬浮技术应用于轨道交通面临很多难题

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一、高速磁悬浮运输技术开发的历史背景

    自1825年英国首先建成世界上第一条轮轨式铁路以来，世界铁路总营业里程已达120多万公里，牵引动力也从蒸汽机发展到内燃机和电力牵引。1964年    率先建成了电气化高速铁路，使铁路的商业运营速度首次达到210km／h。

    本世纪60年代开始，轮轨接触方式的铁路运输形式的极限速度是多少?成为铁路专家们关心的问题。随着列车运行速度的增加，运行阻力明显增大，而轮轨能够提供的牵引力(粘着力)又在下降，针对这一实际情况，有人估计轮轨铁路的极限速度在270km／h左右，也有人估计还会更高些。

    为了实现更高的运输速度，不依赖轮轨和弓网接触的高速磁悬浮运输方式的构想应运而生。本世纪70年代，    、德国、法国、美国、英国、加拿大、前苏联等工业发达国家从低速磁悬浮技术起步，相继开展了磁悬浮运输技术的开发研究。但是磁悬浮运输技术的真正发展，还是在80年代中期以后，这主要得益于电力电子技术的发展，使得大功率的同步直线电机驱动技术成为可能。

    在研究高速磁悬浮运输技术的同时，许多国家高速轮轨技术的研究也取得了飞速发展，通过应用轮轨关系研究的新成果、新材料、电力电子技术、计算机技术、空气动力学术等，使轮轨高速列车的商业运营速度达到了300km／h。法国还创造了试验速度515．3kg／h的世界记录。另外，滚动试验台试验还表明，在轮轨无污染的干燥状态即使超过400km／h的高速范围，轮轨粘着力基本上不受速度影响，粘者系数也相当高，可达约0．3以上〔1〕。这些试验，用事实说明了轮轨运输方式还有相当大的速度潜力可以开发利用。

    基于轮轨高速铁路在商业上的开发成功以及其它方面的原因，到目前为止，除    和德国仍在努力进行高速磁悬浮运输技术的应用开发外。其它国家基本上都放弃了磁悬浮的研究开发工作。另外，低速磁悬浮技术没有不可替代的技术优势，也是很多国家放弃低速磁悬浮研究开发的原因之一。因此，本文仅讨论高速磁悬浮问题。

    高速磁悬浮运输是依靠在车辆和轨道间产生的电磁场的相互吸引(常导型)或排斥(超导型)作用力，使车辆悬浮和导向，并通过长定子同步直线电机推动车辆行走。    和德国开发的是不同类型的高速磁悬浮技术，前者开发的是超导型(EDS)，后者开发的是常导型(EMS)。从原理上讲，超导型悬浮气隙(约100mm)，较常导型(约l0mm)大，运行速度较常导型高，但造价也高于常导型，两者各有优缺点。

    对于是否应发展高速磁悬浮运输，不妨在这里引用两位外国专家对磁悬浮的看法，一位    专家说，如果在当时轮轨高速铁路达到了现在这样的程度，恐怕    就不会有人去研究高速磁悬浮运输技术了。去年中国铁路代表团访问德国时，西门子公司的一位高层管理人员在介绍德国高速铁路发展情况时说，西门子公司20多年来既成功开发了ICE高速列车和高速铁路运营管理系统，又同时开发了高速磁悬浮列车和调度控制系统，也因为这个原因，使我们的高速铁路进展比法国晚了l0年。

二、磁悬浮运输没有明显的技术优势

    目前我国只对低速常导型磁悬浮技术进行过一些原理性研究，对高速磁悬浮技术的认识仅限于国外的资料，对高速磁悬浮的宣传也以德国提供的资料为主。对这些资料进行详细分析可以看到，与轮轨高速铁路相比，高速磁悬浮运输并无特别突出的技术优势，并非象有些资料所宣传的那样优秀，下面主要以德国常导型高速磁悬浮(以下简称磁悬浮)为例进行分析。

    1．磁悬浮与轮轨高速铁路的最高试验速度基本相同

    到目前为止，    超导型磁悬浮列车MLX―01(三辆编组)的最高试验速度为552km／h(1999年4月)，德国常导型磁悬浮列车TR 07(二辆编组)的最高试验速度为450km／h。而轮轨高速铁路最高试验速度为：法国515．3km／h、德国406．9km／h、    443km／h(六辆编组)。无论是常导还是超导磁悬浮与轮轨高速铁路在最高试验速度上均处于同一量级。

    拟建的柏林一汉堡磁悬浮线设计商业运营速度为450km／h。能否实现还要看线路建成后的试验情况，因为Emsland试验线仅是一条单线，目前还没有进行450km／h的列车交会试验。磁悬浮运输真正能够实现的商业运营速度要取决于技术可行性、环保要求、乘坐舒适度、经济性等综合因素。轮轨高速铁路以300km／h速度进行商业运营已近20年，考虑到将来的发展，近几年建设的轮轨高速铁路普遍预留350km／h的发展余地，法国东部欧洲线预留400km／h的发展余地。

    2．以相同的单位座席占有面积计算，相同速度下轮轨高速列车的能耗低于磁悬浮

    有的文章认为常导型磁悬浮列车比轮轨高速列车能耗低。按照德国国际磁浮公司(Transrapid International)提供的资料，速度为300km／h时，磁悬浮列车TR 07比动力分散型(头车也可以坐人)轮轨高速列车ICE-3每人公里能耗约低25％，该资料给出的数据比较见下表。由于目前TR 07还没有达到5辆编组，估计该数据仅为计算值。

磁悬浮列车TR 07 轮轨高速列车ICE―3
列车编组／座位数 5辆／446 8辆／415


列车尺寸 头车 中间车 头车 中间车

长(m) 26.00 24.77 25.68 24.77

宽(m) 3.7 3.7 2.95 2.95

运行图下每200(km／h) 30(Wh／P·km) 36(Wh／P·km)

人公里能耗250(km／h) 36(Wh／P·km) 46(Wh／P·km)
300(km／h) 44(Wh／P·km) 58(Wh／P·km)
400(km／h) 63(Wh／P·km)

    每人公里的能耗值与列车座席的多少关系很大，而每列车设置多少座席主要取决于乘坐舒适度(单位座席占有面积)。从德国提供的资料可以计算出，此时每座席占有面积(包括通道、卫生设施等辅助面积)：TR 07为1．06m2，而ICE―3为1．42m2。就是说按与TR 07相同的座席面积设计，ICE―3可比TR 07多36％的座席。这样计算下来，300km／h时，ICE―3的能耗低于TR 07约10％。

    认为磁悬浮列车能耗低，是以牺牲舒适度(降低单位座席占有面积)为前提的，例如轮轨高速列车ICE―3带有一节餐车仅有24个座席。以相同的单位座席占有面积计算，相同速度下轮轨高速列车的能耗略低于磁悬浮。

    磁悬浮列车虽然没有机械阻力，但还有直线电机阻力、导轨涡流阻力，并且悬浮也需要能量(约lkw／t)。根据德国提供的TR型磁悬浮列车阻力计算公式，5辆编组300km／h时，直线电机阻力占16．8％，导轨涡流阻力占14．7％，空气阻力占68．5％。从理论上讲，无论是轮轨高速列车还是磁悬浮列车，在高速下的主要阻力均为列车头尾的空气压差阻力和列车表面的空气摩擦阻力，该阻力与速度的平方成正比，因此，两者在能耗上不会有太大的差异。

    在TR 07与ICE―3能耗比较分析中还要注意一点。磁悬浮车辆的几何设计尺寸(长、宽、高)没有限界要求，可以考虑减小空气阻力自由决定，而轮轨高速列车需要满足UIC的车辆限界规定。另外，同为轮轨高速列车能耗也有差异，例如，    700系高速列车比100系高速列车总能耗减少了约20％，而100系比0系高速列车的能耗还减少了大约20％。这与采取的降低阻力提高效率的技术措施有关。

  3．在相同的噪音水平下，磁悬浮列车与轮轨高速列车的速度相比，前者最大不能超过后者50km／h

    评价噪音水平有两种方法，一个是用最大噪音，另一个是用等效噪音，等效噪音与列车长度有关。德国研究报告〔2〕给出了轮轨高速列车TGV-A(法国)与ICE―l(德国)和常导型磁悬浮列车TR 07的噪音比较，其值如下表：

速度(km／h) 100 200 300 400

TGV―A(db(A)) 77 87 93 98

1CB―l(db(A)) 74 83 89 96*

TR 07(dB(A)) 71 77 86 94


    注：测点为距线路中心25米，距轨面高3．5米；*为外插值；ICE―1为14辆编组，TGV―A为10辆编组。

    该资料提供的数据表明，ICE―1的噪音比TR 07约高2―3分贝，并随速度的增加，两者噪音的差异越来越小。ICE―l在250km／h时的噪音与TR 07在300kgn／h的噪音相当。若保持两者的噪音处于同一水平，磁悬浮列车TR 07的速度最大不能超过轮轨高速列车ICE―1约50km／h。

    研究资料表明，结构噪音大约与速度的3次方成正比，而空气动力噪音大约与速度的6―8次方成正比，当速度在260―300km／h以上时，轮轨高速列车的噪声音将以空气动力噪音为主。磁悬浮列车虽然没有结构噪音，但空气动力噪音与轮轨高速列车没有大的差异。另外，即使都是轮轨高速列车，其噪声音水平也有差异，这与高速铁路系统的减振降噪措施有关。

    在这里需要说明一点，供给磁悬浮轨道线性电机长定子的变频变压(VVVF)电流，会使长定子绕组产生电磁噪音，只要这个长定子分段绕组(200―2000m长)通电就会产生噪音，该噪音虽然不很大，但持续时间长，这与轮轨高速列车仅在列车通过时才有噪音是不同的。1998年中国铁路代表团参观德国Emsland磁悬浮试验线时，已经明显地感觉到了这一点。

    4．高速轮轨线路与磁悬浮线路可选用相同的曲线半径

    列车在曲线上的允许通过速度主要取决于由舒适度决定的未平衡离心加速度的限值，欧美国家一般规定不超过0．1g(约1m／s2)。若要提高曲线的通过速度，就要设置大的外轨超高来平衡离心加速度，超高越大，允许的通过速度越高。

    轮轨高速铁路最大超高一般不大于200mm(约相当于80)，而德国常导磁悬浮允许的最大曲线超高为120，这样以同样速度通过曲线时，磁悬浮可以把曲线半径做得更小。

    目前轮轨铁路已经成功开发了摆式列车，它可以用将车体倾摆的方式来弥补曲线超高的不足，一般最大摆角可达80。若在高速线上使用摆式列车，则可以得到最大等效曲线超高瞻远瞩16°，这样，在同样速度条件下，可以使用比磁悬浮更小的曲线半径。因此，使用小半径曲线也是轮轨高速铁路可以做到的，只是要根据必要性来选择罢了。

    5．轮轨高速列车与磁悬浮列车的加速距离能够大体相当

    磁悬浮列车是纯粹的动力分散型，因此，也应与动力分散型轮轨高速列车比较。德国国际磁浮公司给出了磁悬浮与轮轨高速的加速距离比较，补充一些有关前提条件后如下表所示。

加速距离速度(km／h) 磁悬浮列车TR 07 轮轨高速列车ICE―3
0～200 1715m (62S) 4400m (140S)
0～300 4340m (104S) 20900m (370S)

单车自重+载重(t) 50+12 (15*) 最大轴重≥15 t

编组／座位数 5辆 (2) ／446 8辆／415

功率(供电容量) 32MVA 8MW


注：*为中间车载重。

    由于磁悬浮列车的功率因数约为0．8，因此TR 07的功率约为25MW。从上表可以看出，ICE―3的功率仅为柏林―汉堡线磁悬浮功率的大约三分之一。由于轮轨高速列车与磁悬浮列车的运行阻力相差不大，因此加速能力主要取决于功率(牵引力＝功率÷速度)，轮轨高速列车增加功率受轮轨粘着和弓网受流能力两方面的限制。

    按照欧洲的约定，速度为350km／h时，轴重应不大于15t。对于目前的技术水平，一个受电弓的受流能力可达700A(相当于17.5MVA)，根据法国TGV目前的轴重和轴功率推算，15t轴重的轴功率可为lMW。线路试验结果表明，非头车可获得较头车更高 (可达1倍以上)的粘着系数〔1〕因此，动力分散型高速列车中间动车的轴功率还有进一步增加的余地。

    将ICE―3升2个受电弓(可达35MVA)，轴功率选为1Mw，且将全部车轴改为动轴(8M)，这样8辆编组的ICB―3的总功率可达32MW，大于5辆编组的TR 07的功率(25Mw)。这样，ICB―3的单位座位的功率大大高于TR 07，从而ICE―3可获得较TR 07更短的加速距离，同时，也可获得比磁悬浮列车更大的爬坡能力。

    事实上，轮轨高速列车的功率配置，要根据需要，考虑站间距离、最高速度、舒适度要求、线路坡度等综合因素,并非越大越好。例如，    高速试验列车6辆编组的300x为13Mw，16辆编组的500系为18MW，后来又将16辆编组的700系降为13Mw。

    另外，加减速度的大小还受乘坐舒适度的限制不能过高，对轮轨高速列车，一般纵向加速度值不大于lm／s2。因此，轮轨高速列车没有必要配置太大的功率。

三、磁悬浮运输技术的固有缺点难以克服

    无论是常导还是超导磁悬浮，均需要悬浮在T型(常导)或U型(超导)轨道梁上，由地面向线性电机长定子供电驱劝列车前进，并在行走时由线性发电机向车内供电，它们实现了无机械接触运行，但同时也带来了轮轨高速铁路中不存在的问题．下面以常导磁悬浮为例，在几个主要方面，与轮轨高速铁路进行比较。

    1．磁悬浮线路道岔结构复杂、庞大、可靠性差

    常导型磁悬浮列车的轨道是一根钢梁(单线约1．5t／m)或混凝土梁(单线约3．5t／m)，列车围抱并悬浮在T型轨道梁顶板两侧的悬臂端长定子上。

    这种结构决定了其道岔只能移动整个庞大的钢制轨道梁。在德国Emsland试验线，其快速道岔由8台液压千斤顶将高约2m、宽2．8m的钢梁顶成预定的形状并与另一轨道相接，实现列车转辙，相同侧向通过速度的磁悬浮线路道岔与高速轮轨线路道岔主要参数比较见下表。

德国常年磁悬浮 轮轨高速铁路 比值

直向速度 (km／h) 400 350 1．4

侧向速度 (km／h) 200 220 约1

移动部分长度 (m) 149．64 约61 约2

移动部分重量 (kg) 约225000 约10000 约23

移动行程 (mm) 3610 160 22

最大转辙力 (kN) 518 6 86

转辙时间 (S) 17 3 6

    磁悬浮线路的道岔结构复杂、庞大、锁定困难、可靠性差，其转辙力约为轮轨高速铁路道岔的86倍，轨道移动距离约为轮轨高速的22倍。

    于运输的需要，站场上须铺设道岔以使列车能够进行待避、越行等作业，区间上每隔20―30km需设置渡线道岔，以使线路维修和发生故障时不中断行车等。在运营线上不得不大量采用这样的道岔，无论从工程造价上还是从运营可靠性上来讲，都不是一个好的选择。

    2．限制磁悬浮线路运输能力的因素较多，且扩大运输能力很困难

    一条新建线路的运量往往是逐年增加的，这就要求线路的运输能力也能很容易地逐步扩大。运输还有另一个特点,就是运量的波动性，在节假日和休息日期间以及通勤时段，运量会比平时高很多，甚至会高出几倍。因此，要求运载工具应具有尽量大的运输能力，以便在运输高峰时仍能满足运量的要求。

    线路的运输能力由三个因素决定：(1)每辆车的载客量；(2)列车编组长度；(3)行车密度。对于磁悬浮运输来说，任何一个方面的能力都受到诸多因素的限制，而对于轮轨高速铁路，这三个方面扩展的空间很大，磁悬浮的运输能力低于轮轨高速铁路，并且应对突发事件的能力很差(比如，不能长时间低速运行，必须停靠在指定地点等)，运输缺少灵活性。据    方面测算，磁悬浮的运输能力充其量也只有轮轨高速铁路的一半。下面就决定运输能力的三个方面分别进行分析(因为磁悬浮列车是纯粹的动力分散型，因而也与动力分散型高速列车进行比较)：

    (1)每辆车的载客量

    磁悬浮车辆依靠车上的悬浮电磁铁与固定在轨道上的定子铁芯(距悬浮电磁铁约10mm)间产生的吸引力使车辆浮起，单位面积的悬浮力受铁芯磁通饱和的限制不能过高(最大约2kg／cm2)。磁悬浮车辆TR 07自重为50t，载重为12t(按定员100人，每人100kg计算，共10t)，若要增加磁悬浮车辆的载客量就要增大悬浮电磁铁和定子铁芯的宽度。访德考察报告指出，磁悬浮车辆的过载能力约为25％，不允许过载运行[3]。

    轮轨高速列车在载重上有很大的利用余地，钢轨能够承载的同重可达19t，甚至更高，而    500系高速列车实际利用的轴重仅为11.2t。轮轨高速车辆的过载能力很强，若通过采用双层客车增加载客，可使每辆车的载客量提高约30―40％。

    磁悬浮车辆若要增加载重，就必须在建设线路时一次性加宽定子铁芯的宽度，但铁芯的宽度也不能无限增加，磁悬浮车辆很难达到轮轨高速车辆的承载能力。磁悬浮线路建成后再打算扩大每辆车的载客量几乎没有任何办法，除非重新设计定子铁芯，采用双层客车来提高载客量也是难以做到的。

    (2)列车编组长度

    磁悬浮列车的推进装置是长定子同步直线电机，其定子建在轨道上，相应的电机转子(即悬浮电磁铁)设在车上，轨道上的定子与相匹配的车上的转子构成直线电机系统，一列车由一台电机驱动。

    增加列车编组，就需要增加直线电机的功率，增加功率就意味着要增加供给直线电机长定子的电流和电压。供电电压的增加受定于绕组绝缘的限制，目前长定子供电电压已达20kV，这对于直接向轨道供电已经很难，再增加电压谈何容易!电流的增加受定子绕组导线截面和定子铁芯磁通饱和的限制，并且向大约30km长的供电区间进行3相供电，线路损耗太大，增加电流极不经济。

    磁悬浮线路必须按列车最大编组需要的功率一次建成，否则一旦建成再要扩大编组，就需要重新设计施工沿线的长定子，而这是工作量很大又很难做到的。并且最大功率受电压和电流限值以及定子铁芯截面的限制也很难做得很大。对轮轨高速铁路来说，由数个车上的电机驱动列车，无论增加单个电机的功率还是增加电机数量都很容易做到的。

    目前，    高速列车编组已达16辆，继续增加编组长度也是很容易的。而磁悬浮试验列车TR 07仅2辆编组，为柏林一汉堡磁悬浮线设计的磁悬浮列车也只有5辆编组。磁悬浮列车要想达到目前轮轨高速列车的编组长度(如16辆编组，定员1300人)是非常困难的。

    (3)行车密度

     磁悬浮运输的每一个变流站(提供VVVF电源)只能供给一列车用电，一个供电区间只能有一列车运行，并且考虑到安全距离，2列车之间至少要间隔1个以上的供电区间，若要增加行车密度，就必须增加地面变流站的密度。

    相比之下，轮轨高速铁路的行车密度不依赖于供电区间的长短，当前的轮轨高速铁路行车间隔已经达到3分钟，并且正在研究移动闭塞技术，行车密度还可以进一步增大。

    目前设计的柏林一汉堡磁悬浮线的行车间隔为20分钟(变流站间距约30km)，并预留将变流站的密度增加一倍后，获得10分钟行车间隔的可能性。目前还没有见到认为磁悬浮线路也能达到轮轨高速铁路德国间隔3分钟的报道。

    综上所述，限制磁悬浮运输能力的因素很多，其运输能力低于轮轨高速铁路，并且磁悬浮线路一旦建成，再想扩大运输能力是非常困难的，除非重新设计线路和列车。

    3．如果没有重大技术突破，磁悬浮很难大幅降低造价

    据法国铁路设计咨询公司(SYSTRA)对巴黎一布鲁塞尔一科隆线的估算，磁悬浮(常导型)运输总投资是轮轨高速铁路投资的1.546倍。另据德国铁路工程咨询公司的估计，平原地区磁悬浮运输的造价要比轮轨高速铁路高约20―32％。造成磁悬浮运输系统造价高的原因很多，主要有以下几个方面：

    (1)按轮轨高速铁路的线路、桥梁造价比例，桥梁的造价约为普通路基的4―5倍。而磁悬浮线路全部为桥梁(即使是低置线路)。

    (2)磁悬浮的承载轨道是长定子铁芯，驱动装置是长定子绕组，志向轨道是两条钢制导轨，另外还必须铺设在悬浮失效情况下的迫降轨道。而轮轨高速铁路的承载、驱动、导向轨道仅是两条60kg／m的钢轨。

    (3)磁悬浮道岔结构复杂、庞大、造价昂贵。而轮轨高速铁路的道岔要相对简单得多。

    (4)磁悬浮为提高供电效率，需将30―50km供电区间的定子绕组分成300―2000m不等的分段绕组，只有列车经过的分段绕组有电，因此，线路要设立很多高压切换开关，铺设复杂的电缆。

    (5)磁悬浮与轮轨高速铁路采用相同的GTO(或IGBT)牵引变流技术，目前技术水平的PWM逆变器的容量约为2MVA(并联使用)，中间直流电压均为2600V左右，输出电压约为0―2000V，该电压对于磁悬浮长距离输送来说损耗太大，必须经升压后输送，因此，地面逆变器后不得不还要设置升压变压器(升压后达到 20kV)。

4．安全性和运营维护费用有待验证

    有些文章讲磁悬浮不会脱轨、不会撞车等，是非常安全的交通工具。本文认为磁悬浮的安全性还需要长时间的运营考验，至少在以下几个方面还有待验证。

    (1)轮轨高速铁路将机械制动作为动力(再生)制动失效时，确保安全最可依赖的可靠手段(磁轨或涡流制动作为补充)。磁悬浮没有机械接触只能使用动力(再生)制动和涡流制动，当供电系统出现故障时，动力制动失效仅剩涡流制动，而涡流制动能力很有限。在故障情况下列车失去控制与前列车相接也不是绝对不能发生的。轮轨高速列车的信号系统，也会保证前后两列车之间具有足够的闭塞分区，确保列车不会撞车。

    (2)长定子铁芯作为列车的承载轨道，单轨大约承载20kN／m的作用力，为了安装绕组，铁芯上需开很多槽，由于应力集中，这些槽会大大降低铁芯承载的疲劳强度。目前还没有一个好的探伤方法来检测铁芯内部裂纹，而确保安全的故障诊断是运营所必须的。定子铁芯一旦断裂，就会卡在列车和轨道之间造成列车颠覆。Emsland试验线曾发生过定子铁芯松动事件，后来将每一块铁芯的固定螺栓由4个增加为6个。

    (3)关于维修费用，影响寿命的因素有：疲劳、磨损、腐蚀、老化等。磁悬浮运输虽然没有轮轨与弓网接触，消除了机械磨耗和磨损，但直线电机长定子的绕级与铁芯都裸露在露天里，铁芯的锈蚀和绕组绝缘材料的老化等都成为非常突出的问题，这些都需要长时间的运营考核才能确定其养护维修费用。1998年参观Emsland试验线时看到，有些长定子铁芯已经锈蚀。

四、结论与建议

    根据前面对磁悬浮与轮轨高速铁路，在作为高速轨道交通的运载工具方面的比较分析，本文认为：

    1．作为高速轨道交通的运载工具，磁悬浮运输相对于轮轨高速铁路，其技术优势不明显，而固有的缺点又很多，磁悬浮运输技术从试验研究走向工程化,将是非常艰难的。看不出磁悬浮是二十一世纪的地面交通的发展方向，磁悬浮要取代轮轨高速铁路更是不可能的。

    2．轮轨高速铁路是安全、经济、高速、舒适、环保的现代化交通工具，中国未来的干线高速轨道交通必然要依靠轮轨高速铁路。随着科学技术的进步，轮轨高速铁路还将向更高速、更安全、更经济、更舒适的方向发展。

    3．在经济条件允许的情况下，不妨可以选择一段短距离的支线线路．(也可以是旅游线)进行高速磁悬浮试验，以使我国能够掌握这项技术，并有可能将该技术应用于其他领域。


主要参考资:

    [1] (    )大山忠夫：高速与粘着，RRR．1994(12)9―13

    [2] (德国)G.Hoelzl：现代铁道车辆技术一以ICE高速列车为例论降低噪音的措施，ETR．42．1993(3)177―180

    [3] 访德高速常导磁悬浮考察报告，1997年1月26日―2月4日·