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高速交换的小型永磁磁浮系统可行性报告

即小型化的智能化的高速交换的线速路由的永磁磁浮的网络化的网络快车可行性报告

摘要:本文探讨采用全新、先进、便捷、快速、高效的高速交换的小型永磁磁浮系统，即小型化的智能化的高速交换的线速路由的永磁磁浮的含交换式电梯的带微型延伸线路的网络化的网络快车（ipbus），它集合现有交通形式的优点即解决缺点,来解决交通难题，最终可达到合理运输和必要运输的理想运输目的。本文阐述了采用网络快车的必然性和必要性（优点）。并对网络快车的近期和远期进行了初步的规划和研究。该文还通过初步的成本和效益评估来论证网络快车的可行性。

关键词：网络快车  小型化交通   一体化交通   理想化交通   集线站  交换站  路由站  高速交换  线速路由  智能运输系统（ITS） 永磁磁浮  交通规划

1.前言（背景）

1. 1   交通技术背景及存在的问题

交通技术背景及存在的问题:首先实现非常高的运行速度的动力是不存在问题的。就目前世界上各个单方面的交通技术而言，都已经够高了，那么为什么还没有彻底解决问题的交通工具出现呢？解决交通工具的缺点或者说集合各种交通工具的优点即可以彻底解决交通问题。目前限制交通能力的瓶颈问题关键有三个，一是前后车辆的大间距问题，法国和日本的智能运输系统已经提出了解决方案，日本采用在道路地下埋设磁块的自动引导方式，法国采用超声波检测距离技术，前后车辆的最小间距只有0.3米，也就是说减小前后车辆的间距问题是可以解决的；二是普通站台限制了车辆的通行能力，在网络快车理论中称现有公汽或轻轨站等为集线站，即当所有车辆达到一定的速度之后，站台无能力供应满足线路运能的需要，也即要么运行速度高不起来，要么车辆的运行间隔时间或间距比较大，总之集线站的通行能力是很小的，其实早就已经被提出了待避线方案，并且美国的“空中的士” （即个人快速公交系统）（PRT，Personal Rapid Transit）已经采用了单条待避线建站，但是它只解决了站台不挡道问题，“空中的士”的站台属于网络快车理论中所提出的最简单的低速的交换站，线路的通行能力及通行速度还比较小，网络快车理论将交通交换上升到理论，网络快车理论提出可以满足从低速到超高速线路的按运能和线路速度的需要能力建站的各种交换站，即按需要建设各种规模不同的交换站，它将可以满足客货及时并且快速地上下车，以及可以满足线路的最大运能（说明：运能与速度成正比），简单地说就是网络快车的交换站将不再会限制线路的运输能力；第三就是需要不用换乘或无中转的网络化交通系统。很显然现有大型化的车辆相对小型化的车辆，存在土地空间和线路造价两个难以逾越的问题，绝不可能实现细网络化。网络快车可以实现细网络化，并且运能特大。网络快车的核心技术就是实现高速交换和线速路由，它是智能运输系统的最高形式。

1.2    对网络快车的设想为什么有这个把握呢？

因为交换和路由理论是现有技术的综合和总结以及升华，或者说创新，它符合理论发展的规律，它也符合一系列公认的交通发展趋势；对解决问题的技术也经过了从简单到复杂，再从复杂到简单的过程。基本的交换、路由、分道、合道、加速带和减速带、永磁磁浮、直线直流电机等都有现实的原形，并且技术原理比较简单，实现它并不难，它不像现有的超导和常导磁浮因技术复杂而存在我国技术上不够成熟以及成本高的问题。网络快车在基本的自动控制技术上还相对现有日本和美国的智能化交通系统(简称ITS)高技术简化了许多。实现交通路由软件的功能同实现数据路由软件的功能一样并不复杂。但是难点在于需要该软件每年365天，每天24小时高效可靠地运行。属软件研发管理风险。再说交通路由软件是分车辆微电脑、站台电脑、服务器三级协调实现或两级甚至车辆微电脑一级动态实现，并且软件具有可升级性。

1.3    本世纪初的交通问题及其前景

1.    提出交通问题

二十一世纪初，解决大城市周围地区交通拥挤和堵塞现象几乎成了最为棘手的难题之一。对高速交通工具的追求是人类创新的源泉和永恒的梦想之一。

人类在二十一世纪初的交通现状，随着社会经济的不断发展和人们生活水平的普遍提高，整个社会对交通运输的需求日益增加，但交通状况恶化及其伴生的安全事故、空气污染等一系列问题越来越困扰着有关的政府当局。交通运输对经济发展的制约作用不同程度地普遍存在于每个国家/地区，如何解决大城市周围地区交通拥挤和堵塞现象几乎成了最为棘手的难题之一。

2.    人类交通的大发展

公认无污染或低污染的绿色化、高速化、智能化以及舒适、便捷是21世纪交通发展的基本趋势，人类交通将大发展。

3.    新型城市客运工具展望

展望新型城市客运工具,人们已经提出了新型城市交通工具总的趋势是，向运输量大、安全、快速、舒适、省钱、节能和少污染的方向发展。

4.    划时代的新交通系统

公认的观点是，城市交通面临着新的改革，建立一种自动化、高效率的，既具有公汽的大众性和经济性，又有小汽车的灵活性和适应性的新型客运系统十分必要。

自动化程度最高的是轨道运输系统的线路形成网络，车辆小型化，在计算机的控制下，许许多多的车辆协调地在网络上自动运行，能如同出租小汽车一样，满足乘客需要。但速度、安全和环境保护方面，均远远优于小汽车，且无人驾驶。未来大城市的交通发展前景将是划时代的新交通系统。

同时指出，利用智能运输系统(ITS)来提高道路的利用率、道路交通的安全程度和道路使用的舒适性，已成为未来交通运输的发展方向。网络快车是一种智能运输系统。

5.    交通工具与运输的平衡问题

但是在目前，就陆地交通工具而言，绿色化已经能够达到，如氢燃料汽车；高速化也已经能够达到，如高速轮轨和磁浮等；便捷也已经能够达到，如的士；运输量大、安全、快速的交通工具如火车；节能和少污染可采用各种电动车；智能化以及舒适也已经能够达到。

同样地，未来个人交通工具的材料、形状、高度智能化、高效和环保五个特点目前也可以分别达到。

换句话说，交通工具的“高新尖”都已经初步实现，为什么交通还是一个非常突出的问题呢？问题就是还没有同时达到这些特点的交通运输工具。虽然目前已经提出了许多的具有众多优点的新型交通运输工具。显然小汽车智能运输系统还将会保留小汽车的众多不足，轨道化的空中士仍然保留有的士的不足。换句话说，目前需要一种交通理论将现有的各种交通工具的优点统一起来，即需要实现快速交换和路由的交通工具—网络快车。

总之，目前的交通问题最终是交通工具与技术、运输需求、运能、效率、资金投资及其回报效益的平衡问题，也就是说目前迫切需要一种能够达到技术上先进、大运能、高效率、环保、低建设运维成本的新型交通工具。

6.    大众乘客与政府、社会、企业考虑交通的角度不同

同时，大众乘客与政府、社会、企业考虑交通的角度不同。从大众乘客的角度来考虑大众交通,首先需要便捷、便宜，其次是快速、安全，再次是舒适、少换乘。

而运输量大、高效、绿色、环保、节能和少污染、材料、形状、高度智能化、资金投资及其回报、交通占地、低建设运维成本是政府、社会和企事业单位考虑的问题。

因此，较理想的大众交通是少走路，最好是从楼层或大楼或其它出发地开始到楼层或大楼或其它目的地，即点到点的运输；随到随走，基本上不等车；零换乘或少换乘；便宜、快速、安全、舒适。物流需要从源头经生产和消费再循环回到源头的符合环保的交通运输。能够满足这个要求的交通工具必需是网络化、小型化、快速、高度智能化的交通工具——网络快车。如果网络快车同时还满足运输量大、高效、绿色、环保、节能和少污染、材质优良、形状美观、资金投资相对较少及其回报率高、交通占地相对较少、低建设运维成本则是最理想的大众交通工具。

7.    未来交通的前景

 未来交通运输发展必将是高新技术的广泛应用，是高速安全交通全面发展的时代。

2.    网络快车系统简介

网络快车（ipbus）是将网络、通信、公交、电梯通过交换理论统一起来，提出一种全新的网络化的公共交通工具，以及交换式电梯。网络快车的主要特点是公交小型化、网络化、运能大、随到随走、建站灵活、站距小、客货混运、点到点运输、建设灵活、单位建设成本低，车辆模式灵活多样。网络快车主要采用最理想的超强永磁磁浮系统。电梯可以看作是公交线路的延伸，小型货运甚至还可以到达建设有网络快车管道的住宅的户内,如厨房。网络快车的物流定义为物品从供应地或生产线向接收地或最终用户的实体流动过程。根据实际需要，将开采、汇集、运输、储存、运输线路存储、生产线存储、装卸、包装、流通加工、配送、分发、自动收货、信息处理等基本功能实施有机结合。

小型化的智能化的高速路由的永磁磁浮的网络快车是一种全新、先进、快捷、基于永磁磁浮、从低速到超高速客货混运的交通系统。它们车身小巧，能乘1－4 名乘客。在运行的过程中由微电脑和/或服务器全程操控，可以实现零停靠，零换乘。服务质量和舒适程度可与私家车相媲美，服务效率高于常规公交。是一种低能耗、低建设成本、低运营成本的全新先进的交通工具。

总之，便捷、快速、高效的采用交换和路由原理的网络快车可以运送劳动者本身即人、可以运送所有生活资料即劳动产品、可以运送大多数生产资料即生产工具，小型网络快车在运输中可以避免一切不合理或不必要的运输。小型网络快车唯一不足是不能运输太大太重太长的生产资料，而广义的大型网络快车（包括公路和铁路等）可以补充。从长远看仍然需要铁路和公路等作为它的有益补充。

网络快车可以将电梯、市内公交、城际交通及长途运输有机统一起来。并且是大众化的交通工具。狭义网络快车的高等级车辆对低等级线路向下兼容。

2.1    网络快车的车厢

标准客车车厢长3米, 车辆外宽0.8米，内宽0.7米，总高2米，底高0.1米，净高1.8米。车体有1.2米的长度用于设置空气弹簧等缓冲防撞设备，前部缓冲接近一米，后部缓冲不过半米。车厢内长1.8米,设置一个可躺座位。

相应地，标准货车车厢与标准客车车厢外体相当，再依次设置一些可以放置到大车厢里面的小车厢。

还可以设计半长货车和四分之一长货车（最小货车只有0.5米长，最小货厢的长和高只有0.2米而宽0.5米，以便运输小物件）。微型货厢及部分标准货厢与车辆可以灵活分离和组合。

2.2    网络快车的线路

网络快车的线路采用磁悬浮车辆在路轨上运行。车辆底下的左右磁轨为U形对抱磁轨，将车厢底部的承重磁体及电机的电磁导线组紧紧搂住，绝对不可能出轨。车辆运行的动力来自固定在车辆底部的电磁流与上下磁轨的相互作用。供电轨面位于U形磁轨内垂直面内侧,不同速度线路分别采用市电、高压电供电, 电磁导线组外侧的电刷直接从供电轨面受电,通过左右电磁导线(即电机)之间的控制电路控制电机在不同电压下的电流。

2.3    网络快车的站

网络快车（含电梯）的站分为集线站、交换站和路由站三种。挂接在交换站和路由站之下的集线站就建在低速线路上；交换站是一种并联形式的具有一个或多个站台的车站，各个站台之间及站台与线路之间通过一系列的分道和合道组成，在线路的分道和合道之间通常依据不同站距通常设有长度不等的减速带和加速带；路由站指带有路由功能而不带站台的一种特殊的交换站。多种不同速度的线路和远近站距的车站根据客货流量的需要可以灵活组成网络快车的交通网络。

一般线路与垂直电梯及微型纯货运管道之间采用带有车辆或货厢自动中转的交换站进行连接。包含电梯站在内的部分交换站还设有货厢自动交换处理设备，完成货物的自动交换和处理。

2.4   实现高速交换需要解决的问题是分道和合道

网络化交通的特征是交换和路由，网络快车的特征是高速交换和线速路由。

现有火车的道岔就是一种典型的交通交换系统,在火车站可以非常明显地看得到它,它有多条斜道，将一系列的直道连接起来,从而一条车道上的火车可以转移到任意一条车道上。汽车在十字路口通常是由驾驶员人工完成交通交换,就是索道也早就实现了交换。飞机则通过机场进行交换。但是这些交通交换有一个问题，就是交换的速度或者说是交换效率不高。

怎样实现高速交换？可以将交换分成分道和合道两个部分，即分道和合道两个问题。分道比较容易，因为分道不存在两车侧面相撞的问题，只需要解决车辆从一条车道上转到另一条车道上的问题即可。因此分道可以实现全速分道，即高速分道。

合道就需要解决防两车侧面相撞和合道速度两个问题。对合道速度通过加速带的方式解决，同时在有加速带的情况下，合道处的相对速度一致或差不多（空中加油就实现了这个技术），就基本上解决了两车侧面相撞的问题，再就是通过时隙来解决，适当拉开合道时两条车道上车辆的距离，再还有一个问题就是紧急制动的问题，这个问题比较好解决。很明显在合道处的最高速度受加速度大小和加速带长度的影响，因此在高速线路上可以适当地在合道处降低车速，当然它需要以增加经过相应线路的车辆的运行时间为代价。这就是一个运行时间与加速带长短的平衡问题。

当然，在分道与合道之间的站台速度属于低速度运行，集线站和交换站在减速与加速之间站台的动力通常由站台直接提供慢速驱动力，其驱动效率比较高，因为乘客上下车的地方车辆移动速度是快不起来的，只相当于人的步行速度，当然也可以由车辆自行驱动，由高速车辆动力提供的慢速运行其动力效率是很低的。当然也可以采用站台倾斜自滑方式。而路由站通常由车辆自行驱动，因为低速和中速线路经过路由站的车辆运行速度通常是线速运行，而高速和超高速线路经过路由站至少也应该达到中速运行。高速线路的最高路由速度必须能够达到中速，否则会影响到高速线路的运能。在考虑成倍加大超高速线路运能的必要情况下，部分超高速线路在建设超高速路由站的时候也可以建成超高速线路以线速经过的路由站，这种硬件提高运能方案需要相对增加占地及建设成本。必要的情况下也可以通过采用减低交换频率的方式来提高运能，即相对加长经过路由站的车辆编组，它属于路由设置软件提高运能的方案，它是路由软件的基本功能之一。

2.5 网络快车的道岔

网络快车的所有轨道都是通过“人”字形的分道或合道进行连接，没有叉形连接。在道岔两线交叉的内侧部分只有底部磁轨，而无供电轨，由车辆的惯性向前运动，必要时也可以通过蓄电池供电的辅助电机驱动车辆。

转向电机位于前车辆承载磁体的前部，为车载蓄电池供电的板栅电枢或线圈电机。当车辆经过道岔时，车辆自动给转向板栅电枢或线圈电机通电，板栅电枢在上下磁轨的作用下使车辆受力靠向所需转向一侧，或者是线圈电机与导向磁轨相吸，从而实现分道或合道。由于导向轨与车辆存在斥力，道岔处车辆与轨道仍然只会靠近而不会紧贴近。

还可以在道岔分支口内角后侧设置板栅电枢，板栅电枢的整体高度不超过下磁轨的上平面。板栅电枢分别位于分支口内夹角延长线内侧，并分别与夹角平行，二者的直流电流方向相反，当检测到有车辆经过分道夹角附近时通给适当电流。根据安培定律，使车辆向板栅电枢左侧或右侧偏行，起到一定的导向纠正作用，防止车辆撞到分道夹角上。

2.6网络快车的动力

网络快车采用位于前后承载磁体之间的与轨道垂直的水平板栅电枢作为动力电机，即利用轨道上下磁体与电枢相作用的直线直流电机。通过线路两侧的供电轨直流供电（整流后没有滤波的半波直流即可）。也可以采用交流供电，而由车辆进行半波整流，当采用交流供电时，在同一个变压器下，需要将线相进行分段交换，以平衡不同相之间的电流。将板栅直流电机的控制部分设置在左右两侧板栅直流电机之间，用来控制电机的电流大小，从而控制车辆的运行速度。每辆车的受电电刷可以为单对也可以为多对。也可以将板栅直流电机分成前后分开控制的多个小板栅直流电机，相应地由多组开关控制，以提供多种不同速度及加速度的动力，其中一组或多组小板栅直流电机的电流要求也可以进行自由调节。另外各个小板栅直流电机的额定功率大小可以相同也可以不同。

还可以在车辆上增加设置由车载蓄电池供电的的直流电机，该直流电机可以为与高电压板栅电枢电机并列设置的低电压板栅电枢电机。其功率相对主动力电机可以小很多，只提供特殊情况下的低速前进或后退。

网络快车在站台区、存车区部分段、部分车库内等很多位置是相当于人步行速度的慢速移动，若采用车辆自带的高速动力系统则动力效率是不高的，在慢速移动区需要一种高效率的慢速动力系统，慢速动力也可以称之为站台动力。慢速动力可以采用链条或齿轮或皮带等多种传动方式推动车辆，也可以采用站台倾斜的重力自滑前进。由站台服务器或自动控制系统控制车辆的移动。

2.7站距与速度及加速带长度和运能的关系

交通工具在启动和停车时都有一个加速度问题，并且加速度与加速距离、车辆运行速度、最小站距有着紧密关系。

为了便于对交通速度进行讨论，首先对大众交通的站距和速度进行讨论。车辆的加速距离等于加速度乘以时间平方的一半，即S=1/2at²，即时速度等于初始速度加上加速度乘以加速时间，即V=V₀+at，当V₀=0时，V=at。由于大众交通若采用太高的加速度，乘客的舒适性可能会受到影响。因此以加速度为5米每秒平方，刹车时减速度为5米每秒平方。

2.8    速度类型划分与站距对照表

  2. 9  速度类型划分简明表