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□ 本文发布于
2012-08-13 18:59:15

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流动城市:超低成本替代地铁
眼界科技
城市交通已经是“大城市病”中最严重的问题,深刻影响着城市的正常运转和持续发展。而在多种措施综合治理城市交通的过程中,始终缺乏一种高效率低成本的核心方案。本文从现有的创造性方案入手,以传送带技术为基础,提出了一套在空间、时间、能耗、资金、安全等五方面都具有创新优势的公共交通系统,适宜于地铁尚未覆盖到的大面积城市市区。

城市交通问题是一个海量数据的复杂系统问题,通过任何单一措施都无法解决。在饱受困扰的全球各大城市,纷纷综合采取了限制汽车、强化法规、完善路网、立体交通、轨道系统、组团规划、BRT、APM、慢行系统、智能导航等多方面的结合治理,仍然难以招架日益膨胀的城市规划所带来的越来越严重的交通阻塞。这里面的根本原因,就是没有找出一种核心措施,能够兼顾效率与成本,同时满足多数人的出行要求。

一、寻找地铁替代品

地铁作为轨道交通的主力,是当前我国各大城市用以改善城市交通所主要投入的方向。地铁具有运量大、效率高、不干扰地面交通的优点,是世界各大城市现有的主流骨干公共交通方式。但同时,地铁具有显著的高投资(每公里超过5亿元)、长工期(每条线路建设周期长达3-6年)的特点,建设期间对地面交通影响相当大,建成后也存在有被毒气攻击和撞车的不安全先例。此外,地铁的通勤密度不可能太大,往往不能通达小区街巷深处,适宜于骨干交通网络的构建。

在我国还另外特别重要的是:正因为地铁投资巨大、工期超长的缘故,对城市财政造成相当大的压力,导致在我国每条地铁新线都需要国家发改委逐一审批。其结果是很多城市的地铁成网时间被再次大大拖后,城市交通问题在十年甚至二十几年内都难以缓解,甚至很多年都难以扭转持续恶化的局面。

因此,我们迫切希望选择一种可以低成本来替代或补充地铁的公共交通系统。这种系统必须使用成熟的工程技术,建造成本大大低于地铁,建造周期大大短于地铁,无须国家发改委审批;具有更好的通达性,更加节能,更加安全,能够与其他交通方式方便的换乘……

国内外目前研究和运营中的地铁替代及补充系统,主要包括以下几类:

1、轻轨

轻轨是目前最成熟的地铁替代及补充系统。轻轨的造价比地铁为低,主要因为它们需要的基础建设程度有差别;加上轻轨的灵活性较高,故施工规模亦较小。而在单位运量所耗费的车辆、能量、维修费用三方面,轻轨其实都比地铁更高。

总体来说,轻轨与地铁其实只有运量的区别,地铁的优点和缺点轻轨基本都有。而成本方面除了土建都比地铁还高,因此只适合于充当地铁的补充方式,以及在中小城市暂时无法批准建设地铁的地方建造使用。无法达到我们的目标。

2、空轨

空轨列车即悬挂式单轨交通系统。轨道在列车上方,由钢铁或水泥立柱支撑在空中。由于将地面交通移至空中,在无需扩展城市现有公路设施的基础上可缓解城市交通难题。又由于它只将轨道移至空中,而不是像高架轻轨或骑坐式单轨那样将整个路面抬入空中,因此在建造和运营方面具有快捷、节省、可拆卸重复利用的优点。

严格的说,空轨是轻轨的一个分支。由于今年传出温州市将引进该技术而名噪一时。空轨的主要劣势是承载量有限、突发状况无法快速处理、维修维护成本相对较高。主要适合中小城市运营。

3、BRT

BRT本意“快速公交”,即Bus Rapid Transit。源于巴西南方城市库里蒂巴,是一种利用改良型大容量公交车辆和现代智能交通技术,运行在公交专用道上,保持轨道交通运行特性,具备普通公交灵活性、经济性的一种便捷、安全、舒适、准点的公共交通运营服务方式。自上世纪末经ABBS推荐到中国以来,已经在国内各大城市广受欢迎。因为太多不被批准建设地铁的城市迫切需要解决燃眉之急。

BRT提高了城市道路的综合利用率,相对地铁是一种低成本的快速解决方案。但由于与其他地面汽车的交叉点频繁,单体空间偏小,无法根本性的提高速度与运量,因此只能看作传统公交的改良升级版本,也不是我们要寻找的终极方案。

4、APM

APM即Automated people mover是一种无人自动驾驶、立体交叉的大众运输系统。通常由无人驾驶的车厢不断环或折返行驶。当前,APM在欧洲和部分亚洲国家中已十分普遍。从经济考量上,APM趋向把系统的设施缩少到能够依附到大型运输系统当中,从而令相对较小型的安装设施乎合经济效益。结果令以前被认为规模太小而不足以兴建地铁的城市也可以架设轨道系统。

2010年,APM因为在广州的实践而被引入中国。投入成本和建设周期都比地铁为低。但主要问题是运量偏小,综合旅行速度较慢,也不适宜于长距离运输。

5、立体快巴

“立体快巴”是2010年前后由宋有洲先生发明的一种在城市道路上行驶的巨型公交车,依靠两侧支架悬空公交车身于地面之上2米-4.5米的空间,让小汽车从其下方正常穿过(图1)。这样就充分利用了小汽车高度之上到天桥之下的2.5米左右足以站立乘客的空间。如果充分利用的话,道路资源的利用率几乎提高了20-50%。这个想法是非常值得赞赏的,难怪外国人也惊呼中国人的创造力并不落伍!并且被《时代周刊》评为2010年全球50佳发明。

图1 立体快巴示意图

不过,“立体快巴”也有致命缺陷,那就是安全性能。发明人似乎只考虑了“立体快巴”自身转弯时,如何让其他车辆避让“立体快巴”,而忽略了下面的小车,自身存在换道和转弯的需求。小车并不会永远向前方行驶,只穿越“立体快巴”所造成的移动隧道,而是经常需要换道以备左右转弯,更会频繁的拐向街道两侧的小区、企业、单位的出入口。而这些换道行为都不可能在“立体快巴”的下方进行。考虑到安全因素,也不可能在接近“立体快巴”的地方进行。这就给“立体快巴”的应用带来了非常大的局限性。而且车流一大,要么造成小车刹车等待“立体快巴”通过之后再换道而阻塞交通,要么造成小车强行加速超越“立体快巴”后再快速转弯变道而带来很大的安全隐患——要知道小车在穿越这个移动隧道之前,基本看不见外面车道的路况,无法提前准备。

立体快巴是一种尚未投入建设的全新解决方案,其发明思路值得学习借鉴。但由于安全上的瑕疵,立体快巴也不是我们要寻找的方向。

6、自动传送带

自动传送带已经发明100多年,几乎与汽车同时诞生,不少前辈也尝试将其应用到城市公共交通中去(上世纪颠覆性的交通创意:传送带人行道)。而且关于远程传送带、高速传送带、变速传送带所使用的工程技术,经过100年的发展,已经非常成熟。那么为什么多年来自动传送带一直未能以系统的形式被应用于各国的城市交通呢?

我们分析,主要是经济性和安全性的问题。本文后半部分将回答是否能解决这两个关键问题。

二、寻找不停顿公交

为什么城市里面,总有很多人宁愿堵车到路上几个小时,也不愿意乘坐公交系统呢?
人们不选择公交系统的理由很多,但最重要的原因只有一个:所有公交工具,无论公共汽车、电车,还是地铁、轻轨、BRT、APM等等,都无法完成点到点的交通,并且需要不断的停下来,即使不堵车。

也就是说,当今所有的公交工具,都是“停顿公交”,都必须在每个车站、每个换乘点,或者每个红灯面前把速度降到零,然后经过上下客或换乘之后,才能继续乘客的旅程。而如果换乘次数达到3次以上,那就绝对不是一次愉快的移动了。

有没有办法设计一种“不停顿公交”呢?从登上它的那一刻起,直到目的地,都不需要停下来再次启动?

答案就藏在“流动城市”。

三、何谓“流动城市”?

“立体快巴”的核心创新是充分利用了城市道路中小汽车道上方2米-4.5米这个多数时候的闲置空间。而我们酝酿已久的“流动城市”,也在这方面有着自己的创新。



所谓“流动城市”,是由“流动街道”组成。目前,所有城市的街道都是固定不动的,运动的是人和车辆。当人车不动,而街道运动,就形成了“流动街道”。数十上百条“流动街道”组合起来,便是我们的“流动城市”——街道象河流一样流动,而城市成为人流的水系。
“流动城市”正是使用高速传送带作为骨干线路的全新公交系统。就是用一种早已成熟的技术——大家在机场里经常看到的传送带(自动人行道)——作为基础来构架整个城市的交通网络。这个网络有着地铁的运输效率,却只需要地铁1/15的成本和1/5的建造周期。目前该系统方案已经获得国家专利授权,属于我国的自有知识产权技术。

图2 流动城市规划布局示意

作为完整的运输网络系统,“流动城市”主要分为运输网络、运输对象、控制系统、引导系统等四部分组成。

1、运输网络
包含主线路、出入线路、换乘线路等三部分(图2)。各线路均架设在基础结构(桥、隧)上,由每段5-20米长、1-2米宽的电动传送带拼接组合构造而成。其中主线路、换乘线路设置为固定匀速运动传送带线路,而出入线路为逐级增或减的变速传送带线路。全部线路均在基础结构外围采取玻璃幕墙等透光材料设置外墙及顶面,以避免风吹雨淋。

1) 主线路
主线路为整个运输网络中运行速度最高、流量最大的骨干部分。按照本系统的运输能力和可达性,在城市市区的主线路规划布置可以达到每两条平行主线路间距600米左右。即市区行人从任意点步行到达本系统主线路,距离不超过300米,时间不超过5分钟。
主线路基础结构分高架和地埋两种。分别类似微型的高架轨道系统和地铁系统,运量与轨道系统近似,而工程量要小很多。

2) 出入线路(图3)
出入线路为本系统从地面静止处连接主线路的连接线路段。本运输网络无须考虑运输的加减速而象地铁那样在每500米以上间距才能设置站点,而是在任何能够满足站台段出入长度的地方均可设置出入线路。

图3 出入线路示意

运输对象(人与小车)需要从市区地面进入本系统主线路时,从入口段通过数节不同速度的传送带逐级加速到与主线路相等的速度,即达到站台段后,可以方便的横向移动进出主线路。因为站台段相对于主线路是静止状态,运输对象此时作横向移动不会有任何不适,也不会有安全问题。运输对象需要离开本系统主线路时,则从主线路上与站台段相接的部分横向移出,在相同速度状态下达到站台段,然后在出口段逐级减速达到地面出口。

3) 换乘线路
换乘线路为两条主线路间的连接线路。包括入口站台段A、换乘段、出口站台段B共三部分组成。其中站台段A、站台段B分别与两条主线路的相接部分水平等高平齐,侧面平行相接。三部分的传送带运行速度均与主线路相等。其中站台段可与出入线路的站台段共用。
实际修建的时候,在两条主线路立体交叉的附近,以一条弧形线路连接在主线路的外侧的两个站台段A和B。这样运输对象(人与小车)无须减速就能直接切换线路:运输对象从主线路A与站台段相接的地方横向移动到达入口站台段A,然后随传送带进入弧形的换乘段,再进入出口站台段B,再次横向移动即可进入主线路B。

2、运输对象
运输对象包括行人与定制小车,即乘客可选择两种方式搭乘本系统,一是直接步行搭乘,二是乘坐定制小车随小车自动运行。

3、控制系统
与一般轨道交通的控制系统有所不同的是:除了票卡检测处的乘客人数统计外,重点在各线路的线台段设置摄像头及重量传感器,将数据传送到控制中心。控制中心服务器则根据汇总各站台段的流量数据,系统自动确定是否暂时关闭某个出入线路的入口,从而控制主线路各段的流量正常,保证系统的安全运转。

4、引导系统
包含指示牌、指示灯、指示屏幕等指示设备,安装于每个需要提示运输对象的地方:比如出入线路的入口外和出口前、主线路将到达某出入线路站台段之前、主线路将主线路将到达某换乘线路站台段之前、定制小车的指示屏幕和提示喇叭等。引导系统主要针对传送带运输方式与传统车辆运输方式的不同,作出不同的细节设计,从而引导乘客能安全快速的使用本系统快速达到目的地。

四、“流动城市”的创新

具体而言,“流动城市”有下面五大方面的创新:

1、空间:充分利用道路的闲置空间
与“立体快巴”利用车道上方空间不同,高架“流动城市”使用的是人行道或绿化隔离带上方的空间。既可以为地面行人遮风避雨、隔离日晒,还能方便快速的施工建造,几乎不影响道路交通的正常运转。地下“流动城市”则如同挖下水道一样方便,成本低廉、施工简便,根本无须使用盾构机那样昂贵的大型设备,施工过程也没有安全隐患。

2、时间:减少不必要的时间消耗
传统车辆,包括轨道交通,都不停的处于启动——运行——减速——停车——再启动的反复过程,拖慢了旅行速度。而乘客在换乘站点的下车——换站——等待——再上车,也浪费了不少的时间。地铁站距离乘客的目的地,往往不是几步路就能到达的,很难形成点到点的方便感受,这是另一段比较长的步行时间。
“流动城市”通过匀速运行、不减速换乘,完全避免了前两种时间浪费;通过相对廉价的业主申请修建,又大大减少了乘客从站点步行到目的地的时间,甚至能够直接抵达商场或写字楼/住宅小区的内部。这是其他公交工具所不能想象的。正是我们所推崇的“不停顿”公交系统。

3、能耗:只运输该运的重量
无论汽车还是地铁,在运输乘客的同时,主要运输的其实是车的自重,相差达10倍之多(每辆轿车均重1.5吨,乘客为2时仅150公斤)。“流动城市”则只运输了真正该运输的对象——乘客自身。除此之外最多再包括地板和扶手,而底盘、外壳、发动机、能源,都不在被运输之列。被做功的重量只相当于车辆系统的1/5。
由于全程封闭运行(图4),同时系统空间不包括大面积的等候空间,减少了开启空调时的所有能量流失。而在春秋或早晚宜人季节,又能全面开启侧面玻璃而享受自然风的吹拂,不象地铁那样空气浑浊。
“流动城市”的主干线匀速运动避免了频繁启动停止和加减速,只需要很低的电力就能够保持速度运行,再次大大降低了能量消耗。
节能意味着减排,意味着田园生态,还意味着生活质量和大笔金钱。


图4 全封闭线路示意

4、资金:唯一能赚钱的“地铁”
从建造方面,由于成本只是地铁的1/15(图5),大大减少了项目的开支。而且在建造的同时还修建了人行天桥,节省了大笔费用。
从运行方面,由于收费类似地铁,保持了相当数量级的收入。
从带动地段方面,由于站点更密、造价更低,“流动城市”带动的不再仅仅是十几个站点的周边,而是整条路线、整个城市。
从施工影响方面,由于施工时间短、影响面小,施工对整个城市造成的经济损失也相应大大减少。

图5 由于结构简单重量轻 建造非常容易

5、安全:最严重的事故仅仅是摔倒
由于全系统的最高运行速度也才二十多公里,相当于比较快的自行车速度。因此无论发生任何故障,所能造成的人员伤害都极其有限,远远低于以60公里以上速度运行并且由千万个司机驾驶的汽车,也远远低于以80公里速度运行并在地下十几米深度可能面临氧气缺乏的地铁(图6)。
同时由于整个系统完全高架或下地,完全独立于地面交通,同时使得几乎所有路口具有自动人行天桥或地道,使得行人永远不再面临过街时面对呼啸而过的汽车的生命危险。

图6 轻盈而通风的安全公交系统

五、历史上为何传送带未能成功应用于城市交通?

“流动城市”所使用的工程技术,大多数已经是全世界所普及的成熟技术。那么为什么高速传送带一直未能以系统的形式被应用于各国的城市交通呢?
我们分析,主要是经济性和安全性的问题。

1、经济性方面
1)由于未曾使用“流动城市”所发明的不减速换乘方式和不减速进出站方式。长距离高速传送带只能被寄望使用于点对点交通,而无法每站出入,也不能形成交通网络。由于与车辆相比速度不高,也不能用于城市之间的长距离交通。而仅仅两点之间的固定交通量,显然不足以支撑这样一条传送带。
2)由于传统传送带无法收费,因此完全以公益性质来运营这样的线路,必然导致巨额的亏损。
3)过去仅仅与公交车系统比较价格,使得传送带系统被感觉得价格昂贵。而一旦把比较对象换为地铁,“流动城市”瞬间从昂贵变为廉价。

2、安全性方面
1)历史上的传送带基本铺设于地面,在与城市道路平交的过程有不可避免的安全问题。“流动城市”所发明的高架与地下传送带,彻底解决了这个问题。
2)历史上所有的出入站技术,都面临乘客不及时走上正确方向而碰上两条传送带分离处栏杆的安全隐患。“流动城市”的移动屏蔽门防患于未然,从源头上解决了这个难题。
3)历史上的传送带,发生故障后,损坏部分不能象地铁那样简单的从轨道上移出即可,会造成全线瘫痪。而“流动城市”采用分段传送带与轮带分离两个方案,都能有效的进行在线检修和检修时期的轮换工作,从而解决了这个100多年来悬而未决的难题。

六、理论基础:从分形城市到流动城市

分形城市是由笔者等在2000年前后提出的城市规划与运营概念模式。十年来,国内外不断涌现各种应用分形城市理论来规划城市、设计建筑的方案和项目。在我们所关注的交通方面的应用上,于Google搜索“分形城市+交通”,已能搜索到81万条相关内容。

1、分形与东西方城市差异
分形(Fractal)被称为非线性科学中最重要的三个概念(分形、混沌、孤子)之一,被誉为大自然的几何学。其本质是一种新的世界观和方法论,与动力系统的混沌理论交叉结合,相辅相成。普通人对于分形,最直观的理解是“自相似”及“迭代”。不同层次间的部分在形状上相似,并通过一个方式迭代成一个更大的整体,是分形体最基本的特征之一。

包括笔者在内国内研究者,从2000年前后开始,把分形理论引入城市规划研究与应用。从分形的角度看,现代城市出现以交通问题为核心的所谓“大城市病”,其根源来自现代城市由西方城市分形模式简单累加垂直拔高所产生的不匹配性。

那么,传统东西方城市差异的本质是什么呢?以分形的观点,主要包括三点:
1)分形的层次。中国城市遵循3-4级的逐级迭代,而西方城市仅有从城市到建筑单体的两层。
2)分形的主体。中国城市分形的主体是墙,西方城市分形的主体是道路。
3)分形的相似度。中国的家庭院落与城市平面的分形自相似度远高于西方城市。

所以,中国城市是一个多迭代层次、均质化和整体性的分形体,西方城市则基本可以简化为一个建筑单体的集合。而现代城市正是按照西方的传统城市结构建立起来的,所不同的只是每个建筑单体扩大了规模,增加了面积和高度,是一种简单的垂直拉伸或者说累加。

2、分形城市与城市交通
正因为是在旧结构的模式上扩展城市,大量的建设高层建筑,而城市的道路系统仍然总体局限在地平面上,使得现代大城市越来越暴露出它的弊端,如交通阻塞、高楼病、热岛效应、能源危机、人际隔离、贫富差距、市中心空壳化等等。为解决其中最迫切的交通阻塞问题,大城市修建了立交桥、人行天桥和地铁系统,在相当程度上缓解了这一矛盾。但从根本上来讲,这一切其实只是在不断的完善西方城市结构中两个要素(道路、单体建筑)中的一个——道路系统,最终使得道路面积占城市面积的比例越来越大,街道的传统特性越来越降低,而仍然跟不上汽车的飞速增长。

基于东方(中国)的传统分形城市模式,规划和运营立体分形城市,才是解决一系列城市病的根本出路。为此,我们先后提出过建设现代立体分形城市的三个重要思路:
1)首先是道路系统。地铁、轻轨及高架路是立体分形城市的雏形,通过它们可以相当大程度的解决城市里日益严重的交通问题。在未来的立体分形城市,扩展上述体系的自我封闭,解决其接口转换的效率是一个关键。
2)其次是建筑与街道的关系。未来的城市建筑将变封闭的“楼层”为开放的“空中土地”,城市(建筑)的支撑结构体系将与城市的使用空间及建筑的表皮完全分离,而建筑的表皮(及空中土地的开放部分)将与道路、广场一样,成为城市的公共空间。
3)最后是建筑自身。建筑,连同它的外表皮、甚至穿越的走道,都已经成为整个流动着的立体分形城市的不可分割的一部分。而每一幢单体的建筑里面,仍然有无限的个性空间可以发挥。

3、流动城市是分形城市的最新应用
在道路系统和交通方面,除了传统的立交桥、人行天桥和地铁系统之外,近年来,一些新的遵循立体分形城市概念的交通形式逐渐被引进国内,或者被国人发明出来。其中最有特点的就是前面提到的空轨与立体快巴。

而流动城市再次强化了分形城市在交通层面的应用意义。城市的交通再次成为室内交通的自相似迭代,并且完全模糊了建筑内外交通空间的界限,让建筑而不是车辆运动起来,最终以低成本、低能耗、低等待的方式完成了行人的时空转移。

七、多方面的现实意义

1、解决交通难题
交通问题是当前世界城市的第一难题。流动城市作为综合方案的核心,在配合其他建设与治理方式的基础上,有望彻底解决一百多年来困扰全球所有大中城市市区的出行交通问题,从而大大提高城市的运转效率。

2、环境与能源
此前几乎所有交通方式大部分能源都消耗在对车辆的运输上,而乘客仅占车重的几分之一到几十分之一。流动城市将只对乘客做功,从而大大降低了人类用于城市交通的能耗,既节省了能源,又从根本上保护了环境。要知道汽车尾气污染已经是环境污染中最突出量最大的一部分。

3、新兴产业
作为新兴的交通及交通设备产业,流动城市将同高铁一样,带给国家新的产业机遇,有望形成和带动一大批设计、生产、安装和运营的相关企业,为国民经济的发展提供新的后劲,成为中国产业发展新的蓝海。


结束语:发明百年之久的传送带,已经是非常成熟可靠的常规技术。而把这样的常规技术稍作改进,就能对我们的城市交通起到颠覆性的逆转疏通。无论从哪个方面来看,“流动城市”都能够取代或补充地铁(见表1),从而许给了每个城市一个光明的未来。

指标

地铁流动城市
线上旅行速度(公里/小时)3520-30
旅行10公里、换乘1次所需时间(分)2524
每小时运输乘客量(万人)3-65
站点间最小间距(米)500100
建造成本(亿元/公里)60.4
每条线路建设周期(年)40.5
建设期是否影响道路交通严重影响基本不影响
地面运行是否有噪音
提升商业价值站点附近全线
能源消耗
500万人口市区预计成网时间(年)253
成网后市区每点步行距站(分)15<5

表1 流动城市与传统地铁系统的12项指标对比

附:截止本文成稿时,本方案已经过再次修改并基本解决了文中未提及的剩余技术细节问题,并成功申请到3项国家专利。对本方案感兴趣的企业和政府请联系 leifeng@wen8.com 或致电眼界科技(18602854811)。

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